KR20240088884A - 에너지 저장 소자 및 제조 공정 - Google Patents

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KR20240088884A
KR20240088884A KR1020247012546A KR20247012546A KR20240088884A KR 20240088884 A KR20240088884 A KR 20240088884A KR 1020247012546 A KR1020247012546 A KR 1020247012546A KR 20247012546 A KR20247012546 A KR 20247012546A KR 20240088884 A KR20240088884 A KR 20240088884A
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바르타 마이크로바테리 게엠베하
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Abstract

캐소드(101) 및 애노드(102)를 포함하는 에너지 저장 소자(100)는 공지되어 있고, 이들은 분리막 또는 고체 전해질 층(110)에 의해 분리되어, 캐소드(101)/분리막 또는 고체 전해질 층(110)/애노드(102)의 시퀀스로 존재하는 조립체(109)의 부분들이다. 캐소드(101) 및 애노드(102)는 각각 전극 재료(117 및 118)로 양면이 코팅된 영역(101b 및 102b)과 더불어, 전극 재료로 코팅되지 않은 에지 스트립(101c 및 102c)을 갖는 집전체(101a 및 102a)를 포함한다. 캐소드 집전체(101a)의 자유 에지 스트립(101c)은 조립체(109)의 일측으로부터 돌출되고, 애노드 집전체(102a)의 자유 에지 스트립(102c)은 조립체(109)의 다른 측으로부터 둘출되며, 에지 스트립(101c, 102c)들 중 하나는 제1 접촉 시트 금속 부재(119)와 직접 접촉하고, 다른 하나는 제2 접촉 시트 금속 부재(120)와 직접 접촉한다. 접촉 시트 금속 부재(119, 120)들 중 하나와 직접 접촉하는 에지 스트립(101c, 102c)들 중 적어도 하나는 성형 과정에 의해 처리하므로, U-형상또는 V-형상 단면을 가지며 따라서 일측에 세장형 함몰부 또는 만입부(121, 124)가 있고 다른 측에 함몰부에 상응하는 세장형 융기부(122, 123)가 있게 되는 것이 제안된다.

Description

에너지 저장 소자 및 제조 공정
본 발명은 매우 높은 전류를 공급하기에 적합한 에너지 저장 요소 및 이러한 에너지 저장 요소의 제조 방법에 관한 것이다.
전기화학 에너지 저장 요소는 저장된 화학 에너지를 산화-환원 반응을 통해 전기 에너지로 변환할 수 있다. 가장 간단한 형태의 전기화학 에너지 저장 요소는 전기화학 전지이다. 이 셀은 양극과 음극을 포함하고, 양극과 음극은 분리막에 의해 서로 분리되어 있다. 방전 중에는, 산화 과정의 결과로서 음극에서 전자가 방출된다. 그 결과, 외부 전기 소비자가 끌어낼 수 있는 전자 전류가 발생하며, 전기화학 전지가 에너지 공급원 역할을 한다. 동시에, 전극 반응에 상응하는 이온 전류가 셀 내에서 발생한다. 이 이온 전류는 분리막을 통과하며 이온-전도성 전해질에 의해 가능해진다.
방전이 가역적인 경우, 즉 방전 중의 화학 에너지로부터 전기 에너지로의 변환을 뒤집어서 다시 셀을 충전할 수 있는 경우, 이를 이차 전지라고 한다. 음극은 이차 전지에서 애노드로서 그리고 양극은 캐소드로서 일반적으로 지칭되는 것은 전기화학 전지의 방전 기능을 나타낸다.
이차 리튬 이온 전지는, 높은 전류를 공급할 수 있고 비교적 높은 에너지 밀도가 특징이기 때문에, 오늘날 많은 애플리케이션의 에너지 저장 요소로서 사용된다. 이차 리튬 이온 전지는, 이온의 형태로 셀의 전극들 사이를 앞뒤로 이동할 수 있는 리튬을 사용한다. 리튬 이온 셀의 음극과 양극은 일반적으로, 전기 화학적으로 비활성 성분과 전기 화학적으로 활성 성분을 포함하는 소위 복합 전극에 의해 형성된다.
원칙적으로, 리튬 이온을 흡수하고 방출할 수 있는 모든 물질은 이차 리튬 이온 전지의 전기 화학적 활성 성분(활물질)으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 음극에는 흑연계 탄소와 같은 탄소 기반 입자가 사용된다. 양극용 활물질은 예를 들어 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 철 인산염(LiFePO4) 또는 그 유도체일 수 있다. 전기화학적으로 활성인 물질은 일반적으로 입자 형태로 전극에 포함되어 있다.
전기화학적으로 비활성인 성분으로서, 복합 전극은 일반적으로, 평평하고/평평하거나 스트립-형상의 집전체, 예를 들어 각 활물질의 운반체(carrier) 역할을 하는 금속 호일을 포함한다. 음극의 집전체(애노드 집전체)는 예를 들어 구리 또는 니켈로 만들어질 수 있고, 양극의 집전체(캐소드 집전체)는 예를 들어 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 또한, 전극은 전극 바인더(예: 폴리비닐리덴 플루오르화물(PVDF) 또는 다른 폴리머(예: 카르복시메틸 셀룰로스)), 전도성-향상 첨가제 및 기타 첨가제를 전기화학적으로 비활성 성분으로서 포함할 수 있다. 전극 바인더는 전극의 기계적 안정성을 보장하고 종종 활물질의 집전체에 대한 접착력을 또한 보장한다.
전해질로서, 리튬 이온 전지는 일반적으로, 유기 용매(예: 탄산 에스테르 및 에테르)에 리튬 헥사플루오로인산(LiPF6)과 같은 리튬 염의 용액을 포함한다.
리튬 이온 전지를 제조할 때, 복합 전극은 하나 이상의 분리막과 결합되어 조립체를 형성한다. 이 과정에서, 보통 전극과 분리막은 압력 하에서, 또한 가능하게는 라미네이션 또는 본딩에 의해 연결된다. 그런 다음 조립체에 전해질을 함침시켜 셀의 기본 기능이 설정될 수 있다.
많은 실시예들에서, 조립체는 권선 형태로 형성되거나 권선 형태로 처리된다. 대안적으로, 조립체는 전극들의 스택일 수도 있다.
자동차 부문 애플리케이션의 경우, 전기 자전거 또는 공구와 같이 에너지 요구량이 높은 기타 애플리케이션의 경우 충전 및 방전 시 고전류를 견딜 수 있는 에너지 밀도가 가장 높은 리튬 이온 전지가 요구된다.
WO 2017/215900 A1은 리본-형상 전극으로부터 권선 형태인 조립체가 형성되는원통형 원형 셀에 대해 설명한다. 전극들은 각각 전극 재료가 로딩된(loaded) 집전체를 갖는다. 양극의 집전체의 길이방향 에지가 일측으로부터 돌출되고 음극의 집전체의 길이방향 에지가 권선의 다른 측으로부터 돌출되도록, 조립체 내에서 서로 반대 극성 전극들은 오프셋되어 배치되어 있다. 집전체의 전기적 접촉을 위해, 셀은, 권선의 단부 면들 상에 있고 용접에 의해 집전체의 길이방향 에지에 연결되는 접촉 플레이트를 갖는다. 이를 통해, 전체 길이에 걸쳐 집전체 및 관련 전극에 전기적으로 접촉할 수 있다. 이렇게 하면, 설명한 셀 내의 내부 저항이 크게 감소한다. 결과적으로, 큰 전류의 발생을 훨씬 더 잘 흡수할 수 있고 권선으로부터 열도 더 잘 발산할 수 있다.
여기서 잠재적인 문제는 접촉 플레이트가 적용될 때 집전체의 에지가 제어되지 않은 방식으로 압축되어, 정의되지 않은 접힘이 발생할 수 있다는 것이다. 이로 인해, 단부 면과 접촉 플레이트 사이의 넓은 면적의 형상-결합(form-fit) 접촉이 더 어려워진다. 또한, 예를 들어 전극들 사이에 위치한 분리막의 손상으로 인해, 말단 면의 미세 또는 단락 회로의 위험이 높아진다.
이 문제를 해결하기 위해, WO 2020/096973 A1은 집전체의 에지를 전처리(pretreating)하는 것, 특히 집전체 에지의 일부를 제거하여 직사각형 형상이 되도록 하는 것을 제안한다.
US 2018/0190962 A1 및 JP 2015-149499 A로부터 집전체 에지의 타겟형(targeted) 사전-변형(pre-deformation)이 알려져 있다.
알려진 솔루션들은 집전체 에지의 전처리가 매우 복잡하다는 단점이 있다.
이와 대조적으로, 본 발명의 목적은 상기 접촉 플레이트에 의해보다 쉽게 접촉될 수 있는 전극 및 가능하게는 하나 이상의 분리막의 조립체를 특징으로 하는 에너지 저장 요소를 제공하는 것이다.
