KR20210015807A - 지지 프레임에 의해 지지되는 에지 절연 장치를 구비한 바이폴라 셀을 포함하는 배터리 - Google Patents
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Abstract
배터리는 전기 화학 셀들의 적층 배열을 포함한다. 각각의 전기 화학 셀은 셀 하우징이 없으며, 기판, 상기 기판의 제 1 표면에 형성된 제 1 활물질 층, 및 상기 기판의 제 2 표면에 형성된 제 2 활물질 층을 갖는 바이폴라 플레이트를 포함한다. 각각의 셀은 활물질 층들 중 적어도 하나를 캡슐화하는 고체 전해질 층, 및 인접 셀들의 각각의 쌍의 기판들의 주변 에지들 사이에 배치된 에지 절연 장치를 포함한다. 지지 프레임은 셀 스택을 둘러싸고, 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변을 수용하며 지지하도록 구성된다.
Description
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 전기 화학 셀들의 적층 배열을 포함하는 배터리에 관한 것이다.
배터리는 휴대용 전자 장치로부터 재생 가능한 전력 시스템 및 친환경 차량에 이르는 다양한 기술에 전력을 제공한다. 예를 들어, 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 연료 효율을 높이기 위해 연소 엔진과 함께 배터리와 전기 모터를 사용한다. 전기 자동차(EV)는 하나 이상의 배터리로 구동되는 전기 모터로 전적으로 구동된다. 배터리는 2 차원 또는 3 차원 어레이로 배열되고 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 다수의 전기 화학 셀을 포함할 수 있다. 직렬 연결에서는, 2개 이상의 셀 각각의 양극과 음극이 서로 전기적으로 연결되고 셀들의 전압들은 더해져서 더 큰 전압을 가진 셀의 배터리를 제공한다. 예를 들어, n 개의 셀이 전기적으로 직렬로 연결된 경우, 배터리 전압은 단일 셀의 전압에 n을 곱한 값이고, 여기서 n은 양의 정수이다.
개별 셀들은 일반적으로 가스 불침투성 하우징에 둘러싸여 있다. 종종, 하우징은 셀의 하나의 극에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 하나의 셀의 양극과 인접 셀의 음극 사이를 연결하여 셀들이 직렬로 서로 전기적으로 연결되는 애플리케이션에서, 셀 전압들은 가산되며 하우징들은 단락 방지를 위해 서로 절연되어야 한다. 따라서, 배터리 내에서, 셀 하우징들 및 해당 절연 구조물들을 수용하는데 사용되는 공간과 상기 셀 하우징들 및 해당 절연 구조물들에 의해 사용되는 재료는 배터리 효율을 감소시키고 제조 복잡성과 비용을 증가시킨다.
일부 양태에서, 배터리는 각각의 셀이 셀의 스택 방향과 정렬된 스택 축에 센터링되는 전기 화학 셀의 적층 배열을 포함한다. 또한 배터리는 셀들의 적층 배열을 둘러싸는 지지 프레임을 포함한다. 각각의 셀에는 바이폴라 플레이트, 고체 전해질 층, 및 에지 절연 장치가 포함된다. 바이폴라 플레이트는 기판, 상기 기판의 제 1 표면에 배치된 제 1 활물질 층, 및 상기 기판의 제 2 표면에 배치된 제 2 활물질 층을 포함한다. 제 2 표면은 제 1 표면과 반대이다. 제 1 활물질 층은 기판 주변 에지로부터 이격되며 기판 주변 에지보다 기판의 중심에 더 가깝게 배치된 제 1 활물질 층 주변 에지를 갖는다. 제 2 활물질 층은 제 1 활물질 층의 재료와는 다른 재료이다. 제 2 활물질 층은 기판 주변 에지로부터 이격된 제 2 활물질 층 주변 에지를 갖는다. 고체 전해질 층은 제 2 표면에 배치되어, 제 2 활물질 층 주변 에지를 포함하는 제 2 활물질 층을 캡슐화한다. 에지 절연 장치는 전기 절연 재료의 시트를 포함한다. 에지 절연 장치는 외측 주변 및 내측 주변을 포함한다. 에지 절연 장치는 외측 주변이 기판 주변 에지보다 기판들의 중심들로부터 더 멀리 배치되는 방식으로 한 쌍의 인접 셀들의 기판들의 주변 에지들 사이에 배치된다. 또한, 에지 절연 장치는 상기 인접 셀들의 쌍 중 하나의 셀의 제 1 표면에 물리적으로 접촉하여 이것에 직접 고정되며 상기 인접 셀들의 쌍 중 다른 셀에 대해 이동 가능하거나, 또는 에지 절연 장치는 상기 인접 셀들의 쌍의 다른 셀의 고체 전해질 층에 물리적으로 접촉하여 이것에 직접 고정되며 상기 인접 셀들의 쌍의 하나의 셀에 대해 이동 가능하다. 지지 프레임은 지지 프레임과 기판 주변 에지 사이에 갭이 존재하도록 셀들의 적층 배열을 둘러싼다. 지지 프레임은 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변을 수용하며 지지하고, 하나의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변과 인접 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변 사이의 이격된 관계를 유지하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 지지 프레임은 인접 셀들의 에지 절연 장치들의 외측 주변들 사이의 이격된 관계를 유지하며, 외측 주변과 내측 주변 사이에 존재하는 각각의 에지 절연 장치의 일부를 구속되지 않은 상태로 유지하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 구속되지 않은 부분은 배터리를 스택 축에 평행한 단면에서 볼 때 휘어진다.
일부 실시예에서, 배터리의 하나의 셀의 구속되지 않은 부분의 길이는 배터리의 다른 셀의 구속되지 않은 부분의 길이와는 다르며, 주어진 셀의 구속되지 않은 부분의 길이는 지지 프레임의 내부 표면과 주어진 셀의 기판의 주변 에지 사이의 거리이다.
일부 실시예에서, 지지 프레임은 공기 및 수분 불침투성이고, 셀들이 배터리의 환경으로부터 떨어져 밀봉되는 방식으로 셀 스택의 모든 측면을 둘러싼다.
일부 실시예에서, 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변은 지지 프레임에 고정되고, 에지 절연 장치의 길이는 지지 프레임과 에지 절연 장치가 협력하여 에지 절연 장치의 내측 주변과 제 1 활물질 층 주변 에지 사이의 소정 간격을 유지하도록 설정되고, 에지 절연 장치의 길이는 내측 주변과 외측 주변 사이의 거리에 해당한다.
일부 실시예에서, 지지 프레임은 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변을 수용 및 지지하는 폼(foam) 부재를 포함하고, 상기 폼 부재는 비탄성이며, 단단한 외부 프레임 부재에 배치된다.
일부 실시예에서, 지지 프레임은 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변을 수용 및 지지하는 폼 부재를 포함하고, 상기 폼 부재는 탄성이며, 팽창 가능한 외부 프레임 부재에 배치된다.
일부 실시예에서, 외부 프레임 부재는 2개의 단단하고 중첩되는 외부 프레임 반부의 조립체를 포함한다.
일부 양태에서, 각각의 셀이 가스 불침투성 하우징에 둘러싸여 있는 배열은 각각의 셀이 셀 스택의 인접 셀과 직접 직렬 연결을 형성하도록 적층된 다수의 단일, 하우징없는 전기 화학 셀들로 대체된다. 각각의 셀은 평면 형상을 가지며, 분리막에 의해 분리된 거의 동일한 크기의 평면 애노드와 평면 캐소드를 포함한다(예를 들어, 애노드와 캐소드가 코일로서 감기거나 z-폴드 구성으로 폴드되지 않는다). 또한, 각각의 셀은 하나의 셀의 캐소드와 인접 셀의 연결된 애노드 사이에 바이폴라 플레이트를 갖는다. 셀 스택에서, 직렬 배열의 각각의 캐소드는 개재 하우징없이 다음 애노드에 직접 전기적으로 연결된다. 바이폴라 플레이트는 캐소드 및 애노드 집전체를 대체하며, 애노드 활물질과 캐소드 활물질 간의 화학 반응의 발생을 방지한다. 리튬 이온 셀의 경우, 바이폴라 플레이트는 예를 들어 애노드를 제공하는 일 측면에 구리 호일을, 그리고 캐소드를 제공하는 반대편 측면에 알루미늄 호일을 포함할 수 있다. 호일들은 인접할 수 있거나, 개재 전기 전도성 기판의 가장 바깥쪽 층을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 전기 화학 셀은 약 3mAh/㎠의 커버리지 및 리튬 금속 애노드를 가질 수 있다. 셀 충전시, 리튬 금속 애노드는 애노드에 증착된 리튬 금속 층을 생성함으로써 층에 수직인 방향으로, 예를 들어 약 13-15 마이크로미터(㎛)정도 팽창한다. 따라서, 셀은 약 13-15㎛만큼 충전과 방전 사이에서 "호흡한다"(예를 들어 팽창 및 수축한다).
