KR20170020275A - 배터리 셀용 전극 유닛, 배터리 셀, 및 배터리 셀 작동 방법 - Google Patents

배터리 셀용 전극 유닛, 배터리 셀, 및 배터리 셀 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 애노드 활성 물질(41)과 애노드 전류 도체(31)를 구비한 애노드(21), 및 캐소드 활성 물질(42)과 캐소드 전류 도체(32)를 구비한 캐소드(22), 및 캐소드(22)로부터 애노드(21)를 분리하는 분리판(18)을 포함하는 배터리 셀용 전극 유닛(10)에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 애노드 활성 물질(41)은 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72)의 형태로 존재하고, 및/또는 캐소드 활성 물질(42)은 스트립형 캐소드 세그먼트들(81, 82)의 형태로 존재하며, 분리판(18)은 계속 이어지는 방식으로 형성된다. 또한, 본 발명은, 상기 유형의 전극 유닛(10)을 포함하는 배터리 셀에 관한 것일 뿐 아니라, 하나의 애노드 세그먼트(71, 72)로부터 이웃하는 애노드 세그먼트(71, 72) 쪽으로 흐르는 밸런싱 전류가 검출되고, 및/또는 하나의 캐소드 세그먼트(81, 82)로부터 이웃하는 캐소드 세그먼트(81, 82) 쪽으로 흐르는 밸런싱 전류가 검출되는 배터리 셀 작동 방법에도 관한 것이다.

Description

배터리 셀용 전극 유닛, 배터리 셀, 및 배터리 셀 작동 방법{ELECTRODE UNIT FOR A BATTERY CELL, BATTERY CELL AND METHOD FOR OPERATING THE BATTERY CELL}
본 발명은 애노드, 캐소드 및 분리판(separator)을 포함하는 배터리 셀용 전극 유닛에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 전극 유닛을 포함하는 배터리 셀, 그리고 배터리 셀 작동 방법에도 관한 것이다.
전기 에너지는 배터리들에 의해 저장될 수 있다. 배터리들은 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이 경우, 일차 배터리들과 이차 배터리들로 구분된다. 일차 배터리들은 한 번만 작동 가능한 반면, 어큐뮬레이터라고도 하는 이차 배터리들은 다시 충전될 수 있다. 이 경우, 하나의 배터리는 하나 또는 복수의 배터리 셀을 포함한다.
어큐뮬레이터에서는 특히 이른바 리튬이온 배터리 셀들이 사용된다. 상기 리튬이온 배터리 셀들은 특히 높은 에너지 밀도 및 낮은 자기 방전(self-discharge)을 특징으로 한다. 리튬이온 배터리 셀들은 특히 자동차에서, 특히 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 및 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV, Plug-In-Hybrid Electric Vehicle)에서 사용된다.
리튬이온 배터리 셀들은 캐소드라고도 하는 양극 전극과 애노드라고도 하는 음극 전극을 포함한다. 캐소드 및 애노드는 각각 하나의 전류 도체를 포함하며, 이 전류 도체 상에는 활성 물질이 도포되어 있다. 캐소드를 위한 활성 물질은 예컨대 금속 산화물이다. 애노드를 위한 활성 물질은 예컨대 흑연이다. 그러나 규소도 애노드를 위한 활성 물질로서 사용된다.
애노드의 활성 물질 내에는 리튬 원자들이 혼입된다. 배터리 셀의 작동 동안, 다시 말하면 방전 과정 동안, 외부 전기 회로 내의 전자들은 애노드로부터 캐소드 쪽으로 흐른다. 배터리 셀의 내부에서 리튬이온들은 방전 과정 동안 애노드로부터 캐소드 쪽으로 이동한다. 이 경우, 리튬이온들은 애노드의 활성 물질로부터 가역 방식으로 유출되며, 이는 탈리튬화 반응(delithiation)이라고도 한다. 배터리 셀의 충전 과정 동안에는, 리튬이온들은 캐소드로부터 애노드 쪽으로 이동한다. 이 경우, 리튬이온들은 다시 애노드의 활성 물질 내로 가역 방식으로 혼입되며, 이는 리튬화 반응(lithiation)이라고도 한다.