이 목적은 독립 청구항 제1항의 특징들을 갖는 에너지 저장 요소에 의해 달성된다. 청구항 제10항의 특징들을 갖는 방법은 또한 상기 문제의 해결에 기여한다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 정의되어 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 요소
본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 다음의 특징들 a 내지 h를 갖는다:
a. 조립체의 부분들인 캐소드 및 애노드를 포함하며, 상기 조립체에서 상기 캐소드와 상기 애노드는 분리막 또는 고체 전해질 층에 의해 분리되고, 상기 조립체에서 상기 캐소드와 상기 애노드는 캐소드/분리막 또는 고체 전해질 층/애노드의 시퀀스로 존재함,
b. 상기 캐소드는 캐소드 집전체 및 양극 재료를 포함함,
c. 상기 캐소드 집전체는:
- 양극 재료의 층으로 양측에 로딩된(loaded) 메인 영역, 및
- 상기 캐소드 집전체의 에지를 따라 연장되고 양극 재료로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립을 가짐,
d. 상기 애노드는 애노드 집전체 및 음극 재료를 포함함,
e. 상기 애노드 집전체는:
- 음극 재료의 층으로 양측에 로딩된 메인 영역, 및
- 상기 애노드 집전체의 하나의 에지를 따라 연장되고 음극 재료로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립
을 가짐,
f. 상기 캐소드와 상기 애노드는, 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립이 조립체의 일측으로부터 돌출되고 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립이 조립체의 다른 측으로부터 돌출되는 방식으로, 전극-분리막 조립체 내에서 서로에 대해 설계되고/설계되거나 배치됨,
g. 상기 에너지 저장 소자는, 상기 자유 에지 스트립들 중 하나와 직접 접촉하는 제1 접촉 시트 금속 부재, 및 상기 자유 에지 스트립들 중 다른 하나와 직접 접촉하는 제2 접촉 시트 금속 부재를 포함함, 및
h. 상기 접촉 시트 금속 부재들 중 하나와 직접 접촉하는 에지 스트립들 중 적어도 하나는, 성형 공정, 예를 들어 접힘 또는 엠보싱의 결과로서 U-형상 또는 V-형상 단면을 가지며, 그에 따라 일측 상에 세장형 함몰부 또는 만입부(121)와 다른 측 상에 상기 함몰부(121)에 상응하는 세장형 융기부(122)를 가짐.
따라서 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 특히 그들의 자유 에지 스트립들이 성형 공정을 거친 집전체들을 갖는다는 점이 특징이다. 이를 통해, 집전체를 접촉 시트 금속 부재에 더 잘 연결할 수 있으며, 결과적으로 전극과 하우징의 열 연결 및 셀의 내부 저항을 줄일 수 있다. 또한, U- 또는 V-형상 단면이 접촉 플레이트를 눌렀을 때 에지 스트립의 아주 세밀한 접힘을 가능하게 하므로, 내부 단락의 위험도 감소한다. 따라서 처음에 언급한 제어되지 않은 압축이 발생할 수 없다.
애노드 집전체의 에지 스트립과 캐소드 집전체의 에지 스트립은 모두 U-형상 또는 V-형상 단면을 갖는 것이 특히 바람직하다.
물론, 본 발명의 맥락에서 "U-형상" 및 "V-형상"이라는 용어는 단면이 완벽한 U 또는 V의 형상을 갖는다는 의미로 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 접촉 플레이트가 장착될 때, 에지 스트립의 추가적인 변형이 발생하여 예를 들어, V-형상 단면이 매우 뾰족하거나, 즉 V의 다리가 매우 작은 각도로 둘러싸거나, U가 그 개구부의 영역에서 변형될 수 있다.
또한: 에지 스트립 또는 스트립들은 성형 공정의 결과로서 전체에서 반드시 U-형상 또는 V-형상 단면을 가질 필요는 없습니다. 오히려, 에지 스트립의 일부 섹션만 성형 공정을 거치는 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 실시예에서, 에지 스트립 또는 에지 스트립들은 성형 공정에 의해 변형되지 않은 적어도 하나의 섹션을 포함한다. 이는 바람직하게는 세장형 함몰부 또는 만입부를 따라 또는 함몰부 또는 만입부에 상응하는 세장형 융기부를 따라 연장된다.
원통형 디자인
본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 원통형 원형 셀 또는 각형으로도 설계될 수 있다. 원통형 실시예에서, 그것은 바로 다음의 특징들 a 내지 e를 갖는다:
a. 전극들과 집전체들 뿐만 아니라 전극 재료들의 층들은 리본-형상임,
b. 적어도 하나의 리본-형상 분리막 또는 적어도 하나의 리본-형상 고체 전해질 층을 포함함,
c. 상기 조립체는 상기 전극들과 상기 적어도 하나의 분리막이 권취 축선을 중심으로 나선형으로 감겨 있는 원통형 권선의 형태이며, 여기서 상기 조립체는 제1 및 제2 터미널 단부 면 및 권취 쉘을 포함하고, 상기 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립은 상기 제1 단부 면으로부터 돌출되고, 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립은 상기 제2 단부 면으로부터 돌출됨,
d. 원통형 하우징, 특히 원주형 하우징 쉘, 및 단부 면들에서 원형 바닥과 뚜껑을 포함하는 원통형 금속 하우징을 포함함, 및
e. 권선으로서 설계되는 상기 조립체는 상기 하우징에서 축선 방향으로 정렬되어, 상기 권취 쉘이 상기 원주형 하우징 쉘의 내측에 접함.
이 실시예에서, 조립체는 바람직하게는 리본-형상 분리막 또는 두 개의 리본-형상 분리막들을 포함하며, 각 분리막은 제1 및 제2 길이방향 에지와 두 개의 단부들을 갖는다.
이 실시예에서, 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 두 개의 단부 면들 상에 평평하게 놓여 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 요소의 원통형 디자인은 여러 가지 특별한 장점을 가지고 있다. 전극으로부터 원통형 권선을 제조할 때, 전극 에지의 부정확한 권취로 인해 소위 "텔레스코핑 효과"가 발생할 수 있으며, 이로 인해 권선의 단부 면들이 고르지 않을 수 있다는 것은 종래 기술로부터 알려져 있다. 이로 인해 치수적, 기계적 및 용접 문제가 발생한다. 본 발명에 따라 형성된 에지 스트립을 사용하면 이러한 효과를 피할 수 있다. U-형상 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립은 권취 중에 가이드를 제공할 수 있으므로 권선 생산 중 부정확성을 방지할 수 있다.
이 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 특히 바람직하게는 바로 다음의 특징 a를 특징으로 한다:
a. 상기 금속 하우징은 터미널 개구부를 갖는 컵-형상 원통형 하우징 부분 및 상기 컵-형상 하우징 부분의 상기 터미널 개구부를 폐쇄하는 뚜껑 구성요소를 포함함.
바람직하게는, 뚜껑 구성 요소는 원형 둘레를 가지며 원주형 접촉 구역을 따라 에지가 컵-형상 하우징 부분의 내측에 접하도록 컵-형상 하우징 부분의 원형 개구부에 배치되고, 여기서 뚜껑 구성 요소의 에지는 원주형 용접 이음매(weld seam)를 통해 컵-형상 하우징 부분에 연결된다. 이 경우, 두 개의 하우징 부분들은 동일한 극성을 갖는 것이 바람직하며, 즉 그들은 양극 또는 음극 중 하나에 전기적으로 결합된다. 이 경우, 하우징은 또한 하우징에 전기적으로 연결되지 않은 전극과 전기적으로 접촉하는데 사용되는 폴 부싱(pole bushing)을 포함한다.
대안적인 실시예에서는, 전기 절연 시일(seal)이 뚜껑 구성요소의 에지에 장착되어, 뚜껑 구성요소를 컵-형상 하우징 부분으로부터 전기적으로 분리시킨다. 이 경우, 하우징은 보통 크림프 폐쇄부(crimp closure)에 의해 밀봉된다.
원통형 원형 셀로서 설계된 에너지 저장 요소의 높이는 바람직하게는 50mm내지 150mm 범위이다. 원통형 원형 셀의 직경은 바람직하게는 15mm내지 60mm 범위이다. 이러한 폼 팩터를 갖는 원통형 원형 셀은 특히 자동차의 전기 드라이브에 전력을 공급하는데 적합하다.
본 발명에 따른 셀이 원통형 원형 셀인 실시예에서, 애노드 집전체, 캐소드 집전체 및 분리막 또는 분리막들은 바람직하게는 다음과 같은 치수를 갖는다:
- 0.5m내지 25m 범위의 길이
- 30 mm 내지 145 mm 범위의 폭
이 실시예에서, 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 원형 기본 형상을 갖는다.
원통형 실시예의 일부 바람직한 변형예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 리본-형상 양극 및 따라서 상기 제1 단부 면으로부터 돌출되는 상기 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립은 권선에서 인접한 턴들의 방사상 시퀀스를 포함함,
b. 상기 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립의 상기 세장형 융기부는 방사상 바깥쪽 또는 방사상 안쪽을 향함,
c. 상기 리본-형상 양극은 적어도 하나의 턴(turn), 바람직하게는 복수의 턴들을 포함하며, 상기 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립의 상기 세장형 융기부는 방사상 인접한 턴의 상기 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립의 상기 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입됨,
d. 상기 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립은 상기 제1 단부 면에 수직인 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이는 상기 단부 면의 적어도 80%를 덮음.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a 내지 c, 특히 바람직하게는 심지어 특징들 a 내지 d가 서로 조합되어 실현된다.