셀들은 직렬로 연결될 때, 바이폴라 플레이트와 함께 그 전극 층들이 서로 매우 가깝게 배치된다. 예를 들어, 층들의 간격은 단지 40㎛ 내지 l20㎛일 수 있는 셀 두께의 치수에 해당할 수 있다. 셀 스택의 하나의 셀과 인접 셀의 바이폴라 플레이트들도 비슷한 간격으로 배치된다. 셀 스택의 인접 셀들 사이에 단락의 발생을 방지하기 위해, 하나의 셀의 바이폴라 플레이트는 인접 셀들 사이에 에지 절연 장치를 포함함으로써 인접 셀의 바이폴라 플레이트와 연결되지 않는다. 더 구체적으로, 에지 절연 장치는 인접 셀들의 바이폴라 플레이트들의 주변 에지들 사이에 배치된다. 에지 절연 장치는 전기 절연 재료로 형성되고, 인접 셀로부터 각각의 셀을 전기적으로 절연하는 기능을 하며, 에지 절연 장치 또는 셀 자체가 손상되지 않으면서 사이클링시 셀이 팽창 또는 수축하는 것을 허용한다.
일부 양태에서, 에지 절연 장치의 에지 영역은 바이폴라 플레이트의 애노드 측 및 캐소드 측 중 하나에 고정될 수 있다. 에지 절연 장치의 절연 기능은 절연될 요소들 사이에 장치를 기계적으로 삽입함으로써 직접 주어진다. 에지 절연 장치는 외부 부품이 바이폴라 플레이트, 전극 및 전해질과 기계적 및 전기적으로 접촉하는 것을 방지한다. 에지 절연 장치는 바이폴라 플레이트의 애노드 측과 캐소드 측 중 하나에만 고정되고, 바이폴라 플레이트의 애노드 측과 캐소드 측 중 다른 하나로부터 분리된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 에지 절연 장치는 캐소드 측(예를 들어, 캐소드 활물질 층과 바이폴라 플레이트의 동일한 측면)에 고정되고, 인접 셀의 구성 요소에 고정되지 않는다. 다른 실시예에서, 에지 절연 장치는 애노드 활물질 층 위에 놓인 고체 전해질의 주변부에 고정되고, 따라서 바이폴라 플레이트에 직접 고정되지 않는다(바이폴라 플레이트들 사이에 에지 절연 장치가 있음).
일부 양태에서, 지지 프레임과 기판 주변 에지 사이에 갭이 존재하도록 지지 프레임이 셀 스택을 둘러싼다. 지지 프레임은 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변을 수용 및 지지하고, 하나의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변과 인접 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변 사이의 이격된 관계를 유지하도록 구성된다.
본 발명의 하나 이상의 특징, 양태, 구현 및 이점의 세부 사항은 첨부된 도면, 상세한 설명 및 청구 범위에 제시된다.
도 1은 배터리 하우징 및 상기 배터리 하우징에 배치된 셀 스택을 포함하는 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 2a는 도 2에서 파선으로 표시된 셀 부분의 확대도이다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 본 도 1의 셀 스택의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 파선으로 표시된 셀 스택 분분의 확대도이다.
도 5는 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 6은 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 7은 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 8은 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 9는 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 10은 기판 표면 특징부의 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대된 부분의 단면도이다.
도 11은 기판 표면 특징부의 다른 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대 된 부분의 단면도이다.
도 12는 기판 표면 특징부의 다른 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대된 부분의 단면도이다.
도 13은 기판 표면 특징부의 다른 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대된 부분의 단면도이다.
도 14는 도 9의 선 14-14를 따라 본 도 9의 셀 스택의 부분의 단면도이다.
도 15는 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 16은 도 15의 선 16-16을 따라 본 도 15의 셀 스택의 부분의 단면도이다.
도 17은 도 15의 셀 스택의 부분의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 18은 도 15의 셀 스택의 부분의 다른 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 19는 도 15의 셀 스택의 부분의 다른 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 20은 지지 프레임을 도시하는 도 1의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 21은 도 20의 지지 프레임을 도시하는 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 22는 단단한 외부 프레임 부재 내에 배치된 도 20의 지지 프레임의 개략적인 단면도이다.
도 23은 팽창 가능한 외부 프레임 부재 내에 배치된 도 20의 지지 프레임의 개략적인 단면도이다.
도 24는 배터리 하우징 및 상기 배터리 하우징에 배치된 셀 스택을 포함하는 대안적인 실시예의 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 2a는 도 2에서 파선으로 표시된 셀 부분의 확대도이다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 본 도 1의 셀 스택의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 파선으로 표시된 셀 스택 분분의 확대도이다.
도 5는 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 6은 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 7은 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 8은 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 9는 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 10은 기판 표면 특징부의 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대된 부분의 단면도이다.
도 11은 기판 표면 특징부의 다른 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대 된 부분의 단면도이다.
도 12는 기판 표면 특징부의 다른 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대된 부분의 단면도이다.
도 13은 기판 표면 특징부의 다른 실시예를 도시하는 도 9의 셀 스택의 확대된 부분의 단면도이다.
도 14는 도 9의 선 14-14를 따라 본 도 9의 셀 스택의 부분의 단면도이다.
도 15는 다른 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 16은 도 15의 선 16-16을 따라 본 도 15의 셀 스택의 부분의 단면도이다.
도 17은 도 15의 셀 스택의 부분의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 18은 도 15의 셀 스택의 부분의 다른 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 19는 도 15의 셀 스택의 부분의 다른 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 20은 지지 프레임을 도시하는 도 1의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 21은 도 20의 지지 프레임을 도시하는 대안적인 실시예의 셀 스택의 주변부의 단면도이다.
도 22는 단단한 외부 프레임 부재 내에 배치된 도 20의 지지 프레임의 개략적인 단면도이다.
도 23은 팽창 가능한 외부 프레임 부재 내에 배치된 도 20의 지지 프레임의 개략적인 단면도이다.
도 24는 배터리 하우징 및 상기 배터리 하우징에 배치된 셀 스택을 포함하는 대안적인 실시예의 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 배터리(1)는 전기 화학 셀(3)의 적층 배열을 둘러싸는 배터리 하우징(2)을 포함하는 발전 및 저장 장치이다. 배터리 하우징(2)은 공기, 수분 및/또는 기타 오염 물질이 셀(3)을 포함하는 내부 공간으로 들어가는 것을 방지하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 배터리 하우징(2)은 폴리머 층들 사이에 끼워진 금속 호일을 포함하며 밀봉된 파우치의 형태로 제공되는 유연한 라미네이트 재료로 형성된다.
셀(3)은 리튬 이온 2차 셀일 수 있지만, 리튬 이온 셀 화학으로 제한되지 않는다. 셀들(3)은 셀 하우징이 없고, 일반적으로 평면의, 로우 프로파일 형상을 가지며 스택 축(5)을 따라 적층되어, 각각의 셀(3a)이 셀 스택(4)의 인접 셀(3b)과 직접 직렬 연결을 형성한다. 각각의 셀(3)은 반대편 표면들에 제공된 활물질 층들(30, 40)을 가진 바이폴라 플레이트(12), 인접 셀들(3a, 3b) 사이의 이온 교환을 허용하면서 인접 셀들(3a, 3b)의 활물질 층들(30, 40) 사이의 전기적 접촉을 방지하는 고체 전해질 층(50), 및 에지 절연 장치(60)를 포함한다. 도 1 및 다른 도면에서, 셀들(3)을 구성하는 재료 층이 얇기 때문에, 셀들(3)의 구성 요소들은 개략적으로 도시되어 있으며 축척에 맞지 않는다.
