KR20210046684A - Lithium ion battery - Google Patents
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Abstract
멀티-코어 리튬 이온 배터리가 밀폐된 밀봉재 및 상기 밀폐된 밀봉재 내에 배치된 지지 부재를 포함한다. 상기 지지 부재는 복수의 공동 및 상기 복수의 공동에 배치되는 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 배터리는 복수의 공동 라이너를 더 포함하며, 각각의 공동 라이너는 리튬 이온 코어 부재들 중 대응하는 하나와 공동들 중 대응하는 하나의 표면 사이에 위치한다.A multi-core lithium ion battery includes a hermetically sealed sealant and a support member disposed within the hermetically sealed sealant. The support member includes a plurality of cavities and a plurality of lithium ion core members disposed in the plurality of cavities. The battery further includes a plurality of cavity liners, each cavity liner positioned between a corresponding one of the lithium ion core members and a corresponding one of the cavities on the surface.
Description
관련 출원의 상호-참조Cross-reference of related applications
본 출원은 2018년07월30일에 출원되고 번호 16/048,874가 할당된 정규특허출원 발명의 "Lithium Ion Battery"의 우선권의 이익을 주장한다. 상기 미국 정규특허출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.This application claims the benefit of the priority of "Lithium Ion Battery" of a regular patent application invention filed on July 30, 2018 and assigned the
발명의 분야Field of invention
본 발명은 리튬 이온 배터리와 관련되며, 더 구체적으로 안전성이 개선되고 제조 비용이 감소된 멀티-코어 리튬 이온 배터리와 관련된다.The present invention relates to a lithium ion battery, and more particularly to a multi-core lithium ion battery with improved safety and reduced manufacturing cost.
전기-화학적 전지, 가령, 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 전기 자동차 및 그리드 스토리지 시스템과 같은 응용분야 및 그 밖의 다른 멀티-셀 배터리 응용분야, 가령, 전기 바이크, 비중단 전력 배터리 시스템, 및 납 산 교체 배터리의 성장 때문에 계속 증가하고 있다. 에너지 및 전력 밀도가 높은 것이 이러한 응용분야의 요구사항이지만 그보다 더 중요하지는 않더라도 광범위한 상업적 채택을 가능하게 하기 위한 저비용 제조 및 향상된 안전성 요구 사항이 중요하다. 또한 이들 배터리의 에너지 대 전력 비율을 응용분야에 맞게 조정할 필요가 있다.Demand for electro-chemical cells, such as lithium-ion batteries, is in applications such as electric vehicles and grid storage systems, and other multi-cell battery applications such as electric bikes, non-disruptive power battery systems, and lead acid replacement. It continues to increase due to the growth of the battery. Higher energy and power densities are requirements for these applications, but if not more important than that, low-cost manufacturing and improved safety requirements to enable widespread commercial adoption are important. In addition, the energy-to-power ratio of these batteries needs to be tailored to the application.
대형 응용분야인 그리드 스토리지 및 전기 자동차의 경우 직렬 및 병렬 어레이로 연결된 복수의 전지가 요구된다. 전지의 공급자는 각각의 단일 전지에 대해 본 명세서에서 10Ah(암페어 시)를 초과하는 것으로 정의된 대형 전지, 또는 본 명세서에서 10Ah 미만으로 정의된 소형 전지에 초점을 맞춘다. 대형 전지, 가령, 적층된 전극을 포함하는 각기둥형 또는 폴리머 전지가 LG Chemical, AESC, ATL 및 그 밖의 다른 제조업체에 의해 만들어진다. 소형 전지, 가령, 18650 또는 26650 원통형 전지, 또는 각기둥형 전지, 가령, 183765 또는 103450 전지 및 그 밖의 다른 유사한 크기의 전지는 Sanyo, Panasonic, EoneMoli, Boston-Power, Johnson Controls, Saft, BYD, Gold Peak 등에 의해 만들어진다. 이들 소형 전지는 종종 장타원형 또는 원통형의 젤리 롤 구조를 이용한다. 일부 소형 전지는 대형 전지와 유사하지만 용량이 더 적은 적층형 전극을 갖는 폴리머 전지이다.Large applications such as grid storage and electric vehicles require multiple cells connected in series and parallel arrays. Suppliers of batteries focus on large cells, defined herein as >10 Ah (in amperes), for each single cell, or small cells as defined herein as less than 10 Ah. Large cells, such as prismatic or polymer cells with stacked electrodes, are made by LG Chemical, AESC, ATL and other manufacturers. Small cells, such as 18650 or 26650 cylindrical cells, or prismatic cells, such as 183765 or 103450 cells and other similarly sized cells are Sanyo, Panasonic, EoneMoli, Boston-Power, Johnson Controls, Saft, BYD, Gold Peak Made by the back These small cells often use an oblong or cylindrical jelly roll structure. Some small cells are polymer cells with stacked electrodes that are similar to large cells, but with less capacity.
기존의 소형 및 대형 전지 배터리는 몇 가지 중요한 단점을 가진다. 소형 전지, 가령, 18650 전지의 경우, 일반적으로 밀봉재 즉 '캔'에 의해 제한되는 단점을 가지는데, 이는 부분적으로 기계적 스트레스 또는 전해질 부족으로 인한 사이클 수명 및 캘린더 수명의 제한을 초래한다. 리튬 이온 배터리가 충전될 때 전극이 팽창한다. 캔 때문에, 전극의 젤리 롤 구조가 제한되고 젤리 롤 구조에서 기계적 스트레스가 발생하여 수명 사이클이 제한된다. 점점 더 많은 저장 용량이 요구됨에 따라 더 많은 활성 애노드 및 캐소드 재료가 주어진 부피의 캔에 삽입되며, 이는 전극에 추가적인 기계적 스트레스를 발생시킨다.Existing small and large cell batteries have several important drawbacks. Small cells, such as 18650 cells, generally have the disadvantage of being limited by the sealant or'can', which leads to limitations in cycle life and calendar life, in part due to mechanical stress or lack of electrolyte. When the lithium-ion battery is charged, the electrode expands. Because of the can, the jelly roll structure of the electrode is limited and mechanical stress occurs in the jelly roll structure, thereby limiting the life cycle. As more and more storage capacity is required, more active anode and cathode materials are inserted into a given volume of can, which creates additional mechanical stress on the electrode.
또한, 소형 전지의 전해질 양을 증가시키는 능력은 제한적이며 리튬이 삽입(intercalate) 및 탈리(de-intercalate)됨에 따라 전극 이동이 젤리 롤로부터 전해질을 압착한다. 이로 인해 전극에서 전해질이 고갈되어, 전력이 소모되는 동안 리튬 이온의 농도 구배와 전극의 탈수가 발생하고, 이는 부 반응 및 이온 경로를 차단하여 배터리 수명을 저하시키는 건조 영역을 초래한다. 특히 긴 수명 배터리의 경우 이들 문제를 극복하기 위해, 사용자는 충전 상태를 낮추거나, 전지의 가용 용량을 제한하거나, 충전 속도를 낮춤으로써 성능과 타협해야 한다.In addition, the ability of small cells to increase the amount of electrolyte is limited and as lithium is intercalated and de-intercalated, electrode movement compresses the electrolyte from the jelly roll. As a result, the electrolyte is depleted in the electrode, and a concentration gradient of lithium ions and dehydration of the electrode occur while power is consumed, resulting in a dry area that blocks side reactions and ion pathways and reduces battery life. To overcome these problems, especially for long-life batteries, users must compromise performance by lowering the state of charge, limiting the available capacity of the cell, or lowering the charging rate.
기계적 측면에서 소형 전지는 대형 어레이로 조립하기가 어렵고 비용이 많이 든다. 용접 오류 가능성을 최소화하려면 복잡한 용접 패턴이 만들어져야 한다. 용접 오류는 잘못된 용접 연결부에서 용량 저하 및 잠재적인 발열을 초래한다. 어레이에 전지가 많을수록, 오류 위험이 높아지고 제조 수율이 낮아진다. 이는 더 높은 제품 및 품질보증 비용을 의미한다. 용접 및 내부 단락의 오류 문제뿐 아니라 소형 전지의 패키징에서도 잠재적인 안전 문제가 있다. 하나의 전지의 오류로 인한 연속 열 폭주를 방지하려면 소형 전지의 적절한 패키징이 필요하다. 이러한 패키징은 비용을 증가시킨다.On the mechanical side, small cells are difficult and expensive to assemble into large arrays. Complex welding patterns must be created to minimize the possibility of welding errors. Welding errors lead to capacity degradation and potential heat generation at the wrong weld joint. The more cells there are in the array, the higher the risk of errors and the lower the manufacturing yield. This means higher product and warranty costs. There are potential safety issues in the packaging of small cells, as well as fault problems of welding and internal shorts. Proper packaging of small cells is required to prevent continuous thermal runaway due to failure of one cell. Such packaging increases the cost.
대형 전지의 경우 단점은 주로 안전성, 낮은 체적 및 중량 측정 용량, 값 비싼 제조 방법에 대한 것이다. 대 면적 전극을 갖는 대형 전지는 소형 전지에 비해 제조 수율이 낮다. 대형 전지 전극에 결함이 있으면, 소형 전지 제조에 비해 더 많은 재료가 낭비되고 전체 수율이 낮다. 5Ah 전지와 비교되는 50Ah 전지를 예시로서 고려할 수 있다. 두 생산 방법 모두에 대한 결함이 단지 생산된 전지의 50Ah마다 발생하는 경우라도, 50Ah 전지의 결함은 5Ah 전지에 비해 10배의 재료 손실을 초래할 수 있다.In the case of large batteries, the disadvantages are primarily safety, low volume and gravimetric capacity, and expensive manufacturing methods. Large cells with large area electrodes have a lower manufacturing yield compared to small cells. If the large battery electrode is defective, more material is wasted and the overall yield is low compared to manufacturing a small battery. A 50Ah battery compared to a 5Ah battery can be considered as an example. Even if defects for both production methods occur only every 50 Ah of the cells produced, a defect in a 50Ah cell can result in a material loss of 10 times compared to a 5Ah cell.
대형 전지에 대한 또 다른 문제는 안전성이다. 열 폭주로 들어가는 전지에서 방출되는 에너지는 열 폭주 시나리오 동안 접근할 수 있는 전지 내부에 있는 전해질의 양에 비례한다. 전지가 클수록 전극 구조를 완전히 포화시키기 위해 전해질을 위한 이용 가능한 자유 공간이 더 크다. 대형 전지에 대한 Wh당 전해질 양은 일반적으로 소형 전지보다 많기 때문에, 일반적으로 대형 전지 배터리는 열 폭주 동안 더 강력한 시스템이므로 덜 안전하다. 당연히 모든 열 폭주는 특정 시나리오에 따라 달라질 것이지만, 연료(전해질)가 많을수록 재앙적 사건의 경우 더 강한 화재가 발생한다. 또한, 대형 전지가 열 폭주 모드에 들어가면, 전지에 의해 발생된 열이 인접한 전지에서 열 폭주 반응을 유발하여, 팩 및 주위 설비의 심각한 파괴와 함께 전체 팩을 발화하는 연속 효과와 사용자에게 안전하지 않은 상태를 초래한다.Another issue with large batteries is safety. The energy released by a cell entering thermal runaway is proportional to the amount of electrolyte in the cell that is accessible during a thermal runaway scenario. The larger the cell, the more free space available for the electrolyte to fully saturate the electrode structure. Since the amount of electrolyte per Wh for large cells is generally higher than for small cells, large cell batteries are generally less secure as they are more powerful systems during thermal runaway. Of course, all thermal runaways will depend on the specific scenario, but the more fuel (electrolyte) there is, the stronger the fire will be in case of a catastrophic event. In addition, when a large battery enters the thermal runaway mode, the heat generated by the battery causes a thermal runaway reaction in the adjacent battery, causing serious destruction of the pack and surrounding facilities, as well as the continuous effect of igniting the entire pack and unsafe for users. Causes the condition.
