KR20230166136A - 단일 파우치 배터리 셀들 및 제조 방법들 - Google Patents
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Abstract
여기서 설명되는 장치, 시스템들, 및 방법들은 단일 파우치 배터리 셀들의 제조 및 이용에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀은, 파우치의 제1 부분에 결합된 제1 전류 콜렉터 ―제1 전류 콜렉터는 제1 전류 콜렉터 상에 배치된 제1 전극 재료를 가짐―, 파우치의 제2 부분에 결합된 제2 전류 콜렉터 ―제2 전류 콜렉터는 제2 전류 콜렉터 상에 배치된 제2 전극 재료를 가짐―, 및 제1 전극 재료와 제2 전극 재료 사이에 배치된 분리자를 포함한다. 파우치의 제1 부분은 파우치의 제2 부분에 결합되어 전기화학적 셀을 인클로징한다.
Description
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 참조로 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 2015년 6월 18일 출원된 발명의 명칭이 "Single Pouch Battery Cells and Methods of Manufacture"인 미국 가출원 제62/181,385호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.
여기서 설명된 실시예들은 대체로 배터리 셀들의 준비에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 배터리 모듈에서 단일 파우치 배터리 셀을 준비하고 이용하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
리튬-이온 전기화학적 (배터리) 셀은 전형적으로 분리자에 의해 분리된 애노드와 캐소드의 교대 층들을 포함한다. 하나의 분리자에 의해 분리된 하나의 애노드와 하나의 캐소드의 조합은 하나의 스택이라 불릴 수 있다. 복수의 스택들은 통상적으로 병렬로 접속되어 파우치 내에 삽입되어 배터리 셀을 형성한다. 배터리 셀(및 그에 따라 파우치) 내의 스택의 수는 용량을 증가시키도록 대개 비교적 크다(예를 들어, > 20). 파우치는 또한, 리튬 이온 수송용 매체를 제공하기 위해 통상적으로 신중하게 제어된 환경에서 도입되는 전해질(예를 들어, 유기 용매 및 용해된 리튬 염)을 포함한다. 파우치 내의 전해질의 양은 파우치 내의 스택의 수에 비례할 수 있다, 즉, 스택이 많을수록 전해질도 많다.
제조시에, 배터리 셀은, 전극들의 교대 층들을 적층하거나(통상적으로, 고비율 능력 프리즘 셀의 경우), 긴 스트립의 전극들을 "젤리 롤(jelly roll)" 형태로 감아서(통상적으로, 원통형 셀의 경우) 구성될 수 있다. 전극 스택 또는 롤은, 개스킷(대부분의 상업용 원통형 셀), 레이저-용접된 하드 케이스, 또는 열-봉합된 솔기가 있는 호일 파우치로 밀봉된(흔히 리튬-이온 폴리머 셀이라고 함) 하드 케이스 내에 삽입될 수 있다.
리튬-이온 배터리 셀의 유망한 응용 분야는, 통상적으로 원하는 전력 및 용량 요구량을 충족시키기 위해 많은 수의 배터리 셀, 때로는 수백, 심지어 수천개의 배터리 셀을 포함하는 자동차 배터리 팩이다. 각각의 배터리 셀은 복수의 스택(즉, 애노드, 캐소드 및 분리자) 및 전극 리드(즉, 탭)를 더 포함할 수 있다. 수 개의 셀들은 대개 배터리 탭 및 버스-바(bus-bar)(즉, 상호접속 유닛)를 통해 함께 결합되어 모듈을 형성한다. 전형적인 배터리 팩은 이러한 모듈을 수십개 포함할 수 있다. 그 결과, 배터리 팩에서 원하는 양의 전력 및 용량을 전달하기 위해서는 용접 등의 상당한 양의 접합이 일반적으로 필요하다.
여기서 설명된 장치, 시스템들, 및 방법들은 단일 파우치 배터리 셀들의 제조 및 이용에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 셀은, 파우치의 제1 부분에 결합된 제1 전류 콜렉터 ―제1 전류 콜렉터는 제1 전류 콜렉터 상에 배치된 제1 전극 재료를 가짐―, 파우치의 제2 부분에 결합된 제2 전류 콜렉터 ―제2 전류 콜렉터는 제2 전류 콜렉터 상에 배치된 제2 전극 재료를 가짐―, 및 제1 전극 재료와 제2 전극 재료 사이에 배치된 분리자를 포함한다. 파우치의 제1 부분은 파우치의 제2 부분에 결합되어 전기화학적 셀을 인클로징한다.
도 1a는 한 실시예에 따른 배터리 셀의 개략도이다.
도 1b는 일부 실시예에 따른 또 다른 타입의 배터리 셀의 개략도이다.
도 1c는 도 1b에 도시된 배터리 셀의 평면도이다.
도 1d는 일부 실시예에 따른 또 다른 배터리 셀의 평면도이다.
도 1e는 일부 실시예에 따른 자체-퓨징 개념을 이용하여 생성된 배터리 셀의 한 타입의 개략도이다.
도 1f는 도 1e에 도시된 배터리 셀의 엣지의 사진이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 복수의 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 개략도이다.
도 3은 한 실시예에 따른 도 2에 도시된 복수의 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 팩의 개략도이다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀 내의 각각의 컴포넌트의 상대적인 치수의 개략도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 단일 파우치 배터리 셀의 코너의 확대도를 도시한다.
도 5는 일부 실시예에 따른 금속 케이스 내에 인클로징된 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 개략도이다.
도 6a는 일부 실시예에 따른 금속 케이스 내에 인클로징된 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈(그 뚜껑이 개방된 상태)의 측면도이다.
도 6b는 뚜껑이 닫힌 후의 도 6a에 도시된 배터리 모듈의 또 다른 측면도이다.
도 7a는 일부 실시예에 따른 플라스틱 프레임에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 평면도이다.
도 7b는 상부 및 하부 뚜껑이 도시된 도 7a에 도시된 배터리 모듈의 측면도이다.
도 8a는 일부 실시예에 따른 복수의 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에서 채용된 탭 설계를 도시한다.
도 8b는 도 8a에 도시된 배터리 모듈의 탭 접속 영역을 포함하는 탭 설계의 스페이서를 도시한다.
도 8c는 도 8a에 도시된 배터리 모듈의 커넥터 부분을 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들 및 모듈들을 제조하기 위한 방법 플로차트이다.
도 10a는 일부 실시예에 따른 파우치 필름 상에 배치된 복수의 애노드를 포함하는 애노드 어셈블리의 레이아웃을 도시한다.
도 10b는 도 10a에 도시된 애노드 어셈블리의 단면도이다.
도 11a는 일부 실시예에 따른 파우치 필름 상에 배치된 복수의 캐소드를 포함하는 캐소드 어셈블리의 레이아웃을 도시한다.
도 11b는 도 11a에 도시된 캐소드 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 12는 일부 실시예에 따른 캐소드 어셈블리 및 애노드 어셈블리를 포함하는 전극 어셈블리 레이아웃의 평면도를 도시한다.
도 13a는 일부 실시예에 따른 복수의 유닛 셀을 포함하는 유닛 셀 어셈블리의 레이아웃을 도시한다.
도 13b는 도 13a에 도시된 유닛 셀 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 14는 일부 실시예에 따른 개개의 파우치 내의 유닛 셀들을 준비하는 방법을 나타낸다.
도 15a 및 도 15b는 일부 실시예에 따른 유닛 셀 스택을 준비하는 방법을 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는 도 15a 및 도 15b에 예시된 방법에 의해 준비된 유닛 셀 스택의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들의 제조 동안에 개스제거, 재밀봉, 및 제거를 위한 여분의 부분들을 갖는 파우치 셀들을 도시한다.
도 18은 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들에 대한 예시적인 탭 구성을 도시한다.
도 19a 및 도 19b는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 19c 및 도 19d는 일부 실시예에 따른 원통형 구성들의 배터리 셀들을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 19e 내지 도 19g는 일부 실시예에 따른 프리즘형 구성들의 배터리 셀들을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 20은 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀의 예시이다.
도 21은 전술된 방법을 이용하여 제조된 배터리 셀들의 용량 보유 곡선(capacity retention curve)을 도시한다.
도 22는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들의 어레이를 포함하는 배터리 모듈의 개략도이다.
도 23a 및 도 23b는 일부 실시예에 따른 금속 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 모듈의 절첩도(collapsed view) 및 분해도이다.
도 24a 및 도 24b는 일부 실시예에 따른 플라스틱 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 모듈의 절첩도 및 분해도이다.
도 25는 일부 실시예에 따른 배터리 모듈들의 2차원 어레이를 포함하는 배터리 팩을 도시한다.
도 26은 일부 실시예에 따른 배터리 모듈들의 1차원 어레이를 포함하는 배터리 팩을 도시한다.
도 27a 내지 도 27c는 일부 실시예에 따른 배터리 모듈들의 적층 및 연동 피쳐(interlocking feature)들을 나타내는 배터리 팩의 개략도를 도시한다.
도 28a 및 도 28b는 일부 실시예에 따른 랙 구성(rack configuration)으로 배치된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙의 절첩도 및 분해도이다.
도 1b는 일부 실시예에 따른 또 다른 타입의 배터리 셀의 개략도이다.
도 1c는 도 1b에 도시된 배터리 셀의 평면도이다.
도 1d는 일부 실시예에 따른 또 다른 배터리 셀의 평면도이다.
도 1e는 일부 실시예에 따른 자체-퓨징 개념을 이용하여 생성된 배터리 셀의 한 타입의 개략도이다.
도 1f는 도 1e에 도시된 배터리 셀의 엣지의 사진이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 복수의 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 개략도이다.
도 3은 한 실시예에 따른 도 2에 도시된 복수의 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 팩의 개략도이다.
도 4a는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀 내의 각각의 컴포넌트의 상대적인 치수의 개략도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 단일 파우치 배터리 셀의 코너의 확대도를 도시한다.
도 5는 일부 실시예에 따른 금속 케이스 내에 인클로징된 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 개략도이다.
도 6a는 일부 실시예에 따른 금속 케이스 내에 인클로징된 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈(그 뚜껑이 개방된 상태)의 측면도이다.
도 6b는 뚜껑이 닫힌 후의 도 6a에 도시된 배터리 모듈의 또 다른 측면도이다.
도 7a는 일부 실시예에 따른 플라스틱 프레임에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈의 평면도이다.
도 7b는 상부 및 하부 뚜껑이 도시된 도 7a에 도시된 배터리 모듈의 측면도이다.
도 8a는 일부 실시예에 따른 복수의 단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈에서 채용된 탭 설계를 도시한다.
도 8b는 도 8a에 도시된 배터리 모듈의 탭 접속 영역을 포함하는 탭 설계의 스페이서를 도시한다.
도 8c는 도 8a에 도시된 배터리 모듈의 커넥터 부분을 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들 및 모듈들을 제조하기 위한 방법 플로차트이다.
도 10a는 일부 실시예에 따른 파우치 필름 상에 배치된 복수의 애노드를 포함하는 애노드 어셈블리의 레이아웃을 도시한다.
도 10b는 도 10a에 도시된 애노드 어셈블리의 단면도이다.
도 11a는 일부 실시예에 따른 파우치 필름 상에 배치된 복수의 캐소드를 포함하는 캐소드 어셈블리의 레이아웃을 도시한다.
도 11b는 도 11a에 도시된 캐소드 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 12는 일부 실시예에 따른 캐소드 어셈블리 및 애노드 어셈블리를 포함하는 전극 어셈블리 레이아웃의 평면도를 도시한다.
도 13a는 일부 실시예에 따른 복수의 유닛 셀을 포함하는 유닛 셀 어셈블리의 레이아웃을 도시한다.
도 13b는 도 13a에 도시된 유닛 셀 어셈블리의 단면도를 도시한다.
도 14는 일부 실시예에 따른 개개의 파우치 내의 유닛 셀들을 준비하는 방법을 나타낸다.
도 15a 및 도 15b는 일부 실시예에 따른 유닛 셀 스택을 준비하는 방법을 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는 도 15a 및 도 15b에 예시된 방법에 의해 준비된 유닛 셀 스택의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들의 제조 동안에 개스제거, 재밀봉, 및 제거를 위한 여분의 부분들을 갖는 파우치 셀들을 도시한다.
도 18은 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들에 대한 예시적인 탭 구성을 도시한다.
도 19a 및 도 19b는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 19c 및 도 19d는 일부 실시예에 따른 원통형 구성들의 배터리 셀들을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 19e 내지 도 19g는 일부 실시예에 따른 프리즘형 구성들의 배터리 셀들을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 20은 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀의 예시이다.
도 21은 전술된 방법을 이용하여 제조된 배터리 셀들의 용량 보유 곡선(capacity retention curve)을 도시한다.
도 22는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀들의 어레이를 포함하는 배터리 모듈의 개략도이다.
도 23a 및 도 23b는 일부 실시예에 따른 금속 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 모듈의 절첩도(collapsed view) 및 분해도이다.
도 24a 및 도 24b는 일부 실시예에 따른 플라스틱 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 모듈의 절첩도 및 분해도이다.
도 25는 일부 실시예에 따른 배터리 모듈들의 2차원 어레이를 포함하는 배터리 팩을 도시한다.
도 26은 일부 실시예에 따른 배터리 모듈들의 1차원 어레이를 포함하는 배터리 팩을 도시한다.
도 27a 내지 도 27c는 일부 실시예에 따른 배터리 모듈들의 적층 및 연동 피쳐(interlocking feature)들을 나타내는 배터리 팩의 개략도를 도시한다.
도 28a 및 도 28b는 일부 실시예에 따른 랙 구성(rack configuration)으로 배치된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙의 절첩도 및 분해도이다.
여기서 설명된 실시예들은 일반적으로 단일 파우치 배터리 셀에 관한 것으로, 특히 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내에 단일 파우치 배터리 셀을 제작하고 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 단일 파우치 배터리 셀은, 단일 파우치 배터리 셀을 형성하도록 애노드, 캐소드, 그 사이에 배치된 분리자, 및 애노드, 캐소드 및 분리자를 포함하는 파우치를 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 및/또는 캐소드는 반-고체 전극 재료를 포함한다.
배터리 셀에서 비-전기 화학적 활성 재료의 양을 감소시키는 것은 주어진 배터리 셀에 대한 에너지 밀도의 증가를 제공할 수 있다. 전류 콜렉터의 두께는, 통상적으로, 취급의 용이성을 위해 및/또는 전류 밀도 고려사항과는 반대로 전극에 대한 기계적 지지를 제공하기 위해 선택된다. 다시 말해, 전류 콜렉터는 일반적으로 배터리의 전기화학적 반응에 의해 생성되는 높은 전류 밀도를 수용하는데 필요한 것보다 두껍지만, 더 얇은 전류 콜렉터(즉, 전류 밀도에 최적화됨)는 매우 취약하여 제조 프로세스 동안에 쉽게 찢어질 수 있다. 예를 들어, 일부 종래의 배터리에 현재 이용되는 20μm 두께의 전류 콜렉터는, 전자를 셔틀링하는데 수 μm의 전류 콜렉터만이 필요한 경우, 종래의 배터리에서 생성되는 전류량을 용이하게 취급할 수 있다.
여기서 설명된 바와 같이, 단일 파우치 셀은 배터리 셀 아키텍쳐의 다른 양태들을 개선하면서 더 얇은 전류 콜렉터를 이용할 수 있게 한다. 예를 들어, 전류 콜렉터는 파우치에 결합될 수 있고, 파우치는 전류 콜렉터의 물리적 지지를 제공할 수 있으며 취급을 개선하여 더 얇은 전류 콜렉터가 파우치의 이용과 연계하여 전기 전도에 이용될 수 있게 한다. 이 접근법의 몇 가지 추가 이점은 다음을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다: (i) 하나의 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀(들)로의 결함 전파 완화 또는 제거, (ii) 종래의 배터리에서 다량의 인화성 전해질에 의한 화재 위험 또는 기타 열적 위험의 감소, (iii) 종래의 배터리 제조에서의 용접 프로세스 동안 전극 재료에 도입될 수 있고 배터리 내부의 단락을 야기하여 배터리 성능을 손상시킬 수 있는 금속 오염의 감소 또는 제거, (iv) 복수의 단일 파우치 배터리 셀들을 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내에 적층할 때 개개의 파우치의 더 용이한 취급, (v) 멀티-파우치 또는 멀티-스택 배터리를 제조할 때 개개의 파우치의 스크리닝 및 거부의 편의성을 제공함으로써 제조 수율을 증가시킨다(용량, 두께, 임피던스, 무게 등); (vi) 배터리 또는 전극 제조 동안에 반고체 전극 재료를 지지하여 전극 재료의 균일한 분포(예를 들어, 균일한 두께)를 달성하고 배터리 셀 외부의 전극 재료의 유출(spill-over)을 방지하는 수단을 제공하는 것; 및 (vii) 용접 스파크로 인해 통상적으로 인화성이 있는 전해질이 점화될 수 있는 용접 프로세스에서 젖은 전극의 화재 위험을 감소시키거나 제거하는 것. 단일 파우치 배터리 셀의 접근법은, 모든 용접 프로세스가 개개의 배터리 셀이 파우치에 포함된 이후에 수행될 수 있어서, 용접 스파크가 전해질에 도달하여 전해질을 점화하는 것을 방지하기 때문에, 화재 위험을 감소시키거나 제거할 수 있다. 여기서 사용될 때, 용어 "반고체(semi-solid)"는 액체 및 고체상의 혼합물, 예를 들어, 입자 현탁액, 콜로이드 현탁액, 에멀젼, 겔 또는 마이셀(micelle) 등의 재료를 지칭한다.
여기서 사용될 때, 용어 "단일 파우치 배터리 셀"은, 통상적으로, 하나의 애노드, 하나의 캐소드, 하나의 분리자를 더 포함하는, 하나의 유닛 셀 어셈블리를 담고 있는 파우치를 포함하는 배터리 셀(여기서는 "전기화학적 셀"이라고도 함)을 지칭한다. 일부 경우에는, 본 명세서에서 명시적으로 언급되는 바와 같이, 단일 파우치 배터리 셀은 2개의 유닛 셀 어셈블리를 포함할 수 있다.
여기서 사용될 때, 용어 "약" 및 "대략"은 일반적으로 언급된 값의 ±10 %를 포함한다. 예를 들어, 약 5는 4.5 내지 5.5를 포함하고, 대략 10은 9 내지 11을 포함하고, 약 100은 90 내지 110을 포함할 것이다.
통상적인 배터리 제조는 직렬로 수행되는 수 많은 복잡하고 값 비싼 프로세스를 수반하며, 그 각각은 수율 손실에 노출되고, 장비의 자본 비용을 발생시키며, 에너지 소비 및 소모 재료에 대한 운영 비용을 포함한다. 이 프로세스는 먼저, 전형적으로, 전기화학적으로 활성인 이온 저장 화합물, 전기 전도성 첨가제, 및 중합체 바인더의 혼합물인 별도의 애노드 및 캐소드 혼합물("슬러리(slurries)"라고도 함)을 준비하는 단계를 포함한다. 그 다음, 혼합물은 가요성 금속 호일의 표면 상에 코팅되어 전극(애노드 및 캐소드)을 형성한다. 형성된 전극들은 또한 통상적으로, 고압 하에서 압축되어 밀도를 증가시키고 두께를 제어한다. 이러한 압축된 전극/호일 복합재는 제조된 배터리의 특정한 폼 팩터에 적합한 크기 및/또는 형상으로 슬릿(slit)된다.
하나의 애노드, 하나의 캐소드, 및 하나의 분리자가 함께 적층되어 유닛 셀 어셈블리를 형성할 수 있다. 각각의 유닛 셀 어셈블리는 보통, 전극을 외부 회로에 결합시키는 전도성 탭(리드라고도 함)을 역시 포함한다. 그 다음, 복수의 유닛 셀 어셈블리가 적층되거나 함께 배열되어 배터리 셀을 형성한다. 배터리 셀 내의 유닛 셀 어셈블리의 수는, 예를 들어, 결과적인 배터리 셀의 원하는 용량 및/또는 두께에 따라 달라질 수 있다. 이들 적층된 유닛 셀 어셈블리는 전기적으로 병렬이며, 각각의 유닛 셀 어셈블리 내의 각각의 탭은, 통상적으로, 특히, 저항 용접, 레이저 용접, 및 초음파 용접, 시임 용접(seam welding), 전기 빔 용접 등의 용접 프로세스를 통해 함께 용접된다. 그 다음, 진공 파우치 밀봉 단계가 실행되어 배터리 셀을 형성할 수 있다. 진공 파우치 밀봉 동안, 전해질이 통상적으로 적층된 유닛 셀 어셈블리 내에 주입되고, 유닛 셀 어셈블리 및 전해질은 주머니 내에 밀봉된다.
그 다음, 밀봉된 배터리 셀은, 초기 충전 조작이 수행되어 전극-전해질 계면을 부동태화(passivate)할 수 있고 부 반응(side reaction)을 방지할 수 있는 안정된 고체-전해질-인터페이즈(interphase)(SEI)를 생성할 수 있는 형성 프로세스(formation process)를 거친다. 또한, 배터리의 용량이 요구되는 사양을 충족시키도록 보장하기 위해 배터리의 수 차례 사이클의 충전 및 방전도 대개 수행된다. 개스제거(degas) 단계는 대개, 예비-충전 단계라 불리는 초기 충전 스테이지 동안에 또는 배터리 형성 단계에서의 전기화학적 반응 동안에 도입된 개스를 방출하기 위해 수행된다. 전극 내의 포획된 개스의 존재는 일반적으로 전극의 전도도 및 밀도를 감소시키고, 배터리 셀에 배치될 수 있는 활성 전기화학적 재료의 양을 제한하며, 배터리 성능을 감소시킬 수 있는, 즉, 사이클 수명 및 전반적인 안전 성능을 저하시킬 수 있는 리튬 덴드라이트 성장(lithium dendrite growth)을 야기할 수 있다. 포획된 개스가 방출된 후 재밀봉 단계가 수행되어 배터리 셀을 다시 밀봉할 수 있다.