배터리 셀의 전극들은 필름 유형으로 형성되고, 캐소드로부터 애노드를 분리하는 분리판이 중간층으로 개재된 상태에서 권선되어 하나의 전극 코일을 형성한다. 상기 전극 코일은 젤리 롤(Jelly-Roll)이라고도 한다. 또한, 전극들은 적층되어 하나의 전극 스택을 형성할 수 있거나, 또는 또 다른 유형으로 하나의 전극 유닛을 형성할 수 있다.
전극 유닛의 두 전극은 콜렉터들(collector)에 의해 단자라고도 하는 배터리 셀의 극들과 전기 연결된다. 하나의 배터리 셀은 일반적으로 하나 또는 복수의 전극 유닛을 포함한다. 전극들 및 분리판은 일반적으로 액상인 전해질에 의해 에워싸인다. 전해질은 리튬이온들에 대해 전도성이면서 전극들 사이에서 리튬이온들의 이동을 가능하게 한다.
또한, 배터리 셀은 예컨대 알루미늄으로 제조되는 셀 하우징을 포함한다. 각기둥형 배터리 셀이라고 하는 구조 형상의 경우, 셀 하우징은 각기둥형으로, 특히 직육면체형으로 구성되고 내압성으로 형성된다. 이 경우, 단자들은 셀 하우징의 외부에 배치된다. 단자들과 전극들의 연결 후 전해질이 셀 하우징 내에 채워진다. 특히 셀 하우징의 구성에서 구별되는 추가 구조 형상들은 널리 보급되어 있으며, 예컨대 원통형 셀 하우징을 갖는 원형 셀(round cell)과, 기계적으로 내압성이 없는 각기둥형 셀 하우징을 갖는 파우치 셀(pouch cell)이 있다.
배터리 시스템들의 오늘날 통상적인 구성들에서, 복수의 배터리 셀이 통합되어 하나의 배터리 모듈을 형성한다. 복수의 배터리 모듈은, 배터리 모듈들 및 배터리 셀들의 모니터링 및 제어를 위한 제어 유닛을 추가로 포함하는 하나의 배터리 시스템을 형성한다.
분리판에 의해 분리되는 애노드와 캐소드를 구비한 전극 유닛을 포함하는 상기 유형의 배터리 셀은 예컨대 DE 10 2013 200 714 A1에 개시되어 있다.
복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 및 배터리 셀들 내에서 결함 검출을 위한 방법은 US 2013/0113495 A1에 개시되어 있다.
US 2011/0110183169 A1에는 하나의 공통 하우징 내에 배치되는 복수의 전극 유닛을 포함하는 배터리 셀이 개시되어 있다.
본 발명의 과제는, 애노드, 캐소드 및 분리판을 포함하는 배터리 셀용 전극 유닛, 상기 유형의 전극 유닛을 포함하는 배터리 셀, 및 상기 배터리 셀을 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 애노드 활성 물질과 애노드 전류 도체(anodic current collector)를 구비한 애노드, 및 캐소드 활성 물질과 캐소드 전류 도체(cathodic current collector)를 구비한 캐소드, 및 캐소드로부터 애노드를 분리하는 분리판을 포함하는 배터리 셀용 전극 유닛이 제안된다.
이 경우, 본 발명에 따라서, 애노드 활성 물질은 스트립형 애노드 세그먼트들의 형태로 존재하고, 및/또는 캐소드 활성 물질은 스트립형 캐소드 세그먼트들의 형태로 존재하며, 분리판은 계속 이어지는 방식으로 형성된다.
본 발명의 한 바람직한 구현예에 따라서, 애노드 전류 도체는 계속 이어지는 방식으로 형성되고, 및/또는 캐소드 전류 도체는 계속 이어지는 방식으로 형성된다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따라서, 애노드 전류 도체는 스트립형 애노드 도체 세그먼트들의 형태로 존재하고, 및/또는 캐소드 전류 도체는 스트립형 캐소드 도체 세그먼트들의 형태로 존재한다.
이 경우, 바람직하게는, 애노드 전류 도체의 애노드 도체 세그먼트들은 연결 웨브들(connection weg)을 통해 서로 연결되고, 및/또는 캐소드 전류 도체의 캐소드 도체 세그먼트들은 연결 웨브들을 통해 서로 연결된다.
또한, 본 발명에 따라서, 적어도 하나의 본 발명에 따른 전극 유닛을 포함하는 배터리 셀도 제안된다.