소형 전지와 대형 전지의 성능 파라미터를 서로 비교할 때, 소형 전지는 일반적으로 대형 전지에 비교할 때 더 높은 중량측정(Wh/kg) 및 부피측정(Wh/L) 용량을 가짐을 알 수 있다. 대형 전지에 비교할 때, 용량 및 임피던스에 대한 비닝 기술을 사용함으로써 생산 실행의 전체 분포를 더 효율적인 방식으로 매칭시킴으로써 복수의 소형 전지를 그룹화하는 것이 더 용이하다. 이는 배터리 팩 대량 생산 동안 더 높은 제조 수율을 도출하며, 또한, 예를 들어, 하나의 전지에서의 내부 단락에 의해 점화에 의한(안전 문제 분야에서 가장 일반적인 문제 중 하나) 배터리 팩의 연속적인 폭주 반응을 제한하는 부피 효율적인 어레이로 소형 전지들을 배열하는 것이 더 용이하다. 또한, 생산 방법이 업계에서 높은 수율로 잘 확립되어 있고 고장률이 낮기 때문에 소형 전지를 이용하는 비용 이점이 존재한다. 기계가 쉽게 이용 가능하며 비용이 제조 시스템 밖에서 발생했다.When comparing the performance parameters of small cells and large cells, it can be seen that small cells generally have higher gravimetric (Wh/kg) and volumetric (Wh/L) capacities when compared to large cells. Compared to large cells, it is easier to group a plurality of small cells by using binning techniques for capacity and impedance to match the overall distribution of production runs in a more efficient manner. This leads to higher manufacturing yields during mass production of the battery pack, and also the continuous runaway reaction of the battery pack due to ignition (one of the most common problems in the field of safety issues), e.g. by ignition by an internal short circuit in one cell. It is easier to arrange the small cells into a volume efficient array that limits the. In addition, there is a cost advantage of using a small battery because the production method is well established in the industry with high yield and the failure rate is low. The machine was readily available and costs were incurred outside the manufacturing system.
반면에, 대형 전지의 이점은 종종 사용하기 용이한 일반적인 전기기계 커넥터를 위한 공간이 있고, 여러 문제 및 소형 전지의 어레이를 조립하는 데 필요한 노하우를 해결할 필요 없이 효율적인 팩 제조를 가능하게 하는 명백히 더 적은 수의 전지가 있는 더 강건한 대형 포맷 구조를 겪을 수 있는 배터리 팩 OEM을 위한 조립 용이성이다.On the other hand, the advantage of large cells is that there is often room for a common electromechanical connector that is easy to use, and obviously less, which allows efficient pack manufacturing without having to solve many problems and the know-how required to assemble an array of small cells. Ease of assembly for battery pack OEMs that can suffer from a more robust large format structure with a number of cells.
대형 전지에 비교해서, 더 나은 안전과 더 낮은 제조 비용으로, 소형 전지를 사용하여 더 큰 크기와 더 높은 전력/에너지 용량의 배터리를 만드는 이점을 활용하기 위해, 멀티-코어(MC) 전지 구조로의 소형 전지의 조립이 개발되었다.Compared to large cells, with better safety and lower manufacturing cost, in order to take advantage of the advantages of using small cells to make batteries of larger size and higher power/energy capacity, with a multi-core (MC) cell structure. The assembly of small-sized batteries was developed.
BYD Company Ltd.에서 개발한 이러한 MC 전지 구조 중 하나는 금속(알루미늄, 구리 합금 또는 니켈 크롬)으로 만들어진 하나의 컨테이너에 일체 구성되는 MC의 어레이를 사용한다. 이 어레이는 다음 문서에 설명되어 있다: EP 1952475 A0, WO2007/053990, US2009/0142658 A1, CN 1964126A. BYD 구조는 MC를 둘러싸는 금속 물질만 가지고 있으므로, 기계적 충격 시 날카로운 물체가 코어에 침투하여 국소적 단락을 유발하는 단점을 가진다. 모든 코어가 코어들 간에 전해질이 공유되는 공통 컨테이너(개별 캔이 아님)에 있기 때문에 제조 결함이나 외부 오용으로 인한 임의의 개별 고장이 다른 코어로 전파되고 MC 구조가 파괴될 가능성이 있다. 이러한 전지는 안전하지 않다.One of these MC cell structures developed by BYD Company Ltd. uses an array of MCs that are integrated into a single container made of metal (aluminum, copper alloy or nickel chromium). This array is described in the following documents: EP 1952475 A0, WO2007/053990, US2009/0142658 A1, CN 1964126A. Since the BYD structure has only the metal material surrounding the MC, it has a disadvantage that a sharp object penetrates the core and causes a local short circuit in case of mechanical impact. Since all the cores are in a common container (not individual cans) where electrolyte is shared between the cores, any individual failures due to manufacturing defects or external misuse can propagate to other cores and possibly destroy the MC structure. These batteries are not safe.
복수의 전기화학 전지의 조립체에서 열 폭주를 방지하는 방법은 US2012/0003508 A1에 기재되어 있다. 이 특허 출원에 기재된 MC 구조에서, 개별 전지는 병렬 또는 직렬로 연결되며, 각각의 전지는 각자의 캔에 담긴 젤리 롤 구조를 가진다. 그런 다음 이들 개별 전지가 난연성 첨가제를 포함한 경질 폼으로 채워진 컨테이너에 삽입된다. 이들 안전 조치에서는 부분적으로 완화 물질의 과도한 비용으로 인해 에너지 밀도를 생성하고 제한하는 데 많은 비용이 든다.A method of preventing thermal runaway in the assembly of a plurality of electrochemical cells is described in US2012/0003508 A1. In the MC structure described in this patent application, individual cells are connected in parallel or in series, and each cell has a jelly roll structure contained in its own can. These individual cells are then inserted into a container filled with rigid foam containing flame retardant additives. These safety measures are expensive to create and limit energy density, in part due to the excessive cost of mitigating materials.
또 다른 MC 구조는 특허 출원 US2010/0190081 A1 및 WO2007/145441 A1에 기술되어 있으며, 여기에 단일 배터리에 의해 둘 이상의 전압을 제공하는 복수의 전지를 갖는 둘 이상의 적층형 이차 배터리의 사용이 개시되어 있다. 이 배열에서, 단일 전지가 밀봉재 내에 직렬로 분리기를 사용하여 연결되어 있다. 직렬 요소는 더 높은 전압의 전지만 만들뿐 규칙적 적층형 단일 전압 전지에 비해 어떠한 안전성이나 비용 문제를 해결하지 못한다.Another MC structure is described in patent applications US2010/0190081 A1 and WO2007/145441 A1, wherein the use of two or more stacked secondary batteries having a plurality of cells providing two or more voltages by a single battery is disclosed. In this arrangement, single cells are connected in series in the seal using a separator. Series elements only make higher voltage cells, but do not solve any safety or cost issues compared to regular stacked single voltage cells.
이 MC 유형 배터리는 대형 전지 배터리에 비해 특정 이점을 제공하지만, 안전과 비용 면에서 특정 단점을 여전히 가진다.Although this MC type battery offers certain advantages over large cell batteries, it still has certain disadvantages in terms of safety and cost.
본 발명은 더 큰 크기의 배터리의 이점, 가령, 이러한 배터리의 어레이의 조립의 편의 및 전력 대 에너지 비를 맞춤 구성할 수 있는 능력을 제공하면서 생산 비용이 감소되고 안전성이 개선된 신규한 유형의 MC 리튬 이온 배터리 구조를 제공한다.The present invention is a novel type of MC with reduced production costs and improved safety while providing the advantages of larger sized batteries, such as the convenience of assembly of such an array of batteries and the ability to customize the power-to-energy ratio. Provides a lithium-ion battery structure.
밀폐된 밀봉재 내에 배치된 지지 부재를 갖는 밀폐된 밀봉재를 갖는 멀티-코어 리튬 이온 배터리가 기재된다. 지지 부재는 복수의 공동 및 상기 복수의 공동 중 대응하는 공동 내에 배치되는 복수의 리튬 이온 코어 부재를 포함할 수 있다. 복수의 공동 라이너가 존재하며, 각각의 공동 라이너는 리튬 이온 코어 부재들 중 대응하는 하나와 공동들 중 대응하는 하나의 표면 사이에 위치한다. 지지 부재는 운동 에너지 흡수 물질을 포함하고 운동 에너지 흡수 물질은 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다. 공동 라이너가 플라스틱 물질로 형성되고 복수의 공동 라이너가 모놀리식 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 각각의 코어 내에 담긴 전해질이 더 포함되며 전해질은 난연제, 가스 생성제, 및 산화환원 운반제 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드, 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 분리막을 포함한다. 코어 부재를 밀폐된 밀봉재 외부의 전기 단자로 전기적으로 연결하는 상기 밀봉재 내에 전기 커넥터가 또한 포함된다. 상기 전기 커넥터는 두 개의 버스 바를 포함하며, 제1 버스 바는 상기 코어 부재의 애노드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 음 단자 부재로 상호연결하고, 제2 버스 바는 상기 코어 부재의 캐소드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 양 단자 부재로 상호연결한다.A multi-core lithium ion battery having a hermetically sealed material having a support member disposed within the hermetically sealed material is described. The support member may include a plurality of cavities and a plurality of lithium ion core members disposed within a corresponding one of the plurality of cavities. There are a plurality of cavity liners, each cavity liner positioned between a corresponding one of the lithium ion core members and a surface of a corresponding one of the cavities. The support member includes a kinetic energy absorbing material and the kinetic energy absorbing material is formed of one of aluminum foam, ceramic and plastic. The cavity liner is formed of a plastic material and a plurality of cavity liners are formed as part of the monolithic liner member. An electrolyte contained in each core is further included, and the electrolyte includes at least one of a flame retardant, a gas generating agent, and a redox carrier. Each lithium ion core member includes an anode, a cathode, and a separator disposed between each anode and the cathode. An electrical connector is also included in the sealing material that electrically connects the core member to an electrical terminal outside the sealed sealing material. The electrical connector includes two bus bars, a first bus bar interconnecting the anode of the core member to a negative terminal member of a terminal outside the sealing material, and a second bus bar connecting the cathode of the core member to the outside of the sealing material. Both terminals of the terminals are interconnected by means of terminal members.
덧붙여, 밀봉재 및 지지 부재 중 적어도 하나는 단열 미네랄 물질(가령, AFB® 물질, Cavityrock® 물질, ComfortBatt® 물질 및 FabrockTM 물질(덴마크, 헤데후세네에 소재하는 Rockwool Group); Promafour® 물질, Microtherm® 물질(벨기에, 티셀트에 소재하는 Promat Inc.); 및 Morgan Thermal Ceramics(영국, 버켄 헤드)의 칼슘-마그네슘-실리케이트 울 제품)으로부터 제조될 수 있다. 단열 미네랄 물질은 복합재로서 사용될 수 있으며 섬유 및/또는 분말 매트릭스를 포함한다. 미네랄 매트릭스 물질은 알칼리 토류 실리케이트 울, 현무암 섬유, 석면, 화산 유리 섬유, 유리섬유, 셀룰러 유리 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 미네랄 물질은, 필수는 아니지만 결합 물질을 포함할 수 있다. 개시된 결합 물질은 폴리머 물질일 수 있으며 나일론, 폴리비닐 클로라이드("PVC"), 폴리비닐 알코올("PVA"), 아크릴 폴리머, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 그룹 중에서 선택될 수 있다. 미네랄 물질은 난연성 첨가제를 더 포함할 수 있지만, 이는 필수가 아니며, 이러한 물질의 예로는 알루미나 트리히드레이트("ATH")가 있다. 미네랄 물질은 다양한 매질, 가령, 롤, 시트 및 보드로 생성될 수 있으며 강성 또는 연성일 수 있다. 예를 들어, 물질은 압착 및 압축된 블록/보드일 수 있거나 스폰지 형이고 압축 가능한 복수의 직조된 섬유일 수 있다. In addition, at least one of the sealant and support member may be an insulating mineral material (e.g., AFB® material, Cavityrock® material, ComfortBatt® material and FabrockTM material (Rockwool Group, Hedefusene, Denmark); Promafour® material, Microtherm® material ( Promat Inc. of Tisselt, Belgium); and from Calcium-magnesium-silicate wool from Morgan Thermal Ceramics (Birkenhead, UK). The insulating mineral material can be used as a composite and includes a fiber and/or powder matrix. The mineral matrix material may be selected from the group comprising alkaline earth silicate wool, basalt fiber, asbestos, volcanic glass fiber, glass fiber, cellular glass, and any combination thereof. The mineral material may include, but not necessarily, a binding material. The disclosed bonding material may be a polymeric material and may be selected from the group comprising nylon, polyvinyl chloride ("PVC"), polyvinyl alcohol ("PVA"), acrylic polymer, and any combination thereof. The mineral material may further contain flame retardant additives, but this is not essential, and an example of such a material is alumina trihydrate ("ATH"). Mineral materials can be produced in a variety of media, such as rolls, sheets and boards, and can be rigid or flexible. For example, the material may be a pressed and compressed block/board or may be a plurality of woven fibers that are spongy and compressible.
