KR20240005703A - 보호층을 갖는 배터리 조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
보호층을 갖는 배터리 조립체 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
이차 전지 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 포함한다. 전극 조립체의 외부 표면에 배치된 제약부가 배치된다. 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나는 X 및 Y축에 의해 정의된 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되고, X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는는 돌출부를 갖는다. 배터리 인클로저는 전극 조립체 및 제약부를 둘러싼다. 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 돌출부와 배터리 외장 사이에 인클로저 보호층이 배치된다. 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의한다. 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄인다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 31일에 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제63/168,392호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
기술분야
본 개시의 분야는 일반적으로 배터리 기술과 같은 에너지 저장 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 분야는 전기화학 배터리, 예를 들어 리튬 기반 이차 전지의 컴포넌트와 같은 배터리 컴포넌트를 위한 보호층, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
리튬 기반 이차 전지는 비교적 높은 에너지 밀도, 출력 및 수명으로 인해 바람직한 에너지원이 되었다. 리튬 이차 전지의 예에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등의 비수성(non-aqueous) 전지가 포함된다.
배터리, 연료 전지 및 전기화학 커패시터와 같은 알려진 에너지 저장 장치는 일반적으로 평면 또는 나선형으로 감긴(즉, 젤리롤(jellyroll)) 라미네이트 구조체와 같은 2차원 라미나(laminar) 아키텍처를 가지며, 여기서 각 라미네이트의 표면적은 그 기하학적 풋프린트(다공도 및 표면 거칠기를 무시함)와 거의 같다.
3차원 이차 전지는 라미나 이차 전지에 비해 증가된 용량과 수명을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 3차원 이차 전지를 생산하려면 제조 및 비용 문제가 발생한다.
이차 전지 제조 과정에서, 날카로운 에지, 코너 또는 기타 특징으로 인해 손상되기 쉬운 부분이 생길 수 있으며, 이로 인해 배터리의 기능, 안전성 또는 출력이 저하될 수 있다. 따라서, 공지 기술의 문제를 해결하면서 3차원 배터리를 생산하는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예에서, 이차 전지 조립체는 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체; 전극 조립체의 외부 표면에 배치되는 제약부; X 및 Y 축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 돌출부를 포함하는 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나; 전극 조립체와 제약부를 둘러싸는 배터리 인클로저; 및 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 돌출부와 전극 인클로저 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 이차 전지는 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체; 용적을 정의하는 제약부로서, 전극 조립체가 용적 내에 표함되는, 상기 제약부; X 및 Y 축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 돌출부를 정의하는 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나; 전극 조립체와 제약부를 둘러싸는 배터리 인클로저; 및 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 돌출부와 배터리 인클로저 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함하며; 배터리 인클로저는 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸고, 배터리 인클로저의 적어도 일부는 인클로저 보호층과 직접 접촉한다.
또 다른 실시예에서, 이차 전지로 사용하기 위해 배터리 조립체를 준비하는 방법은, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 준비하는 단계; 제약부가 전극 조립체의 외부 표면에 배치되도록 제약부에 의해 정의된 용적 내에 전극 조립체를 배치하는 단계로서; 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나는 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하고, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 배치하는 단계; 돌출부의 적어도 일부 위에 인클로저 보호층을 접착하는 단계로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 줄 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 접착하는 단계; 및 인클로저 보호층이 제약부와 배터리 인클로저 사이에 배치되도록 배터리 인클로저 내에 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 이차 전지를 제조하는 방법은, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 준비하는 단계; 제약부가 전극 조립체의 외부 표면에 배치되도록 제약부에 의해 정의된 용적 내에 전극 조립체를 배치하는 단계로서; 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나는 X 및 Y 축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하고, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 배치하는 단계; 적어도 하나의 돌출부 중 적어도 일부 위에 인클로저 보호층을 접착하는 단계로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 접착하는 단계; 인클로저 보호층이 제약부와 배터리 인클로저 사이에 배치되도록 배터리 인클로저 내에 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸는 단계; 및 배터리 인클로저를 진공 밀봉하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 개시에 따른 보호층을 도포하기 전, 컷어웨이 부분을 갖는 배터리 조립체의 하나의 적절한 실시예의 전면 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체의 D-D 단면선으로부터 절취된 단면도이다.
도 3은 본 개시에 따른 제약부 내 배터리 조립체의 부분 확대 사시도이다.
도 3a는 본 개시에 따른 제약부의 일 실시예의 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 인클로저 보호층을 포함하는 배터리 조립체의 사시도이다.
도 4a 및 4c는 인클로저 보호층이 도포되기 전의 배터리 조립체 면의 사진이다.
도 4b 및 4d는 본 개시에 따른 인클로저 보호층의 도포 후 도 4a 및 4c의 배터리 조립체 면의 사진이다.
도 4e는 본 개시에 따른 인클로저 보호층의 도포 전 배터리 조립체의 개략적인 프로파일도이다.
도 4f는 본 개시에 따른 인클로저 보호층의 도포 후 도 4e의 배터리 조립체의 개략적인 프로파일도이다.
도 5는 배터리 인클로저 내에 부분적으로 배치된 배터리 조립체의 사시도이다.
도 6은 배터리 인클로저의 제2 커버를 포함하는 도 5의 배터리 조립체의 사시도이다.
도 7은 배터리 인클로저 내에 밀봉된 후 완성된 배터리의 프로파일도이다.
도 8은 인클로저 보호층의 웹(web) 부분의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 배터리 조립체 상의 인클로저 보호층의 일 실시예의 사시도이다.
도 10은 본 개시에 따른 인클로저 보호층을 포함하는 배터리 조립체를 준비하는 방법의 개략도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체의 D-D 단면선으로부터 절취된 단면도이다.
도 3은 본 개시에 따른 제약부 내 배터리 조립체의 부분 확대 사시도이다.
도 3a는 본 개시에 따른 제약부의 일 실시예의 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 인클로저 보호층을 포함하는 배터리 조립체의 사시도이다.
도 4a 및 4c는 인클로저 보호층이 도포되기 전의 배터리 조립체 면의 사진이다.
도 4b 및 4d는 본 개시에 따른 인클로저 보호층의 도포 후 도 4a 및 4c의 배터리 조립체 면의 사진이다.
도 4e는 본 개시에 따른 인클로저 보호층의 도포 전 배터리 조립체의 개략적인 프로파일도이다.
도 4f는 본 개시에 따른 인클로저 보호층의 도포 후 도 4e의 배터리 조립체의 개략적인 프로파일도이다.
도 5는 배터리 인클로저 내에 부분적으로 배치된 배터리 조립체의 사시도이다.
도 6은 배터리 인클로저의 제2 커버를 포함하는 도 5의 배터리 조립체의 사시도이다.
도 7은 배터리 인클로저 내에 밀봉된 후 완성된 배터리의 프로파일도이다.
도 8은 인클로저 보호층의 웹(web) 부분의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 배터리 조립체 상의 인클로저 보호층의 일 실시예의 사시도이다.
도 10은 본 개시에 따른 인클로저 보호층을 포함하는 배터리 조립체를 준비하는 방법의 개략도이다.
정의
본원에 사용된 바와 같은 "a", "an" 및 "the"(즉, 단수 형태)는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시어를 지칭한다. 예를 들어, 한 경우에, "전극"에 대한 지칭은 단일 전극 및 복수의 유사한 전극 둘 모두를 포함한다.
본원에 사용된 "약" 및 "대략"은 명시된 값의 ±10%, 5% 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 한 경우에, 약 250μm에는 225μm 내지 275μm가 포함된다. 추가 예로서, 한 경우에, 약 1,000μm에는 900μm 내지 1,100μm가 포함된다. 달리 명시하지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 양(예를 들어, 측정값 등) 등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 다음 명세서 및 첨부된 청구범위에 명시된 수치 파라미터는 근사치이다. 각 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수를 고려하고 일반적인 반올림 기술을 적용하여 해석되어야 한다.
이차 전지와 관련하여 본원에 사용된 "애노드"는 이차 전지의 음극을 지칭한다.
본원에서 사용된 "애노드 물질" 또는 "애노드 활성"은 이차 전지의 음극으로 사용하기에 적합한 물질을 의미한다.
이차 전지와 관련하여 본원에 사용된 "캐소드"는 이차 전지에서 양극을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같은 "캐소드 물질" 또는 "캐소드 활성"은 이차 전지의 양극으로 사용하기에 적합한 물질을 의미한다.
"전환 화학 활물질" 또는 "전환 화학 물질"은 이차 전지의 충방전 사이클 동안 화학 반응을 일으키는 물질을 지칭한다.
본원에 사용된 "상대 전극"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 전극과 반대되는, 이차 전지의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
충전 상태와 방전 상태 사이의 이차 전지의 사이클링과 관련하여 본원에 사용된 "사이클"은 배터리를 충전 상태 또는 방전 상태 중 어느 하나인 제1 상태로부터 제1 상태의 반대인 제2 상태(즉, 제1 상태가 방전된 경우 충전 상태, 또는 제1 상태가 충전된 경우 방전 상태)까지 주기적으로 순환시킨 다음, 배터리를 다시 제1 상태로 순환시켜 사이클을 완성하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전 상태와 방전 상태 사이의 이차 전지의 단일 사이클은, 충전 사이클에서와 같이, 배터리를 방전 상태에서 충전 상태로 충전한 다음, 다시 방전 상태로 방전하여 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은 또한, 방전 사이클에서와 같이, 배터리를 충전 상태에서 방전 상태로 방전한 다음, 다시 충전 상태로 충전하여 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전기화학적 활물질"은 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질을 의미한다.
본원에 사용된 "전극"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 이차 전지의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같은 "전극 집전체층"은 애노드(예를 들어, 음극) 집전체층 또는 캐소드(예를 들어, 양극) 집전체층을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전극 물질"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 애노드 물질 또는 캐소드 물질을 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "전극 구조체"는 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 배터리에 사용하도록 적응된 애노드 구조체(예를 들어, 음극 구조체) 또는 캐소드 구조체(예를 들어, 양극 구조체)를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "세로 축", "가로 축" 및 "수직 축"은 상호 수직 축(즉, 각각이 서로 직교함)을 지칭한다. 예를 들어, 본원에 사용된 바와 같은 "세로 축", "가로 축" 및 "수직 축"은 3차원 측면 또는 방향을 정의하는 데 사용되는 데카르트 좌표계와 유사하다. 이와 같이, 본원의 개시된 주제의 요소에 대한 설명은 요소의 3차원 배향을 설명하는 데 사용되는 특정 축 또는 축들로 제한되지는 않는다. 대안적으로 말하면, 축들은 개시된 주제의 3차원적 측면을 참조할 때 상호 교환 가능할 수 있다. "약화된 영역"은 약화된 영역의 국부적인 파단 강도가 약화되지 않은 영역의 파단 강도보다 낮도록 스코어링, 절단, 천공 등과 같은 처리 작업을 거친 웹의 일부를 지칭한다.
상세한 설명
본 개시의 실시예들은 배터리의 기능성, 안전성 및/또는 출력을 유지하도록 컴포넌트의 손상 발생을 감소시키기 위한 이차 전지와 같은 배터리용 컴포넌트에 대한 보호층에 관한 것이다.
