KR20170015322A - 전기 에너지 저장 요소, 전기 에너지 저장 요소를 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

전기 에너지 저장 요소, 전기 에너지 저장 요소를 제조하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소에 있어서, 각각 전극으로 음극과 양극 및 전해질로 형성된 복수의 전기 화학 전지가 서로 적층되어 배치된다. 전기 화학 전지들은 일면에서 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄으로부터 형성된 상부 플레이트에 의해, 그리고 반대면에서 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄으로부터 형성된 베이스 플레이트에 의해 둘러싸인다. 베이스 플레이트는 음극 또는 양극으로 코팅되고, 커버 플레이트는 양극 또는 음극으로 보완적인 방식으로 코팅된다. 양극과 음극은 각각 바람직하게 알루미늄, 구리, 스틸 또는 전기 전도성 플라스틱을 포함하는 전기 전도성 캐리어 필름의 대향하여 배치된 표면들에 형성된다. 캐리어 필름에는 전극 재료가 없고 밀봉 및 결합제에 의해 환경에 대해 기밀성있게 밀봉된 방식으로 전기 화학 전지들을 서로 연결하는 외측 주변 가장자리가 존재한다. 양극은 스피넬 구조를 가진 티탄산 리튬(LTO)을 포함하고, 고전압 음극은 스피넬 구조를 가진 리튬 니켈 망간산염(LNMO) 또는 올리빈 구조에서 인산 리튬(LP)으로부터 형성된다. 겔 전해질의 경우 각 분리막 층이 전해질과 전기 화학 전지의 전극 사이에 존재하며, 고체 전해질의 경우 분리막 층은 존재하지 않는다.

Description

전기 에너지 저장 요소, 전기 에너지 저장 요소를 제조하기 위한 방법 및 장치{ELECTRICAL ENERGY STORAGE ELEMENT, METHOD AND APPRATUS FOR PRODUCING ELECTRICAL ENERGY STORAGE ELEMENT}
본 발명은 일체형 하우징을 가진 바이폴라 전극 설계(bipolar electrode design)를 위해 대형 포맷(large-format), 평면(flat), 안전 및 특수한 세포 화학적 특성(a special cytochemistry)을 가지도록 구성되는 전기 에너지 저장 요소에 관한 것이다.
시스템 수준에서 저감된 에너지 밀도로 이어지는 종래의 리튬 배터리 전지(cells)가 이전에 사용되어 왔다(금속 하우징을 갖는 라운드 형, 프리즘 형 또는 파우치(pouch) 필름 커버를 갖는 편평한 전지). 바이폴라 배터리도 마찬가지로 알려져 있다.
이 전지들은 대개 모듈(대략 60 V, 대략 12개의 전지) 내에서 서로 연결된다. 이후 개별 모듈들은 주변 센서 시스템, 모니터링 시스템(에너지 저장 관리 시스템), 냉각 시스템 및 하우징과 함께 고전압(HV) 에너지 저장소(energy stores)를 형성하도록, 안전한 에너지 저장 요소를 형성하도록 연결된다. 그것은 예컨대 차량 통신, 에너지 전달, 냉각 및 차량과의 기계적 연결을 위해 외부와의 인터페이스(interfaces)를 제공한다.
그러므로 본 발명의 목적은 증가된 에너지 밀도를 실현하고, 유연성 있고 저비용으로 제조될 수 있는 전기 에너지 저장 요소를 제공하는 것이다.
상기의 목적은 청구항 제1항의 특징들을 가진 전기 에너지 저장 요소에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 상기 전기 에너지 저장 요소는 청구항 제7항에 따른 방법을 사용하여, 그리고 청구항 제12항에 따른 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 본 발명의 유리한 실시예들 및 추가 전개는 종속 청구항들에서 지정된 특징들을 사용하여 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소에 있어서, 각각 전극들로서 음극(cathode) 및 양극(anode)과 전해질(electrolyte)로 형성되는 복수의 전기 화학 전지는 서로 적층되어 배치된다. 상기 적층된 전기 화학 전지들은 일면에서 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄, 구리 또는 스틸로부터부터 형성된 커버 플레이트에 의해, 그리고 반대면에서 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄, 구리 또는 스틸로부터 형성된 베이스 플레이트에 의해 둘러싸인다. 상기 베이스 플레이트는 음극 또는 양극으로 코팅되고, 상기 커버 플레이트는 보완적인 방식으로(in a complementary manner) 양극 또는 음극으로 코팅된다.
상기 양극 및 음극은 각각 바람직하게 알루미늄, 구리, 스틸 또는 전기 전도성 플라스틱을 포함하는 도전성 캐리어 필름의 대향 배치된 표면들(oppositely disposed surfaces)에 형성된다. 상기 캐리어 필름에서 전극 재료가 없고, 삽입 또는 접착 결합 밀봉재(seal)에 의해, 또는 밀봉 및 결합제(sealing and bonding agent)에 의해 환경(the environment)에 대해 기밀성있게(hermetically) 밀봉되는 방식으로 인접한 전기 화학 전지들을 서로 연결하는 외측 주변 가장자리(an outer peripheral margin)가 존재한다. UV 습윤성(wettable), 열(thermally) 습윤성 단일 성분 또는 2개 성분 접착제가 상기 밀봉 및 결합제로서 사용될 수 있다. 밀봉제에 부가해서, 전극들과 전해질 및 선택적으로 환경 사이에서 배리어 효과(barrier effect)가 달성될 수 있는 분리막 요소(separator element) 또는 밀봉 요소(sealing element)가 또한 사용될 수 있다.
양극은 스피넬 구조(spinel structure)를 가진 티탄산 리튬(lithium titanate)(LTO)을 포함하고, 고전압 음극은 스피넬 구조를 가진 리튬 니켈 망간산염(lithium nickel manganate)(LNMO)으로부터, 또는 올리빈 구조(olivine structure)에서 인산 리튬(lithium phosphates)(LP)으로부터 형성된다. 겔 전해질의 경우, 전기 화학 전지의 전해질과 전극 사이에는 각각의 분리막 층(separator layer)이 존재해야 하며, 고체 전해질의 경우, 대조적으로 분리막 층이 존재하지 않아야 한다.
바람직하게 양극은 LTO로서 Li4Ti5O12로터부터 형성될 수 있고, 음극은 LNMO로서 LiNi0.5Mn1.5O4로부터, 또는 LiCoPO4 또는 LiNiPO4로서 인산 리튬(lithimu phosphates)으로부터 형성될 수 있다.