이 실시예는 특히 유리하다. 이상적으로, 연속적인 금속 층은 제 1 단부 면을 완전히 덮는 폐쇄형 층이다.
권선의 생산 중에 형성되는 인접한 턴들은 직경이 다르다. 내측 턴은 항상 외측 턴보다 직경이 작거나, 다시 말해 권선을 돌릴 때마다 권선의 직경이 바깥쪽으로 증가한다.
원통형 실시예의 일부 추가적인 특히 바람직한 변형예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 리본-형상 음극 및 따라서 상기 단부 면들 중 하나로부터 돌출되는 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립은 권선에서 인접한 턴들의 방사상 시퀀스를 포함함,
b. 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립의 상기 세장형 융기부는 방사상 바깥쪽 또는 방사상 안쪽을 향함,
c. 상기 리본-형상 음극은 적어도 하나의 턴, 바람직하게는 복수의 턴들을 포함하며, 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립의 상기 세장형 융기부는 방사상 인접한 턴의 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립의 상기 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입됨,
d. 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립은 상기 제2 단부 면에 수직한 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이는 상기 단부 면의 적어도 80%를 덮음.
여기서도, 바로 앞의 특징들 a 내지 3, 특히 바람직하게는 심지어 특징들 a 내지 d가 서로 조합되어 구현되는 것이 바람직하다.
각형 디자인
각형 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 내지 d를 특징으로 한다:
a. 상기 조립체는 상기 캐소드와 상기 애노드가 다른 캐소드들과 애노드들과 함께 적층되는 각형 스택의 형태임,
b. 전극들과 집전체들 뿐만 아니라 전극 재료들의 층들은 다각형, 특히 직사각형임,
c. 적어도 하나의 리본-형상 또는 다각형, 특히 직사각형의 분리막 또는 적어도 하나의 리본-형상 또는 다각형, 특히 직사각형의 고체 전해질을 포함함,
d. 상기 스택은 각형 하우징에 둘러싸여 있음.
스택에서, 반대 극성을 갖는 전극들은 항상 분리막 또는 고체 전해질 층에 의해 서로 분리된다.
각형 하우징은 바람직하게는 터미널 개구부가 있는 컵-형상 하우징 부분 및 뚜껑 구성요소로 구성된다. 이 실시예에서, 컵-형상 하우징 부분의 바닥과 뚜껑 구성요소는 다각형, 특히 바람직하게는 직사각형 기부(base)를 갖는 것이 바람직하다. 컵-형상 하우징 부분의 터미널 개구부의 형상은 바닥 및 뚜껑 구성요소의 형상에 상응한다. 또한, 하우징은 바닥과 뚜껑 구성요소를 서로 연결하는 여러 개, 바람직하게는 4개의 직사각형 측면 부분들을 포함한다.
분리막 층들은 여러 개의 분리막에 의해 형성될 수 있으며, 각 분리막은 인접한 전극들 사이에 배치된다. 그러나, 리본-형상 분리막이 스택의 전극들을 서로 분리시키는 것도 가능하다. 애노드들과 캐소드들 사이에 여러 개의 분리막들이 있는 경우, 분리막들은 다각형, 특히 직사각형의 기부 영역을 갖는 것이 바람직하다.
이 실시예에서, 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 직사각형의 기부 형상을 갖는다.
각형 실시예의 일부 바람직한 변형예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 스택의 각 캐소드는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립을 특징으로 함,
b. 상기 스택의 각 애노드는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립을 특징으로 함,
c. 상기 스택의 캐소드들의 상기 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들은 상기 스택의 일측으로부터 돌출되어 상기 제1 접촉 시트 금속 부재와 직접 접촉함,
d. 상기 스택의 애노드들의 상기 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들은 상기 스택의 다른 측으로부터 돌출되어 상기 제2 접촉 시트 금속 부재와 직접 접촉함.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a 내지 c 뿐만 아니라 b 및 d는 서로 조합하여 실현된다. 특징들 a 내지 d는 특히 서로 조합하여 구현되는 것이 바람직하다.
각형 실시예의 추가적인 바람직한 변형예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립들은 서로 평행하게 배치되어 있음,
b. 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 융기부들은 같은 방향을 가리킴,
c. 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 인접한 에지 스트립들은, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들 내로 그들의 세장형 돌출부들을 삽입함으로써, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들에 결합됨,
d. 상기 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립들은 돌출된 스택의 측면에 수직인 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 상기 측면의 적어도 80%를 완전히 덮음.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a 내지 c, 특히 바람직하게는 심지어 특징들 a 내지 d가 서로 조합되어 구현된다.
각형 실시예의 추가적인 바람직한 변형예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 내지 d 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 애노드 집전체의 자유 에지 스트립들은 서로 평행하게 배치되어 있음,
b. 인접한 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 융기부들은 같은 방향을 가리킴,
c. 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 인접한 에지 스트립들은, 인접한 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들 내로 그들의 세장형 돌출부들을 삽입함으로써, 인접한 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들에 결합됨,
d. 상기 애노드 집전체의 자유 에지 스트립들은 돌출된 스택의 측면에 수직인 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 상기 측면의 적어도 80%를 완전히 덮음.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a 및 c, 특히 바람직하게는 심지어 특징들 a 내지 d가 서로 조합되어 구현된다.
바람직한 전기화학적 실시예
본 발명의 추가적인 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 다음의 특징들 중 하나를 특징으로 한다:
a. 에너지 저장 요소는 리튬 이온 전지임,
b. 에너지 저장 요소는 리튬 이온 전지를 포함함.
특징 a는 원통형 원형 셀로서 본 발명에 따른 에너지 저장 요소의 설명된 실시예를 특히 지칭한다. 이 실시예에서, 에너지 저장 요소는 정확히 하나의 전기 화학 전지를 포함하는 것이 바람직하다.
특징 b는 특히 본 발명에 따른 에너지 저장 요소의 설명된 각형 실시예를 지칭한다. 이 실시예에서, 에너지 저장 요소는 또한 하나 초과의 전기 화학 전지를 포함할 수 있다.
기본적으로, 이차 리튬 이온 전지에 대해 알려진 모든 전극 재료가 에너지 저장 요소의 전극에 사용될 수 있다.
리튬을 인터칼레이팅할 수 있는 흑연계 탄소 또는 비-흑연계 탄소 물질과 같은 탄소-기반 입자, 바람직하게는 입자 형태로도, 음극의 활물질로서 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12) 또는 이의 유도체도 음극에 포함될 수 있으며, 바람직하게는 입자 형태로도 포함될 수 있다. 또한, 음극은 실리콘, 알루미늄, 주석, 안티몬 또는 예를 들어 실리콘 산화물과 같이 리튬을 가역적으로 저장 및 방출할 수 있는 이들 물질의 화합물 또는 합금을 포함하는 그룹으로부터 적어도 하나의 물질을 활물질로서 포함할 수 있으며, 선택적으로 탄소-기반 활물질과 조합된다. 주석, 알루미늄, 안티몬, 실리콘은 리튬과 금속간 상(intermetallic phases)을 형성할 수 있다. 특히 실리콘의 경우, 리튬을 흡수하는 용량이 흑연 또는 이와 유사한 물질보다 몇 배 이상 높다. 금속 리튬으로 만든 얇은 애노드도 가능하다.
양극에 적합한 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4와 같이 리튬 금속 산화물 화합물 및 리튬 금속 인산염 화합물을 포함한다. 화학식 LiNixMnyCozO2 (여기서 x + y + z는 전형적으로 1)의 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC)도 특히 적합하며, 화학식 LiMn2O4의 리튬 망간 스피넬(LMO) 또는 화학식 LiNixCoyAlzO2 (여기서 x + y + z는 전형적으로 1)의 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA)도 있다. 그 유도체, 예를 들어 화학식이 Li1.11(Ni0.40Mn0.39Co0.16Al0.05)0.89O2인 리튬 니켈 망간 코발트 알루미늄 산화물(NMCA) 또는 Li1+xM-O화합물 및/또는 앞서 언급한 물질의 혼합물도 사용될 수 있다. 캐소드성 활물질은 또한 입자 형태로 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소의 전극은 전극 바인더 및/또는 전기 전도도를 향상시키기 위한 첨가제를 포함하는 것이 바람직하다. 활물질은 전극 바인더의 매트릭스에 내장되는 것이 바람직하며, 매트릭스 내의 인접 입자들은 서로 직접 접촉하는 것이 바람직하다. 도전재는 전극의 전기 전도도를 높이는 기능을 한다. 일반적인 전극 바인더는 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오르화물(PVDF), 폴리 아크릴레이트 또는 카르복시메틸 셀룰로오스를 기반으로 한다. 일반적인 도전재는 카본 블랙과 금속 분말이다.
본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바람직하게는 전해질, 특히 리튬 이온 전지의 경우 유기 용매(예를 들어 유기 탄산염 또는 THF 또는 니트릴과 같은 순환 에테르의 혼합물)에 용해되어 존재하는 리튬 헥사플루오로인산(LiPF6)과 같은 적어도 하나의 리튬 염에 기초한 전해질을 포함하는 것이 바람직하다. 사용할 수 있는 다른 리튬 염으로는 예를 들어, 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI), 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI), 리튬 비스(옥살라토)붕산염(LiBOB) 등이 있다.