전술된 제조 프로세스 및 결과의 배터리는 몇 가지 문제점을 겪을 수 있다. 첫 번째 문제는, 제조 동안의 또는 배터리 동작 동안의 결함 전파일 수 있다. 더 구체적으로, 제조 동안에, 하나의 유닛 셀 어셈블리에 문제가 있다면, 일반적으로 복수의 유닛 셀 어셈블리를 포함하는 전체 셀이 결함을 가질 수 있다. 따라서, 하나의 유닛 셀 어셈블리의 결함이 전파되어 동일한 배터리 셀 내의 복수의 유닛 셀 어셈블리의 거부를 초래함으로써 제조 수율에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 배터리 동작 동안에, 결함이 하나의 유닛 셀 어셈블리로부터 인접한 유닛 셀 어셈블리(들)로 전파될 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전형적인 결함은 열 폭주(thermal runaway)이며, 이것은, 온도가 상승하면 전기화학적 반응이 더욱 활발해져 온도를 더욱 상승시킴으로써, 포지티브 피드백 루프로 이어져 아마도 파괴적인 사이클을 초래할 수 있다. 배터리 셀 내의 하나의 유닛 셀 어셈블리가 열 폭주 반응을 겪게 되면, 직접 케이스-대-케이스 접촉, 뜨거운 배기 개스의 충돌, 또는 화염 배기 개스의 충돌 등의 다양한 열 전달 메커니즘을 통해 인접한 유닛 셀 어셈블리에서의 열 폭주를 야기할 가능성이 높다. 각각의 셀이 소비되고 있을 때마다 몇 초 또는 몇 시간에 걸쳐 팩이 파괴될 수 있는 연쇄 반응이 발생할 수 있다.
종래의 배터리 제조에서의 두 번째 문제점은, 각각의 배터리 셀 내의 다량의 전해질에 의해 도입되는 화재 위험일 수 있다. 통상적으로 리튬 이온 배터리에서 탄화수소-기반의 전해질은 대개 가연성이다. 리튬 이온 배터리 내의 탄화수소-기반 전해질은, 화재 상태 하에서, 이들 셀들이 물-기반의 전해질을 포함하는 납산, NiMH 또는 NiCd 셀과는 상이한 방식으로 거동할 수 있다는 것을 의미한다. 더 구체적으로, 리튬-이온 셀들의 누출 또는 배기는 가연성 증기를 방출할 수 있다. 화재가 물-기반의 전해질을 갖는 셀에 충격을 준다면, 셀 내의 물이 열을 흡수함으로써, 화재의 총 열 방출을 감소시키고 위험을 완화할 수 있다. 비교해 보면, 리튬 이온 셀에 대한 화재 충격은 가연성 전해질의 방출을 유발하여, 화재의 총 열 방출을 증가시키고 화재 위험을 악화시킬 것이다. 배터리 셀 내의 전해질 양은 일반적으로 동일한 배터리 셀 내의 전극 재료의 양에 비례한다. 복수의 유닛 셀 어셈블리(즉, 애노드 및 캐소드의 다중 스택)를 포함하는 종래의 배터리 셀은 대개, 대응적으로 많은 양의 전해질을 포함한다. 따라서 각각의 배터리 셀 내의 다량의 전해질은 화재의 위험을 증가시킬 수 있다.
종래의 배터리 제조의 세 번째 문제는 용접 프로세스 동안에 도입된 금속 오염일 수 있다. 보통은 복수의 전극 스택을 포함하는 전체의 배터리 셀이 파우치 내에 밀봉되기 전에 용접이 수행되기 때문에, 용접부분으로부터 튀어 나온 금속 입자에 전극이 노출된다. 금속 입자가 용접부 부근에 부착되면 전기적 단락 회로가 발생할 수 있다. 또한, 금속 입자는 용접 동안에 전극 재료에 분산되어 내부 단락 회로를 유발할 수 있다. 셀 내에서 오염된 동일한 금속은 단락 회로를 생성하는 금속 덴드라이트를 생성할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 영역에 용접하는 동안의 구리 오염은, 대부분의 캐소드 재료 전압 하에서 구리는 안정적이지 않기 때문에 내부 단락 회로를 야기할 수 있는 배터리 사이클 동안에 애노드 측에 전기화학적으로 퇴적될 수 있다. 구리 덴드라이트는 그 높은 용융 온도로 인해 리튬 덴드라이트에 비해 더 견고하다.
단일 파우치 배터리 셀들 및 배터리 모듈들
도 1a는 종래의 배터리 제조에서 전술된 문제점을 적어도 부분적으로 해결할 수 있는 배터리 셀의 개략도를 도시한다. 배터리 셀(100)은, 애노드 전류 콜렉터(150)(여기서는 "ACC(150)"라고도 함) 상에 배치된 애노드 재료(111)를 포함하는 애노드(110), 캐소드 전류 콜렉터(160)(여기서는, CCC(160)라고도 함) 상에 배치된 캐소드 재료(121)를 포함하는 캐소드(120), 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치된 분리자(130)를 포함한다. 애노드(110), 캐소드(120), 및 분리자(130)의 어셈블리는 실질적으로 파우치(140) 내에 포함될 수 있고, 파우치(140)는, 배터리 셀(100)을 배터리 모듈 또는 팩 내의 인접한 셀(들)로부터 분리함으로써, 의도하지 않은 전기화학적 반응을 개개의 셀 내로 제한하여 결함 전파(예를 들어, 화재 위험)를 완화할 수 있다. 선택사항으로서, ACC(150) 및 CCC(160)는, 애노드(110), 캐소드(120) 또는 배터리 셀(100)을 조립하기 전에 파우치(140)의 내부에 배치될 수 있다. 파우치의 이용은 또한, 전극들(즉, 애노드(110) 및 캐소드(120))이 파우치(140)에 의해 금속 입자들 또는 잠재적으로 배터리 셀을 단락시킬 수 있는 기타 임의의 재료로부터 보호되기 때문에, 배터리 모듈/팩의 구성에서 용접 프로세스 동안에 전극에서 금속 오염을 감소시키거나 제거할 수 있다. 선택사항으로서, 일부 실시예에서, ACC(150) 및 CCC(160) 중 적어도 하나는, 하나 이상의 외부 전기 회로에 접속하기 위한 전기 리드(또는 접속점)로서 역할하는 탭 또는 탭 접속부(미도시)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, ACC(150) 및 CCC(160)(여기서는, 집합적으로 "전류 콜렉터"라고 함)는, 기판, 시트 또는 호일, 또는 기타 임의의 폼 팩터 형태의 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 콜렉터는, 알루미늄, 구리, 리튬, 니켈, 스테인레스 강, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐 또는 이들의 혼합물, 조합 또는 합금 등의 금속을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 전류 콜렉터는, 탄소, 탄소 나노튜브, 또는 금속 산화물(예를 들어, TiN, TiB2, MoSi2, n-BaTiO3, Ti2O3, ReO3, RuO2, IrO2 등) 등의 비금속 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 콜렉터는 전술된 금속 및 비금속 재료 중 임의의 재료 상에 배치된 전도성 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 코팅은, 탄소계 재료, 전도성 금속, 및/또는 복합체 또는 적층된 재료를 포함한, 비금속 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터는, 전류 콜렉터의 기계적, 열적, 화학적, 또는 전기적 특성을 개선하도록 하나 이상의 표면 코팅을 갖는 베이스 기판을 포함한다. 한 예에서, 전류 콜렉터 상의 코팅(들)은, 부식을 감소시키고 접착 특성을 변경하도록 (예를 들어, 각각, 친수성 또는 소수성 코팅) 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 전류 콜렉터 상의 코팅(들)은 베이스 기판의 전체 전하 수송을 개선시키기 위해 높은 전기 전도성의 재료를 포함할 수 있다. 역시 또 다른 예에서, 코팅은 베이스 기판의 열 소산을 용이하게 하고 배터리가 과열되는 것을 방지하기 위해 높은 열 전도성의 재료를 포함할 수 있다. 역시 또 다른 예에서, 코팅은 배터리를 화재 위험으로부터 보호하도록 내열성 또는 난연성 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 코팅은, 전극 재료(예를 들어, 애노드 재료(111) 및 캐소드 재료(121))와의 표면적 및/또는 접착력을 증가시키도록 거칠게 구성될 수 있다. 역시 또 다른 예에서, 코팅은 전극 재료와의 양호한 접착 또는 접합 속성을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터는, 전극 재료와 전류 콜렉터 사이의 기계적, 전기적, 및 열적 접촉을 향상시키도록 거친 표면을 갖는 전도성 기판, 시트 또는 호일을 포함한다. 전류 콜렉터의 거칠어진 표면은, 전극 재료와 전류 콜렉터의 물리적 접촉 면적을 증가시킴으로써, 전류 콜렉터에 대한 전극 재료의 접착성을 증가시킬 수 있다. 증가된 물리적 접촉 면적은 또한, 전류 콜렉터와 전극 재료 사이의 전기적 및 열적 접촉을 개선(예를 들어, 감소된 전기 및 열 저항)할 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터는 와이어 메쉬(wire mesh) 등의 다공성 전류 콜렉터를 포함한다. 와이어 메쉬(여기서는 메쉬라고도 함)는, 직조, 편조, 편직 등에 의해 생성된 규칙적인 패턴 또는 구조 등의 적절한 프로세스를 이용하여 다양한 구성으로 조립될 수 있는 임의의 수의 필라멘트 와이어, 또는 와이어를 무작위로 분배하고 이들을 용접, 접착제 또는 기타의 적절한 기술로 결합시킴으로써 생성된 더욱 무작위적인 패턴 또는 구조를 포함할 수 있다. 게다가, 메시를 포함하는 와이어는 임의의 적절한 재료일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 와이어는, 강철, 알루미늄, 구리, 티타늄 또는 기타 임의의 적절한 금속 등의 금속이다. 다른 실시예에서, 와이어는, 예를 들어, 탄소 나노섬유 또는 기타 임의의 적절한 재료 등의 전도성 비금속 재료 일 수 있다. 일부 실시예에서, 와이어는 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅은 부식을 감소시키고 접착 특성을 강화 또는 감소시키도록(예를 들어, 각각, 친수성 또는 소수성 코팅) 구성될 수 있다. 다공성 전류 콜렉터의 예는, 참조로 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "Semi-Solid Electrode Cell Having A Porous Current Collector and Methods of Manufacture"인 미국 특허 번호 제2013/0065122호와, 발명의 명칭이 "Semi-Solid Electrodes with Porous Current Collectors and Methods of Manufacture"인 미국 특허 번호 제15/097838호에 설명되어 있다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터는, (개시형 CVD, 열선 CVD, 플라즈마 강화 CVD, 및 기타의 형태의 CVD를 포함한) 화학적 증착(CVD), 물리적 증착, 스퍼터 퇴적, 마그네트론 스퍼터링, 무선 주파수 스퍼터링, 원자층 퇴적, 펄스 레이저 퇴적, 도금, 전기도금, 딥-코팅, 브러슁, 또는 스프레이 코팅, (딥-코팅, 브러슁 또는 스프레이 코팅을 통한) 졸-겔 화학작용, 정전 분무 코팅, 3D 프린팅, 스핀 코팅, 전착, 분말 코팅, 소결, 자기-조립 방법, 및 이들 기술들의 임의의 조합을 포함한 임의의 코팅 또는 퇴적 기술을 통해 생성될 수 있다.
일부 실시예에서, 퇴적된 또는 코팅된 전류 콜렉터의 특성은 퇴적 파라미터들을 변화시킴으로써 퇴적 동안에 최적화될 수 있다. 표면 거칠기, 다공성, 및 파괴 인성(fracture toughness), 연성 및 인장 강도를 포함한 일반적인 기계적 성질을 비롯한, 코팅 텍스쳐, 코팅 두께, 두께 균일성, 표면 형태 등의 물리적 속성은, 퇴적 파라미터들의 세밀한 튜닝을 통해 최적화될 수 있다. 유사하게, 예를 들어, 특정한 반응성(specific reactivity), 접착성, 친화성 등을 포함한 다른 화학적 속성들과 함께, 예를 들어, 내화학성 및 전해질 및 염에 대한 내부식성 등의 화학적 속성은, 퇴적 파라미터를 변화시킴으로써 기능하는 전류 콜렉터를 생성하도록 최적화될 수 있다. 일부 실시예에서, 퇴적되거나 코팅된 전류 콜렉터의 다양한 물리적 및 화학적 속성은, 어닐링 또는 급속 열(플래시) 어닐링, 또는 전기기계적 연마, 및 이들 기술들의 임의의 조합의 이용에 의한 후속하는 표면 또는 온도 처리에 의한 퇴적 이후에 추가로 개선되거나 변경될 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 18 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 17 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 16 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 15 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 14 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 13 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 1 ㎛ 내지 약 12 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 2 ㎛ 내지 약 11 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 3 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 4 ㎛ 내지 약 9 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 5 ㎛ 내지 약 8 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는 약 6 ㎛ 내지 약 7 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, ACC(150)는, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 약 11 ㎛, 약 12 ㎛, 약 13 ㎛, 약 14 ㎛, 약 15 ㎛, 약 16 ㎛, 약 17 ㎛, 약 18 ㎛, 약 19 ㎛, 및 약 20 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 이들 사이의 모든 두께를 포함할 수 있다.
애노드 재료(111)는 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 재료(111)은, 경질 탄소, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유, 다공성 탄소, 및 그래핀을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 탄소계 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 재료(111)은, 스피넬 Li4Ti5O12(LTO) 및 티타늄 이산화물(TiO2, Titania)을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 티타늄계 산화물을 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 재료(111)는, 실리콘, 실리콘 일산화물(SiO), 게르마늄, 및 주석 산화물(SnO2)을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 합금 또는 탈합금(de-alloy) 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 재료(111)는, 천이 금속(transition metal) 화합물(예를 들어, 산화물, 인화물, 황화물 및 질화물)을 포함한다. 천이 화합물의 일반 식은 MxNy로 기재될 수 있고, 여기서, M은 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)로부터 선택될 수 있으며, N은 산소(O), 인(P), 황(S) 및 질소(N)로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드 재료(111)는, 비정질 탄소, 무질서화된 탄소, 흑연 탄소, 또는 금속 코팅되거나 금속 장식된 탄소(metal-decorated carbon), 흑연, 비-흑연 탄소, 메소카본 마이크로비드(mesocarbon microbead), 붕소-탄소 합금, 경질 또는 무질서화된 탄소, 티탄산 리튬 스피넬(lithium titanate spinel), 또는 리튬과 반응하여 금속간 화합물을 형성하는 고체 금속 또는 금속 합금 또는 준금속(metalloid) 또는 준금속 합금, 예를 들어, Si, Ge, Sn, Bi, Zn, Ag Al, 또는 기타 임의의 적절한 금속 합금, 준금속 합금 또는 이들의 조합, 또는LiAl, Li9Al4, Li3Al, LiZn, LiAg, Li10Ag3, Li5B4, Li7B6, Li12Si7, Li21Si8, Li13Si4, Li21Si5, Li5Sn2, Li13Sn5, Li7Sn2, Li22Sn5, Li2Sb, Li3Sb, LiBi, 또는 Li3Bi와 같은 화합물을 포함하는 리튬화된 금속 또는 금속 합금, 또는 리튬화된 또는 비-리튬화된 화합물의 비정질 금속 합금, 기타 임의의 재료 또는 합금, 또는 이들의 임의의 다른 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 고체를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드 재료(111)는 금속간 화합물을 포함한다. 금속간 화합물은 화학식 MM'에 기초할 수 있고, 여기서, M은 하나의 금속 원소이고 M'는 상이한 금속 원소이다. 금속간 화합물은 또한, 2개보다 많은 금속 원소를 포함할 수 있다. 금속간 화합물의 M 원자는, 예를 들어 Cu, Li 및 Mn 일 수 있고, 금속간 화합물의 M' 원소는, 예를 들어, Sb일 수 있다. 예시적인 금속간 화합물은, 특히, Cu2Sb, Li2CuSb, 및 Li3Sb를 포함한다. 한 예에서, 애노드 재료(111) 내의 금속간 화합물은 M 또는 M' 원자들이 무작위 방식으로 배열되어 있는 완전히 무질서한 구조를 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 애노드 재료(111) 내의 금속간 화합물은 결정 격자 내의 M 또는 M' 원자들이 비-무작위 방식으로 배열되어 있는 부분적으로 무질서한 구조를 갖는다.
일부 실시예에서, 애노드 재료(111)는 표면적을 증가시키고 결과의 전극에서 리튬 인터칼레이션(intercalation) 속도를 증가시키도록 다공성일 수 있다. 한 예에서, 애노드 재료(111)는 다공성 Mn2O3를 포함하며, 이것은, 예를 들어, MnCO3 미세구체(microsphere)의 열분해에 의해 준비될 수 있다. 또 다른 예에서, 애노드 재료(111)는, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴과 폴리(l-락타이드)의 혼합 용액을 전기방사(electrospinning) 한 다음 탄화시킴으로써 준비된 다공성 탄소 섬유를 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 재료(111)의 다공성은 다공성 전류 콜렉터를 이용함으로써 달성되거나 증가될 수 있다. 예를 들어, 애노드 재료(111)는 소정 정도의 다공성을 갖기 위해 다공성 포움(foam) 구조물 상에 컨포멀 퇴적되는 Cu2Sb를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드 재료(111)의 두께는, 약 250 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 2000 ㎛, 400 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 500 내지 약 1,500 ㎛, 약 250 내지 약 1,000 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 또는 약 500 ㎛ 내지 약 550 ㎛ 범위에 있을 수 있고, 이들 사이의 모든 범위 또는 기타 임의의 거리를 포함한다.
일부 실시예에서, 캐소드(120)는 캐소드 전류 콜렉터(160) 및 캐소드 재료(121)를 포함한다. 캐소드(120) 내의 캐소드 전류 콜렉터(160)는 전술된 바와 같이 애노드(110) 내의 애노드 전류 콜렉터(150)와 실질적으로 동일할 수 있으므로, 따라서, 애노드 전류 콜렉터(150)의 퇴적 및/또는 코팅 기술과 관련하여 설명된 것과 동일한 기술이 캐소드 전류 콜렉터(160)의 생성에도 역시 적용가능하다. 일부 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터(160)는 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 38 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 36 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 34 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 32 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 30 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 28 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 26 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 24 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 22 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 2 ㎛ 내지 약 18 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 3 ㎛ 내지 약 16 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 4 ㎛ 내지 약 14 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 5 ㎛ 내지 약 12 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 6 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는 약 7 ㎛ 내지 약 8 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, CCC(160)는, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 4 ㎛, 약 5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 7 ㎛, 약 8 ㎛, 약 9 ㎛, 약 10 ㎛, 약 11 ㎛, 약 12 ㎛, 약 13 ㎛, 약 14 ㎛, 약 15 ㎛, 약 16 ㎛, 약 17 ㎛, 약 18 ㎛, 약 19 ㎛, 약 20 ㎛, 약 21 ㎛, 약 22 ㎛, 약 23 ㎛, 약 24 ㎛, 약 25 ㎛, 약 26 ㎛, 약 27 ㎛, 약 28 ㎛, 약 29 ㎛, 약 30 ㎛, 약 31 ㎛, 약 32 ㎛, 약 33 ㎛, 약 34 ㎛, 약 35 ㎛, 약 36 ㎛, 약 27 ㎛, 약 38 ㎛, 약 39 ㎛ 및 약 40 ㎛ 미만의 두께를 가질 수 있고, 이들 사이의 모든 두께를 포함한다.