또한, 본 발명에 따라서, 본 발명에 따른 배터리 셀을 작동시키기 위한 방법도 제안된다. 이 경우, 하나의 애노드 세그먼트로부터 이웃하는 애노드 세그먼트 쪽으로 흐르는 밸런싱 전류가 검출되고, 및/또는 하나의 캐소드 세그먼트로부터 이웃하는 캐소드 세그먼트 쪽으로 흐르는 밸런싱 전류가 검출된다.
본원의 방법의 한 바람직한 구현예에 따라서, 계속 이어지는 방식으로 형성되는 애노드 전류 도체를 통해 흐르고, 및/또는 계속 이어지는 방식으로 형성된 캐소드 전류 도체를 통해 흐르는 밸런싱 전류에 의해 생성되는 자계가 측정된다.
본원의 방법의 다른 바람직한 구현예에 따라서, 애노드 전류 도체의 애노드 도체 세그먼트들을 서로 연결하고, 및/또는 캐소드 전류 도체의 캐소드 도체 세그먼트들을 서로 연결하는 연결 웨브를 통해 흐르는 밸런싱 전류에 의해 생성되는 자계가 측정된다.
본원의 방법의 또 다른 바람직한 구현예에 따라서, 애노드 전류 도체의 애노드 도체 세그먼트들을 서로 연결하고, 및/또는 캐소드 전류 도체의 캐소드 도체 세그먼트들을 서로 연결하는 연결 웨브에 인가되는 전압이 측정되며, 이 전압은 연결 웨브를 통해 흐르는 밸런싱 전류에 의해 생성된다.
본 발명에 따른 배터리는 바람직하게는 고정된 에너지 저장 장치에서, 전기 자동차(EV)에서, 하이브리드 자동차(HEV)에서, 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)에서, 또는 소비자 가전제품에서 사용된다. 소비자 가전제품들은 특히 이동 전화기, 태블릿 PC 또는 노트북을 의미한다.
본 발명에 따라서 형성되는 전자 유닛은 비교적 간단한 결함 검출을 허용한다. 전극 유닛이 정상적으로 작동하는 경우, 모든 애노드 세그먼트를 통해, 그리고 모든 캐소드 세그먼트를 통해 전류들은 동일한 방향으로 흐른다. 전극 유닛에 결함이 있는 경우, 결함 있는 애노드 세그먼트 또는 결함 있는 캐소드 세그먼트는 변경된 전기 특성을 나타낸다. 그 결과, 밸런싱 전류는 예컨대 결함 있는 애노드 세그먼트로부터 이웃하는 애노드 세그먼트 쪽으로 흐르거나, 또는 결함 있는 캐소드 세그먼트로부터 이웃하는 캐소드 세그먼트 쪽으로 흐른다. 전극 유닛의 결함이 존재하지 않으면, 밸런싱 전류가 존재하지 않거나, 또는 단지 적고 시간적으로 느리게 가변하는 밸런싱 전류만이 존재한다.
그러므로 상기 유형의 밸런싱 전류는, 배터리 셀의 가열에서부터 임계 온도의 초과까지를 야기할 수 있는 배터리 셀 내에서의 결함에 대한 지표(indicator)이다. 이 경우, "열 폭주(thermal runaway)"라고도 하는 배터리 셀의 발열 반응이 야기될 수 있다. 그 결과, 배터리 셀의 화재 또는 폭발 역시도 일어날 수 있다. 전극 유닛 내에서 밸런싱 전류의 검출에 의해 상기 결함을 적시에 검출하는 경우, 배터리 셀은 적시에 비활성화될 수 있고, 및/또는 추가 안전 조치들, 특히 배터리 셀의 방전이 실행될 수 있다.
애노드 세그먼트들을 통해, 그리고 캐소드 세그먼트들을 통해 흐르는 정규 전류들과 다른 방향으로 흐르는 상기 밸런싱 전류의 검출은 비교적 간단하게 실행될 수 있다. 특히 밸런싱 전류는, 정규 전류들에 의해 생성되는 자계들과 다른 방향성을 갖는 자계를 생성한다. 그에 따라 전극 유닛 상에서의 결함은 적시에, 그리고 신뢰성 있게 검출된다.