원통형 원형 셀로서 설계된 본 발명에 따른 리튬 이온 기반 에너지 저장 요소의 공칭 용량은 바람직하게는 최대 90000mAh이다. 21 x 70의 폼 팩터를 갖는 일 실시예의 리튬 이온 전지로서의 에너지 저장 요소는 1500mAh 내지 7000mAh 범위의 공칭 용량, 특히 바람직하게는 3000mAh 내지 5500mAh 범위의 공칭 용량을 갖는 것이 바람직하다. 18 x 65의 폼 팩터를 갖는 일 실시예의 리튬 이온 전지로서의 셀은 1000 mAh 내지 5000 mAh 범위의 공칭 용량, 특히 바람직하게는 2000 내지 4000 mAh 범위의 공칭 용량을 갖는 것이 바람직하다.
유럽연합에서는, 이차 전지의 공칭 용량에 대한 제조업체의 정보를 엄격하게 규제하고 있다. 예를 들어, 이차 니켈-카드뮴 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61951-1 및 IEC/EN 60622 표준에 따른 측정치를 기반으로 해야 하며, 이차 니켈-금속 수소화물 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61951-2 표준에 따른 측정치를 기반으로 해야 하고, 이차 리튬 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61960 표준에 따른 측정치를 기반으로 해야 하며, 이차 납산 배터리의 공칭 용량에 대한 정보는 IEC/EN 61056-1 표준에 따른 측정치를 기반으로 하여야 한다. 본 출원의 공칭 용량에 대한 모든 정보도 이러한 표준들을 기반으로 하는 것이 바람직하다.
분리막 및 고체 전해질의 바람직한 실시예
바람직하게는, 분리막 또는 분리막들은 전기 절연 플라스틱 필름으로부터 형성된다. 분리막은 전해질에 의해 투과될 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해, 사용되는 플라스틱 필름은 예를 들어 미세 기공을 가질 수 있다. 포일은 예를 들어 폴리올레핀 또는 폴리에테르 케톤으로 구성될 수 있다. 플라스틱 소재 또는 기타 전기 절연성 직물로 만든 부직포와 직물도 분리막으로 사용될 수 있다. 5μm 내지 50μm 범위의 두께를 가진 분리막이 바람직하다.
특히 에너지 저장 요소의 각형 실시예에서, 조립체의 분리막 또는 분리막들은 고체 전해질의 하나 이상의 층일 수도 있다.
고체 전해질은 예를 들어, 액체 성분 없이 단상(single phase)으로 존재하는 고분자 전도성 염 복합체에 기반한 고분자 고체 전해질이다. 폴리머 고체-상태 전해질은 고분자 매트릭스로서 폴리 아크릴산(PAA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 가질 수 있다. 리튬 비스-(트리플루오로메탄)설포닐이미드(LiTFSI), 리튬 헥사플루오로인산염(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4)와 같은 리튬 전도성 염이 여기에 용해될 수 있다.
권선으로서 형성된 조립체의 바람직한 구조
리본-형상 애노드, 리본-형상 캐소드 및 리본-형상 분리막(들)은 권선으로서 형성된 조립체에서 나선형으로 감겨있는 것이 바람직하다. 조립체를 생성하기 위해, 리본-형상 전극은 리본-형상 분리막(들)과 함께 권취 장치로 공급되고, 바람직하게는 권취 장치 내의 권취 축선을 중심으로 나선형으로 감겨진다. 일부 실시예에서, 전극 및 분리막은 이러한 목적을 위해 원통형 또는 중공-원통형 권취 코어에 감겨지며, 이는 권심(winding mandrel)에 장착되고 권취 후에도 권선에 남아 있다.
권취 쉘은 예를 들어 플라스틱 필름이나 접착 테이프에 의해 형성될 수 있다. 권취 쉘은 하나 이상의 분리막 권선들에 의해서 형성될 수도 있다.
집전체의 바람직한 실시예
에너지 저장 요소의 집전체는 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 각 전극 재료에 포함된 전기 화학적 활성 성분과 전기적으로 접촉하는 기능을 갖는다. 바람직하게는, 집전체는 금속으로 구성되거나 적어도 표면이 금속화되어 있다. 리튬 이온 기술을 기반으로 하는 에너지 저장 요소의 경우, 애노드 집전체에 적합한 금속은 구리 또는 니켈 또는 기타 전기 전도성 재료, 특히 구리 및 니켈 합금 또는 니켈 코팅 금속을 포함한다. 스테인리스 스틸도 옵션이다. 리튬 이온 기술을 기반으로 하는 에너지 저장 요소의 경우, 캐소드 집전체의 금속으로서 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함한 기타 전기 전도성 재료가 특히 적합하다.
바람직하게는, 애노드 집전체 및/또는 캐소드 집전체는 각각 4㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는 금속 호일이며, 원통형 원형 셀로서 에너지 저장 요소의 설명된 구성의 경우, 4㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는 리본-형상 금속 호일이다.
그러나 호일 외에도 금속 또는 금속화 부직포 또는 개방-기공형(open-pored) 금속 폼(foams) 또는 팽창형 금속(expanded metals)과 같은 다른 스트립-형상 기판도 집전체로서 사용될 수 있다.
원통형 원형 셀로서 에너지 저장 요소의 설명된 구성의 경우, 분리막의 길이방향 에지가 권선으로서 설계된 조립체의 단부 면을 형성하는 것이 바람직하다.
설명된 에너지 저장 요소의 각형 구성의 경우, 분리막(들)의 에지가 집전체의 자유 에지 스트립이 돌출되는 스택의 측면을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 권선의 터미널 단부 면 또는 스택의 측면으로부터 돌출되는 집전체의 자유 에지 스트립은 단부 면 또는 측면으로부터 5500 μm, 바람직하게는 4000 μm를 초과하여 돌출하지 않는 것이 바람직하다.
특히 바람직하게는, 애노드 집전체의 자유 에지 스트립은 스택의 측면 또는 권선의 단부 면으로부터 3000㎛ 이하, 특히 바람직하게는 2000㎛ 이하로 돌출된다. 특히 바람직하게는, 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립은 스택의 측면 또는 권선의 단면으로부터 4000 μm 이하, 특히 바람직하게는 3000 μm 이하로 돌출된다.
제1 접촉 시트 금속 부재의 바람직한 실시예 / 애노드 집전체에 대한 제1 접촉 시트 금속 부재의 연결
제1 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 애노드 집전체에 전기적으로 연결된다. 특히 바람직하게는 용접을 통해 애노드 집전체의 자유 에지 스트립에 직접 연결된다.
추가적으로 또는 대안적인 실시예에서, 제1 접촉 시트 금속 부재는 예를 들어 프레스 연결 또는 클램프 연결 또는 스프링 연결에 의해 애노드 집전체의 자유 에지 스트립에 기계적으로 연결될 수도 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제 1 접촉 시트 금속 부재는 바로 아래의 특징들 a 또는 b 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 접촉 시트 금속 부재는 니켈 또는 구리 또는 티타늄 또는 니켈 또는 구리 또는 티타늄 합금 또는 스테인리스강으로 구성됨,
b. 접촉 시트 금속 부재는 애노드 집전체와 동일한 재료로 구성됨.
바로 앞의 특징들 a 및 b는 서로 조합하여 구현되는 것이 바람직하다.
접촉 시트 금속 부재는 하우징에 전기적으로 연결되거나 하우징을 통과하고 하우징과 전기적으로 절연되는 접촉 폴(contact pole)에 전기적으로 연결된다. 전기적 접촉은 용접 또는 기계적 연결로 실현될 수 있다. 필요한 경우, 전기적 연결은 별도의 전기 도체를 통해 이루어질 수도 있다.
본 발명의 추가적인 특히 바람직한 실시예에서, 제1 접촉 시트 금속 부재는 바로 아래의 특징들 a 내지 g 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 50㎛ 내지 600㎛ 범위에서, 바람직하게는 150㎛ 내지 350㎛ 범위에서 균일한 두께를 가짐,
b. 접촉 시트 금속 부재는 두 개의 반대되는 평평한 측면들을 가지며 본질적으로 일 차원으로만 확장됨,
c. 접촉 시트 금속 부재는 디스크 또는 바람직하게는 직사각형 플레이트임,
d. 접촉 시트 금속 부재는 그에 연결된 애노드 집전체의 자유 에지 스트립이 나오는 측면 또는 단부 면의 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 특히 바람직하게는 적어도 80%를 덮도록 치수가 정해져 있음,
e. 접촉 시트 금속 부재는 적어도 하나의 구멍, 특히 적어도 하나의 홀 및/또는 적어도 하나의 슬롯을 가짐,
f. 접촉 시트 금속 부재는 적어도 하나의 비드를 가지며, 이는 접촉 시트 부재의 하나의 평평한 측면에 세장형 함몰부로서 나타나고 반대되는 평평한 측면에 세장형 융기부로서 나타나며, 접촉 시트 금속 부재는 애노드 집전체의 자유 에지 스트립에 세장형 융기부를 갖는 평평한 측면과 함께 놓임,
g. 접촉 시트 금속 부재는 비드 영역에서, 특히 비드에 배치된 하나 이상의 용접 이음매를 통해 애노드 집전체의 자유 에지 스트립에 용접됨.