캐소드(120)의 캐소드 재료(121)는, 예를 들어, 니켈 코발트 알루미늄(NCA), 코어 쉘 경사(CSG), 스피넬-기반 리튬 이온(LMO), 리튬 철 인산염(LFP), 코발트-기반 리튬 이온(LCO) 및 니켈 코발트 망간(NCM)을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 니켈-금속 수소화물(NiMH) 및 니켈 카드뮴(NiCd) 배터리에서 이용되는 것과 같은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 고체 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, α-NaFeO2(소위 "적층된 화합물") 또는 사방정계-LiMnO2 구조 타입을 갖는 것들 또는 상이한 결정 대칭성, 원자 순서, 또는 금속이나 산소에 대한 부분적 치환을 갖는 그들의 유도체를 포함한 규칙적인 암염 화합물(ordered rocksalt compound) LiMO2의 일반적인 패밀리를 포함할 수 있다. M은 적어도 하나의 제1열 천이 금속을 포함하지만, Al, Ca, Mg 또는 Zr를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 비-천이 금속을 포함할 수 있다. 이러한 화합물의 예는, LiCoO2, Mg로 도핑된 LiCoO2, LiNiO2, ("NCA"로서 알려진) Li(Ni, Co, Al)O2, 및 ("NMC" 또는 "NCM"로서 알려진) Li(Ni, Mn, Co)O2를 포함한다. 예시적인 캐소드 재료(121)의 다른 패밀리들은, 소위 "적층된-스피넬 나노복합물"의 구조체라 불리는 LiMn2O4 및 그 유도체로서 정렬된 암염 및 스피넬 정렬을 갖는 나노 영역을 포함하는 것들 등의 스피넬 구조체의 재료, 감람석 LiMPO4 및 그 유도체로서, M이 Mn, Fe, Co 또는 Ni, LiVPO4F 등의 부분적으로 불소화된 화합물, 후술되는 기타의 "폴리아닐린" 화합물, 및 V2O5 및 V6O11을 포함한 바나듐 산화물 VxOy 중에서 하나 이상을 포함하는 것들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 예를 들어 미국 특허 제7,338,734호에 설명된 천이 금속 폴리음이온(polyanion) 화합물을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 알칼리 금속 천이 금속 산화물 또는 인산염을 포함하고, 예를 들어, 화합물은 다음과 같은 조성 Ax(M'1-aM"a)y(XD4)z, Ax(M'1-aM"a)y(DXD4)z, 또는 Ax(M'1-aM"a)y(X2D7)z를 갖고, x + y(1-a)*(M'의 공식 원자가 또는 원자가들) + ya*(M"의 공식 원자가 또는 원자가들) = z*(XD4, X2D7 또는 DXD4 그룹의 공식 원자가)인 값을 가지거나; 화합물은 다음과 같은 조성 (A1-aM″a)xM'y(XD4)z, (A1-aM"a)xM'y(DXD4)z(A1-aM"a)xM'y(X2D7)z를 갖고, (1-a)x + ax*(M"의 공식 원자가 또는 원자가들) + y*(M'의 공식 원자가 또는 원자가들) = z*(XD4, X2D7 또는 DXD4 그룹의 공식 원자가)인 값을 가진다. 이 화합물에서, A는 알칼리 금속 및 수소 중 적어도 하나이고, M'는 제1행 천이 금속이고, X는 인, 황, 비소, 몰리브덴 및 텅스텐 중 적어도 하나이고, M"는, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, 및 VIB족 금속 중 임의의 것이고, D는 산소, 질소, 탄소 또는 할로겐 중 적어도 하나이다. 캐소드 재료(121)는, 감람석 구조 화합물 LiMPO4일 수 있고, 여기서, M은 V, Cr, Mn, Fe, Co 및 Ni 중 하나 이상이며, 이 화합물은 선택사항으로서 Li, M 또는 O-사이트에서 도핑된다. Li-사이트의 결함은 금속 또는 준금속의 첨가에 의해 보상되고, O-사이트의 결함은 할로겐의 첨가에 의해 보상된다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 감람석 구조를 가지며 화학식 (Li1-xZx)MPO4를 갖는 열적으로 안정된 천이 금속-도핑된 리튬 천이 금속 인산염을 포함하고, 여기서, M은 V, Cr, Mn, Fe, Co, 및 Ni 중 하나 이상이고, Z는 Ti, Zr, Nb, Al 또는 Mg 중 하나 이상 등의 비-알칼리 금속 도펀트이고, x는 0.005 내지 0.05의 범위이다.
다른 실시예에서, 리튬 천이 금속 인산염 재료는 전체 조성 Li1-x-zM1+zPO4를 가지며, 여기서, M은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co 및 Ni로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 제1열 천이 금속을 포함하고, x는 0 내지 1이고, z는 양 또는 음일 수 있다. M은 Fe를 포함하고, z는 약 0.15 내지 0.15이다. 이 재료는 0 < x < 0.15의 조성 범위에 걸쳐 고용체(solid solution)를 나타내거나, 이 재료는 0 내지 적어도 약 0.05의 x의 조성 범위에 걸쳐 안정된 고용체를 나타내거나, 이 재료는 실온(22 내지 25℃)에서 0 내지 약 0.07의 x 범위의 조성 범위에 걸쳐 안정된 고용체를 나타낼 수 있다. 이 재료는 또한, 리튬 부족 상태, 예를 들어, x≥0.8 또는 x≥0.9 또는 x≥0.95에서 고용체를 나타낼 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 치환 또는 전환 반응(displacement or conversion reaction)을 겪음으로써 알칼리 이온을 저장하는 금속염을 포함한다. 이러한 화합물의 예로는, 리튬과의 반응시에 치환 또는 전환 반응을 겪어 더 환원된 산화물 또는 금속 형태의 금속 성분과 Li2O와의 혼합물을 형성하는, 전형적으로 리튬 배터리에서 음극으로서 이용되는 CoO, Co3O4, NiO, CuO, MnO 등의 금속 산화물이 포함된다. 다른 예는, 치환 또는 전환 반응을 겪어 LiF 및 환원된 금속 성분을 형성하는, CuF2, FeF2, FeF3, BiF3, CoF2 및 NiF2 등의 금속 불화물을 포함한다. 이러한 불화물은 리튬 배터리에서 양극(positive electrode)으로서 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 재료(121)는 일불화 탄소(carbon monofluoride) 또는 그 유도체를 포함한다. 일부 실시예에서, 치환 또는 전환 반응을 겪는 캐소드 재료(121)는, 100 나노미터 이하의 평균 치수를 갖는 미립자 형태이다. 일부 실시예에서, 치환 또는 전환 반응을 겪는 캐소드 재료(121)는, 탄소 및 금속 또는 금속 황화물 등의 전도성 및 상대적 연성 화합물을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 불활성 호스트와 혼합된 캐소드 재료(121)의 나노복합물을 포함한다. FeS2 및 FeF3는 또한, 비수성 또는 수성 리튬 시스템에서 저렴하고 전자적으로 전도성인 캐소드 재료(121)로서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, CFx 전극, FeS2 전극, 또는 MnO2 전극은 리튬 배터리를 생성하기 위해 리튬 금속 음극에서 이용되는 포지티브 캐소드 재료(positive cathode material)이다. 일부 실시예에서, 이러한 배터리는 1차 배터리이다. 일부 실시예에서, 이러한 배터리는 재충전가능한 배터리이다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)의 작용 이온은, Li+, Na+, H+, Mg2+, Al3+ 또는 Ca2+로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 작용 이온은, Li+ 또는 Na+로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는 이온-저장 화합물을 내포하는 고체를 포함한다. 일부 실시예에서, 이온은 양성자 또는 수산기 이온이고, 캐소드 재료(121)는 니켈-카드뮴 또는 니켈 금속 수소화물 배터리에서 이용되는 것들을 포함한다. 일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는, CuF2, FeF2, FeF3, BiF3, CoF2 및 NiF2 등의 금속 불화물로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는, CoO, Co3O4, NiO, CuO 및 MnO 등의 금속 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는 화학식(Li1-xZx)MPO4를 갖는 화합물들로부터 선택된 인터칼레이션 화합물을 포함하고, 여기서, M은, V, Cr, Mn, Fe, Co, 및 Ni 중 하나 이상이고, Z는, Ti, Zr, Nb, Al, 또는 Mg 중 하나 이상 등의 비-알칼리 금속 도펀트이고, x는 0.005 내지 0.05의 범위이다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고 캐소드 재료(121)는 화학식 LiMPO4를 갖는 화합물로부터 선택된 인터칼레이션 화합물이고, 여기서, M은, V, Cr, Mn, Fe, Co, 및 Ni 중 하나 이상이며, 화합물은 선택사항으로서 Li, M 또는 O-사이트에서 도핑된다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는, Ax(M'1-aM"a)y(XD4)z, Ax(M'1-aM"a)y(DXD4)z, 및 Ax(M'1-aM"a)y(X2D7)z로 구성된 그룹으로부터 선택된 인터칼레이션 화합물을 포함하고, 여기서, x + y(1-a)*(M'의 공식 원자가 또는 원자가들) + ya*(M"의 공식 원자가 또는 원자가들) = z*(XD4, X2D7, 또는 DXD4 그룹의 공식 원자가)이고; A는 알칼리 금속 및 수소 중 적어도 하나이고, M'는 제1열 천이 금속이고, X는 인, 황, 비소, 몰리브덴 및 텅스텐 중 적어도 하나이고, M"는, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, 및 VIB 족 금속 중 임의의 것이고, D는 산소, 질소, 탄소 또는 할로겐 중 적어도 하나이다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는, (A1-aM"a)xM'y(XD4)z, (A1-aM"a)xM'y(DXD4)z 및 (A1-aM"a)xM'y(X2D7)z로 구성된 그룹으로부터 선택된 인터칼레이션 화합물을 포함하고, 여기서, (1-a)x + 양 ax*(M"의 공식 원자가 또는 원자가들) + y*(M'의 공식 원자가 또는 원자가들) = z*(XD4, X2D7, 또는 DXD4 그룹의 공식 원자가)이고; A는 알칼리 금속 및 수소 중 적어도 하나이고, M'는 제1열 천이 금속이고, X는 인, 황, 비소, 몰리브덴 및 텅스텐 중 적어도 하나이고, M"는, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, 및 VIB 족 금속 중 임의의 것이고, D는 산소, 질소, 탄소 또는 할로겐 중 적어도 하나이다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는, α-NaFeO2 또는 사방정계-LiMnO2 구조 타입을 갖는 것들 또는 상이한 결정 대칭성, 원자 순서, 또는 금속이나 산소에 대한 부분적 치환을 갖는 그들의 유도체를 포함한 규칙적인 암염 화합물 LiMO2로 구성된 그룹으로부터 선택된 인터칼레이션 화합물을 포함하고, 여기서, M은 적어도 하나의 제1열 천이 금속을 포함하지만, Al, Ca, Mg 또는 Zr을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 비-천이 금속을 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 비정질 탄소, 무질서화된 탄소, 흑연 탄소, 또는 금속-코팅된 또는 금속-장식된 탄소를 포함하는 고체를 포함한다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 나노 구조물, 예를 들어, 나노와이어(nanowire), 나노로드(nanorod), 및 나노테트라포드(nanotetrapod)를 포함하는 고체를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, 유기 레독스(redox) 화합물을 포함하는 고체를 포함한다.
일부 실시예에서, 이온은 리튬이고, 캐소드 재료(121)는, α-NaFeO2 또는 사방정계-LiMnO2 구조 타입을 갖는 것들 또는 상이한 결정 대칭성, 원자 순서, 또는 금속이나 산소에 대한 부분적 치환을 갖는 그들의 유도체를 포함한 규칙적인 암염 화합물 LiMO2로 구성된 그룹으로부터 선택된 고체를 포함할 수 있고, 여기서, M은 적어도 하나의 제1열 천이 금속을 포함하지만, Al, Ca, Mg 또는 Zr을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 비-천이 금속을 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, Ax(M'1-aM"a)y(XD4)z, Ax(M'1-aM"a)y(DXD4)z, 및 Ax(M'1-aM"a)y(X2D7)z로 구성된 그룹으로부터 선택된 고체를 포함할 수 있고, 여기서, x + y(1-a)*(M'의 공식 원자가 또는 원자가들) + ya*(M"의 공식 원자가 또는 원자가들) = z*(XD4, X2D7, 또는 DXD4 그룹의 공식 원자가)이고; A는 알칼리 금속 및 수소 중 적어도 하나이고, M'는 제1열 천이 금속이고, X는 인, 황, 비소, 몰리브덴 및 텅스텐 중 적어도 하나이고, M"는, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, 및 VIB 족 금속 중 임의의 것이고, D는 산소, 질소, 탄소 또는 할로겐 중 적어도 하나이다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)는, LiMn2O4 및 그 유도체들; 스피넬 나노 복합체로서 그 구조가 정렬된 암염 및 스피넬 순서를 갖는 나노 영역을 포함하는 것들; LiNi0.5Mn1.5O4를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 4.3V를 초과하는 전위 vs. Li/Li+를 갖는 소위 "고전압 스피넬"; 감람석 LiMPO4 및 그 유도체로서, M이 Mn, Fe, Co 또는 Ni, LiVPO4F 등의 부분적으로 불소화된 화합물, 기타의 "폴리아닐린" 화합물, 및 V2O5 및 V6O11을 포함한 바나듐 산화물 VxOy 중 하나 이상을 포함하는 것들로 구성된 그룹으로부터 선택된 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료(121)의 두께는, 약 250 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 2000 ㎛, 400 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 2,000 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 1,500 ㎛, 약 500 내지 약 1,500 ㎛, 약 250 내지 약 1,000 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 750 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 650 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 250 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 350 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 약 450 ㎛ 내지 약 550 ㎛, 또는 약 500 ㎛ 내지 약 550 ㎛ 범위에 있을 수 있고, 이들 사이의 모든 범위 또는 기타 임의의 거리를 포함한다.
일부 실시예에서, 애노드 재료 또는 캐소드 재료 중 적어도 하나는 반고체 또는 응축된 이온-저장 액체 반응물을 포함한다. "반고체(semi-solid)"란, 재료가, 예를 들어, 반고체, 입자 현탁액, 콜로이드성 현탁액, 에멀젼, 겔 또는 마이셀 등의, 액상 및 고체상의 혼합물이라는 것을 의미한다. "응축된 이온-저장 액체" 또는 "응축된 액체"란, 액체가 수성 플로우(aqueous flow) 셀 캐소드액 또는 애노드액의 경우에서와 같이 단지 용매가 아니라, 오히려 액체 자체가 레독스-활성(redox-active)이라는 것을 의미한다. 이러한 액체 형태는 또한, 저-용융 액체 상, 이온-저장 액체를 포함하는 에멀젼 또는 마이셀을 형성하기 위한 희석제와의 혼합을 포함한, 희석제 또는 용매인 또 다른 비-레독스-활성 액체에 의해 희석되거나 혼합될 수 있다. 캐소드 또는 애노드 재료는, 유동성 반고체 또는 응축된 액체 조성물일 수 있다. 유동성 애노드 반고체(여기서는 "애노드액"이라고 함) 및/또는 유동성 캐소드 반고체("캐소드액")는, 전기 화학적 활성제(애노드 미립자 및/또는 캐소드 미립자) 및 선택사항으로서 전자 전도성 입자의 현탁액으로 구성된다. 캐소드 입자 및 전도성 입자는 전해질에 공동 현탁(co-suspended)되어 캐소드액 반고체를 생성한다. 애노드 입자 및 전도성 입자는 전해질에 공동 현탁되어 애노드액 반고체를 생성한다. 반고체는, 인가된 압력, 중력, 또는 반고체에 힘을 가하는 기타의 부과된 역장(field), 및 선택사항으로서 기계적 진동의 도움으로 유동할 수 있다. 반고체 현탁액을 이용하는 배터리 구조의 예는, 참조로 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "Stationary, Fluid Redox Electrode"인 국제 특허 공개 제WO 2012/024499호, 및 발명의 명칭이 "Semi-Solid Filled Battery and Method of Manufacture"인 국제 특허 공개 제WO 2012/088442호에서 설명되어 있다.
일부 실시예에서, 분리자(130)는, 캐소드(120)를 애노드(110)으로부터 전기적으로 분리하지만, 방전 및 충전 동안에 이온들이 2개의 전극 사이의 기공을 통과하는 것을 허용하는 얇은 미세다공성 박막일 수 있다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는, 특히 폴리올레핀, 폴리비닐 클로라이드, 나일론, 플루오로카본(fluorocarbon), 및 폴리스티렌 등의 열가소성 중합체를 포함한다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐, 폴리이소프렌, 이들의 공중합체 및 이들의 조합을 포함하는 폴리올레핀 재료를 포함한다. 예시적인 조합은, 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌 중 2개 이상을 포함하는 혼합물 뿐만 아니라, 에틸렌-부텐 공중합체 및 에틸렌-헥센 공중합체 등의 공중합체와 상기의 것과의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다.
일부 실시예에서, 배터리(100)는, 파우치(140)에 실질적으로 포함된 전해질(도 1a에는 미도시)을 더 포함한다. 전해질은, (리튬 이온 배터리의 경우) 리튬염 또는 (나트륨 이온 배터리의 경우) 나트륨 염 등의 비-수성 전해질을 용매에 포함할 수 있다. 예시적인 리튬염은, 특히, LiPF6, LiBF4 및 LiClO4를 포함할 수 있다. 예시적인 나트륨 염은, NaClO4, NaPF6, 및 비스-트리플루오로메탄술포닐이미드 나트륨(Na-TFSI)을 포함한다. 예시적인 용매는, 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디메톡시에탄(DME), 디에틸 카보네이트(DEC), 테트라하이드로푸란(THF), 및 트리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Triglyme)를 포함한다.
도 1a에 도시된 배터리 셀(100) 내의 파우치(140)는, 애노드(110), 캐소드(120), 분리자(130), 및 전해질(미도시)을 실질적으로 포함한다. 파우치(140)는, 결함 전파를 완화 또는 제거하고 배터리 제조 동안 배터리 셀(100)의 취급을 용이하게 하기 위해 배터리 셀(100)을 인접 셀들로부터 물리적으로 분리할 수 있다. 파우치(140)는 또한, 때때로 스파크를 발생시키는 배터리 제조시의 가능한 용접 프로세스 동안에 가연성 전해질의 점화의 가능성을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드(110), 캐소드(120), 분리자(130), 및 전해질(미도시)은 (예를 들어 진공 밀봉을 통해) 파우치(140) 내에 완전히 밀봉된다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는 부분적으로만 밀봉되거나 전혀 밀봉되지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는 그 둘레 주변에서 밀봉되어, 애노드(110), 캐소드(120), 분리자(130) 및 전해질을 인클로징할 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)의 밀봉은, 애노드(110), 캐소드(120), 분리자(130), 및 전해질을 실질적으로 인클로징할 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)의 밀봉은, 약 10 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 9 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 8 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 7 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 6 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 5 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 4 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 3 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 2 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 및 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 범위의 폭을 갖는 밀봉 영역을 가지며, 이들 사이의 모든 폭 및 폭 범위를 포함한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)의 밀봉 영역은 파우치(140)의 외측 엣지로부터 소정의 거리이다. 일부 실시예에서, 밀봉 영역과 외측 엣지 사이의 거리는, 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 15 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 5 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 4 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 3 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 2 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 및 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛일 수 있고, 이들 사이의 모든 거리 및 거리의 범위를 포함한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)의 밀봉 영역은, 애노드(110) 및 캐소드(120) 중 적어도 하나의 최외곽 엣지로부터 소정 거리이다. 일부 실시예에서, 밀봉 영역과, 애노드(110) 및 캐소드(120) 중 적어도 하나의 최외곽 엣지 사이의 거리는, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 9 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 8 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 7 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 6 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 4 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 3 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 2 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 약 1 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 및 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛일 수 있고, 이들 사이의 모든 거리 및 거리의 범위를 포함한다.
일부 실시예에서, 분리자(130)는 애노드(110) 및 캐소드(120) 중 적어도 하나보다 크다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는 애노드 전류 콜렉터(150) 및 캐소드 전류 콜렉터(160) 중 적어도 하나보다 크다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는 애노드 재료(111) 및 캐소드 재료(121) 중 적어도 하나보다 크다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는, 애노드(110), 캐소드(120), 애노드 재료(111), 캐소드 재료(121), ACC(150) 및 CCC(160) 중 적어도 하나를 넘어 연장되므로, 밀봉 영역 내부의 파우치(140)에서 밀봉될 수 있다. 다시 말하면, 분리자(130)는 파우치(140)의 밀봉 영역 내로 연장되고 애노드(110)와 캐소드(120)를 사실상 분리시킨다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는 파우치(140)의 밀봉 영역 내로 연장되어 애노드(110)과 캐소드(120)를 완전히 분리시킨다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는 파우치(140)의 밀봉 영역 내로 부분적으로 연장되어 애노드(110)과 캐소드(120)를 부분적으로 분리시킨다. 일부 실시예에서, 분리자(130)는 파우치(140)의 밀봉 영역의 복수의 위치로 연장되고 이들 위치들에서 애노드(110)와 캐소드(120)를 사실상 분리시킨다. 예를 들어, 애노드(110)와 캐소드(120) 중 적어도 하나가 외부 전기 접속을 형성하기 위한 탭 접속부를 갖는다면, 분리자(130)는 파우치(140)의 탭 접속부 주위의 위치 및 영역으로 연장되지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 분리자(130)가 파우치(140)의 밀봉 영역 내로 연장되는 복수의 위치 및 영역들 중 하나 이상은, 단일 파우치 배터리 셀(100)의 기능적 목적을 위한 하나 이상의 구조를 형성하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 기능적 목적은, 과충전, 개스 발생 또는 전기화학적 오작동의 형태로 인한 압력 증강으로부터의 압력 방출 또는 압력 완화의 한 형태일 수 있다. 유사하게, 일부 실시예에서, 분리자(130)가 파우치(140)의 밀봉 영역 내로 연장되지 않는 복수의 위치 및 영역들 중 하나 이상은, 단일 파우치 배터리 셀(100)의 기능적 목적을 위한 하나 이상의 구조를 형성하는데 역시 이용될 수 있다.
이들 실시예에서, 파우치(140)는 전해질을 점화시킬 수 있는 (예를 들어, 용접 프로세스로부터의) 스파크에 대한 노출의 기회를 여전히 감소시키거나 제거할 수 있다. 하나 이상의 단일 파우치 배터리 셀을 외부 파우치 또는 팩키지 내로 밀봉하는 용접 프로세스 후에 최종 밀봉 단계가 실행될 수 있고, 이 경우 외부 파우치 또는 팩키지는 습기 제어로서 기능할 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는 캐소드(120) 및/또는 애노드(110)에 기계적으로 부착된다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는, 예를 들어, 열 밀봉, 접착제 또는 본 기술분야에 공지된 기타 임의의 방법을 통해, 캐소드(120)의 전류 콜렉터 및/또는 애노드(110)의 전류 콜렉터에 부착된다.
