KR20240021849A - 전기화학 배터리 인클로저의 보호를 제공하기 위한 스페이서 및 이를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
이차 배터리는 구속물 내에 배치되는 전극 어셈블리를 포함한다. 전극 어셈블리는 연속하여 적층되는 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀들의 군을 포함한다. 단위 셀들의 군의 하위 집합은 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들을 포함한다. 스페이서 부재들 중 하나는 다른 연장된 스페이서 부재로부터 가로 방향으로 이격되어 있으며, 상대 전극층의 상대 전극 활물질의 적어도 일부는 상대 전극 활물질의 일부와 스페이서 부재들이 x축과 z축에 의해 정의되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치하되, 연장된 스페이서 부재들 각각은 구속물의 x축 에지를 넘어 x축 방향으로 거리 SD만큼 연장되어 있다.
Description
기술분야
본 개시의 분야는 일반적으로 배터리 기술과 같은 에너지 저장 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 분야는 배터리 인클로저의 보호를 제공하기 위한 스페이서, 이를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
리튬계 이차 배터리는 에너지 밀도, 전력, 저장 수명 등이 비교적 높아 바람직한 에너지원이 되었다. 리튬 이차 배터리의 예에는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 비수성(non-aqueous) 배터리가 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 배터리는 라미나 이차 배터리에 비해 증가된 용량과 수명을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 3차원 이차 배터리의 제조는 제조 및 비용면에서 문제가 된다.
일부 이차 배터리의 제조 공정 중에는, 내부 구성요소 위에 인클로저가 배치된다. 어떤 경우에는, 인클로저가 내부 구성요소의 에지와 접촉하게 되어, 인클로저에 마모나 파열을 일으키며, 이는 배터리의 성능을 감소시키거나, 최악의 경우에는 배터리의 고장을 일으키거나 단락 상황을 초래할 수 있다. 이에 따라, 종래 기술의 이슈를 해결하면서 이차 배터리를 생산하는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예에서, 충전 상태와 방전 상태 사이를 사이클링하는 이차 배터리가 개시된다. 배터리는 구속물과 구속물 내에 배치되는 전극 어셈블리를 포함하되, 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 연속하여 적층되는 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀들의 군을 포함하며, 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질이며, 단위 셀들의 군의 하위 집합은 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연속하여 적층되어 위치한 연장된 스페이서 부재들의 쌍을 더 포함하며, 스페이서 부재들 중 하나는 다른 연장된 스페이서 부재로부터 가로 방향으로 이격되어 있으며, 상대 전극층의 상대 전극 활물질의 적어도 일부는 상대 전극 활물질의 일부와 스페이서 부재들이 x축과 z축에 의해 정의되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치하되, 연장된 스페이서 부재들 각각은 구속물의 x축 에지를 넘어 x축 방향으로 거리 SD만큼 연장되어 있다.
다른 실시예에서, 이차 배터리와 사용하기 위한 배터리 어셈블리의 제조 방법이 개시된다. 배터리 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 갖는다. 본 방법은: 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 적층함으로써 단위 셀을 제조하는 단계 ― 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연속하여 적층되는 연장된 스페이서 부재들의 군을 배치하는 단계 ― 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 y축 방향으로 이격되어 있으며, 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위는 단위 셀의 x축 범위보다 큰 거리 SD임 ― 를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 이차 배터리용 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 갖는다. 전극 어셈블리는: 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀 ― 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들의 군 ― 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 y축 방향으로 이격되어 있으며, 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위는 단위 셀의 x축 범위보다 큰 거리 SD임 ― 을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 이차 배터리용 전극 어셈블리의 제조 방법이 개시된다. 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 갖는다. 본 방법은: 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 적층함으로써 단위 셀을 제조하는 단계 ― 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들의 군을 배치하는 단계 ― 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 y축 방향으로 이격되어 있음 ―; 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위가 구속물의 x축 범위보다 큰 거리 SD가 되도록 구속물 내에 단위 셀을 배치하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 개시에 따른 인클로저의 적용 전에, 절취부를 갖는 배터리 어셈블리의 적합한 일 실시예의 정면 사시도이다.
도 2a는 연장된 스페이서가 없는, 도 1의 전극 어셈블리의 단면선 D-D에서 본 단면도이다.
도 2b 및 도 2c는 각각 본 개시의 실시예들에 따른 연장된 스페이서를 갖는, 도 1의 전극 어셈블리의 단면선 D-D에서 본 단면도이다.
도 3은 본 개시에 따른 구속물 내의 배터리 어셈블리의 확대된 부분 사시도이다.
도 4a는 연장된 스페이서가 없는 배터리 어셈블리의 부분도이다.
도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 연장된 스페이서를 포함하는 배터리 어셈블리의 부분도이다.
도 5는 배터리 인클로저 내의 부분적으로 배치된 배터리 어셈블리의 사시도이다.
도 6은 배터리 인클로저의 제2 커버를 포함하는 도 5의 배터리 어셈블리의 사시도이다.
도 7은 배터리 인클로저 내에 밀봉된 후 완성된 배터리의 정면도이다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른 스페이서 부재의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 연장된 스페이서 부재를 포함하는 배터리 어셈블리의 제조 방법의 개략도이다.
도 2a는 연장된 스페이서가 없는, 도 1의 전극 어셈블리의 단면선 D-D에서 본 단면도이다.
도 2b 및 도 2c는 각각 본 개시의 실시예들에 따른 연장된 스페이서를 갖는, 도 1의 전극 어셈블리의 단면선 D-D에서 본 단면도이다.
도 3은 본 개시에 따른 구속물 내의 배터리 어셈블리의 확대된 부분 사시도이다.
도 4a는 연장된 스페이서가 없는 배터리 어셈블리의 부분도이다.
도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 연장된 스페이서를 포함하는 배터리 어셈블리의 부분도이다.
도 5는 배터리 인클로저 내의 부분적으로 배치된 배터리 어셈블리의 사시도이다.
도 6은 배터리 인클로저의 제2 커버를 포함하는 도 5의 배터리 어셈블리의 사시도이다.
도 7은 배터리 인클로저 내에 밀봉된 후 완성된 배터리의 정면도이다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른 스페이서 부재의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 연장된 스페이서 부재를 포함하는 배터리 어셈블리의 제조 방법의 개략도이다.
정의
본 명세서에서 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.
본 명세서에서 사용된 "약" 및 "대략"은 명시된 값의 ±10%, 5% 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 한 경우에, 약 250 ㎛에는 225 ㎛ 내지 275 ㎛가 포함된다. 추가 예로서, 한 경우에, 약 1,000 ㎛에는 900 ㎛ 내지 1,100 ㎛가 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.
본 명세서에서 이차 배터리의 맥락에서 사용되는 바와 같은 "애노드"는 이차 배터리에서의 음극을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "애노드 물질" 또는 "애노드 활성"은 이차 배터리의 음극으로 사용하기에 적합한 물질을 의미한다.
본 명세서에서 이차 배터리의 맥락에서 사용되는 바와 같은 "캐소드"는 이차 배터리에서의 양극을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "캐소드 물질" 또는 "캐소드 활성"은 이차 배터리의 양극으로 사용하기에 적합한 물질을 의미한다.
"전환 화학 활물질" 또는 "전환 화학 물질"은 이차 배터리의 충방전 사이클 동안 화학 반응을 일으키는 물질을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "상대 전극"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 이차 배터리의 전극의 반대편에 있는, 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
충전 상태와 방전 상태 사이의 이차 배터리의 사이클링과 관련하여 본 명세서에서 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 사이클로 순환시킨 다음, 배터리를 다시 제1 상태로 순환시켜 사이클을 완성하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전 상태와 방전 상태 사이의 이차 배터리의 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.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "전기화학적 활물질"은 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "전극"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 이차 배터리의 음극 또는 양극(애노드 또는 캐소드)을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "전극 집전체층"은 애노드(예를 들어, 음) 집전체층 또는 캐소드(예를 들어, 양) 집전체층을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 "전극 물질"은 문맥상 명백히 달리 명시하지 않는 한, 애노드 물질 또는 캐소드 물질을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 "전극 구조체"는 문맥상 명백히, 배터리에 사용하도록 적응된 애노드 구조체(예를 들어, 음극 구조체) 또는 캐소드 구조체(예를 들어, 양극 구조체)를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 "세로 축", "가로 축" 및 "수직 축"은 상호 수직 축(즉, 각각이 서로 직교함)을 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 "세로 축", "가로 축" 및 "수직 축"은 3차원 측면 또는 방향을 정의하는 데 사용되는 데카르트 좌표계와 유사하다. 이와 같이, 본 명세서의 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. "약화 영역"은 약화 영역의 국소 파열 강도가 비약화 영역의 파열 강도보다 낮도록 스코어링, 커팅, 천공 등과 같은 처리 작업을 거친 웨브의 일부를 의미한다.
상세한 설명
본 출원은 2021년 6월 15일에 출원된 미국 가 특허 출원 제63/210,773호의 우선권을 주장하며, 이의 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 개시의 실시예들은 이차 배터리와 같은 배터리용 구성요소를 위한 보호층에 관한 것으로, 배터리의 기능, 안전성 및/또는 출력을 유지하기 위해 구성요소의 손상 발생을 감소시키기 위한 보호층에 관한 것이다.