보호층의 도포 전 배터리 조립체(100)의 하나의 적절한 실시예가 도 1을 참조하여 설명된다. 도 1에 예시된 바와 같이, 배터리 조립체(100)는 인접한 전극 서브 유닛(102)의 집단을 포함한다. 각 전극 서브 유닛(102)은 각각 X축, Y축 및 Z축의 치수를 갖는다. X, Y 및 Z축은 각각 데카르트 좌표계와 유사하게 서로 수직이다. 본원에 사용된 바와 같이, Z축으로의 각 전극 서브 유닛(102)의 치수는 "높이"로 지칭될 수 있고, X축으로의 치수는 "길이"로 지칭될 수 있으며, Y축으로의 치수는 "폭"으로 지칭될 수 있다. 전극 서브 유닛은 하나 이상의 단위 셀(200)(도 2)로 결합될 수 있다. 각 전극 단위 셀(200)은 적어도 하나의 애노드 활물질층(104) 및 적어도 하나의 캐소드 활물질층(106)을 포함한다. 애노드 활물질층(104) 및 캐소드 활물질층(106)은 분리막층(108)에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 본 개시의 적절한 실시예들에서, 단일 배터리 조립체(100)에서 1 내지 200개 이상의 서브 유닛과 같이 임의 개수의 전극 서브 유닛(102)이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
또한 도 1을 참조하여, 배터리 조립체(100)는 전극 탭(또는 집전체 탭)(120)을 통해 각 전극 서브 유닛(102)의 애노드 활성층(104) 및 캐소드 활성층(106)과 각각 전기적으로 접촉하는 버스 바(110 및 112)를 포함한다. 따라서, 도 1에 보이는 버스 바(110)는 애노드 버스 바로 지칭될 수 있고 버스 바(112)는 캐소드 버스 바로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 제약부로 지칭될 수 있는 케이싱(casing)(116)은 배터리 조립체(100)의 X-Y 표면 중 하나 또는 둘 다 위에 적용될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 케이싱(116)은 일단 배터리 조립체(100)가 완전히 조립되면 전해질 용액의 분배 또는 흐름을 용이하게 하기 위해 다수의 천공(118)을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 활성층(104) 및 캐소드 활성층(106) 각각은 예를 들어 전극 집전체 층(즉, 애노드 집전체 층 또는 캐소드 집전체 층), 및 적어도 하나의 주 표면(major surface) 상의 전기화학적 활물질층(즉, 애노드 활물질층 또는 캐소드 활물질층)을 포함하는 다층 물질일 수 있으며, 다른 실시예들에서 애노드 활성층 및 캐소드 활성층 중 하나 이상은 적절한 단일 물질층일 수 있다.
도2를 참조하면, 전극 서브 유닛(102)과 동일하거나 유사할 수 있는 전극 단위 셀(200)의 개별 층이 설명된다. 단위 셀(200) 각각에 대해, 일부 실시예들에서, 분리막 층(108)은 이차 전지의 분리막으로 사용하기에 적합한 이온 투과성 폴리머 직조 물질이다. 단위 셀(200)의 일 실시예의 단면도가 도 2에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 전극 서브 유닛(200)은 중앙에 애노드 집전체 층(206), 애노드 활물질층(104), 분리막(108), 캐소드 활물질층(106) 및 캐소드 집전체 층(210)을 적층된 형태로 포함한다. 대안적인 실시예에서, 캐소드 활물질층(106)과 애노드 활물질층(104)의 배치는 캐소드 활물질층(들)(106)이 중심을 향하고 애노드 활물질층(들)이 캐소드 활물질층(106)에 대해 먼쪽에 위치되도록 스왑될(swapped) 수 있다. 일 실시예에서, 단위 셀(200A)은 도 2의 예시에서 오른쪽에서 왼쪽으로 연속적으로 적층된 캐소드 집전체(210), 캐소드 활물질층(106), 분리막(108), 애노드 활물질층(104) 및 애노드 집전체(206)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 단위 셀(200B)은 도 2의 예시에서 왼쪽에서 오른쪽으로 연속적으로 적층된, 분리막(108), 캐소드 활물질층(106)의 제1 층, 캐소드 집전체(210), 캐소드 활물질층(106)의 제2 층, 분리막(108), 애노드 활물질 층(104)의 제1 층, 애노드 집전체(206), 애노드 활물질층(104)의 제2 층 및 분리막(108)을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 집전체 층(206)은 구리, 구리 합금, 탄소, 니켈, 스테인리스 스틸과 같은 전도성 물질, 또는 애노드 집전체 층으로 적합한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 애노드 활물질층(104)은 애노드 집전체 층(206)의 제1 표면 상의 제1 층 및 애노드 집전체 층(206)의 제2 대향 표면 상의 제2 층으로서 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 애노드 집전체 층(206) 및 애노드 활물질층(104)은 서로 혼합될 수 있다. 제1 표면 및 제2 대향 표면은 층의 주 표면, 또는 전면 및 후면으로 지칭될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 주 표면은 X축 방향의 물질 길이(도 2에는 도시되지 않음)와 Z축 방향의 물질의 높이에 의해 형성된 평면에 의해 정의된 표면을 지칭한다.
일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104)은 각각 적어도 약 10um의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 물질층(들)(104)은 (각각) 적어도 약 40um의 Y축 방향으로의 폭을 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104)은 (각각) 적어도 약 80um의 폭을 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 활물질층(104)은 각각 적어도 약 120um의 폭을 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 활물질층(104)은 각각 약 60um 미만 또는 심지어 약 30um 미만의 폭을 가질 것이다. 본원에 사용된 바와 같이, 두께와 폭이라는 용어는 Y축 방향의 측정값을 나타내기 위해 상호 호환적으로 사용될 수 있다.
일반적으로, 음극 활물질(예를 들어, 애노드 활물질)은 (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 기타 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물, 복합재, 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산리튬, 망간산리튬, 알루민산리튬, 리튬 함유 산화 티타늄, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
예시적인 애노드 활물질에는 흑연 및 연질 또는 경질 탄소와 같은 탄소 물질, 또는 그래핀(예를 들어, 단일 벽 또는 다중 벽 탄소 나노튜브), 또는 리튬을 인터칼레이팅할 수 있거나 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속, 반금속, 합금, 산화물, 질화물 및 화합물의 범위 중 어느 하나가 포함된다. 애노드 물질을 구성할 수 있는 금속 또는 반금속의 구체적인 예에는 흑연, 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, Si/C 복합재, Si/흑연 블렌드, 실리콘 산화물(SiOx), 다공성 Si, 금속간 Si 합금, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 리튬, 나트륨, 흑연, 탄소, 티탄산리튬, 팔라듐 및 이들의 혼합물이 포함된다. 예시적인 일 실시예에서, 애노드 활물질은 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 산화물, 이들의 질화물, 이들의 불화물, 또는 이들의 다른 합금을 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 애노드 활물질은 실리콘 또는 합금 또는 이들의 합금을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 활물질은 충전 및 방전 과정 동안 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 음극 활물질에 통합되거나 빠져나감에 따라 부피 팽창 및 수축을 수용하기 위해 상당한 공극 부피 분율을 제공하도록 미세구조화된다. 일반적으로, 애노드 활물질층(들)(104) 각각의 공극 부피 분율은 적어도 0.1이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 활물질층(들) 각각의 공극 부피 분율은 0.8 이하이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들) 각각의 공극 부피 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104) (각각의) 공극 부피 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104) 각각의 공극 부피 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세구조화된 애노드 활물질의 조성과 그 형성 방법에 따라, 미세구조화된 애노드 활물질은 매크로다공성, 미세다공성, 또는 메조다공성 물질층 또는 이들의 조합, 예컨대 미세다공성과 메조다공성의 조합, 또는 메조다공성과 매크로다공성의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 물질은 일반적으로 10nm 미만의 기공 치수, 10nm 미만의 벽 치수, 1-50마이크로미터의 기공 깊이, 및 일반적으로 "스폰지" 및 불규칙한 외관, 매끄럽지 않은 벽 및 분지형 기공을 특징으로 하는 기공 모폴로지를 특징으로 한다. 메조다공성 물질은 일반적으로 10-50nm의 기공 치수, 10-50nm의 벽 치수, 1-100마이크로미터의 기공 깊이, 및 일반적으로 다소 잘 정의된 또는 수지상 기공인 분지형 기공을 특징으로 하는 기공 모폴로지를 특징으로 한다. 매크로다공성 물질은 전형적으로 50nm를 초과하는 기공 치수, 50nm를 초과하는 벽 치수, 1-500마이크로미터의 기공 깊이 및 다양하고, 직선형, 분지형 또는 수지상일 수 있고, 매끄럽거나 거칠 벽이 될 수 있는 기공 모폴로지를 특징으로 한다. 추가로, 공극 부피는 개방형 또는 폐쇄형 공극, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공극 부피는 개방형 공극을 포함하며, 즉 음극 활물질은 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 애노드 활물질에 들어가거나 떠날 수 있는 음극 활물질의 측면 표면에 개구를 갖는 공극을 포함하며; 예를 들어, 리튬 이온은 캐소드 활물질을 떠난 후 공극 개구를 통해 애노드 활물질에 들어갈 수 있다. 또 다른 실시예에서, 공극 부피는 폐쇄형 공극을 포함한다. 즉, 애노드 활물질은 애노드 활물질로 둘러싸인 공극을 포함한다. 일반적으로, 개방형 공극은 캐리어 이온을 위한 더 큰 계면 표면적을 제공할 수 있는 반면, 폐쇄형 공극은 고체 전해질 경계면에 덜 민감한 경향이 있는 반면 각각은 캐리어 이온 유입 시 애노드 활물질의 팽창을 위한 공간을 제공한다. 따라서, 특정 실시예들에서, 애노드 활물질은 개방형 및 폐쇄형 공극의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 애노드 활물질은 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 그 합금, 산화물 또는 질화물을 포함한다. 다공성 실리콘 층은 예를 들어 양극산화에 의해, 에칭에 의해(예를 들어, 단결정 실리콘의 표면에 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속을 증착하고 불산과 과산화수소의 혼합물로 표면을 에칭함으로써), 또는 패턴화된 화학적 에칭과 같은 당업계에 공지된 기타 방법에 의해 형성될 수 있다. 추가로, 다공성 애노드 활물질은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만의 다공도 분율을 가지며 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공도 분율을 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 활물질은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공도 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질은 다공성 실리콘 합금(니켈 실리사이드)을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 애노드 활물질은 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 그 합금을 포함한다. 개별 섬유는 약 5nm 내지 약 10,000nm의 직경(두께 치수) 및 일반적으로 애노드 활물질의 두께에 상응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유(나노와이어)는 예를 들어 화학 기상 증착 또는 증기 액체 고체(vapor liquid solid; VLS) 성장 및 고체 액체 고체(solid liquid solid; SLS) 성장과 같은 당업계에 공지된 기타 기술에 의해 형성될 수 있다. 추가로, 애노드 활물질은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만의 다공도 분율을 가지며 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질은 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질은 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공도 분율을 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 활물질은 실리콘 나노와이어를 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공도 분율을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질은 실리콘 합금의 나노와이어를 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공도 분율을 갖는다.
또 다른 실시예들에서, 음극(즉, 상황에 따라 전극 또는 상대 전극) 또는 애노드 활물질층(104)은 안정화된 리튬 금속 입자, 예를 들어 탄산리튬으로 안정화된 리튬 금속 분말, 규산리튬으로 안정화된 리튬 금속 분말, 또는 기타 안정화된 리튬 금속 분말 또는 잉크 공급원으로 이루어진 군으로부터 선택된 미립자 리튬 물질로 코팅된다. 미립자 리튬 물질은 약 0.05 내지 5mg/cm2, 예를 들어 약 0.1 내지 4mg/cm2, 또는 심지어 약 0.5 내지 3mg/cm2의 로딩양으로 리튬 미립자 물질을 음극 활물질층에 분무, 로딩 또는 아니면 배치함으로써 애노드 활물질층(104)에 도포될 수 있다. 리튬 미립자 물질의 평균 입자 크기(D50)는 5 내지 200μm, 예를 들어 약 10 내지 100μm, 20 내지 80μm, 또는 심지어 약 30 내지 50μm일 수 있다. 평균 입자 크기(D50)는 누적 부피 기반 입자 크기 분포 곡선에서 50%에 해당하는 입자 크기로 정의될 수 있다. 평균 입자 크기(D50)는 예를 들어 레이저 회절법을 이용하여 측정될 수 있다.