일부 실시예에서, 파우치(140)는, 3층 구조, 즉, 외층 및 내층에 의해 샌드위치된 중간층을 포함하며, 여기서, 내층은 전극 및 전해질과 접촉한다. 예를 들어, 외층은 나일론계 중합체 필름을 포함할 수 있다. 내층은, 산(acid) 또는 다른 전해질에 내부식성이 있으며 전해질 용매에 불용성일 수 있는, 폴리프로필렌(PP) 중합체 필름을 포함할 수 있다. 중간층은 알루미늄(Al) 호일을 포함할 수 있다. 이러한 구조는 파우치가 높은 기계적 유연성 및 강도 모두를 갖는 것을 허용한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)의 외층은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 나일론, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 지향된 폴리프로필렌(o-PP), 폴리비닐 염화물(PVC), 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PSU), 및 이들의 임의의 조합 등의 중합체 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)의 중간 층은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인레스 강(SUS), 및 이들의 합금 또는 임의의 조합을 포함하는 금속층(호일, 기판, 필름 등)을 포함한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)의 내층은, 캐스트 폴리프로필렌(c-PP), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), PET, 폴리-비닐 아세테이트(PVA), 폴리아미드(PA), 아크릴 접착제, 자외선(UV)/전자빔(EB)/적외선(IR) 경화성 수지, 및 이들의 임의 조합 등의 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)는, 예를 들어, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에테르설폰(PES), PI, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리페닐렌 산화물(PPO), 및 이들의 임의의 조합 등의, 비-가연성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는, 난연성 PET 등의 난연성 첨가제 재료의 코팅 또는 필름을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 파우치(140)는, 2층 구조, 즉, 외층 및 내층을 포함한다. 일부 실시예에서, 외층은, 전술된 바와 같은 PET, PBT 또는 기타의 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 내층은, 전술된 바와 같은 PP, PE 또는 기타의 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 파우치(140)는, 수분 장벽 층 및/또는 개스 장벽 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 장벽 층은 금속 층 및/또는 산화물 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 산화물 층은 절연성이 있고 배터리 내의 단락을 방지할 수 있기 때문에 산화물 층을 포함하는 것이 유리할 수 있다.
일부 실시예에서, 파우치(140) 내에 단지 1개의(또는 2개의) 유닛 셀(들) 어셈블리만이 있을 수 있으며, 파우치(140)는 멀티-스택 배터리 셀에 흔히 이용되는 파우치보다 상당히 더 얇을 수 있다. 예를 들어, 파우치(140)는, 200 ㎛ 미만, 150 ㎛ 미만, 100 ㎛ 미만, 50 ㎛ 미만, 45 ㎛ 미만, 40 ㎛ 미만, 35 ㎛ 미만, 30 ㎛ 미만, 25 ㎛ 미만, 20 ㎛ 미만, 18 ㎛ 미만, 16 ㎛ 미만, 14 ㎛ 미만, 12 ㎛ 미만, 10 ㎛ 미만, 9 ㎛ 미만, 8 ㎛ 미만, 7 ㎛ 미만, 6 ㎛ 미만, 5 ㎛ 미만, 4 ㎛ 미만, 3 ㎛ 미만, 2 ㎛ 미만 또는 1 ㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)의 두께는 적어도 2가지 양태에 좌우될 수 있다. 한 양상에서, 결과적인 배터리 셀에서 높은 에너지 밀도를 달성하는 것이 바람직할 수 있으며, 이 경우, 배터리 셀 내의 공간의 더 많은 부분이 전극 재료용으로 확보될 수 있기 때문에 더 얇은 파우치가 도움이 될 수 있다. 또 다른 양태에서, 파우치(140)의 안전 이점을 유지하거나 향상시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 더 두꺼운 파우치 및/또는 비-가연성 파우치는, 예를 들어, 화재 위험을 줄이는데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치 두께는, 파우치 재료가 차지하는 부피 대 배터리 셀의 전체 부피의 비율로서 정량화될 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터 및/또는 파우치(140) 등의 비-전극 재료에 대한 전극 재료(예를 들어, 애노드 재료(111) 및/또는 캐소드 재료(121))의 비율은 두께들 사이의 비율의 관점에서 정의될 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 콜렉터에 대한 전극 재료의 비율은, 약 12 : 1, 약 14 : 1, 약 16 : 1, 약 18 : 1, 약 20 : 1, 약 22 : 1, 약 24 : 1, 약 26 : 1, 약 28 : 1, 약 30 : 1, 약 32 : 1, 약 34 : 1, 약 36 : 1, 약 38 : 1, 약 40 : 1, 약 42 : 1, 약 44 : 1, 약 46 : 1, 약 48 : 1, 약 50 : 1, 약 52 : 1, 약 54 : 1, 약 56 : 1, 약 58 : 1, 약 60 : 1, 약 62 : 1, 약 64 : 1, 약 66 : 1, 약 68 : 1, 약 70 : 1, 약 72 : 1, 약 74 : 1, 약 76 : 1, 약 78 : 1, 약 80 : 1, 약 82 : 1, 약 84 : 1, 약 86 : 1, 약 88 : 1, 약 90 : 1, 약 92 : 1, 약 94 : 1, 약 96 : 1, 약 98 : 1, 약 100 : 1, 약 110 : 1, 약 112 : 1, 약 114 : 1, 약 116 : 1, 약 118 : 1, 약 120 : 1, 약 122 : 1, 약 124 : 1, 약 126 : 1, 약 128 : 1, 약 130 : 1, 약 132 : 1, 약 134 : 1, 약 136 : 1, 약 138 : 1, 약 140 : 1, 약 142 : 1, 약 144 : 1, 약 146 : 1, 약 148 : 1, 약 150 : 1, 약 152 : 1, 약 154 : 1, 약 156 : 1, 약 158 : 1, 약 160 : 1, 약 162 : 1, 약 164 : 1, 약 166 : 1, 약 168 : 1, 약 170 : 1, 약 172 : 1, 약 174 : 1, 약 176 : 1, 약 178 : 1, 약 180 : 1, 약 182 : 1, 약 184 : 1, 약 186 : 1, 약 188 : 1, 약 190 : 1, 약 192 : 1, 약 194 : 1, 약 196 : 1, 약 198 : 1, 약 200 : 1, 약 300 : 1, 약 400 : 1, 약 500 : 1, 약 600 : 1, 약 700 : 1, 약 800 : 1, 약 900 : 1, 약 1000 : 1, 및 약 2000 : 1보다 클 수 있고, 이들 사이의 모든 두께 비율을 포함한다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터는 파우치(140) 상에 코팅되어, 결합된 두께를 제공할 수 있다. 이들 실시예에서, 전극 재료와 전류 콜렉터 및 파우치(140)의 결합된 두께 사이의 비율은, 약 12 : 1, 약 14 : 1, 약 16 : 1, 약 18 : 1, 약 20 : 1, 약 22 : 1, 약 24 : 1, 약 26 : 1, 약 28 : 1, 약 30 : 1, 약 32 : 1, 약 34 : 1, 약 36 : 1, 약 38 : 1, 약 40 : 1, 약 42 : 1, 약 44 : 1, 약 46 : 1, 약 48 : 1, 약 50 : 1, 약 52 : 1, 약 54 : 1, 약 56 : 1, 약 58 : 1, 약 60 : 1, 약 62 : 1, 약 64 : 1, 약 66 : 1, 약 68 : 1, 약 70 : 1, 약 72 : 1, 약 74 : 1, 약 76 : 1, 약 78 : 1, 약 80 : 1, 약 82 : 1, 약 84 : 1, 약 86 : 1, 약 88 : 1, 약 90 : 1, 약 92 : 1, 약 94 : 1, 약 96 : 1, 약 98 : 1, 약 100 : 1, 약 110 : 1, 약 112 : 1, 약 114 : 1, 약 116 : 1, 약 118 : 1, 약 120 : 1, 약 122 : 1, 약 124 : 1, 약 126 : 1, 약 128 : 1, 약 130 : 1, 약 132 : 1, 약 134 : 1, 약 136 : 1, 약 138 : 1, 약 140 : 1, 약 142 : 1, 약 144 : 1, 약 146 : 1, 약 148 : 1, 약 150 : 1, 약 152 : 1, 약 154 : 1, 약 156 : 1, 약 158 : 1, 약 160 : 1, 약 162 : 1, 약 164 : 1, 약 166 : 1, 약 168 : 1, 약 170 : 1, 약 172 : 1, 약 174 : 1, 약 176 : 1, 약 178 : 1, 약 180 : 1, 약 182 : 1, 약 184 : 1, 약 186 : 1, 약 188 : 1, 약 190 : 1, 약 192 : 1, 약 194 : 1, 약 196 : 1, 약 198 : 1, 약 200 : 1, 약 300 : 1, 약 400 : 1, 약 500 : 1, 약 600 : 1, 약 700 : 1, 약 800 : 1, 약 900 : 1, 약 1000 : 1, 및 약 2000 : 1보다 클 수 있고, 이들 사이의 모든 두께 비율을 포함한다.
일부 실시예에서, 파우치(140)는 더 얇은 더 저렴한 재료의 단일 층을 포함한다. 예를 들어, 이들 재료는 열 또는 압력(예를 들어, 열 퓨징 또는 진공 밀봉)을 이용하여 함께 밀봉될 수 있는 폴리프로필렌 또는 폴리올레핀들 조합일 수 있다.
일부 실시예에서, 파우치(140)는, 하나의 단일 파우치 배터리 셀로부터 또 다른 파우치 배터리 셀로 화재 위험이 전파되는 것을 방지하도록 난연성 재료의 단일 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는, 하나의 단일 파우치 배터리 셀에 의해 방출된 개스가 또 다른 파우치 배터리 셀로 전파되는 것을 방지하여 결함 전파를 감소시키는 방풍(air-proof) 재료를 포함한다.
사실상, 배터리(100)는 몇 가지 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 이 단일 파우치 배터리 셀 접근법(개별 팩키징된 셀 접근법이라고도 함)은 반고체 전극을 포함하는 배터리 제조 내에 편리하게 통합될 수 있다. 개별적으로 팩키징된 셀의 이용은, 개개의 스택의 취급 및 처리를 더 용이하게 한다. 또한, 이것은 전극들의 스택을 팩키징할 때 발생할 수 있는 변형으로부터 개개의 스택을 보호하는 방법을 제공한다.
단일 스택에 대해 단일 파우치를 이용하는 또 다른 이점은, 전극 재료 또는 전해질 내로의 금속 오염의 회피일 수 있다. 각각의 단일 파우치 배터리 셀 내의 파우치는, 금속 오염물(또는 기타 유형의 오염물)이 전극 재료 및 전해질 내로 들어가는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 단일 파우치는, 여기서는 "팩키지 크기"라고도 하는, 에너지 용량을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.1 Ah 내지 약 40 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.5 Ah 내지 약 35 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 1 Ah 내지 약 30 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 1.5 Ah 내지 약 25 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 2 Ah 내지 약 20 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 2.5 Ah 내지 약 15 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 3 Ah 내지 약 10 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 3 Ah 내지 약 8 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 3 Ah 내지 약 6 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 3 Ah 내지 약 5 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.1 Ah 내지 약 5 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.1 Ah 내지 약 4 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.1 Ah 내지 약 3 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.1 Ah 내지 약 2 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는 약 0.1 Ah 내지 약 1 Ah의 에너지 용량을 포함한다. 일부 실시예에서, 팩키지 크기는, 약 0.1 Ah, 약 0.2 Ah, 약 0.3 Ah, 약 0.4 Ah, 약 0.5 Ah, 약 0.6 Ah, 약 0.7 Ah, 약 0.8 Ah, 약 0.9 Ah, 약 1 Ah, 약 1.2 Ah, 약 1.4 Ah, 약 1.6 Ah, 약 1.8 Ah, 약 2 Ah, 약 2.2 Ah, 약 2.4 Ah, 약 2.6 Ah, 약 2.8 Ah, 약 3 Ah, 약 3.2 Ah, 약 3.4 Ah, 약 3.6 Ah, 약 3.8 Ah, 약 4 Ah, 약 4.2 Ah, 약 4.4 Ah, 약 4.6 Ah, 약 4.8 Ah, 약 5 Ah, 약 5.5 Ah, 약 6 Ah, 약 6.5 Ah, 약 7 Ah, 약 7.5 Ah, 약 8 Ah, 약 8.5 Ah, 약 9 Ah, 약 9.5 Ah, 약 10 Ah, 약 11 Ah, 약 12 Ah, 약 13 Ah, 약 14 Ah, 약 15 Ah, 약 16 Ah, 약 17 Ah, 약 18 Ah, 약 19 Ah, 약 20 Ah, 약 22 Ah, 약 24 Ah, 약 26 Ah, 약 28 Ah, 약 30 Ah, 약 32 Ah, 약 34 Ah, 약 36 Ah, 약 38 Ah, 약 40 Ah의 에너지 용량을 포함하며, 이들 사이의 모든 에너지 용량 및 용량 범위를 포함한다.
또한, 단일 스택을 밀봉하기 위해 간단한 단일 파우치 재료를 이용하는 것은, 종래의 배터리 제조에서 파우치 재료 및 밀봉 방법에 대한 엄격한 요건을 완화시킬 수 있다. 각각의 파우치는 통상적으로 1개 또는 2개의 유닛 셀 어셈블리만을 포함하고, 그에 따라 종래의 다중-스택 배터리 셀에 비해 전극 재료 및 전해질이 적기 때문에, 파우치 재료는 다층 구조 대신에 단일 층의 중합체 등의 더 많은 선택을 가질 수 있다. 파우치 두께는 또한 더 작을 수 있고(예를 들어, < 100 ㎛), 밀봉 방법은 또한, 융통성이 있을 수 있다(예를 들어, 압력 밀봉, 열 밀봉 및/또는 UV 밀봉).
일부 실시예에서, 분리자(130)는 파우치(140)와 함께 배치되고 밀봉될 만큼 충분히 클 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치(140)는 라미네이트 시트를 포함할 수 있고, 라미네이트 시트는, 파우치가 결합되어 밀봉부를 형성하도록, 분리자(130)의 주변부를 넘어 연장되는 주변 부분을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치의 내층들 각각은, 2개의 라미네이트 시트가 결합될 때 2개의 내층이 그들의 경계 주위에서 결합되고 서로 열적으로 접합하여 밀폐 봉인을 형성하도록, 그 자체에 열적으로 접합가능한 재료로 형성된다. 추가의 예는, 참조에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "Electrochemical Cells and Methods of Manufacturing the Same"인, 국제 특허 공개 번호 제2013/173689에 설명되어 있다.
일부 실시예에서, 탭(전기 리드)은, 파우치가 밀봉될 때 탭이 파우치 외부로 노출되고 배터리 셀을 전기적으로 접속하는데 이용될 수 있을 정도로 충분히 길 수 있다. 예를 들어, ACC(150)로부터의 제1 탭 및 CCC(160)로부터의 제2 탭은, 외부 회로의 네거티브 단부 및 포지티브 단부 중 적어도 하나에 접속하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 탭은 파우치 내부에 밀봉될 수 있으며, 이러한 경우에, 파우치 내에 구멍이 형성되어 ACC(150) 및 CCC(160) 중 적어도 하나와 외부 컨택트 또는 전기 회로 사이의 전기 접속을 가능하게 할 수 있다. 하나 이상의 구멍이 파우치 상의 임의의 위치에 배치될 수 있고, 선호되는 위치는 각각의 ACC(150) 및 CCC(160) 옆에 위치할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다양한 다른 실시예들에 따른 배터리 셀(101)의 개략도를 도시하며, "바이 셀(bi-cell)"로 지칭될 수 있다. 배터리 셀(101)에서, 애노드 전류 콜렉터(151)는, 2개의 애노드 재료(111a 및 111b)(집합적으로 "애노드 재료(111)"라고 함) 사이에 샌드위치되어 있다. 각각의 애노드 재료(111a, 111b) 상에 각각의 분리자(131a, 131b)(집합적으로 "분리자(131)"라고 함)가 배치된다. 각각의 분리자(131a, 131b) 상에는, 각각, 한 쌍의 애노드 재료(121a 및 121b)(집합적으로 "캐소드 재료(121)"라고 함)가 배치되어 있다. 각각의 캐소드 재료(121a, 121b) 상에는 대응하는 캐소드 전류 콜렉터(161a 및 161b)(집합적으로 "캐소드 전류 콜렉터(161)"라고 함)가 배치된다. 애노드 재료(111), 애노드 전류 콜렉터(151), 캐소드 재료(121), 캐소드 전류 콜렉터(161), 및 분리자(131)는, 도 1a와 관련하여 전술된 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 한 예에서, 애노드 전류 콜렉터(151) 및 캐소드 전류 콜렉터(161)는 실질적으로 동일한 재료를 포함한다. 또 다른 예에서, 애노드 전류 콜렉터(151)는 제1 금속 재료(예를 들어, 구리)를 포함하고, 캐소드 전류 콜렉터(161)는 제2 금속 재료(예를 들어, 알루미늄)를 포함한다. 배터리 셀(101)은 파우치(미도시) 내에 실질적으로 밀봉되어 단일 파우치 배터리 셀을 형성한다.
도 1b에 도시된 배터리 셀(101)은, 양면 애노드(애노드 전류 콜렉터(151) 및 한 쌍의 애노드 재료들(111a 및 111b)을 포함함) 및 양면 애노드의 각각의 면 상에 배치된 (제1 캐소드 전류 콜렉터(161a) 상에 배치된 제1 캐소드 재료(121a) 및 제2 캐소드 전류 콜렉터(161b) 상에 배치된 제2 캐소드 재료(121b)를 포함하는) 양면 캐소드를 포함하는 바이-셀(bi-cell)의 예시적인 실시예의 단면도이다. 일부 다른 실시예에서, 배터리(101)는 또한, 양면 캐소드 및 이 캐소드의 각각의 면 상에 배치된 2개의 단면 애노드를 포함할 수 있다. 여기서 설명된 바와 같이, 배터리 셀(101)은 파우치 내부에 단독으로 팩키징되거나 파우치 내부에 복수의 "바이 셀"로 팩키징될 수 있다.
도 1c는 도 1b에 도시된 배터리 셀(101)의 상부 평면도이다. 상부 평면도에서, 캐소드 전류 콜렉터(161a 및 161b)는 바이 셀 내에서 오정렬되거나 엇갈려 보일 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(151) 및 캐소드 전류 콜렉터(161)는 배터리 셀(101)의 상이한 측면들 상에 위치한다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(151) 및 캐소드 전류 콜렉터(161)는 배터리 셀(101)의 반대 측면들 상에 위치한다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(151) 및 캐소드 전류 콜렉터(161)는 배터리 셀(101)의 동일한 측면들 상에 위치한다.
도 1d는 배터리 셀(102)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 배터리 셀(102)은 2개의 양면 애노드를 포함하는 2개의 바이 셀을 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리 셀(102)은 2개의 양면 캐소드를 포함하는 2개의 바이 셀을 포함할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 애노드 전류 콜렉터(161c, 161d, 161e, 161f)(이하, 집합적으로, "캐소드 전류 콜렉터(161x)"라고 함)는 배터리 셀(102) 내에서 정렬이 어긋나거나 엇갈려 보일 수 있다. 유사하게, 애노드 전류 콜렉터(151a 및 151b)(집합적으로, "애노드 전류 콜렉터(151x)"라고 함)는 배터리 셀(102) 내에서 정렬이 어긋나거나 엇갈려 보일 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(151x) 및 캐소드 전류 콜렉터(161x)는 배터리 셀(102)의 상이한 면들 상에 위치한다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(151x) 및 캐소드 전류 콜렉터(161x)는 배터리 셀(102)의 대향 면들 상에 위치한다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(151x) 및 캐소드 전류 콜렉터(161x)는 배터리 셀(102)의 동일한 측면들 상에 위치한다.
일부 실시예들에서, 전류 콜렉터들의 정렬 불일치 또는 엇갈림은 단일 파우치 셀 내의 전류 콜렉터들의 다양한 상호결합성을 허용한다. 일부 실시예에서, 원하는 전류 콜렉터들을 연장 탭을 통해 함께 접속함으로써, 예를 들어 외부 전기 접촉을 위해 단일 파우치 셀의 밀봉 영역 내로 연장하기 위해 단일 연장 탭이 이용될 수 있다. 이것은, 단일 파우치 셀 외부의 전기 콘택트들을 용접함으로써 전극 또는 배터리 오염을 방지할 수 있다.
도 1e는 자체-퓨징 개념을 이용하는 단일 파우치 배터리 셀의 개략도를 도시한다. 도 1e에는 하나의 전극(애노드 또는 캐소드)만이 도시되어 있고, 배터리 셀의 분리자 및 다른 전극은, 도 1a, 도 1b, 도 1c 또는 도 1d 중 임의의 것에 설명된 실시예에 따라 추가될 수 있다. 배터리 셀(103)은, 배터리 셀(103)을 다른 배터리 셀에 또는 외부 전기 컨택트에 결합하기 위한 탭(112), 전극 재료를 포함하는 복수의 슬러리 포켓(142)을 포함하는 호일(122), 복수의 슬러리 포켓(142)을 서로 전기적으로 결합하는 복수의 호일 브릿지(152), 및 슬러리 포켓(142) 및 호일 브릿지(152)에 의해 덮이지 않은 호일의 부분을 채우는 에폭시 부분(132)을 포함한다. 도 1f는 배터리 셀(103)의 일부의 사진이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 복수의 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(200)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(200)은, 모듈 케이스(260)에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 셀(201, 201, 203)을 포함한다. 배터리 모듈은 또한, 단일 파우치 배터리 셀들(201 내지 203) 각각으로부터 탭들을 외부 탭(252)에 결합하는 탭 접속부(250)를 포함하며, 외부 탭은 배터리 모듈(200)을 외부 회로에 전기적으로 접속할 수 있다.