바로 앞의 특징들 a 및 b 및 d는 서로 조합하여 구현되는 것이 특히 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 특징들 a 및 b 및 d는 특징들 c 또는 e 또는 특징들 f 및 g 중 하나와 조합하여 구현된다. 특히 바람직하게는, 모든 특징들 a 내지 g가 서로 조합하여 구현된다.
접지된 에너지 저장 요소의 열 관리를 위해서는 가능한 한 많은 단부 면을 덮는 것이 중요하다. 커버가 클수록, 전체 길이에 걸쳐 애노드 집전체의 제1 에지와 접촉하기가 더 쉬워진다. 따라서 조립체에서 형성된 열이 접촉 시트 금속 부재를 통해 잘 방출될 수 있다.
예를 들어, 접촉 시트 금속 부재에 있는 적어도 하나의 구멍은 조립체에 전해질을 함침시킬 수 있도록 하기 위해 편리할 수 있다.
제2 접촉 시트 금속 부재의 바람직한 실시예/캐소드 집전체에 대한 제2 접촉 시트 금속 부재의 연결
제2 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 캐소드 집전체에 전기적으로 연결된다. 특히 바람직하게는 용접을 통해 직접 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립에 연결된다.
그러나, 대안적인 실시예에서, 제2 접촉 시트 금속 부재는 예를 들어 프레스 연결, 스프링 연결 또는 클램프 연결에 의해 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립에 기계적으로 연결될 수도 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징 a를 특징으로 한다:
a. 제2 접촉 시트 금속 부재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성됨.
접촉 시트 금속 부재는 하우징에 전기적으로 연결되거나 하우징을 통과하고 하우징과 전기적으로 절연되는 접촉 폴(contact pole)에 전기적으로 연결된다. 전기적 접촉은 용접 또는 기계적 연결로 실현될 수 있다. 필요한 경우, 전기적 연결은 별도의 전기 도체를 통해 이루어질 수도 있다.
제2 접촉 시트 금속 부재는, 재료 성질을 제외하고, 애노드 집전체의 자유 에지 스트립에 놓이는 접촉 시트 금속 부재와 유사한 것이 바람직하다. 바람직하게는 바로 아래의 특징들 a 내지 g 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 제2 접촉 시트 금속 부재는 바람직하게는 50㎛ 내지 600㎛ 범위에서, 바람직하게는 150㎛ 내지 350㎛ 범위에서 균일한 두께를 가짐,
b. 제2 접촉 시트 금속 부재는 두 개의 반대되는 평평한 측면들을 가지며 본질적으로 일 차원으로만 확장됨,
c. 제2 접촉 시트 금속 부재는 디스크 또는 바람직하게는 직사각형 플레이트임,
d. 제2 접촉 시트 금속 부재는 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립이 나오는 측면 또는 단부 면의 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 특히 바람직하게는 적어도 80%를 덮도록 치수가 정해져 있음,
e. 제2 접촉 시트 금속 부재는 적어도 하나의 구멍, 특히 적어도 하나의 홀 및/또는 적어도 하나의 슬롯을 가짐,
f. 제2 접촉 시트 금속 부재는 적어도 하나의 비드를 가지며, 이는 접촉 시트 금속 부재의 하나의 평평한 측면에 세장형 함몰부로서 나타나고 반대되는 평평한 측면에 세장형 융기부로서 나타나며, 접촉 시트 금속 부재는 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립에 세장형 융기부를 갖는 평평한 측면과 함께 놓임,
g. 제2 접촉 시트 금속 부재는 비드 영역에서, 특히 비드에 배치된 하나 이상의 용접 이음매를 통해 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립에 용접됨.
여기서도 마찬가지로, 바로 앞의 특징들 a 및 b 및 d는 서로 조합하여 구현되는 것이 특히 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 특징들 a 및 b 및 d는 특징들 c 또는 e 또는 특징들 f 및 g 중 하나와 조합하여 구현된다. 특히 바람직한 실시예에서, 모든 특징들 a 내지 g가 서로 조합하여 구현된다.
캐소드 집전체의 자유 에지 스트립을 제2 접촉 시트 금속 부재에 연결 또는 용접하는 것은 전술한 애노드 집전체의 자유 에지 스트립의 연결과 동일한 방식으로, 즉 특히 바람직하게는 비드 영역에서의 용접을 통해 실현되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 제2 접촉 시트 금속 부재는 컵-형상 하우징 부분의 바닥 또는 바닥의 일부에 직접 용접된다. 추가적인 바람직한 실시예에서, 제2 접촉 시트 금속 부재는 별도의 전류 도체를 통해 컵-형상 하우징 부분의 바닥에 연결된다. 후자의 경우, 별도의 전류 도체는 컵-형상 하우징 부분의 바닥과 제2 접촉 시트 금속 부재에 모두 용접되는 것이 바람직하다. 별도의 전류 도체는 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다.
하우징 부분의 바람직한 실시예
본 발명의 추가적인 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 및 b 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 컵-형상 하우징 부분은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 니켈 도금 스틸로 구성됨,
b. 뚜껑 구성요소는 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 니켈 도금 스틸로 구성됨.
바로 앞의 특징들 a 및 b는 특히 조합하여 구현되는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립을 하우징에 직접 연결하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 예를 들어 레이저를 사용하여 자유 에지 스트립을 컵-형상 하우징 부분의 바닥에 용접할 수 있다. 이 경우, 컵-형상 하우징 부분의 바닥은 제 2 접촉 플레이트 역할을 한다.
반대로, 일부 실시예에서는, 제1 접촉 플레이트가 뚜껑 구성요소로서, 즉 하우징의 일부로서 기능할 수 있다.
전극의 바람직한 실시예
본 발명의 추가적인 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 바로 아래의 특징들 a 또는 b 중 하나를 특징으로 한다:
a. 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 원통형 원형 셀로서 설계되고, 그 전극은 40㎛ 내지 300㎛ 범위, 바람직하게는 40㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 가짐,
b. 본 발명에 따른 에너지 저장 요소는 각형이고 그 전극은 40 μm 내지 1000 μm 범위의 두께를 가지며, 바람직하게는 100 μm보다 크고 최대 300 μm의 두께를 가짐.
본 발명에 따른 방법
본 발명에 따른 방법은 상술한 에너지 저장 요소, 특히 다음과 같은 특징들을 갖는 에너지 저장 요소를 제조하는데 사용된다:
a. 조립체의 부분들인 캐소드 및 애노드를 포함하며, 상기 조립체에서 상기 캐소드와 상기 애노드는, 분리막 또는 고체 전해질 층에 의해 분리되어, 캐소드/분리막 또는 고체 전해질 층/애노드의 시퀀스로 존재함,
b. 상기 캐소드는 캐소드 집전체 및 양극 재료를 포함함,
c. 상기 캐소드 집전체는:
- 양극 재료의 층으로 양측에 로딩된(loaded) 메인 영역, 및
- 상기 캐소드 집전체의 하나의 에지를 따라 연장되고 양극 재료로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립
을 가짐,
d. 상기 애노드는 애노드 집전체 및 음극 재료를 포함함,
e. 상기 애노드 집전체는:
- 음극 재료의 층으로 양측에 로딩된 메인 영역, 및
- 상기 애노드 집전체의 에지를 따라 연장되고 음극 재료로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립을 가짐,
f. 상기 캐소드와 상기 애노드는, 캐소드 집전체의 상기 자유 에지 스트립이 조립체의 일측으로부터 돌출되고 상기 애노드 집전체의 상기 자유 에지 스트립이 조립체의 다른 측으로부터 돌출되는 방식으로, 전극-분리막 조립체 내에서 서로에 대해 형성되고/형성되거나 배치됨,
g. 상기 에너지 저장 소자는, 상기 자유 에지 스트립들 중 하나와 직접 접촉하는 제1 접촉 시트 금속 부재, 및 상기 자유 에지 스트립들 중 다른 하나와 직접 접촉하는 제2 접촉 시트 금속 부재를 포함함.
제조될 에너지 저장 요소의 개별 구성요소의 바람직한 실시예와 관련하여, 본 발명에 따른 에너지 저장 요소의 설명과 관련하여 상기 설명이 참조된다.
이 방법은 특히 다음의 단계를 특징으로 한다:
h. 상기 조립체가 형성되기 전에, 적어도 하나의 에지 스트립은 성형 공정을 거치며, 그 결과 U-형상 또는 V-형상 단면 및 일측 상에 세장형 함몰부 또는 만입부와 다른 측 상에 상기 함몰부에 상응하는 세장형 융기부를 가짐.
특히 바람직한 실시예에서, 이 방법은 다음의 단계를 추가적으로로 특징으로 한다:
a. 성형을 위해, 성형될 에지 스트립은 롤러 또는 압축기에 의해 형성된 V- 또는 U-형상 갭을 통해 안내됨.