상기 전기 화학 전지의 구성요소들(components)은 닥터 나이프(doctor knife)를 사용하여 인쇄되고 코팅되거나 또는 한정된 기하학적 구조(a defined geometry)로 다른 공정에서 공간 분해 방식(a spatially resolved manner)으로 적용된다는 점에서 전기 화학 전지(잠재적으로 더 큰 면적의 전극 스택(stacks))로의 전해질 및 분리막 층의 문제적 도입이 회피될 수 있다. 분리막 층/전해질 복합체(electrolyte composite)는 한편으로는 충분한 이온 전도도(ionic conductivity)를 가져야 하지만, 다른 한편으로는 또한 양극과 음극 사이의 직접 접촉, 그리고 따라서 단락을 방지할 수 있어야 한다. 전해질은 분리막 층 내에 통합될 수 있는데, 이는 예컨대 자립 판형 요소(a free-standing plate-shaped element)로 또는 2개의 전극 중 적어도 하나에 인쇄된 필름으로 존재하는 부분적으로 다공성의 분리막 내에 계량(metering)함으로써 구현될 수 있다. 분리막 층은 예컨대, 또한 고분자 매트릭스(a polymer matrix)(예컨대, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)(PVDF), 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐 부티랄(butural)(PVB) 또는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 가진 다공성-형성 불활성 물질(porosity-forming inert materials)(예컨대, Al2O3) 또는 이온 전도성 물질(ionically conductive materials)(리튬 이온 전도성 유리 물질)로부터 형성될 수 있다.
전해질은 특히 폴리에틸렌 옥사이드(oxide)(PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 아크릴레이트(acrylate) 또는 이미딘(imidine)으로 형성된 고분자 매트릭스에서 유기 탄산염(an organic carbonate), 특히 에틸렌 탄산염, 디에틸 탄산염 또는 프로필렌 탄산염에 의해 형성된 리튬 이온, 특히 LiPF6, LiTFSl 또는 LiClO4를 위한 전도성 염(a salt conductive)으로 매립될 수 있다. 그러나, 그것은 또한 고분자 전해질(a polyelectrolyte)로, 이온성 음이온(ionizable anionic) 및/또는 양이온 그룹(cationic groups)을 가진 중합체(a polymer)로, 또는 이온성 액체, 특히 N-alkyl-N-methylpyrrolodinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR14TFSl)로, 그리고 리튬 이온을 전도하는 염(the salt conducting lithium ions)으로서 LiTFSl 또는 결정질 이온 전도체(a crystalline ion conductor)로서 Li7P3S11 또는 결정질 이온 전도체(a crystalline ion conductor)로서 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)로 형성될 수 있다.
분리막 층이 요구되는 경우, 그것은 Al2O3와 같은 세라믹 물질 또는 소위 LAPT 물질과 같은 리튬 이온을 전도하는 유리(a glass conducting lithium ions)를 사용하여 형성될 수 있으며, 바람직하게는 특히 입자 형태로, 그리고 유기 바인더(an organic binder)를 사용하여 형성될 수 있다. 이와 관련하여 대략 500 nm 내지 30 μm의 입자 크기가 바람직하다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 폴리비닐 알코올(PVA) 또는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)가 분리막 층에 포함될 수 있다.
각각의 전극 재료가 없는 외측 주변 가장자리(an outwardly peripheral margin)가 남아 있도록, 또는 이러한 가장자리가 화학적, 기계적 또는 열적 제거 공정의 사용에 의해 전극 재료로부터 유리되도록 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소들의 제조에서 캐리어 필름(a carrier film)이 양극 재료로 2개의 대향 배치된 표면(two oppositely disposed surfaces)에 각각 코팅되고, 음극 재료로 그 반대면(the oppositely disposed side)에 코팅된다. 두 전극 중의 적어도 하나는 분리막 층, 액체 또는 겔 전해질로, 그리고 이어서 전해질 물질로 코팅되거나 습윤된다. 분리막 층은 고체 전해질과 함께 필요하지 않기 때문에, 각각의 전극은 전해질 물질로 직접 코팅될 수 있다.
분리막 층 및/또는 전해질은 닥터 블레이드(a doctor blade), 인쇄, 분무(spraying), 분배(dispensing), 분체 코팅(powder coating) 또는 정전기 공정(electrostatic processes)에 의한 도포(application)에 의해 형성될 수 있다.
각각 전기 화학 전지를 형성하는 개별 요소들은 이후 분리에 의해 얻어지고, 음극 또는 양극이 항상 상향을 향해 배열되도록 서로의 위에 적층되며, 이러한 점에서 최하부의 전기 화학 전지는 음극 또는 양극으로 코팅된 베이스 플레이트에 도포되고, 각각의 상보적인 전극(complementary electrode)이 상기 베이스 플레이트 위에 형성되어 이 전극의 방향으로 마주하여 배치된다. 적층될 전기 화학 전지의 원하는 수에 도달된 후, 상부 플레이트가 최상부의 전기 화학 전지 위에 놓여지고, 최상부의 전기 화학 전지의 최상부 전극에 상보적인 전극이 상기 상부 플레이트 위에 존재한다. 그리고 나서 환경에 대한 상기 전기 화학 전지들의 폐쇄는 밀봉재(seal) 또는 밀봉 및 결합제(a sealing and bonding agent)에 의해 실현되고, 선택적으로 전극 재료가 없는 외측 가장자리(outer margins)에 부가적인 분리막 층이 또한 형성된다.
그러므로 전기 에너지 저장 요소는 양면에 도포된 활성 물질 복합체(active material composites)를 가진 전도성 캐리어 필름의 복합체(a composite)를 나타내는 복수의 전극을 포함한다. 하나의 각 면이 음극 재료, 예컨대 소위 5V 고전압 음극 재료(예컨대, LNMO 또는 LiCoPO4 또는 LiNiPO4)로 코팅되고 또한 변경(도핑되고, 코팅되는)될 수 있으며, 한 면이 LTO 양극 재료로 코팅되는 것이 제공된다. 상기 전극들은 양 측면의 주변에 전기 화학적 활성 물질에 의해 덮히지 않는 가장자리(a margin)를 가진다. 밀봉재 또는 밀봉 및 결합제, 선택적으로 또한 분리막 층은 상기 코팅되지 않은 가장자리에 도포된다. 분리막 층은 상기 전극의 일 측면에, 예컨대 양극 측에, 또는 각 전기 화학 전지의 양 측면에 코팅으로 도포될 수 있다.
리튬 이온에 대해 전도성이 있고 전기 화학적 활성 물질을 습윤시키거나 터치 접촉(touching contact) 상태로 되는 전해질은 전극들 사이에 위치된다. 상기 전해질은 전도성 염 또는 이온성 액체 또는 고분자 전해질 또는 겔 전해질을 가진 유기 용제(organic solvents)의 혼합물로부터 형성될 수 있다.
그 실시예로서, 예컨대 바인더(예컨대 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF))와 함께 Al2O3 과립을 포함하는 분리막과, 예컨대 겔 전해질 또는 고체 전해질로서의 전해질이 적절한 방식으로 두 전극 중의 하나에 도포될 수 있다. 고체 전해질의 사용시 전해질과 각 전극 사이의 분리막 층은 배제될 수 있다. 더욱, 고체 전해질은 또한 전극 코팅의 구성요소(component)(예컨대, 분말 형태의 리튬 티오 인산염(lithium thiophosphates)의 혼합물로서)일 수 있고, 그리고 나서 겔/액체 전해질이 부가로 사용될 수 있다. 이러한 점에서, 고분자 매트릭스, 특히 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리비닐이덴 플루오라이드(PVDF), 아크릴레이트 또는 이미딘에 매립된 유기 탄산염, 특히 에틸렌 탄산염, 디에틸 탄산염 또는 리튬 이온 전도성 염을 가진 프로필렌 탄산염, 특히 LiPF6, LiTFSl 또는 LiClO4가 사용될 수 있다.