에지 절연 장치(60)는 인접 셀들(3a, 3b)의 바이폴라 플레이트들(12)의 주변 에지들(15) 사이에 배치되고, 인접 셀(3b)의 바이폴라 플레이트(15b)로부터 하나의 셀(3a)의 바이폴라 플레이트(l5a)를 전기적으로 절연하는 기능을 하는 한편, 에지 절연 장치(60) 또는 셀(3) 자체가 손상되지 않으면서 사이클링시 셀(3)이 팽창 또는 수축되는 것을 허용한다. 에지 절연 장치(60)는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 바이폴라 플레이트 상에 제공된 표면 특징부와 에지 절연 장치 사이의 협력에 의해 바이폴라 플레이트 주변 에지(15)에 대해 소정 위치에 유지될 수 있다. 각각의 셀은 에지 절연 장치(60)와 인접 셀(3b) 사이의 갭(gl)을 밀봉하도록 구성된 탄성 밀봉 장치(80)를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 공기와 수분이 셀(3)로 들어가는 것이 방지된다. 또한, 일부 실시예에서, 배터리(1)는 아래에서 설명되는 바와 같이 각각의 에지 절연 장치의 외측 주변(63)을 수용하고 지지하는 에지 지지 프레임(90)을 포함할 수 있다.
도 2에는 셀 스택(4)의 주변부가 도시되어 있다. 이 도면 및 다른 도면에는, 셀 스택(4)의 4개의 완전한 셀(3)만이 도시되고, 도시된 셀(3) 위 및/또는 아래의 타원들은 도시된 셀의 한 측면 또는 양 측면에 추가 셀들이 있음을 나타내기 위해 사용된다. 도 2에 나타나는 바와 같이, 바이폴라 플레이트(12)는 판형 기판(20), 상기 기판(20)의 제 1 표면(21)에 형성되며 캐소드를 제공하는 제 1 활물질 층(30), 및 상기 기판(20)의 제 2의, 반대편 표면(22)에 형성되며 애노드를 제공하는 제 2 활물질 층(40)을 포함한다.
기판(20)은 전기 전도체 및 이온 절연체이고, 제 1 표면(21)을 제공하는 한 측면에 제 1 금속 호일, 및 제 2 표면(22)을 제공하는 반대편 측면에 제 2 금속 호일을 갖는 클래드 플레이트일 수 있다. 셀(3)이 리튬 이온 셀 화학을 사용하는 경우, 기판(20)은 예를 들어 캐소드 기판을 제공하는 한 측면에 알루미늄 호일, 및 애노드 기판을 제공하는 반대편 측면에 구리 호일을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 호일들은 인접할 수 있다. 예를 들어, 기판(20)은 구리 호일을 제공하며 한 측면에 알루미늄을 증착 또는 도금함으로써, 또는 대안으로서, 알루미늄 호일을 제공하며 한 측면에 구리를 증착 또는 도금함으로써 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(20)은 다른 쌍의 전기 전도성 재료로 형성된 및/또는 다른 적절한 기술을 통해 형성된 클래드 플레이트일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기판(20)은 개재 전기 전도성 기판의 반대편, 가장 바깥쪽 층을 형성하는 금속 호일을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기판(20)은 전기 전도성 재료로 형성된 고체(예를 들어, 클래드되지 않고 단일 재료로 형성된) 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기판(20)은 고체 니켈 호일 또는 고체 스테인리스 스틸 호일일 수 있다.
제 1 활물질 층(30)은 기판 제 1 표면(21)에 형성된다. 제 1 활물질 층(30)은 활물질로 형성된다. 본원에서 사용되는 용어 "활물질"은 충전 또는 방전의 전기 화학 반응에 참여하는 셀 내의 전기 화학적 활물질을 의미한다. 제 1 활물질 층(30)은 기판(20)의 주변 에지(23)로부터 이격되며 기판(20)의 주변 에지(23)보다 기판(20)의 중심(24)에 더 가깝게 배치된 제 1 활물질 층 주변 에지(31)를 갖는다. 제 1 표면(21)이 알루미늄으로 형성된 실시예에서, 제 1 활물질 층(30)은 예를 들어 리튬화된 금속 산화물로 형성될 수 있으며, 상기 리튬화된 금속 산화물의 금속 부분은 코발트, 망간, 니켈 또는 이 3개의 물질의 착물일 수 있다.
제 2 활물질 층(40)은 기판 제 2 표면(22)에 형성된다. 제 2 활물질 층(40)은 제 1 활물질 층(30)을 형성하는데 사용된 활물질과는 다른 활물질로 형성된다. 제 2 활물질 층(40)은 기판 주변 에지(23)로부터 이격된 제 2 활물질 층 주변 에지(41)를 갖는다. 특히, 제 2 활물질 층 주변 에지(41)는 애노드의 에지에서 전류 집중과 에지 효과를 피하기 위해, 스택 축(5)에 대해 평행한 축을 따라 제 1 활물질 층 주변 에지(31)와 정렬되지 않는다. 이를 위해, 제 2 활물질 층 주변 에지(41)는 기판 주변 에지(23)보다 기판(20)의 중심(24)에 더 가깝게 배치되고, 기판 주변 에지(23)와 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이에 배치된다. 제 2 표면(22)이 구리로 형성된 실시예에서, 제 2 활물질 층(40)은 예를 들어 리튬 금속으로 형성될 수 있다.
고체 전해질 층(50)은 고체 전해질, 예를 들어 이온 전도성 및 전기 절연성을 갖는 고체 재료로 형성되며, 필름으로서 제공될 수 있다. 고체 전해질 층(50)은 제 2 활물질 층 주변 에지(41)를 포함하는 제 2 활물질 층(40)을 캡슐화하도록 제 2 표면(22)에 배치된다. 그 결과, 고체 전해질 층(50)은 제 2 활물질 층(40)이 공기 및 수분과 접촉하는 것을 방지하고 캐소드 재료와의 접촉을 방지하도록 구성된다. 또한, 고체 전해질 층(50)은 하나의 셀(3a)의 제 1 활물질 층(30)과 인접 셀(3b)의 제 2 활물질 층(40) 사이의 이온 전도체로서 작용한다. 일부 실시예에서, 고체 전해질 층(50)은 예를 들어, 활물질 층들(30, 40)을 형성하는데 사용된 폴리머와 유사한 폴리머, 활물질 층들(30, 40)을 형성하는데 사용된 염과 동일한 염, 및 캘리포니아 헤이워드의 Seeo, Incorporated에 의해 DryLyte ™이라는 이름으로 판매되는 바와 같은 첨가제를 포함하는 고체 폴리머 전해질로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 고체 폴리머 전해질 층(50)은 세라믹 또는 세라믹과 폴리머 재료의 혼합물을 포함하는 다른 재료로 형성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리(1)는 셀 스택(4)의 일 단부(예를 들어, 제 1 단부(6))에서 가장 바깥쪽 셀(3)에 전기적으로 연결된 셀 스택(4)의 제 1 단부(6)에 배치된 네거티브 단부 단자(100)를 포함한다. 또한, 배터리(1)는 셀 스택(4)의 반대편 단부(예를 들어, 제 2 단부(8))에 배치된 포지티브 단부 단자(110)를 포함한다. 포지티브 단부 단자(110)는 셀 스택(4)의 제 2 단부(8)에서 가장 바깥쪽 셀(3)에 전기적으로 연결된다.