일부 실시예에서, 단일 파우치 배터리 모듈들(201 내지 203) 각각으로부터의 각각의 탭은 각각의 전류 콜렉터의 일부일 수 있다. 예를 들어, 단일 파우치 배터리 셀들(201 내지 203) 내의 각각의 전류 콜렉터는 전극 부분(즉, 전극 재료가 배치된 부분) 바깥으로 탭으로서 연장되는 리드 부분을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 단일 파우치 배터리 셀(201 내지 203)로부터의 각각의 탭은, 각각의 전류 콜렉터 또는 전극 재료에 전기적으로 결합된 추가의 및 독립적인 컴포넌트일 수 있다. 예를 들어, 각각의 탭은, 납땜, 용접, 접합, 또는 본 기술 분야에 공지된 다른 수단을 통해 전류 콜렉터에 부착된 금속 스트립일 수 있다.
일부 실시예에서, 탭 접속부(250)와 외부 탭(252) 사이의 결합은, 예를 들어, 용접점, 리벳, 스크류, 또는 본 기술 분야에 공지된 다른 수단에 의해 달성될 수 있다. 용접이 탭 접속부(250)와 외부(252)를 결합하는데 이용될 때, 전극 재료에 대한 금속 오염은, 각각의 단일 파우치 배터리 셀(201 내지 203)이 각각의 파우치 내에 밀봉된 후에 용접이 수행될 수 있어서, 금속 입자가 전극 재료에 도달하는 것을 차단할 수 있기 때문에, 여전히 실질적으로 회피될 수 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예에서, 모듈 케이스(260)는, 배터리 모듈(200)에 스택 압력을 가하도록 단일 파우치 배터리 셀(201 내지 203)의 스택에 힘을 가할 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈 케이스(260)는 스테인리스 강 등의 금속 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 모듈 케이스(260)는 플라스틱 또는 중합체 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 모듈 케이스(260)는 각각의 단일 파우치 배터리 셀(201 내지 203) 내의 파우치를 구성하는 재료와 실질적으로 동일한 재료를 포함한다. 이러한 실시예에서, 모듈 케이스(260)는, 결함 전파, 화재 위험, 및 금속 오염을 더욱 완화할 수 있는 추가의 파우치로서 간주될 수 있다.
일부 실시예에서, 단일 파우치 배터리 셀(201 내지 203)은, 접합, 접착제 도포, 또는 히트 스테이크를 통해 적층되어 단일 파우치 배터리 셀들을 본딩할 수 있다. 예를 들어, 열 또는 접착제의 적용은 순차적으로 하나씩 접착될 수 있거나 또는 모든 단일 파우치 배터리 셀들에 접착제를 동시에 적용할 수 있다. 일부 실시예에서, 적층 프로세스는 비접촉 가열 접근법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 파우치 배터리 셀들의 각각은, UV, IR 등의 열, 빛, 또는 초음파 또는 음향 파, 또는 무선 주파수 또는 마이크로파, 또는 이들의 임의 조합 등의, 기계적 또는 전기적 섭동의 적용 하에서, 접착제로서 작용하도록 활성화될 수 있는 재료의 층 또는 부분으로 코팅될 수 있다.
도 2에 도시된 배터리 모듈(200)은, 3개의 단일 파우치 배터리 셀들(201 내지 203)을 포함한다. 그러나, 실제로, 모듈 내의 단일 파우치 배터리 셀들의 개수는, 원하는 출력 용량, 두께 요건 또는 다른 명세에 따라 3개보다 많거나 3개보다 작을 수 있다.
도 3은 일부 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 개략도를 도시한다. 배터리 팩(300)은, 제1 배터리 모듈(310), 제2 배터리 모듈(320) 및 제3 배터리 모듈(330)을 포함한다. 복수의 배터리 모듈들(310 내지 330) 내의 각각의 배터리 모듈은, 도 2에 도시된 배터리 모듈(200)과 실질적으로 동일할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(310 내지 330) 내의 각각의 배터리 모듈은, 외부 버스 바(352)에 결합되는 각각의 외부 탭(312, 322, 및 332)을 포함한다. 외부 탭(312 내지 332)과 외부 버스 바(352) 사이의 결합은, 예를 들어, 용접, 납땜, 리벳팅, 스크류 고정, 또는 본 기술분야에 공지된 다른 수단에 의해 달성될 수 있다.
복수의 배터리 모듈(310 내지 330) 내의 각각의 배터리 모듈의 모듈식 설계는, 응용분야들에서 실용적인 요구를 만족시킬 수 있는 배터리의 편리한 구성을 허용한다. 일부 실시예에서, 더 높은 출력 전압을 달성하도록, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 모듈(310 내지 330)이 직렬로 접속될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 배터리 모듈(310 내지 330)은 더 높은 출력 전류를 달성하도록 병렬로 접속될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 배터리 모듈(310 내지 330)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 소정의 두께 또는 형상 요건을 만족하도록 수직으로 함께 적층될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 배터리 모듈(310 내지 330)은, (예를 들어, 맞춤형 두께를 갖는 배터리 팩의 시트가 요구될 때) 소정의 폼 팩터를 달성하기 위해 수평으로 분산될 수 있다.
도 3에 도시된 배터리 팩(300)은 3개의 배터리 모듈(310 내지 330)을 포함한다. 그러나, 실제적으로, 배터리 팩 내의 배터리 모듈들의 개수는, 원하는 출력 용량, 두께 요건, 또는 다른 명세에 따라, 3개보다 많거나 3개보다 적을 수 있다.
단일 파우치 배터리 셀들 및 모듈들에서의 탭 접속들
도 4a 및 도 4b는, 배터리 셀을, 외부 회로, 이웃하는 배터리 셀, 또는 애플리케이션의 다른 전기 컴포넌트에 결합하기 위한 전도성 탭들을 포함하는 단일 파우치 배터리 셀의 사시도를 도시한다. 도 4a에 도시된 단일 파우치 배터리 셀(400)은, 전술된 바와 같이 함께 적층된, 애노드(410), 분리자(430), 및 (도 4b에 도시된, 분리자(430) 뒤의) 캐소드(420)를 포함한다. 파우치(440)는 실질적으로, 애노드(410), 캐소드(420) 및 분리자(430)의 스택을 포함한다. 애노드(410)는, 전류 콜렉터(미도시)의 전극 부분(즉, 애노드 재료에 의해 덮인 부분) 바깥으로 탭으로서 연장되는 애노드 리드 부분(412)을 갖는다. 유사하게, 캐소드는 또한, 전류 콜렉터의 전극 부분(즉, 캐소드 재료에 의해 덮인 부분) 바깥으로서 탭으로서 연장되는 캐소드 리드 부분(422)을 갖는다. 일부 실시예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 리드 부분(412 및 422)은 금속 스트립이다. 일부 실시예에서, 애노드(410) 및 캐소드(420)에 이용되는 전류 콜렉터는 메시 전류 콜렉터일 수 있고, 대응하는 리드 부분(412 및 422)은, 예를 들어, 금속 와이어, 금속 와이어 다발, 금속 와이어 묶음, 또는 금속 와이어 어레이일 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 와이어는, 메쉬 전류 콜렉터를 구성하는 와이어와 실질적으로 동일할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 와이어는 메쉬 전류 콜렉터에 이용된 금속 재료와는 상이한 전도성 재료를 포함할 수 있다.
도 4a는 또한, 단일 파우치 배터리 셀 내의 각각의 컴포넌트의 상대 치수의 한 예를 나타낸다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 애노드(410)과 캐소드(420) 양쪽 모두는, 애노드(410)과 캐소드(420) 사이의 전기적 접촉을 피하도록 분리자(430)보다 작다. 파우치(440)는, 배터리 셀을 밀봉하거나 전극 재료 및/또는 전해질의 누출을 방지하도록 애노드(410) 및 캐소드(420)의 전극 부분들 뿐만 아니라 분리자(430)보다 크다. 2개의 탭(412 및 422)은, 배터리 셀(400)을, 다른 배터리 셀 등의 외부 요소에 전기적으로 결합하도록 파우치(440) 바깥으로 연장된다.
도 4b는 전술된 각각의 요소의 상대적 치수를 더욱 명확하게 나타내기 위해 단일 파우치 배터리 셀(400)의 코너의 확대도를 도시한다. 도 4b에서, 캐소드(420)는 애노드(410)보다 약간 작으며, 따라서 캐소드(420)는 애노드(410)에 의해 "은닉"된다. 일부 실시예에서, 분리자(430)의 적어도 일부는, 애노드(410)와 캐소드(420) 사이의 임의의 접촉을 방지하기 위해 파우치(440) 내에서 열 밀봉된다. 일부 실시예에서, 캐소드(420)는 애노드(410)와 실질적으로 동일한 크기일 수 있다.
비교적 큰 크기의 파우치(440)는, 배터리 제조 동안, 전극 재료, 특히, 반고체 전극 재료를 지지하는 수단을 제공한다, 즉, 파우치(440)는 애노드 재료 및 캐소드 재료를 홀딩할 수 있다. 파우치(440)는 또한, 전극들의 스택을 팩키징하는 경우에 발생할 수 있는, 특히 전극의 엣지에서의 변형으로부터 전극을 보호할 수 있다.
단일 파우치 배터리 셀(400) 내의 각각의 요소의 예시적인 치수는 다음과 같을 수 있다: 애노드(410) 및 캐소드(420)는 202 mm × 150 mm의 치수를 가지며; 분리자(430)는 각각의 방향으로 3mm 더 클 수 있다, 즉 205mm × 153mm; 파우치(440)는 214 mm × 162 mm의 치수를 가지며, 각각의 방향에서 애노드(410) 및 캐소드(420)보다 12 mm 더 크다. 각각의 전극(애노드(410) 또는 캐소드(420))의 두께는, 예를 들어, 150 ㎛보다 크거나, 200 ㎛ 다 크거나, 또는 300 ㎛보다 클 수 있다. 단일 파우치 배터리의 전체 두께는, 예를 들어, 600 ㎛보다 크거나, 800 ㎛보다 크거나, 또는 1mm보다 클 수 있다.
도 5는 금속 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 평면도를 도시한다. 배터리 모듈(500)은, 복수의 단일 파우치 배터리 셀(도 5에는 단 하나의 단일 파우치 배터리 셀만이 도시됨)을 실질적으로 인클로징하는 금속 케이스(560)를 포함한다. 각각의 단일 파우치 배터리 셀은, 애노드(510), 분리자(530), 및 (도 5에 도시되지 않은, 분리자(530) 뒤쪽의) 캐소드를 포함하며, 이들 모두는 파우치(540) 내에 수용되어 밀봉된다. 애노드(510)는, 전극 부분 바깥으로 애노드 탭으로서 연장되는 리드 부분(512)을 갖는 전류 콜렉터를 가진다. 유사하게, 캐소드는, 전극 부분 바깥으로 캐소드 탭으로서 연장되는 리드 부분(522)을 갖는 전류 콜렉터를 가진다. 복수의 애노드 탭(512) 및 캐소드 탭(522)은 함께 결합되고, 결합된 탭(512 및 522)은 또한, 외부 전기 커넥터(514 및 524)에도 결합된다. 더 구체적으로, 애노드 탭(512)은 배터리 모듈(500)의 애노드 커넥터(514)에 결합되고, 캐소드 탭(522)은 배터리 모듈(500)의 캐소드 커넥터(524)에 결합된다.
애노드 커넥터(514)는, 한 끝이 애노드 탭들(512)에 결합되고 다른 끝은 다른 배터리들 또는 유틸리티들 등의 외부 요소에 결합되는 전도성 요소(515)를 포함한다. 전도성 요소(515)는 금속 케이스(560)의 벽을 관통하여 배치되고, 또한 전도성 요소(515)를 실질적으로 홀딩하며 전도성 요소(515)의 미끄러짐을 방지하는 애노드 커넥터 커플러(516)를 통해 금속 케이스(560)의 벽으로부터 전기적으로 분리된다. 유사하게, 캐소드 커넥터(524)는, 한 끝 상에서의 캐소드 탭(522)에 결합되고 다른 끝 상에서 외부 요소에 결합된 전도성 요소(525)를 포함한다. 캐소드 커넥터 커플러(526)는, 전도성 요소(525)를 금속 케이스(560)의 벽으로부터 전기적으로 절연시키고 전도성 요소(525)를 실질적으로 홀딩하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 전도성 요소들(515 또는 525) 중 하나는 절연없이 직접 금속 케이스(560)에 접속될 수 있다. 이들 실시예에서, 금속 캔(560)은 금속 케이스(560)에 직접 접속된 전도성 요소(즉, 515 또는 525)의 극성과 동일한 극성을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드 커넥터 커플러(516) 및/또는 캐소드 커넥터(526)는, 비전도성 재료로 제작되거나 비전도성 재료로 코팅되고 서로 및 금속 케이스(560)의 벽과 기계적으로 결합된 한 쌍의 고정자(예를 들어, 스크류 또는 볼트) 및 너트일 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 커넥터 커플러(516) 및/또는 캐소드 커넥터(526)는 자기력을 통해 함께 결합되는 한 쌍의 자기 커플러일 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 커넥터 커플러(516) 및/또는 캐소드 커넥터(526)는 함께 금속 케이스(560)의 벽과 접합되고 금속 케이스(560)의 벽을 통해 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 금속 케이스(560)는 금속 케이스(560) 내의 배터리 셀을 보호하기 위해 실질적으로 강성이다. 일부 실시예에서, 금속 케이스(560)는 더 큰 내충격성을 갖도록 소정의 기계적 가요성을 갖는다. 일부 실시예에서, 금속 케이스(560)는, 스테인레스 강, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 조합 또는 합금 등의 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 금속 케이스(560)는, 약 0.2 mm 내지 2 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm, 또는 0.8 mm 내지 1 mm의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 금속 케이스(560)는 파우치(540)보다 약간 클 수 있다. 한 실시예에서, 파우치(540)는, 214mm × 162mm의 치수를 가지며, 금속 케이스(560)는 232mm × 165mm의 치수를 갖는다. 따라서, 단일 파우치 배터리 셀들은 자유로운 움직임없이 금속 케이스 내에 실질적으로 고정될 것으로 예상된다.
일부 실시예에서, 배터리 모듈(500)은 애노드 커넥터(514) 및 캐소드 커넥터(524)를 통해 전력을 제공하는 독립적인 배터리로서 기능한다. 일부 실시예에서, 배터리 모듈(500)은 유사하거나 유사하지 않은 다른 배터리 모듈과 결합되어 특정한 명세(예를 들어, 용량, 전압, 전류, 크기, 형상 등)를 갖는 배터리 팩을 형성할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 금속 케이스 내에 인클로징된 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 측면도를 도시한다. 도 6a는, 함께 취해져 복수의 단일 파우치 배터리 셀(601)을 수용하기 위한 금속 케이스를 형성하는, 금속 캔(660) 및 뚜껑(662)을 포함하는 배터리 모듈(600)을 도시한다. 배터리 모듈은 또한, 애노드 커넥터 또는 캐소드 커넥터일 수 있는 전극 커넥터(614)를 포함한다. 단 하나의 전극 커넥터만이 도 6a에 도시되어 있지만, 다른 전극 커넥터는 도시된 커넥터 뒤에 있을 수 있으므로 보이지 않는다.
실제로, 복수의 단일 파우치 배터리 셀들은 금속 캔(660) 내에 배치될 수 있으며, 그 후 뚜껑(662)은 금속 캔(660)의 상부에 배치되거나 밀봉되어 배터리 모듈(600)을 형성할 수 있다. 완성된 배터리 모듈(600)은 도 6b에 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 뚜껑(662) 및 금속 캔(660)은, 특히 스테인레스 강, 구리 및 알루미늄 등의 실질적으로 동일한 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 뚜껑(662)은 금속 캔(660)의 재료와는 상이한 재료를 포함한다. 예를 들어, 금속 캔(660)은 스테인리스 강으로 제작되고 뚜껑(662)은 금속 캔(660)에 더욱 용이하게 용접될 수 있는 알루미늄 호일 또는 주석 호일을 포함한다. 일부 실시예에서, 뚜껑(662)은, 레이저 용접, 시임 용접, 크림핑(crimping) 등의 기계적 방법, 또는 본 기술분야에 공지된 기타 임의의 방법에 의해 금속 캔(660)에 부착될 수 있다.
도 7a는 플라스틱 프레임 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 평면도이다. 배터리 모듈(700)은, 실질적으로 복수의 단일 파우치 배터리 셀(도 7a에는 단 하나의 단일 파우치 배터리 셀만이 도시됨)의 외주(측부)를 포함하는 플라스틱 프레임(760)을 포함한다. 각각의 단일 파우치 배터리 셀은, 애노드(710), 분리자(730), 및 (도 7에 도시되지 않은, 분리자(730) 뒤쪽의) 캐소드를 포함하며, 이들 모두는 파우치(740) 내에 수용되어 밀봉된다. 애노드(710)는, 전극 부분 바깥으로 애노드 탭으로서 연장되는 리드 부분(712)을 갖는 전류 콜렉터를 가진다. 유사하게, 캐소드는, 전극 부분 바깥으로 캐소드 탭으로서 연장되는 리드 부분(722)을 갖는 전류 콜렉터를 가진다. 복수의 애노드 탭(712) 및 캐소드 탭(722)이 함께 결합되고, 결합된 탭들은 외부 전기 커넥터에 추가로 결합된다. 더 구체적으로, 애노드 탭(712)은 배터리 모듈(700)의 애노드 커넥터(714)에 결합되고, 캐소드 탭(722)은 배터리 모듈(700)의 캐소드 커넥터(724)에 결합된다.
일부 실시예에서, 애노드 커넥터(714) 및 캐소드 커넥터(724)는, 플라스틱 프레임(760)이 절연성이기 때문에 플라스틱 프레임(760)의 벽과 직접 접촉한다. 일부 실시예에서, 도 5에 도시된 커플러(516, 526) 등의 추가적인 커플러가 애노드 커넥터(714) 및 캐소드 커넥터(724)를 기계적으로 홀딩하는데 채용될 수 있다.
일부 실시예에서, 플라스틱 프레임(760)은 충분한 강성을 제공하고 플라스틱 프레임(760) 내의 단일 파우치 배터리를 보호하도록 약 2mm 내지 약 10mm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스틱 프레임(760)의 두께는 약 3mm 내지 약 7mm, 또는 약 4mm 내지 약 6mm 일 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스틱 프레임(760)은, 특히, 나일론, 아크릴, 폴리비닐 클로라이드(PVC), uPVC, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 베이클라이트(Bakelite), 에폭시 수지, 및 멜라민 등의 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 플라스틱 프레임(760)은, 개스 및 물의 침투를 방지하도록, 외면 상에, 내면 상에, 또는 플라스틱 프레임(760) 내에 얇은 금속판 또는 호일을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스틱 프레임(760)은 표면 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 표면 코팅은 물 및 개스의 침투를 감소시킬 수 있다.
도 7b는 도 7a에 도시된 배터리 모듈(700)의 측면도를 도시한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(700)은 또한, 단일 파우치 배터리 셀을 실질적으로 수용하는 전체 용기를 형성하도록, 플라스틱 프레임(760)의 각각의 측면(상부 및 바닥)에 배치된 한 쌍의 뚜껑(762a 및 762b)을 포함한다. 일부 실시예에서, 뚜껑(762a 및 762b)은 플라스틱 프레임(760)과 열적으로 융착될 수 있는 중합체 호일을 포함한다. 일부 실시예에서, 뚜껑(762a 및 762b)은 플라스틱 프레임(760)과 진공 밀봉될 수 있는 중합체 또는 기타의 플라스틱 호일을 포함한다. 일부 실시예에서, 뚜껑(762a 및 762b)은 플라스틱 프레임(760)에 접합될 수 있는 호일을 포함한다. 일부 실시예에서, 뚜껑들(762a 및 762b) 중 하나 또는 양쪽 모두는 플라스틱 또는 금속일 수 있는 판(plate)을 포함한다. 일부 실시예에서, 플라스틱 판은 외면 또는 내면 상에 배치된 금속 호일을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 플레이트는 표면 코팅을 가질 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는, 금속 케이스 및 대응하는 탭 접속 영역에 각각 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에서의 탭 설계를 도시한다. 도 8a는 복수의 단일 파우치 배터리 셀(801)을 실질적으로 포함하는 금속 케이스(860)(전체 케이스의 일부만이 도 8a에 도시됨)를 포함하는 배터리 모듈(800)의 측면도를 도시하며, 각각의 단일 파우치 배터리 셀은, 각각의 단일 파우치 배터리 셀을 복수의 스페이서(871)를 통해 배터리 모듈(800) 내의 나머지 배터리 셀들과 결합시키는 탭(812)을 가진다. 그 후, 스페이서 커플러(872)는, 스페이서(871) 뿐만 아니라 탭(812)을, 전극 커넥터(814)(애노드 커넥터 또는 캐소드 커넥터)에 전기적으로 결합된 단부 부품(end piece, 876)에 전기적으로 결합시킨다. 전극 커넥터(814)는, 금속 케이스(860)의 벽을 관통하는 전도성 부품(815), 및 전도성 피스(815)를 금속 케이스(860)의 벽으로부터 전기적으로 절연시키는 커넥터 커플러(816)를 더 포함한다. 배터리 모듈(800)은 전극 커넥터(814)를 통해 유틸리티에 전력을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 부품(815)은 동축 커넥터이다. 일부 실시예에서, 전도성 부품(815)은 스냅 커넥터이다. 일부 실시예에서, 전도성 부품(815)은 핀 커넥터, 또는 본 기술분야에 공지된 기타 임의의 전기 커넥터이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 스페이서(871)들 중 하나의 측면도를 도시한다. 스페이서(871)는 브릿지 부분(874) 및 단부(875)를 포함한다. 각각의 스페이서(871) 내의 브릿지 부분(874)은, 단일 파우치 배터리 셀(801)로부터의 탭(812)에 맞대어 눌러진다. 따라서, 복수의 탭은 복수의 스페이서에 전기적으로 결합될 수 있고, 복수의 스페이서는 또한 탭을 제 위치에 기계적으로 홀딩한다. 단부(875)는 스페이서 커플러(872)를 수용할 수 있는 구멍을 가진다. 일부 실시예에서, 스페이서 커플러(872)는, 리벳, 스크류, 볼트, 또는 기타 임의의 전도성 부품이다.