일반적으로 100으로 명시되는 배터리 어셈블리의 적합한 일 실시예가 도 1을 참조하여 설명된다. 도 1에 나타내어진 바와 같이, 배터리 어셈블리(100)는 인접한 전극 서브 유닛들(102)의 군을 포함한다. 각 전극 서브 유닛(102)은 X축, Y축 및 Z축 각각에서의 치수를 갖는다. X축, Y축 및 Z축은 각각 직교 좌표계와 유사하게, 상호간에 수직한다. 본 명세서에서 사용될 때, Z축에서의 각 전극 서브 유닛(102)의 치수는 "높이"로 지칭될 수 있고, X축에서의 치수는 "길이"로 지칭될 수 있으며, Y축에서의 치수는 "폭"으로 지칭될 수 있다. 각 전극 서브 유닛(102)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 격리되어 있다. 본 개시의 적합한 실시예에서는, 단일 배터리 어셈블리(100)에서 1 내지 200개 이상의 전극 서브 유닛과 같이 임의의 개수의 전극 서브 유닛(102)이 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 계속 참조하면, 배터리 어셈블리(100)는 전극 탭(114)을 통해 각 전극 서브 유닛(102)의 애노드 활물질층(104) 및 캐소드 활물질층(106)과 각각 전기적으로 접촉하는 버스 바들(110 및 112)을 포함한다. 이에 따라, 도 1에 보여지는 버스 바(110)는 애노드 버스 바로 지칭될 수 있고, 버스 바(112)는 캐소드 버스 바로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 배터리 어셈블리(100)의 X-Y 표면들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 구속물(116)이 적용될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 구속물(116)은 배터리 어셈블리(100)가 완전히 조립되면, 전해액의 유통 또는 유동을 용이하게 하기 위한 천공들(118)의 군을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 활물질층(104) 및 캐소드 활물질층(106) 각각은 적어도 하나의 주요 표면 상에 예를 들어, 전극 집전체층(즉, 애노드 집전체층 또는 캐소드 집전체층), 및 전기화학적 활물질층(즉, 애노드 활물질층 또는 캐소드 활물질층)을 포함하는 다층 재료일 수 있고, 다른 실시예들에서는 애노드 활물질층 및 캐소드 활물질층 중 하나 이상이 적절한 물질의 단일층일 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 전극 서브 유닛들(102)의 개별 층들이 설명된다. 전극 서브 유닛들(102) 각각에 대해, 일부 실시예들에서, 분리막층은 이차 배터리에서 분리막으로서 사용하기에 적합한 이온 투과성 폴리머 직조 물질이다. 도 2a에는 하나 이상의 서브 유닛(102)을 포함할 수 있는 단위 셀(200)의 일 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 전극 단위 셀(200)은 중심의 애노드 집전체층(206), 애노드 활물질층(104), 분리막(108), 캐소드 활물질층(106) 및 캐소드 집전체층(210)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)(106)이 중심을 향하고 애노드 활물질층(들)이 캐소드 활물질층들(106)에 대해 원위에 있도록, 캐소드 활물질층(106) 및 애노드 활물질층(104)의 배치가 교환될 수 있다. 일 실시예에서, 단위 셀(200A)은 도 2a의 도면에서 우측에서 좌측으로, 연속하여 적층되는 캐소드 집전체(210), 캐소드 활물질층(106), 분리막(108), 애노드 활물질층(104) 및 애노드 집전체(206)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 단위 셀(200B)은 (도 2a의 도면에서 좌측에서 우측으로) 연속하여 적층되는 분리막(108), 제1 캐소드 활물질층(106), 캐소드 집전체(210), 제2 캐소드 활물질층(106), 분리막(108), 제1 애노드 활물질층(104), 애노드 집전체(206), 제2 애노드 활물질층(104) 및 분리막(108)을 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 집전체 층(206)은 구리, 구리 합금 또는 애노드 집전체 층으로서 적합한 임의의 다른 물질과 같은 전도성 금속을 포함할 수 있다. 애노드 활물질층(104)은 애노드 집전체층(206)의 제1 표면 상에 제1 층으로서 형성될 수 있고, 애노드 집전체층(206)의 제2 반대 표면 상에 제2 층으로서 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 애노드 집전체층(206)과 애노드 활물질층(104)은 혼합될 수 있다. 제1 표면과 제2 반대 표면은 층의 주요 표면들, 또는 전면 및 후면으로 지칭될 수 있다. 주요 표면은 본 명세서에서 사용될 때, (도 2a에 도시되지 않은) X축 방향으로의 물질의 길이와 Z축 방향으로의 물질의 높이에 의해 형성되는 평면에 의해 정의되는 표면들을 의미한다.
일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104)은 각각 적어도 약 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104)은 (각각) Y축 방향으로 적어도 약 40 ㎛의 폭을 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)은 (각각) 적어도 약 80 ㎛의 폭을 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 활물질층들(104)은 각각 적어도 약 120 ㎛의 폭을 가질 것이다. 그러나, 통상적으로, 애노드 활물질층들(104)은 각각 약 60 ㎛ 미만 또는 심지어 약 30 ㎛ 미만의 폭을 가질 것이다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 두께 및 폭은 Y축 방향으로의 측정을 나타내기 위해 상호 교환 가능하게 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 다른 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물, 복합재 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산 리튬, 망간산 리튬, 알루민산 리튬, 리튬 함유 티타늄 산화물, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소의 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)(104) 각각의 공극 부피 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활물질층(들)(104) (각각)의 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 통상적으로 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 개방 공극을 포함하며, 즉 음극 활물질은 리튬 이온(또는 다른 캐리어 이온)이 애노드 활물질에 들어가거나 이를 나갈 수 있는(예를 들어, 리튬 이온은 캐소드 활물질을 떠난 후 공극 개구들을 통해 애노드 활물질에 들어갈 수 있다) 음극 활물질의 횡측면에 개구들을 갖는 공극들을 함유한다. 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 5 nm 내지 약 10,000 nm의 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 실시예에서, 음극(즉, 맥락에 따라 전극 또는 상대 전극) 또는 애노드 활물질층(104)은 안정화된 리튬 금속 입자, 예를 들어, 리튬 카보네이트 안정화된 리튬 금속 분말, 리튬 실리케이트 안정화된 리튬 금속 분말, 또는 안정화된 리튬 금속 분말 또는 잉크의 다른 공급원으로 이루어진 군으로부터 선택되는 미립자 리튬 물질로 코팅된다. 미립자 리튬 물질은 애노드 활물질층(104)(예를 들어, 음극) 상으로 리튬 미립자 물질을 약 0.05 내지 5 mg/cm2, 예를 들어, 약 0.1 내지 4 mg/cm2, 또는 심지어 약 0.5 내지 3 mg/cm2의 로딩량으로 분무, 로딩 또는 다른 방식으로 배치함으로써 애노드 활물질층 상에 적용될 수 있다. 리튬 미립자 물질의 평균 입자 크기(D50)는 5 내지 200 ㎛, 예를 들어 약 10 내지 100 ㎛, 20 내지 80 ㎛, 또는 심지어 약 30 내지 50 ㎛일 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(Siemens)/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 집전체는 적어도 약 105 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 애노드 집전체(206)로서 사용하기에 적합한 예시적인 전기 전도성 물질은 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은 금속, 및 이들의 합금을 포함한다.
도 2a 내지 도 2c를 다시 참조하면, 다른 적합한 실시예에서, 단위 셀(200)은 하나 이상의 캐소드 집전체층(210) 및 하나 이상의 캐소드 활물질층(106)을 포함한다. 캐소드 물질의 캐소드 집전체층(210)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄 또는 캐소드 집전체층(210)으로 사용하기에 적합한 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 캐소드 활물질층(106)은 캐소드 집전체층(210)의 제1 표면 상에 제1 층으로서 형성될 수 있고, 캐소드 집전체층(210)의 제2 반대 표면 상에 제2 층으로서 형성될 수 있다. 캐소드 활물질층(106)은 캐소드 집전체층(210)의 일면 또는 양면 상으로 코팅될 수 있다. 유사하게, 캐소드 활물질층(106)은 캐소드 집전체층(210)의 하나 또는 둘 모두의 주요 표면 상으로 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 집전체층(210)은 캐소드 활물질층(106)과 혼합될 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)(106)은 각각 적어도 약 20 ㎛의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)(106)은 각각 적어도 약 40 ㎛의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 활물질층(들)은 각각 적어도 약 60 ㎛의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 활물질층들은 각각 적어도 약 100 ㎛의 두께를 가질 것이다. 그러나, 통상적으로, 캐소드 활물질층(들)은 각각 약 90 ㎛ 미만 또는 심지어 약 70 ㎛ 미만의 두께를 가질 것이다.
일 실시예에서, 양극(예를 들어, 캐소드) 물질은 인터칼레이션형 화학 활물질, 전환 화학 활물질, 또는 이들의 조합일 수 있거나, 또는 이를 포함할 수 있다.
본 개시에 유용한 예시적인 전환 화학 물질은 S(또는 리튬화 상태의 Li2S), LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3.2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2(여기서 0 ≤ d ≤ 0.5) 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
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. 추가적인 캐소드 활물질은 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAlz)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브데늄 옥시설파이드, 포스페이트, 실리케이트, 바나데이트, 황, 황 화합물, 산소(공기), Li(NixMnyCoz)O2 및 이들의 조합을 포함한다.
일반적으로, 캐소드 집전체는 적어도 약 103 지멘스/cm의 전기 전도도를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 집전체(210)는 적어도 약 104 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 추가 예로서, 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 집전체(210)는 적어도 약 105 지멘스/cm의 전도도를 가질 것이다. 예시적인 캐소드 집전체는 알루미늄, 니켈, 코발트, 티타늄 및 텅스텐와 같은 금속, 및 이들의 합금을 포함한다.
도 2a 내지 도 2c를 다시 참조하면, 일 실시예에서, 전기 절연성 분리막층(들)(108)은 애노드 활물질층(104)의 각 부재를 캐소드 활물질층(106)의 각 부재로부터 전기적으로 격리시키도록 구성된다. 전기 절연성 분리막층(108)은 통상적으로 비수성 전해질이 투과될 수 있는 미세다공성 분리막 물질을 포함할 것이며; 예를 들어, 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 적어도 50 Å, 보다 통상적으로 약 2,500 Å의 범위 내의 직경, 및 약 25% 내지 약 75%, 보다 통상적으로 약 35-55%의 범위 내의 다공도를 갖는 기공을 포함한다.
일 실시예에서, 전기 절연성 분리막 물질층들(108)은 각각 적어도 약 4 ㎛의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전기 절연성 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 8 ㎛의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 절연성 분리막 물질층은 각각 적어도 약 12 ㎛의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 절연성 분리막 물질층(108)은 각각 적어도 약 15 ㎛의 두께를 가질 것이다. 그러나, 통상적으로, 전기 절연성 분리막 물질층(108)은 각각 약 12 ㎛ 미만 또는 심지어 약 10 ㎛ 미만의 두께를 가질 것이다.