그러나, 그것은 또한 고분자 전해질(a polyelectrolyte)로, 이온성 음이온(ionizable anionic) 및/또는 양이온 그룹(cationic groups)을 가진 중합체(a polymer)로, 또는 이온성 액체, 특히 N-alkyl-N-methylpyrrolodinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR14TFSl)로, 그리고 리튬 이온을 전도하는 염(salt)으로서 LiTFSl 또는 결정질 이온 전도체(a crystalline ion conductor)로서 Li7P3S11 또는 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)로 형성될 수 있다.
바이폴라 구조는 전기 화학 전지의 양극 측과 음극 측이 서로의 위에 배치되어 각각 반대 전극들이 되도록, 그리고 따라서 직렬 접속된 복수의 전기 화학/갈바닉 전지들(electrochemical/galvanic cells)이 초래되도록 하는 방식으로 적층되는 것을 제공한다. 최하층과 최상층은 알루미늄 시트로서 설계될 수 있고 전기 에너지 저장 요소의 집전체(current collector)들을 형성하는 베이스 플레이트와 상부 플레이트를 형성할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 상기 베이스 플레이트 및 상기 상부 플레이트는 마찬가지로 각각의 전극 재료로 코팅될 수 있으며, 상기 베이스 플레이트는 분리막 층, 전해질과 밀봉 및 결합제를 구비할 수 있다. 밀봉재(seals)는 그것이 내부 구조를 기밀성있게 둘러싸고, 인접한 전극들의 필름 가장자리들(film margins)의 접촉을 방지하며, 전극들에 고정되는 캐리어 필름들의 코팅되지 않은 엣지들을 둘러싸도록 하는 방식으로 전극들 또는 베이스 플레이트 또는 상부 플레이트의 가장자리(margins)에 도포된다.
적층되어 배열된 복수의 전기 화학 전지로부터 형성된 개별 서브스택들(individual substacks)은 작동에서의 개선 및/또는 안전을 보장하는 구조 내에서 개별적으로 온도와 전압에 대해 모니터링될 수 있다. 이러한 방식으로 모니터링되는 전기 화학 전지(바이폴라 전지(bipolar cells))의 수는 다를 수 있다. 전압 모니터링에 부가해서, 전하 보상(a charge compensation) 또는 전하 조정(a charge adaptation)이 또한 개별 층들 내에서 발생할 수 있다. 이러한 점에서 함께 모니터링되는 전기 화학 전지의 수는 1에서 거의 5개 전지의 범위로 되어야 한다.
일 실시예로서, 전자-전도성(electron-conductive) 캐리어 필름들이 얇고 절연된 와이어들과 개별적으로 접촉될 수 있다. 개별 전기 화학 전지들의 전압은 개별 전기 화학 전지의 가능한 과부하(overload)를 검출하고 선택적으로 소위 대칭 장치(symmetry devices)에 의해 이를 흡수하기 위해 와이어들의 도움으로 전기 에너지 저장 요소의 외부에서 측정될 수 있다. 이러한 점에서, 상기 와이어들은 밀봉 재료에 의해 단단히 둘러싸여 있다. 온도의 측정은 전지 내 및 접촉 탭들(contact tabs)에서의 원위치의 센서들(in-situ sensors)을 통해, 그리고 또한 외부에서 적용된 자극(externally applied stimuli) 및 그것들의 시스템 응답의 분석을 통해 발생할 수 있다. 아래의 절차가 외부에서 적용된 자극에서 사용될 수 있다: 대략 4A의 정현 전류(a sinusoidal current)가 mHz에서 kHz까지의 한정된 주파수 범위에서 각 인접한 전극 쌍들의 외부 전기 접촉에 적용되고, 연관된 전압 응답이 측정된다. 시스템 응답은 SOC 독립적(SOC-independent)이고 노화 독립적(aging-independent)인 특정 주파수 범위 또는 위상 범위에서 분석되고, 전극 쌍의 각각의 평균 온도가 결정된다.
모니터링 모듈, 인터페이스 모듈, 재킷(jacket) 모듈, 및/또는 온도-제어 또는 냉각 모듈이 전기 에너지 저장 요소에 더 존재할 수 있다.
전기 화학 전지들 또는 전지 그룹들(서브스택들)에서의 측정 매개변수들은 모니터링 모듈을 사용하여 검출될 수 있다. 따라서 안전 관련 한계 관찰의 체크가 가능하게 될 수 있다.
인터페이스 모듈은 에너지 전달, 차량 통신, 가스 제거(degassing), 그리고 선택적으로 냉각 매체를 위한 구성요소들을 포함할 수 있다.
재킷 모듈은 전기 에너지 저장 요소가 직접적인 환경 영향에 노출되는 경우, 전기 에너지 저장 요소의 선택적 추가 하우징이 될 수 있다. 그것은 보호 기능 및 광범위한 인터페이스 기능 모두를 충족할 수 있다. 그것은 인터페이스 모듈을 위한, 그리고 검사 개구부들을 위한 개구부들을 가질 수 있다. 설계는 전기 에너지 저장 요소의 통합(고정식(stationary) 저장 모듈, 차량 통합)의 방식에 달려있다.
온도-제어 또는 냉각 모듈은 증발기 냉각, 액체 냉각 또는 대류 냉각을 통해 전기 에너지 저장 요소의 효율적인 온도 제어를 허용할 수 있다. 내부 저항이 작기 때문에, 대형 면적 설계(the large-area design) 및 관련 교환 표면(the associated exchange surface)으로 인해 특정 환경 하에서 복잡하고 그리고/또는 고비용의 냉각이 필요하지 않을 수 있다. 전력 손실은 배터리에 의해 흡수될(taken up) 수 있으며, 열전도 및 공기 또는 재킷 모듈로의 열전달을 통해 유도될(led off) 수 있다.
인터페이스 모듈, 모니터링 모듈, 그리고 재킷 모듈은 최선의 가능한 방식으로 구조 공간을 사용하고 전기 에너지 저장 요소와 함께 공동의 하우징에 설치될 수 있도록 설계되어야 한다. 이 구조 공간은 높은 수준의 시스템 통합으로 인해 이상적으로 이용될 수 있다. 이 시스템의 용적 이용률(the volume utilization factor)은 80% 이상이 될 수 있다.
전기 에너지 저장 요소는 설치에 대한 실예로서 차량 언더바디 내에, 그리고 태양전지 모듈(a solar module)(실시예 3)에 구성될 수 있다.
전기 에너지 저장 요소의 냉각/온도 제어는 다른 변형예(variants)로 나타낼 수 있다. 냉각은 공기, 액체 냉각 매체 또는 증발기에 의해 실현될 수 있다. 하나 이상의 부하(consumers), 바람직하게는 전기 부하(electrical consumers)의 폐열은 낮은 환경 온도에서 온도 제어를 위해 사용될 수 있으며, 이에 의해 전기 저장 용량은 바람직하지 않은 조건 하에서도 또한 충분히 높게 유지될 수 있다.