본 발명의 또 다른 양태에서, 코어 부재는 병렬로 연결되거나 직렬로 연결된다. 대안으로, 코어 부재의 제1 세트는 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트는 병렬로 연결되며, 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다. 지지 부재는 벌집구조 구조물의 형태를 가진다. 운동 에너지 흡수 물질은 압축 가능 매질을 포함한다. 밀봉재는 벽에 가해지는 힘으로 인해 압축될 때 리튬 이온 배터리의 전기적 단락을 생성하는 압축 가능한 요소를 갖는 벽을 포함한다. 지지 부재 내 공동 및 이들의 대응되는 코어 부재가 원통형, 장타원형, 및 각기둥형 중 하나이다. 공동 및 이의 대응하는 코어 부재 중 적어도 하나가 타 공동 및 이들의 대응하는 코어 부재와 상이한 형태를 가진다.In another aspect of the invention, the core members are connected in parallel or connected in series. Alternatively, the first set of core members is connected in parallel and the second set of core members is connected in parallel, and the first set of core members is connected in series with the second set of core members. The support member has the form of a honeycomb structure. The kinetic energy absorbing material includes a compressible medium. The sealant includes a wall with compressible elements that create an electrical short in the lithium ion battery when compressed due to a force applied to the wall. The cavities in the support member and their corresponding core members are one of a cylindrical shape, an oblong shape, and a prismatic shape. At least one of the cavity and its corresponding core member has a different shape from the other cavity and its corresponding core member.
본 발명의 또 다른 양태에서, 코어 부재 중 적어도 하나가 높은 전력 특성을 가지며 코어 부재 중 적어도 하나가 높은 에너지 특성을 가진다. 코어 부재의 애노드가 동일한 물질로 형성되고 코어 부재의 캐소드가 동일한 물질로 형성된다. 각각의 분리막 부재는 세라믹 코팅을 포함하고 각각의 애노드 및 각각의 캐소드는 세라믹 코팅을 포함한다. 코어 부재 중 적어도 하나가 타 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함한다. 적어도 하나의 캐소드가 물질의 화합물 A 내지 M 그룹 중 적어도 두 개를 포함한다. 각각의 캐소드는 표면 개질제를 포함한다. 각각의 애노드는 Li 금속 또는 탄소 및 흑연 중 하나를 포함한다. 각각의 애노드는 Si를 포함한다. 각각의 코어 부재는 권취된 애노드, 캐소드 및 분리막 구조를 포함하거나 각각의 코어 부재가 적층된 애노드, 캐소드 및 분리막 구조를 포함한다.In another aspect of the present invention, at least one of the core members has high power characteristics and at least one of the core members has high energy characteristics. The anode of the core member is formed of the same material, and the cathode of the core member is formed of the same material. Each separator member includes a ceramic coating and each anode and each cathode includes a ceramic coating. At least one of the core members includes one of an anode and a cathode having a thickness different from that of the anode and cathode of the other core member. At least one cathode comprises at least two of the compounds A to M groups of the material. Each cathode contains a surface modifier. Each anode comprises either Li metal or carbon and graphite. Each anode contains Si. Each core member includes a wound anode, a cathode, and a separator structure, or includes an anode, a cathode, and a separator structure in which each core member is stacked.
본 발명의 또 다른 양태에서, 코어 부재는 실질적으로 동일한 전기 용량을 가진다. 코어 부재 중 적어도 하나가 다른 코어 부재와 상이한 전기 용량을 가진다. 코어 부재 중 적어도 하나가 전력 저장에 최적화되고 코어 부재 중 적어도 하나가 에너지 저장에 최적화된다. 각각의 애노드를 제1 버스 바에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바에 전기적으로 연결하기 위한 탭이 더 포함되며, 여기서 각각의 탭은, 지정 전류가 초과될 때 각각의 탭을 통과하는 전기 전류의 흐름을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 제1 버스 바는 제1 버스 바로의 애노드들 간 각각의 상호연결 포인트에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고 제2 버스 바는 제2 버스 바로의 캐소드들 간 각각의 상호연결 포인트에 근접한 퓨즈 요소를 포함할 수 있어서 지정 전류가 초과될 때 용합 요소로부터의 전기 전류의 흐름을 중단한다. 각각의 코어 부재를 둘러 싸는 보호 슬리브가 더 포함되고 각각의 보호 슬리브가 이의 대응하는 코어 부재를 담는 공동의 외부에 배치된다.In another aspect of the invention, the core member has substantially the same electrical capacity. At least one of the core members has a different electric capacity than the other core members. At least one of the core members is optimized for power storage and at least one of the core members is optimized for energy storage. A tab for electrically connecting each anode to the first bus bar and a tab for electrically connecting each cathode to the second bus bar are further included, wherein each tab opens each tab when the specified current is exceeded. And means for stopping the flow of electrical current through it. The first bus bar includes a fuse element proximate to each interconnection point between the anodes of the first bus bar, and the second bus bar includes a fuse element proximate to each interconnection point between the cathodes of the second bus bar. So it stops the flow of electric current from the melting element when the specified current is exceeded. A protective sleeve surrounding each core member is further included, and each protective sleeve is disposed outside the cavity containing its corresponding core member.
본 개시의 또 다른 양태에서, 감지 와이어(sensing wire)가 코어 부재와 전기적으로 상호연결되며 전기 모니터링 및 코어 부재의 밸런싱을 가능하게 하도록 구성된다. 밀폐된 밀봉재가 난연성 부재를 포함하고 난연성 부재는 밀봉재의 외부에 부착된 난연성 메쉬 물질을 포함한다.In another aspect of the present disclosure, a sensing wire is electrically interconnected with the core member and is configured to enable electrical monitoring and balancing of the core member. The sealed sealing material includes a flame-retardant member and the flame-retardant member includes a flame-retardant mesh material attached to the outside of the sealing material.
또 다른 실시예에서, 밀폐된 밀봉재를 포함하는 멀티-코어 리튬 이온 배터리가 기재된다. 지지 부재가 밀폐된 밀봉재 내에 배치되며, 지지 부재는 복수의 공동을 포함하며, 여기서 지지 부재는 운동 에너지 흡수 물질을 포함한다. 복수의 공동 중 대응하는 공동 내에 배치되는 복수의 리튬 이온 코어 부재가 존재한다. 복수의 공동 라이너가 더 포함되며, 각각의 공동 라이너는 리튬 이온 코어 부재들 중 대응하는 하나와 공동들 중 대응하는 하나의 표면 사이에 위치한다. 공동 라이너가 플라스틱 물질로 형성되고 복수의 공동 라이너가 모놀리식 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 운동 에너지 흡수 물질은 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다. In yet another embodiment, a multi-core lithium ion battery is described that includes a hermetic sealant. A support member is disposed within the hermetic seal, the support member comprising a plurality of cavities, wherein the support member comprises a kinetic energy absorbing material. There are a plurality of lithium ion core members disposed within a corresponding one of the plurality of cavities. A plurality of cavity liners are further included, each cavity liner positioned between a corresponding one of the lithium ion core members and a surface of a corresponding one of the cavities. The cavity liner is formed of a plastic material and a plurality of cavity liners are formed as part of the monolithic liner member. The kinetic energy absorbing material is formed of one of aluminum foam, ceramic and plastic.
본 발명의 또 다른 양태에서, 코어 각각 내에 담긴 전해질이 존재하고 전해질은 난연제, 가스 생성제, 및 산화환원 운반제 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드, 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 분리막을 포함한다. 코어 부재를 밀폐된 밀봉재 외부의 전기 단자로 전기적으로 연결하는 상기 밀봉재 내에 전기 커넥터가 또한 포함된다. 상기 전기 커넥터는 두 개의 버스 바를 포함하며, 제1 버스 바는 상기 코어 부재의 애노드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 음 단자 부재로 상호연결하고, 제2 버스 바는 상기 코어 부재의 캐소드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 양 단자 부재로 상호연결한다. 코어 부재들은 병렬로 연결된다. 코어 부재들은 직렬로 연결된다. 리튬 이온 배터리는 병렬로 연결된 코어 부재의 제1 세트 및 병렬로 연결된 코어 부재의 제2 세트를 포함할 수 있고, 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다.In another aspect of the invention, there is an electrolyte contained in each of the cores and the electrolyte comprises at least one of a flame retardant, a gas generating agent, and a redox carrier. Each lithium ion core member includes an anode, a cathode, and a separator disposed between each anode and the cathode. An electrical connector is also included in the sealing material that electrically connects the core member to an electrical terminal outside the sealed sealing material. The electrical connector includes two bus bars, a first bus bar interconnecting the anode of the core member to a negative terminal member of a terminal outside the sealing material, and a second bus bar connecting the cathode of the core member to the outside of the sealing material. Both terminals of the terminals are interconnected by means of terminal members. The core members are connected in parallel. The core members are connected in series. The lithium ion battery may include a first set of core members connected in parallel and a second set of core members connected in parallel, wherein the first set of core members is connected in series with the second set of core members.
또 다른 양태에서, 지지 부재는 벌집구조 구조물의 형태를 가진다. 운동 에너지 흡수 물질은 압축 가능 매질을 포함한다. 리튬 밀봉재는 벽에 가해지는 힘으로 인해 압축될 때 리튬 이온 배터리의 전기적 단락을 생성하는 압축 가능한 요소를 갖는 벽을 포함한다. 지지 부재 내 공동 및 이들의 대응되는 코어 부재가 원통형, 장타원형, 및 각기둥형 중 하나이다. 공동 및 이의 대응하는 코어 부재 중 적어도 하나가 타 공동 및 이들의 대응하는 코어 부재와 상이한 형태를 가진다. 코어 부재 중 적어도 하나가 높은 전력 특성을 가지며 코어 부재 중 적어도 하나가 높은 에너지 특성을 가진다. 코어 부재의 애노드가 동일한 물질로 형성되고 코어 부재의 캐소드가 동일한 물질로 형성된다. 각각의 분리막 부재가 세라믹 코팅을 포함한다. 각각의 애노드 및 각각의 캐소드가 세라믹 코팅을 포함한다. 코어 부재 중 적어도 하나가 타 코어 부재의 애노드 및 캐소드의 두께와 상이한 두께의 애노드 및 캐소드 중 하나를 포함한다.In another aspect, the support member has the form of a honeycomb structure. The kinetic energy absorbing material includes a compressible medium. The lithium sealant includes a wall with compressible elements that create an electrical short in a lithium ion battery when compressed due to a force applied to the wall. The cavities in the support member and their corresponding core members are one of a cylindrical shape, an oblong shape, and a prismatic shape. At least one of the cavity and its corresponding core member has a different shape from the other cavity and its corresponding core member. At least one of the core members has high power characteristics, and at least one of the core members has high energy characteristics. The anode of the core member is formed of the same material, and the cathode of the core member is formed of the same material. Each separator member includes a ceramic coating. Each anode and each cathode comprise a ceramic coating. At least one of the core members includes one of an anode and a cathode having a thickness different from that of the anode and cathode of the other core member.
또 다른 양태에서, 적어도 하나의 캐소드가 물질의 화합물 A 내지 M 그룹 중 적어도 두 개를 포함한다. 각각의 캐소드는 표면 개질제를 포함한다. 각각의 애노드는 Li 금속, 탄소, 흑연 또는 Si를 포함한다. 각각의 코어 부재는 권취된 애노드, 캐소드 및 분리막 구조를 포함한다. 각각의 코어 부재는 적층된 애노드, 캐소드 및 분리막 구조를 포함한다. 코어 부재는 실질적으로 동일한 전기 용량을 가진다. 코어 부재 중 적어도 하나가 다른 코어 부재와 상이한 전기 용량을 가진다. 코어 부재 중 적어도 하나가 전력 저장에 최적화되고 코어 부재 중 적어도 하나가 에너지 저장에 최적화된다.In another embodiment, at least one cathode comprises at least two of the compound A-M groups of the material. Each cathode contains a surface modifier. Each anode comprises Li metal, carbon, graphite or Si. Each core member includes a wound anode, cathode and separator structure. Each core member includes a stacked anode, cathode, and separator structure. The core member has substantially the same electrical capacity. At least one of the core members has a different electric capacity than the other core members. At least one of the core members is optimized for power storage and at least one of the core members is optimized for energy storage.
본 발명의 또 다른 양태에서, 각각의 애노드를 제1 버스 바에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바에 전기적으로 연결하기 위한 탭이 더 포함되며, 여기서 각각의 탭은, 지정 전류가 초과될 때 각각의 탭을 통과하는 전기 전류의 흐름을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 제1 버스 바는 제1 버스 바로의 애노드들 간 각각의 상호연결 포인트에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고 제2 버스 바로의 캐소드들 간 각각의 상호연결 포인트에 근접한 퓨즈 요소를 포함할 수 있어서 지정 전류가 초과될 때 용합 요소로부터의 전기 전류의 흐름을 중단한다. 각각의 코어 부재를 둘러 싸는 보호 슬리브가 더 포함되고 각각의 보호 슬리브가 이의 대응하는 코어 부재를 담는 공동의 외부에 배치된다.In another aspect of the present invention, a tab for electrically connecting each anode to the first bus bar and a tab for electrically connecting each cathode to the second bus bar are further included, wherein each tab comprises a specified current And means for stopping the flow of electrical current through each tap when is exceeded. The first bus bar may include a fuse element proximate to each interconnection point between anodes of the first bus bar and a fuse element proximate to each interconnection point between cathodes of the second bus bar. When exceeded, the flow of electric current from the melting element is stopped. A protective sleeve surrounding each core member is further included, and each protective sleeve is disposed outside the cavity containing its corresponding core member.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 감지 와이어(sensing wire)가 코어 부재와 전기적으로 상호연결되며 전기 모니터링 및 코어 부재의 밸런싱을 가능하게 하도록 구성된다. 밀폐된 밀봉재가 난연성 부재를 포함하고 난연성 부재는 밀봉재의 외부에 부착된 난연성 메쉬 물질을 포함한다.In another embodiment of the present invention, a sensing wire is electrically interconnected with the core member and is configured to enable electrical monitoring and balancing of the core member. The sealed sealing material includes a flame-retardant member and the flame-retardant member includes a flame-retardant mesh material attached to the outside of the sealing material.