결함이 있는 배터리 셀과 결함이 없는 배터리 셀 간의 구별은 예컨대 배터리 셀 내 또는 상의, 또는 상대적으로 더 상위인 통합 계층(integration tier) 상의, 예컨대 전자 모듈 장치 내의 전자 장치를 통해 수행될 수 있다. 예컨대 밸런싱 전류 및 이와 결부되는 측정 변수들의 시간상 빠른 변화가 이루어진다면, 또는 상기 변수들이 결함이 없는 배터리 셀에 대한 표준 한계 값 이상으로 상승한다면, 배터리 셀은 결함이 있는 것으로 분류된다.
배터리 시스템에서 에너지 저장 장치로서 배터리 셀의 작동 동안 셀 모니터링과 더불어, 제조 후에, 또는 운송 또는 보관 동안 셀 결함 검사를 위해 본 발명에 따른 방법의 사용도 가능하다.
본 발명의 실시형태들은 도면들 및 하기의 기재내용에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 배터리 셀을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 배터리 셀의 전극 유닛을 도시한 사시도이다.
도 3은 제 1 실시형태에 따르는 도 2의 전극 유닛을 도시한 개략적 단면도이다.
도 4는 제 2 실시형태에 따르는 도 2의 전극 유닛을 도시한 개략적 단면도이다.
도 5는 제 3 실시형태에 따르는 도 2의 전극 유닛을 도시한 개략적 평면도이다.
도 6은 통합된 센서를 포함하는 배터리 셀을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시형태들의 하기 기재내용에서 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 도면부호들로 표시되며, 개개의 경우 상기 요소들의 반복되는 기재는 생략된다. 도면들은 본 발명의 대상을 개략적으로만 도시하고 있다.
배터리 셀(2)은 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 배터리 셀(2)은, 이 경우에는 직육면체형으로 형성되는 셀 하우징(3)을 포함한다. 셀 하우징(3)은, 이 경우에 전기 전도성으로 실현되고 예컨대 알루미늄으로 제조된다. 그 밖에도, 셀 하우징(3)은 전기 절연성 재료, 예컨대 플라스틱으로도 제조될 수 있고, 및/또는 또 다른 구조 형상으로, 예컨대 원형 셀 또는 파우치 셀로서도 실현될 수 있다.
배터리 셀(2)은 음극 단자(11)와 양극 단자(12)를 포함한다. 단자들(11, 12)을 통해, 배터리 셀(2)로부터 공급되는 전압이 태핑(tapping)될 수 있다. 또한, 배터리 셀(2)은 단자들(11, 12)을 통해 충전될 수도 있다. 단자들(11, 12)은 서로 이격되어 각기둥형 셀 하우징(3)의 덮개면 상에 배치된다.
배터리 셀(2)의 셀 하우징(3)의 내부에는, 이 경우에 전극 코일로서 실현되는 전극 유닛(10)이 배치된다. 전극 유닛(10)은 2개의 전극, 요컨대 애노드(21)와 캐소드(22)를 포함한다. 애노드(21) 및 캐소드(22)는 각각 필름 유형으로 실현되고 분리판(18)이 중간층으로 개재된 상태에서 권선되어 전극 코일을 형성한다. 또한, 복수의 전극 유닛(10)이 셀 하우징(3) 내에 제공되는 점도 생각해볼 수 있다. 전극 유닛(10)은, 전극 코일로서 실현되는 것 대신, 예컨대 전극 스택으로서도 실현될 수 있다.
애노드(21)는 필름 유형으로 실현되는 애노드 활성 물질(41)을 포함한다. 애노드 활성 물질(41)은 기본 물질로서 예컨대 흑연 또는 규소 또는 이 물질들을 함유하는 합금을 포함한다. 또한, 애노드(21)는, 마찬가지로 필름 유형으로 형성되는 애노드 전류 도체(31)도 추가로 포함한다. 애노드 활성 물질(41) 및 애노드 전류 도체(31)는 평평하게 서로 나란히 배치되어 서로 연결된다.
애노드 전류 도체(31)는 전기 전도성으로 실현되고 금속으로, 예컨대 구리로 제조된다. 애노드 전류 도체(31)는 콜렉터(52)에 의해 배터리 셀(2)의 음극 단자(11)와 전기 연결된다.
캐소드(22)는, 필름 유형으로 실현되는 캐소드 활성 물질(42)을 포함한다. 캐소드 활성 물질(42)은 기본 물질로서 예컨대 금속 산화물을 함유한다. 또한, 캐소드(22)는, 마찬가지로 필름 유형으로 형성되는 캐소드 전류 도체(32)도 추가로 포함한다. 캐소드 활성 물질(42) 및 캐소드 전류 도체(32)는 평평하게 서로 나란히 배치되어 서로 연결된다.