추가적인 특히 바람직한 실시예에서, 이 방법은 바로 다음의 단계들 a 내지 e의 조합을 추가적으로 특징으로 한다:
a. 리본-형상 집전체들을 구비한 리본-형상 전극들과 전극 재료들의 리본-형상 층들이 상기 조립체를 형성하는데 사용됨,
b. 적어도 하나의 리본-형상 분리막 또는 적어도 하나의 리본-형상 고체 전해질 층이 상기 조립체를 형성하는데 사용됨,
c. 전극들과 적어도 하나의 리본-형상 분리막 또는 적어도 하나의 리본-형상 고체 전해질 층을 권취 축선을 중심으로 나선형으로 감음으로써 상기 조립체는 원통형 권선의 형태로 형성됨,
d. 전극들을 감을 때, 인접한 턴들의 시퀀스가 생성됨, 및
e. 전극들을 감을 때, 전극 턴의 에지 스트립의 세장형 융기부는 인접한 턴의 세장형 함몰부 또는 만입부 내로 밀어짐.
이 공정 변형예는 원통형 디자인의 에너지 저장 소자를 제조하는 데 사용된다.
특히 바람직한 또 다른 실시예에서, 이 방법은 바로 다음의 단계 a 내지 f의 조합을 추가적으로 특징으로 한다:
a. 다각형 전극들은 상기 조립체를 형성하는데 사용됨,
b. 캐소드 및 애노드가 다른 캐소드들 및 애노드들과 함께 적층되는 각형 스택의 형태로 상기 조립체는 형성됨,
c. 상기 스택의 각 캐소드는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립을 특징으로 함,
d. 상기 스택의 각 애노드는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립을 특징으로 함,
e. 상기 스택을 형성할 때, 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들은, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들 내로 그들의 세장형 돌출부들을 삽입함으로써, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들과 결합됨,
f. 상기 스택을 형성할 때, 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들은, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들 내로 그들의 세장형 돌출부들을 삽입함으로써, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들과 결합됨.
이 공정 변형예는 각형 디자인의 에너지 저장 소자를 제조하는 데 사용된다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들은 청구범위 및 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백하다. 개별적인 특징들은 개별적으로 또는 서로 조합하여 구현될 수 있다.
도면은 개략적으로 다음을 보여준다.
- 도 1은 종래 기술의 셀을 관통하는 단면의 도면으로, 접촉 플레이트가 집전체의 돌출된 에지에 눌려져 있다,
- 도 2는 전극 재료로 코팅되지 않은 자유 에지 스트립을 갖고 양극 재료로 양면이 코팅된 집전체(평면도 및 단면도),
- 도 3은 전극 재료로 코팅되지 않은 자유 에지 스트립을 갖고 음극 재료로 양면이 코팅된 집전체(평면도 및 단면도),
- 도 4는 V-형상 단면을 가진 에지 스트립의 형성,
- 도 5는 캐소드와 애노드를 나선형으로 감아 형성된 원통형 조립체의 일부 턴들을 관통한 섹션,
- 도 6은 캐소드와 애노드를 나선형으로 감아 형성된 원통형 조립체의 다른 실시예의 단면도, 및
- 도 7은 U-형상 단면을 가진 에지 스트립의 형성, 및
- 도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장 요소로서, 각형 조립체 및 이를 위한 하우징을 포함함(단면도).
도 1은 음극과 양극 그리고 그 사이에 분리막(미도시)으로 구성된 조립체(203)의 일측으로부터 돌출된 집전체의 돌출하는 에지(202)에 접촉 플레이트(201)를 누른 결과를 나타낸 것이다. 압착하는 동안, 집전체의 에지(202)에 제어되지 않은 압축이 발생했다. 압축으로 인해, 에지(202)의 오른쪽 영역에서 특히 명확하게 볼 수 있듯이, 정의되지 않은 접힘이 발생한다. 이로 인해 집전체 에지(202)와 접촉 플레이트(201) 사이의 대면적, 형상-결합(form-fit) 접촉이 더 어려워진다.
도 2는 양극 재료(117)의 층이 양측에 적용된 캐소드 집전체(101a)를 첫째는 위에서 본 평면도에서 그리고 둘째는 단면도(S1을 따라 단면)에서 보여준다. 집전체(101)는 바람직하게는 알루미늄 호일이다.
스트립-형상 집전체(101a)는 전극 재료(117)가 로딩된 메인 영역(101b)과 전극 재료가 없는 스트립-형상 에지 스트립(101c)을 포함한다.
도 3은 음극 재료(118)의 층이 양측에 적용된 애노드 집전체(102a)를 첫째는 위에서 본 평면도에서 그리고 둘째는 단면도(S2를 따라 단면)에서 보여준다. 집전체(101)는 바람직하게는 구리 호일이다.
스트립-형상 집전체(102a)는 전극 재료(118)가 로딩된 메인 영역(102b)과 전극 재료가 없는 스트립-형상 에지 스트립(102c)을 포함한다.
도 4는 V-형상 단면을 가진 에지 스트립의 형성을 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이, 집전체 (101a)의 자유 에지 스트립(101c)은 두 개의 롤러(R1 및 R2)에 의해 형성된 V-형상 갭을 통해 길이 방향으로 안내된다. 이 과정에서, 에지 스트립(101c)은 변형되어 일측에는 세장형 함몰부 또는 만입부(121)가 있고 다른 측에는 함몰부(121)에 상응하는 세장형 융기부(122)가 있는 특징적인 V-형상 단면이 부여된다.
이러한 과정의 결과는 도 5에 설명되어 있다. 리본-형상 캐소드(101)와 리본-형상 애노드(102)를 나선형으로 감아 형성된 원통형 조립체(109)의 여러 턴들(turns)을 관통한 단면이 도시되어 있다. 조립체(109) 내에서, 캐소드(101)와 애노드(102)는 두 개의 리본-형상 분리막 또는 고체 전해질 층(110 및 111)들에 의해 서로 분리되어 있다. 캐소드(101)와 애노드(102)는 모두 도 4에 따라 전처리를 거쳤으며, 그 과정에서 집전체의 자유 에지 스트립(101c 및 102c)에 V-형상 단면이 부여되었다.
원통형 권선으로서 형성된 조립체(109)는 제1 및 제2 터미널 단부 면(109a, 109a) 및 권취 쉘을 갖는다. 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립(101c)은 제1 단부 면(109a)으로부터 돌출되고, 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c)은 제2 단부 면(109b)으로부터 돌출된다.
도 6은 테이프-형상 캐소드와 테이프-형상 애노드를 나선형으로 감아 권선으로서 형성된 원통형 조립체의 추가적인 실시예의 단면도를 도시한다. 권선은 제1 단부 면(109a) 및 제2 단부 면(109b)을 갖는다. 개략적인 개요를 위해, 여기서는 각각의 자유 에지 스트립(101c 및 102c)과 함께 집전체(101a 및 102a)만 표시된다. 전극 재료 및 전극들 사이에 배치된 분리막은 도시되지 않는다.
단부 면(109a)으로부터 돌출된 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립(101c)은 권선 내 인접한 턴(141-156)들의 방사상 시퀀스를 포함한다. 단부 면(109b)으로부터 돌출된 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c)은 권선 내 인접한 턴(160-174)들의 방사상 시퀀스를 포함한다. 자유 에지 스트립(101c 및 102c)들은 도 4에 따라 전처리를 거쳤으며, 그 과정에서 각각 V-형상 단면이 부여되었다. 권선 자체에서, 애노드와 캐소드는 서로 약간 오프셋되어 배열되었다. 그림에서, 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립(101c)의 세장형 융기부(122)는 방사상 안쪽을 향하고 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c)의 세장형 융기부(123)는 방사상 바깥쪽을 향한다. 물론, 대안적인 실시예들에서, 세장형 융기부(122 및 123)가 두 경우 모두 안쪽을 향하거나 또는 두 경우 모두 바깥쪽을 향하거나, 또는 세장형 융기부(123)가 방사상 안쪽을 향하고 세장형 융기부(122)가 방사상 바깥쪽을 향하는 것도 상정할 수 있다.
에지 스트립(101c 및 102c)의 폭은, 턴의 세장형 융기부가 방사상 인접한 턴의 세장형 함몰부 또는 만입부 내에 삽입되는 방식으로 치수가 결정된다. 캐소드 측에서는, 각 턴(가장 안쪽 및 가장 바깥쪽 제외)의 융기부(122)가 다음 내측 턴의 함몰부(121) 내에 삽입된다. 각 턴의 애노드 측(가장 안쪽 및 가장 바깥쪽 제외)에서, 돌출부(123)는 다음 가장 바깥쪽 턴의 함몰부(124) 내에 삽입된다.
그 결과, 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립(101c)은 단부 면(109a)에 수직인 시야 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이는 본 경우에 단부 면(109a)을 완전히 덮는다. 애노드 측의 경우도 마찬가지이며, 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c)은 단부 면(109b)에 수직인 시야 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이는 본 경우에 단부 면(109b)을 완전히 덮는다.