일반적으로, 분리막층(들)(108)에 대한 분리막 물질은 단위 셀의 양과 음의 활물질 사이에서 캐리어 이온을 전도하는 능력을 갖는 광범위한 분리막 물질로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 분리막 물질은 비수성의 액체 전해질이 투과될 수 있는 미세다공성 분리막 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 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.
다른 실시예에서, 분리막 물질은 산화물계 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 산화물계 전해질은 리튬 란타넘 티타네이트(Li0.34La0.56TiO3), Al 도핑된 리튬 란타넘 지르코네이트(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta 도핑된 리튬 란타넘 지르코네이트(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12) 및 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)를 포함한다.
다른 실시예에서, 분리막 물질은 고체 전해질을 포함할 수 있다. 예시적인 고체 전해질은 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 부피%의 다공도(공극 분율)를 갖는 미세다공성 분리막 물질을 포함한다. 미세다공성 분리막 물질의 기공은 적어도 50 Å의 직경을 가질 것이고, 통상적으로 약 250 내지 2,500 Å의 범위 내에 속할 것이다. 미세다공성 분리막 물질은 통상적으로 약 75% 미만의 다공도를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리막 물질은 적어도 약 25 부피%의 다공도(공극 분율)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 선택되는 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 물질용으로 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 1×10-4 S/cm 미만의 캐리어 이온(예를 들어, 리튬)에 대한 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미립자 물질은 1×10-5 S/cm 미만의 캐리어 이온에 대한 전도도를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 미립자 물질은 1×10-6 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 20 nm 내지 2 마이크로미터, 보다 통상적으로는 200 nm 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미립자 물질은 약 500 nm 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 공극 분율을 유지하면서 소결, 결합, 경화 등과 같은 기술에 의해 결합될 수 있다.
배터리 어셈블리(100)와 같은 조립된 에너지 저장 장치에서, 미세다공성 분리막 물질은 이차 배터리 전해질로서 사용하기에 적합한 비수성 전해질이 침투된다. 통상적으로, 비수성 전해질은 유기 용매 및/또는 용매 혼합물에 용해된 리튬염 및/또는 염의 혼합물을 포함한다. 예시적인 리튬염은 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 LiNSO2C7F15와 같은 유기 리튬염을 포함한다. 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 분리막층(들)(108)은 리튬 염과 고순도 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비수성 유기 전해질이 침투될 수 있다. 추가로, 전해질은 폴리머 전해질 또는 고체 전해질을 사용하는 폴리머일 수 있다.
도 1, 도 2a 내지 도 2c를 또한 참조하면, 일 실시예에서, 버스 바들(110 및 112)은 (다수의 전극 단위 셀들을 포함하는 배터리에서) 애노드 집전체들(206)을 서로 연결하고, 버스 바들 중 다른 하나는 다수의 전극 단위 셀들(200)을 포함하는 배터리에서 캐소드 집전체들(210)을 서로 연결하기 위해 각 전극 또는 상대 전극(예를 들어, 경우에 따라 애노드 또는 캐소드) 집전 탭들(120)의 버스 바 개구들을 통해 배치된다. 일 실시예에서, 버스 바들(110, 112)은 용접 이전에, 각각 접히는 집전 탭들(120)에 용접되거나 그 외 전기적으로 결합된다. 일 실시예에서, 버스 바(110)는 구리 버스 바이고 애노드 집전체층(206)의 애노드 탭들에 용접되고, 버스 바(112)는 알루미늄 버스 바이고 캐소드 집전체층(210)의 캐소드 탭들에 용접된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 버스 바들(110, 112)은 배터리 어셈블리(100)가 본 명세서에서 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 적합한 전도성 물질일 수 있다. 용접은 버스 바들(110 및 112)을 전극 탭들(120)에 용접하기 위해 레이저 용접기, 마찰 용접, 초음파 용접 또는 임의의 적합한 용접 방법을 사용하여 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 버스 바들(110 및 112) 각각은 각각 애노드 및 캐소드를 위한 모든 전극 탭들(120)과 전기적으로 접촉한다.
본 명세서에서 언급될 때, 애노드 군의 구성원은 적어도 애노드 집전체(206) 및 애노드 활물질층(104)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 애노드 군의 구성원은 애노드 집전체(206), 및 애노드 집전체(206)의 각 주요 표면 상에 배치된 애노드 활물질층(104)을 포함한다. 애노드 군 구성원들의 길이는 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 애노드 군들의 구성원들은 통상적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm 범위 내의 길이를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 애노드 군의 구성원들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이를 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 애노드 군의 구성원들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이를 갖는다.
애노드 군의 구성원들의 폭(Y축 범위)은 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 군의 각 구성원은 통상적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm 범위 내의 폭을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 군의 각 구성원의 폭은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위 내에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 군의 각 구성원의 폭은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위 내에 있을 것이다.
애노드 군의 구성원들의 높이(Z축 범위)는 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 애노드 군의 구성원들은 통상적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm 범위 내의 높이를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 군의 각 구성원의 높이는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위 내에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 애노드 군의 각 구성원의 높이는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위 내에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 애노드 군의 구성원들은 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 어셈블리에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상에 따라 서로 다른 높이를 갖는 전극 어셈블리 형상을 수용하고, 및/또는 이차 배터리에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 애노드 군의 구성원들은 그 폭과 높이 각각보다 실질적으로 큰 길이(X축 범위)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 애노드 군의 각 구성원에 대해, 각각 적어도 5:1(즉, 길이 대 폭의 비는 각각 적어도 5:1이고, 길이 대 높이의 비는 각각 적어도 5:1임)이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 적어도 15:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 애노드 군의 각 구성원에 대해, 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 애노드 군의 구성원들의 높이 대 폭의 비는 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 애노드 군의 각 구성원에 대해, 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, 높이 대 폭의 비는 일반적으로, 각각 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 애노드 군의 각 구성원에 대해, 각각 약 2:1 내지 약 100:1의 범위 내일 것이다.
본 명세서에서 언급될 때, 캐소드 군의 구성원은 적어도 캐소드 집전체(210) 및 애노드 활물질층(106)을 포함한다. 캐소드 군의 구성원들의 길이는 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 캐소드 군의 각 구성원은 통상적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm 범위 내의 길이를 가질 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 군의 각 구성원은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 길이를 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 캐소드 군의 각 구성원은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이를 갖는다.
캐소드 군의 구성원들의 폭(Y축 범위)은 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 군의 구성원들은 통상적으로 약 0.01 mm 내지 2.5 mm 범위 내의 폭을 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 군의 각 구성원의 폭은 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위 내에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 군의 각 구성원의 폭은 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위 내에 있을 것이다.
캐소드 군의 구성원들의 높이(Z축 범위)는 또한 에너지 저장 장치 및 그 의도된 용도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 캐소드 군의 구성원들은 통상적으로 약 0.05 mm 내지 약 10 mm 범위 내의 높이를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 군의 각 구성원의 높이는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위 내에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 군의 각 구성원의 높이는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위 내에 있을 것이다. 일 실시예에 따르면, 캐소드 군의 구성원들은 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 어셈블리에 대한 미리 결정된 형상, 예컨대 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상에 따라 서로 다른 높이를 갖는 전극 어셈블리 형상을 수용하고, 및/또는 이차 배터리에 대해 미리 결정된 성능 특성을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 캐소드 군의 각 구성원은 그 폭보다 실질적으로 크고 그 높이보다 실질적으로 큰 길이(X축 범위)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 각각 적어도 5:1(즉, 길이 대 폭의 비는 각각 적어도 5:1이고, 길이 대 높이의 비는 각각 적어도 5:1임)이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 적어도 15:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 길이 대 폭 및 높이 각각의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 적어도 20:1이다.
일 실시예에서, 캐소드 군의 구성원들의 높이 대 폭의 비는 각각 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, 높이 대 폭의 비는 일반적으로, 애노드 군의 각 구성원에 대해, 각각 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 각각 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 각각 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 높이 대 폭의 비는 캐소드 군의 각 구성원에 대해, 각각 약 2:1 내지 약 100:1의 범위 내일 것이다.
일 실시예에서, 애노드 집전체(206)는 또한 음극 활물질층(104)의 전기 컨덕턴스보다 실질적으로 큰 전기 컨덕턴스를 갖는다. 음극 활물질층(104)은 애노드 활물질층(106)과 동일하거나 유사할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집전체(206)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활물질층(104)의 전기 컨덕턴스의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 또는 장치를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 적어도 100:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(206)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활물질층(104)의 전기 컨덕턴스의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 또는 장치를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 적어도 500:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(206)의 전기 컨덕턴스 대 음극 활물질층의 전기 컨덕턴스의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 또는 장치를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 적어도 1000:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(206)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활물질층(104)의 전기 컨덕턴스의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 또는 장치를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 적어도 5000:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 집전체(206)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활물질층(104)의 전기 컨덕턴스의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 또는 장치를 방전시키는 인가된 로드가 있을 때 적어도 10,000:1이다.
일반적으로, 캐소드 집전체층(210)은 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다 (문헌[A. H. Whitehead 및 M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005)의 "Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries"] 참조). 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체층(210)은 금 또는 금 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집전체층(210)은 니켈 또는 니켈 실리사이드와 같은 그 합금을 포함한다.