캐소드 전류 도체(32)는 전기 전도성으로 실현되고 금속으로, 예컨대 알루미늄으로 제조된다. 캐소드 전류 도체(32)는 콜렉터(52)에 의해 배터리 셀(2)의 양극 단자(12)와 전기 연결된다.
애노드(21) 및 캐소드(22)는 분리판(18)을 통해 서로 분리되어 있다. 분리판(18)은 마찬가지로 필름 유형으로 형성된다. 분리판(18)은 전기 절연성으로 형성되지만, 그러나 이온 전도성으로, 다시 말하면 리튬이온들에 대해 투과성으로 형성된다.
배터리 셀(2)의 셀 하우징(3)은 전해질(15), 예컨대 액상 전해질로, 또는 폴리머 전해질로 채워진다. 이 경우, 전해질(15)은 애노드(21), 캐소드(22) 및 분리판(18)을 에워싼다. 전해질(15)도 이온 전도성이다.
도 2에는, 도 1의 배터리 셀(2)의 전극 유닛(10)이 사시도로 도시되어 있다. 이 경우, 전극 유닛(10)은, 이미 언급한 것처럼, 이 경우에 전극 코일로서 실현된다. 애노드(21), 본 도면에서는 볼 수 없는 캐소드(22), 및 분리판(18)은 권선 축(A)을 중심으로 권선되어 전극 코일을 형성한다.
애노드(21)는 애노드 전류 도체(31) 및 애노드 활성 물질(41)을 포함한다. 이 경우, 애노드 활성 물질(41)은 제 1 스트립형 애노드 세그먼트(71)와 적어도 하나의 제 2 스트립형 애노드 세그먼트(72)를 포함한다. 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72)은 애노드 전류 도체(31) 상에 서로 평행하게 배치된다. 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72)은 서로 분리된다. 또한, 여전히 추가 스트립형 애노드 세그먼트들 역시도 제공될 수 있다. 분리판(18)은 계속 이어지는 방식으로 일체형으로 형성된다.
도 3에는, 제 1 실시형태에 따르는 도 2의 전극 유닛(10)이 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 이 경우, 애노드 전류 도체(31)는 계속 이어지는 방식으로 일체형으로 형성된다. 이 경우, 적어도 2개의 스트립형 애노드 세그먼트(71, 72)는, 계속 이어지는 애노드 전류 도체(31) 상에 서로 평행하게 배치되고 서로 분리된다.
캐소드(22)는 애노드(21)와 유사하게 구성되고 캐소드 활성 물질(42)을 포함하며, 이 캐소드 활성 물질은 제 1 스트립형 캐소드 세그먼트(81)와 적어도 하나의 제 2 스트립형 캐소드 세그먼트(82)를 포함한다. 스트립형 캐소드 세그먼트들(81, 82)은, 계속 이어지는 방식으로 일체형으로 형성되는 캐소드 전류 도체(32) 상에 서로 평행하게 배치된다. 또한, 여전히 추가 스트립형 캐소드 세그먼트들 역시도 제공될 수 있다.
또한, 적어도 2개의 스트립형 애노드 세그먼트(71, 72)와 적어도 2개의 스트립형 캐소드 세그먼트(81, 82)는 계속 이어지는 일체형 분리판(18) 상에도 위치한다.
또한, 전극 유닛(10)의 제 1 실시형태의 한 변형예에서, 애노드 활성 물질(41) 또는 캐소드 활성 물질(42)은 계속 이어지는 방식으로 일체형으로 형성될 수도 있다.
도 4에는, 제 2 실시형태에 따르는 도 2의 전극 유닛(10)이 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 이 경우, 애노드 전류 도체(31)는 제 1 스트립형 애노드 도체 세그먼트(76)와 적어도 하나의 제 2 애노드 도체 세그먼트(77)를 포함하며, 이 애노드 도체 세그먼트들은 서로 평행하게 연장되면서 서로 분리되어 있다. 또한, 여전히 추가 스트립형 애노드 도체 세그먼트들도 제공될 수 있다.