일반적으로, 애노드 집전체(206)는 적어도 약 103 지멘스/cm의 전기 전도도를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 애노드 집전체는 적어도 약 104 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 집전체(206)는 적어도 약 105 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 애노드 집전체로 사용하기에 적합한 예시적인 전기 전도성 물질에는 구리, 니켈, 스테인리스 스틸, 탄소, 코발트, 티타늄 및 텅스텐과 같은 금속 및 이들의 합금이 포함된다.
도 2를 다시 참조하면, 또 다른 적절한 실시예에서, 단위 셀(200)은 하나 이상의 캐소드 집전체 층(210) 및 하나 이상의 캐소드 활물질층(106)을 포함한다. 캐소드 물질의 캐소드 집전체 층(210)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄 또는 캐소드 집전체 층(210)으로서 사용하기에 적합한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 캐소드 활물질층(106)은 캐소드 집전체 층(210)의 제1 표면 상의 제1 층 및 캐소드 집전체 층(210)의 제2 대향 표면 상의 제2 층으로서 형성될 수 있다. 캐소드 활물질층(106)은 캐소드 집전체 층(210)의 한 면 또는 양면에 코팅될 수 있다. 마찬가지로, 캐소드 활물질층(106)은 캐소드 집전체 층(210)의 주 표면 중 하나 또는 둘 다에 코팅될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 캐소드 집전체 층(210)은 캐소드 활물질층(106)과 서로 혼합될 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)(106)은 각각 적어도 약 20um의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)(106)은 각각 적어도 약 40um의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)(106)은 각각 적어도 약 60um의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 활물질층(106)은 각각 적어도 약 100um의 두께를 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 활물질층(들)(106)은 각각 약 90um 미만 또는 심지어 약 70um 미만의 두께를 가질 것이다.
일 실시예에서, 양극(예를 들어, 캐소드)은 인터칼레이션형 화학 활물질, 전환 화학 활물질, 또는 이들의 조합이거나 이를 포함할 수 있다.
본 개시에 유용한 예시적인 전환 화학 물질은, 이에 제한되는 것은 아니나, S(또는 리튬화 상태의 Li2S), LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2(여기서 0 ≤ d ≤ 0.5) 등을 포함한다.
예시적인 캐소드 활물질은 또한 광범위한 인터칼레이션형 캐소드 활물질 중 어느 하나를 포함한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우, 캐소드 활물질은 전이 금속 산화물, 전이 금속 황화물, 전이 금속 질화물, 리튬 전이 금속 산화물, 리튬 전이 금속 황화물, 및 리튬 전이 금속 질화물로부터 선택된 캐소드 활물질을 포함할 수 있으며, 리튬 전이 금속 질환물은 선택적으로 사용될 수 있다. 이들 전이금속 산화물, 전이금속 황화물, 및 전이금속 질화물의 전이금속 원소는 d-쉘(shell) 또는 f-쉘을 갖는 금속 원소를 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적인 예로는 Sc, Y, 란타노이드, 악티노이드, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag 및 Au이 있다. 추가 캐소드 활물질에는 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAlz)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브덴 옥시황화물, 인산염, 규산염, 바나듐산염, 황, 황 화합물, 산소(공기), Li(NixMnyCoz)O2, 및 이들의 조합이 포함된다.
일반적으로, 캐소드 집전체(210)는 적어도 약 103 지멘스(Siemens)/cm의 전기 전도도를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 집전체(210)는 적어도 약 104 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 집전체(210)는 적어도 약 105 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 캐소드 집전체(210)로 사용하기에 적합한 예시적인 전기 전도성 물질에는 알루미늄, 니켈, 코발트, 티타늄 및 텅스텐과 같은 금속 및 이들의 합금이 포함된다.
도 2를 다시 참조하며, 일 실시예에서, 전기 절연 분리막 층(들)(108)은 애노드 활물질층(104)의 각 부재를 캐소드 활물질층(106)의 각 부재로부터 전기적으로 분리하도록 적응된다. 전기 절연 분리막 층(108)은 일반적으로 비수성 전해질이 침투될 수 있는 미세다공성 분리막 물질을 포함할 것이며; 예를 들어, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 직경이 적어도 50Å, 더 일반적으로는 약 2,500Å 범위이고, 다공도가 약 25% 내지 약 75% 범위, 더 일반적으로 약 35 내지 55% 범위인 기공을 포함한다.
일 실시예에서, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 4um의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 8um의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 12um의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 15um의 두께를 가질 것이다. 또 다른 실시예에서, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 25um의 두께를 가질 것이다. 또 다른 실시예에서, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 50um의 두께를 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 전기 절연 분리막 물질층(108)은 약 12um 미만 또는 심지어 약 10um 미만의 두께를 가질 것이다.
일반적으로, 분리막 층(들)(108)용 분리막 물질은 단위 셀의 양극 활물질과 음극 활물질 사이에서 캐리어 이온을 전도하는 용량을 갖는 광범위한 분리막 물질로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 분리막 물질은 액체, 비수성 전해질이 침투될 수 있는 미세다공성 분리막 물질을 포함할 수 있다. 대안으로, 분리막 물질은 단위 셀의 양극과 음극 사이에서 캐리어 이온을 전도할 수 있는 겔 또는 고체 전해질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 분리막 물질은 폴리머계 전해질을 포함할 수 있다. 대표적인 폴리머 전해질에는 PEO게 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질, 및 폴리머-세라믹 복합 전해질이 포함된다.
또 다른 실시예에서, 분리막 물질은 산화물계 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 산화물계 전해질에는 리튬 란타늄 티타네이트(Li0.34La0.56TiO3), Al 도핑된 리튬 란타늄 지르콘산염(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta 도핑된 리튬 란타늄 지르콘산염(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12) 및 리튬 알루미늄 티타늄 인산염(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)이 포함된다.
또 다른 실시예에서, 분리막 물질은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 고체 전해질에는 리튬 주석 인 황화물(Li10SnP2S12), 리튬 인 황화물(β-Li3PS4) 및 리튬 인 황 염화 요오드화물(Li6PS5Cl0.9I0.1)과 같은 황화물계 전해질이 포함된다.
일 실시예에서, 분리막 물질은 미립자 물질 및 바인더를 포함하고, 적어도 약 20 vol%의 다공도(공극율)을 갖는 미세다공성 분리막 물질을 포함한다. 미세다공성 분리막 물질의 기공은 직경이 적어도 50Å이고 일반적으로 약 250 내지 2,500Å 범위 내에 속할 것이다. 미세다공성 분리막 물질은 전형적으로는 약 75% 미만의 다공도를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 약 적어도 25 vol%의 다공도(공극률)을 갖는다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 약 35 내지 55%의 다공도를 가질 것이다.
미세다공성 분리막 물질용 바인더는 광범위한 무기 또는 폴리머 물질로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바인더는 규산염, 인산염, 알루미산염, 알루미노규산염, 및 수산화마그네슘, 수산화칼슘 등과 같은 수산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 물질이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바인더는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜 등을 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로폴리머이다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 다양한 분자량과 밀도를 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀이다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 에틸렌-디엔-프로펜 터폴리머, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 구성된 군으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시 및 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 바인더는 전술한 폴리머 중 둘 이상의 코폴리머 또는 블렌드이다.
미세다공성 분리막 물질용로 구성된 미립자 물질은 또한 광범위한 물질로부터 선택될 수 있다. 일반적으로, 이러한 물질은 동작 온도에서 상대적으로 낮은 전자 및 이온 전도도를 갖고, 미세다공성 분리막 물질과 접촉하는 배터리 전극 또는 집전체의 동작 전압 하에서 부식되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 물질은 1 x 10-4 S/cm 미만의 캐리어 이온(예를 들어, 리튬)에 대한 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미립자 물질은 1 x 10-5 S/cm 미만의 캐리어 이온에 대한 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미립자 물질은 1 x 10-6 S/cm 미만의 캐리어 이온에 대한 전도도를 갖는다. 예시적인 미립자 물질에는 미립자 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-폴리머 복합재, 실리카 에어로겔, 흄드 실리카, 실리카겔, 실리카 하이드로겔, 실리카 크세로겔, 실리카 졸, 콜로이드 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 카올린, 활석, 규조토, 규산 칼슘, 규산알루미늄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 또는 이들의 조합이 포함된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 물질은 TiO2, SiO2, Al2O3, GeO2, B2O3, Bi2O3, BaO, ZnO, ZrO2, BN, Si3N4, Ge3N4와 같은 미립자 산화물 또는 질화물을 포함한다. 예를 들어, P. Arora 및 J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462를 참조한다. 일 실시예에서, 미립자 물질은 약 20nm 내지 2 마이크로미터, 보다 전형적으로는 200nm 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미립자 물질은 약 500nm 내지 1 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
대안적인 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질에 의해 구성된 미립자 물질은 배터리 기능을 위한 이온 전도도를 제공하기 위해 전해질 유입에 대해 원하는 공극률을 유지하면서 소결, 결합, 경화 등과 같은 기술에 의해 결합될 수 있다.
배터리 조립체(100)와 같은 조립된 에너지 저장 장치에서, 미세다공성 분리막 물질에는 이차 전지 전해질로 사용하기에 적합한 비수성 전해질이 침투되어 있다. 전형적으로, 비수성 전해질은 유기 용매 및/또는 용매 혼합물에 용해된 리튬염 및/또는 염의 혼합물을 포함한다. 예시적인 리튬염에는 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl 및 LiBr과 같은 무기 리튬염; 및 LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15과 같은 유기 리튬염이 포함된다. 리튬염을 용해시키기 위한 예시적인 유기 용매에는 고리형 에스테르, 사슬형 에스테르, 고리형 에테르 및 사슬형 에테르가 포함된다. 고리형 에스테르의 구체적인 예에는 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 비닐렌 카보네이트, 2-메틸-γ-부티로락톤, 아세틸-γ-부티로락톤, 및 γ-발레로락톤이 포함된다. 사슬형 에스테르의 구체적인 예에는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 에틸 카보네이트, 메틸 부틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 부틸 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 알킬 프로피오네이트, 디알킬 말로네이트, 및 알킬 아세테이트가 포함된다. 고리형 에테르의 구체적인 예에는 테트라히드로푸란, 알킬테트라히드로푸란, 디알킬테트라히드로푸란, 알콕시테트라히드로푸란, 디알콕시테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 알킬-1,3-디옥솔란, 및 1,4-디옥솔란이 포함된다. 사슬형 에테르의 구체적인 예예는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시탄, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 디에틸렌 글리콜 디알킬에테르, 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르가 포함된다.
일 실시예에서, 미세다공성 분리막 층(들)(108)에는 리튬 염과 고순도 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비수성 유기 전해질이 침투될 수 있다. 추가로, 전해질은 폴리머 전해질 또는 고체 전해질을 사용하는 폴리머일 수 있다.