네거티브 단부 단자(100)는 네거티브 집전체(102) 역할을 하는 전기 전도성 시트(예를 들어, 구리 시트), 및 네거티브 집전체(102)의, 셀 스택을 향한 표면에 형성된 네거티브 집전체 활물질 층(104)을 포함한다. 네거티브 집전체 활물질 층(104)은 셀(3)의 애노드를 형성하는데 사용되는 것과 같은 활물질 층을 사용한다. 리튬 이온 셀 화학에 관한 도시된 실시예에서, 네거티브 집전체 활물질 층(104)은 예를 들어, 고체 전해질 재료 내에 캡슐화된 리튬 금속일 수 있다. 사용 중에, 네거티브 단부 단자(100)는 셀 스택(4)의 제 1 단부(8)에 적층되어 네거티브 집전체 활물질 층(104)은 셀 스택(4)의 제 1 단부(6)의 가장 바깥쪽 셀의 제 1 활물질 층(30)과 직접 접촉하고 전기적 연결을 형성한다.
포지티브 단부 단자(110)는 포지티브 집전체(112) 역할을 하는 전기 전도성 시트(예를 들어, 알루미늄 시트), 및 포지티브 집전체(112)의, 셀 스택을 향한 표면에 형성된 포지티브 집전체 활물질 층(114)을 포함한다. 포지티브 집전체 활물질 층(114)은 셀(3)의 캐소드를 형성하는데 사용되는 것과 같은 활물질 층을 사용한다. 리튬 이온 셀 화학에 관한 도시된 실시예에서, 포지티브 집전체 활물질 층(114)은 예를 들어 리튬화 금속 산화물일 수 있다. 사용 중에, 포지티브 단부 단자(110)는 셀 스택(4)의 제 2 단부(8)에 적층되어 포지티브 집전체 활물질 층(114)은 셀 스택(4)의 제 2 단부의 가장 바깥쪽 셀(3)의 고체 전해질 층(50)과 직접 접촉한다. 포지티브 집전체 활물질 층(114)은 고체 전해질 층(50)을 통해 셀 스택(4)의 제 2 단부의 가장 바깥쪽 셀(3)의 제 2 활물질 층(40)(예를 들어, 리튬 금속 애노드)과의 전기적 연결을 형성한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 에지 절연 장치(60)는 전기 절연 재료의 시트로 형성되고, 외측 주변(63), 및 상기 외측 주변(63)에 의해 둘러싸이고 상기 외측 주변(63)으로부터 이격된 내측 주변(64)을 포함한다. 그 결과, 에지 절연 장치(60)는 셀(3)의 스택 방향에 대해 평행한 방향에서 볼 때 프레임 형상을 갖는다.
에지 밀봉 장치(60)는 각각의 셀(3)에 제공되고, 인접 셀들(3a, 3b)의 바이폴라 플레이트 기판(20)의 주변 에지들(23a, 23b) 사이에 배치된다. 각각의 셀(3) 내에서, 외측 주변(63)은 기판 주변 에지(23)로부터 이격되고 기판 주변 에지(23)보다 기판들(20)의 중심들(24)로부터 더 멀리 배치된다. 내측 주변(64)은 기판 주변 에지(23) 및 제 2 활물질 층 주변 에지(41)로부터 이격되고, 기판 주변 에지(23) 및 제 2 활물질 층 주변 에지(41)보다 기판(20)의 중심(24)에 더 가깝게 배치된다. 또한, 내측 주변(64)은 제 1 활물질 층 주변 에지(31)보다 기판(20)의 중심(24)으로부터 더 멀리 배치되고, 이에 의해 내측 주변(64)은 제 1 활물질 층 주변 에지(31)로부터 이격되고 제 1 활물질 층 주변 에지(31)를 향한다.
에지 절연 장치(60)는 인접 셀들(3a, 3b)의 각각의 쌍의 기판들(20a, 20b) 사이에 배치되는 동안, 하나의 셀(예를 들어, 셀(3a))의 제 1 표면(2la) 또는 인접 셀(예를 들어, 셀(3b))의 고체 전해질 층(50b) 중 어느 하나에 물리적으로 접촉하여 이것에 직접 고정되는 한편, 셀(3a)의 제 1 표면(21a) 및 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b) 중 다른 하나에 대해 자유롭게 이동한다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 에지 절연 장치(60)는 하나의 셀(3a)의 제 1 표면(21a)에 물리적으로 접촉하여 이것에 직접 고정되는 한편, 인접 셀(3b)에 대해 자유롭게 이동하고, 더 구체적으로는 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 대해 자유롭게 이동한다(도 2). 에지 절연 장치(60)는 이러한 요소들 사이에 접착층을 제공하는 것과 같은 임의의 적절한 방법을 사용하여 셀(3a)의 제 1 표면(2la)에 고정된다.
다른 실시예에서, 에지 절연 장치(60)는 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 물리적으로 접촉하여 이것에 직접 고정되는 한편, 셀(3a)의 제 1 표면(21a)에 대해 자유롭게 이동한다(도 5). 에지 절연 장치(60)는 고체 전해질 층(50b)의 외부면의 기계적 특성(예를 들어, 접착성 또는 끈적임)을 통해 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 고정될 수 있거나, 또는 이러한 요소들 사이에 접착층을 제공하는 것과 같은 다른 방법을 통해 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 고정될 수 있다.
에지 절연 장치(60)(이 경우, 60a)가 하나의 셀에 고정되고 다른 셀에 대해 이동 가능하기 때문에, 셀들(3a, 3b)은 예를 들어 충전 사이클링으로 인해 스택 축(5)에 대해 평행한 방향으로 자유롭게 팽창 및 수축될 수 있고, 에지 절연 장치(60) 및 셀들(3a, 3b)은 다른 셀에 대한 하나의 셀의 상대 이동 및 인접 셀(3a, 3b)에 대한 에지 절연 장치의 상대 이동에도 손상되지 않은 상태로 유지된다.
에지 절연 장치(60)는 바이폴라 플레이트(12)의 기판(20)의 주변 에지(23)와, 셀(3)로부터 외측에 배치된 외측 주변(63)을 중첩한다. 외측 주변(63)과 기판 주변 에지(23) 사이의 거리는 어떤 변형력에서도 상이한 셀의 바이폴라 플레이트가 서로 접촉하지 않고 단락을 형성할 수 없을 만큼 충분히 크므로, 단락과 관련된 큰 전류 및 열 생성이 방지된다. 일부 실시예에서, 기판 주변 에지(23)와 외측 주변(63) 사이의 거리는 셀 두께의 3 내지 20 배 이상일 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 용어 "두께"는 셀의 스택 방향에 대해 평행한 방향의 치수에 해당한다.
에지 절연 장치(60)는 바이폴라 플레이트(12)의 기판(20)의 주변 에지(23)와, 셀(3) 내부에 배치된 내측 주변(66)을 중첩한다. 내측 주변(63)과 기판 주변 에지(23) 사이의 거리는 내측 주변(63)을 제 1 활물질 층 주변 에지(31)에 가능한 한 가깝게 배치하기에 충분하고, 에지 절연 장치(60)와 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 접촉을 방지한다. 에지 절연 장치(60)의 내측 주변(66)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 스페이싱 또는 갭(g2)은 예를 들어 패치 프로세스일 수 있는 기판 제 1 표면(21)에 제 1 활물질 층(30)을 형성하는 방법에 따른 에지 공차에 의존한다. 일부 실시예에서, 제 1 활물질 층 주변 에지(31)와 내측 주변(64) 사이의 거리(갭 g2)는 에지 공차의 약 2 배로 설정된다. 예를 들어, 패치 프로세스의 공차가 약 0.15mm이면, 제 1 활물질 층 주변 에지(31)와 내측 주변(63) 사이의 거리는 약 0.3mm로 설정된다.
일반적으로, 에지 절연 장치(60)는 셀의 충전 상태와 관계없이 셀(3)의 두께보다 얇은 두께를 갖는다. 일부 실시 예에서, 에지 절연 장치(60)는 셀의 충전 상태와 관계없이, 제 1 활물질 층(30), 고체 전해질 층(50) 및 제 2 활물질 층(40)의 두께들의 합보다 작은 두께를 갖는다. 이는 에지 절연 장치(60)가 바이폴라 플레이트(12)의 제 1 표면(21)에 고정된 실시예, 및 에지 절연 장치(60)가 고체 전해질 층(50)에 고정된 실시예의 경우이다. 예를 들어, 충전된 셀이 바이폴라 플레이트없이 80㎛의 두께를 갖고 방전된 셀이 65㎛의 두께를 가지면, 에지 절연 장치(60)는 가장 얇은 두께, 여기서는 65㎛ 두께보다 3-10㎛ 더 얇은 두께를 가져야 한다. 따라서, 에지 절연 장치(60)는 이 예에서 62㎛ 미만, 특히 55㎛ 미만의 두께를 가져야 한다. 에지 밀봉 장치의 두께는 접착제 층 또는 필요한 임의의 다른 고정 조립체를 포함하는 것으로 이해된다.