도 2b 및 도 2c를 참조하여, 스페이서 부재들(225)을 포함하는 본 개시의 실시예들이 설명된다. 스페이서 부재들에 대한 추가적인 설명은 2020년 11월 18일에 출원된 미국 특허 출원 제63/115,266호에 개시되어 있으며, 이의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합된다. 일 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 유기 또는 무기 물질의 연속 또는 불연속 스트립들이다. 스페이서 부재들(225)은 Z축 및 X축 중 하나 이상에서 연속 또는 불연속일 수 있다. 일부 실시예들에서, 스페이서 부재들(225)은 전기 절연성 물질 및/또는 이온 투과성 폴리머성 직조 물질을 포함한다. 일 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 분리막(108)과 동일한 물질로 만들어진다. 일부 실시예들에서, 스페이서 부재들(225)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 스페이서 부재들(225)은 전기 전도성 물질을 포함한다. 스페이서 부재들(225)이 네 개의 스페이서 부재들로서 도시되어 있지만, 임의의 개수의 스페이서 부재(225)가 1개 이상 있을 수 있다는 것에 유의한다.
일부 실시예들에서, 스페이서 부재들(225)은 폴리머 물질, 복합재 이를테면 접착 테이프, 전극 집전체, 전극 활물질, 상대 전극 활물질, 상대 전극 집전체, 분리막 물질, 또는 (배터리 환경에서) 화학적으로 불활성인 물질을 포함하는 스페이서 물질을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 캐리어 이온을 수용할 수 있는 능력을 갖는 애노드 활물질을 포함하며; 이 실시예에서, 애노드 활물질은 흑연, 그래핀, 또는 스페이서 물질의 몰당 캐리어 이온 1몰 미만인 캐리어 이온에 대한 용량을 갖는 다른 애노드 활물질을 포함하는 것이 일반적으로 바람직하다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 스페이서 부재들은 캐리어 이온을 수용할 수 있는 능력을 갖는 캐소드 활물질을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 스페이서 부재들은 폴리머 물질(예를 들어, 호모폴리머, 코폴리머 또는 폴리머 블렌드)를 포함할 수 있다; 이러한 실시예들에서, 스페이서 부재는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜을 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로폴리머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀, 에틸렌-디엔-프로펜 터폴리머, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 옥사이드, 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 실리콘, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-co-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알코올, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복시메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸 풀루란, 시아노에틸 폴리비닐 알코올, 시아노에틸 셀룰로오스, 시아노에틸 수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르 설폰, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에틸렌 나프탈렌, 및/또는 이들의 조합 또는 코폴리머를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프의 형태이다. 접착 테이프 베이스의 조성은 특별히 제한되지 않고, 접착 테이프에 사용가능한 것으로 알려져 있는 다양한 베이스가 사용될 수 있다. 일반적으로, 플라스틱 필름이 바람직하고, 구체적인 예들은 폴리올레핀 필름 이를테면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리이미드, 또는 폴리아미드 필름을 포함한다. 일부 실시예들에서, 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 필름이 배터리 용도에 적합한 내열성 및 내화학성 측면에서 바람직할 수 있다. 접착 테이프 베이스는 약 4 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위, 예를 들어, 6 ㎛ 내지 150 ㎛, 또는 심지어 약 25 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 접착 테이프의 접착층을 구성하는 접착제는 예를 들어, 고무계 접착제, 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
스페이서 부재들(225)(및 유사하게 연장된 스페이서 부재들(425))은 Y축 방향의 폭(Ws), X축 방향의 길이(Ls) 및 Z축 방향의 높이(Hs)를 갖는다(도 8). 폭(Ws)은 전극 단위 셀이 조립될 때, 스페이서 부재(225)가 단위 셀(이를테면 단위 셀(200A, 200B))의 인접한 층들 사이의 갭(227)을 통해 Y축 방향의 거리를 특정량만큼 증가시키도록 미리 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 폭(Ws)은 Y축 방향의 캐소드 활물질층(106) 폭(Y축 범위)의 50 퍼센트 이상이다. 또 다른 실시예에서, 폭(Ws)은 캐소드 활물질층(106)의 50 퍼센트 이상과 Y축 방향의 캐소드 집전체층(210)의 폭(Y축 범위)을 더한 것이다.
일 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 스페이서 부재들(225)을 활물질층들 또는 분리막 중 하나에 고정시키는 접착제가 스페이서 부재(225)의 제1 표면(250)에 도포된 테이프 물질이다. 일부 실시예들에서, 접착제는 스페이서 부재들(225)을 활물질층 또는 분리막층에 영구적으로 고정시키는 강한 접착제이다. 다른 실시예들에서, 접착제는 스페이서 부재들(225)을 활물질층 또는 분리막층에 제거 가능하게 고정시키는 약한 접착제이다. 본 명세서에서 사용될 때, 강한 접착제는 스페이서 부재(225)들 중 하나 또는 둘 모두 및/또는 스페이서 부재(225)가 접착된 물질에 손상을 주지 않고 스페이서 부재(225)가 활물질층 또는 분리막층으로부터 제거될 수 없는 충분한 강도를 갖는 접착제로서 정의된다. 본 명세서에서 사용될 때, 약한 접착제는 스페이서 부재들(225)을 활물질층들 또는 분리막층에 접착시키기에 충분한 강도를 갖지만, 적어도 활물질층들 또는 분리막층에 물질 손상을 일으키지 않고 스페이서 부재들이 제거될 수 있게 하는 것으로서 정의된다. 다른 실시예에서, 스페이서 부재(225)는 제1 표면(250)과 제2 반대 표면(252) 둘 모두에 적용되는 접착제를 갖는다. 일 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 3D 프린팅 공정과 같은 프린팅 공정을 사용하여 적용된다. 또 다른 실시예에서, 스페이서 부재들(225)은 각 층에 스페이서 부재들(225)을 용융 또는 용접함으로써 적용된다.
실시예들에서, 스페이서 부재들(225)은 각각 팽창 갭(227)이 분리막층(108)과 애노드 활물질층(104) 또는 캐소드 활물질층(106) 사이에 정의되기에 충분한 폭(Ws)이다. 폭(Ws)은 팽창 갭(227)이 지정되는 바와 같은 폭(WG)을 갖도록 제어된다. 실시예들에서, 폭(WG)은 0 마이크로미터(예를 들어, 갭 없음) 내지 1000 마이크로미터, 이를테면 1 ㎛, 2 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛¸700 ㎛¸800 ㎛¸900 ㎛ 또는 1000 ㎛ 이상으로 설정된다.
이제 도 3을 참조한다. 도 3은 인클로저가 배치되기 전의 배터리 어셈블리(300)(배터리 어셈블리(100)와 동일하거나 유사할 수 있음)의 확대된 부분 상세 사시도이다. 배터리 어셈블리(300)는 Y축 방향으로 적층된 배열로 조직된 전극 서브 유닛들(서브 유닛들(102)과 동일하거나 유사할 수 있음)의 군을 포함하는 전극 어셈블리(301)를 포함하여, 단위 셀들(302)(단위 셀들(200)과 동일하거나 유사할 수 있음)의 군을 형성한다. 단위 셀들(302) 각각은 적어도 전극 전류 전도층, 전극 활물질(예를 들어, 애노드 활물질층)을 포함하는 전극층, 분리막층, 상대 전극 활물질(예를 들어, 캐소드 활물질층)을 포함하는 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함한다.
하나의 적합한 실시예에서, 전극 어셈블리(301)는 구속물(316)(일부 실시예들에서, 구속물(116)과 동일하거나 유사할 수 있음) 내에 홀드된다. 일 실시예에서, 구속물(316)은 SS316, 440C 또는 440C 경질과 같은 스테인리스강을 포함한다. 다른 실시예에서, 구속물은 알루미늄(예를 들어, 알루미늄 7075-T6, 경질 H18 등), 티타늄(예를 들어, 6Al-4V), 베릴륨, 베릴륨 구리(경질), 구리(O2 프리, 경질), 니켈, 다른 금속 또는 금속 합금, 복합재, 폴리머, 세라믹(예를 들어, 알루미나(예를 들어, 소결 또는 Coorstek AD96), 지르코니아(예를 들어, Coorstek YZTP), 이트리아 안정화 지르코니아(예를 들어, ENrG E-Strate®유리, 강화 유리, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예를 들어, Aptiv 1102), 탄소를 갖는 PEEK(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 탄소를 갖는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)(예를 들어, Tepex Dynalite 207), 30% 유리를 갖는 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 폴리이미드(예를 들어, Kapton®), E Glass Std Fabric/Epoxy, 0 deg, E Glass UD/Epoxy, 0 deg, Kevlar Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Kevlar UD/Epoxy, 0 deg, Carbon Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Carbon UD/Epoxy, 0 deg, Toyobo Zylon® HM Fiber/Epoxy, Kevlar 49 Aramid Fiber, S Glass Fibers, Carbon Fibers, Vectran UM LCP Fibers, Dyneema, Zylon 또는 다른 적합한 물질을 포함한다.
구속물(316)은 X-Y 평면을 따라 일반적으로 정렬된 제1 커버(320), 및 X-Y 평면을 따라 또한 일반적으로 정렬된 배터리 어셈블리(300)의 반대 측 상의 제2 커버를 포함하여, Z축 방향으로 측정되는 두께(t1)(도 3a)를 갖는다. 구속물(316)의 두께(t1)는 예를 들어, 구속물(316)의 구성 물질(들), 전극 어셈블리(301)의 전체 치수, 및 전극 및 상대 전극의 조성을 포함하는 인자들의 범위에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 구속물(316)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터 범위 내의 두께(t1)를 갖는 시트를 포함할 것이다. 예를 들어, 이러한 일 실시예에서, 구속물(316)은 약 30 ㎛의 두께를 갖는 스테인레스 강판(예를 들어, SS316)을 포함한다. 추가 예로서, 다른 실시예에서, 구속물(316)은 약 40 ㎛의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예를 들어, 7075-T6)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 실시예에서, 구속물(316)은 약 30 ㎛의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예를 들어, Coorstek YZTP)를 포함한다. 추가 예로서, 다른 실시예에서, 구속물(316)은 약 75 ㎛의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0 deg 시트를 포함한다. 추가 예로서, 이러한 다른 실시예에서, 구속물(316)은 >50% 패킹 밀도로 12 ㎛의 탄소 섬유를 포함한다. 제1 커버(320) 및 제2 커버(322) 각각은 만입부, 관통 절개부, 홀 등으로서 형성될 수 있는 하나 이상의 피처들(315)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 피처들(315)은 이를테면 외부 리튬 호일 전극(미도시)으로부터, 배터리 어셈블리(300)의 전리튬화(pre-lithiation)를 용이하게 한다. 이러한 실시예들에서, 피처들(315)은 전리튬화를 용이하게 하기 위해 리튬이 이를 통해 확산될 수 있게 한다. 일 실시예에서, 구속물(316)의 제3 커버(324) 및 제4 커버(326)는 각각 X-Z축을 따라 일반적으로 정렬된다. 도시된 실시예에서, 제3 커버(324)는 제1 코너(328)에서 접힌 제1 커버(320)의 접힌 부분에 의해 정의되고, 제4 커버(326)는 제2 코너(329)에서 접힌 제2 커버(322)의 접힌 부분에 의해 정의된다. 제1 및 제2 코너들(328 및 329)은 반경 또는 각진 코너일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 코너들(328 및 329)은 90도 내지 100도의 각도이다. 다른 실시예들에서, 제3 및 제4 커버는 단일 커버일 수 있다.