도 8c는, 탭(812) 및 전극 커넥터(814)에 근접한 배터리 모듈(800)의 커넥터 부분(870)을 도시하여 탭 설계를 예시한다. 스페이서 커플러(872)(예를 들어, 리벳)가 고정될 때, 각각의 탭(812)은 스페이서(871)의 브릿지 부분(874)과 물리적 및 전기적으로 접촉할 수 있다. 브릿지 부분(874)은 또한, 스페이서 커플러(872)를 통해 단부 부품(876)에 전기적으로 결합되는 단부(875)와 전기적으로 결합된다. 그 다음, 전극 커넥터(814)는 단부 부품(876)에 접속되어 외부 유틸리티에 전력을 제공하거나 외부 전원으로부터 (예를 들어, 배터리를 충전하기 위해) 전력을 수신한다. 일부 실시예에서, 스페이서(817)의 브릿지 부분(874) 및 단부(875) 둘 다는 단일 파우치 배터리 셀(801)로부터 전극 커넥터(814)로의 전도성 경로를 형성하도록 전도성일 수 있다. 일부 실시예에서, 브릿지 부분(874)의 일부(예를 들어, 탭(812)과 접촉하는 부분)만이 전도성이다.
일부 실시예에서, 스페이서(871)는 금속 재료(예를 들어, 스테인레스 강, 구리, 알루미늄, 은 등)를 포함한다. 일부 실시예에서, 스페이서(871)는, 배터리 모듈(800)의 무게 또는 비용을 줄이도록 전도성 재료(예를 들어, 금속, 탄소, 전도성 금속 산화물 등)으로 코팅된 비도전성 베이스(예를 들어, 플라스틱)를 포함한다. 일부 실시예에서, 한 쌍의 탭(812)은 스페이서(871) 대신에 연장 탭에 함께 접속될 수 있고, 한 쌍의 연장 탭은 단부 부품(876)에 접속된다. 일부 실시예에서, 모든 탭은 집합되어 한 번에 단부 부품(876)에 접속된다.
일부 실시예에서, 금속 케이스(860) 및/또는 배터리 모듈(800)은, 실리콘 오일 또는 배터리의 안전성을 도울 임의의 액체를 포함할 수 있다. 이러한 액체, 실리콘 오일 또는 기타는 금속 케이스(860) 내의 압력(예를 들어, 적층된 압력)을 유지하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 액체의 이용은 또한, 금속 케이스(860) 및/또는 배터리 모듈(800) 내로의 물 침투를 방지하는 것을 도울 수 있다.
단일 파우치 배터리 셀들 및 모듈들의 제조 방법들
도 9는 일부 실시예에 따른 단일 파우치 배터리 셀 및 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 플로차트이다. 방법(900)은, 애노드 슬러리 및 캐소드 슬러리가 별개로 준비될 수 있는 단계 910에서의 전극 슬러리 준비로부터 시작한다.
일부 실시예에서, 전극 슬러리는, 전기화학적으로 활성인 이온 저장 화합물, 전기 전도성 첨가제, 및 중합체 바인더의 혼합물을 포함한다.
일부 실시예에서, 애노드 슬러리 및 캐소드 슬러리 중 적어도 하나는, 비수성 액체 전해질에서 활성 재료 및 전도성 재료의 현탁액을 포함하는 반고체 전극 재료를 포함한다. 반고체 전극 재료의 예는, 참조로 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "Semi-solid Electrode Cell Having A Porous Current Collector and Methods of Manufacture"인 미국 특허 공보 제US2013/0065122 A1호에 설명되어 있다.
그 다음, 준비된 전극 슬러리는, 단계 920에서 전류 콜렉터(예를 들어, 호일, 메쉬, 또는 다공성 전도성 포움) 상에 배치(예를 들어, 페이스트 또는 코팅)되어 전극을 형성한다. 전극 슬러리로 코팅된 전류 콜렉터가 고압 하에서 압축되는 추가적인 압축 단계가 수행되어 밀도를 증가시키고 두께를 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 슬러리 준비 단계 910 및 전극 형성 단계 920은, 일반적으로 (i) 원료 이송 및/또는 공급, (ii) 혼합, (iii) 혼합된 슬러리 이송, (iv) 분배 및/또는 압출, 및 (v) 형성을 포함하는, 슬러리 전극의 혼합 및 형성이라고 언급되는, 단일의 단계로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세스의 복수의 단계들은 동일한 시간에 및/또는 동일한 장비로 수행될 수 있다. 예를 들어, 슬러리의 혼합 및 운반은 압출기로 동시에 수행될 수 있다. 프로세스의 각각의 단계는 하나 이상의 가능한 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세스의 각각의 단계는 수동으로 또는 다양한 임의의 프로세스 장비에 의해 수행될 수 있다. 각각의 단계는 또한, 하나 이상의 서브-프로세스, 및 선택사항으로서, 프로세스 품질을 모니터링하는 검사 단계를 포함할 수 있다.
원료 이송 및/또는 공급은: 자연 공급(예를 들어, 믹서가 외력없이 혼합물 내로 재료를 받아들이는 것을 허용)을 수반한 재료의 일괄식 수동 가압(weighing), 피스톤 메커니즘 또는 스크류-기반의 "투입기(side stuffer)"에 의한 강제 공급을 수반한 일괄식 수동 가압, 자연 공급을 수반한 중량식 스크류 고형 공급기(예를 들어, 믹서가 자연스럽게 재료를 받아들일 수 있는 속도로 공급), 강제 공급을 수반한 중량식 스크류 고형 공급기(예를 들어, 피스톤 메커니즘 또는 스크류-기반의 투입기와 결합된, Brabender Industries Inc에 의해 판매되는 유닛), 및/또는 기타 임의의 적절한 이송 및/또는 공급 방법 및/또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 슬러리는, Banburry® 스타일 배치 믹서, 트윈 스크류 압출기의 혼합 섹션, 원심 플래너터리 믹서, 및/또는 플래너터리 믹서를 이용하여 혼합될 수 있다. 일부 실시예에서, 슬러리는 혼합 후 샘플링 및/또는 모니터링되어, 균질성, 유동성, 전도성, 점성도 및/또는 밀도를 측정 및/또는 평가할 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어 혼합 후에, 슬러리는, 예를 들어, 피스톤 펌프, 연동 펌프, 기어/로브 펌프, 진행 캐비티 펌프, 단일 스크류 압출기, 트윈 스크류 압출기의 이송 섹션, 및/또는 기타 임의의 적절한 이송 디바이스를 이용하여 이송 및/또는 가압될 수 있다. 일부 실시예에서, 이송 디바이스의 토크 및/또는 힘, 이송 디바이스 출구에서의 압력, 유속, 및/또는 온도는, 이송 및/또는 가압 동안에 측정, 모니터링 및/또는 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어 이송 및/또는 가압 후, 슬러리가 분배 및/또는 압출될 수 있다. 슬러리는, 예를 들어, "행어 다이(hanger die)" 시트 압출 다이, "윈터 매니폴드" 시트 압출 다이, 프로파일-스타일 시트 압출 다이, 연속된 스트림의 재료를 기판에 인가하고, 정확한 크기 및 형상의 몰드 내에 주입(예를 들어, 포켓을 재료로 채우는 것)하도록 동작가능한 임의의 노즐, 및/또는 기타 임의의 적절한 분배 디바이스를 이용하여, 분배 및/또는 압출될 수 있다.
일부 실시예에서, 분배 후에 슬러리는 최종 전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 슬러리는, 캘린더 롤 형성되거나(calendar roll formed), 스탬핑 및/또는 프레스되거나, 진동 세틀링을 거치거나, 및/또는 이산적 섹션들로 절단될 수 있다. 추가로, 일부 실시예에서, 재료의 원하지 않는 부분이 제거(예를 들어, 마스킹 및 세정)될 수 있고 선택사항으로서 슬러리 제조 프로세스 내로 다시 리사이클링될 수 있다.
전극들(애노드 및 캐소드)이 형성된 후, 단계 930에서, 유닛 셀들이 조립될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 도 1a에 도시되고 전술된 바와 같이, 각각의 유닛 셀 어셈블리는, 애노드, 캐소드, 및 이들 사이에 배치되어 애노드와 캐소드를 전기적으로 절연시키는 분리자를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 유닛 셀 어셈블리는, 도 1b에 도시되고 전술된 바와 같이, 양면 애노드, 2개의 단면 캐소드, 및 2개의 분리자를 포함할 수 있다.
단계 940에서, 각각의 조립된 유닛 셀은 파우치 내에 밀봉된다. 일부 실시예에서, 파우치는, 3층 구조, 예를 들어, 나일론계 중합체 필름을 포함하는 외층, 폴리프로필렌(PP) 중합체 필름을 포함하는 내층, 및 알루미늄(Al) 호일을 포함하는 중간 층을 포함한다. 이러한 타입의 파우치는, 예를 들어, MTI Corporation에 의해 제공되는 MSK-140 컴팩트 가열 밀봉기를 이용하여 가열 밀봉함으로써 밀봉될 수 있다. 밀봉 온도는 예를 들어 50° 내지 200° 일 수 있고, 밀봉 압력은 예를 들어 0 내지 0.7 MPa일 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치는 더 얇은 더 저렴한 재료의 단일 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이들 재료는 열 또는 압력을 이용하여 함께 밀봉될 수 있는 폴리프로필렌, 수지, 또는 폴리올레핀의 조합일 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 개개의 파우치를 밀봉하기 전에 유닛 셀에 대해 예비-충전 단계가 수행될 수 있다. 예비-충전 단계는 파우치 밀봉 이전에 개스를 발생시킬 수 있으므로, 배터리 형성 후에 통상적으로 수행되는 개스제거 프로세스의 필요성이 제거될 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 슬러리는 반고체 전극 재료이고, 준비된 전극 및 후속하는 유닛 셀 어셈블리는 이미 전극 재료 내에 전해질을 포함하고, 이 경우에 파우치는 유닛 셀 어셈블리의 준비 직후에 밀봉될 수 있다. 일부 실시예에서, 별도의 전해질(즉, 액체 전해질)이 밀봉 전에 파우치 내에 도입된다.
파우치 밀봉 후의 단계 950에서, 배터리 모듈, 배터리 팩 또는 기타의 응용의 구성을 용이하게 하도록 각각의 유닛 셀 어셈블리에 대해 탭이 준비된다. 일부 실시예에서, 탭은 전류 콜렉터의 일부일 수 있다. 예를 들어, 전류 콜렉터는, 전극 부분(예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이 412 및 422) 바깥으로 연장되는 리드 부분을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 탭은, 전극에 전기적으로 결합된 별개의 요소(예를 들어, 금속 스트립 또는 와이어)일 수 있다. 결합은 전류 콜렉터에 대한 것 또는 전극 재료(즉, 전극 슬러리)에 대한 것 중에서 어느 하나 일 수 있으며, 용접, 접합, 스테이플링, 또는 본 기술분야에 공지된 다른 수단에 의해 달성될 수 있다.
각각의 유닛 셀 어셈블리의 준비에 이어, 복수의 유닛 셀 어셈블리는 단계 960에서 함께 결합되어 예비 배터리 모듈을 형성한다. 이 단계에서, 복수의 유닛 셀 어셈블리는, 실제의 응용에 따라, 수직으로 함께 적층되거나, 수평으로 함께 어레이화되거나, 양쪽 모두가 될 수 있다. 또한 이 단계에서, 모든 캐소드 탭들은 통상적으로, 캐소드 커넥터에 추가로 결합될 수 있는 하나의 접속 지점으로 함께 결합된다. 유사하게, 모든 애노드 탭들은 통상적으로 애노드 커넥터에 추가로 결합될 수 있는 하나의 접속 지점으로 함께 결합된다. 일부 실시예에서, 탭들(애노드 탭들 또는 캐소드 탭들 또는 양쪽 모두)은, 용접, 납땜 또는 접합을 이용하여 함께 결합된다. 일부 실시예에서, 탭들은(예를 들어, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이) 스페이서 및 리벳을 이용하여 함께 결합된다. 일부 실시예에서, 탭은 스크류를 통해 함께 결합된다.
단계 970에서, 예비 배터리 모듈은 케이스 내에 인클로징된다. 일부 실시예에서, 케이스는 (예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이) 금속이다. 이들 실시예에서, 예비 배터리 모듈은 먼저 금속 캔에 배치된 다음, 각각의 단일 파우치 배터리 셀의 탭들을 애노드 및 캐소드 커넥터들에 결합한다. 그 다음, 금속 뚜껑을 금속 캔 상부에 배치하여 예비 배터리 모듈의 완전한 인클로징을 형성할 수 있다. 금속 뚜껑은, 예를 들어, 용접, 납땜 또는 기계적 수단을 통해 금속 캔에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 케이스는, (예를 들어, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이) 측면 상의 플라스틱 프레임과, 각각, 상부 및 하부 상의 2개의 호일을 포함한다. 이들 실시예에서, 예비 모듈은, 먼저 애노드 및 캐소드 커넥터들에 탭들을 결합함으로써 플라스틱 프레임에 결합될 수 있고, 그 후 2개의 호일은 예를 들어 열 융합 또는 가압 밀봉을 통해 플라스틱 프레임에 결합될 수 있다.
그 다음, 인클로징된 배터리 모듈은, 초기 충전 조작이 수행되어 전극-전해질 계면을 부동태화(passivate)할 수 있고 부 반응(side reaction)을 방지할 수 있는 안정된 고체-전해질-인터페이즈(interphase)(SEI)를 생성할 수 있는 단계 980의 형성 프로세스(formation process)를 거친다. 또한, 배터리의 용량이 요구되는 사양을 충족시키도록 보장하기 위해 배터리의 수 차례 사이클의 충전 및 방전도 대개 수행된다.
도 10a 및 도 10b는, 일부 실시예에 따른 복수의 애노드를 포함하는 애노드 어셈블리 레이아웃의 각각의 평면도 및 측면도를 도시한다. 도 10a는, 복수의 애노드(1001a, 1001b, 1001c, 및 1001d)가 배치된 결과적인 배터리 셀을 수용하는 파우치를 구성할 수 있는 파우치 필름(1040)(예를 들어, PE/PP 필름)을 포함하는 애노드 어셈블리(1000)를 도시한다. 예를 들어, 제1 애노드(1001a)는, 파우치 필름(1040) 상에 배치된, 애노드 전류 콜렉터(1020a) 상에 배치된 애노드 재료(1010a)를 포함한다. 제1 애노드(1001a)는, 제1 애노드(1001a)를 외부 회로에 결합시키도록, 애노드 전류 콜렉터(1020a)에 전기적으로 결합된 애노드 탭(1022a)을 더 포함한다. 유사하게, 제2 애노드 (1001b)는 탭(1022b) 및 애노드 전류 콜렉터(1020b) 상에 배치된 애노드 재료(1010b)를 포함한다. 각각의 애노드(1001a 내지 1001d)는 애노드 어셈블리(1000) 내의 다른 애노드로부터 (예를 들어, 물리적 분리에 의해) 전기적으로 절연된다.
탭들(1022a, 1022b 등)은 각각의 전류 콜렉터에 대한 그들의 위치와 관련하여 교대로 배치된다. 더 구체적으로, 하나의 탭(예를 들어, 1022a)이 연관된 전류 콜렉터(1020a)의 우측에 배치된다면, 그 이웃 탭들(예컨대, 1022b)은 연관된 전류 콜렉터(1020b)의 좌측에 배치되고, 그 반대도 마찬가지이다. 탭들의 이러한 교대 구성은, 단일 파우치 셀 제조 동안의 후속 단계들에서 유닛 셀들의 편리한 조립을 허용한다.
도 10a에 도시된 애노드 어셈블리(1000)는 단지 예시의 목적을 위한 4개의 애노드(1001a 내지 1001d)를 포함한다. 실제로, 파우치 필름(1040) 상에 배치된 애노드의 개수는 4개보다 많거나 적을 수 있다.
도 10b는, 상부로부터 하부로, 애노드 재료(1010), 애노드 전류 콜렉터(1020), 및 파우치 필름(1040)을 포함하는 애노드 어셈블리(1000)의 (도 10a에 도시된 라인 10B-10B를 따라 취해진) 단면도를 도시한다. 애노드 재료(1010)는 애노드 전류 콜렉터(1020)에 비해 크기가 작고 파우치 필름(1040)에 비해 크기가 더 작다는 것을 도 10a 및 도 10b로부터 알 수 있다. 이 피라미드 구조는 실제로는 제조 동안에 애노드의 편리한 취급을 허용한다. 더 구체적으로, 비교적 큰 크기의 파우치 필름(1040)은 배터리 제조 동안 전극 재료, 특히 반고체 전극 재료를 지지하기 위한 수단을 제공할 수 있다, 즉, 파우치 필름은 전극 재료를 홀딩할 수 있다. 파우치 필름(1040)은 또한, 전극들의 스택을 팩키징하는 경우에 발생할 수 있는, 특히 전극의 엣지에서의 변형으로부터 전극을 보호할 수 있다. 추가로, 파우치 필름(1040)은 또한, 파우치 필름(1040)에 의해 정의된 공간 내에 전극 재료를 포함시킴으로써 전극 재료의 잠재적 유출 및 배터리 제조시 다른 컴포넌트로의 오염을 방지할 수 있다.
도 10a 내지 도 10b에 도시된 애노드 어셈블리(1000)를 준비하는 방법은 파우치 필름으로부터 시작될 수 있다. 그 다음, 복수의 애노드 전류 콜렉터가 전술된 바와 같이 교대 방식으로 구성된 탭들과 함께, (예를 들어, 접착제로) 파우치 필름 상에 라미네이트될 수 있다. 복수의 애노드 전류 콜렉터는 유닛 배터리 셀들의 후속 조립을 용이하게 하도록 주기적인 구조로 어레이화될 수 있다. 일부 실시예에서(예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이), 애노드 전류 콜렉터들은 1차원 어레이로 배치된다. 일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터는 2차원 어레이로 배치될 수 있다. 파우치 필름과 캐소드 전류 콜렉터들이 함께 접합된 후, 애노드 어셈블리(1000)를 형성하도록 각각의 애노드 전류 콜렉터 상에 애노드 재료가 배치할 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 애노드 전류 콜렉터들은, (개시형 CVD, 열선 CVD, 플라즈마 강화 CVD, 및 기타의 형태의 CVD를 포함한) 화학적 증착(CVD), 물리적 증착, 스퍼터 퇴적, 마그네트론 스퍼터링, 무선 주파수 스퍼터링, 원자층 퇴적, 펄스 레이저 퇴적, 도금, 전기도금, 딥-코팅, 브러슁, 또는 스프레이 코팅, (딥-코팅, 브러슁 또는 스프레이 코팅을 통한) 졸-겔 화학작용, 정전 분무 코팅, 3D 프린팅, 스핀 코팅, 전착, 분말 코팅, 소결, 자기-조립 방법, 및 이들 기술들의 임의의 조합을 포함한 임의의 코팅 또는 퇴적 기술을 통해, 파우치 필름 상에 퇴적될 수 있다.
일부 실시예에서, 퇴적된 애노드 전류 콜렉터의 속성은 퇴적 파라미터들을 변화시킴으로써 퇴적 동안에 최적화될 수 있다. 표면 거칠기, 다공성, 및 파괴 인성(fracture toughness), 연성 및 인장 강도를 포함한 일반적인 기계적 성질을 비롯한, 코팅 텍스쳐, 코팅 두께, 두께 균일성, 표면 형태 등의 물리적 속성은, 퇴적 파라미터들의 세밀한 튜닝을 통해 최적화될 수 있다. 유사하게, 예를 들어, 특정한 반응성(specific reactivity), 접착성, 친화성 등을 포함한 다른 화학적 속성들과 함께, 예를 들어, 내화학성 및 전해질 및 염에 대한 내부식성 등의 화학적 속성은, 퇴적 파라미터를 변화시킴으로써 기능하는 전류 콜렉터를 생성하도록 최적화될 수 있다. 일부 실시예에서, 퇴적되거나 코팅된 전류 콜렉터의 다양한 물리적 및 화학적 속성은, 어닐링 또는 급속 열(플래시) 어닐링, 또는 전기기계적 연마, 및 이들 기술들의 임의의 조합의 이용에 의한 후속하는 표면 또는 온도 처리에 의한 퇴적 이후에 추가로 개선되거나 변경될 수 있다.