일부 실시예에서 에지 절연 장치(60)는 테이프 또는 스트립으로서 제공된다. 테이프는 먼저 셀의 두 평행한 에지를 따라, 그리고 후속해서 가로로 평행한 에지를 따라 적용될 수 있다. 이 적용 방법은 셀의 각각의 코너에서 테이프의 두께를 2배로 만든다. 다른 실시예에서, 셀의 프로파일이 직사각형인 경우, 에지 절연 장치는 직사각형 원주 에지를 수용하기 위해 간단히 90°접힌다. 이것도 셀의 코너에서 에지 밀봉 장치의 두께를 2배로 만든다. 셀의 코너에서 두께 치수는 에지 절연 장치(60)의 두께 요건을 결정할 때 고려되며, 에지 절연 장치(60)의 2배 두께 부분은 임의의 충전 상태에서 셀보다 얇아야 한다.
셀 스택(4)의 제조 동안, 셀들이 적층된 경우, 에지 절연 장치(60)를 셀들(3) 사이의 갭 내로 삽입하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 이유로, 일부 실시예에서, 셀들(3)을 적층하기 전에, 에지 절연 장치(60)가 바이폴라 플레이트에 미리 접착되거나 그렇지 않으면 바이폴라 플레이트로 조립된다.
에지 절연 장치(60)는 셀의 주변 에지들을 서로 전기적으로 절연하는 기능을 한다. 이를 위해, 에지 절연 장치(60)를 형성하는데 사용되는 재료는 팽창하지 않는 절연 폴리머 필름일 수 있다. 이러한 재료는 예를 들어 폴리알킬렌 필름, 또는 높은 절연성이고 흡습성이 없는 다른 알려진 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 재료로는 플루오로-알킬렌 유형 폴리머, 폴리스티렌 유형 폴리머, 폴리페닐 렌 설파이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리콘 또는 이들의 조합이 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 이전에 설명된 바와 같이, 에지 절연 장치(60)는 하나의 셀(예를 들어, 셀(3a))의 제 1 표면(21a) 또는 인접 셀(예를 들어, 셀(3b))의 고체 전해질 층(50b) 중 하나에 물리적으로 접촉하고 이것에 직접 고정되는 한편, 셀(3a)의 제 1 표면(2la) 및 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b) 중 다른 하나에 대해 자유롭게 이동한다. 일부 실시예에서, 갭(gl)은 에지 절연 장치(60)와 상대적으로 자유롭게 이동하는 구조물 사이에 제공된다. 예를 들어, 에지 절연 장치(60)가 하나의 셀(3a)의 제 1 표면(21a)에 물리적으로 접촉하여 이것에 직접 고정되는 한편, 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 대해 자유롭게 이동하는 경우, 갭(gl)은 에지 절연 장치(60)와 고체 전해질 층(50b) 사이에 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 셀은 에지 절연 장치(60)에 더하여 탄성 밀봉 장치(80)를 포함한다. 밀봉 장치(80)는 셀(3)의 주변 주위에 수분 불침투성 시일을 제공한다. 에지 절연 장치(60)가 하나의 셀(3a)의 제 1 표면(2la)에 물리적으로 접촉하며 이것에 직접 고정되는 한편, 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 대해 자유롭게 이동하는 실시예에서, 밀봉 장치(80)는 에지 절연 장치(60)와 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b) 사이의 갭(gl)에 배치된다(도 6). 더 구체적으로, 밀봉 장치(80)는 에지 절연 장치(60)와 고체 전해질 층(50b) 사이에 배치되고 이것에 물리적으로 직접 접촉한다. 이 구성에서, 밀봉 장치(80)는 고체 전해질 층(50b)의 일부(예를 들어, 그 주변 에지(51)) 및 에지 절연 장치(60)를 덮을 수 있고, 고체 전해질 층(50b) 및 에지 절연 장치(60)의 각각과 시일을 형성한다. 결과적으로, 밀봉 장치(80)는 수분 및 기타 오염물이 고체 전해질 층(50b) 및 전기 화학적 활물질과 접촉하는 것을 방지하는 배리어를 제공한다. 또한, 밀봉 장치(80)의 탄성으로 인해 그리고 밀봉 장치(80)가 고체 전해질 층 주변 에지(51)에 인접하기 때문에, 밀봉 장치(80)는 주변 에지(51)를 압축하는 외부 힘을 가하여, 전해질 층(50b)이 기판(20b)으로부터 벗겨지는 것을 방지하는 역할을 한다.
에지 절연 장치(60)가 인접 셀(3b)의 고체 전해질 층(50b)에 물리적으로 접촉하고 이것에 직접 고정되는 한편, 셀(3a)의 제 1 표면(21a)에 대해 자유롭게 이동하는 실시예에서, 밀봉 장치(80)는 에지 절연 장치(60)와 셀(3a)의 제 1 표면(21a) 사이의 갭(gl(a))에 배치된다(도 7). 더 구체적으로, 밀봉 장치(80)는 에지 절연 장치(60) 및 셀(3a)의 제 1 표면(2la)의 각각과 시일을 형성한다. 일부 실시예에서, 제 2 밀봉 장치(82)는 인접 셀(3b)의 제 2 표면(22b)과 에지 절연 장치(60) 사이의 갭 (gl(b))에 배치될 수 있다(도 8). 제 2 시일(82)은 인접 셀(3b)의 기판(20b)의 제 2 표면(22b) 및 에지 절연 장치(60)의 반대편 측면 모두에 직접 물리적으로 접촉하고, 이들과 시일을 형성한다. 이 구성은 바람직하게는 2개의 밀봉 장치(80, 82)를 통해 인접 셀들(3a, 3b)을 함께 효과적으로 접착할 수 있다.
밀봉 장치(80, 82)는 에지 절연 장치(60)와 인접 셀(3b)의 바이폴라 플레이트(l2b) 사이의 갭(gl)을 폐쇄함으로써 불침투성을 제공한다. 밀봉 장치(80)는 예를 들어 탄성 재료의 스트립 형태로 제공되거나, 에지 절연 장치에 인쇄되거나 접착되는 폐쇄 기공 탄성 폼(foam) 또는 폴리머의 형태로 제공될 수 있다. 밀봉 장치들(80, 82)은 셀(3)의 원주 둘레로 연장될 수 있으며, 이에 의해 밀봉 장치들(80, 82)은 셀(3)의 스택 방향에 대해 평행한 방향에서 볼 때 프레임의 형상을 가질 수있다.
밀봉 장치(80, 82)는 충전 사이클링과 관련된 팽창 및 수축을 포함하는 스택 축(5)에 대해 평행한 방향에서의 셀 치수 변화를 보상할 수 있는 탄성 특성을 갖는다. 팽창 또는 수축의 양이 셀 두께의 최대 10% 이상에 해당할 수 있기 때문에, 밀봉 장치들(80, 82)은 셀 치수 변화에도 밀봉을 유지하기에 충분한 탄성을 가져야 한다.
밀봉 장치들(80, 82)를 형성하는데 사용되는 재료는 충전 사이클링으로 인한 셀 팽창 및 수축을 수용하기에 충분한 탄성을 가질 뿐만 아니라 수분에 대해 불침투성이어야 한다. 일부 실시예에서, 밀봉 장치들(80, 82)은 폐쇄 기공 탄성 폼(foam)의 기공 분율이 셀 두께의 최대 10% 이상의 셀(3)의 팽창 및 수축을 보상하기에 충분한 폐쇄 기공 탄성 폼(foam) 고무일 수 있다. 다른 실시예에서, 밀봉 장치(80, 82)들은 개방 셀 폼(foam) 고무를 포함하지만 이에 제한되지 않는 특정 적용의 요건을 다루는 다른 재료로 형성될 수 있다.