일 실시예에서, 제3 커버(324)와 제4 커버(326) 사이에는 Z축 방향으로 정의된 갭 거리를 갖는 케이싱 에지 갭(338)이 정의된다. 일 실시예에서, 제3 커버(324)와 제4 커버(326) 사이의 z축 방향의 케이싱 에지 갭(338)의 갭 거리는 배터리 어셈블리(300)의 z축 두께의 50% 이하이다. 배터리 어셈블리(300)의 반대 측은 제3 및 제4 커버들(324 및 326)과 유사한 구속물을 포함할 수 있다. 제3 커버(324)는 X축과 Z축을 따라 정의된 플랩 에지(330)를 포함하고, 제4 커버(326)는 X축과 Z축을 따라 정의된 제2 플랩 에지(332)를 포함한다.
제1 커버(320) 및 제2 커버(322) 각각은 Y축과 일반적으로 정렬된 에지를 따라 형성된 하나 이상의 노치(334) 또는 랜드(336)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 노치(334) 또는 랜드(336)의 크기, 형상, 간격 및 수량 중 하나 이상은 제조 조건들 또는 한계들에 기초하여 결정된다. 일 실시예에서, 노치(334) 또는 랜드(336)는 제1 커버 및 제2 커버(322)의 제조 공정에 사용되는 공급 물질로부터 제1 커버(320) 또는 제2 커버(322)의 기계 가공, 스탬핑 공정 또는 인열을 용이하게 하여, 제조성을 용이하게 할 수 있다. 또한, 배터리 어셈블리(300)는 단위 셀들(302) 중 하나에 전기적으로 결합되는 버스 바(들)(310)를 포함한다. 구속물(316)에 사용되는 물질 두께(t1)로 인해, 구속물은 전극 어셈블리(301)로부터 Z축 방향으로 돌출되는 구속물 에지(340)를 포함한다. 유사하게, 플랩 에지(330 및 332) 중 하나 이상은 배터리 어셈블리(300)로부터 Y축 방향으로 돌출된다. 또한, 버스 바(들)(310)는 버스 바 에지(342)에서 X축 방향으로 배터리의 측면(344)으로부터 돌출된다. 돌출된 에지들은 경우에 따라 배터리의 패키지(예를 들어, 인클로저(700))를 천공할 수 있는 마찰 또는 고응력의 영역들을 조성할 수 있다. 예를 들어, 대략 18N(2kgf)의 인가력으로 약 50 ㎛ x 50 ㎛의 크기(즉, 약 2500 ㎛2의 표면적)를 갖는 돌출된 에지는 약 50 MPa의 응력을 조성할 수 있다. 일 실시예에서, 배터리 패키지 또는 인클로저(700)는 알루미늄 폴리머 라미네이트를 포함하고, 약 30 MPa 내지 70 MPa의 파열 강도를 갖는다. 다른 실시예들에서, 배터리 패키지(700)는 배터리 패키지(700)의 물질 조성 및 그 두께에 따라, 1 MPa 내지 300 MPa의 파열 강도를 가질 수 있다. 이러한 돌출된 영역들은 돌출되지 않은 부분들보다 외측 케이싱을 통해 천공될 가능성이 높기 때문에, 잠재적인 천공 지점들로 지칭될 수 있다.
도 4a를 참조하여, 연장된 스페이서 부재(도 4b)를 포함하지 않는 배터리 어셈블리(300)를 둘러싸는 인클로저(700)와 함께 배터리 어셈블리(300)의 코너 영역의 부분 상세도가 설명된다. 일 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)는 버스 바(410)(버스 바들(110, 112)과 동일하거나 유사할 수 있음)가 관통할 수 있게 하는 개구(480)를 포함하는 집전 탭들(414)을 포함한다. 이 실시예에서, 인클로저(700)는 구속물 에지(340)와 같은 돌출된 영역들, 및 집전 탭(414)(전극 탭들(114)과 동일하거나 유사할 수 있음)에 가까이 둘러싼다. 인클로저(700)가 구속물 에지(340) 및/또는 집전 탭(414)과 접촉하는 것으로 인해, 인클로저는 특정 상황들에서 인클로저(700)가 마모, 인열 또는 파열되게 할 수 있는 고응력의 영역들(450, 451)에 영향을 받을 수 있다. 고응력의 두 영역(450, 451)으로 도시되어 있지만, 인클로저(700)가 배터리 어셈블리(300)의 구성요소의 예리한 에지와 접촉하는 임의의 영역들은 잠재적인 천공 지점들을 조성할 수 있는 고응력의 다른 영역들을 조성할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 인클로저(700)의 마모, 인열 또는 파열을 야기하는 고응력의 영역들(450)의 감소 또는 제거 가능성을 용이하게 하기 위해, 연장된 스페이서 부재들(425)이 이용된다. 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)은 물질 조성, 폭 및 두께뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 스페이서 부재들(225)에 대한 Z축 방향 위치 결정에 있어서도 동일할 수 있다. 하지만, 연장된 스페이서 부재들(425)은 고응력 영역들(450)이 인클로저(700)에 마모, 인열 또는 파열을 야기하기에 충분한 응력을 인클로저(700) 상에 부여하는 것을 방지하기에 충분한 길이만큼 X축 방향으로 연장되도록 구성된다. 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)은 X축 방향으로 구속물 에지(340)를 넘어 거리(SD1)만큼 연장되는 X축 길이를 갖도록 구성된다. 이렇게 함으로써, 연장된 스페이서가 사용되지 않을 때(도 4a)의 인클로저(700)의 내측 인클로저 반경(435A)의 인클로저(REa)의 Z-X 평면에서의 곡률 반경과 비교하여, 내측 인클로저 반경(435)의 인클로저(RE)의 Z-X 평면에서의 곡률 반경이 증가된다. 일 실시예에서, 거리(SD1)는 100 ㎛ 내지 4000 ㎛, 이를테면 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛, 1000 ㎛, 1100 ㎛, 1200 ㎛, 1300 ㎛, 1400 ㎛, 1500 ㎛, 1600 ㎛, 1700 ㎛, 1800 ㎛, 1900 ㎛, 2000 ㎛, 2100 ㎛, 2200 ㎛, 2300 ㎛, 2400 ㎛, 2500 ㎛, 2600 ㎛, 2700 ㎛, 2800 ㎛, 2900 ㎛, 3000 ㎛, 3100 ㎛, 3200 ㎛, 3300 ㎛, 3400 ㎛, 3500 ㎛, 3600 ㎛, 3700 ㎛, 3800 ㎛, 3900 ㎛, 또는 4000 ㎛이지만, 다른 실시예들에서는 이 범위보다 크거나 작을 수 있다. 실시예에서, 반경(RE)은 거리(SD1)와 매칭되고, 이에 따라, 반경(RE)은 100 ㎛ 내지 4000 ㎛의 범위 내, 이를테면 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛, 1000 ㎛, 1100 ㎛, 1200 ㎛, 1300 ㎛, 1400 ㎛, 1500 ㎛, 1600 ㎛, 1700 ㎛, 1800 ㎛, 1900 ㎛, 2000 ㎛, 2100 ㎛, 2200 ㎛, 2300 ㎛, 2400 ㎛, 2500 ㎛, 2600 ㎛, 2700 ㎛, 2800 ㎛, 2900 ㎛, 3000 ㎛, 3100 ㎛, 3200 ㎛, 3300 ㎛, 3400 ㎛, 3500 ㎛, 3600 ㎛, 3700 ㎛, 3800 ㎛, 3900 ㎛, 또는 4000 ㎛이지만, 다른 실시예들에서는 이 범위보다 크거나 작을 수 있다. 다른 실시예에서, 연장된 스페이서 부재(425)는 고응력 영역(451)의 응력 감소를 또한 용이하게 하도록 구성된다. 이 실시예에서, 연장된 스페이서가 사용되지 않을 때(도 4a)의 인클로저(700)의 내측 인클로저 반경(437A)의 인클로저(RE2a)의 곡률 반경과 비교하여, 곡률 반경(RE2)이 또한 증가된다. 일 실시예에서, 연장된 스페이서 부재(425)는 내측 인클로저 반경(437)이 무한하게 되기에(예를 들어, 내측 패키지 표면(460)이 버스 바(410) 및/또는 집전 탭(414)과 평행하게 되기에) 충분한 거리(SD1)만큼 연장된다.
일 실시예에서, 연장된 스페이서 부재(425)의 원위 단부들은 실질적으로 편평하다. 다른 실시예들에서, 연장된 스페이서 부재(425)의 원위 단부들은 Z-X축 및/또는 X-Y축에서의 하나 이상의 에지 상에 챔퍼 또는 반경을 갖는 것과 같은 에지 디테일(485)을 포함할 수 있다. 연장된 스페이서 부재(425)는 버스 바 등과 같은 다른 구성요소가 관통할 수 있게 하도록 하나 이상의 절결부(487)를 또한 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 절결부(487)는 연장된 스페이서 부재(425)를 넘어 어떠한 방향으로도 구성요소가 돌출되지 않도록 구성요소를 수용하는 크기와 형상을 갖는다.