도 11a는 일부 실시예에 따른, 복수의 애노드를 포함하는 캐소드 어셈블리 레이아웃의 평면도를 도시하고, 도 11b는 (도 11a에 도시된 라인 11B-11B를 따라 취해진) 단면도를 도시한다. 캐소드 어셈블리(1100)는 파우치 필름(1140) 상에 배치된 복수의 캐소드(1101a, 1101b, 1101c, 및 1101d)를 포함한다. 각각의 캐소드(1101a 내지 1101d)는, 파우치 필름(1140)에 라미네이트되는, 캐소드 전류 콜렉터(1120a) 상에 배치된 캐소드 재료(1110a)(제1 캐소드를 한 예로서 취함)를 포함한다. 각각의 캐소드는 전기적 결합을 위한 탭(1122a)을 더 포함한다. 도 11b는, 상부로부터 하부로, 캐소드 재료(1110), 캐소드 전류 콜렉터(1120), 및 파우치 필름(1140)을 포함하는 캐소드 어셈블리(1000)의 단면도를 도시한다.
캐소드 어셈블리(1100)의 준비 방법은 전술된 애노드 어셈블리(1000)의 준비 방법과 실질적으로 유사할 수 있다. 이 방법은, 파우치 필름 상에 어레이로 복수의 캐소드 전류 콜렉터를 라미네이트하는 것으로 시작할 수 있다. 그 다음, 캐소드 재료는 캐소드 어셈블리를 형성하도록 캐소드 전류 콜렉터 각각 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 10a 및 도 10b에 도시된 애노드 어셈블리(1000) 및 도 11a 및 도 11b에 도시된 캐소드 어셈블리는 동일한 파우치 필름(1040 또는 1140) 상에서 준비될 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 어셈블리(1000) 및 캐소드 어셈블리(1100)는 별개의 파우치 필름 상에서 준비될 수 있다.
유사하게, 복수의 캐소드 전류 콜렉터는 또한, 도 10a 및 도 10b와 관련하여 전술된 바와 같이 다수의 퇴적 또는 코팅 기술을 통해 파우치 필름 상에 퇴적될 수 있다. 그리고, 퇴적된 캐소드 전류 콜렉터의 속성은 전술된 앞서 언급된 최적화 기술을 통해 최적화될 수 있다.
도 12는, 공통 파우치 필름(1240) 상에 배치된, 애노드 어셈블리(1201) 및 캐소드 어셈블리(1202)를 양쪽 모두를 포함하는 전극 어셈블리 레이아웃(1200)의 평면도를 도시한다. 애노드 어셈블리(1201) 및 캐소드 어셈블리(1202)는 각각 도 10a의 애노드 어셈블리(1000) 및 도 10b의 캐소드 어셈블리(1100)와 실질적으로 유사할 수 있으므로, 여기서는 상세히 설명되지 않는다. 애노드 어셈블리(1201)와 캐소드 어셈블리(1202)는, 전극 어셈블리(1200)가 중간에서 파선(10)을 따라 접힐 때 애노드 어셈블리(1201) 내의 각각의 애노드가 캐소드 어셈블리(1202)의 대응하는 캐소드에 겹치도록 하는 방식으로 정렬된다. 또한, 애노드 어셈블리 및 캐소드 어셈블리 각각의 탭(1221, 1222)은 상보적 방식으로 배열된다. 더 구체적으로, 파선(10)을 따라 접힐 때, 각각의 애노드 탭(1221)은 각각의 전류 콜렉터의 한 측에 있고, 각각의 캐소드 탭(1222)은 각각의 전류 콜렉터의 다른 측에 있다. 즉, 전극 어셈블리(1200)가 파선(10)을 따라 접힐 때 애노드 탭(1221)은 캐소드 탭(1222)과 접촉하지 않는다.
일부 실시예에서, 파우치 필름은 열 인가 또는 기타 임의의 적절한 방법에 의해 연장된 기간 동안 접힌채로 유지될 수 있어서 그 접힌 상태를 잃지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 열 인가 또는 접힌상태를 연장시키는 기타 임의의 적절한 방법은 전류 콜렉터들을 파우치 필름에 라미네이트하기 전에 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 인가 또는 접힌상태를 연장시키는 기타 임의의 적절한 방법은 전류 콜렉터들을 파우치 필름에 라미네이트한 후에 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 인가 또는 접힌상태를 연장시키는 기타 임의의 적절한 방법은 전류 콜렉터들을 파우치 필름에 퇴적하거나 코팅하기 전에 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 인가 또는 접힌상태를 연장시키는 기타 임의의 적절한 방법은 전류 콜렉터들을 파우치 필름에 퇴적하거나 코팅한 후에 수행될 수 있다. 전극 어셈블리(1200)는 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b와 관련하여 설명된 것과 유사한 방법으로 준비될 수 있다. 그러나, 상기 방법들(예를 들어, 전류 콜렉터들의 라미네이션, 전극 재료의 배치 등)의 단계들은 다양한 순서로 배열되어 전극 어셈블리(1200)를 준비할 수 있다. 일부 실시예에서, 전극 어셈블리(1200)를 준비하는 방법은 파우치 필름에서 시작하여, 애노드 전류 콜렉터들 및 캐소드 전류 콜렉터들의 별도의 라미네이션이 후속된다. 그 다음, 애노드 재료가 각각의 애노드 전류 콜렉터 상에 배치될 수 있고, 캐소드 재료가 각각의 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 어셈블리(1200)를 준비하는 방법은 파우치 필름 상의 애노드 전류 콜렉터들의 라미네이션으로 시작하여, 애노드 전류 콜렉터들 각각 상의 애노드 재료의 배치가 후속된다. 그 다음, 이 방법은 캐소드 전류 콜렉터들의 라미네이션 및 캐소드 전류 콜렉터들 각각 상의 캐소드 재료의 배치가 후속된다.
일부 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터 및/또는 캐소드 전류 콜렉터는 여기서 설명된 다수의 퇴적 또는 코팅 기술을 통해 파우치 필름 상에 순차적으로 퇴적될 수 있다. 퇴적된 애노드 전류 콜렉터 및/또는 캐소드 전류 콜렉터의 속성은 전술된 최적화 기술 또는 접근법을 통해 전술된 바와 같이 최적화될 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 콜렉터들은 교대 방식으로 파우치 필름 상에 라미네이트될 수 있다. 더 구체적으로는, 한 타입의 전류 콜렉터(애노드 또는 캐소드)가 파우치 필름 상에 라미네이트될 때마다, 다른 타입의 전류 콜렉터(캐소드 또는 애노드)가 라미네이트되어 반대 타입의 전류 콜렉터와 정렬된다. 바로 위에 설명된 실시예는 단지 예시의 목적을 위한 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 전극 어셈블리(1200)를 준비하기 위해 다양한 다른 순서가 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
전극 어셈블리(1200)의 준비 동안에 또는 그 준비 후에 전극 어셈블리 내의 각각의 전극(애노드 또는 캐소드) 상에 분리자가 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 분리자는 각각의 애노드 재료 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 분리자는 각각의 캐소드 재료 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 분리자들은 전극 어셈블리(1200)가 준비된 후에 전극 재료 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 분리자들은 전극 어셈블리의 준비 동안에 전극 재료 상에 배치된다. 예를 들어, 애노드 어셈블리(1201)가 준비된 이후로서 캐소드 어셈블리(1202)가 준비되기 이전에 애노드 재료 상에 분리자가 배치될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 전극 재료 상에 분리자를 배치하기 위해 단계들의 다양한 다른 순서가 여기서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
전극 어셈블리(1200)(애노드 어셈블리(1201) 또는 캐소드 어셈블리(1202) 중 어느 하나) 상에 분리자(또는 단일의 큰 시트의 분리자)가 배치된 후, 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 전극 어셈블리(1200)는 중간 라인(10)을 따라 접혀 유닛 셀 어셈블리(1300)를 형성한다. 유닛 셀 어셈블리(1300)는 복수의 유닛 셀(1301a, 1301b, 1301c, 및 1301d)을 포함한다. 파우치 필름(1340)은, 파우치 필름(1340)의 외부로 돌출되어 외부 컴포넌트와의 전기적 결합을 허용하는 탭들(1321, 1322)을 제외하고는, 복수의 유닛 셀(1301a 내지 1301d)을 실질적으로 포함한다. 단지 예시의 목적을 위해, 4개의 유닛 셀이 도 13a에 도시되어 있다. 실제로, 유닛 셀 어셈블리의 유닛 셀들의 개수는 제조 명세에 따라 4개보다 많거나 적을 수 있다.
유닛 셀 어셈블리에서 각각의 유닛 셀(예로서 제1 유닛 셀(1301a)을 취함)은 유닛 셀의 한 측 상의 캐소드 탭(1321)과 유닛 셀의 다른 측 상의 애노드 탭(1322)을 포함한다. 유닛 셀 어셈블리(1300)의 이웃하는 유닛 셀들은 탭들(1321 및 1322)의 반대의 구성을 갖는다. 제1 유닛 셀(1301a) 및 제2 유닛 셀(1301b)을 예로서 취한다. 제1 유닛 셀(1301a)에서, 캐소드 탭(1321)은 유닛 셀의 좌측에 있고, 애노드 탭(1322)은 우측에 있다. 그러나, 제2 유닛 셀(1301b)에서는, 캐소드 탭(1321)은 유닛 셀의 우측에 있고, 애노드 탭(1321)은 좌측에 있다. 탭들의 이러한 교대 구성은, 이하에서 상세히 개시되는 바와 같이, 후속 단계들에서 편리한 셀 조립 및 배터리 제조를 허용한다.
도 13b는, 상부에서 하부로, 제1 파우치 필름(1340a), 캐소드 전류 콜렉터(1310), 캐소드 재료(1320), 분리자(1330), 애노드 재료(1330), 애노드 전류 콜렉터(1350), 및 제2 파우치 필름(1340b)을 포함하는 유닛 셀 어셈블리(1300)의 (도 13a에 도시된 라인 13B-13B를 따라 취해진) 단면도를 도시한다. 일부 실시예에서, 제1 파우치 필름(1340a)과 제2 파우치 필름(1340b)은 예를 들어 도 12에 도시된 바와 같이 동일한 필름의 상이한 부분일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 파우치 필름(1340a) 및 제2 파우치 필름(1340b)은, 애노드 어셈블리 및 캐소드 어셈블리가 각각 배치되는 상이한 파우치 필름일 수 있다.
각각이 파우치 내에 포함되는 개개의 유닛 셀들을 형성하도록, 즉, 단일 파우치 유닛 셀들을 형성하도록, 도 13a 및 도 13b에 도시된 유닛 셀 어셈블리(1300) 상에 밀봉 단계가 수행될 수 있다. 도 14는 유닛 셀 어셈블리(1300)와 실질적으로 유사할 수 있는 유닛 셀 어셈블리(1400)의 밀봉 구조를 나타낸다. 유닛 셀 어셈블리(1400)는, 파우치 필름(1440)에 실질적으로 포함되는 복수의 유닛 셀(1401a 내지 1401d)을 포함한다. 파선(20)은, 예를 들어, 진공 밀봉 또는 가열 밀봉일 수 있는, 밀봉 위치를 나타낸다.
일부 실시예에서, 밀봉 단계는 먼저 2개의 수평선(유닛 셀 어셈블리(1400)의 상부 상의 하나와 하부 상의 하나)을 따라 수행된 다음, 각각의 수직 라인 상의 밀봉이 후속된다. 일부 실시예에서, 상기 순서는 반전될 수 있다, 즉, 수직 밀봉이 먼저 이루어지고, 수평 밀봉이 후속된다. 일부 실시예에서, 수직 밀봉 및 수평 밀봉 양쪽 모두는 미리결정된 밀봉 라인(20)을 따라 동시에 수행될 수 있다.
도 15a 및 도 15b는, 일부 실시예에 따른, 각각의 유닛 셀이 파우치 내에 밀봉된 후에 유닛 셀들을 적층하는 절차를 나타낸다. 도 15a는 도 14에 도시된 밀봉된 유닛 셀 어셈블리(1400)와 실질적으로 유사한 유닛 셀 어셈블리(1500)를 도시한다. 유닛 셀 어셈블리(1400)는 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)을 포함한다. 밀봉은 파선(20)을 따라 있다. 수직 일점 쇄선(30)은 유닛 셀 스택을 형성하도록 유닛 셀 어셈블리(1500)가 접혀지는 라인의 위치를 나타낸다. 접은 후, 애노드 탭은 결과 스택의 한 엣지 상에 있고, 캐소드 탭은 결과 스택의 다른 엣지 상에 있으며, 애노드 탭은 캐소드 탭으로부터 전기적으로 절연된다.
일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)은 압연 방식으로 접혀진다. 예를 들어, 유닛 셀(1501d)은 유닛 셀(1501c) 위로 반시계 방향을 따라 접힐 수 있고, 그 다음, 결과적인 스택(1501c 및 1501d)도 역시 유닛 셀(1501b) 위로 반시계 방향을 따라 접힐 수 있다. 이 압연 프로세스는, 어셈블리 내의 마지막 유닛 셀(또는, 시작 유닛 셀에 따라, 첫 번째 유닛 셀)까지 계속될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 15b에 도시된 바와 같이, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)은 지그재그 방식으로 접힌다. 예를 들어, 유닛 셀(1501a 및 1501b)은 반시계 방향을 따라 접힐 수 있다. 그러나, 유닛 셀(1501c 및 1501d)은 시계 방향을 따라 접힐 수 있다. 1501a 및 1501b의 스택은 1501c 및 1501d의 스택과 함께 반시계 방향 또는 시계 방향 중 어느 하나를 따라 접힐 수 있다. 즉, 접는 방향은 유닛 셀 어셈블리(1500) 내의 상이한 유닛 셀에 대해 상이할 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)의 접힘은 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 창문 에어컨의 측면 패널과 유사하게, 함께 스택될 유닛 셀들을 밀어 내도록 유닛 셀 어셈블리의 좌측 및 우측 양쪽 모두로부터 힘이 가해질 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)의 접힘은 열 인가 또는 그 접힌상태를 잃지 않게 하는 기타 임의의 적절한 방법에 의해 연장된 시간 동안 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 열의 인가 또는 접힘을 연장시키는 기타 임의의 적절한 방법은, 반시계 방향의 접는 방향으로 접은 후에, 시계 방향의 접는 방향으로 접은 후에, 지그재그 접는 방향으로 접은 후에, 또는 이들 접는 방향들의 임의의 조합으로 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)의 접힌 상태는 복수의 셀을 접기 이전에 열 인가 또는 기타 임의의 적절한 방법에 의해 연장된 시간 동안 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)의 접힌 상태는 복수의 셀의 각각의 접힘이 발생한 이후에 열 인가 또는 기타 임의의 적절한 방법에 의해 연장된 시간 동안 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1501a 내지 1501d)의 접힌 상태는 복수의 셀의 모든 접힘이 발생한 이후에 열 인가 또는 기타 임의의 적절한 방법에 의해 연장된 시간 동안 유지될 수 있다.
도 16a는 평면도이고 도 16b는 도 15a 및 도 15b에 도시된 방법들로부터 준비된 유닛 셀 스택의 (도 16a에 도시된 라인 16B-16B를 따라 취해진) 단면도를 도시한다. 유닛 셀 스택(1600)은 복수의 유닛 셀(1601a 내지 1601d)(집합적으로 유닛 셀(1601)이라고 함)을 포함한다. 각각의 유닛 셀은 파우치(1640) 내에 밀봉된다. 캐소드 탭(1621)은 유닛 셀 스택(1600)의 좌측 엣지 상에 정렬되고 애노드 탭(1622)은 유닛 셀 스택(1600)의 우측 엣지 상에 정렬된다. 캐소드 탭(1621) 및 애노드 탭(1622) 양쪽 모두는, 다른 셀 스택, 유틸리티 또는 커넥터 등의, 시스템 내의 다른 컴포넌트와의 전기적 결합을 허용하도록 파우치(1640) 바깥으로 돌출된다.
도 17a 및 도 17b는, 일부 실시예에 따른, 개스 생성 및 재밀봉을 수용하는 여분의 부분을 갖는 파우치 셀을 도시하여 단일 파우치 배터리 셀의 제조 동안에 개스제거 단계를 수행하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도 17a는 밀봉 라인(20)을 따라 각각의 파우치 내에 밀봉되는 복수의 유닛 셀(1701a, 1701b, 1701c, 및 1701d)을 포함하는 유닛 셀 어셈블리(1700)의 평면도를 도시한다. 각각의 유닛 셀(1701a 내지 1701d)은, 여기서는 각각 개스제거 부분(1761a 내지 1761d)이라고 지칭되는, 셀의 형성시서 생성된 개스를 수용하는 부분을 더 포함한다. 개스제거 부분(1761a 내지 1761d)은, 유닛 셀의 전극 부분으로부터 연장되고 빈 파우치 공간을 포함한다. 개스제거 단계에서 발생된 개스는, 이들 개스제거 부분(1761a 내지 1761d)에 포함될 수 있다. 개스제거 단계의 완료 후, 개스제거 부분들(1761a 내지 1761d)은, 도 17b에 도시된 흰색 점선을 따라 개방되어 절단 개방되어 포함된 개스를 방출하고 유닛 셀 어셈블리(1700)로부터 제거시킬 수 있다. 그 다음, 개스제거된 유닛 셀 어셈블리(1700)는, 추가 처리(예를 들어, 도 15a 및 도 15b에 도시된 유닛 셀 적층)를 위한 재밀봉된 유닛 셀 어셈블리를 형성하도록 새로운 밀봉 라인(25)을 따라 재밀봉될 수 있다. 일부 실시예에서, 개스제거 단계는 또한, 한 번에 한 쌍의 적층된 파우치 재료를 밀봉함으로써 유닛 셀들의 적층 후에 이루어질 수 있다. 이러한 접근법은 생산을 더욱 효율적이게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 유닛 셀 내의 개스제거 부분을 포함하는 유닛 셀 어셈블리(1700)는, 더 큰 크기의 파우치 필름이 여기서 이용된다는 점을 제외하고는, 도 12와 관련하여 전술된 방법과 실질적으로 유사한 방법으로 준비될 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 12에서 중간 라인(10)의 양측 상의 영역은, 전극 어셈블리가 중간 라인(10)을 따라 접힐 때 개스제거 부분의 형성을 허용하도록 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 어셈블리 및 애노드 어셈블리는 별개의 파우치 필름 상에서 준비될 수 있고, 각각의 어셈블리의 바닥에 여분의 필름이 있다. 그 다음, 2개의 어셈블리가 함께 적층될 수 있고 유닛 셀 어셈블리(1700)를 형성하도록 도 17a에 도시된 바와 같이 파선(20)을 따라 밀봉될 수 있다.
도 10a 내지 도 17b는 결과적인 유닛 셀 어셈블리의 동일한 측면 상에 애노드 탭과 캐소드 탭 양쪽 모두를 갖는 유닛 셀 어셈블리를 준비하는 방법을 나타낸다. 일부 실시예에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 애노드 탭(1821)과 캐소드 탭(1822)은 유닛 셀 어셈블리(1800)의 대향 측면들 상에 있다. 이 예에서, 유닛 셀들(1801a 내지 1801d)의 애노드 탭(1821)들 및 캐소드 탭(1822)들은 전류 콜렉터들의 더 큰 가용 폭을 이용할 수 있다, 즉, 탭들은 더 넓을 수 있다. 탭의 더 큰 폭은 탭의 전기 저항을 감소시킴으로써, 결과적 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다. 더 넓은 폭의 탭은, 물리적 및/또는 화학적인 이유로 인해 부식되거나, 피로해지거나, 손상되는 것이 더 어렵 기 때문에, 더 넓은 폭은 또한, 결과적 배터리의 기계적 및 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
유닛 셀 어셈블리(1800)는, 결과의 유닛 셀 어셈블리의 대향 측면들 상에서 캐소드 탭 및 애노드 탭을 구성하도록, 거꾸로된 캐소드 어셈블리(예를 들어, 넓은 폭을 갖는, 도 11a에 도시된 1100) 상에 애노드 어셈블리(예를 들어, 넓은 폭을 갖는, 도 10a에 도시된 1000)를 적층함으로써 준비될 수 있다. 그 다음, 결과적인 유닛 셀 어셈블리(1800)는 밀봉 라인(20)을 따라 밀봉되어 개별적으로 팩키징된 단일 파우치 배터리 셀을 형성할 수 있다.
도 19a 및 도 19b는, 전극 어셈블리가 동일한 행에 애노드 및 캐소드 양쪽 모두를 포함하는 단일 파우치 배터리 셀을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다. 단지 예시의 목적을 위해, 도 19a는 동일한 파우치 필름(1940) 상에 배치되고 동일한 시퀀스로 교대 방식으로 어레이화된 2개의 애노드(1901a 및 1901c) 및 2개의 캐소드(1901b 및 1901d)를 포함하는 전극 어셈블리(1900)를 도시한다. 제1 애노드(1901a)와 제1 캐소드(1901b)는 제1 일점 쇄선(50)을 따라 접힐 때 제1 유닛 셀(1901)을 형성한다. 제2 애노드(1901c)와 제2 캐소드(1901d)는 제2 일점 쇄선(55)을 따라 접힐 때 제2 유닛 셀(1902)을 형성한다. 일부 실시예에서, 2개의 유닛 셀(1901 및 1902)이 또한 실선(40)을 따라 접혀 간단한 유닛 셀 스택을 형성한다. 일부 실시예에서, 복수의 유닛 셀(1901 및 1902)의 실선(40)을 따른 접힘은 열 인가 또는 접힌상태를 잃지 않게 하는 기타 임의의 적절한 방법에 의해 연장된 기간 동안 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 유닛 셀(1901, 1902)은 실선을 따라 절단되어 추가 처리(예를 들어, 적층, 밀봉 등)를 위한 2개의 개별적인 및 독립적인 유닛 셀을 형성한다.