밀봉 장치(80, 82)의 사용은 액체 전해질 또는 겔형 전해질을 갖는 셀 스택에서 바람직하다. 일부 실시예에서, 에지 절연 장치의 상부면에 탄성 또는 폐쇄 기공 탄성 폼 또는 고무 유형 폴리머 필름 형태의 추가 시일을 갖는 에지 절연 장치를 제공하는 것이 적합하다.
도 9 내지 도 13을 참조하면, 이전에 설명된 바와 같이, 에지 절연 장치 내측 주변(64)은 이러한 구성 요소들 사이의 충돌을 피하기 위해 스택 축(5)을 가로 지르는 방향으로 제 1 활물질 층 주변 에지(31)로부터 이격되는데, 그 이유는 상기 충돌이 제 1 활물질 층(30)을 손상시킬 수 있기 때문이다. 일부 실시예에서, 바이폴라 플레이트(12)의 기판(20)은 기판(20)에 대해 에지 절연 장치(60)를 배치하는 방식으로 에지 절연 장치(60)와 결합하는 표면 특징부를 포함할 수 있어서, 에지 절연 장치 내측 주변(64)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 간격이 유지된다.
예를 들어, 기판(20)의 제 1 표면(21)은 제 1 표면(21)에 대해 수직인 방향으로 제 1 표면(21)으로부터 외측으로 돌출되는 돌출부(25)를 포함할 수 있다(도 9). 돌출부(25)는 스택 축(5)에 대해 평행한 방향에서 볼 때 원형 또는 타원형 프로파일을 가질 수 있다. 또한, 돌출부(25)는 단부면(26)을 포함할 수 있으며, 상기 단부면(26)과 기판 제 1 표면(21) 사이에서 연장되는 측벽(27)을 포함할 수 있다. 돌출부(25)는 기판 주변 에지(23)와 에지 절연 장치(60)의 내측 주변(64) 사이의 위치에서 제 1 표면(21)을 따라 배치된다. 에지 절연 장치(60)는 돌출부(25)를 수용하도록 형상 및 치수를 갖는 관통 구멍(66)(도 10 및 11) 또는 리세스(68)(도 12 및 도 13)와 같은 상응하는 특징부를 포함할 수 있다. 관통 구멍(66)은 에지 절연 장치(60)의 반대편 넓은 표면들 사이로 연장되고, 외측 주변(63)과 내측 주변(64)으로부터 이격된 위치에 배치된다. 돌출부(25)와 관통 구멍(66)이 맞물릴 때, 에지 절연 장치(60)는 에지 절연 장치 내측 주변(64)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 간격이 유지되도록, 기판(20)에 대해 배치되고 유지된다. 리세스(68)가 관통 구멍(66)을 대체하는 경우, 리세스(68)는 관통 구멍(66)과 형태 및 기능이 유사하지만, 에지 절연 장치(60)의 두께를 통해 부분적으로만 연장된다.
일부 실시예에서, 돌출부(25)는 공차 끼워 맞춤으로 관통 구멍(66) 또는 리세스(68) 내에 수용될 수 있다. 대안으로서, 돌출부(25)는 프레스 끼워 맞춤으로 관통 구멍(66) 또는 리세스(68) 내에 수용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 돌출부 측벽(27)은 선형이고 기판 제 1 표면(21)에 대해 수직이다. 에지 절연 장치 관통 구멍(66) 또는 리세스(68)는, 선형일 수 있으며 에지 절연 장치(60)의 반대편 넓은 표면들에 대해 수직일 수 있는 내부 표면(67)을 포함하거나(도 10), 또는 대안으로서 돌출부 측벽(27)과 결합하는 표면 특징부들(66a)을 포함할 수 있다(도 11).
일부 실시예에서, 돌출부(25) 및/또는 관통 구멍(66) 또는 리세스(68)는 그들 사이에 "스냅 인" 또는 "클릭-인" 기계적 결합을 제공하도록 형상 및/또는 치수를 갖는다. 이러한 실시예들에서, 돌출부 측벽(27)은 비선형 프로파일을 가질 수 있고, 관통 구멍(66) 또는 리세스(68)의 내부 표면(67)은 돌출부 측벽(27)의 비선형 프로파일을 보완하는 비선형 프로파일을 가질 수 있으며, 돌출부(25)는 돌출부 측벽(27)과 관통 구멍 내부 표면(67) 사이의 스냅 끼워 맞춤 결합을 통해 관통 구멍(66)과 결합된다. 도 12에 도시된 예에서, 돌출부 측벽(27)과 리세스 내부 표면(67)은 기판 제 1 표면(21)에 대해 각진, 보완적인 형상과 크기를 갖는다. 또한, 리세스 개구는 돌출부(25)의 가장 넓은 치수보다 작도록 치수 설계되고, 이에 의해 돌출부(25)는 리세스 내부 표면(67)과 맞물리도록 스냅되거나 클릭된다. 도 13에 도시된 예에서, 돌출부 측벽(27) 및 리세스 내부 표면(67)은 도 12의 그것과 유사한 방식으로 보완적인 형상을 갖지만, 여전히 캐비티(68) 내에 돌출부(25)를 유지하는 기능을 하는 동안 캐비티(68) 내에서 돌출부(25)의 약간의 움직임을 허용하는 크기를 갖는다.
도 14를 참조하면, 각각의 셀(3)의 기판(20)은 기판(20)의 주변을 둘러싸도록 기판 주변 에지(23)에 대해 평행하게 연장되는 선을 따라 이격된 다수의 돌출부(25)를 포함할 수 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 일부 실시예에서, 에지 절연 장치(60)는 관통 구멍(66) 및/또는 리세스(68)가 없다. 이러한 실시예들에서, 바이폴라 플레이트(12)의 기판(20)은 기판(20)에 대해 에지 절연 장치(60)를 배치하는 방식으로 에지 절연 장치 내측 주변(64)과 결합하는 표면 특징부들(예를 들어, 돌출부들(125))을 포함할 수 있다. 이전 실시예와 같이, 다수의 돌출부(125)가 기판(20)의 주변을 둘러싸도록 기판 주변 에지(23)에 대해 평행하게 연장되는 선을 따라 이격되어 배치된다. 돌출부들(125)은 에지 절연 장치 내측 주변(64)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이에 배치되어, 에지 절연 장치(60)와 제 1 활물질 층(30) 사이의 접촉을 방지하고, 특히 에지 절연 장치(60)를 배치하며 전술한 바와 같이, 에지 절연 장치(60)의 내측 주변(64)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 간격을 유지한다.
도 17을 참조하면, 일부 실시예에서, 에지 절연 장치 내측 주변(64)은 기판 제 1 표면(21)에 형성된 대안적인 실시예의 표면 특징부(225)와 협력한다. 예를 들어, 상기 대안적인 실시예의 표면 특징부(225)는 기판 제 1 표면(21)으로부터 돌출되며 전술한 바와 같이 에지 절연 장치(60)의 내측 주변(66)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 간격을 유지하도록 배치되는 프레임 형상 림일 수 있다. 림(225)은 에지 절연 장치(60)의 주변을 따라 연속적으로(도시됨) 또는 불연속적으로(도시되지 않음) 연장될 수 있다.
도 18을 참조하면, 기판(20)은 에지 절연 장치(60)의 해당 표면 특징부(66)와 결합하는 배치 표면 특징부(25), 및 특정 용도에서 필요한 경우, 에지 절연 장치(60)의 내측 주변(64)과 결합하는 배치 표면 특징부(125) 모두를 포함할 수 있다.
배치 표면 특징부(25, 125)가 에지 절연 장치(60)와 관련된 셀(3)(셀 3a)의 제 1 표면(21)(즉, 제 1 표면(2la))에 제공된 것으로 여기에서 설명되었지만, 대안으로서, 배치 표면 특징부(25, 125)는 인접 셀(3b)의 기판(20b)(즉, 제 2 표면(22b))에 형성될 수 있다.