추가로 도 1 및 2를 참조하면, 일 실시예에서, 버스 바(110 및 112)는 각자의 전극 또는 상대 전극(예를 들어, 경우에 따라 애노드 또는 캐소드일 수 있음)의 버스 바 개구(도시되지 않음)를 통해 배치되어 애노드 집전체(206)를 서로 병렬로 연결(다수의 전극 서브 유닛을 포함하는 배터리에서)하고, 버스 바 중 다른 하나는 다수의 단위 셀(200)을 포함하는 배터리에서 캐소드 집전체(210)를 서로 병렬로 연결한다. 일 실시예에서, 버스 바(110, 112)는 용접 전에 각각 아래로 접혀 있는 집전체 탭(120)에 용접되거나 아니면 전기적으로 결합된다. 일 실시예에서, 버스 바(110)는 구리 버스 바이며 애노드 집전체 층(206)의 애노드 탭에 용접되고, 버스 바(112)는 알루미늄 버스 바이며 캐소드 집전체 층(210)의 캐소드 탭에 용접된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 버스 바(110, 112)는 배터리 조립체(100)가 본원에 설명된 바와 같이 기능하도록 허용하는 임의의 적합한 전도성 물질일 수 있다. 용접은 레이저 용접기, 마찰 용접, 초음파 용접 또는 버스 바(110 및 112)를 전극 탭(120)에 용접하기 위한 임의의 적합한 용접 방법을 사용하여 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 버스 바(110 및 112) 각각은 애노드 및 캐소드용 전극 탭(120) 전체와 전기적으로 접촉된다.
본원에 언급된 바와 같이, 애노드 집단의 멤버는 적어도 애노드 집전체(206) 및 애노드 활물질층(104)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 집단의 멤버는 애노드 집전체(206) 및 애노드 전류 집전체(206)의 각 주 표면에 배치된 애노드 활물질층(104)을 포함한다. 애노드 집단의 멤버의 길이는 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단의 멤버는 전형적으로 약 5mm 내지 약 500mm 범위의 길이를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 애노드 집단의 멤버는 약 10mm 내지 약 250mm의 길이를 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 집단의 멤버는 약 25mm 내지 약 100mm의 길이를 갖는다.
애노드 집단의 멤버의 폭(Y축 범위)는 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단의 각 멤버는 전형적으로 약 0.01mm 내지 약 2.5mm 범위 내의 폭을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버의 폭은 약 0.025mm 내지 약 2mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버의 폭은 약 0.05mm 내지 약 1mm 범위에 있을 것이다.
애노드 집단의 멤버의 높이(Z축 범위)는 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단의 멤버는 전형적으로 약 0.05mm 내지 약 25mm 범위 내의 길이를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버의 높이는 약 0.05mm 내지 약 5mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버의 높이는 약 0.1mm 내지 약 1mm 범위에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 애노드 집단의 멤버는 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 높이와 다른 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 높이는 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상에 따라 서로 다른 높이를 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 이차 전지에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 애노드 집단의 멤버는 제1 폭을 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 폭은 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 서로 다른 폭을 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 이차 전지에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 애노드 집단의 멤버는 제1 길이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 길이와 다른 제2 길이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 길이는 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 서로 다른 길이를 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 이차 전지에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 애노드 집단의 멤버는 각각의 너비와 높이보다 실질적으로 더 큰 길이(X축 범위)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버에 대해, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 각각 적어도 5:1이다(즉, 길이 대 폭의 비율은 각각 적어도 5:1이고, 길이 대 높이의 비율은 각각 적어도 5:1임). 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 적어도 15:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버에 대해, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 애노드 집단의 멤버의 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 일반적으로, 높이 대 폭의 비율은 일반적으로 각각 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 약 2:1 내지 약 100:1 범위일 것이다.
본원에 언급된 바와 같이, 캐소드 집단의 멤버는 적어도 캐소드 집전체(210) 및 캐소드 활물질층(106)을 포함한다. 캐소드 집단의 멤버의 길이는 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단의 각 멤버는 전형적으로 약 5mm 내지 약 500mm 범위의 길이를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버는 약 10mm 내지 약 250mm의 길이를 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버는 약 25mm 내지 약 100mm의 길이를 갖는다.
캐소드 집단의 멤버의 폭(Y축 범위)는 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단의 멤버는 전형적으로 약 0.01mm 내지 약 2.5mm 범위 내의 폭을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버의 폭은 약 0.025mm 내지 약 2mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버의 폭은 약 0.05mm 내지 약 1mm 범위에 있을 것이다.
캐소드 집단의 멤버의 높이(Z축 범위)는 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단의 멤버는 전형적으로 약 0.05mm 내지 약 25mm 범위 내의 높이를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버의 높이는 약 0.05mm 내지 약 5mm의 범위에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버의 높이는 약 0.1mm 내지 약 1mm 범위에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 집단의 멤버는 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 캐소드 부재, 및 제1 높이와 다른 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 캐소드 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 캐소드 부재 및 하나 이상의 제2 캐소드 부재에 대한 서로 다른 높이는 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상에 따라 서로 다른 높이를 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 이차 전지에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 캐소드 집단의 멤버는 제1 폭을 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 폭은 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 서로 다른 폭을 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 이차 전지에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 캐소드 집단의 멤버는 제1 길이를 갖는 하나 이상의 제1 전극 부재, 및 제1 길이와 다른 제2 길이를 갖는 하나 이상의 제2 전극 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 전극 부재 및 하나 이상의 제2 전극 부재에 대한 서로 다른 길이는 전극 조립체에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 서로 다른 길이를 갖는 전극 조립체 형상을 수용하고, 및/또는 이차 전지에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 캐소드 집단의 각 멤버는 그 폭보다 실질적으로 더 크고 그 높이보다 실질적으로 더 큰 길이(X축 범위)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 각각 적어도 5:1이다(즉, 길이 대 폭의 비율은 각각 적어도 5:1이고, 길이 대 높이의 비율은 각각 적어도 5:1임). 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 적어도 15:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 길이 대 폭과 높이 각각의 비율은 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 캐소드 집단의 멤버의 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 일반적으로 각각 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비율은 각각 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각 멤버에 대해, 높이 대 폭의 비율은 각각 약 2:1 내지 약 100:1 범위일 것이다.
일 실시예에서, 애노드 집전체(206)는 또한 음극 활물질층(104)의 전기 전도도보다 실질적으로 더 큰 전기 전도도를 갖는다. 음극 활물질층(104)은 애노드 활물질층(104)과 동일하거나 유사할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류가 있거나 장치를 방전시키기 위해 인가된 부하가 있을 때 애노드 집전체(206)의 전기 전도도 대 애노드 활물질층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 100:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류가 있거나 장치를 방전시키기 위해 인가된 부하가 있을 때 애노드 집전체(206)의 전기 전도도 대 애노드 활물질층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 500:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류가 있거나 장치를 방전시키기 위해 인가된 부하가 있을 때 애노드 집전체(206)의 전기 전도도 대 음극 활물질층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류가 있거나 장치를 방전시키기 위해 인가된 부하가 있을 때 애노드 집전체(206)의 전기 전도도 대 애노드 활물질층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류가 있거나 장치를 방전시키기 위해 인가된 부하가 있을 때 애노드 집전체(206)의 전기 전도도 대 애노드 활물질층(104)의 전기 전도도의 비율은 적어도 10,000:1이다.
일반적으로, 캐소드 집전체 층(210)은 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다 (A. H. Whitehead 및 M. Schreiber의 "Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries", Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005) 참조). 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체층(210)는 금 또는 금 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체층(210)은 니켈 또는 니켈 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다.
이제 도 3을 참조한다. 도 3은 인클로저 보호층 또는 외부 패키징이 그 위에 배치되기 전의 배터리 조립체(300)(배터리 조립체(100)와 동일하거나 유사할 수 있음)의 확대된 부분 상세 사시도이다. 배터리 조립체(300)는 Y축 방향으로 적층 배열로 구성된 전극 서브 유닛(302)(이는 서브 유닛(102)과 동일하거나 유사할 수 있음)의 집단을 포함하는 전극 조립체(301)를 포함한다. 전극 서브 유닛(302) 각각은 적어도 전극 집전체 층, 전극 활물질을 포함하는 전극 층(예를 들어, 애노드 활물질층), 분리막 층, 상대 전극 활물질을 포함하는 상대 전극 층(예를 들어, 캐소드 활물질층) 및 상대 전극 집전체 층을 포함한다.
하나의 적합한 실시예에서, 전극 조립체(301)는 제약부(316)(이는 일부 실시예에서는 케이싱(116)과 동일하거나 유사할 수 있음)에 의해 정의된 용적 내에 둘러싸인다. 일 실시예에서, 제약부(316)는 SS 316, 440C 또는 440C 경질과 같은 스테인리스 스틸을 포함한다. 다른 실시예들에서, 제약부는 알루미늄(예를 들어, 알루미늄 7075-T6, 경질 H18 등), 티타늄(예를 들어, 6Al-4V), 베릴륨, 베릴륨 구리(경질), 구리(O2 없음, 경질), 니켈, 다른 금속 또는 금속 합금, 복합재, 폴리머, 세라믹(예를 들어, 알루미나(예를 들어, 소결 또는 Coorstek AD96), 지르코니아(예를 들어, Coorstek YZTP), 이트리스안정화된 지르코니아(예를 들어, ENrG E-Strate®)), 유리, 강화 유리, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예를 들어, Aptiv 1102), 탄소 함유 PEEK(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 탄소 함유 폴리페닐렌 설파이드(PPS)(예를 들어, Tepex Dynalite 207), 30% 유리 함유 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 폴리이미드(예를 들어, Kapton®), E Glass Std 패브릭/에폭시, 0도, E Glass UD/에폭시, 0도, Kevlar Std 패브릭/에폭시, 0도, Kevlar UD/에폭시, 0도, Carbon Std 패브릭/에폭시, 0도, Carbon UD/에폭시, 0도, Toyobo Zylon® HM 섬유/에폭시, Kevlar 49 Aramid 섬유, S 유리 섬유, 탄소 섬유, Vectran UM LCP 섬유, Dyneema, Zylon 또는 기타 적합한 물질을 포함한다.