또 다른 실시예에서, 밀폐된 밀봉재를 포함하는 멀티-코어 리튬 이온 배터리가 밀봉재의 내부의 리튬 이온 전지 영역 및 공유 분위기 영역과 함께 기재된다. 밀폐된 밀봉재의 리튬 이온 전지 영역 내에 배치되는 지지 부재가 존재하고 지지 부재는 복수의 공동을 포함하며, 각각의 공동은 공유 분위기 영역에 개방된 단부를 가진다. 복수의 리튬 이온 코어 부재가 존재하며, 각각의 리튬 이온 코어 부재는 복수의 공동 중 대응하는 공동 내에 배치되는 애노드 및 캐소드를 가지며, 공동의 개방 단부에 의해 상기 애노드 및 상기 캐소드가 공유 분위기 영역에 노출되며 상기 애노드 및 상기 캐소드는 이들의 길이에 따라 공동에 의해 실질적으로 둘러 싸인다. 지지 부재는 운동 에너지 흡수 물질을 포함한다. 운동 에너지 흡수 물질은 알루미늄 폼, 세라믹 및 플라스틱 중 하나로 형성된다.In yet another embodiment, a multi-core lithium ion battery comprising a hermetic sealant is described with a lithium ion cell region and a shared atmosphere region inside the sealant. There is a support member disposed within the region of the lithium ion battery of the hermetically sealed material, and the support member includes a plurality of cavities, each cavity having an end open to the shared atmosphere region. A plurality of lithium ion core members are present, and each lithium ion core member has an anode and a cathode disposed in a corresponding cavity among the plurality of cavities, and the anode and the cathode are exposed to a shared atmosphere region by an open end of the cavity. And the anode and the cathode are substantially surrounded by a cavity along their length. The support member includes a kinetic energy absorbing material. The kinetic energy absorbing material is formed of one of aluminum foam, ceramic and plastic.
또 다른 양태에서, 복수의 공동 라이너가 존재하며, 각각의 공동 라이너는 리튬 이온 코어 부재들 중 대응하는 하나와 공동들 중 대응하는 하나의 표면 사이에 위치하고 공동 라이너는 플라스틱 물질로 형성된다. 복수의 공동 라이너가 모놀리식 라이너 부재의 일부로서 형성된다. 각각의 코어 내에 담긴 전해질이 존재하며 전해질은 난연제, 가스 생성제, 및 산화환원 운반제 중 적어도 하나를 포함한다. 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드, 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 분리막을 포함한다. 코어 부재를 밀폐된 밀봉재 외부의 전기 단자로 전기적으로 연결하는 상기 밀봉재 내에 전기 커넥터가 포함된다. 상기 전기 커넥터는 두 개의 버스 바를 포함하며, 제1 버스 바는 상기 코어 부재의 애노드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 음 단자 부재로 상호연결하고, 제2 버스 바는 상기 코어 부재의 캐소드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 양 단자 부재로 상호연결한다.In another aspect, there are a plurality of cavity liners, each cavity liner being positioned between a corresponding one of the lithium ion core members and a corresponding one of the cavities and the cavity liner formed of a plastic material. A plurality of cavity liners are formed as part of the monolithic liner member. An electrolyte contained in each core is present and the electrolyte includes at least one of a flame retardant, a gas generating agent, and a redox carrier. Each lithium ion core member includes an anode, a cathode, and a separator disposed between each anode and the cathode. An electrical connector is included in the sealing material that electrically connects the core member to an electrical terminal outside the sealed sealing material. The electrical connector includes two bus bars, a first bus bar interconnecting the anode of the core member to a negative terminal member of a terminal outside the sealing material, and a second bus bar connecting the cathode of the core member to the outside of the sealing material. Both terminals of the terminals are interconnected by means of terminal members.
본 발명의 또 다른 양태에서, 코어 부재는 병렬로 연결되거나 코어 부재는 직렬로 연결된다. 대안으로, 코어 부재의 제1 세트는 병렬로 연결되고 코어 부재의 제2 세트는 병렬로 연결되며, 코어 부재의 제1 세트는 코어 부재의 제2 세트와 직렬로 연결된다.In another aspect of the invention, the core members are connected in parallel or the core members are connected in series. Alternatively, the first set of core members is connected in parallel and the second set of core members is connected in parallel, and the first set of core members is connected in series with the second set of core members.
또 다른 실시예에서, 리튬 이온 배터리가 기재되며 밀폐된 밀봉재 및 상기 밀폐된 밀봉재 내에 배치되는 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재를 포함한다. 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드는 화합물 A 내지 M의 그룹으로부터 선택된 적어도 두 개의 화합물을 포함한다. 단 하나의 리튬 이온 코어 부재가 존재한다. 밀폐된 밀봉재는 폴리머 백이거나 밀폐된 밀봉재는 금속 캐니스터이다. 각각의 캐소드는 화합물 B, C, D, E, F, G, L 및 M의 그룹 중에서 선택된 적어도 두 개의 화합물을 포함하며 표면 개질제를 더 포함할 수 있다. 각각의 캐소드는 화합물 B, D, F, G, 및 L의 그룹 중에서 선택된 적어도 두 개의 화합물을 포함한다. 배터리는 4.2V보다 높은 전압까지 충전된다. 각각의 애노드는 탄소 및 흑연 중 하나를 포함한다. 각각의 애노드는 Si를 포함한다.In another embodiment, a lithium ion battery is described and includes a sealed sealant and at least one lithium ion core member disposed within the sealed sealant. The lithium ion core member includes an anode and a cathode, and the cathode includes at least two compounds selected from the group of compounds A to M. There is only one lithium ion core member. The hermetic seal is a polymer bag or the hermetic seal is a metal canister. Each cathode includes at least two compounds selected from the group of compounds B, C, D, E, F, G, L and M, and may further include a surface modifier. Each cathode comprises at least two compounds selected from the group of compounds B, D, F, G, and L. The battery charges to voltages higher than 4.2V. Each anode comprises one of carbon and graphite. Each anode contains Si.
또 다른 실시예에서, 리튬 이온 배터리가 밀폐된 밀봉재 및 상기 밀폐된 밀봉재 내에 배치되는 적어도 하나의 리튬 이온 코어 부재를 포함하는 것으로 기재된다. 리튬 이온 코어 부재는 애노드 및 캐소드를 포함한다. 밀봉재 내 전기 커넥터가 적어도 하나의 코어 부재를 밀폐된 밀봉재 외부의 전기 단자로 전기적으로 연결하고, 전기 커넥터는 지정 전류가 초과될 때 전기 커넥터를 통과하는 전기 전류의 흐름을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 상기 전기 커넥터는 두 개의 버스 바를 포함하며, 제1 버스 바는 상기 코어 부재의 애노드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 음 단자 부재로 상호연결하고, 제2 버스 바는 상기 코어 부재의 캐소드를 상기 밀봉재 외부의 단자의 양 단자 부재로 상호연결한다. 전기 커넥터는 각각의 애노드를 제1 버스 바에 전기적으로 연결하기 위한 탭 및 각각의 캐소드를 제2 버스 바에 전기적으로 연결하기 위한 탭을 더 포함하며, 여기서 각각의 탭은, 지정 전류가 초과될 때 각각의 탭을 통과하는 전기 전류의 흐름을 중단시키기 위한 수단을 포함한다. 전기 커넥터에서 제1 버스 바는 제1 버스 바로의 애노드들 간 각각의 상호연결 포인트에 근접한 퓨즈 요소를 포함하고 제2 버스 바는 제2 버스 바로의 캐소드들 간 각각의 상호연결 포인트에 근접한 퓨즈 요소를 포함할 수 있어서 지정 전류가 초과될 때 용합 요소로부터의 전기 전류의 흐름을 중단한다.In yet another embodiment, a lithium ion battery is described as including a sealed sealant and at least one lithium ion core member disposed within the sealed sealant. The lithium ion core member includes an anode and a cathode. An electrical connector in the seal electrically connects at least one core member to an electrical terminal outside the sealed seal, and the electrical connector comprises means for stopping the flow of electrical current through the electrical connector when a specified current is exceeded. . The electrical connector includes two bus bars, a first bus bar interconnecting the anode of the core member to a negative terminal member of a terminal outside the sealing material, and a second bus bar connecting the cathode of the core member to the outside of the sealing material. Both terminals of the terminals are interconnected by means of terminal members. The electrical connector further comprises a tab for electrically connecting each anode to the first bus bar and a tab for electrically connecting each cathode to the second bus bar, wherein each tab is each And means for stopping the flow of electric current through the tap of the. In the electrical connector, the first bus bar includes a fuse element close to each interconnection point between the anodes of the first bus bar, and the second bus bar is a fuse element close to each interconnection point between the cathodes of the second bus bar. It may include stopping the flow of electric current from the melting element when the specified current is exceeded.
본 발명은 도면을 참조했으며 비제한적 예시로서 제공된 이하의 설명을 읽으면 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명에 따르는 멀티코어, 리튬 이온 배터리의 분해 투시도이다.
도 1b는 본 발명에 따르는 멀티코어, 리튬 이온 배터리의 단면도이다.
도 1c는 본 발명에 따른 지지 부재의 예시적 에너지 흡수 물질의 응력-변형 플롯이다.
도 1d는 본 발명에 따르는 멀티코어, 리튬 이온 배터리의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 지지 부재 구성의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티코어, 리튬 이온 배터리의 또 다른 실시예의 투시도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 혼합된 장타원형 및 원통형 공동을 갖는 지지 부재의 또 다른 실시예의 투시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 각기둥의 권취 및 적층된 코어 부재의 투시도이다.
도 6a는 본 발명에 따르는 병렬/직렬 연결된 MC 리튬 이온 배터리를 도시한다.
도 6b는 본 발명에 따르는 병렬/직렬 연결된 MC 리튬 이온 배터리의 투시도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 밀봉재의 달걀-박스 형태의 벽의 단면도이다.
도 7b는 벽에 기계적 충격이 있는 동안 본 발명에 따른 밀봉재의 달걀-박스 형태의 벽의 단면도이다.The invention will be better understood upon reading the following description, which has been referred to the drawings and is provided as a non-limiting example.
1A is an exploded perspective view of a multi-core, lithium-ion battery according to the present invention.
1B is a cross-sectional view of a multi-core, lithium-ion battery according to the present invention.
1C is a stress-strain plot of an exemplary energy absorbing material of a support member according to the present invention.
1D is a cross-sectional view of another embodiment of a multi-core, lithium-ion battery according to the present invention.
2 is a plan view of a configuration of a plurality of support members according to the present invention.
3 is a perspective view of another embodiment of a multi-core, lithium-ion battery according to the present invention.
4 is a perspective view of another embodiment of a support member having a mixed oblong and cylindrical cavity according to the present invention.
5 is a perspective view of a core member stacked and wound up of a prism according to the present invention.
Figure 6a shows a parallel/series connected MC lithium ion battery according to the present invention.
6B is a perspective view of a parallel/series connected MC lithium ion battery according to the present invention.
7A is a cross-sectional view of an egg-boxed wall of the sealing material according to the present invention.
Fig. 7b is a cross-sectional view of an egg-boxed wall of a sealant according to the invention during mechanical impact on the wall.