권선의 단부 면(109a 및 109B)들은 접촉 시트 금속 부재(119 및 120)들에 의해 덮여 있다. 접촉 시트 금속 부재(119)는 에지 스트립(101c)과 직접 접촉하고, 접촉 시트 금속 부재(120)는 에지 스트립(102c)과 직접 접촉한다. 접촉 시트 금속 부재들이 적용될 때, 에지 스트립(101c 및 102c)들은 서로 약간 눌려질 수 있다. 반대로, 에지 스트립(101c 및 102c)들은 접촉 시트 금속 부재들에 스프링 힘을 가하여 시트들과의 접촉을 강화할 수 있다. 접촉 시트 금속 부재(119 및 120)들과 에지 스트립들 사이에는 용접 연결이 특히 바람직하다.
도 7은 U-형상 단면을 갖는 에지 스트립의 형성을 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이 캐소드(101)의 자유 에지 스트립(101c)은 두 개의 롤러(R1 및 R2)에 의해 형성된 U-형상 갭을 통해 길이방향으로 안내된다. 이 과정에서, 에지 스트립(101c)은 변형되어 일측에는 세장형 함몰부 또는 만입부(121)가 있고 다른 측에는 함몰부(121)에 상응하는 세장형 융기부(122)가 있는 특징적인 U-형상 단면이 부여된다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장 요소(100)를 도시한다. 이는 각형 조립체(109)와 각형 하우징(125)을 포함한다. 각형 하우징(125)은 컵-형상 하우징 부분(128)과 뚜껑 구성요소(129)로 구성된다. 용접에 의해 접촉 시트 금속 부재(120)에 연결되는 접촉 폴(126)은 뚜껑 구성요소(129)를 통해 안내된다. 접촉 폴(126)은 절연 요소(127)에 의해 뚜껑 구성요소(129)로부터 전기적으로 절연된다. 접촉 시트 금속 부재(119)는 하우징 부분(128)의 바닥에 용접된다.
하우징 부분은 각형 스택의 형태의 조립체(109)를 포함한다. 양극(101, 103, 105 및 107)들과 음극(102, 104, 106 및 108)들은 스택에 적층되며, 각각의 경우 분리막 층(110, 111, 112, 113, 114, 115 및 116)들에 의해 분리되어 있다. 전극은 각각 직사각형의 기본 형상을 갖는다.
양극의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c 및 107c)과 음극의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c 및 108c)은 도 4에 따른 전처리를 거쳤으며, 그 과정에서 각각 V-형상 단면이 부여되었다. 따라서 이들은 각각 일측에 세장형 함몰부와 다른 측에 세장형 융기부를 갖는다.
자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)은 각형 스택의 일측으로부터 돌출되어 있으며 모두 접촉 시트 금속 부재(119)와 직접 접촉한다. 이들은 모두 서로 평행하게 배열되어 있으며 에지 스트립들의 세장형 융기부들은 모두 같은 방향을 향한다. 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c 및 108c)들은 각형 스택의 반대 측으로부터 돌출되어 있으며 모두 접촉 시트 금속 부재(120)와 직접 접촉한다. 또한 이들은 모두 서로 평행하게 배열되어 있으며 세장형 돌출부도 모두 같은 방향을 향한다.
자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c 및 107c)은 세장형 융기부 또는 세장형 함몰부 또는 만입부를 통해 서로 결합된다. 따라서, 에지 스트립(101c)의 세장형 융기부는 에지 스트립(103c)의 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입되고, 에지 스트립(103c)의 세장형 융기부는 에지 스트립(105c)의 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입되며, 에지 스트립(105c)의 세장형 융기부는 에지 스트립(107c)의 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입된다. 그림은 애노드 측에서도 동일하며, 여기서 에지 스트립(108c)의 세장형 융기부가 에지 스트립(106c)의 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입되고, 에지 스트립(106c)의 세장형 융기부가 에지 스트립(104c)의 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입되고 에지 스트립(104c)의 세장형 융기부가 에지 스트립(102c)의 세장형 함몰부 또는 만입부에 삽입된다. 그 결과, 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c 및 107c)은 돌출된 측면에 수직으로 볼 때 스택의 측면을 거의 완전히 덮는 연속적인 금속 층을 형성한다. 애노드 측에서, 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c 및 108c)은 돌출된 스택의 측면에 수직으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이 측면을 거의 완전히 덮는다.

Claims (13)

  1. 에너지 저장 요소(100)로서,
    특징들:
    a. 조립체(109)의 부분인 캐소드(101) 및 애노드(102)를 포함하며, 상기 조립체(109)에서 상기 캐소드(101)와 상기 애노드(102)는 분리막 또는 고체 전해질 층(110)에 의해 분리되고, 상기 조립체(109)에서 상기 캐소드(101)와 상기 애노드(102)는 캐소드(101)/분리막 또는 고체 전해질 층(110)/애노드(102)의 시퀀스로 존재함,
    b. 상기 캐소드(101)는 캐소드 집전체(101a) 및 양극 재료(117)를 포함함,
    c. 상기 캐소드 집전체(101a)는:
    - 양극 재료(117)의 층으로 양측에 로딩된(loaded) 메인 영역(101b), 및
    - 상기 캐소드 집전체(101a)의 에지를 따라 연장되고 양극 재료(117)로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립(101c)
    을 가짐,
    d. 상기 애노드(102)는 애노드 집전체(102a) 및 음극 재료(118)를 포함함,
    e. 상기 애노드 집전체(102a)는:
    - 음극 재료(118)의 층으로 양측에 로딩된 메인 영역(102b), 및
    - 상기 애노드 집전체(102a)의 에지를 따라 연장되고 음극 재료(118)로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립(102c)
    을 가짐,
    f. 상기 캐소드(101)와 상기 애노드(102)는 전극-분리막 조립체(109) 내에서 서로에 대해 형성되고/형성되거나 배치되어, 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)이 조립체(109)의 일측(109a)으로부터 돌출되고 상기 애노드 집전체(102a)의 상기 자유 에지 스트립(102c)이 조립체(109)의 다른 측(109b)으로부터 돌출됨,
    g. 상기 에너지 저장 소자는, 상기 자유 에지 스트립(101c, 102c)들 중 하나와 직접 접촉하는 제1 접촉 시트 금속 부재(119), 및 상기 자유 에지 스트립(101c, 102c)들 중 다른 하나와 직접 접촉하는 제2 접촉 시트 금속 부재(120)를 포함함, 및
    h. 상기 접촉 시트 금속 부재(119, 120)들 중 하나와 직접 접촉하는 에지 스트립(101c, 102c)들 중 적어도 하나는, 성형 공정의 결과로서 U-형상 또는 V-형상 단면을 가지며, 그에 따라 일측 상에 세장형 함몰부 또는 만입부(121)와 다른 측 상에 상기 함몰부(121)에 상응하는 세장형 융기부(122)를 가짐
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 전극(101, 102)들과 집전체(101a, 102a)들 뿐만 아니라 전극 재료(117, 118)들의 층들은 리본-형상임,
    b. 적어도 하나의 리본-형상 분리막(110, 111) 또는 적어도 하나의 리본-형상 고체 전해질 층(110)을 포함함,
    c. 상기 조립체(109)는 상기 전극(101, 102)들과 상기 적어도 하나의 분리막(110, 111)이 권취 축선을 중심으로 나선형으로 감겨 있는 원통형 권선의 형태이며, 여기서 상기 조립체(109)는 제1 및 제2 터미널 단부 면(109a, 109b) 및 권취 쉘(109b)을 포함하고, 상기 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)은 상기 제1 단부 면(109a)으로부터 돌출되고, 상기 애노드 집전체(102a)의 상기 자유 에지 스트립(102c)은 상기 제2 단부 면(109b)으로부터 돌출됨,
    d. 원통형 하우징, 특히 원주형 하우징 쉘, 및 단부 면들에서 원형 바닥과 뚜껑을 포함하는 원통형 금속 하우징을 포함함, 및
    e. 상기 하우징에서, 권선 형태의 상기 조립체(109)는 축선 방향으로 정렬되어, 상기 권취 쉘이 상기 원주형 하우징 쉘의 내측에 접함
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  3. 제2항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 리본-형상 양극(101) 및 따라서 상기 제1 단부 면(109a)으로부터 돌출되는 상기 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)은 권선에서 인접한 턴(160-174)들의 방사상 시퀀스를 포함함,
    b. 상기 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)의 상기 세장형 융기부(122)는 방사상 바깥쪽 또는 방사상 안쪽을 향함,
    c. 상기 리본-형상 양극(101)은 적어도 하나의 턴(turn), 바람직하게는 복수의 턴(141-156)들을 포함하며, 상기 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)의 상기 세장형 융기부(122)는 방사상 인접한 턴의 상기 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)의 상기 세장형 함몰부 또는 만입부(121)에 삽입됨,
    d. 상기 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)은 상기 제1 단부 면(109a)에 수직인 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이는 상기 단부 면(109a)의 적어도 80%를 덮음
    중 적어도 하나를 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 리본-형상 음극(101) 및 따라서 상기 제2 단부 면(109b)으로부터 돌출되는 상기 애노드 집전체(102)의 상기 자유 에지 스트립(102c)은 권선에서 인접한 턴(141-156)들의 방사상 시퀀스를 포함함,
    b. 상기 애노드 집전체(102)의 상기 자유 에지 스트립(102c)의 상기 세장형 융기부(123)는 방사상 바깥쪽 또는 방사상 안쪽을 향함,
    c. 상기 리본-형상 음극(102)은 적어도 하나의 턴(turn), 바람직하게는 복수의 턴(160-175)들을 포함하며, 상기 애노드 집전체(102a)의 상기 자유 에지 스트립(102c)의 상기 세장형 융기부(123)는 방사상 인접한 턴의 상기 애노드 집전체(102a)의 상기 자유 에지 스트립(102c)의 상기 세장형 함몰부 또는 만입부(124)에 삽입됨,