이제 도 5 내지 도 7을 참조한다. 배터리 어셈블리(300)가 준비된 후, 완전한 배터리(760)를 형성하기 위해 배터리 어셈블리(300)는 인클로저(700) 내에 배치된다. 실시예들에서, 배터리 인클로저(700)는 제1 인클로저층(500) 및 제2 인클로저층(600)을 포함한다. 제1 및 제2 인클로저층 각각은 알루미늄, 폴리머 등과 같은 가요성 또는 반가요성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600) 중 하나 이상은 다층 알루미늄 폴리머 물질, 플라스틱 등을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600) 중 하나 이상은 알루미늄과 같은 금속 기판 상에 라미네이트되는 폴리머 물질을 포함한다.
도 5에 나타내어진 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)는 구속물(316)의 주면(F6)(도 5에 도시된 바와 같은 아랫면)이 제1 인클로저층(500)과 접촉하도록, 제1 인클로저층(500) 상에 배치된다. 일 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)는 제1 인클로저층(500) 내에 형성된 리세스(502) 내에 배치된다. 리세스(502)는 배터리 어셈블리(300)의 외측 표면의 크기 및 형상과 매칭되도록 크기와 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 제2 인클로저층(600)은 구속물(316)의 주면(F5)이 제2 인클로저층(600)과 접촉하도록, 배터리 어셈블리(300) 위에 배치된다. 제2 인클로저층(600)은 주면(F5) 및 리세스(502) 전체를 커버하기 위해 (이를테면 배치 방향(P1)으로의 이동에 의해) 위치될 수 있다. 전도성 단자들(605 및 607)은 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)에 의해 커버되지 않은 채로 유지된다. 제2 인클로저층(600)의 적절한 배치 후, 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)은 밀봉 에지(S1)(도 7에서 점선으로 표기됨)를 따라 밀봉된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)의 과잉 물질은 밀봉 전에, 또는 밀봉 후에 트리밍될 수 있다. 제1 및 제2 인클로저층들은 용접, 열 밀봉, 접착제, 이들의 조합 등에 의해 밀봉 에지(S1)를 따라 밀봉될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저층들(500,600)은 밀봉 에지(S1)의 세 변을 따라 밀봉될 수 있어 내부에 포켓을 조성한다. 이러한 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)가 포켓 내에 배치될 수 있고, 밀봉 에지(S1)의 최종 에지가 후속하여 밀봉된다. 일 실시예에서, 밀봉 에지(S1)는 핫 프레스(hot press)를 사용하여 밀봉되어, 밀봉 에지(S1)에 제어된 온도와 압력을 가하여 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)이 밀봉 에지(S1)를 따라 함께 접착 또는 융합되게 한다. 다른 실시예에서, 공기 또는 다른 가스에 의해 점유되는 임의의 과잉 부피를 배기하기 위해 밀봉 공정 중에 배터리 어셈블리(300)에 진공이 가해진다. 밀봉 에지가 핫 프레스를 거치는 시간이 제어될 수 있고, 제1 및 제2 엔클로저층들(500, 600)에 대해 선택된 물질에 따라 달라진다. 배터리 어셈블리(300) 위에 밀봉되면, 밀봉된 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)이 배터리 패키지(700)를 형성한다. 밀봉 시, 인클로저(700)는 원하는 응용에 따라 액밀 및/또는 기밀이다. 단말들(705, 707)은 노출된 채로 유지되고, 사용자가 단말들을 전원이 공급되는 장치에 또는 배터리 충전기에 연결할 수 있게 하기 위해 인클로저(700)에 의해 커버되지 않는다.
일부 실시예들에서, 인클로저(700)를 밀봉하기 전에, 인클로저가 배터리 어셈블리(300)의 외측 표면들에 실질적으로 합치하도록, 인클로저(700)의 내부에 진공이 가해진다. 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)은 진공과 후속 밀봉을 가한 후에, 반경들(Re 및 RE2)이 충분히 커서 고응력 영역들(450 및 451)을 인클로저(700)에 마모, 파열 또는 파열을 야기하기에 충분한 응력을 갖는 것으로부터 감소 또는 제거하기에 충분히 크도록 X축 방향으로 구속물 에지(340)를 넘어서는 충분한 거리(SD1)를 가져야 한다.
이제 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 개시의 방법들이 설명된다. 일 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)와 같은 배터리 어셈블리는 상술한 바와 같이 단위 셀들(200)의 하나 이상의 층을 적층하여(900) 제조된다. 고응력 영역들(450)이 인클로저(700)의 마모, 인열 또는 파열을 야기할 가능성의 감소 또는 제거를 용이하게 하기 위해, 연장된 스페이서 부재들(425)이 배터리 어셈블리 내의 단위 셀들 내에 배치된다(910). 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)과 같은 연장된 스페이서 부재들은 물질 조성, 폭 및 두께뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 스페이서 부재들(225)에 대한 Z축 방향 위치 결정에 있어서도 동일할 수 있다. 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)은 고응력 영역들(450)이 인클로저(700)에 마모, 인열 또는 파열을 야기하기에 충분한 응력을 인클로저(700) 상에 부여하는 것을 방지하기에 충분한 길이만큼 X축 방향으로 연장되도록 단위 셀들 내에 조립되고 위치된다(920). 본 방법의 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)은 X축 방향으로 구속물 에지(340)를 넘어 거리(SD1)만큼 연장되는 X축 길이를 갖도록 단위 셀들 내에 구성되고 위치된다(920). 이렇게 함으로써, 연장된 스페이서가 사용되지 않을 때(도 4a)의 인클로저(700)의 내측 인클로저 반경(435A)의 인클로저(REa)의 곡률 반경과 비교하여, 내측 인클로저 반경(435)의 인클로저(RE)의 곡률 반경이 증가된다. 일 실시예에서, 거리(SD1)는 100 ㎛ 내지 4000 ㎛, 이를테면 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛, 1000 ㎛, 1100 ㎛, 1200 ㎛, 1300 ㎛, 1400 ㎛, 1500 ㎛, 1600 ㎛, 1700 ㎛, 1800 ㎛, 1900 ㎛, 2000 ㎛, 2100 ㎛, 2200 ㎛, 2300 ㎛, 2400 ㎛, 2500 ㎛, 2600 ㎛, 2700 ㎛, 2800 ㎛, 2900 ㎛, 3000 ㎛, 3100 ㎛, 3200 ㎛, 3300 ㎛, 3400 ㎛, 3500 ㎛, 3600 ㎛, 3700 ㎛, 3800 ㎛, 3900 ㎛, 또는 4000 ㎛이지만, 다른 실시예들에서는 이 범위보다 크거나 작을 수 있다. 실시예에서, 반경(RE)은 거리(SD1)와 매칭되고, 이에 따라, 반경(RE)은 100 ㎛ 내지 4000 ㎛의 범위 내, 이를테면 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛, 1000 ㎛, 1100 ㎛, 1200 ㎛, 1300 ㎛, 1400 ㎛, 1500 ㎛, 1600 ㎛, 1700 ㎛, 1800 ㎛, 1900 ㎛, 2000 ㎛, 2100 ㎛, 2200 ㎛, 2300 ㎛, 2400 ㎛, 2500 ㎛, 2600 ㎛, 2700 ㎛, 2800 ㎛, 2900 ㎛, 3000 ㎛, 3100 ㎛, 3200 ㎛, 3300 ㎛, 3400 ㎛, 3500 ㎛, 3600 ㎛, 3700 ㎛, 3800 ㎛, 3900 ㎛, 또는 4000 ㎛이지만, 다른 실시예들에서는 이 범위보다 크거나 작을 수 있다. 본 방법의 다른 실시예에서, 연장된 스페이서 부재(425)는 고응력 영역(451)의 응력 감소를 또한 용이하게 하도록 단위 셀 내에 구성되고 배치된다(910). 이 실시예에서, 연장된 스페이서가 사용되지 않을 때(도 4a)의 인클로저(700)의 내측 인클로저 반경(437A)의 인클로저(RE2a)의 곡률 반경과 비교하여, 연장된 스페이서 부재의 배치에 의해 곡률 반경(RE2)이 또한 증가된다. 일 실시예에서, 연장된 스페이서 부재(425)는 내측 인클로저 반경(437)이 무한하게 되기에(예를 들어, 내측 패키지 표면(460)이 버스 바(410) 및/또는 집전 탭(414)과 실질적으로 평행하게 되기에) 충분한 거리(SD1)만큼 연장되도록 배치된다.
본 방법의 일 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)가 준비된 후, 배터리 어셈블리(300)는 상술한 바와 같이, 구속물 내에 배치된다(930). 이어서, 완전한 배터리(760)를 형성하기 위해 구속물 내의 배터리 어셈블리(300)가 인클로저(700) 내에 배치된다(940). 실시예들에서, 배터리 인클로저(700)는 제1 인클로저층(500) 및 제2 인클로저층(600)을 포함한다. 본 방법의 일부 실시예들에서, 인클로저(700)를 밀봉(950)하기 전에, 인클로저가 배터리 어셈블리(300)의 외측 표면들에 실질적으로 합치하도록, 인클로저(700)의 내부에 진공이 가해진다. 이 실시예에서, 연장된 스페이서 부재들(425)은 진공과 후속 밀봉(950)을 가한 후에, 반경들(RE 및 RE2)이 충분히 커서 고응력 영역들(450 및 451)을 인클로저(700)에 마모, 파열 또는 파열을 야기하기에 충분한 응력을 갖는 것으로부터 감소 또는 제거하기에 충분히 크도록 X축 방향으로 구속물 에지(340)를 넘어서는 충분한 거리(SD1)를 가져야 한다.