도 1a 및 1b에서 젤리 롤 코어 구조 및 원통 형태를 갖는 리튬 이온 코어 부재(102a-j)의 멀티-코어(MC) 어레이(100)가 존재한다. 다양한 형태 및 크기 이온 코어 부재가 본 발명과 관련하여 사용될 수 있으며 특정 형태 및 크기가 이하에서 기재된다. 각각의 코어 부재(102a-j)의 캐소드에 연결된 전기 전도성 탭(104)의 세트 및 각각의 코어 부재(102a-j)의 애노드에 연결된 전기 전도성 탭(106)의 세트가 존재한다. 탭(104)은 또한 캐소드 버스 바(108)에 연결되고 탭(106)은 애노드 버스 바(110)에 연결된다. 캐소드 탭(104) 및 애노드 탭(106)은, 스폿 용접 또는 레이저 용접 기법을 이용해 버스 바(108, 110)에 용접된다. 버스 바(108, 110)는 MC 밀봉재(116)의 외부 상에 양 단자(112) 및 음 단자(114)에 상호연결된다. 이 구성에서, 모든 이온 코어 부재(102a-j)는 병렬로 연결되지만, 직렬로 연결되거나 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 그 밖의 다른 구성으로 연결될 수 있다.In FIGS. 1A and 1B, there is a multi-core (MC)
도 1b의 MC 밀봉재(116)는 기밀하게 밀폐되어 있다. 밀봉재(116)의 일부 또는 별도의 부분이 될 수 있는 지지 구조체(120)는 이온 코어 부재가 적절한 분리 간격을 두고 수용될 수 있도록 구성되어, 충전 및 방전 반응 중에 제한된 팽창이 발생하여 개별 이온 코어 부재의 기계적 상호 작용을 방지하게 할 수 있다. 바람직하게는, 밀봉재(116)는 플라스틱 또는 세라믹 물질로 만들어지거나, 금속으로도 만들어질 수 있다. 금속이 사용되는 경우 노출된 강은 바람직하지 않으며 임의의 강 컨테이너는 니켈과 같은 불활성 금속으로 코팅될 필요가 있을 것이다. 바람직한 금속은 사용되는 화학 물질에 따라 알루미늄, 니켈 또는 기타 불활성 금속이다. 화학 및 전기 화학적 환경에 불활성인 한 많은 유형의 플라스틱 및 세라믹이 가능하다. 플라스틱 및 세라믹의 예로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 알루미나, 지르코니아가 있다. 밀봉재(116)는 화재가 밀봉재 내부에 도달하는 것을 방지하기 위해 밀봉재 외부에 부착된 난연성 메쉬를 포함할 수 있다.The
밀봉재(116) 내, 세라믹, 플라스틱, 가령, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 그 밖의 다른 물질, 가령, 알루미늄 폼으로 만들어 질 수 있는 전기 절연성 지지 부재(120)가 리튬 이온 코어 영역(118)에 있다. 지지 부재(120)는 충격이 발생하는 경우 손상으로부터 코어 부재를 보호할 수 있도록 충분히 변형/압축되어야 한다. 또한, 배터리 충전 및 방전 중에 열을 소산시키고 균일한 온도 분포를 생성하며, 치명적인 고장, 가령, 하나의 코어 부재의 열 폭주를 초래하는 내부 단락 동안 열을 발산함으로써, 응용분야에 맞게 열 전도율이 맞춰지는 것이 바람직하다. 적절한 열 소산 특성은 코어들 간 연속적인 열 폭주의 가능성을 제한할 것이다. 지지 부재는 또한 전해질을 흡수할 수 있으며, 이는 코어 부재의 오용 동안 전해질이 배출되는 경우 지지 부재 내에 가둬질 수 있다.In the
덧붙여, 밀봉재(116) 및 지지 부재(120) 중 적어도 하나는 단열 미네랄 물질(가령, AFB® 물질, Cavityrock® 물질, ComfortBatt® 물질 및 FabrockTM 물질(덴마크, 헤데후세네에 소재하는 Rockwool Group); Promafour® 물질, Microtherm® 물질(벨기에, 티셀트에 소재하는 Promat Inc.); 및 영국, 버켄 헤드의 Morgan Thermal Ceramics의 칼슘-마그네슘-실리케이트 울 제품)으로부터 제조될 수 있다. 단열 미네랄 물질은 복합재로서 사용될 수 있으며 섬유 및/또는 분말 매트릭스를 포함한다. 미네랄 매트릭스 물질은 알칼리 토류 실리케이트 울, 현무암 섬유, 석면, 화산 유리 섬유, 유리섬유, 셀룰러 유리 및 이들의 임의 조합을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 미네랄 물질은, 필수는 아니지만 결합 물질을 포함할 수 있다. 개시된 결합 물질은 폴리머 물질일 수 있으며 나일론, 폴리비닐 클로라이드("PVC"), 폴리비닐 알코올("PVA"), 아크릴 폴리머, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 그룹 중에서 선택될 수 있다. 미네랄 물질은 난연성 첨가제를 더 포함할 수 있지만, 이는 필수가 아니며, 이러한 물질의 예로는 알루미나 트리히드레이트("ATH")가 있다. 미네랄 물질은 다양한 매질, 가령, 롤, 시트 및 보드로 생성될 수 있으며 강성 또는 연성일 수 있다. 예를 들어, 물질은 압착 및 압축된 블록/보드일 수 있거나 스폰지 형이고 압축 가능한 복수의 짜여진 섬유일 수 있다. In addition, at least one of the sealing
변형 가능한 운동 에너지 흡수 지지 부재(120)가 특히 바람직한데, 왜냐하면 더 넓은 영역에 걸쳐 충격 부하를 분산시켜 각각의 코어 부재(102a-j)에서의 국소적 변형량을 감소시킴으로써 전기 단락의 가능성을 낮출 수 있기 때문이다. 운동 에너지 흡수 물질의 예로는 폼, 가령, 알루미늄 폼, 플라스틱 폼, 다공성 세라믹 구조체, 벌집구조의 구조체 또는 그 밖의 다른 개방 구조체, 섬유 충전 수지 및 페놀 물질이 있다. 플라스틱 및 수지 물질을 위한 섬유 충전재의 예로는 유리 섬유 또는 탄소 섬유가 있다. 알루미늄 함유 에너지 흡수체의 예로는 개방 또는 폐쇄 기공을 갖는 알루미늄 폼, 알루미늄 벌집구조 구조체, 및 엔지니어링된 물질, 가령, Altucore™ 및 CrashLite™ 물질이 있다. 충격, 충돌 또는 기타 기계적 오용 중에 지지 부재가 붕괴될 때 내부에서 기계적으로 유도된 단락을 방지하기 위해 가능한 한 코어가 관통되지 않게 보호되는 것이 중요하다. 이는 더 안전한 구조를 만든다. A deformable kinetic energy absorbing
에너지 흡수체는 일반적으로 긴 거리에 걸쳐 상대적으로 일정한 응력으로 압축하거나 편향시키고 반발하지 않음으로써 운동 기계 에너지를 흡수하는 물질의 한 종류이다. 스프링은 다소 유사한 기능을 수행하지만 반발성이 있으므로 에너지 흡수체가 아닌 에너지 저장 디바이스이다. 인가된 응력이 도 1c의 150을 참조할 수 있는, 운동 에너지 흡수체 물질의 "충돌 안정기"를 초과하면, 에너지 흡수체는 물질의 변형률의 약 50-70%까지 상당히 일정한 응력에서 압축되기 시작할 것이다. 응력/변형률의 이 연장된 섹션이 이상적인 에너지 흡수체의 거동을 정의한다. 이 구역에서, 곡선 아래 영역은 응력 x 변형률의 곱, 즉, "일"을 나타내다. 유한한 크기의 에너지 흡수체 물질, 가령, 지지 부재(120)의 실제 블록에서, 이는 다음과 같이 표현될 것이다: Energy absorbers are generally a type of material that absorbs kinetic mechanical energy by compressing, deflecting, and not repulsing with a relatively constant stress over a long distance. Springs perform somewhat similar functions, but are repellent, so they are energy storage devices rather than energy absorbers. If the applied stress exceeds the “impact stabilizer” of the kinetic energy absorber material,
힘 X 변위Force X displacement
즉,In other words,
힘(파운드) x 변위(피트) = 일(피트·파운드)Force (pounds) x Displacement (feet) = work (feet pounds)
및And
일(피트·파운드) = 운동 에너지(피트·파운드)Work (feet pounds) = Kinetic energy (feet pounds)
지지 부재(120)를 압축하기 위해 수행될 일이 지지 부재(120)에 영향을 미칠 수 있는 질량의 운동 에너지와 동등하다. 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 바와 같이 적절한 두께 및 압축 강도로 설계될 때, 지지 부재(120)는 가령, 전기 차량의 충돌 시, 배터리 상의 충격의 모든 운동 에너지를 흡수할 수 있는 운동 에너지 흡수 물질로 만들어질 수 있다. 지지 부재(120) 내 적재물, 즉, 리튬 이온 코어 부재(102a-j)는 물질의 충돌 강도보다 큰 힘을 전혀 느끼지 않을 것(이하에서 정의됨)이 가장 중요한 점이다. 따라서, 일정한 힘을 갖고 제어되는 거리에 걸친 충격 질량의 에너지를 흡수함으로써, 보호 대상 구조, 즉, 리튬 이온 코어 부재(102a-j)는 질량이 구조체에 직접 충돌했을 경우 발생될 가능성이 있는 치명적인 결과를 갖고 발생될 집중된 높은 에너지/높은 힘 충격을 견딜 필요가 없을 것이다.What is to be done to compress the
부하가 에너지 흡수 물질로 만들어진 구조체에 적용될 때, 이는 영률(Young's modulus)에 따라 탄력적으로 방정식을 산출할 것이다. 그러나 대략 4-6%의 변형률, 즉, 도 1c의 (152)에서, Al 폼의 이 특정 예시에서, 구조체 크기에 따라, 이는 비교적 일정한 응력에서 지속적으로 찌그러지고 붕괴되기 시작할 것이다. 물질의 초기 상대 밀도에 따라, 이 일정한 붕괴가, 이 Al 폼 물질의 경우, 대략 50-70%의 변형률, 즉, 도 1c의 (154)로 진행할 것이다. 이 포인트에서, 에너지 흡수 물질이 "고밀화(densification)" 상태로 들어갈 때 응력/병형률 곡선이 상승하기 시작할 것이다. 물질이 탄성 변형 상태에서 소성 변형 상태로 전이하는 응력/변형률 곡선의 점이 물질의 "충돌 강도"를 정의한다.When a load is applied to a structure made of energy absorbing material, it will yield the equation flexibly according to the Young's modulus. However, at a strain of approximately 4-6%, i.e. at 152 in FIG. 1C, in this particular example of the Al foam, depending on the structure size, it will continue to crush and collapse at a relatively constant stress. Depending on the initial relative density of the material, this constant collapse, for this Al foam material, will proceed to a strain of approximately 50-70%, i.e., (154) in FIG. 1C. At this point, when the energy absorbing material enters a "densification" state, the stress/parallel factor curve will begin to rise. The point on the stress/strain curve at which a material transitions from an elastically deformed state to a plastically deformed state defines the "impact strength" of a material.
4-6% 전이와 50-70%의 변형률 사이의 곡선의 비교적 편평한 긴 섹션(물질의 가능한 변형률 값의 대략 45-65%를 포함)이 "충돌 안정화(crush plateau)"라고 지칭된다. 운동 에너지 흡수 물질의 이 고유한 특성이 적재물을 보호하면서 이들 물질이 충돌 질량의 운동 에너지를 흡수하는 데 유용하게 만든다.The relatively flat long section of the curve between the 4-6% transition and the strain of 50-70% (including approximately 45-65% of the possible strain values of the material) is referred to as the "crush plateau". This unique property of kinetic energy absorbing materials protects the load, making them useful for absorbing the kinetic energy of the collision mass.