바람직한 구조 크기, 바람직하게는 대형 면적의 전극들을 가진 전기 에너지 저장 요소들이 가능한 컴팩트한 방식의 구조로 본 발명에 제공될 수 있다.
기능층들로 미리 덮혀진 베이스 플레이트들과 상부 플레이트들 사이에서의 전극들의 적층(stacking) 뿐만 아니라 전극 제조, 전극들 및 베이스 플레이트와 상부 플레이트의 조립은 전기 에너지 저장 요소들의 제조에 있어서 중요하다.
전극 형성은 캐리어 필름의 일 면을 LTO 양극 재료로 코팅함으로써 발생한다; 음극 재료(LNMO 또는 LiCoPO4 또는 LiNiPO4)는 타 면에 도포되어서, 전극 코팅을 갖고 서로의 위에 배치된 표면들, 소위 패턴들이 형성되도록 한다. 코팅 물질에 의해 덮혀지지 않은 주변의, 자유로운 가장자리 영역(marginal region)이 이 패턴들 주위에 존재하며, 이 가장자리 영역은 후에 상기 패턴들 주위에서 실란트 코팅(sealant coating)(전기 화학적 비활성 표면(inactive surface))을 위한 일 표면으로 작용한다.
이 패턴들의 형성은 전극 코팅이 캐리어 필름의 양 면에서 통상적인 닥터-블레이드 도포 공정(conventional doctor-blade application processes)을 사용하여 캐리어 필름의 밴드(a band)에 연속적으로 도포되는 것으로 발생할 수 있으며, 가장자리 영역은 그후에 예컨대 캐리어 필름으로부터의 코팅 재료의 열적 또는 화학적 또는 기계적 제거에 의해 형성될 수 있다. 이것은 캐리어 필름의 밴드를 전극들의 길이로 절단/분리(기계적 또는 열적으로)하기 전 또는 후에 발생할 수 있다. 대안으로, 캐리어 필름은 전극 재료가 없고 전기 화학적으로 비활성이며, 캐리어 필름이 연속적인 밴드로서 존재하는 정도로 코팅 전 또는 후에 크기에 맞추어 (기계적 또는 열적으로) 절단될 수 있는 주변의 외측 가장자리 영역이 남아 있도록, 프린트 도포 공정 또는 슬릿 다이 도포 공정(slit die application processes)에 의해 패턴들에 직접 코팅될 수 있다.
또한 캐리어 필름에 도포된 전극 재료의 컴팩트화가 캘린더링(calendering)에 의해 전극 형성 내에서 실현될 수 있다. 캘린더링은 단일의 방법 단계에서 발생할 수 있으며, 전극 재료는 이에 의해 전극들에 대한 전기 화학적 활성 물질(active substances) LTO 및 LNMO의 선택에 의해 컴팩트화될 수 있다. 캐리어 필름에서 형성되는 양극 재료 및 음극 재료의 공동의 동시적인 캘린더링은 오직 하나의 단계에서 가능하다.
전극들을 구성할 때, 부가적인 분리막 층이 이전에 명명된 코팅 공정들 중의 하나에 의해, 또는 분리막 층의 도포에 의해 캐리어 필름의 일면 또는 양면에서 패턴들에 도포될 수 있다.
다음 단계에서, 밀봉 및 결합제가 닥터-블레이드 도포(doctor-blade application) 또는 분무(spraying)에 의해 전극 재료가 없는 비 코팅의 주변 가장자리 영역에서 전극을 구비한 캐리어 필름의 일 면에 도포되고, 그리고/또는 밀봉 가장자리/밀봉 가장자리를 가진 스페이서(a sealing margin/spacer with sealing margin)가 삽입된다. 이것에 앞서서, 그리고 지원 방식으로, 가장자리 영역은 추가 가공 단계에 의해(예컨대, 새겨진 프린팅 롤 구조화 또는 레이저 구조화에 의해) 각 전극의 일 면 또는 양 면에 구조화될 수 있거나, 또는 접착 촉진제(an adhesion promoter)로 사전 처리될 수 있다.
전해질은 추가 단계에서 마찬가지로 일면 또는 양면에서 패턴들에 도포된다. 고체 전해질이 사용될 때, 상기에 명명된 분리막 층의 도포가 배제될 수 있다.
베이스 플레이트는 양극 재료 또는 음극 재료의 패턴이 그 상부측에 도포되는 것으로 구성된다. 상부 플레이트는 음극 재료 또는 양극 재료의 패턴이 그 하부측에 도포되는 것으로 구성된다. 추가로, 선택적으로 전술된 사전 처리(pre-treatment)를 포함하는 밀봉 접착제가 베이스 플레이트 또는 상부 플레이트에 도포될 수 있으며, 분리막 층 및 전해질은 상기에 설명된 바와 같이 도포될 수 있다.
겔 전해질 또는 액체 전해질의 도포는 바람직하게는 진공 환경에서 이루어진다. 만일 오직 고체 전해질만이 사용된다면, 다음 제조 단계들은 진공 환경 또는 불활성 가스 환경에서 수행될 수 있다.
전기 화학 전지들의 적층은 불활성 가스 하에서 (특히 고체 전해질과 함께) 또는 적어도 건조한 상태 하에서 공기가 빠진 환경(an air-evacuated environment)에서 수행되어야 한다. 이러한 점에서, 구성된 전기 화학 전지들은 베이스 플레이트 및 상부 플레이트에 의해 형성되는 것들보다 더 적은, 원하는 수의 전기 화학 전지에 도달된 때까지 오랫동안 상기 구성된 베이스 플레이트(the made-up base place)에서 하나하나 아래에 놓여진다. 상부 플레이트는 차례로 그것들과 인접하여 놓여질 수 있다. 대안으로 이것은 역순으로, 즉 상부 플레이트에 전기 화학 전지들을 적용하고 베이스 프레이트를 최종적으로 놓는 적용으로 이루어질 수 있다. 모든 단일 전기 화학 전지를 배치한 후 또는 복수의 전기 화학 전지를 배치한 후 또는 모든 층이 서로 적층된 후, 구조체(the structure)는 밀봉 및 결합제가 주변 폐쇄 방식(a peripherally closed manner)으로 밀봉 가장자리들을 습윤하고 환경을 향해 완전히 누설 방지 종료(a completely leak tight termination)를 형성하도록 기계적으로 적층 방향으로 가압될 수 있다.
밀봉 및 결합제의 선택에 따라, 추가 방법 단계에서 가열 또는 조사(irradiation)(예컨대, UV)에 의해 동일물의 활성화/중합(polymerization)이 요구될 수 있다.
전술된 전기 에너지 저장 요소를 제조하는 장치에 있어서, 캐리어 필름은 코팅 유닛에서 패턴들에 코팅될 수 있다; 그후 그것은 캘린더링되고 나서 전기 화학 전지의 형태로 절단될 수 있다.
전극들, 베이스 플레이트 및 상부 플레이트는 전술된 바와 같이, 어셈블리 유닛에 도포된 전기 화학 전지들을 가진다.
그것은 전기 화학 전지들 또는 베이스 플레이트 및 상부 플레이트가 운반되는 수문(sluice)과 인접할 수 있으며, 이어서 수문 챔버는 신속하게 비워지거나 불활성 가스로 넘칠 수 있다. 이 수문은 바람직하게 매우 작은 챔버 용적을 가지며, 운반 시스템, 예컨대 운반 벨트를 가질 수 있다.