    d. 상기 애노드 집전체(102a)의 상기 자유 에지 스트립(102c)은 상기 제2 단부 면(109b)에 수직인 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 이는 상기 단부 면(109b)의 적어도 80%를 덮음
    중 적어도 하나를 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  5. 제1항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 조립체(109)는 상기 캐소드(101)와 상기 애노드(102)가 추가적인 캐소드(103, 105, 107)들과 애노드(104, 106, 108)들과 함께 적층되는 각형 스택의 형태임,
    b. 전극(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 및 108)들과 집전체(101a, 102a, 103a, 104a, 105a, 106a, 107a 및 108a)들 뿐만 아니라 전극 재료들의 층들은 다각형, 특히 직사각형임,
    c. 적어도 하나의 리본-형상 또는 다각형, 특히 직사각형의 분리막(110, 111, 112, 113, 114, 115, 116) 또는 적어도 하나의 리본-형상 또는 다각형, 특히 직사각형의 고체 전해질을 포함함,
    d. 상기 스택은 각형 하우징(125)에 둘러싸여 있음
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  6. 제5항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 스택의 각 캐소드(101, 103, 105, 107)는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)을 특징으로 함,
    b. 상기 스택의 각 애노드(102, 104, 106, 108)는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)을 특징으로 함,
    c. 상기 스택의 캐소드들의 상기 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)들은 상기 스택의 일측으로부터 돌출되어 상기 제1 접촉 시트 금속 부재(119)와 직접 접촉함,
    d. 상기 스택의 애노드들의 상기 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)들은 상기 스택의 다른 측으로부터 돌출되어 상기 제2 접촉 시트 금속 부재(120)와 직접 접촉함
    중 적어도 하나를 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 캐소드 집전체의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)들은 서로 평행하게 배치되어 있음,
    b. 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)들의 세장형 융기부들은 같은 방향을 가리킴,
    c. 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)들의 인접한 에지 스트립들은 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들로 삽입되는 세장형 돌출부들에 의해 함께 결합됨,
    d. 상기 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)들은 돌출된 측면에 수직인 방향으로 상기 스택의 상기 측면의 적어도 80%를 완전히 덮는 연속적인 금속 층을 형성함
    중 적어도 하나를 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)들은 서로 평행하게 배치되어 있음,
    b. 인접한 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)들의 세장형 융기부들은 같은 방향을 가리킴,
    c. 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)들의 인접한 에지 스트립들은 인접한 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들로 삽입되는 세장형 돌출부들에 의해 함께 결합됨,
    d. 상기 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)들은 돌출된 스택의 측면에 수직인 방향으로 연속적인 금속 층을 형성하며, 상기 측면의 적어도 80%를 완전히 덮음
    중 적어도 하나를 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  9. 제1항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 제1 접촉 시트 금속 부재(119)는 상기 캐소드 집전체(101a)의 자유 에지 스트립(101c)에 용접으로 연결되고/연결되거나 상기 제2 접촉 시트 금속 부재(120)는 상기 애노드 집전체(102a)의 자유 에지 스트립(102c)에 용접으로 연결됨,
    b. 상기 제1 접촉 시트 금속 부재(119)는 상기 캐소드 집전체(101a)의 자유 에지 스트립(101c)에 기계적으로 연결되고/연결되거나 상기 제2 접촉 시트 금속 부재(120)는 상기 애노드 집전체의 자유 에지 스트립(102c)에 기계적으로 연결됨
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소.
  10. 에너지 저장 요소(100)를 제조하는 방법으로서,
    상기 에너지 저장 요소(100)는 다음의 특징들:
    a. 조립체(109)의 부분들인 캐소드(101) 및 애노드(102)를 포함하며, 상기 조립체(109)에서 상기 캐소드(101)와 상기 애노드(102)는, 분리막 또는 고체 전해질 층(110)에 의해 분리되어, 캐소드(101)/분리막 또는 고체 전해질 층(110)/애노드(102)의 시퀀스로 존재함,
    b. 상기 캐소드(101)는 캐소드 집전체(101a) 및 양극 재료(117)를 포함함,
    c. 상기 캐소드 집전체(101a)는:
    - 양극 재료(117)의 층으로 양측에 로딩된(loaded) 메인 영역(101b), 및
    - 상기 캐소드 집전체(101a)의 에지를 따라 연장되고 양극 재료(117)로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립(101c)
    을 가짐,
    d. 상기 애노드(102)는 애노드 집전체(102a) 및 음극 재료(118)를 포함함,
    e. 상기 애노드 집전체(102a)는:
    - 음극 재료(118)의 층으로 양측에 로딩된 메인 영역(101b), 및
    - 상기 애노드 집전체(102a)의 에지를 따라 연장되고 음극 재료(118)로 로딩되지 않은 자유 에지 스트립(102c)
    을 가짐,
    f. 상기 캐소드(101)와 상기 애노드(102)는, 캐소드 집전체(101a)의 상기 자유 에지 스트립(101c)이 조립체(109)의 일측(109a)으로부터 돌출되고 상기 애노드 집전체(102a)의 상기 자유 에지 스트립(102c)이 조립체(109)의 다른 측(109b)으로부터 돌출되는 방식으로, 전극-분리막 조립체(109) 내에서 서로에 대해 형성되고/형성되거나 배치됨,
    g. 상기 에너지 저장 소자는, 상기 자유 에지 스트립(101c, 102c)들 중 하나와 직접 접촉하는 제1 접촉 시트 금속 부재(119), 및 상기 자유 에지 스트립(101c, 102c)들 중 다른 하나와 직접 접촉하는 제2 접촉 시트 금속 부재(120)를 포함함
    을 구비하고,
    상기 방법은 다음의 단계:
    h. 상기 조립체(109)가 형성되기 전에, 적어도 하나의 에지 스트립(101c, 102c)은 성형 공정을 거치며, 그 결과 U-형상 또는 V-형상 단면 및 일측 상에 세장형 함몰부 또는 만입부(121)와 다른 측 상에 상기 함몰부(121)에 상응하는 세장형 융기부(122)를 가짐
    을 포함하는,
    에너지 저장 요소의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징:
    a. 성형을 위해, 성형될 에지 스트립은 롤러 또는 압축기에 의해 형성된 V- 또는 U-형상 갭을 통해 안내됨
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소의 제조방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 리본-형상 집전체(101a, 102a)들을 구비한 리본-형상 전극(101, 102)들과 전극 재료(117, 118)들의 리본-형상 층들이 상기 조립체(109)를 형성하는데 사용됨,
    b. 적어도 하나의 리본-형상 분리막 또는 적어도 하나의 리본-형상 고체 전해질 층(110, 111)이 상기 조립체(109)를 형성하는데 사용됨,
    c. 전극(101, 102)들과 적어도 하나의 리본-형상 분리막 또는 적어도 하나의 리본-형상 고체 전해질 층(110, 111)을 권취 축선을 중심으로 나선형으로 감음으로써 상기 조립체(109)는 원통형 권선의 형태로 형성됨,
    d. 전극들을 감을 때, 인접한 턴들의 방사상 시퀀스가 생성됨, 및
    e. 전극들을 감을 때, 전극 턴의 에지 스트립의 세장형 융기부는 인접한 턴의 세장형 함몰부 또는 만입부 내로 밀어짐
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소의 제조방법.
  13. 다음의 추가적인 특징들:
    a. 다각형 전극들은 상기 조립체(109)를 형성하는데 사용됨,
    b. 캐소드(101) 및 애노드(102)가 추가적인 캐소드(103, 105, 107)들 및 애노드(104, 106, 108)들과 함께 적층되는 각형 스택의 형태로 상기 조립체(109)는 형성됨,
    c. 상기 스택의 각 캐소드(101, 103, 105, 107)는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)을 특징으로 함,
    d. 상기 스택의 각 애노드(102, 104, 106, 108)는 U- 또는 V-형상 단면을 갖는 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)을 특징으로 함,
    e. 상기 스택을 형성할 때, 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립(101c, 103c, 105c, 107c)들은, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들 내로 그들의 세장형 돌출부들을 삽입함으로써, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들과 결합됨,
    f. 상기 스택을 형성할 때, 애노드 집전체들의 자유 에지 스트립(102c, 104c, 106c, 108c)들은, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들의 세장형 함몰부들 또는 만입부들 내로 그들의 세장형 돌출부들을 삽입함으로써, 인접한 캐소드 집전체들의 자유 에지 스트립들과 결합됨
    을 구비하는,
    에너지 저장 요소의 제조방법.
KR1020247012546A 2021-10-05 2022-08-04 에너지 저장 소자 및 제조 공정 KR20240088884A (ko)

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