코어 부재를 더 보호하기 위해, 금속, 세라믹 또는 플라스틱으로 만들어진 원통형 물질이 코어 구조물 주위에 도 1a의 슬리브(121)로서 추가될 수 있다. 이 슬리브는 개별 코어 주위에, 라이너 물질의 외부 사에 직접 추가되거나, 지지 부재 내 공동 구조물의 내부에 적용될 수 있다. 이는 날카로운 물체가 코어를 침투하지 못하게 한다. 단 하나의 슬리브만 도면에 도시되어 있지만, 각각의 코어 부재에 슬리브들이 포함될 것임이 자명할 것이다. To further protect the core member, a cylindrical material made of metal, ceramic or plastic may be added around the core structure as
대안으로 지지 부재(120)는 도 1d에 도시된 바와 같이, 충전 물질(162)을 담는 개방 영역(160)을 갖도록 설계될 수 있다. 충전 물질의 예로는 불규칙하거나 규칙적인 형태의 매질이 있으며 속이 비어 있거나 조밀할 수 있다. 속이 빈 매질의 예로는 다양한 압력에서 압축 가능하고 충돌 방지를 위한 에너지 흡수체로서 기능하기 위한 목적을 갖는 금속, 세라믹 또는 플라스틱 구체가 있다. 구체적인 예로는 알루미늄 중공 구, 알루미나 또는 지르코니아의 세라믹 연삭 매질 및 폴리머 중공 구가 있다.Alternatively, the
지지 부재(120)는 또한 지지 부재 전체에서 열을 빠르게 전달하고 이를 배터리 전체에 고르게 분산시키거나 하나의 코어가 오용 중에 열 폭주를 겪는 경우 코어들 간 열 노출을 제한하도록 최적화될 수 있다. 이는, 안전성을 높이는 것 외에도 최대 작동 온도를 제한하여 배터리 수명을 늘리고 배터리에서 열 관리가 이뤄지지 않거나 수동적으로 이뤄지게 할 것이다. 가장 중요한 것은, 지지 부재(120)의 열적 특성이 물질의 최적화된 열 전달 속성 및 화염 전파를 방해하는 능력 때문에 고장 난 코어 부재로부터 타 코어 부재로의 고장 전파를 막는 데 도움이 된다는 것이다. 물질은 또한 흡수성이기 때문에 누출된 전해질을 물질로 흡수할 수 있고, 이는 치명적인 고장의 심각성을 낮추는 데 도움이 될 수 있다.The
a) 안전과 높은 에너지 밀도 모두를 위해 배터리를 최적화시키기 위한 이온 코어 부재(102a-j)의 분포를 가능하게 하고, b) 냉각을 가능하게 하면서 동시에 이온 코어 부재(102a-j)의 빠른 열 전파를 저지하고, c) 이온 코어 부재(102a-j) 및 반응 화학물을 위한 보호성 충돌 흡수 구조체를 제공하며, d) 화염 저지를 통한 널리 인식된 화재 방지 물질을 사용함으로써, 지지 부재(120)는 MC 배터리의 전체 안전성을 증가시킨다.a) enables the distribution of the
리튬 이온 코어 부재(102a-i)를 수용하기 위한 지지 부재(120)에 원통형 공동(122)이 형성되며, 공동 당 하나의 코어가 있다. 이 구성에서, 원통형 공동(122)은 리튬 이온 코어 부재(102)보다 약간 큰 지름을 갖는 개구(126)를 가진다. 개구(126)는 밀봉재(116) 내의 공유 분위기 영역(128)을 향하고 이에 노출된다. 개별적인 더 작은 밀봉재(가령, 활성 코어 부재들 사이에 기밀 밀폐를 제공하는 캔 또는 폴리머 백) 없이, 코어 부재의 애노드/캐소드가 공유 분위기 영역(128)에 직접 노출된다. 캐닝된 코어 부재를 제거하는 것이 제조 비용을 절감시킬 뿐 아니라, 안전도 향상시킨다. 코어 부재의 고장 및 그로 인한 화재의 경우, 배출된 가스가 공유 분위기 영역(128)을 차지할 수 있으며, 이는 일반적인 개별 '캐닝된' 코어 부재에서 가능할 것보다 상당히 더 많은 공간을 제공한다. 캐닝된 코어 부재 압력이 축적되는 경우, 폭발 가능성은, 가스가 차지할 더 많은 부피를 제공하여 압력 축적을 감소시키는 본 발명에서보다 더 크다. 또한, 캔은 일반적으로, 본 발명의 경우 가벼운 고장 모드를 초래하는 본 발명의 구조보다 훨씬 더 높은 압력에서 파열된다.A
각각의 공동(122) 내에, 지지 부재(120)와 이온 코어 부재(102a-i) 사이에 위치하는 얇은 공동 라이너(124)가 있다. 일반적으로, 모든 공동 라이너(이 경우 공동의 수가 10에 대응)가 모놀리식 공동 라이너 부재(124')의 일부로서 형성된다. 라이너는 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 전해질에 화학적으로 불활성인 그 밖의 다른 임의의 플라스틱으로 만들어진다. 라이너는 세라믹 또는 금속 물질로 만들어 질 수도 있지만 비용이 많이 들고 선호되지 않는다. 그러나, 지지 부재가 전기 전도성인 경우, 라이너는 지지 부재로부터 코어 부재를 전기적으로 절연시키기 위해 전기 절연성이어야 한다. 공동 라이너는 여러 가지 이유로 중요하다. 첫째, 그들은 수분과 전해질 불침투성이다. 둘째, 그들은 화재를 끌 수 있는 난연제를 포함할 수 있으며, 셋째, 쉽게 밀폐 가능한 플라스틱 물질이 기밀 밀폐부 내에 전해질을 포함할 수 있도록 한다.Within each
제조 동안, 공동(122)은 전해질로 동시에 충전 될 수 있으며, 이어서 연속되는 제조 공정 동안 동시에 포밍(forming)되고 용량에 대해 등급화(grading)될 수 있다. 포밍 공정은 전지를 일정한 전압, 일반적으로4.2V로 충전한 후 12-48시간 동안 이 전위로 전지를 유지시키는 것으로 구성된다. 용량 등급화는 충전/방전 프로세스 중에 발생하며, 이때 전지는 낮은 전압, 가령, 2.5V으로 완전 방전되고, 그런 다음 최고 전압, 일반적으로 4.2-4.5V로 충전된 후, 다시 방전되고, 여기서 용량이 기록된다. 충전/방전 프로세스의 비효율성으로 인해 정확한 용량 등급을 얻기 위해 여러 번의 충전/방전 주기가 필요할 수 있다.During fabrication, the
공동 라이너는 코어와 꼭 들어 맞기 때문에, 정확하고 일관된 양의 전해질이 각각의 코어 부재로 도입되는 것을 가능하게 한다. 충전(filling)을 이루는 한 가지 방법이 밀봉재(116) 내 관통 홀을 이용하는 것이며, 그런 다음 밀봉재가 전해질이 공동으로 도입되고 처리된 후 충전되고 밀폐될 수 있다. 약 3Ah 용량을 갖는 젤리 롤형 코어 부재는 밀도 및 주변 다공성 물질에 따라 약 4-8g의 전해질을 필요로 할 것이다. 전해질 충전은 어떠한 건조 영역도 없이 전체 젤리 롤이 롤 전체에 똑같이 습윤되도록 수행된다. 각각의 코어 부재는 0.5g 이내, 더욱 바람직하게는 0.1g 이내, 더욱 더 바람직하게는 0.05g 이내의 편차로, 코어 간에 등가량의 전해질을 갖는 것이 바람직하다. 편차는 전해질의 총량에 따라 조정되며 일반적으로 코어 당 전해질의 총량의 5 % 미만 또는 훨씬 더 바람직하게는 <1 %이다. 조립체를 진공 상태로 두는 것이 이 충전 공정에 도움이 되며 전극의 완전하고 균일한 습윤에 중요하다.Since the cavity liner fits snugly with the core, it allows an accurate and consistent amount of electrolyte to be introduced into each core member. One way to achieve filling is to use through-holes in the sealing
지지 부재(120) 내 공동(122)의 크기, 간격, 모양 및 수는 배터리에 대해 원하는 작동 특성을 달성하면서, 동시에 앞서 기재된 안전 특징, 가령, 코어 부재(102)들 간 고장 전파의 완화를 달성하도록 조정 및 최적화될 수 있다.The size, spacing, shape and number of the
도 2에 도시된 바와 같이, 지지 부재(220a-h)는 바람직하게는 7 내지 11개의 상이한 수의 공동을 가질 수 있으며, 지지 부재(220d 및 220h)의 경우에서처럼 상이한 구성, 가령, 상이한 크기의 공동을 가질 수 있다. 공동의 수는 항상 2보다 많으며, 지지 부재의 형태 및 젤리 롤 크기와 다르게 특히 상한을 두지는 않는다. 공동의 실용적인 개수는 일반적으로 2 내지 30이다. 공동은 지지 부재(220f)에서와 같이 균일하게 분포될 수 있거나, 지지 부재(220g)의 경우와 같이 엇갈릴 수 있다. 또한, 도 2에는 지지 부재(220a-h) 각각에 대해 공동에 삽입될 수 있는 공동 지름 및 코어 부재의 지름이 나타나 있으며, 덧붙여 각각의 구성의 용량이 암페어 시(Ah)로 나타난다.As shown in Fig. 2, the
상이한 형태의 공동 및 코어 부재가 역시 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 지지 부재(320)는 장타원형 형태를 갖는 공동(322)을 유사한 형태의 코어 부재(302)를 수용하기 위해 포함한다. 도 4에서, 지지 부재(420)는 장타원형 공동(422)과 원통형 공동(402)의 혼합을 유사한 형태의 코어 부재(도시되지 않음)를 수용하기 위해 가진다.Different types of cavities and core members can also be used. As shown in FIG. 3, the
도 5에서, 본 발명에 적합한 코어 부재(502a)의 또 다른 형태가 나타난다. 이는 앞서 기재된 원통형 또는 장타원형이 아닌 다른 각기둥 형태를 갖는 젤리 롤 구조체이다. 코어 부재는 애노드(530a), 캐소드(532a) 및 전기 절연 분리막(534a)을 포함한다. 이전 도면에 도시되어 있지 않지만, 각각의 코어 부재는 애노드와 캐소드 사이에 분리막을 포함한다. 코어 부재(502b)는 각기둥형이지만, 적층된 구성이 사용되며, 애노드(530b), 캐소드(532b) 및 분리막(534b)을 포함한다.In Fig. 5, another form of a
지금까지 코어 부재는 전기적으로 병렬로 연결된 것으로 나타났지만 직렬로 연결되거나 병렬 및 직렬 연결의 조합으로 연결될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 삽입된 젤리 롤 코어 부재(602)와 함께 (알루미늄 폼 또는 폴리머 폼으로 만들어진) 지지 부재(620)가 존재한다. 버스 바로 연결된 코어 부재로의 탭이 존재하지만, 명확성을 위해, 도시되지는 않는다. 음의 배터리 단자 커넥터(640)가 저 전압 버스 바(642)에 전기적으로 연결된다. 양의 배터리 단자 커넥터(644)가 고 전압 버스 바(646)에 전기적으로 연결된다. 인접한 블록 버스 바(648 및 650)가 각자 자신의 행의 각각의 코어 부재를 병렬로 연결한다. 각각의 버스 바(642, 644, 648 및 650)가, 도시되지 않은 코어 부재의 대향하는 측부 상에 상보적 버스 바를 가진다. 모든 병렬 버스 바가, 3개의 연결된 바(652)를 통해 개별적으로 직렬로 연결되어, 직렬 전기 경로를 가능하게 한다. 감지 케이블(654a-654e)이 각각의 전기적 고유 포인트 상에 위치함으로써, 직렬 시스템 내 병렬 링크된 젤리 롤 전압 포인트 각각 양단의 전압 레벨의 검출을 가능하게 한다. 이들 와이어는 또한 밸런싱 전류를 제공하여 코어 부재를 충전과 방전 동안 동일한 충전 상태로 유지하도록 사용될 수 있고 피드 쓰루 콘택트(656)에 연결된다. 전지 밸런싱 시스템 분야의 통상의 기술자는 직렬 연결된 코어를 갖는 본 발명의 유닛 내 이러한 연결의 목적을 알 것이다.Until now, the core members have been shown to be electrically connected in parallel, but can be connected in series or in a combination of parallel and series connections. As shown in Fig. 6, there is a support member 620 (made of aluminum foam or polymer foam) with an inserted jelly
도 6b는 지지 부재(320)를 하우징하는 밀봉재(616)를 도시한다. 밀봉재(616)는 초음파 용접을 통해 기밀하게 밀폐된 플라스틱 덮개(658) 및 박스(660)로 구성된다. 덮개(658)의 측면에 대향하는 밀봉재(616)의 단부에 피드 쓰루 감지 콘택트(656)가 위치한다. 음의 배터리 단자 커넥터(640) 및 양의 배터리 단자 커넥터(644)가 덮개(658)로부터 뻗어 있다. 접속을 감지하는 커넥터의 위치에 대한 다양한 배열이 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이뤄질 수 있으며, 상이한 직렬 또는 병렬 배열 전지가 본 발명의 목적을 위해 사용될 수 있음이 이해될 수 있다.6B shows the sealing
금속 덮개의 경우, 이는 용접 방법, 가령, 레이저 용접에 의해 폐쇄되고, 플라스틱의 경우, 접착제(풀)이 사용되거나, 열 또는 초음파 용접 방법이 사용되거나 임의의 조합이 사용될 수 있다. 이것은 적절하게 밀폐된 MC 배터리를 제공한다. 젤리 롤은 밀봉재 내부에서 병렬 또는 직렬로 연결된다.In the case of a metal cover, it is closed by a welding method, such as laser welding, in the case of plastics, an adhesive (glue) is used, a thermal or ultrasonic welding method is used, or any combination can be used. This provides a properly sealed MC battery. Jelly rolls are connected in parallel or series inside the sealant.
모든 피드쓰루, 감지, 전력, 압력 등이 기밀하게 밀폐될 필요가 있다. 기밀 밀폐는 약 1atm 이상의 내부 압력과 진공, 바람직하게는 1.2atm 초과의 내부 압력을 견뎌야 한다. 밀폐부가 허용하는 것보다 낮은 내부 압력으로 설정된 통기구가 컨테이너에 하우징될 수도 있다.All feedthroughs, sensing, power, pressure, etc. need to be hermetically sealed. The hermetic seal must withstand an internal pressure of at least about 1 atm and a vacuum, preferably of at least 1.2 atm. A vent set to an internal pressure lower than the seal allows may be housed in the container.