수문은 보호 가스 분위기(a protective gas atmoshpere)(진공/불활성 가스/감소된 습도)가 관측되는 챔버와 인접할 수 있다. 적층을 위한 파지 기구(a gripping mechanism) 및 전기 화학 전지들을 가압하기 위한 기구가 이 챔버에 존재할 수 있다. 이 파지 기구는 또한 베이스 플레이트 또는 상부 플레이트를 감당할 수 있기에 적당해야 한다. 또한 운반 시스템은 전기 화학 전지들을 공급하고 완성된 전기 에너지 저장 요소들을 배출하기 위해 챔버 내에 마련될 수 있다.
한편으로는 전기 화학 전지들과 베이스 플레이트 및 상부 플레이트의 공급을 허용하고, 다른 한편으로는 다른 쪽(sides)으로부터 완전하게 적층된 전기 에너지 저장 요소들의 유도(the leading off)를 허용하는 다수의 추가 수문이 상기 챔버에 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소의 구조, 제조를 위한 방법 및 장치의 조합은 알려진 배터리 시스템들에 대해 그와 같은 전기 에너지 저장 요소의 체적 이용률을 상당히 증가시키면서 제품 및 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. 코발트는 활성 물질에서 배제된다; 분리막 층은 선택적으로 생략될 수 있다; 그리고 구리 필름 대신에 알루미늄, 스틸 또는 전기 전도성 플라스틱의 필름이 캐리어 필름으로서 사용될 수 있다. 기능층들(전극, 전해질)의 제조는 간단하게 수행될 수 있는 인쇄 공정으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, 전해질 충진, 비우기(evacuation) 및 성형(shaping)을 위한 방법 단계들이 배제될 수 있다. 전극 물질(LNMO/LTO)의 선택에 기인하여 가능하게 되는 가능한 단일 단계 캘린더링에 의해 제조 비용이 결정적으로 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소의 구조는 높은 수준의 시스템 통합 및 전기 에너지 저장 요소의 내부에서의 층 구조화로부터 초래되는 특별한 이점을 가진다. 그것은 바이폴라 구조(bipolar construction)에서, 특히 대형 면적의 실시예(a large-area embodiment)에서 전기 에너지 저장 요소가 높은 체적 이용을 허용하고, 따라서 대응되게 높은 에너지 밀도, 즉 비활성 부분의 비례(proportion)를 허용하는, 특히 밀봉 및 결합제로 충진되는 영역이 수백 볼트에 이르는 시스템 전압과 함께 매우 작게 유지될 수 있는 있는 매우 중요한 이점으로 명명될 수 있다.
전술된 구조의 추가 이점은 전기 에너지 저장 요소가 반드시 추가 하우징을 필요로 하지 않는다는 것이다. 전기 에너지 저장 요소의 안정성은 단지 베이스 플레이트 및 상부 플레이트에 의해, 그리고 그 주변에서, 선택적으로 분리막 요소의 도움과 함께 고형화된 밀봉 및 결합제에 의해 실현될 수 있다. 또한, 전지와 전지의 전기적인 접촉은 얇은 캐리어 필름을 통해 이루어지고 종래의 배터리들과는 다르게 추가적인 연결 요소들이 필요하지 않기 때문에, 개별 전기 화학 전지들 사이에서 매우 작은 전기 전이 저항(electrical transition resistances)에 기인하는 적층된 설계에 의해 매우 높은 성능이 실현될 수 있다. 전기 전도성 캐리어 필름은 충분한 기계적 안정성 및 지지력(bearing capacity)을 허용하도록 5 μm와 30 μm 사이의 층 두께를 가져야 한다.
분해 온도(decomposition temperatures)가 종래의 전극 재료들과 전해질 재료들에서 보다 더 높기 때문에, 열적으로 안정한 전극 재료 LNMO 또는 LiCoPO4 또는 LiNiPO4 및 LTO의 본 발명에 따른 선택과 겔 전해질 또는 고체 전해질의 사용은 전기 에너지 저장 요소의 작동시 또한 결함의 경우에 높은 안전성을 보장할 수 있다. 특정 상황에서 누출될 수 있는 액체, 가연성(combustible) 전해질이 존재하지 않는다. 상기 전기 화학적 활성 물질들은 3V 이상의 높은 개별 전지 전압을 허용하며, 따라서 이것들의 전기 화학적 전위(potential)에 기인하여 높은 에너지 밀도를 허용한다. 또한 전극 전위(the electrode potentials)는 음극을 위해 Al 필름과 카본 양극을 위해 더 무거운 Cu 필름을 필요로 하는 종래의 활성 물질 쌍(conventional active material pairings)과는 달리, 가벼운 알루미늄 필름 또는 플라스틱 필름과 같은 전극에 균일한 물질(uniform materials)이 사용되도록 허용하는 영역에 있다. 또한, 리튬의 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation) 동안 고전압 음극 재료 및 LTO의 구조적인 팽창은 종래의 재료에 비해 더 작아서 전기 에너지 저장 요소의 충전 및 방전 동안 전극 재료는 더 작은 부피 변화를 경험하고, 전극에서 더 작은 기계적 변형이 유도된다. 따라서 보다 높은 장기 안정성이 실현될 수 있다. 높은 표면 할당(surface assignment) 및 수반되는 증가된 에너지 밀도가 실현될 수 있다.
또한 양극에서 카본 대신 LTO를 사용하면 리튬 수지상 형성(lithium dendrite formation), 소위 "리튬 도금(lithium plating)"이 발생하지 않아서 전기 에너지 저장 요소에서의 잠재적인 안전 위험이 종래의 재료 시스템(conventional material systems)과 관련하여 제거될 수 있는 이점을 가진다. 양극 표면은 음극 표면보다 더 클 필요가 없고, 카본 기반의 배터리 및 양극은 추가로 항상 음극보다 더 높은 부하 할당(load assignment)으로 설계되어야 하기 때문에, 재료 측면에서 회피되는 리튬 도금은 부가적으로 양극층과 음극층이 동일한 부하 할당으로 제조되도록 허용한다. 전기 에너지 저장 요소의 전기 화학 전지들의 전극들의 표면 및/또는 질량은 적어도 거의 동일하게 유지될 수 있다.
통상적으로 요구되는 바와 같이, 화학양론적으로 필요한 양보다 5 내지 15% 더 많은 양극 재료가 에너지 저장 모듈의 전기 화학 전지에 포함될 필요가 없기 때문에, 리튬 수지상 형성의 위험은 감소될 수 있다. 양극 재료로서 LTO는 임의의 SEI(solid electrolyte interphase: 고체 전해질 간기)를 형성하지 않는다. 따라서 한편으로는, 고전적 형성 과정(classical formation process)을 수행할 필요가 없으며, 다른 한편으로는 화학적 시스템은 이에 의해 더 긴 수명을 가진다.