일 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)는 구속물(316)의 주면(F6)(도 5에 도시된 바와 같은 아랫면)이 제1 인클로저층(500)과 접촉하도록, 제1 인클로저층(500) 상에 배치된다. 본 방법의 일 실시예에서, 배터리 어셈블리(300)는 제1 인클로저층(500) 내에 형성된 리세스(502) 내에 배치된다. 리세스(502)는 배터리 어셈블리(300)의 외측 표면의 크기 및 형상과 매칭되도록 크기와 형상을 갖는다. 본 방법의 일 실시예에서, 제2 인클로저층(600)은 구속물(316)의 주면(F5)이 제2 인클로저층(600)과 접촉하도록, 배터리 어셈블리(300) 위에 배치된다. 제2 인클로저층(600)은 주면(F5) 및 리세스(502) 전체를 커버하기 위해 (이를테면 배치 방향(P1)으로의 이동에 의해) 위치된다. 전도성 단자들(605 및 607)은 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)에 의해 커버되지 않은 채로 유지되도록 위치된다. 제2 인클로저층(600)의 적절한 배치 후, 제1 및 제2 인클로저층들(500,600)은 예를 들어, 열 밀봉, 열 적층 등에 의해, 밀봉 에지(S1)(도 7에서 점선으로 표기됨)를 따라 밀봉된다(950). 본 방법의 일 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)의 과잉 물질은 밀봉 전에, 또는 밀봉 후에 트리밍된다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 인클로저층들(500,600)은 밀봉 에지(S1)의 세 변을 따라 밀봉되어 내부에 포켓을 조성한다. 이러한 실시예에서, 그런 다음 배터리 어셈블리(300)가 포켓 내에 배치되고, 밀봉 에지(S1)의 최종 에지가 후속하여 밀봉된다. 본 방법의 일 실시예에서, 밀봉 에지(S1)는 핫 프레스(hot press)를 사용하여 밀봉되어, 밀봉 에지(S1)에 제어된 온도와 압력을 가하여 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)이 밀봉 에지(S1)를 따라 함께 접착 또는 융합되게 한다. 다른 실시예에서, 공기 또는 다른 가스에 의해 점유되는 임의의 과잉 부피를 배기하기 위해 밀봉 공정 중에 배터리 어셈블리(300)에 진공이 가해진다. 밀봉 에지가 핫 프레스를 거치는 시간이 제어될 수 있고, 제1 및 제2 엔클로저층들(500, 600)에 대해 선택된 물질에 따라 달라진다. 배터리 어셈블리(300) 위에 밀봉되면, 밀봉된 제1 및 제2 인클로저층들(500, 600)이 배터리 패키지(700)를 형성한다. 밀봉(950) 시, 인클로저(700)는 원하는 응용에 따라 액밀 및/또는 기밀이다. 단말들(705, 707)은 노출된 채로 유지되고, 사용자가 단말들을 전원이 공급되는 장치에 또는 배터리 충전기에 연결할 수 있게 하기 위해 인클로저(700)에 의해 커버되지 않는다. 인클로저(700)는 배터리 패키지로도 지칭될 수 있다.
본 개시의 양태들을 설명하기 위해 다음의 실시예들이 제공되었지만, 실시예들이 제한되는 것으로 의도되지 않으며 다른 양태들 및/또는 실시예들도 제공될 수 있다.
실시예 1. 충전 상태와 방전 상태 사이를 사이클링하는 이차 배터리로서, 배터리는 구속물과 구속물 내에 배치되는 전극 어셈블리를 포함하되, 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 전극 어셈블리는 세로 방향으로 연속하여 적층되는 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀들의 군을 포함하며, 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질이며, 단위 셀들의 군의 하위 집합은 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연속하여 적층되어 위치한 연장된 스페이서 부재들의 쌍을 더 포함하며, 스페이서 부재들 중 하나는 다른 연장된 스페이서 부재로부터 가로 방향으로 이격되어 있으며, 상대 전극층의 상대 전극 활물질의 적어도 일부는 상대 전극 활물질의 일부와 스페이서 부재들이 x축과 z축에 의해 정의되는 공통 평면에 놓이도록 스페이서 부재들 사이에 위치하되, 연장된 스페이서 부재들 각각은 구속물의 x축 에지를 넘어 x축 방향으로 거리 SD만큼 연장되어 있는 것인, 이차 배터리.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 이차 배터리.
실시예 3. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 어셈블리 및 구속물은 밀봉된 인클로저 내에 배치되는 것인, 이차 배터리.
실시예 4. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 최대 3 mm의 구속물의 x축 에지 주위의 인클로저의 내측 표면의 곡률 반경을 용이하게 하는 것인, 이차 배터리.
실시예 5. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 X축 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 스페이서 부재들의 길이는 3000 ㎛ 이하인 것인, 이차 배터리.
실시예 6. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 물질은 캐소드 활물질이고, 상대 전극 활물질은 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 7. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 분리막층과 전극층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
실시예 8. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 분리막층과 전극 집전체층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
실시예 9. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 분리막과 상대 전극층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
실시예 10. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 분리막층과 상대 전극 집전체층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
실시예 11. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층 중 적어도 하나에 접착되는 것인, 이차 배터리.
실시예 12. 임의의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재들은 전극 집전체층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
실시예 13. 임의의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재들은 전극층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
실시예 14. 임의의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재들은 분리막층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
실시예 15. 임의의 선행 실시예에 있어서, 스페이서 부재들은 상대 전극 집전체층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
실시예 16. 임의의 선행 실시예에 있어서, (i) 단위 셀 군의 구성원들은 세로 방향으로 연속하여 적층되며, (ii) 단위 셀 군은 단위 셀들의 인접한 쌍들 두 세트를 포함하며, (iii) 인접한 쌍들 두 세트 중 하나는 공통 전극 집전체층을 공유하고, 인접한 쌍들 두 세트 중 다른 하나는 공통 상대 전극 집전체층을 공유하는 것인, 이차 배터리.
실시예 17. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 5개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 18. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 10개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 19. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 25개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 20. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 50개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 21. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 100개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 22. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 250개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 23. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀 군은 적어도 500개의 구성원을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 24. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 전기 절연성 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 25. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 애노드 활물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 26. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 스페이서 물질의 몰당 캐리어 이온 1 몰 미만인 캐리어 이온에 대한 용량을 갖는 애노드 활물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 27. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 흑연 또는 그래핀을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 28. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 캐소드 활물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 29. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 폴리머 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 30. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장 스페이서 부재들은 호모폴리머, 코폴리머 또는 폴리머 블렌드를 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 31. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜을 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로폴리머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀, 에틸렌-디엔-프로펜 터폴리머, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 옥사이드, 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 실리콘, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-co-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알코올, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복시메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸 풀루란, 시아노에틸 폴리비닐 알코올, 시아노에틸 셀룰로오스, 시아노에틸 수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르 설폰, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에틸렌 나프탈렌, 및/또는 이들의 조합 또는 코폴리머를 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 32. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 플루오로폴리머를 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 33. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 폴리올레핀을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 34. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 호모폴리머, 코폴리머 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리부텐의 폴리머 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리올레핀을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 35. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 36. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 37. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하되, 접착 테이프 베이스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리이미드, 및 폴리아미드 필름, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 필름을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 38. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하되, 접착 테이프 베이스는 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 필름을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 39. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하되, 접착 테이프 베이스의 두께는 약 4 내지 200 ㎛의 범위 내의 두께를 갖는 것인, 이차 배터리.
실시예 40. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하되, 접착 테이프 베이스의 두께는 약 6 내지 150 ㎛의 범위 내의 두께를 갖는 것인, 이차 배터리.
실시예 41. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하되, 접착 테이프 베이스의 두께는 약 25 내지 100 ㎛의 범위 내의 두께를 갖는 것인, 이차 배터리.
실시예 42. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 베이스, 및 베이스의 일면에 제공되는 접착층을 갖는 접착 테이프를 포함하되, 접착 테이프의 접착층을 구성하는 접착제는 고무계 접착제, 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 43. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 분리막층과 동일한 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 44. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 전기 전도성 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 45. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 전극층과 동일한 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 46. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 단위 셀의 길이 말단을 부분적으로 정의하는 것인, 이차 배터리.
실시예 47. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 x축 방향으로 측정되는 전극층의 전체 길이보다 큰 전체 길이를 갖는 것인, 이차 배터리.
실시예 48. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 x축 방향으로 측정되는 상대 전극층의 전체 길이보다 큰 전체 길이를 갖는 것인, 이차 배터리.
실시예 49. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀은 수직 방향으로 측정되는 높이를 갖고, 연장된 스페이서 부재들은 z축 방향으로 측정되는 높이를 가지며, 단위 셀의 높이는 연장된 스페이서 부재들의 높이와 같은 것인, 이차 배터리.
실시예 50. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀은 z축 방향으로 측정되는 높이를 갖고, 연장된 스페이서 부재들은 z축 방향으로 측정되는 높이를 가지며, 단위 셀의 높이는 스페이서 부재들의 높이보다 큰 것인, 이차 배터리.
실시예 51. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀은 z축 방향으로 측정되는 높이를 갖고, 스페이서 부재들은 z축 방향으로 측정되는 높이를 가지며, 단위 셀의 높이는 스페이서 부재들의 높이보다 작은 것인, 이차 배터리.
실시예 52. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는: (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 다른 원소의 합금 또는 금속간 화합물; (c) Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 또는 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물, 및 이들의 혼합물, 복합재 또는 리튬 함유 복합재; (d) Sn의 염 및 수산화물; (e) 티탄산 리튬, 망간산 리튬, 알루민산 리튬, 리튬 함유 티타늄 산화물, 리튬 전이 금속 산화물, ZnCo2O4; (f) 흑연 및 탄소의 입자; (g) 리튬 금속; 및 (h) 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 53. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 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 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 54. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Ni, Co 또는 Cd와 다른 원소의 합금 및 금속간 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 55. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Zn, Al, Ti, Fe, Ni, Co, V 및 Cd의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 56. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 Si의 산화물, 탄화물, 질화물, 황화물, 인화물, 셀렌화물 및 텔루르화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 57. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 실리콘 및 실리콘의 산화물 및 탄화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 58. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 리튬 금속을 포함하는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 59. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 흑연 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 애노드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 60. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 비수성 유기 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 61. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 리튬 염과 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비수성 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 62. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 폴리머 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 63. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 고체 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 64. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 황화물계 전해질로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 65. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 리튬 주석 인 황화물(Li10SnP2S12), 리튬 인 황화물(β-Li3PS4) 및 리튬 인 황 염화 요오드화물(Li6PS5Cl0.9I0.1)로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 66. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 폴리머계 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 67. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 PEO계 폴리머 전해질, 폴리머-세라믹 복합 전해질(고체), 폴리머-세라믹 복합 전해질 및 폴리머-세라믹 복합 전해질로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 68. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 산화물계 전해질로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 69. 임의의 선행 실시예에 있어서, 인클로저 내에서 이차 배터리는 리튬 란타넘 티탄산염(Li0.34La0.56TiO3), Al 도핑된 리튬 란타넘 지르콘산염(Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98), Ta 도핑된 리튬 란타넘 지르콘산염(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12) 및 리튬 알루미늄 티타늄 인산염(Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 전해질을 더 포함하는 것인, 이차 배터리.