돌출부(25, 125)는 기판 표면의 일체형 부분이거나 그 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 돌출부들(25, 125)은 스크린 프린팅 프로세스에서 기판 표면에 형성될 수 있다.
도 19를 참조하면, 일부 실시예에서 배치 특징부들(25, 66)은 폐쇄 기공 폼(foam) 고무 또는 탄성 원주 스트립(도시되지 않음)으로 형성될 수 있는 탄성 추가 패드(86)와 조합될 수 있다. 패드(86)는 셀(3a)의 기판(20a) 및/또는 인접 셀(3b)의 기판(20b), 따라서 셀(3)의 에지와 조합하여 에지 절연 장치(60)를 탄성적으로 고정하고 밀봉하는 기능을 한다.
도 20을 참조하면, 일부 실시예에서, 각각의 에지 절연 장치(60)의 외측 주변(63)을 수용 및 지지하고, 인접 셀의 에지 절연 장치 외측 주변(63)에 대해 스택 축(5)과 평행한 방향으로 이격된 관계로 각각의 외측 주변(63)을 유지하며, 에지 밀봉 장치(60)의 주변에서 밀봉을 제공하는 지지 프레임(90)이 제공된다. 지지 프레임(90)은 배터리 하우징(2) 내부에 배치되고, 셀 스택(4)을 둘러싸서 지지 프레임(90)과 기판 주변 에지(23) 사이에 갭(g3)이 존재하게 한다.
지지 프레임(90)은 에지 밀봉 테이프(도시되지 않음) 또는 두꺼운 폼(foam) 부재(91)(도 20)로서 구현될 수 있다. 폼 부재(91)는 공기 및 수분 불침투성이고, 셀 스택(4)의 원주 둘레로 연장되며, 셀 스택(4)의 양 단부를 둘러싸고 있어, 셀(3)이 배터리(1)의 환경으로부터 떨어져 밀봉될 수 있다.
지지 프레임(90)은 셀 스택(4)의 각각의 에지 절연 장치(60)의 외측 주변(63)을 수용하고 지지한다. 일부 실시예에서, 폼 부재(91)는 탄성이다. 특히, 폼 부재(91)는 예를 들어 충전 사이클링으로 인한 스택 축(5)에 대해 평행한 방향으로의 셀 스택(4)의 팽창 및 수축을 보상하기에 충분한 탄성을 갖는다. 지지 프레임(90)은 인접 셀들(3)의 에지 절연 장치들(60)의 각각의 외측 주변들(63) 사이의 이격된 관계를 유지하는 한편, 에지 절연 장치(60)의 부분(69)을 구속되지 않은 상태로 유지하도록 구성된다. 에지 절연 장치(60)의 구속되지 않은 부분(69)은 셀(3)의 외부에, 예를 들어 기판(20)의 주변 에지(23)를 넘어 지지 프레임(90)에 대해 내부에 존재하는 부분이다.
도 21을 참조하면, 에지 절연 장치(63)가 기판 주변 에지(23)를 넘어 셀 두께의 약 100 내지 1000 배 이상의 거리로 바깥쪽으로 연장되는 실시예에서, 폼 부재(91)는 저탄성 또는 비탄성 재료로 형성될 수 있고, 접착제, 폴리머 또는 세라믹 폴리머 하이브리드 밀봉 매스로 구성된 절연 재료를 포함할 수 있다. 또한, 에지 절연 장치(60)의 구속되지 않은 부분(69)은 배터리(1)를 스택 축(5)에 대해 평행한 단면에서 볼 때 휘어질 수 있다. 따라서, 에지 절연 장치(60)는 일종의 폴딩 웨이브를 가질 수 있다. 곡선 또는 웨이브를 형성하는데 사용되는 초과 재료는 지지 프레임(90)에 대해 스택 축(5)에 평행한 방향으로의 셀(3)의 팽창 및 수축을 보상하기 위해 사용되어, 폼 부재(91)가 비탄성이며 에지 절연 장치 외측 주변(63)이 스택 축(5)에 평행한 방향으로 이동하는 것을 방지하는 경우, 생성될 인장력의 발생을 방지한다.
다른 실시예에서, 셀 스택(4)의 하나의 셀(3)의 에지 절연 장치(60)의 구속되지 않은 부분(69)은 셀 스택(4)의 다른 셀(3)의 에지 절연 장치(60)의 구속되지 않은 부분(69)의 길이와는 다른 길이를 가질 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 구속되지 않은 부분(69)의 길이는 지지 프레임(90)의 내부 표면과 해당 기판(20)의 주변 에지(23) 사이의 거리이다. 예를 들어, 중앙(예를 들어, 셀 스택 제 1 단부(6)와 제 2 단부(8) 사이의 중간)에 배치된 셀(3)의 구속되지 않은 부분(69)은 셀 스택(4)의 제 1 단부(6) 또는 제 2 단부(8) 중 하나에 배치된 셀(3)의 구속되지 않은 부분(69)보다 더 짧은 길이를 가질 수 있다. 다양한 길이의 구속되지 않은 부분(69)을 갖는 에지 절연 장치 (60)를 제공함으로써, 셀 스택(4)의 중앙에서보다 셀 스택(4)의 단부들(6, 8)에서 상대적으로 더 큰 변위를 경험하는 셀 스택(4)은 셀 충전 사이클링으로 인한 스택 축(5)에 평행한 방향으로의 셀 스택의 팽창 및 수축을 쉽게 수용할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 셀(3)의 에지 절연 장치(60)의 외측 주변(63)은 지지 프레임(90)에 고정된다. 또한, 에지 절연 장치(60)의 길이(예를 들어, 외측 즈변(63)과 내측 주변(64) 사이의 거리)는 지지 프레임(90)과 에지 절연 장치(60)가 협력하여 에지 절연 장치 내측 주변(64)과 제 1 활물질 층 주변 에지(31) 사이의 소정 간격을 유지하도록 설정된다. 에지 절연 장치(60)가 지지 프레임(90)에 고정되어 있기 때문에, 에지 절연 장치(60)는 제 1 활물질 층(30)과 충돌되지 않는다. 따라서, 지지 프레임(90)을 사용하는 배터리(1)는 선택적으로 도 9 및 도 15와 관련해서 전술한 배치 특징부(25, 125)없이 형성될 수 있다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 지지 프레임(90)은 단단하며 폼 부재(91)를 둘러싸는 외부 프레임 부재(92)를 선택적으로 포함할 수 있다. 외부 프레임 부재(92)는 배터리 하우징(2)에 의한 폼 부재(91)의 압축을 방지하는 기능을 한다. 일부 실시예에서, 예를 들어 폼 부재(91)가 탄성 재료로 형성되는 실시예에서, 외부 프레임 부재(92)는 스택 축(5)에 평행한 방향으로 외부 프레임 부재(92)의 팽창을 허용하는 특징들을 가질 수 있다. 이러한 특징들은 외부 프레임 부재(92)를 2개의 단단하고 중첩되는 외부 프레임 반부(93, 94)의 조립체로서 제공하는 것을 포함할 수 있다(도 23). 다른 실시 예에서, 예를 들어 폼 부재(91)가 비탄성 재료로 형성되는 실시예에서, 외부 프레임 부재(92)는 단단하며 스택 축(5)에 대해 평행한 방향으로 팽창할 수 없는 단일 구조물일 수 있다(도 22).
도 24를 참조하면, 대안적인 실시예의 배터리(200)는 도 1과 관련하여 전술한 배터리(100)와 유사하고, 공통 요소들은 공통 도면 부호를 사용하여 언급된다. 배터리(200)는 전기 화학 셀(203)의 적층 배열을 둘러싼다. 셀들(203)은 셀들(203)이 에지 절연 장치(60)를 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 전술한 셀들(3)과 동일하다. 대신, 절연 테이프(260)가 각각의 기판(20) 및 각각의 집전체(102, 112)의 주변 에지에(23)에 적용되고, 이 구조물들의 전체 둘레를 따라 연장된다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 테이프(260)는 얇고 가요성인 전기 절연체이며, 상기 테이프의 일 표면에 접착제가 공급된다. 예를 들어, 테이프(260)는 Kapton™ 테이프와 같은 접착식 폴리아미드 테이프일 수 있다. Kapton™ 은 E. I. du Pont de Nemours and Company의 등록 상표이다. 접착 표면은 테이프(260)를 전기 전도체(예를 들어, 기판(20) 및 집전체(102, 112))에 고정하는데 사용된다. 테이프(260)는 전기 전도체의 한 표면에만 적용될 수 있지만, 전기 전도체의 에지를 감쌀 때 더 효과적이므로 제 1 및 제 2 표면(21, 22)의 주변뿐만 아니라 도시된 바와 같이 전기 전도체의 절단면 또는 에지 표면을 덮는다.