전기 에너지 저장 요소의 제작 방법은 부가해서 가능하게 필요한 전기 접촉 요소들을 위한 전기 연결을 제외하고는 본딩(bonding) 이외에는 결합 공정(joining processes)이 요구되지 않는 이점을 가지며, 결합 공정은 적층 공정에 통합될 수 있다. 전해질의 지면 도포(areal application)에 기인하여 시간이 많이 걸리는 충진 공정(a time-intensive filling process)이 배제될 수 있다. 부가해서 진공 하에서 전기 화학 전지들의 적층은 부가적인 비우기 단계(evacuation step)를 대체한다. 며칠에 걸친 고전적 형성(the classical formation)은 마찬가지로 배제될 수 있다. 앞에서의 내용(the preceding points)은 상당히 긍정적인 효과를 가진, 이러한 목적을 위해 필요한 가치 창출 공정 및 시스템 기술에서 절약(a saving)을 나타낸다.
본 발명에 따른 제조 장치는 유리하게 대형 면적 전극(롤투롤 공정(roll-to-roll processes) 및 면 이송 시스템(areal conveying systems))을 처리하기에, 그리고 따라서 대용량의 에너지 저장 모듈을 제조하기에 적합하다. 적어도 전기 에너지 저장 요소의 가장자리(margin)의 외측 기하학적 구조(the outer geometry)는 각각의 적용의 요구조건으로, 특히 전기 화학 전지의 외측 가장자리 윤곽(the outer marginal contour)이 베이스 플레이트 및 상부 플레이트에 따라 절단 또는 선택될 수 있는 이용 가능한 설치 공간으로 조정될 수 있다.
전기 에너지 저장 요소에서 직접적으로 서로의 위에 배치되는 개별 전기 화학 전지들은 그 크기 및 외측 가장자리 윤곽이 연속해서 다를 수 있다. 이에 의해 예컨대, 직사각형, 정사각형 또는 다른 규칙적인 형태로 형성되지 않는 각각의 요구에 적합한 전기 에너지 저장 요소의 기하학적 구조를 얻을 수 있다.
본 발명은 아래의 실예에 의해 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소의 실예를 대략적인 형태로 나타낸 것이다.
도 2는 전기 에너지 저장 요소들에 대한 통합 솔루션(integration solutions)을 나타낸 것이다.
도 3은 전기 에너지 저장 요소들을 위한 온도-제어 또는 냉각 개념을 나타낸 것이다.
실예 1
15 μm의 두께와 100 mm의 폭을 가진 알루미늄의 전기 전도성 캐리어 필름(70)이 본 발명에 따른 전기 에너지 저장 요소들의 제조를 위해 사용될 수 있다.
음극(20)을 제조하기 위해, 그것은 N-메틸(methyl)-2-피롤리돈(pyrrolidone)(NMP) 내의 LNMO 현탁액(suspension)으로 일 면에서 롤투롤 공정(roll-to-roll process)으로 코팅된다. 따라서 얻어진 음극(20)은 92중량%의 LNMO, 4중량%의 전도성 첨가제(conductive additive), 그리고 4중량%의 PVDF의 조성(composition)을 가진다. 이러한 점에서 50.6 Ah/m2의 표면 용량(a surface capacity)이 달성된다. 상기 코팅은 간헐적으로 발생한다.
양극(50)을 제조하기 위해, 캐리어 필름(70)의 다른 면은 제2의 코팅 단계에서 NMP 내의 LTO 현탁액으로 코팅된다. 생성된 양극은 92중량%의 LTO, 4중량%의 전도성 첨가제(conductive additive), 그리고 4중량%의 PVDF의 조성(composition)을 가진다. 이러한 점에서 52.9 Ah/m2의 표면 용량(a surface capacity)이 달성된다. 상기 코팅은 간헐적으로 발생한다.
양 면이 각 활성 양극 재료와 음극 재료로 코팅된 건조 전극 밴드(dried electrode band)는 후속의 캘린더링 공정(a subsequent calendering process)에서 컴팩트화되어서 전극들의 20% 다공성(porosity)이 두 코팅에 대해 실현된다.
최종 단계에서, 수성(aqueous) Al2O3 현탁액의 분리막 층(40)이 양극 측에 도포된다(applied); SBR/CMC 바인더 시스템(binder system)이 사용된다. 대략 30 μm의 층 두께 및 30%의 다공성이 생성된다.
전극의 다른 면에서 Al2O3, 양극 코팅(40, 50), 음극 코팅(20)은 별도의 코팅 표면 주위에서 코팅되지 않은 가장자리를 생성하기 위해 레이저 승화(laser sublimation)에 의해 노출된(naked) 캐리어 필름(70)으로 제거된다. 횡방향으로 작동하는 레이저 미러 광학 장치(a transversely working laser mirror optics)에 연결된 60 W 전력의 CO2 레이저가 이것을 위해 사용된다.
전극(20, 50)은 이후에 절단 광학장치(a cutting optics)를 가진 1000와트의 고체 레이저를 사용하여 캐리어 필름들의 열적 분리(thermal separation)에 의해 분리된다. 예컨대 100 mm의 폭과 195 mm의 길이:의 치수를 가진 전극(20, 50)이 이 공정에서 생성된다.
20 mm 폭의 코팅되지 않은 주변 가장자리가 남아서 건조되도록 하는 방식으로 3 mm 두께의 알루미늄을 포함하는 상부 플레이트(10)가 전술된 것과 동일한 방법으로 하측에서 음극 재료로 코팅된다. 다음 단계에서, 상부 플레이트(10)의 코팅은 캘린더링 공정에서 컴팩트화된다.
20 mm 폭의 코팅되지 않은 주변 가장자리가 남아서 건조되도록 하는 방식으로 3 mm 두께의 알루미늄을 포함하는 베이스 플레이트(12)가 전술한 것과 같은 방법으로 상측에서 양극 재료 및 분리막 층(40)으로 코팅된다. 다음 단계에서, 베이스 플레이트(12)의 코팅은 캘린더링 공정에서 컴팩트화된다.
이후, 폴리프로필렌(PP)을 포함하고 320 μm의 높이와 20 mm의 주변 폭(peripheral width)을 가진 밀봉 프레임(sealing frame)(60)이 화학적으로 안정성있는 두 성분 접착제의 도움으로 베이스 플레이트(12) 및 전극(20, 50)에 결합된다.
에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트 또는 1M의 LiPF6를 포함하는 액체 전해질(30)이 닥터 블레이드(doctor blade)에 의해 다공성 분리막 층(40)에 도포된다.
바이폴라 구조는 양극 측과 음극 측이 서로의 위에 배치된 각 전극들에 대향하도록, 그리고 따라서 직렬로 연결된 복수의 전기 화학 전지가 형성되도록 하는 방식으로 적층되는 것을 제공한다. 최하 및 최상의 층들은 각각 알루미늄 시트로서 형성된 베이스 플레이트(12) 및 상부 플레이트(10)를 형성하고, 배터리의 집전기들(the current collectors)을 형성한다. 베이스 플레이트(12) 및 상부 플레이트(10)는 이러한 목적을 위해 마찬가지로 각각의 전극 재료로 코팅되고, 베이스 플레이트(12)는 분리막 층(40), 전해질(30), 그리고 영역(60)에서 밀봉 및 결합제를 구비한다. 밀봉재(seals)는 그것들이 기밀성있게(hermetically) 내부 구조를 둘러싸고, 인접 전극들의 필름 가장자리의 접촉을 방지하며, 캐리어 필름들의 테두리(edges)를 둘러싸도록 하는 방식으로 전극(20, 50) 또는 베이스 플레이트(12) 또는 상부 플레이트(10)의 가장자리(margins)에 도포된다.