밸런싱 및 감지 기능을 제공하는 또 다른 방법은 용기 외부의 커넥터가 개별 코어 부재 각각과 연결되게 하면서, 개별 코어 부재의 양 및 음 단자 각각으로부터 외부 리드를 제공하는 개별 커넥터를 갖는 것이다. 밸런싱 회로는 직렬 전지의 전압 또는 충전 상태의 불균형을 감지하고 해당 분야의 통상의 기술자에게 알려진 능동 밸런싱의 수동을 제공할 것이다. 연결 리드는 배터리에서 전력을 제공할 목적으로 전지로부터 전류를 유도하는 수단을 제공하는 단자와 분리되어 있으며 일반적으로 전지가 하나의 컨테이너 내에서 직렬로 연결된 경우에만 사용된다. 감지 리드는 감지 회로를 통해 개별 젤리 롤을 통해 흐르는 전력 전류를 피하기 위해 컨테이너 외부에서 선택적으로 퓨징될 수 있다.Another way to provide the balancing and sensing function is to have a separate connector that provides an external lead from each of the positive and negative terminals of the individual core member, while allowing the connector external to the container to connect with each of the individual core members. The balancing circuit will detect an imbalance in the voltage or state of charge of the series cells and provide a passive in active balancing known to those skilled in the art. The connecting lead is separate from the terminal providing a means of drawing current from the cell for the purpose of providing power from the battery, and is generally used only when the cells are connected in series within one container. The sensing leads can be selectively fused outside the container to avoid power current flowing through individual jelly rolls through the sensing circuit.
밀봉재에 기계적 충격이 있을 때 MC 배터리가 밀봉재 외부에서 단락될 수 있도록 밀봉재(116, 616)는 도 7a의 달걀 상자 형태의 벽(700)으로 구성될 수 있다. 알루미늄으로 만들어진 벽(700)의 달걀 박스 형태 부분(702)이 (충격 전) 폴리에틸렌 플라스틱으로 만들어진 비 전도성 물질(704)의 플레이트와 접촉한다. 알루미늄 또는 또 다른 전도성 물질로 만들어진 제2 플레이트(706)가 플라스틱 플레이트(704) 아래에 위치한다. 달걀 박스 형태의 물질(702)은 MC 배터리의 음 또는 양극에 연결되고 다른 전도성 플레이트(706)가 반대 극에 연결된다. 충격, 못 투과, 또는 가령 충돌 시 벽에 비정상적인 압력이 있을 때, 플라스틱 플레이트(704)가 침투되고 도 7b의 접촉 포인트(708a-d) 외부에서 전도성 플레이트(706)와 접촉하여, MC 배터리에 외부 전기 단락을 만들도록 달걀 박스 형태 벽(702)이 압축된다.The sealing
일반적으로 개별 코어 부재는 앞서 언급한 바와 같이 내부 버스 바에 의해 연결된다. 때때로 버스 바 공통 커넥터는 와이어 또는 플라스틱 코팅 와이어일 수 있다. 또한 고체 금속, 가령, 구리, 알루미늄 또는 니켈일 수도 있다. 이 버스 바는 복수의 코어 부재를 직렬 또는 병렬로 연결하고 멀티-코어 부재 구조 내 전류를 커넥터로 전송하여 멀티-코어 어레이에 대한 외부 연결을 가능하게 할 수 있다. 외부 버스 바의 경우 각각의 젤리 롤로부터 밀봉재를 통과하는 개별 피드 쓰루 커넥터가 필요할 것이다.In general, the individual core members are connected by means of internal bus bars as mentioned above. Sometimes the bus bar common connector can be a wire or a plastic coated wire. It may also be a solid metal, such as copper, aluminum or nickel. This bus bar can connect a plurality of core members in series or in parallel and transmit current in the multi-core member structure to the connector to enable external connection to the multi-core array. In the case of an external bus bar, you will need a separate feed-through connector through the seal from each jelly roll.
내부 버스 바가 사용되는지 또는 외부 버스 바가 사용되는지에 관계없이 이들은 코어 부재들 간 퓨즈를 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 다양한 방식으로 이뤄질 수 있는데, 가령, 버스 바의 단면이 특정 전류 만 전달하도록 제한되는 영역을 생성하거나 코어 부재를 버스 바에 연결하는 탭 크기를 제한하는 등 다양한 방법으로 이뤄질 수 있다. 버스 바 또는 탭은 하나의 스탬핑된 조각 또는 그 밖의 다른 금속 형성 기술로 구성될 수 있거나, 버스 바의 분할을 퓨즈 배열로 연결하는 두 번째 부품을 사용함으로써 구성될 수 있다. 예를 들어, 10개의 코어 부재의 애노드 및 캐소드 탭이 버스 바에 의해 각각 연결되고, 각 버스 바의 단면적은 10mm2인 구리 버스 바의 두 개의 사각형 단면 영역이 사용되는 경우, 버스 바 상의 적어도 하나의 영역이 버스 바의 나머지에 비교해서 감소된 표면적을 갖도록 제작될 수 있다. 이는 퓨징이 발생하고 전류 전달 능력이 제한되는 위치를 제공한다. 이 퓨즈 영역은 버스 바의 하나 이상의 지점, 바람직하게는 각각의 코어 부재 사이에 있을 수 있지만, 많은 전지의 경우 중간 지점에서가 가장 효과적이다. 외부 단락이 발생하는 경우 이 퓨즈는 코어 부재의 발열을 제한하고 잠재적으로 열 폭주를 방지할 것이다. 또한 제조 결함으로 인해 또는 오용 이벤트 중 가령 못으로 인한 외부 침투가 코어 부재를 관통하여 전지에 내부 단락을 야기함으로 인한 코어 부재의 내부 단락의 경우, 이 퓨즈 배열이 고장 난 코어를 타 병렬 코어로부터 차단함으로써 내부 단락으로 전달되는 전류의 양을 제한할 수 있다. Regardless of whether an inner bus bar or an outer bus bar is used, they can be configured to provide a fuse between the core members. This can be done in various ways, for example, by creating a region in which the cross section of the bus bar is restricted to transmit only a specific current, or by limiting the size of the tab connecting the core member to the bus bar. The bus bar or tab can be constructed from one stamped piece or other metal forming technique, or can be constructed by using a second piece that connects the division of the bus bar into a fuse arrangement. For example, if the anode and cathode tabs of 10 core members are connected by bus bars, respectively, and two square cross-sectional areas of copper bus bars with a cross-sectional area of 10 mm 2 of each bus bar are used, at least one The area can be made to have a reduced surface area compared to the rest of the bus bar. This provides a location where fusing occurs and current carrying capacity is limited. This fuse area may be between one or more points of the bus bar, preferably between each core member, but for many cells the middle point is most effective. In the event of an external short circuit, this fuse will limit the heat generation of the core member and potentially prevent thermal runaway. In addition, in the case of an internal short circuit in the core member due to a manufacturing defect or during a misuse event, for example, external penetration by a nail through the core member causing an internal short circuit in the battery, this fuse arrangement would block the failed core from other parallel cores. By doing so, you can limit the amount of current delivered to the internal short circuit.
밀봉재 내 빈 공간은 또한 충격 흡수 물질, 가령, 코어 부재에 더 작은 충격을 가능하게 하여 내부 단락의 위험을 추가로 감소시키는 폼 또는 그 밖의 다른 구조체로 충전될 수 있다. 이러한 강건성화(ruggedization)는 내부 내용물의 자체 진동 주파수를 밀봉재로 이동시키는 수단을 제공함으로써 충격과 진동 및 기계적 수명에 대한 내성을 증가시킨다. 충전재 물질은 바람직하게는 전지의 열 폭주 중에 발생할 수 있는 임의의 화재를 소화할 수 있을 난연성 물질을 포함하거나 상기 열 폭주 동안 융해되어 전지의 과도한 열을 흡수하고 전지의 발열을 제한해야 한다. 이는 치명적인 이벤트의 경우에 향상된 안전성을 제공한다.The void space in the seal may also be filled with a shock absorbing material, such as a foam or other structure that allows for a smaller impact on the core member, further reducing the risk of internal short circuits. This ruggedization increases the resistance to shock and vibration and mechanical life by providing a means to transfer the self-vibrating frequency of the inner contents to the sealant. The filler material should preferably contain a flame retardant material capable of extinguishing any fire that may occur during the thermal runaway of the battery or be melted during the thermal runaway to absorb excess heat of the battery and limit the heat generation of the battery. This provides improved safety in case of fatal events.
난연제의 예로는 공개된 엔지니어링 문헌 및 핸드북, 가령, Hanser Gardner Publications에서 간행된 Polyurethanes Handbook에서 찾을 수 있거나 U.S. 5,198,473에 기재되어 있다. 폴리우레탄 폼외에 에폭시 폼 또는 유리 섬유 울 및 유사한 비-화학적 또는 전기 화학적 활물질이 밀봉재 내부의 빈 공간에서 충전재로 사용할 수 있다. 특히, 플라스틱, 금속 또는 세라믹으로 만들어진 속이 비어 있거나 조밀한 구체 또는 불규칙한 모양의 입자가 저비용 충전재로 사용될 수 있고, 빈 구의 경우, 이들은 멀티 코어 전지의 충돌 시나리오 동안 에너지 흡수를 위한 추가 수단을 제공할 것이다. 특수 경우, 지지 부재는 알루미늄 폼이다. 또 다른 특수 경우에, 지지 부재는 알루미늄 밀도의 10-25%의 치밀한 알루미늄 폼이다. 또 다른 특수 경우에, 알루미늄 폼 내 기공은 평균 지름이 1mm 미만이다.Examples of flame retardants can be found in published engineering literature and handbooks, such as the Polyurethanes Handbook published in Hanser Gardner Publications, or in U.S. 5,198,473. In addition to polyurethane foam, epoxy foam or fiberglass wool and similar non-chemical or electrochemical active materials can be used as fillers in the voids inside the sealant. In particular, hollow or dense spheres or irregularly shaped particles made of plastic, metal or ceramic can be used as low-cost fillers, and in the case of hollow spheres, they will provide additional means for energy absorption during collision scenarios in multi-core cells. . In special cases, the supporting member is aluminum foam. In another special case, the support member is a dense aluminum foam with 10-25% of the aluminum density. In another special case, the pores in the aluminum foam have an average diameter of less than 1 mm.
MC 배터리가 병렬 배열된 코어 부재만 갖는 경우, 코어 부재는 전력에 대해 최적화된 하나 이상의 코어 부재 및 에너지에 대해 최적화된 하나 이상의 코어 부재를 포함할 수 있다. 또 다른 특수한 경우, MC 배터리는 특정 물질을 사용하는 애노드 또는 캐소드가 있는 코어 부재와 상이한 물질을 이용하는 애노드 및 캐소드를 이용하는 다른 코어 부재를 가질 수 있다. 또 다른 특수한 경우, 애노드 또는 캐소드가 상이한 두께의 전극을 가질 수 있다. 다양한 전극 두께, 캐소드 또는 애노드 활물질, 또는 전극 제제를 갖는 임의의 조합이 배터리의 에너지 대 전력 비를 맞추기 위한 목적으로, 병렬 스트링으로 조합될 수 있다. 일부 코어 부재는 빠른 전력 펄스를 견디도록 구성될 수 있고, 반면에 다른 코어 부재는 고 에너지 저장에 최적화되어 높은 에너지 함량을 가지면서 고전력 펄스를 처리할 수 있는 배터리를 제공할 수 있다. 그러나 코어 부재는 선택된 화학에 대한 전압 윈도에서 화학적 안정성을 제공하도록 전기화학적으로 매칭되는 화학을 갖는 것이 중요하다.When the MC battery has only core members arranged in parallel, the core member may include one or more core members optimized for power and one or more core members optimized for energy. In another special case, the MC battery may have an anode using a specific material or another core member using a cathode and an anode using a different material than the core member with the cathode. In another special case, the anode or cathode may have electrodes of different thickness. Any combination with various electrode thicknesses, cathode or anode active materials, or electrode formulations can be combined into parallel strings for the purpose of matching the energy to power ratio of the battery. Some core members may be configured to withstand fast power pulses, while others are optimized for high energy storage to provide a battery capable of handling high power pulses while having a high energy content. However, it is important that the core member has an electrochemically matched chemistry to provide chemical stability in the voltage window for the selected chemistry.