제약부(316)는 일반적으로 X-Y 평면을 따라 정렬된 제1 커버(320)(즉, 제1 일차 성장 제약부), 및 Z축 방향으로 측정된 두께(t1)(도 3a)를 갖는, 일반적으로 또한 X-Y 평면을 따라 배열된, 제1 커버(320)로부터 Z축 방향으로 분리된 배터리 조립체(300)의 반대측면 상의 제2 커버(즉, 제2 일차 성장 제약부)(도 3에는 도시되지 않았지만 제1 커버(320)와 실질적으로 동일하고 일반적으로 322로 표시됨)를 포함한다. 제약부(316)의 두께(t1)는 예를 들어 제약부(316)의 구성 물질(들), 전극 조립체(301)의 전체 치수, 및 전극 및 상대의 구성을 포함하는 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 제약부(316)는 약 10 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께(t1)를 갖는 시트를 포함할 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 제약부(316)는 약 30μm의 두께를 갖는 스테인레스 스틸 시트(예를 들어, SS316)를 포함한다. 추가 예로서, 또 다른 실시예에서, 제약부(316)는 약 40μm의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예를 들어, 7075-T6)를 포함한다. 추가 예로서, 또 다른 실시예에서, 제약부(316)는 약 30μm의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예를 들어, Coorstek YZTP)를 포함한다. 추가 예로서, 또 다른 실시예에서, 제약부(316)는 약 75μm의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0도 시트를 포함한다. 추가 예로서, 또 다른 이러한 실시예에서, 제약부(316)는 >50% 패킹 밀도에서 12μm 탄소 섬유를 포함한다. 제1 커버(320)와 제2 커버(322) 각각은 만입부(indentation), 관통 절단부(through cut), 홀(hole) 등으로 형성될 수 있는 하나 이상의 특징부(315)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 특징부(315)는 외부 리튬 포일 전극(도시되지 않음)으로부터와 같은 배터리 조립체(300)의 사전 리튬화를 촉진한다. 이러한 실시예들에서, 특징부(315)는 사전 리튬화를 촉진하기 위해 리튬이 이를 통해 확산되는 것을 허용한다. 일 실시예에서, X-Z 평면으로 연장되는 제3 커버(324)(즉, 제1 이차 성장 제약부), Y축 방향으로 분리된 대향하는 제3 커버, 및 X-Z 평면으로 연장되는 제4 커버(326)(예를 들어, 제2 이차 성장 제약부) 및 Y축 방향으로 분리된 대향하는 제4 커버가 있다. 도시된 실시예에서, 제3커버(324)는 제1코너(328)에서 접힌 제1 커버(320)의 접힌 부분에 의해 정의되고, 제4커버(326)는 제2 코너(329)에서 접힌 제2 커버(322)의 접힌 부분에 의해 정의된다. 제1 및 제2 코너(328 및 329)는 반경형(radiused) 또는 각진(angular) 코너일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 코너(328 및 329)는 90도 내지 100도의 각도이다. 다른 실시예들에서, 제3 및 제4 커버는 단일 커버일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 이차 성장 제약부(324) 또는 제1 일차 성장 제약부(320)는 단위 셀 집단의 서브셋의 전극 또는 상대 전극 구조체의 표면(예를 들어, 상위 표면)에 연결되고, 제2 일차 성장 제약부(322) 또는 제2 이차 성장 제약 성장 제약부(326)는 단위 셀 집단의 서브셋의 전극 또는 상대 전극 구조체의 다른 표면(예를 들어, 하위 표면)에 연결된다.
일 실시예에서, 케이싱 에지 갭(338)은 제3 제약부(324)와 제4 제약부(326) 사이에 정의되며, Z축 방향으로 정의된 갭 거리를 갖는다. 일 실시예에서, 제3 제약부(324)와 제4 제약부(326) 사이의 Z축 방향에서 케이싱 에지 갭(338)의 갭 거리는 배터리 조립체(300)의 Z축 두께의 50% 이하이다. 배터리 조립체(300)의 반대편은 제3 및 제4 제약부(324 및 326)과 유사한 제약부를 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 제3 제약부는 X축 및 Z축을 따라 정의된 플랩 에지(flap edge)(330)를 포함하고, 제4 제약부는 X축과 Z축을 따라 정의된 제2 플랩 에지(332)를 포함한다.
제1 커버(320) 및 제2 커버(322) 각각은 일반적으로 Y축과 정렬된 에지를 따라 형성된 하나 이상의 노치(notch)(334) 또는 랜드(land)(336)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 노치(334) 또는 랜드(336)의 크기, 형상, 간격 및 수량 중 하나 이상이 제조 조건 또는 제한에 기초하여 결정된다. 일 실시예에서, 노치(334) 또는 랜드(336)는 제1 커버(320) 및 제2 커버(322)의 제조 공정에 사용되는 물질 스톡으로부터 제1 커버(320) 또는 제2 커버(322)의 기계 가공(machining), 스탬핑(stamping) 공정 또는 티어-오프(tear-off)를 용이하게 함으로써 제조성을 용이하게 할 수 있다. 추가로, 배터리 조립체(300)는 전극 서브 유닛(302) 중 하나에 전기적으로 결합되는 버스 바(들)(310)를 포함한다. 제약부(316)에 사용된 물질 두께(t1)로 인해, 제약부는 전극 구조체(301)로부터 Z축 방향으로 돌출하는 에지 표면(340)을 포함한다. 마찬가지로, 플랩 에지(330 및 332) 중 하나 이상이 배터리 조립체(300)로부터 Y축 방향으로 돌출된다. 추가로, 버스 바(들)(310)는 버스 바 에지(342)에서 배터리의 측면 표면(344)으로부터 X축 방향으로 돌출된다. 돌출된 에지는 일부 경우에는 배터리의 배터리 패키지(700)(도 7)에 천공될 수 있는 마찰 또는 높은 응력 영역을 생성할 수 있다. 이러한 돌출 영역은 비돌출 부분보다 외부 케이싱을 통해 천공될 가능성이 더 높기 때문에 잠재적 천공 지점이라고 할 수 있다.
인클로저(예를 들어, 외부 케이싱 또는 파우치)의 파열 또는 천공을 야기하는 천공 지점의 가능성을 감소 또는 제거를 용이하게 하기 위해, 인클로저 보호층(450)이 도 4를 참조하여 설명된다. 일 실시예에서, 인클로저 보호층(PPL)(450)은 배터리 조립체(400)의 둘레의 적어도 일부 주위에 배치된다(X 및 Y 축을 따라 이동될 때). 배터리 조립체(400)는 배터리 조립체(300)와 동일하거나 유사할 수 있다. PPL(450)은 높이(PLH)와 폭(PLW)을 갖는다. 배터리 조립체(400)의 주변부에 도포 전, PPL(450)은 일반적으로 폭(PLW)보다 상당히 큰 길이 및 높이(PLH)를 갖는 웹(web) 또는 테이프(tape)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, PPL(450)은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 또는 이들의 조합 중 하나 이상과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, PPL(450)에 사용된 폴리머는 탄성 물질이다. 일 실시예에서, PPL 높이(PLH)는 배터리 조립체(400)의 Z축 방향의 높이(BH)와 실질적으로 동일하여 배터리 조립체(400)의 전체 높이를 덮을 수 있다. 추가로 도 8을 참조하면, PPL(450)은 배터리 조립체(400)에 도포하기 전 25μm 내지 500μm 범위, 예를 들어 25μm, 50μm, 75μm, 100μm, 125μm, 150μm, 175μm, 200μm, 225μm, 250μm¸ 275μm, 300μm, 325μm, 350μm, 375μm, 400μm, 425μm, 450μm, 475μm 또는 500μm의 두께(t2)를 갖는다는 점에 유의한다.
추가로 도 4를 참조하면, 배터리 조립체(400)는 4개의 부면(minor face)(F1-4)과 2개의 주면(major face)(F5,6)을 갖는다. 도 4에서, 주면(F6)은 배터리 조립체(400)의 아래쪽에 위치된다는 점에 유의한다. 일 실시예에서, PPL(450)은 PPL(450)이 Y축 및 Z축 방향으로 부 표면(minor surface)(F1 및 F2)의 실질적으로 전체를 덮도록 하는 방식으로 주 표면(F1 및 F2) 중 적어도 2개에 도포된다. 이와 같이, PPL(450)은 플랩 에지(330 및 332)를 덮는다. 도 4a 및 4b를 참조하면, 도 4a는 PPL(450)의 도포 전의 표면(F1) 사진이고, 도 4b는 PPL(450)의 도포 후의 동일한 표면(F1)의 사진이다. 이 실시예에서, PPL(450)은 폴리머를 포함하는 투명층이다.
도 4c 및 4d를 참조하여, 도 4c는 PPL(450)의 도포 전의 표면(F2)의 사진이고, 도 4d는 PPL(450)의 도포 후의 동일한 표면(F2)의 사진이다. 이 실시예에서, PPL(450)은 폴리머를 포함하는 투명층이다. 이 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 전극 조립체(301)와 동일하거나 유사할 수 있는 전극 조립체(401), 및 버스 바(110, 112)와 동일하거나 유사할 수 있는 버스 바(410)를 포함한다.
PPL(450)은 배터리 조립체(400)의 면(F1-6) 중 하나 이상에 도포되어 잠재적인 천공 지점인 돌출부(415) 중 어느 하나를 덮을 수 있다. 도 4e 및 4f를 참조하면, PPL(450)이 천공 지점(PP1-X)을 갖는 돌출부(415)에 대해 곡률 반경을 증가시키는 것이 예시되어 있다. 각 돌출부(415)는 천공 지점(PP1-x)에서 제1곡률 반경(R1)을 갖는다. 그러나, 곡률 반경(R1) 위에 있는 지점에서 PPL(450)은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경(R1)보다 큰 제2 곡률 반경(R2)을 갖는다. 따라서, 도 4f에 예시된 바와 같이, 돌출부(415)의 천공 지점을 PPL(450)로 덮음으로써, X-Y 평면의 천공 지점 위의 제2 곡률 반경(R2)은 제1 반경(R1)에 비해 효과적으로 증가될 수 있고, 이에 따라 돌출부의 천공 지점이 인클로저에 가하는 압력을 줄여, 인클로저에 대한 천공의 감소 또는 제거를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 일련의 천공 지점(PP1 - PPX)은 버스 바(110, 112)의 코너, 집전체 탭(120), 제약부(316)의 에지 등일 수 있다.
일 실시예에서, PPL(450)은 초기에 높이(PLH), 두께(t2) 및 길이(PLL)를 갖는 세장형 웹(elongated web)의 형태이다(도 8). 배터리 조립체(400)의 하나 이상의 면(F1-6)에 PPL(450)의 도포 전, PPL(450)은 면(F1-6)의 원하는 부분을 덮기 위해 임의의 적절한 수단에 의해 원하는 길이 및/또는 높이로 절단될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, PPL(450)은 Y축 방향으로의 면(F1)의 길이와 거의 동일한 길이(PLL)로 절단된다. 절단 후, PPL(450)은 면(F1)에 배치되어 열, 압력 및 시간 중 하나 이상을 사용하여 면(F1)에 접착된다. 하나의 적절한 실시예에서, 열 융착(heat staking) 장비를 사용하여 PPL(450)을 면(F1)을 따라 원하는 위치에 열 융착한다. 일 실시예에서, PPL(450)은 면(F1) 길이의 최소 80% 이상에 열 융착된다. 그러나, 다른 실시예들에서, PPL(450)은 면(F1) 길이의 1% 내지 100%와 같이 임의의 양으로 열 융착될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, PPL(450)은 면(F1)의 길이를 따라 하나 이상의 개별 지점에 열 융착된다. 일부 실시예들에서, PPL(450)을 포함하는 물질에 따라, PPL(450)은 임의의 추가 접착제를 사용하지 않고 면(F1)에 열 융착되거나 아니면 접착될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 접착층은 면(F1)과 PPL(450) 사이에 사용되어 PPL(450)을 면(F1)에 접착시킨다. 또 다른 실시예들에서, PPL(450)은 면(F1)에 인접한 적어도 하나의 접착층을 갖는 다층 물질이다. 유사한 방식으로, PPL(450)은 동일하거나 유사한 공정을 사용하여 면(F1-6) 중 어느 하나 또는 전부에 절단 및 접착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, PPL(450)이 면(F1-4)(예를 들어, 배터리 조립쳬(400)의 둘레)의 길이의 합과 동일한 길이로 절단된 다음, PPL(450)이 둘레(예를 들면, 면(F1-4) 각각)을 감싼 다음 이러한 면들에 접착된다.
일 실시예에서, 높이(PLH)는 PPL(450)이 도포되는 배터리 조립체(400)의 면의 높이(BH)와 실질적으로 동일하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 높이(PLH)는 이가 적용되는 배터리 조립체(400)의 면의 높이(BH) 미만일 수 있다. 그러나, 일반적으로 높이(PLH)는 해당 면 상의 임의의 잠재적인 천공 지점을 덮을 수 있을 만큼 충분한 높이여야 한다. 또 다른 실시예에서, 배터리 조립체(400)에 도포하기 전의 높이(PLH)는 도포될 배터리 조립체(400)의 면의 높이(BH)보다 크다. 이 실시예에서, PPL(450)의 원위 에지(801, 802)(도 8)는 배터리 조립체(400)의 추가 면 위를 감싸서 이와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, PPL(450)은 상기에 설명된 바와 같이 면(F1)에 접착될 수 있지만, 원위 에지(801, 802)는 이들이 각각 면(F5 및 F6)의 적어도 일부에 접착되도록 감싸거나 접혀진다(도 9).