더욱이, 테이프(260)가 전기 전도체만을 덮고 고체 전해질 층(50) 또는 활물질 층(30, 40)을 덮지 않는 것으로 도시되어 있지만, 고체 전해질 층(50) 또는 활물질 층(30, 40)도 필요한 경우 테이프(260)로 부분적으로 덮여질 수 있다.
본 명세서에서 에지 절연 장치(60)가 고체 전해질(50)을 갖는 셀의 일부로서 설명되었지만, 에지 절연 장치(60)는 이러한 유형의 셀로 제한되지 않는다. 예를 들어, 에지 절연 장치(60)는 바람직하게는 반고체 상태 셀, 예를 들어 더 높은 점도 및 더 낮은 유동 특성을 갖는 겔 전해질을 갖는 셀에 사용될 수 있다. 에지 절연 장치(60)는 또한 에지 밀봉 장치의 상부면에 추가의 액체 밀봉 탄성 필름과 함께 액체 전해질을 갖는 셀에 사용될 수 있다. 탄성 액체 전해질 밀봉 층으로는 실리콘 겔과 폴리머가 적합하다.
본 명세서에 설명된 실시예에서, 고체 전해질 층(50)은 제 2 활물질 층(40)을 캡슐화하는 방식으로 제 2 표면(22)에 배치되고, 이는 차례로 전기 화학 셀(3)의 애노드를 제공하는 것으로 설명된다. 그러나, 다른 실시예에서, 고체 전해질 층(50)은 전기 화학 셀(3)의 캐소드를 제공하는 제 1 활물질 층(30)을 캡슐화하도록 구성될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서, 고체 전해질(50)은 애노드 활물질 층(40) 위에 놓이고, 에지 절연 장치(60)는 고체 전해질(50)의 주변부에 직접 고정된다. 그러나, 셀(3)은 이 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 고체 전해질(50)은 캐소드 활물질 층(30) 위에 놓일 수 있고, 에지 절연 장치(60)는 고체 전해질(50)의 주변부에 직접 고정될 수 있다. 어쨋든, 캐소드 활물질 층(30)은 활물질 층(30)에 가해지는 힘을 방지하고, 따라서 예를 들어 해당 기판으로부터 분리하여 손상을 방지하기 위해, 에지 절연 장치(60)에 접촉하지 않는다.
전술한 실시예들은 예로서 도시되었으며, 이 실시예들은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 청구 범위는 개시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라, 오히려 본 개시 내용의 정신 및 범위에 속하는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포함한다는 것을 추가로 이해해야 한다.
Claims (9)
- 각각의 셀이 셀들의 스택 방향과 정렬된 스택 축에 센터링되는 전기 화학 셀의 적층 배열을 포함하는 배터리로서,
각각의 셀은,
기판, 상기 기판의 제 1 표면에 배치된 제 1 활물질 층, 및 상기 기판의 제 2 표면에 배치된 제 2 활물질 층을 포함하는 바이폴라 플레이트로서, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면과 반대이고, 상기 제 1 활물질 층은 기판 주변 에지로부터 이격되며 상기 기판 주변 에지보다 상기 기판의 중심에 더 가깝게 배치된 제 1 활물질 층 주변 에지를 가지며, 상기 제 2 활물질 층은 상기 제 1 활물질 층의 재료와는 다른 재료이고, 상기 제 2 활물질 층은 상기 기판 주변 에지로부터 이격된 제 2 활물질 층 주변 에지를 갖는, 상기 바이폴라 플레이트,
상기 제 2 표면에 배치되어, 상기 제 2 활물질 층 주변 에지를 포함하는 상기 제 2 활물질 층을 캡슐화하는 고체 전해질 층, 및
전기 절연 재료의 시트를 포함하고, 외측 주변 및 내측 주변을 포함하는 에지 절연 장치를 포함하며,
상기 에지 절연 장치는, 상기 인접 셀들의 쌍의 기판들의 주변 에지들 사이에 배치되어,
상기 외측 주변이 상기 기판 주변 에지보다 상기 기판들의 중심들로부터 더 멀리 배치되고,
상기 에지 절연 장치가 상기 인접 셀들의 쌍 중 하나의 셀의 제 1 표면에 물리적으로 접촉하여 직접 고정되고 상기 인접 셀들의 쌍 중 다른 셀에 대해 이동 가능하거나, 또는 상기 에지 절연 장치가 상기 인접 셀들의 쌍의 다른 셀의 고체 전해질 층에 물리적으로 접촉하여 직접 고정되고 상기 인접 셀들의 쌍의 하나의 셀에 대해 이동 가능하며,
상기 배터리는 상기 지지 프레임과 상기 기판 주변 에지들 사이에 갭이 존재하도록 셀들의 상기 적층 배열을 둘러싸는 지지 프레임을 포함하고, 상기 지지 프레임은, 각각의 셀의 에지 절연 장치의 외측 주변을 수용하며 지지하고, 하나의 셀의 상기 에지 절연 장치의 상기 외측 주변과 인접 셀의 상기 에지 절연 장치의 상기 외측 주변 사이의 이격된 관계를 유지하도록 구성되는, 배터리. - 제 1 항에 있어서, 상기 지지 프레임은, 인접 셀들의 상기 에지 절연 장치들의 상기 외측 주변들 사이의 이격된 관계를 유지하는 한편, 상기 외측 주변과 상기 내측 주변 사이에 존재하는 각각의 에지 절연 장치의 일부를 구속되지 않은 상태로 유지하도록 구성되는, 배터리.
- 제 2 항에 있어서, 상기 구속되지 않은 부분은 상기 배터리를 상기 스택 축에 평행한 단면에서 볼 때 휘어지는, 배터리.
- 제 2 항에 있어서, 상기 배터리의 하나의 셀의 상기 구속되지 않은 부분의 길이는 상기 배터리의 다른 셀의 구속되지 않은 부분의 길이와는 다르고, 주어진 셀의 구속되지 않은 부분의 길이는 상기 주어진 셀의 상기 기판의 주변 에지와 상기 지지 프레임의 내부 표면 사이의 거리인, 배터리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 지지 프레임은 공기 및 수분 불침투성이고, 상기 셀들이 상기 배터리의 환경으로부터 밀봉되는 방식으로 셀 스택의 모든 측면을 둘러싸는, 배터리.
- 제 1 항에 있어서, 각각의 셀의 상기 에지 절연 장치의 상기 외측 주변은 상기 지지 프레임에 고정되고, 상기 에지 절연 장치의 길이는 상기 지지 프레임 및 상기 에지 절연 장치가 협력하여 상기 에지 절연 장치의 상기 내측 주변과 상기 제 1 활물질 층 주변 에지 사이의 소정 간격을 유지하도록 설정되며, 상기 에지 절연 장치의 길이는 상기 내측 주변과 상기 외측 주변 사이의 거리에 해당하는, 배터리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 지지 프레임은 각각의 셀의 상기 에지 절연 장치의 상기 외측 주변을 수용 및 지지하는 폼(foam) 부재를 포함하고, 상기 폼 부재는 비탄성이며, 단단한 외부 프레임 부재에 배치되는, 배터리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 지지 프레임은 각각의 셀의 상기 에지 절연 장치의 상기 외측 주변을 수용 및 지지하는 폼 부재를 포함하고, 상기 폼 부재는 탄성이며, 팽창 가능한 외부 프레임 부재에 배치되는, 배터리.
- 제 8 항에 있어서, 상기 외부 프레임 부재는 2개의 단단하고 중첩되는 외부 프레임 반부의 조립체를 포함하는, 배터리.
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