실시예 70. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 인터칼레이션 화학 양극 및 전환 화학 양극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 캐소드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 71. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 인터칼레이션 화학 양극 물질을 포함하는 캐소드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 72. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 전극 활물질 및 상대 전극 물질 중 하나는 전환 화학 양극 활물질을 포함하는 캐소드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 73. 임의의 선행 실시예에 있어서, 전극 활물질 및 상대 전극 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 선택되는 캐소드 활물질인 것인, 이차 배터리.
실시예 74. 이차 배터리와 사용하기 위한 배터리 어셈블리의 제조 방법으로서, 배터리 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 방법은: 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 적층함으로써 단위 셀을 제조하는 단계 ― 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연속하여 적층되는 연장된 스페이서 부재들의 군을 배치하는 단계 ― 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 y축 방향으로 이격되어 있으며, 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위는 단위 셀의 x축 범위보다 큰 거리 SD임 ― 를 포함하는, 방법.
실시예 75. 실시예 74에 있어서, 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 방법.
실시예 76. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들이 구속물의 에지로부터 거리 SD만큼 연장되도록 구속물 내에 단위 셀을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 77. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀을 밀봉된 인클로저 내에 밀봉하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 78. 임의의 선행 실시예에 있어서, 구속물의 x축 에지를 주위의 인클로저의 내측 표면의 곡률 반경을 최대 3 mm만큼 확대하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 79. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 x축 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 스페이서 부재들의 길이는 3000 ㎛ 이하인 것인, 방법.
실시예 80. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들을 분리막층과 전극층 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 81. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들을 분리막층과 전극 집전체층 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 82. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들을 분리막과 상대 전극층 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 83. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들을 분리막층과 상대 전극 집전체층 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 84. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들을 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층 중 적어도 하나에 접착시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 85. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 전극 집전체층에 접착되는 것인, 방법.
실시예 86. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 전극층에 접착되는 것인, 방법.
실시예 87. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 분리막층에 접착되는 것인, 방법.
실시예 88. 임의의 선행 실시예에 있어서, 연장된 스페이서 부재들은 상대 전극 집전체층에 접착되는 것인, 방법.
실시예 89. 이차 배터리용 전극 어셈블리로서, 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 전극 어셈블리는: 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀 ― 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들의 군 ― 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 y축 방향으로 이격되어 있으며, 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위는 단위 셀의 x축 범위보다 큰 거리 SD임 ― 을 포함하는, 전극 어셈블리.
실시예 90. 실시예 89에 있어서, 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 전극 어셈블리.
실시예 91. 임의의 선행 실시예에 있어서, 단위 셀은 연장된 스페이서 부재들이 구속물의 에지로부터 거리 SD만큼 연장되도록 구속물 내에 배치되는 것인, 전극 어셈블리.
실시예 92. 이차 배터리용 전극 어셈블리의 제조 방법으로서, 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 방법은: 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 적층함으로써 단위 셀을 제조하는 단계 ― 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 전극 활물질과 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및 전극 집전체층과 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들의 군을 배치하는 단계 ― 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 y축 방향으로 이격되어 있음 ―; 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위가 구속물의 x축 범위보다 큰 거리 SD가 되도록 구속물 내에 단위 셀을 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 93. 실시예 92에 있어서, 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 방법.
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 (30)
- 충전 상태와 방전 상태 사이를 사이클링하는 이차 배터리로서, 상기 배터리는 구속물(constraint)과 상기 구속물 내에 배치되는 전극 어셈블리를 포함하되,
상기 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며,
상기 전극 어셈블리는 세로 방향으로 연속하여 적층되는 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀들의 군을 포함하며,
상기 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상기 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질이며,
상기 단위 셀들의 군의 하위 집합은 상기 전극 집전체층과 상기 상대 전극 집전체층 사이에 연속하여 적층되어 위치한 연장된 스페이서 부재들의 쌍을 더 포함하며, 상기 스페이서 부재들 중 하나는 다른 연장된 스페이서 부재로부터 가로 방향으로 이격되어 있으며, 상기 상대 전극층의 상기 상대 전극 활물질의 적어도 일부는 상기 상대 전극 활물질의 일부와 상기 스페이서 부재들이 x축과 z축에 의해 정의되는 공통 평면에 놓이도록 상기 스페이서 부재들 사이에 위치하되, 상기 연장된 스페이서 부재들 각각은 상기 구속물의 x축 에지를 넘어 상기 x축 방향으로 거리 SD만큼 연장되어 있는 것인, 이차 배터리. - 제1항에 있어서, 상기 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 x축 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 상기 스페이서 부재들의 상기 길이는 3000 ㎛ 이하인 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 분리막층과 상기 전극층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 분리막층과 상기 전극 집전체층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 분리막과 상기 상대 전극층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 분리막층과 상기 상대 전극 집전체층 사이에 배치되는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 전극 집전체층, 상기 전극층, 상기 분리막층, 상기 상대 전극층, 및 상기 상대 전극 집전체층 중 적어도 하나에 접착되는 것인, 이차 배터리.
- 제8항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 전극 집전체층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
- 제8항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 전극층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
- 제8항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 분리막층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
- 제8항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 상대 전극 집전체층에 접착되는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 전기 절연성 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 흑연 또는 그래핀을 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 폴리머 물질을 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장 스페이서 부재들은 호모폴리머, 코폴리머 또는 폴리머 블렌드를 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜을 함유하는 단량체로부터 유도된 플루오로폴리머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀, 에틸렌-디엔-프로펜 터폴리머, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 플루오라이드 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 옥사이드, 아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 실리콘, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-co-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알코올, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복시메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머, 폴리에틸렌 옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸 풀루란, 시아노에틸 폴리비닐 알코올, 시아노에틸 셀룰로오스, 시아노에틸 수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴 스티렌 부타디엔 코폴리머, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르 설폰, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에틸렌 나프탈렌, 및/또는 이들의 조합 또는 코폴리머를 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 플루오로폴리머를 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 폴리올레핀을 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 호모폴리머, 코폴리머 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리부텐의 폴리머 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리올레핀을 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하는 것인, 이차 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들은 상기 x축 방향으로 측정되는 상기 전극층의 전체 길이보다 큰 전체 길이를 갖는 것인, 이차 배터리.
- 이차 배터리와 사용하기 위한 배터리 어셈블리의 제조 방법으로서, 상기 배터리 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 상기 방법은:
상기 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 적층함으로써 단위 셀을 제조하는 단계 ― 상기 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상기 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및
상기 전극 집전체층과 상기 상대 전극 집전체층 사이에 연속하여 적층되는 연장된 스페이서 부재들의 군을 배치하는 단계 ― 상기 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 상기 y축 방향으로 이격되어 있으며, 상기 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위는 상기 단위 셀의 x축 범위보다 큰 거리 SD임 ― 를 포함하는, 방법. - 제23항에 있어서, 상기 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 연장된 스페이서 부재들이 구속물의 에지로부터 상기 거리 SD만큼 연장되도록 상기 구속물 내에 상기 단위 셀을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 이차 배터리용 전극 어셈블리로서, 상기 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 상기 전극 어셈블리는:
상기 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 포함하는 단위 셀 ― 상기 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상기 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및
상기 전극 집전체층과 상기 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들의 군 ― 상기 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 상기 y축 방향으로 이격되어 있으며, 상기 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위는 상기 단위 셀의 x축 범위보다 큰 거리 SD임 ― 을 포함하는, 전극 어셈블리. - 제26항에 있어서, 상기 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 전극 어셈블리.
- 제26항에 있어서, 상기 단위 셀은 상기 연장된 스페이서 부재들이 구속물의 에지로부터 상기 거리 SD만큼 연장되도록 상기 구속물 내에 배치되는 것인, 전극 어셈블리.
- 이차 배터리용 전극 어셈블리의 제조 방법으로서, 상기 전극 어셈블리는 3차원 직교 좌표계의 x축, y축 및 z축에 각각 대응하는 상호간에 수직인 가로축, 세로축 및 수직축을 가지며, 상기 방법은:
상기 세로 방향으로 연속하여 전극 집전체층, 전극층, 분리막층, 상대 전극층, 및 상대 전극 집전체층을 적층함으로써 단위 셀을 제조하는 단계 ― 상기 전극층은 전극 활물질을 포함하고, 상기 상대 전극층은 상대 전극 활물질을 포함하되, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 하나는 캐소드 활물질이고, 상기 전극 활물질과 상기 상대 전극 물질 중 다른 하나는 애노드 활물질임 ―, 및
상기 전극 집전체층과 상기 상대 전극 집전체층 사이에 연장된 스페이서 부재들의 군을 배치하는 단계 ― 상기 연장된 스페이서 부재들 중 하나는 다른 스페이서 부재로부터 상기 y축 방향으로 이격되어 있음 ―; 및
상기 연장된 스페이서 부재들의 x축 범위가 구속물의 x축 범위보다 큰 거리 SD가 되도록 상기 구속물 내에 상기 단위 셀을 배치하는 단계를 포함하는, 방법. - 제29항에 있어서, 상기 거리 SD는 최대 4 mm인 것인, 방법.
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