이제 도 5 내지 7을 참조한다. PPL(450)의 도포에 이어서, 배터리 조립체(400)는 배터리 패키지(700) 내에 배치되어 완전한 배터리(760)를 형성한다. 실시예들에서, 배터리 패키지는 제1 인클로저 층(500) 및 제2 인클로저 층(600)을 포함한다. 제1 및 제2 인클로저 층 각각은 알루미늄, 폴리머 등과 같은 가요성 또는 반가요성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600) 중 하나 이상은 다층 알루미늄 폴리머 물질, 플라스틱 등을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600) 중 하나 이상은 알루미늄과 같은 금속 기판 상에 라미네이팅된 폴리머 물질을 포함한다.
도 5에 예시된 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 제약부(316)의 주면(F6)이 제1 인클로저 층(500)과 접촉하도록 제1 인클로저 층(500) 상에 배치된다. 일 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 제1 인클로저 층(500) 내에 형성된 리세스(502) 내에 배치된다. 리세스(502)는 배터리 조립체(400)의 외부 표면 크기 및 형상과 일치하도록 사이징 및 형상화된다. 일 실시예에서, 제2 인클로저 층(600)은 제약부(316)의 주면(F5)이 제2 인클로저 층(600)과 접촉하도록 배터리 조립체(400) 위에 배치된다. 제2 인클로저 층(600)은 주면(F5) 및 리세스(502) 전체를 덮도록 (예를 들어 배치 방향(P1)으로의 이동에 의해) 포지셔닝될 수 있다. 전도성 단자(705 및 707)는 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)에 의해 덮이지 않은 상태로 유지된다. 제2 인클로저 보호층(600)의 적절한 배치 후, 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)은 밀봉 에지(S1)(도 7에서 점선으로 표시됨)을 따라 밀봉된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)의 초과 물질은 밀봉 전 또는 밀봉 후에 트리밍될 수 있다. 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)은 용접, 열 밀봉, 접착제, 이들의 조합 등에 의해 밀봉 에지(S1)를 따라 밀봉될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)은 내부에 포켓을 생성하는 밀봉 에지(S1)의 3개의 측면을 따라 밀봉될 수 있다. 이러한 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 포켓 내에 배치될 수 있으며, 밀봉 에지(S1)의 최종 에지는 후속적으로 밀봉된다. 일 실시예에서, 밀봉 에지(S1)는 제어된 온도 및 압력을 밀봉 에지(S1)에 적용하여 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600)이 밀봉 에지(S1)를 따라 함께 접착되거나 융합되도록 하는 핫 프레스(hot press)를 사용하여 밀봉된다. 또 다른 실시예에서, 밀봉 공정 동안 진공이 배터리 조립체(400)에 인가되어 공기 또는 기타 가스가 차지하는 임의의 초과 용적을 배기한다. 밀봉 에지가 핫 프레스되는 시간은 제어될 수 있으며 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600)에 대해 선택된 물질에 따라 좌우된다. 배터리 조립체(400) 위에 밀봉되면, 밀봉된 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600)은 배터리 패키지(700)를 형성한다. 밀봉 시, 배터리 패키지(700)는 원하는 용도에 따라 액밀(liquid tight) 및/또는 기밀(air tight)된다. 단자(705, 707)는 노출된 상태로 유지되며, 사용자가 단자를 전원을 공급받을 장치 또는 배터리 충전기에 연결할 수 있도록 배터리 패키지(700)에 의해 덮이지 않는다.
본 개시의 방법(예를 들어, 도 10에 도시된 방법(1000))은 도 1 내지 10을 참조하여 설명된다. 초기에, 1002에서, 준비된 전극 조립체를 포함하는 배터리 조립체(400)와 같은 배터리 조립체가 제공된다. 1004에서, 제약부(316)와 같은 제약부가 상기에 본원에 설명된 바와 같은 전극 조립체 위에 제공된다. 전극 조립체와 제약부는 함께 하나 이상의 천공 지점을 정의한다. 외부 케이싱의 파열 또는 천공을 야기하는 천공 지점의 가능성을 감소 또는 제거를 용이하게 위해, 천공 지점(들) 위에 인클로저 보호층(450)이 제공된다. 일 실시예에서, 인클로저 보호층(PPL)(450)은 배터리 조립체(400)의 둘레의 적어도 일부 주위에 배치/접착된다(X 및 Y 축을 따라 이동될 때). 배터리 조립체(400)는 배터리 조립체(300)와 동일하거나 유사할 수 있다. 배터리 조립체(400)의 주변부에 도포 전, PPL(450)은 폭(PLW)보다 상당히 큰 길이 및 높이(PLH)를 갖는 세장형 웹 또는 테이프의 형태일 수 있다.
일 실시예에서, PPL(450)은 PPL(450)이 Y축 및 Z축 방향으로 부 표면(minor surface)(F1 및 F2)의 실질적으로 전체를 덮도록 하는 방식으로 주 표면(F1 및 F2) 중 적어도 2개에 도포된다. PPL(450)은 수동으로 도포되거나 자동화된 기계를 사용하여 도포할 수 있다. 일 실시예에서, PPL(450)은 제약부의 플랩 에지(330 및 332)를 덮는 방식으로 도포될 수 있다.
PPL(450)은 배터리 조립체(400)의 면(F1-6) 중 하나 이상에 도포되어 바람직하게는 임의의 천공 지점(들)을 덮을 수 있다. 예를 들어, 도 4e 및 4f를 참조하면, PPL(450)은 이가 커버되는 방식으로 도포되어, 천공 지점(PP1-X)에 대해 곡률 반경을 증가시키는 것이 예시되어 있다. 도 4f에 예시된 바와 같이, PPL(450)로 천공 지점을 덮음으로써, 천공 지점에 대한 곡률 반경이 효과적으로 증가되어, 천공 지점에 의해 엔클로저(예를 들어, 엔클로저 층(500, 600))에 가해지는 압력을 감소시키고, 이에 따라 엔클로저에 대한 천공의 감소 또는 제거를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 일련의 천공 지점(PP1 - PPX)으로서, 이는 버스 바(110, 112)의 코너, 집전체 탭(120), 제약부(316)의 에지 등일 수 있다.
일 실시예에서, 방법(1000)은 초기에 높이(PLH), 두께(t2) 및 길이(PLL)(도 8)를 갖는 세장형 웹 형태인 PPL(450)을 사용하는 것을 포함한다. 이 실시예에서, 배터리 조립체(400)의 하나 이상의 면(F1-6)에 PPL(450)의 도포 전, PPL(450)은 면(F1-6)의 원하는 부분을 덮기 위해 임의의 적절한 수단에 의해, 예컨대 기계 장치(예를 들어, 칼), 레이저, 워터젯 등을 사용하여 원하는 길이 및/또는 높이로 절단될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, PPL(450)은 Y축 방향으로의 면(F1)의 길이와 거의 동일한 길이(PLL)로 절단된다. 절단 후, 1008에서, PPL(450)은 면(F1)에 배치되어 열, 압력 및 시간 중 하나 이상을 사용하여 면(F1)에 접착된다. 하나의 적절한 실시예에서, 열 융착(heat staking) 장비를 사용하여 PPL(450)을 면(F1)을 따라 원하는 위치에 열 융착한다. 일 실시예에서, PPL(450)은 면(F1) 길이의 최소 80% 이상에 열 융착된다. 그러나, 다른 실시예들에서, PPL(450)은 면(F1) 길이의 1% 내지 100%와 같이 임의의 양으로 열 융착될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, PPL(450)은 면(F1)의 길이를 따라 하나 이상의 개별 지점에 열 융착된다. 일부 실시예들에서, PPL(450)을 포함하는 물질에 따라, PPL(450)은 임의의 추가 접착제를 사용하지 않고 면(F1)에 열 융착되거나 아니면 접착될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 접착층은 면(F1)과 PPL(450) 사이에 사용되어 PPL(450)을 면(F1)에 접착시킨다. 유사한 방식으로, PPL(450)은 동일하거나 유사한 공정을 사용하여 면(F1-6) 중 어느 하나 또는 전부에 절단 및 접착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, PPL(450)이 면(F1-4)(예를 들어, 배터리 조립체(400)의 둘레)의 길이의 합과 동일한 길이로 절단된 다음, PPL(450)이 둘레(예를 들어, 면(F1-4)를 감싼 다음 이러한 면들에 접착된다. 또 다른 실시예에서, PPL(450)은 신축성 있는 물질을 포함하며 면(F1-4)(예를 들어, 배터리 조립체(400)의 둘레)의 길이의 합 이하의 길이로 절단한 다음, PPL(450)이 둘레(예를 들어, 면(F1-4) 각각)를 감싼 다음 이러한 면들에 접착된다.
방법(1000)의 일 실시예에서, 높이(PLH)는 PPL(450)이 도포되는 배터리 조립체(400)의 면의 높이(BH)와 실질적으로 동일하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 높이(PLH)는 이가 적용되는 배터리 조립체(400)의 면의 높이(BH) 미만일 수 있다. 그러나, 일반적으로 높이(PLH)는 해당 면 상의 임의의 잠재적인 천공 지점을 덮을 수 있을 만큼 충분한 높이여야 한다. 또 다른 실시예에서, 배터리 조립체(400)에 도포하기 전의 높이(PLH)는 도포될 배터리 조립체(400)의 면의 높이(BH)보다 크다. 이 실시예에서, PPL(450)의 원위 에지(801, 802)(도 8)는 배터리 조립체(400)의 추가 면 위를 감싸서 이와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, PPL(450)은 상기에 설명된 바와 같이 면(F1)에 접착될 수 있지만, 원위 에지(801, 802)는 이들이 각각 면(F5 및 F6)의 적어도 일부에 접착되도록 감싸거나 접혀진다(도 9).
PPL(450)의 도포에 이어서, 1010에서, 배터리 조립체(400)는 배터리 패키지(700)(예를 들어, 배터리 인클로저) 내에 배치되어 완전한 배터리(760)를 형성한다. 실시예들에서, 배터리 패키지(700)는 제1 인클로저 층(500) 및 제2 인클로저 층(600)을 포함한다. 제1 및 제2 인클로저 층 각각은 알루미늄, 폴리머 등과 같은 가요성 또는 반가요성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600) 중 하나 이상은 다층 알루미늄 폴리머 물질, 플라스틱 등을 포함한다.