실예 2
베이스 플레이트(12)는 전기 화학 전지들의 스택(a stack)을 제조하기 위해 아래로부터 상기 플레이트를 지지하는 지지 장치(holding apparatus)에 클램핑된다. 코팅된 표면들이 서로 대향하도록 하는 방식으로 전극이 공급되고 진공 그리퍼(vacuum gripper)의 도움으로 베이스 플레이트(12) 위에 위치된다. 그 후, 환경은 20 mbar의 압력으로 비워지고, 전극은 이후 10 kPa의 압축력을 가진 펀치(punch)에 의해 베이스 플레이트(12) 위에서 가압된다. 경화(curing)를 위해, 두 성분의 접착제가 이 공정에서 가열 카트리지(heating cartridge)에 의해 80℃로 가열된다.
이후 다음 전극이 공급되어 위치되고; 환경이 진공처리되며(evacuated); 전극이 가압되며; 그리고 접착제가 가열된다. 이것은 351개의 전극이 베이스 플레이트 위에서 적층되어 놓여질 때까지 반복된다.
최종 단계에서, 상부 플레이트(10)가 그리퍼에 의해 공급되어 상기 스택 위에 위치되고; 이후 환경이 진공처리되며(evacuated); 상부 플레이트(10)가 가압되며; 접착제가 가열된다.
실예 3
차량의 언더바디(underbody)에 가능한 설치가 도 2의 좌측에 도시되어 있다. a = 중간 차량바디; a' = 차량 언더바디; b = 열 전도성 절연층(thermally conductive insulation layer); c = 차량 캐리어; 우측: 이 설치는 태양전지 모듈의 하측에 도시되어 있다; d = 태양전지(solar) 모듈; e = 모듈 프레임.
전기 화학 전지들의 스택(stack)의 통합은 모든 대형 면적 구조 공간에서, 그리고 그 안에서 이루어질 수 있다. 여기서 실예로 차량 언더바디 또는 태양전지 모듈의 후측이 명명될 수 있다. 벽에서의 수직 설치가 고려될 수 있다.
도 2의 좌측에 나타낸 실시예에 있어서, 차량 언더바디, 스택(stack)은 문틀들(sills)/종방향 새시 빔들(longitudinal chassis beams)(c), 크로스멤버들(crossmembers) 및 언더바디(a')와 중간 바디(a) 사이에서 통합된다. 이 요소들은 스택과 함께 배터리 구성요소를 나타낸다. 가장자리 요소(marginal element)들은 주로 지지 기능을 가지며, 바닥, 측면, 후면 또는 전면에서의 충돌(crashes)에 대한 보호를 나타내며, 따라서 차량과의 기계적인 연결을 나타낸다. 상기 스택은 비드(beads), 스페이서(spacers) 또는 보상 질량(compensation mass)에 의해 횡측으로 고정될 수 있다. 손상의 경우에 가스 제거(degassing)는 마찬가지로 구조물(a, a', c)을 통해 발생할 수 있다. 이 영역들(sections)은 중공으로 될 수 있기 때문에, 그것들은 전도체(conductor)로 작용한다. 개별 층들의 센서 접촉은 적층 공정 동안 도입되고 중간 베이스를 통해 횡측 상향으로 모니터링 모듈로 안내되는 센싱 및 밸런싱 접촉을 통해 횡측으로 발생한다. 이 전기 및 전자장치들은 전부 및 후부 시트(seats) 아래의 차량에서 공간 최적화 방식으로 배치될 수 있다.
상기 스택은 양호한 성능을 보장하도록 적재되어야 한다. 이러한 점에서 인터칼레이션(intercalation) 또는 노화(aging)에 의한 팽창에 따른 힘을 받아들일 수 있는 것이 목표이다. 스택에서 마찰에 의한 양호한 횡측 안정성을 얻기 위해 대략 100 N/m2의 배터리 중량을 넘는 예압(preload)이 적어도 존재해야 한다. 차량으로의 통합 동안, 전극 면적은 여전히 새시에서의 모듈식 접근의 실현을 허용하도록 가능한 한 크게 선택되어야 한다. 따라서 면적에 의해 실현될 수 없는 에너지 함량(energy contents)은 보다 높은 시스템 전압에 의해 조정되어야 한다. 바이폴라 배터리와 함께 1 kV 이상의 전압 범위가 고려될 수 있다. 따라서 컨버터 기술(1500 V 이상에 이르는 고전압 트랜지스터) 및 절연 기술(예컨대, 대략 0.06 mm 두께를 가진 폴리이미드)이 사용되어야 한다.
태양전지 모듈과 관련된 도 2의 우측에 나타낸 실예에 있어서, 보다 작은 면적(대략 1.2 m2 - 1.6m2)이 이용될 수 있다. 전기 에너지 저장소는 태양전지 모듈의 후측에 직접 설치되거나 또는 통합된다. 따라서 이론적으로 층당 대략 60 Ah 내지 80 Ah의 용량이 구현될 수 있다. 목표는 약 1.5 kWh의 모듈당 에너지 저장 용량을 허용하는, 모듈당 60 V 미만으로 남아 있어야 한다. 모니터링 기술 및 컨버터 기술은 모듈당 추가로 요구된다는 것을 유의해야 한다. 이러한 점에서 목표는 태양전지 모듈의 최대 전기 전압 범위 아래 또는 위에서 전기 전압 에너지 저장 요소를 구성하여서 컨버터가 전기 전압을 높이거나 낮추도록 해야 한다. 이것은 예컨대, 태양전지 모듈 및 모듈당 저장량(storage amount)에 따라 10 V 미만 또는 40 V 이상의 전압 범위를 가진 전기 에너지 저장소를 의미한다.
40℃ 이상 또는 -20℃ 미만의 온도는 더 큰 노화 또는 내부 전기 저항에서의 명확한 증가를 초래할 수 있기 때문에, 태양전지 모듈들에 대해 양호한 단열을 준수하는 것이 여전히 필요하다.
도 3은 가능한 온도 제어 또는 냉각 개념을 나타낸 것이다.
대류 및 열전도에 의한 냉각이 차량 통합의 실예에 대해 도 3의 좌측에 개략적으로 도시되어 있으며, 그 우측에는 공기, 액체 냉각제 또는 증발기를 통한 냉각이 도시되어 있다; f = 냉각제 흐름.