제 1 스트립형 애노드 세그먼트(71)는 제 1 스트립형 애노드 도체 세그먼트(76) 상에 배치된다. 제 2 스트립형 애노드 세그먼트(72)는 제 2 스트립형 애노드 도체 세그먼트(77) 상에 배치된다. 또한, 여전히 추가 스트립형 애노드 세그먼트들 역시도 추가 애노드 도체 세그먼트들 상에 배치될 수 있다.
캐소드(22)는 애노드(21)와 유사하게 구성되고 캐소드 활성 물질(42)을 포함하며, 이 캐소드 활성 물질은 제 1 스트립형 캐소드 세그먼트(81)와 제 2 스트립형 캐소드 세그먼트(82)를 포함한다. 또한, 여전히 추가 스트립형 캐소드 세그먼트들 역시도 제공될 수 있다. 캐소드 전류 도체(32)는 제 1 스트립형 캐소드 도체 세그먼트(86)와 제 2 캐소드 도체 세그먼트(87)를 포함하며, 이 캐소드 도체 세그먼트들은 서로 평행하게 연장되면서 서로 분리되어 있다. 또한, 여전히 추가 스트립형 캐소드 도체 세그먼트들 역시도 제공될 수 있다.
제 1 스트립형 캐소드 세그먼트(81)는 제 1 스트립형 캐소드 도체 세그먼트(86) 상에 배치된다. 제 2 스트립형 캐소드 세그먼트(82)는 제 2 스트립형 캐소드 도체 세그먼트(87) 상에 배치된다. 또한, 여전치 추가 스트립형 캐소드 세그먼트들 역시도 추가 캐소드 도체 세그먼트들 상에 배치될 수 있다.
또한, 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72)과 스트립형 캐소드 세그먼트들(81, 82)은 계속 이어지는 일체형 분리판(18) 상에도 위치한다.
또한, 전극 유닛(10)의 제 2 실시형태의 변형예에서, 애노드 전류 도체(31) 또는 캐소드 전류 도체(32)는 계속 이어지는 방식으로 일체형으로 형성될 수도 있다.
도 5에는, 제 3 실시형태에 따르는 도 2의 전극 유닛(10)이 개략적 상면도로 도시되어 있다. 제 3 실시형태에 따르는 전극 유닛(10)은 제 2 실시형태에 따르면서 도 4에 도시된 전극 유닛(10)과 유사하다.
제 2 실시형태에 따르면서 도 4에 도시된 전극 유닛(10)과 달리, 애노드 전류 도체(31)의 제 1 애노드 도체 세그먼트(76)와 제 2 애노드 도체 세그먼트(77)는 연결 웨브들(90)을 통해 서로 연결된다. 동일한 방식으로, 본 도면에서는 볼 수 없는 캐소드 전류 도체(32)의 본 도면에서는 볼 수 없는 제 1 캐소드 도체 세그먼트(86)와 본 도면에서는 볼 수 없는 제 2 캐소드 도체 세그먼트(87)는 본 도면에서는 볼 수 없는 연결 웨브들(90)을 통해 서로 연결된다.
전극 유닛(10)의 제 3 실시형태의 변형예에서, 애노드 전류 도체(31)의 연결 웨브들(90), 또는 캐소드 전류 도체(32)의 연결 웨브들(90)은 생략될 수도 있다. 또한, 전극 유닛(10)의 제 3 실시형태의 다른 변형예에서, 애노드 전류 도체(31) 또는 캐소드 전류 도체(32)는 계속 이어지는 방식으로 일체형으로 형성될 수도 있다.
예컨대 제 1 애노드 세그먼트(71)의 결함이 있는 경우, 밸런싱 전류(Ia)는, 연결 웨브들(90) 중 적어도 하나의 연결 웨브를 통해 예컨대 결함 있는 제 1 애노드 세그먼트(71)로부터 이웃하는 제 2 애노드 세그먼트(72) 쪽으로 흐른다. 이 경우, 밸런싱 전류(Ia)는, 이 경우에, 전극 코일로서 실현된 전극 유닛(10)의 권선 축(A)에 대해 평행하게 흐른다. 배터리 셀(2)이 충전되지도, 그리고 방전되지도 않는 시간 동안, 상기 밸런싱 전류들(Ia)은 직접적으로 셀 결함의 존재에 대한 지표를 나타낸다. 배터리 셀(2)을 방전하거나 충전하는 경우, 애노드 세그먼트들(71, 72)을 통해 흐르는 정규 전류들은 밸런싱 전류(Ia)와 다른 방향으로, 이 경우에서는 밸런싱 전류에 대해 거의 직각으로 흐른다.