방법(1000)의 일 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 제약부(316)의 주면(F6)이 제1 인클로저 층(500)과 접촉하도록 제1 인클로저 층(500) 상에 배치된다. 일 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 제1 인클로저 층(500) 내에 형성된 리세스(502) 내에 배치된다. 리세스(502)는 배터리 조립체(400)의 외부 표면 크기 및 형상과 일치하도록 사이징 및 형상화된다. 일 실시예에서, 제2 인클로저 층(600)은 제약부(316)의 주면(F5)이 제2 인클로저 층(600)과 접촉하도록 배터리 조립체(400) 위에 배치된다. 제2 인클로저 층(600)은 주면(F5) 및 리세스(502) 전체를 덮도록 (예를 들어 배치 방향(P1)으로의 이동에 의해) 포지셔닝될 수 있다. 전도성 단자(705 및 707)는 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)에 의해 덮이지 않은 상태로 유지된다. 제2 인클로저 보호층(600)의 적절한 배치 후, 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)은 밀봉 에지(S1)(도 7에서 점선으로 표시됨)을 따라 밀봉된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)의 초과 물질은 밀봉 전 또는 밀봉 후에 트리밍될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 보호층은 그런 다음 용접, 열 밀봉, 접착제, 이들의 조합 등에 의해 밀봉 에지(S1)를 따라 밀봉될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저 보호층(500, 600)은 내부에 포켓을 생성하는 밀봉 에지(S1)의 3개의 측면을 따라 밀봉된다. 이러한 실시예에서, 배터리 조립체(400)는 포켓 내에 배치될 수 있으며, 밀봉 에지(S1)의 최종 에지는 후속적으로 밀봉된다. 배터리 조립체(400) 위에 밀봉되면, 밀봉된 제1 및 제2 인클로저 층(500, 600)은 배터리 패키지(700)를 정의한다. 밀봉 시, 배터리 패키지(700)는 원하는 용도에 따라 액밀(liquid tight) 및/또는 기밀(air tight)된다. 단자(705, 707)는 노출된 상태로 유지되며, 사용자가 단자를 전원을 공급받을 장치 또는 배터리 충전기에 연결할 수 있도록 배터리 패키지(700)에 의해 덮이지 않는다.
본 개시의 양태들을 설명하기 위해 다음의 실시예들이 제공되었지만, 상기 실시예들이 제한되는 것으로 의도되지 않으며 다른 양태들 및/또는 실시예들도 제공될 수 있다.
실시예 1. 이차 전지 조립체로서, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체; 전극 조립체의 외부 표면에 배치되는 제약부; X 및 Y 축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 돌출부를 포함하는 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나; 전극 조립체와 제약부를 둘러싸는 배터리 인클로저; 및 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 돌출부와 전극 인클로저 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함한다.
실시예 2. 실시예 1의 이차 전지 조립체로서, 전극 조립체는 직사각형 프리즘 형상을 포함한다.
실시예 3. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 전극 조립체는 제약부에 의해 정의된 용적 내에 둘러 싸여 있고, 제약부는 전극 조립체의 전극 또는 상대 전극의 적어도 하나의 표면과 접촉하는 제1 일차 성장 제약부를 포함하고, 제1 일차 성장 제약부는 돌출부를 정의한다.
실시예 4. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 제약부는 제1 일차 성장 제약부로부터 이격된 제2 일차 성장 제약부를 더 포함하고, 제2 일차 성장 제약부는 전극 조립체의 전극 또는 상대 전극의 서로 다른 표면과 접촉한다.
실시예 5. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 제약부는 전극 조립체의 전극 또는 상대 전극의 제2 표면과 접촉하는 제1 이차 성장 제약부를 더 포함한다.
실시예 6. 임의의 이전 실시예의 이자 전지 조립체로서, 제약부는 제1 이차 성장 제약부로부터 이격되고, 전극 조립체의 전극 또는 상대 전극의 제3 표면과 접촉하는 제2 이차 성장 제약부를 더 포함한다.
실시예 7. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 제1 버스 바 및 제2 버스 바를 더 포함하며, 제1 버스 바 또는 제2 버스 바의 일부는 돌출부를 정의한다.
실시예 8. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 인클로저 보호층은 제1 버스 바와 제2 버스 바 중 적어도 하나 위에 배치된다.
실시예 9. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 인클로저 보호층은 폴리머를 포함한다.
실시예 10. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체, 폴리머는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 11. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 전극 조립체는 6개의 직사각형 면을 갖는 직사각형 프리즘 형상을 포함하고; 제약부는 직사각형 면 중 적어도 3개와 접촉하는 제1 커버 및 직사각형 면 중 적어도 3개의 다른 면과 접촉하는 제1 커버로부터 이격된 제2 커버를 포함하며, 제약부는 돌출부를 정의한다.
실시예 12. 실시예 11의 이차 전지 조립체로서, 제1 커버는 제1 커버의 높이 치수 전체를 통해 연장되는 관통 보어의 집단을 포함하며, 관통 보어 중 적어도 일부는 돌출부를 정의한다.
실시예 13. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 제2 커버는 제2 커버의 높이 치수 전체를 통해 연장되는 관통 보어의 집단을 포함하며, 제2 커버의 관통 보어 중 적어도 일부는 돌출부를 정의한다.
실시예 14. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 인클로저 보호층은 직사격형 면 중 적어도 두 개를 실질적으로 덮는다.
실시예 15. 이차 전지는, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체; 용적을 정의하는 제약부로서, 전극 조립체는 용적 내에 포함되는, 상기 제약부; X 및 Y 축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하는 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나; 돌출부의 적어도 일부 위 그리고 돌출부와 배터리 인클로저 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함하며; 배터리 인클로저는 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸고, 배터리 인클로저의 적어도 일부는 인클로저 보호층과 직접 접촉한다.
실시예 16. 실시예 15의 이차 전지로서, 인클로저 보호층은 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나에 열 융착된다.
실시예 17. 임의의 이전 실시예의 이차 전지 조립체로서, 인클로저 보호층은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 18. 임의의 이전 실시예에 따른 이차 전지로서, 배터리 인클로저는 알루미늄을 포함한다.
실시예 19. 임의의 이전 실시예에 따른 이차 전지로서, 전극 조립체는 적어도 6개의 직사각형 면을 갖는 직사각형 프리즘 형상이고, 인클로저 보호층은 직사각형 면 중 적어도 4개 위에 배치된다.
실시예 20. 임의의 이전 실시예에 따른 이차 전지로서, 인클로저 보호층은 25μm 내지 500μm의 두께를 갖는다.
실시예 21. 임의의 이전 실시예에 따른 이차 전지로서, 인클로저 보호층의 Z축 방향으로 측정된 높이는 전극 어셈블리의 Z축 방향으로 측정된 높이와 실질적으로 동일하다.
실시예 22. 임의의 이전 실시예에 따른 이차 전지로서, 인클로저 보호층은 인클로저 보호층의 x축 방향으로 측정된 길이의 적어도 80%에 따라 열 융착된다.
실시예 23. 임의의 이전 실시예에 따른 이차 전지로서, 인클로저 보호층은 인클로저 보호층의 X축 방향으로 측정된 길이의 적어도 95%를 따라 열 융착된다.
실시예 24. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 조립체는 (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 기타 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물, 복합재, 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산리튬, 망간산리튬, 알루민산리튬, 리튬 함유 산화 티타늄, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 25. 임의의 이전 실시예의 이자 전지로서, 전극 구조체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 카드뮴(Cd)으로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 26. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 구조체는 Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co, 또는 Cd와 다른 원소의 합금 및 금속간 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 27. 임의의 이전 실시예의 이자 전지로서, 전극 구조체는 Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 28. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 구조체는 Si의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 29. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 구조체는 실리콘 및 실리콘의 산화물과 탄화물로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 30. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 조립체는 리튬 금속을 포함하는 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 31. 임의의 이전 실시예의 이자 전지로서, 전극 구조체는 흑연 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함한다.
실시예 32. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 비수성 유기 전해질을 더 포함한다.
실시예 33. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 리튬 염과 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비수성 전해질을 더 포함한다.
실시예 34. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 폴리머 전해질을 포함한다.
실시예 35. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 고체 전해질을 더 포함한다.
실시예 36. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 황화물계 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함한다.
실시예 37. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 리튬 주석 인 황화물(Li10SnP2S12), 리튬 인 황화물(β-Li3PS4) 및 리튬 인 황 염화 요오드화물(Li6PS5Cl0.9I0.1)로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 전해질을 포함한다.
실시예 38. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 폴리머계 전해질을 더 포함한다.
실시예 39. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 PEO계 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질(고체), 폴리머-세라믹 복합 전해질 및 폴리머-세라믹 복합 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리머 전해질을 더 포함한다.
실시예 40. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 산화물계 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함한다.
실시예 41. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 이차 전지의 인클로저는 리튬 란타늄 티타네이트(Li0.34La0.56TiO3), Al 도핑된 리튬 란타늄 지르콘산염(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta 도핑된 리튬 란타늄 지르콘산염(Li6. 4La3Zr1.4Ta0.6O12) 및 리튬 알루미늄 티타늄 인산염(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 전해질을 더 포함한다.
실시예 42. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 조립체의 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 인터칼레이션 화학 양극 및 전환 화학 양극으로 이루어진 군으로부터 선택된 캐소드 활물질이다.
실시예 43. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 조립체의 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 인터칼레이션 화학 양극 물질을 포함하는 캐소드 활물질이다.
실시예 44. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 조립체의 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 전환 화학 양극 활물질을 포함하는 캐소드 활물질이다.
실시예 45. 임의의 이전 실시예의 이차 전지로서, 전극 조립체의 전극 활물질 및 상대 물질 중 하나는 S(또는 리튬화 상태의 Li2S), LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2(여기서 0 ≤ d ≤ 0.5)로 이루어진 군으로부터 선택된 캐소드 활물질이다.
실시예 46. 또 다른 실시예에서, 이차 전지로 사용하기 위한 배터리 조립체 준비 방법으로서, 상기 방법은, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 준비하는 단계; 제약부에 의해 정의된 용적 내에 전극 조립체를 배치하는 단계로서; 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나는 X 및 Y 축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하고, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 배치하는 단계; 돌출부 중 적어도 일부 위에 인클로저 보호층을 접착하는 단계로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 접착하는 단계; 및 인클로저 보호층이 제약부와 배터리 인클로저 사이에 배치되도록 배터리 인클로버 내에 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸는 단계를 포함한다.
실시예 47. 실시예 46에 따른 방법으로서, 접착하는 단계는 인클로저 보호층에 열을 가하는 단계를 포함한다.
실시예 48. 실시예 47에 따른 방법으로서, 적어도 하나의 돌출부 위에 인클로저 보호층을 접착하는 단계는 돌출부의 적어도 하나의 잠재적인 천공 지점에 위에 반경을 증가시키는 단계를 포함한다.
실시예 49. 임의의 이전 실시예에 따른 방법으로서, 적어도 하나의 돌출부 위에 인클로저 보호층을 접착하는 단계는 전극 조립체의 적어도 4개의 면에 위에 인클로저 보호층을 신장시키는 것을 포함한다.
실시예 50. 또 다른 실시예에서, 이차 전지를 제조하는 방법은, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로, 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 준비하는 단계; 제약부가 전극 조립체의 외부 표면에 배치되도록 제약부에 의해 정의된 용적 내에 전극 조립체를 배치하는 단계로서; 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나는 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하고, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 배치하는 단계; 돌출부의 적어도 일부 위에 인클로저 보호층을 접착하는 단계로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 줄 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 접착하는 단계; 인클로저 보호층이 제약부와 배터리 인클로저 사이에 배치되도록 배터리 인클로저 내에 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸는 단계; 및 배터리 인클로저를 진공 밀봉하는 단계를 포함한다.
실시예 51. 실시예 50에 따른 방법으로서, 인클로저 보호층은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 중 적어도 하나를 포함하고, 접착하는 단계는 인클로저 보호층에 열을 가하는 단계를 포함한다.
실시예 52. 임의의 이전 실시예에 따른 방법을로서, 접착하는 단계는 인클로저 보호층의 X축 방향으로 측정된 길이의 적어도 80%에 따라 인클로저 보호층을 열 융착시키는 단계를 포함한다.