도 19b는, 3개 방향(하부, 상부 및 우측)으로부터, 캐소드 전류 콜렉터(1910) 상에 배치된 캐소드 재료(1902), 애노드 전류 콜렉터(1960) 상에 배치된 애노드 재료(1950), 및 애노드 재료(1950)와 캐소드 재료(1920) 사이에 배치된 실질적으로 포함하는 분리자(1930)를 포함하는 파우치 필름(1904)을 포함하는 제1 유닛 셀(1901) 내의 접힌 영역의 단면도를 도시한다. 일부 실시예에서, 더 긴 파우치 필름이 파우치 필름(1940)의 접속 부분(1942)에 이용되어 개스제거 부분을 형성할 수 있다.
도 19c 및 도 19d는 일부 실시예에 따른 원통형 구성의 배터리 셀을 준비하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다. 도 19c는 복수의 전극 스택을 포함하는 원통형 배터리 셀(1903)의 평면도를 도시한다. 각각의 전극 스택은, 캐소드(1913), 애노드(1923), 캐소드(1913)와 애노드(1923) 사이에 배치된 분리자(1933)를 더 포함한다. 인접한 전극 스택들은 파우치 층(1943)에 의해 분리된다. 도 19d는 원통형 배터리 셀(1903)의 개략도를 도시한다.
도 19e 내지 도 19g는 일부 실시예에 따른 프리즘형 구성의 배터리 셀을 제조하기 위한 예시적인 제조 방법을 도시한다. 도 19e는, 프리즘형 배터리 셀(1095)의 완전한 평면도를 도시하는, 도 19f에서 원으로 표시된 부분의 상세한 구조를 나타내는 프리즘형 배터리 셀(1905)의 부분 평면도를 도시한다. 프리즘형 배터리 셀(1905)은 복수의 전극 스택을 포함하고, 그 각각은, 캐소드(1915), 애노드(1925), 캐소드(1915)와 애노드(1925) 사이에 배치된 분리자(1935)를 포함한다. 인접한 전극 스택들은 파우치 층(1945)에 의해 분리된다. 도 19g는 프리즘형 배터리 셀(1905)의 개략도를 도시한다.
원통형 배터리 셀(1903) 및 프리즘형 배터리 셀(1905) 둘 다는 이하에 개시된 방법에 의해 준비될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드(1913 또는 1915) 및 애노드(1923 또는 1925)는 별개로 준비될 수 있다. 예를 들어, 캐소드는 캐소드 전류 콜렉터 상에 캐소드 재료를 배치함으로써 준비될 수 있고, 애노드는 애노드 전류 콜렉터 상에 애노드 재료를 배치함으로써 준비될 수 있다. 그 다음, 분리자는 애노드 재료 또는 캐소드 재료 중 어느 하나 상에 배치될 수 있다. 그 다음, 준비된 캐소드 및 애노드는 함께 적층되어 전극 스택을 형성하고, 전극 스택의 한 측(애노드 측 또는 캐소드 측) 상의 파우치 층의 배치가 후속된다. 그 다음, 파우치 층과 함께 전극 스택이 원통형 배터리 셀 또는 프리즘형 배터리 셀로 압연될 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치 층은, 2개의 전극이 함께 적층되기 전에 전극의 준비를 용이하게 하도록 전극들 중 하나 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, (파우치 층을 포함하는) 전극 스택은 층별 방식으로 준비될 수 있다. 예를 들어, 제조는 파우치 층 상에 애노드 전류 콜렉터를 배치하는 것으로 시작한 다음, 애노드 전류 콜렉터 상에 애노드 재료를 배치하는 것이 후속될 수 있다. 그 다음, 애노드 재료 상에 분리자가 배치되고, 그 위에 캐소드 재료가 배치된 다음, 캐소드 전류 콜렉터가 후속될 수 있다. 이러한 층별 절차 후에, 결과의 전극 스택은 원통형 구성 또는 프리즘형 구성의 배터리 셀로 압연될 수 있다. 일부 실시예에서, 파우치 층은 전극 스택의 형성 후에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 스택을 배터리 셀로 압연하기 전에, 압연 후 결과의 배터리 셀에 대한 바람직한 폼 팩터를 달성하도록 슬릿팅 단계(slitting step)가 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 19c 내지 도 19f에 도시된 배터리 셀은 외부 파우치 또는 팩키지 내로 추가로 밀봉될 수 있다. 외부 파우치 또는 팩키지는, 예를 들어, 주변 환경의 습기 또는 화학물질에 의해 유발되는 부식을 완화하는데 이용될 수 있다.
도 19c 내지 도 19f는 개개의 배터리 셀(1903 또는 1905) 내의 단 하나의 파우치 층만을 도시하고 있지만, 실제로는 하나보다 많은 파우치 층이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 파우치 층이 이용될 수 있다. 하나의 파우치 층은 애노드 전류 콜렉터 상에 배치되고 다른 파우치 층은 캐소드 전류 콜렉터 상에 배치되어 전극의 준비를 용이하게 할 수 있다(예를 들어, 전극 재료의 유출 또는 변형 회피).
도 20은 전술된 방법에 따라 제조된 단일 파우치 배터리 셀의 예시이다. 배터리 셀(2000)은, 애노드(2010), 캐소드, 및 분리자를 포함하는 파우치(2040)를 포함한다. 캐소드 및 분리자는 애노드(2010) 뒤에 있고 라벨링되어 있지 않다. 배터리 셀은 또한, 구리로 제작된 애노드 탭(2010) 및 알루미늄으로 제작된 캐소드 탭(2014)을 포함한다. 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 파우치(2040)는 전극 부분을 실질적으로 포함하는 반면, 탭(2012 및 2014)은 외부 접속을 위해 파우치 바깥으로 연장된다.
도 21은 3개 그룹의 단일 파우치 배터리 셀들의 용량 보유 곡선을 도시한다. 제어 그룹이라고도 하는 제1 그룹은, 용량 보유를 테스트하기 전에 개스제거 단계를 거친 단일 파우치 배터리 셀을 포함한다. "비개스제거"그룹이라고도 하는 제2 그룹은, 테스트 전에 개스제거가 수행되지 않는 단일 파우치 배터리 셀을 포함한다. "예비-충전"그룹이라고도 하는 제3 그룹의 단일 파우치 배터리 셀들은, 파우치의 밀봉 전에 예비-충전 단계를 거친다. 예비-충전은 약 1 시간 동안 C/10 속도로 수행된다. 제3 그룹의 배터리들에 대해서는 개스제거 단계가 수행되지 않는다.
전체 그룹의 배터리 셀들은, 스피드 믹서에서 혼합되는, 50% 부피의 리튬 철 인산염(LFP)과 0.936% 부피의 탄소 첨가제를 포함하는 캐소드 슬러리를 가진다. 일부 실시예에서, 캐소드 슬러리를 혼합하기 위한 프로토콜은, 650 RPM에서의3분간의 혼합, 및 후속된 1250 RPM에서 1분간의 혼합의 2회 반복을 포함한다. 배터리 셀에 이용되는 애노드는, 역시 믹서에서 혼합되는, 흑연 분말 50% 부피와 탄소 첨가제 2% 부피를 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 슬러리를 혼합하기 위한 프로토콜은 650 RPM에서 6분간의 혼합을 포함한다. 애노드는 약 265 ㎛의 두께를 갖는다. 이들 배터리 셀들에 이용되는 전해질은 50/50 에틸렌 카보네이트(EC)/γ-부티로락톤(GBL), 용매에 용해된 1M LiTFSI를 포함한다. 전해질은, 2%의 비닐렌 카보네이트(VC) 등의 첨가제를 더 포함한다. 배터리 셀의 전체 두께는 약 900 μm이다.
도 21에서 알 수 있는 바와 같이, 예비-충전 그룹 내의 배터리 셀들은 제어 그룹 내의 배터리 셀들에 비해 실질적으로 동일한 용량 보유를 나타낸다. 추가로, 비개스제거 그룹 내의 배터리 셀들은 처음 15-20 사이클 동안 증가된 용량을 보여, 비개스제거 그룹 내의 배터리 셀들의 전체 용량은 이들 사이클 동안에 획득되지 않을 수 있다는 것을 나타낸다. 용량 보유의 비교는, 단일 파우치 셀에 대해 예비-충전 프로세스를 수행하여 개스제거 단계를 제거하고 종래의 배터리 제조에서의 재밀봉 단계를 또한 제거할 수 있다는 것을 보여준다.
단일 파우치 배터리 셀들을 포함하는 예시적인 배터리 모듈들 및 배터리 팩들
도 22는, 케이스(2220) 내에 인클로징된, (집합적으로 배터리 셀(2210)이라고 하는) 단일 파우치 배터리 셀들 2210(1) 내지 2210(8)의 어레이를 포함하는 배터리 모듈(2200)의 평면도이다. 각각의 배터리 셀(2210)은, 배터리 셀을 다른 배터리 셀에 결합하는데 이용될 수 있는 애노드 탭(2212) 및 캐소드 탭(2214)을 포함한다. 도 22에 도시된 배터리 모듈(2200)은 단지 예시적인 목적으로 8개의 단일 파우치 배터리 셀을 포함한다. 실제로, 배터리 모듈 내의 단일 파우치 배터리 셀들의 개수는, 예를 들어, 원하는 배터리 명세에 따라 8개보다 많거나 적을 수 있다.
게다가, 복수의 배터리 셀(2210)은, 역시 단지 설명의 목적을 위해 2차원 어레이로 배치된다. 일부 실시예에서, 복수의 배터리 셀(2210)은 시퀀스(즉, 1차원 어레이)로 배치된다. 일부 실시예에서, 복수의 배터리 셀(2210)은, 배터리 모듈(2200)이 원통형 구성을 가질 수 있도록 공통 중심점을 향해 반경방향으로 배치된다.
또한, 도 22는 단지 예시의 목적을 위해 배터리 모듈의 단 1개-층만을 도시한다. 실제로, 배터리 모듈(2200)과 같은 하나 이상의 배터리 모듈은 함께 결합되어, 용량, 전압, 또는 전류 등의 원하는 명세를 달성할 수 있다.
도 23a 및 도 23b는 금속 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 모듈의 각각 분해도 및 절첩도를 도시한다. 도 23a에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(2300)은, 상부 덮개(2310), 상부 포움(top foam, 2320), 셀 스택(2330), 및 셀 스택을 수용하는 통합형 케이스(2340)를 포함한다.
셀 스택(2330)은 애노드 탭(2334) 및 캐소드 탭(2332)을 더 포함한다. 애노드 탭(2334)은 셀 스택(2330) 내의 배터리 셀들의 각각의 애노드와 전기적으로 통신하고, 캐소드 탭(2332)은 셀 스택(2330) 내의 배터리 셀들의 각각의 캐소드와 전기적으로 통신한다. 통합형 케이스(2340)는 애노드 커넥터(2344) 및 캐소드 커넥터(2342)를 더 포함한다. 셀 스택(2330)이 통합형 케이스(2340) 내에 적절하게 배치되면, 애노드 탭(2334)은 애노드 커넥터(2344)에 전기적으로 결합되고, 캐소드 탭(2332)은 캐소드 커넥터(2342)에 전기적으로 결합되어, 배터리 모듈(2300)이 애노드 커넥터(2344) 및 캐소드 커넥터(2342)를 통해 (방전 동안) 전력을 제공하거나 (충전 동안) 전력을 수신하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 상부 커버(2310)는 통합형 케이스(2340)에서 이용된 것과 동일한 금속 재료(예를 들어, 스테인레스 강, 알루미늄, 구리 등)를 포함한다. 일부 실시예에서, 상부 커버(2310)는 상부 커버(2310)의 용이한 제거 및 재설치를 용이하게 하기 위해 경량 재료(예를 들어, 중합체, 플라스틱, 경금속 등)를 포함한다.
일부 실시예에서, 상부 포움(2320)는 충격시 셀 스택(2330)에 대한 잠재적 손상을 감소시키도록 연성이다(예를 들어, 쿠션 포움). 일부 실시예에서, 상부 포움(2320)은, 특히, 합성 포움, 수성 필름 형성 포움, 알코올-내성 포움, 및 단백질 포움 등의 난연성 포움을 포함한다.
도 24a 및 도 24b는 플라스틱 케이스 내에 인클로징된 복수의 단일 파우치 배터리 모듈을 포함하는 배터리 모듈의 각각 분해도 및 절첩도를 도시한다. 도 24a에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(2400)은, 상부 덮개(2410), 상부 포움(2420), 셀 스택(2430), 내측 라이너(2450), 및 배터리 스택을 수용하는 통합형 케이스(2440)를 포함한다. 상부 커버(2410), 상부 포움(2420), 및 셀 스택(2430)은, 도 23a에 도시되고 전술된 상부 커버(2310), 상부 포움(2320), 및 셀 스택(2330)과 실질적으로 동일할 수 있다. 통합형 케이스(2440)는, 예를 들어, 배터리 모듈(2400)의 무게를 감소시키도록 플라스틱 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 내측 라이너(2450)는 충격시 셀 스택(2430)에 대한 잠재적 손상을 감소시키도록 연성 재료(예를 들어, 플라스틱, 중합체, 고무 등)를 포함한다. 일부 실시예에서, 내측 라이너(2450)는 화재 위험을 감소시키기 위해 난연성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 내측 라이너(2450)는 긴-사슬 지방족 아민(선택사항으로서 에톡실화됨) 및 아미드, 4원소 암모늄염(예를 들어, 베헨트리모늄 클로라이드(behentrimonium chloride) 또는 코카마이도프로필 베타인(cocamidopropyl betaine)), 인산의 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜 에스테르, 또는 폴리올(polyol)을 기반으로 하는 재료들과 같은 제전 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 내측 라이너(2450)는, 습기에 의해 유도된 셀 스택(2430) 내의 단락을 방지하도록 항-수분 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 내측 라이너(2450)는 복합 재료를 포함한다. 예를 들어, 내측 라이너(2450)는 화재 위험을 감소시키는 난연성 재료로 코팅된 완충 목적을 위한 연성 재료를 포함할 수 있다.
일반적으로 배터리 모듈이라고 지칭되는, 도 23a 및 도 23b에 도시된 배터리 모듈(2300) 및 도 24a 및 도 24b에 도시된 배터리 모듈(2400)은 실제 응용을 용이하게 할 수 있는 수 개의 피쳐를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 모듈은, 소정의 원하는 명세(예를 들어, 전압, 전류, 용량 등)를 갖는 배터리 팩의 편리한 구성을 허용하도록 모듈간 연동을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 모듈은, 각각의 배터리 모듈이 전원으로서 독립적으로 기능하거나 특정한 응용에서 다른 컴포넌트와 협력할 수 있도록 모듈식 설계를 포함한다.
일부 실시예에서, 배터리 모듈은 다음과 같은 명세를 가질 수 있다: 3.2 V의 출력 전압, 280 Ah의 셀 용량, 4.5 kg의 셀 중량, 0.896 kWh의 총 에너지, 4.14 L의 셀 체적, 216 Wh/L의 체적 에너지 밀도, 및 200 Wh/kg의 비 에너지 밀도(specific energy density). 이 명세는 단지 예시의 목적을 위한 것이다. 실제로, 응용들에서 상이한 실제적인 요건을 충족시키기 위해 상이한 명세가 채용될 수 있다.
도 25는, 집합적으로 배터리 모듈(2510)이라고 지칭되는 복수의 배터리 모듈(2510(1) 내지 2510(4))을 포함하는 배터리 팩(2500)의 개략도를 도시한다. 배터리 모듈(2510)은 도 23a 및 도 23b에 도시된 배터리 모듈(2300) 또는 도 24a 및 도 24b에 도시된 배터리 모듈(1400)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 25에 도시된 배터리 팩(2500)은 단지 예시적인 목적을 위한 2차원 어레이로 배치된 4개의 배터리 모듈(2510)을 포함한다. 실제로, 배터리 팩 내의 배터리 모듈들의 개수는, 예를 들어, 원하는 명세에 따라 달라질 수 있다. 어레이 구성도 역시 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 26은, 예를 들어 소정의 공간 요건에 적합하도록 1차원 시퀀스로 배치된 4개의 배터리 모듈(2610(1) 내지 2610(4))의 어레이를 포함하는 배터리 모듈(2600)을 도시한다.
도 27a 내지 도 27c는 수직으로 적층된 배터리 모듈 및 스택된 모듈의 확대된 부분을 포함하는 배터리 팩의 개략도를 도시하여 배터리 팩의 연동 피쳐들을 예시한다. 도 27a에 도시된 배터리 팩(2700)은 수직으로 함께 적층된 제1 배터리 모듈(2710a)과 제2 배터리 모듈(2710b)을 포함한다. 스택 압력은 제1 배터리 모듈(2710a)의 무게에 의해 제2 배터리 모듈(2710b)에 인가될 수 있다. 일부 실시예에서, 28개의 모듈이 하나씩 차례로 적층된다면, 상부 배터리 모듈과 하부 배터리 모듈 사이의 압력차는 약 5 PSI일 수 있다.
배터리 팩(2700)은 2개의 배터리 모듈 사이에 좌측 접촉부(2712a)와 우측 접촉부(2712b)를 포함한다. 2개의 접촉부(2712a 및 2712b)는 각각 도 27b 및 도 27c에 도시되어 있다. 도 27b 및 도 27c는 하부 배터리 모듈(2710b)의 상부가 상부 배터리 모듈(2710a)의 하부를 수용하도록 구성될 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 구성으로, 복수의 배터리 모듈이 서로 편리하게 결합될 수 있고 원하는 명세의 배터리 팩을 형성할 수 있다.
도 28a 및 도 28b는 랙 구성(즉, 2차원 수직 어레이)으로 배치된 복수의 배터리 모듈(2850)(예를 들어, 배터리 모듈(2300 및/또는 2400))을 포함하는 배터리 랙(2800)의 절첩도 및 분해도를 도시한다. 복수의 지지 프레임(2840)은 복수의 배터리 모듈(2850)의 4개의 엣지 상에 배치되어 배터리 모듈(2850)을 함께 홀딩한다. 지지 프레임(2840)은 복수의 볼트(2870)를 통해 배터리 모듈(2850)에 기계적으로 결합된다. 상부 단부 판(2810) 및 하부 단부 판(2880)은 각각 상부 및 하부로부터 복수의 배터리 모듈(2850)을 인클로징하고 있다. 표면 상에 복수의 압축 스프링(2820)이 배치된 복수의 압축 판(2830)이 충격 완충을 위해 상부 단부 판(2810)과 복수의 배터리 모듈(2850) 사이에 배치될 수 있다. 각각의 배터리 모듈은 배터리 모듈과 다른 배터리 모듈의 전기적 결합을 용이하게 하도록 배터리 케이블(2860)을 포함한다. 결과의 배터리 랙(2800)의 절첩도가 도 28a에 도시되어 있다.
배터리 랙(2800)의 하나의 예시적인 명세는: 716 V의 출력 전압, 280 Ah의 셀 용량, 1150 kg의 셀 중량, 200 kWh의 총 에너지, 600 mm × 760 mm × 2100 mm의 랙 치수, 210 Wh/L의 체적 에너지 밀도, 및 175 Wh/kg의 비 에너지 밀도일 수 있다. 이 명세는 단지 예시의 목적을 위한 것이다. 실제로, 응용들에서 상이한 실제적인 요건을 충족시키기 위해 상이한 명세가 채용될 수 있다.
상기에서 다양한 실시예들이 설명되었지만, 이들은 단지 예로서 제시된 것이며, 제한으로서 제시된 것은 아님을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서의 실시예들은, 예를 들어, 리튬 이온 배터리 등의 전기화학적 디바이스를 설명하고 있지만, 여기서 설명된 시스템, 방법 및 원리는 전기화학적으로 활성인 매체를 포함하는 모든 디바이스에 적용가능하다. 다른 방식으로 말하면, 적어도 활성 재료(전하 캐리어의 소스 또는 싱크), 전기 전도성 첨가제, 및 예를 들어 배터리, 커패시터, 전기 이중층 커패시터(예를 들어, 울트라-커패시터), 리튬 이온 커패시터(하이브리드 커패시터), 의사 커패시터(pseudo-capacitor) 등의 이온 전도성 매질(전해질)을 포함하는 임의의 전극 및/또는 디바이스들은 본 개시내용의 범위 내에 포함된다. 또한, 실시예들은 비-수성 및/또는 수성 전해질 배터리 화학 재료에서 이용될 수 있다.
전술된 방법 및 단계들이 소정의 순서로 발생하는 소정의 이벤트들을 나타내는 경우, 본 개시내용으로부터 혜택을 입는 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 소정 단계들의 순서는 변경될 수 있고 이러한 변경이 본 발명의 변형예를 따른다는 것을 인식할 것이다. 추가로, 소정의 단계들은 가능한 경우 병렬 프로세스로 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 전술된 바와 같이 순차적으로 수행될 수 있다. 추가로, 후속 단계로 진행하기 전에 소정 단계들이 부분적으로 완료되거나 및/또는 생략될 수 있다.
다양한 실시예가 특정적으로 도시되고 설명되었지만, 형태 및 상세사항에서의 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예가 특정한 피쳐들 및/또는 컴포넌트들의 조합을 갖는 것으로 설명되었지만, 여기서 설명된 임의의 실시예로부터의 임의의 피쳐 및/또는 컴포넌트들의 임의의 조합 또는 하위 조합을 갖는 다른 실시예들도 가능하다. 다양한 컴포넌트들의 특정한 구성들도 역시 달라질 수 있다.
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