그에 따라, 밸런싱 전류(Ia)는, 애노드 세그먼트들(71, 72)을 통해 흐르는 정규 전류들에 의해 생성되는 자계들과 다른 방향성을 갖는 자계를 생성한다.
예컨대 제 1 캐소드 세그먼트(81)의 결함이 있는 경우, 밸런싱 전류(Ia)는, 연결 웨브들(90) 중 적어도 하나의 연결 웨브를 통해, 예컨대 결함 있는 제 1 캐소드 세그먼트(81)로부터 이웃하는 제 2 캐소드 세그먼트(82) 쪽으로 흐른다. 이 경우, 밸런싱 전류(Ia)는 전극 코일로서 실현된 전극 유닛(10)의 권선 축(A)에 대해 평행하게 흐른다. 캐소드 세그먼트들(81, 82)을 통해 흐르는 정규 전류들은 본 실시예의 경우 권선 축(A)의 둘레를 따라서 흐른다. 그에 따라, 캐소드 세그먼트들(81, 82)을 통해 흐르는 정규 전류들은 밸런싱 전류(Ia)와 다른 방향으로, 이 경우에서는 밸런싱 전류에 대해 거의 직각으로 흐른다.
그에 따라, 밸런싱 전류(Ia)는, 캐소드 세그먼트들(81, 82)을 통해 흐르는 정규 전류들에 의해 생성되는 자계들과 다른 방향성을 갖는 자계를 생성한다.
밸런싱 전류(Ia)의 검출은 밸런싱 전류(Ia)에 의해 생성된 자계의 검출을 통해 가능하다. 도 6에는, 자계의 검출을 위한 통합된 센서(50)를 포함하는 배터리 셀(2)이 개략적으로 도시되어 있다.
전극 코일로서 실현된 전극 유닛(10)은, 권선 축(A)이 음극 단자(11)와 양극 단자(12) 사이의 연결선에 대해 평행하게 연장되는 방향으로 연장되는 방식으로, 셀 하우징(3) 내에 배치된다.
미도시된 애노드 전류 도체(31)는 콜렉터(52)에 의해 음극 단자(11)와 연결된다. 미도시된 캐소드 전류 도체(32)는 콜렉터(52)에 의해 양극 단자(12)와 연결된다.
자계의 검출을 위한 센서(50)는 본 실시예의 경우 셀 하우징(3)의 내부에서 단자들(11, 12)로부터 대략 같은 거리로 이격되는 방식으로 장착된다. 이 경우, 센서(50)는, 이 센서(50)가 권선 축(A)에 대해 평행하게 흐르는 전류에 의해 생성되는 자계를 검출할 수 있는 방식으로 배향된다. 특히 센서(50)는 권선 축(A)의 둘레를 따라서 권선 축(A)에 대해 접선으로 흐르는 전류에 의해 생성되는 자계는 검출하지 않는다.
도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 전극 유닛들(10)의 경우, 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72), 스트립형 캐소드 세그먼트들(81, 82), 스트립형 애노드 도체 세그먼트들(76, 77) 및 스트립형 캐소드 도체 세그먼트들(86, 87)은 각각 권선 축(A)에 대해 접선으로 연장된다. 또한, 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72), 스트립형 캐소드 세그먼트들(81, 82), 스트립형 애노드 도체 세그먼트들(76, 77) 및 스트립형 캐소드 도체 세그먼트들(86, 87)이 권선 축(A)에 대해 평행하게 연장되는 것도 가능하다.
이런 경우에, 결함을 통해 야기되는 밸런싱 전류(Ia)는 권선 축(A)에 대해 접선인 방향으로 흐르면서 상응하는 자계를 생성할 수도 있다. 그런 다음, 상기 밸런싱 전류(Ia)의 검출을 위해, 센서(50)가 권선 축(A)에 대해 접선으로 흐르는 전류에 의해 생성되는 자계를 검출할 수 있는 방식으로 배향되는 센서(50)가 제공될 수도 있다.
본 발명은 본원에 기재된 실시예들 및 이 실시예들에서 강조된 양태들로만 국한되지 않는다. 오히려, 청구범위에 의해 제시되는 범위 내에서, 통상의 기술자의 행위의 범위에 속하는 다수의 변형예도 가능하다.