전기 에너지 저장 요소가 형성되는 전기 화학 전지들의 스택(바이폴라 스택)의 냉각 개념은 각 배터리의 크기 및 성능 요구에 크게 좌우된다. 원칙적으로, 공칭 용량으로 표준화된 작은 전류는 배터리의 넓은 표면 및 연관된 큰 표면 용량에 기인하여 추정될 수 있다. 1 내지 2시간의 충전 및 방전 시간이 고려된다. 이것은 전지에 대해 비교적 작은 변형을 나타낸다. 내부 저항은 대응되게 마찬가지로 작으며, 0.6 mOhm/m2 미만으로 된다. 이에 의해 시스템에서의 전력 손실은 작으며, 오직 약간의 열이 방출된다. 층들 내에서의 열 수송(thermal transport)은 대략 10배(factor) 만큼 그것에 수직방향 보다 더 크다. 금속 캐리어 필름들은 매우 양호한 열 전도체를 나타내며, 공기 냉각 또는 액체 냉각이 설치될 수 있는 외부로 열을 측면으로 운반한다; 자유 대류 및 열 전도가 대응하는 온도 제어를 위해 충분하기 때문에, 가능하게 추가적인 냉각이 완전히 배제될 수 있다. 냉각 대신에, 특히 냉각제와 같은 매체(액체 또는 공기)를 통해 폐열이 이용될 수 있는 경우, 가열이 또한 아날로그 형태로 달성될 수 있다.

Claims (13)

  1. 전기 에너지 저장 요소에 있어서,
    각각 전극들로서 음극(20) 및 양극(50)과 전해질(30)로 형성되는 복수의 전기 화학 전지가 서로의 위에 적층되어 배치되고, 일면에서 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄으로부터 형성된 커버 플레이트(10)에 의해, 그리고 반대면에서 전기 전도성 물질, 특히 알루미늄으로부터 형성된 베이스 플레이트(12)에 의해 둘러싸이며,
    상기 베이스 플레이트(12)는 음극(20) 또는 양극(50)으로 코팅되고, 상기 커버 플레이트(10)는 보완적인 방식으로 양극(50) 또는 음극(20)으로 코팅되며,
    상기 양극(50) 및 음극(20)은 각각 바람직하게 알루미늄, 구리, 스틸 또는 전기 전도성 플라스틱을 포함하는 도전성 캐리어 필름(70)의 대향 배치된 표면들에 형성되고, 이러한 점에서 상기 캐리어 필름(70)에는 전극 재료가 없고 밀봉 및 결합제에 의해 환경에 대해 기밀성있게 밀봉되는 방식으로 인접한 전기 화학 전지들을 서로 연결하는 외측 주변 가장자리가 존재하며,
    상기 양극은 스피넬 구조를 가진 티탄산 리튬(LTO)으로부터 형성되고, 상기 고전압 음극은 스피넬 구조를 가진 리튬 니켈 망간산염(LNMO) 또는 올리빈 구조에서 인산 리튬(LP)으로부터 형성되며, 각 분리막 층(40)이 전해질(30)과 전기 화학 전지의 한 전극 사이에서 겔과 같은 전해질(30)로 존재하며, 분리막 층(40)은 고체 전해질로 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극(50)은 LTO로서 Li4Ti5O12로터부터 형성되고,
    상기 음극(20)은 LNMO로서 LiNi0.5Mn1.5O4로부터, 또는 LiCoPO4 또는 LiNiPO4로서 인산 리튬으로부터 형성되며,
    상기 전해질(30)은 리튬 이온을 위한 전도성 염, 또는 고분자 전해질, 이온성 음이온 및/또는 양이온 그룹을 가진 중합체로, 또는 이온성 액체로, 또는 결정질 이온 전도체로서 Li7P3S11 또는 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)로, 및/또는 Al2O3, 리튬 이온을 전도하는 유리를 가진, 바람직하게는 입자형태로, 그리고 유기 바인더를 가진 분리막 층(40)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전해질(30)은 특히 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 아크릴레이트(acrylate) 또는 이미딘(imidine)으로 형성된 고분자 매트릭스에서 유기 탄산염, 특히 에틸렌 탄산염, 디에틸 탄산염 또는 프로필렌 탄산염으로 매립된 LiPF6, LiTFSl 또는 LiClO4로부터 형성되거나, 또는
    N-alkyl-N-methylpyrrolodinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR14TFSl)로부터 그리고 고분자 전해질로서 리튬 이온을 전도하는 염으로 LiTFSl로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    모니터링 모듈, 인터페이스 모듈, 재킷 모듈 및/또는 온도-제어 또는 냉각 모듈이 존재하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 한 항에 있어서,
    폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 러버(SBR), 폴리비닐 알코올(PVA) 또는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)가 상기 분리막 층(40)에 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 한 항에 있어서,
    전기 화학 전지들의 전자-전도성 캐리어 필름들(70)이 전기 절연된 와이어들과 개별적으로 접촉되며, 상기 와이어들은 밀봉 및 결합제를 통해 유도되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 한 항에 따른 전기 에너지 저장 요소를 제조하는 방법에 있어서,
    각각의 전극 재료가 없는 외측 주변 가장자리가 남아 있도록, 또는 전극 재료가 이러한 가장자리로부터 제거되도록 캐리어 필름(70)이 2개의 대향 배치된 표면에 양극 재료로 각각 코팅되고, 그 반대면에 음극 재료로 코팅되고;
    두 전극 중의 적어도 하나는 겔과 같은 전해질을 가진 분리막 층(40)에 코팅되고 나서 전해질 물질로 코팅되거나, 또는 각각의 전극이 고체 전해질을 가진 전해질 물질로 직접 코팅되며;
    각각 전기 화학 전지를 형성하는 개별 요소들은 이후 분리에 의해 얻어지고, 음극(20) 또는 양극(50)이 교대로 상향을 향해 배열되도록 서로의 위에 적층되며, 이러한 점에서 최하부의 전기 화학 전지는 음극(20) 또는 양극(50)으로 코팅된 베이스 플레이트(12)에 위에 놓여지고, 각각의 상보적인 전극이 상기 베이스 플레이트(12) 위에 형성되어 이 전극의 방향으로 마주하여 배치되며, 적층될 전기 화학 전지의 원하는 수에 도달된 후 전기 화학 전지의 최상부 전극에 상보적인 전극이 존재하는 커버 플레이트(10)가 최상부의 전기 화학 전지 위에 놓여지며;
    환경에 대한 상기 전기 화학 전지들의 폐쇄는 전극 재료가 없는 외측 가장자리에서 밀봉 및 결합제에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    환경에 대한 상기 전기 화학 전지들의 폐쇄는 전극 재료가 없는 외측 가장자리에서 분리막 요소 뿐만 아니라 밀봉 및 결합제로 실현되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 분리막 층(40) 및/또한 상기 전극(30)은 닥터 블레이드, 인쇄, 분무, 분배, 분말 코팅 또는 정전기 공정에 의한 도포에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    캘린더링에 의해 컴팩트화가 실현되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중의 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학 전지들과 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트(10)의 조립 및 적층은 진공 상태 하에서 또는 불활성 환경 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제5항에 따른 전기 에너지 저장 요소를 제조하는 장치에 있어서,
    적어도 적층 및 조립은 적어도 하나의 수문(sluice)에 의해 폐쇄될 수 있고 비워질 수 있거나 불활성 가스로 충진될 수 있는 챔버에서 수행될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 전기 화학 전지들을 적층하고 가압하기 위해 구성되는 파지 기구(a gripping mechanism)가 상기 챔버에 존재하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 요소의 제조 장치.
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