실시예 53. 임의의 이전 실시예에 따른 방법으로서, 접착하는 단계는 인클로저 보호층에 열과 압력을 가하는 단계를 포함한다.
실시예 54. 이차 전지는, 3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축 각각에 대응하는 서로 수직인 가로, 세로 및 수직 축을 갖는 전극 조립체로서, 전극 조립체는 단위 셀의 집단, 전극 버스 바, 및 상대 전극 버스 바를 포함하고, 단위 셀 집단의 멤버는 전극 구조체, 분리막 구조체 및 상대 전극 구조체를 포함하며, (a) 전극 구조체는 전극 활물질층, 전극 집전체를 포함하고, (b) 상대 전극 집전체는 상대 전극 활물질층, 상대 전극 집전체를 포함하며 전극 구조체는 전극 집전체를 통해 전극 버스 바에 병렬로 전기적으로 연결되고, 상대 전극 구조체는 상대 전극 집전체를 통해 상대 전극 버스 바에 병렬로 전기적으로 연결되는, 상기 전극 조립체, 용적을 정의하는 제약부로서, 전극 조립체는 용적 내에 포함된, 상기 제약부; X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하는 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 돌출부는 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나; 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 돌출부와 배터리 인클로서 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 인클로저 보호층은 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 커 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함하며; 배터리 인클로저는 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸고, 배터리 인클로저의 적어도 일부는 인클로저 보호층과 직접 접촉한다.
실시예 55. 실시예 54의 전극 조립체로서, 전극 조립체는 세로 방향으로 서로로부터 이격된 제1 세로 단부 표면 및 제2 세로 단부 표면을 가지며, 측면 표면은 전극 조립체 세로 축을 둘러싸고 제1 및 제2 세로 단부 표면을 연결하고, 단위 셀의 집단은 세로 방향으로 직렬로 적층된다.
실시예 56. 임의의 이전 실시예의 전극 조립체로서, 전극 조립체는 프리즘 형상을 갖는다.
실시예 57. 임의의 이전 실시예의 전극 조립체로서, 제약부는 (i) 세로 방향으로 분리된 제1 및 제2 일차 성장 제약부, 및 (ii) 수직 방향으로 분리되고 상기 제1 및 제2 일차 성장 제약부를 연결하는 제1 및 제2 이차 성장 제약부를 포함하며, (iii) 제1 이차 성장 제약부는 단위 셀 집단의 서브셋의 전극 또는 상대 전극 구조체의 상위 단부 표면에 추가로 연결되고, (iv) 제2 이차 성장 제약부는 단위 셀 집단의 서브셋의 전극 또는 상대 전극 구조체의 하위 단부 표면에 추가로 연결된다.
이 서면 설명은 예를 사용하여 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정의되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 청구범위의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 갖고 있거나, 청구범위의 문자 그대로의 언어와 실질적으로 다르지 않은 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
Claims (32)
- 이차 전지 조립체로서,
3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축을 갖는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 외부 표면에 배치된 제약부;
상기 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 돌출부를 포함하는 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 상기 돌출부는 상기 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나;
상기 전극 조립체 및 제약부를 둘러싸는 배터리 인클로저; 및
상기 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 상기 돌출부와 상기 배터리 인클로저 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 상기 인클로저 보호층은 상기 X-Y 평면에서 상기 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 상기 제2 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경보다 커 상기 돌출부로 인해 상기 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함하는, 이차 전지 조립체. - 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 6개의 직사각형 면을 갖는 직사각형 프리즘 형상을 포함하며, 상기 돌출부는 상기 직사격형 면 중 하나에 위치되는, 이차 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 제약부에 의해 정의된 용적 내에 둘러 싸여 있고, 상기 제약부는 상기 전극 조립체의 전극 또는 상대 전극의 적어도 하나의 표면과 접촉하는 제1 일차 성장 제약부를 포함하고, 상기 제1 일차 성장 제약부는 상기 돌출부를 정의하는, 이차 전지 조립체.
- 제3항에 있어서, 상기 제약부는 상기 제1 일차 성장 제약부로부터 이격된 제2 일차 성장 제약부를 더 포함하고, 상기 제2 일차 성장 제약부는 상기 전극 조립체의 상기 전극 또는 상대 전극의 서로 다른 표면과 접촉하는, 이차 전지 조립체.
- 제3항에 있어서, 상기 제약부는 상기 전극 조립체의 상기 전극 또는 상기 상대 전극의 제2 표면과 접촉하는 제1 이차 성장 제약부를 더 포함하는, 이차 전지 조립체.
- 제5항에 있어서, 상기 제약부는 상기 제1 이차 성장 제약부로부터 이격되고, 상기 전극 조립체의 상기 전극 또는 상기 상대 전극의 제3 표면과 접촉하는 제2 이차 성장 제약부를 더 포함하는, 이차 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 제1 버스 바 및 제2 버스 바를 더 포함하며, 상기 제1 버스 바 또는 상기 제2 버스 바의 일부는 상기 돌출부를 정의하는, 이차 전지 조립체.
- 제7항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 상기 제1 버스 바와 상기 제2 버스 바 중 적어도 하나 위에 배치되는, 이차 전지 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 폴리머를 포함하는, 이자 전지 조립체.
- 제9항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 중 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체는 6개의 직사각형 면을 갖는 직사격형 프리즘 형상을 포함하고;
상기 제약부는 상기 직사각형 면 중 적어도 3개와 접촉하는 제1 커버 및 상기 직사각형 면 중 적어도 3개의 다른 면과 접촉하는 상기 제1 커버로부터 이격된 제2 커버를 포함하며, 상기 제약부는 상기 돌출부를 정의하는, 이차 전지 조립체. - 제11항에 있어서, 상기 제1 커버는 상기 제1 커버의 높이 치수 전체를 통해 연장되는 관통 보어의 집단을 포함하며, 상기 관통 보어 중 적어도 일부는 상기 돌출부를 정의하는, 이차 전지 조립체.
- 제12항에 있어서, 상기 제2 커버는 상기 제2 커버의 높이 치수 전체를 통해 연장되는 관통 보어의 집단을 포함하며, 상기 제2 커버의 상기 관통 보어 중 적어도 일부는 상기 돌출부를 정의하는, 이차 전지 조립체.
- 제11항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 상기 직사격형 면 중 적어도 두 개를 실질적으로 덮는, 이차 전지 조립체.
- 이차 전지로서,
3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축을 갖는 전극 조립체;
용적을 정의하는 제약부로서, 상기 전극 조립체는 상기 용적 내에 포함되는, 상기 제약부;
상기 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하는 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나로서, 상기 돌출부는 상기 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나;
상기 돌출부의 적어도 일부 위에 그리고 상기 돌출부와 배터리 인클로저 사이에 배치된 인클로저 보호층으로서, 상기 인클로저 보호층은 상기 X-Y 평면에서 상기 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 상기 제2 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경보다 커 상기 돌출부로 인해 상기 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 인클로저 보호층을 포함하며;
상기 배터리 인클로저는 상기 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸고, 상기 배터리 인클로저의 적어도 일부는 상기 인클로저 보호층과 직접 접촉하는, 이차 전지. - 제15항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 상기 전극 조립체 또는 상기 제약부 중 적어도 하나에 열 융착되는, 이차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 중 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 배터리 인클로저는 알루미늄을 포함하는, 이차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 전극 조립체는 적어도 6개의 직사각형 면을 갖는 직사각형 프리즘 형상이고, 상기 인클로저 보호층은 상기 직사각형 면 중 적어도 4개 위에 배치되는, 이자 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 25μm 내지 500μm의 두께를 갖는, 이차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 인클로저 보호층의 Z축 방향으로 측정된 높이는 상기 전극 어셈블리의 Z축 방향으로 측정된 높이와 실질적으로 동일한, 이차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 상기 인클로저 보호층의 x축 방향으로 측정된 길이의 적어도 80%에 따라 열 융착되는, 이차 전지.
- 제22항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 상기 인클로저 보호층의 X축 방향으로 측정된 길이의 적어도 95%를 따라 열 융착되는, 이차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 전극 조립체는 (a) 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 카드뮴(Cd); (b) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 기타 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물, 복합재, 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산리튬, 망간산리튬, 알루민산리튬, 리튬 함유 산화 티타늄, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 애노드 활물질을 포함하는, 이차 전지.
- 이차 전지로 사용하기 위한 전극 조립체를 준비하는 방법으로서, 상기 방법은,
3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 준비하는 단계;
제약부가 상기 전극 조립체의 외부 표면 위에 배치되도록 상기 제약부에 의해 정의된 용적 내에 상기 전극 조립체를 배치하는 단계로서;
상기 전극 조립체 또는 제약부 중 적어도 하나는 상기 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하며, 상기 돌출부는 상기 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 배치하는 단계;
상기 돌출부의 적어도 일부 위에 인클로저 보흐층을 접착하는 단계로서, 상기 인클로저 보호층은 상기 X-Y 평면에서 상기 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 상기 제2 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경보다 커 상기 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 접착하는 단계; 및
상기 인클로저 보호층이 상기 제약부와 상기 배터리 인클로저 사이에 배치되도록 상기 배터리 인클로저 내에 상기 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸는 단계를 포함하는, 방법. - 제25항에 있어서, 상기 접착하는 단계는 상기 인클로저 보호층에 열을 가하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 적어도 하나의 돌출부 위에 상기 인클로저 보호층을 접착하는 단계는 상기 돌출부의 적어도 하나의 잠재적인 천공 지점에 위에 반경을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 적어도 하나의 돌출부 위에 상기 인클로저 보호층을 접착하는 단계는 상기 전극 조립체의 적어도 4개의 면에 위에 상기 인클로저 보호층을 신장시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 이차 전지를 제조하는 방법으로서,
3차원 데카르트 좌표계의 X, Y 및 Z축에 각각 대응하는 상호 수직인 가로, 세로 및 수직 축을 갖는 전극 조립체를 준비하는 단계;
제약부가 상기 전극 조립체의 외부 표면 위에 배치되도록 상기 제약부에 의해 정의된 용적 내에 상기 전극 조립체를 배치하는 단계로서;
상기 전극 조립체 또는 상기 제약부 중 적어도 하나는 상기 X 및 Y축에 의해 정의된 X-Y 평면에서 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 정의하며, 상기 돌출부는 상기 X-Y 평면에서 제1 곡률 반경을 갖는, 상기 배치하는 단계;
상기 적어도 하나의 돌출부의 적어도 일부 위에 인클로저 보흐층을 접착하는 단계로서, 상기 인클로저 보호층은 상기 X-Y 평면에서 상기 제1 곡률 반경 위에 놓이는 제2 곡률 반경을 정의하고, 상기 제2 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경보다 커 상기 돌출부로 인해 배터리 인클로저에 손상을 일으킬 수 있는 가능성을 줄이는, 상기 접착하는 단계;
상기 인클로저 보호층이 상기 제약부와 상기 배터리 인클로저 사이에 배치되도록 상기 배터리 인클로저 내에 상기 전극 조립체, 제약부 및 인클로저 보호층을 둘러싸는 단계; 및
상기 배터리 인클로저를 진공 밀봉하는 단계를 포함하는, 방법. - 제29항에 있어서, 상기 인클로저 보호층은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 아크릴산(EAA), 에틸렌 메타크릴산(EMAA) 또는 이들의 기능성 유도체 또는 코폴리머 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 접착하는 단계는 상기 인클로저 보호층의 X축 방향으로 측정된 길이의 적어도 80%에 따라 상기 인클로저 보호층을 열 융착시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 접착하는 단계는 상기 인클로저 보호층에 열과 압력을 가하는 단계를 포함하는, 방법.
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