2: 배터리 셀
3: 셀 하우징
10: 전극 유닛
11: 음극 단자
12: 양극 단자
15: 전해질
18: 분리판
21: 애노드
22: 캐소드
31: 애노드 전류 도체
32: 캐소드 전류 도체
41: 애노드 활성 물질
42: 캐소드 활성 물질
50: 센서
52: 콜렉터
71: 제 1 스트립형 애노드 세그먼트
72: 제 2 스트립형 애노드 세그먼트
76: 제 1 스트립형 애노드 도체 세그먼트
77: 제 2 스트립형 애노드 도체 세그먼트
81: 제 1 스트립형 캐소드 세그먼트
82: 제 2 스트립형 캐소드 세그먼트
86: 제 1 스트립형 캐소드 도체 세그먼트
87: 제 2 스트립형 캐소드 도체 세그먼트
90: 연결 웨브
A: 권선 축
Ia: 밸런싱 전류

Claims (10)

  1. 배터리 셀(2)을 위한 전극 유닛(10)으로서,
    애노드 활성 물질(41) 및 애노드 전류 도체(31)를 구비한 애노드(21), 및
    캐소드 활성 물질(42) 및 캐소드 전류 도체(32)를 구비한 캐소드(22), 및
    상기 캐소드(22)로부터 상기 애노드(21)를 분리하는 분리판(18)을 포함하는 상기 전극 유닛에 있어서,
    상기 애노드 활성 물질(41)은 스트립형 애노드 세그먼트들(71, 72)의 형태로 존재하고, 및/또는 상기 캐소드 활성 물질(42)은 스트립형 캐소드 세그먼트들(81, 82)의 형태로 존재하며, 상기 분리판(18)은 계속 이어지는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀용 전극 유닛(10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 전류 도체(31)는 계속 이어지는 방식으로 형성되고, 및/또는 상기 캐소드 전류 도체(32)는 계속 이어지는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀용 전극 유닛(10).
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 전류 도체(31)는 스트립형 애노드 도체 세그먼트들(76, 77)의 형태로 존재하고, 및/또는 상기 캐소드 전류 도체(32)는 스트립형 캐소드 도체 세그먼트들(86, 87)의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀용 전극 유닛(10).
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 애노드 도체 세그먼트들(76, 77)은 연결 웨브들(90)을 통해 서로 연결되고, 및/또는 상기 캐소드 도체 세그먼트들(86, 87)은 연결 웨브들(90)을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀용 전극 유닛(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 전극 유닛(10)을 포함하는 배터리 셀(2).
  6. 제 5 항에 따르는 배터리 셀(2)을 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    하나의 애노드 세그먼트(71, 72)로부터 이웃하는 애노드 세그먼트(71, 72) 쪽으로 흐르는 밸런싱 전류(Ia)가 검출되고, 및/또는
    하나의 캐소드 세그먼트(81, 82)로부터 이웃하는 캐소드 세그먼트(81, 82) 쪽으로 흐르는 밸런싱 전류(Ia)가 검출되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    계속 이어지는 방식으로 형성된 애노드 전류 도체(31)를 통해 흐르고, 및/또는
    계속 이어지는 방식으로 형성된 캐소드 전류 도체(32)를 통해 흐르는 밸런싱 전류(Ia)에 의해 생성되는 자계가 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 작동 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    애노드 도체 세그먼트들(76, 77)을 서로 연결하고, 및/또는
    캐소드 도체 세그먼트들(86, 87)을 서로 연결하는 연결 웨브(90)를 통해 흐르는 밸런싱 전류(Ia)에 의해 생성되는 자계가 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 작동 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    애노드 도체 세그먼트들(76, 77)을 서로 연결하고, 및/또는
    캐소드 도체 세그먼트들(86, 87)을 서로 연결하는 연결 웨브(90)에 인가되는 전압이 측정되며,
    상기 전압은 상기 연결 웨브(90)를 통해 흐르는 상기 밸런싱 전류(Ia)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 작동 방법.
  10. 고정된 에너지 저장 장치에서, 전기 자동차(EV)에서, 하이브리드 자동차(HEV)에서, 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)에서, 또는 소비자 가전제품에서 제 5 항에 따르는 배터리 셀(2)의 용도.
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