예를 들어, 4.2V의 상위 전위가 사용되고 약 2V 내지 2.5V의 하위 전위가 사용되는 한 LiCoO2 캐소드는 LiNi0 . 8Co0 . 15Al0 . 05O2 캐소드와 매칭될 수 있지만, 전위가 약 4.2V를 초과할 때, 가령, 4.3V가 될 때, 마그네슘 도핑된 LiCoO2 물질이 NCA 물질과 매칭되지 않아야 하는데, 왜냐하면 NCA 물질은 더 높은 전압에서 열화되기 때문이다. 그러나 후자의 경우 상위 전위가 4.2V로 제한되는 한, 두 물질이 혼합될 수 있다. 본 발명의 목적은 올바른 전압 범위에서 블렌딩된 캐소드 물질을 사용하는 것이며, 본 발명자는 이후 설명에서 상세히 설명되는 고 에너지 또는 고 전력에 특히 유용한 특정 조합을 발견했다.For example, as long as an upper potential of 4.2 V is used and a lower potential of about 2 V to 2.5 V is used, the LiCoO 2 cathode is LiNi 0 . 8 Co 0 . 15 Al 0 . 05 O 2 Can be matched with cathode, but when the potential exceeds about 4.2 V, e.g., when it becomes 4.3 V, magnesium doped LiCoO 2 The material should not match the NCA material, because the NCA material degrades at higher voltages. However, in the latter case, the two materials can be mixed as long as the upper potential is limited to 4.2V. It is an object of the present invention to use a cathode material blended in the correct voltage range, and the inventors have found a particular combination that is particularly useful for high energy or high power, detailed in the following description.
전력 및 에너지 최적화는 전극의 제제를 조절함으로써, 가령, 증가된 전기 전도율을 위해 더 높은 정도의 전도성 첨가제를 이용함으로써, 또는 상이한 두께의 전극을 이용함으로써 이뤄질 수 있다. 또한, 에너지 코어가 활물질(캐소드 및 애노드)의 하나의 세트를 가질 수 있고 전력 코어가 또 다른 유형의 물질을 가질 수 있다. 이 방법을 사용할 때 분해를 방지하기 위해 물질은 매칭된 전압 범위, 가령, 2.5-4.2V 또는 고전압 조합의 경우 2.5V-4.5V를 갖는 것이 바람직하다. Li-이온 멀티-코어 배터리 내 절연 코어 부재 당 상위 전압은 4.2V 초과로 특징지어지며, 일반적으로 5V 미만이다.Power and energy optimization can be achieved by adjusting the formulation of the electrode, such as by using a higher degree of conductive additive for increased electrical conductivity, or by using electrodes of different thickness. Also, the energy core can have one set of active materials (cathode and anode) and the power core can have another type of material. When using this method, it is desirable that the material has a matched voltage range, e.g. 2.5-4.2V or 2.5V-4.5V for high voltage combinations, to prevent degradation. The upper voltage per insulating core member in a Li-ion multi-core battery is characterized as greater than 4.2V, typically less than 5V.
다음은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 애노드, 캐소드, 분리막 및 전해질에 대한 설명이다.The following is a description of an anode, a cathode, a separator, and an electrolyte that can be used in connection with the present invention.
애노드Anode
이들 코어 부재의 애노드는 Li-이온 또는 Li 폴리머 배터리에서 일반적으로 발견되며 문헌에 기재되어 있는데, 가령, 흑연, 도핑된 탄소, 경질 탄소, 비정질 탄소, 실리콘(가령, 실리콘 나노 입자 또는 탄소가 함유된 Si 필라 또는 분산된 것), 주석, 주석 합금, Cu6Sn5, Li, 금속 호일 기판에 증착된 Li, Li가 포함된 Si, 흑연 내 Li 금속 분말 혼합, 리튬 티타네이트 및 이들의 혼합물이 있다. 애노드 공급업체로는 예를 들어, Morgan Carbon, Hitachi Chemical, Nippon Carbon, BTR Energy, JFE Chemical, Shanshan, Taiwan Steel, Osaka Gas, Conoco, FMC Lithium, Mitsubishi Chemical 이 있다. 본 발명은 특정 애노드 화합물로 제한되지 않는다.The anodes of these core members are commonly found in Li-ion or Li polymer batteries and are described in the literature, such as graphite, doped carbon, hard carbon, amorphous carbon, silicon (e.g., silicon nanoparticles or carbon containing Si pillars or dispersed), tin, tin alloy, Cu 6 Sn 5 , Li, Li deposited on a metal foil substrate, Si containing Li, Li metal powder mixture in graphite, lithium titanate and mixtures thereof. . Anode suppliers include, for example, Morgan Carbon, Hitachi Chemical, Nippon Carbon, BTR Energy, JFE Chemical, Shanshan, Taiwan Steel, Osaka Gas, Conoco, FMC Lithium, and Mitsubishi Chemical. The invention is not limited to any particular anode compound.
캐소드Cathode
젤리 롤에 대해 사용되는 캐소드는 산업 표준인 것과 이하에 자세히 설명되어 있는 새로운 고전압 혼합물이다. 이들 새로운 캐소드는 MC 구조체 또는 단일 셀 배터리에서 사용될 수 있으며 애노드/캐소드 구조체는 밀폐된 금속 캐니스터 또는 밀폐된 폴리머 백에 담긴다. 업계에서 사용될 수 있는 캐소드 물질의 풍부함으로 인해 본 명세서에서 각각의 물질 그룹에 대한 물질의 유형을 "화합물"이라고 지칭하며, 각각의 화합물은 다양한 조성을 가질 수 있으며 결정 구조, 화학적 조성, 전압 범위 적합성 또는 물질 조성 및 구배 변화의 유사성으로 인해 그룹화된다. 적절한 개별 물질의 예는 LixCoO2(화합물 A로 지칭됨), LixMzCowO2(화합물 B, 여기서 M은 Mg, Ti 및 Al 중에서 선택되고 결정 격자에서 Co 또는 Li를 부분적으로 치환하고 Z=0-5%로 첨가되며, 일반적으로 W는 1에 가깝고, 4.2V를 초과하는 충전에 적합함), LixNiaMnbCocO2(특히 약 a=1/3, b=1/3, c=1/3(화합물 C) 및 a=0.5, b=0.3, c=0.2(화합물 D), 및 이의 Mg 치환된 화합물(둘 모두 화합물 E로 그룹화됨)가 있다.The cathode used for the jelly roll is an industry standard and a new high voltage mixture that is described in detail below. These new cathodes can be used in MC structures or single cell batteries and the anode/cathode structures are enclosed in enclosed metal canisters or enclosed polymer bags. Due to the abundance of cathode materials that can be used in the industry, the type of material for each group of materials is referred to herein as a “compound,” where each compound can have a variety of composition and can be used in crystal structure, chemical composition, voltage range compatibility, or They are grouped due to the similarity of material composition and gradient changes. Examples of suitable individual materials are Li x CoO 2 (referred to as compound A), Li x M z Co w O 2 (compound B, where M is selected from Mg, Ti and Al and partially contains Co or Li in the crystal lattice. Substituted and added with Z=0-5%, in general W is close to 1, suitable for charging exceeding 4.2V), Li x Ni a Mn b Co c O 2 (especially about a=1/3, b=1/3, c=1/3 (compound C) and a=0.5, b=0.3, c=0.2 (compound D), and Mg substituted compounds thereof (both grouped by compound E).
또 다른 예로는 LixNidCoeAlfO2(화합물 F) 및 이의 Mg 치환된 파생물 LixMgyNidCoeAlfO2(화합물 G)가 있으며, 특수 경우에서, d=0.8, e=0.15, f=0.05이지만 d, e 및 f는 몇 퍼센트만큼 변할 수 있고, y는 0 내지 0.05이다. 개별 캐소드 물질의 또 다른 예는 LixFePO4(화합물 H), LixCoPO4(화합물 I), LixMnPO4(화합물 J) 및 LixMn2O4(화합물 K)가 있다.이 모든 화합물에서, 과량의 리튬이 일반적으로 발견되지만(x>1) X는 약 0.9 내지 1.1일 수 있다. 4.2V를 초과하여 충전될 때 고 용량을 갖는, 고전압에 특히 적합한 물질의 유형은 예를 들어 Thackeray외 미국 특허 번호 U.S.7,358,009에 기재되어 있고 BASF 및 TODA의 상용화된 이른바 레어어드-레이어드 물질이 있다(화합물 L).Another example is Li x Ni d Co e Al f O 2 (Compound F) and its Mg substituted derivative Li x Mg y Ni d Co e Al f O 2 (Compound G), in special cases, d=0.8 , e=0.15, f=0.05, but d, e and f can vary by a few percent, and y is from 0 to 0.05. Other examples of individual cathode materials are Li x FePO 4 (Compound H), Li x CoPO 4 (Compound I), Li x MnPO 4 (Compound J) and Li x Mn 2 O 4 (Compound K). In compounds, an excess of lithium is generally found (x>1), but X can be between about 0.9 and 1.1. Types of materials that are particularly suitable for high voltages, which have a high capacity when charged above 4.2 V, are described for example in Thackeray et al. US Pat. No. US7,358,009 and there are commercially available so-called rare-layered materials from BASF and TODA. (Compound L).
Thackeray에 최초로 기재된 화합물은 4.2V를 초과하는 전압에서 안정적일 수 있다. 이들 캐소드 중 일부는 4.2V(흑연을 애노드로 사용하는 표준 최고 전압)를 초과하는 높은 전압에서 안정적이며 바람직하게도 이들 물질은 혼합될 수 있다. 상기 물질 중 하나가 본 발명에서 사용될 수 있지만, B, C, D, E, F, G, I, J 및 L 중에서 선택된 둘 이상의 물질 화합물을 혼합하는 것이 바람직하다. 특히, 화합물 B, D, F, G 및 L의 둘 이상의 성분 혼합물이 선호된다. 매우 높은 에너지 밀도 구성의 경우, (B와 L) 또는 (B와 G) 또는 (G와 L)의 혼합물이 가장 유익하며, 이들은 얇은 전극으로 만들어 질 때 높은 전력도 달성될 수 있다. 얇은 (전력) 및 두꺼운 (에너지) 전극은 동일한 적절한 전압 범위와 화학을 가지면서 에너지 대 전력 비를 맞춤조정하기 위해 코어 부재 내에 들어갈 수 있다.The compounds first described in Thackeray can be stable at voltages in excess of 4.2V. Some of these cathodes are stable at high voltages in excess of 4.2V (standard peak voltage using graphite as the anode) and preferably these materials can be mixed. Although any of the above substances can be used in the present invention, it is preferred to mix two or more substance compounds selected from B, C, D, E, F, G, I, J and L. In particular, mixtures of two or more components of compounds B, D, F, G and L are preferred. For very high energy density configurations, a mixture of (B and L) or (B and G) or (G and L) is most beneficial, and high power can also be achieved when they are made of thin electrodes. Thin (power) and thick (energy) electrodes can fit within the core member to tailor the energy to power ratio while having the same suitable voltage range and chemistry.
이른바, 코어 쉘 구배(CSG: Core Shell Gradient) 물질(Compound M이라고 함)인 특정 새로운 캐소드가 자신의 쉘과 비교하여 상이한 코어의 조성을 가진다. 예를 들어, Ecopro(웹 사이트 www.ecopro.co.kr 또는(http://ecopro.co.kr/xe/?mid=emenu31, 2010-10-01 현재) 또는 특허 출원 및 등록번호 PCT/KR2007/001729(PCT) (2007)에 프로덕트 문헌 내 화합물 M 물질, 가령, xLi [Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(1-x)Li[ Ni0.46Co0.23Mn0.31]O2로서의 "CSG 물질" (코어 쉘 구배)가 기재되어 있고, 또 다른 M-형 화합물이 Y-K Sun저 ElectrochimicaActa Vol.55 Issue 28 p.8621-8627에 기재되어 있고, M-형 화합물의 세 번째 기재는 Nature Materials 8 (2009) p.320-324 (YK Sun외의 논문)에서 발견될 수 있으며, 여기서, 유사한 조성이지만 포뮬라 벌크=Li(Ni0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2, 구배 농도 = Li(Ni0.8-xCo0.1+yMn0.1+z, 이때 0≤x≤0.34, 0≤y≤0.13, 및 0≤z≤0.21이고, 표면 레이어 = Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2인 CSG 물질이 기재되어 있다. 네 번째 기재가 WO2012/011785A2("785A2" 특허)에서 발견될 수 있는데, 여기서, Lix1[Ni1-y1-z1-w1Coy1Mnz1Mw1]O2 (이때, 상기 식에서, 0.9≤x1≤1.3, 0.1≤y1≤0.3, 0.0≤z1≤0.3, 0≤w1≤0.1이고 M은 Mg, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Al, Ga, In, Cr, Ge, 및 Sn 중에서 선택된 적어도 하나의 금속임)이고, 외부 부분은 Lix2[Ni1-y2-z2-w2Coy2Mnz2MW2]O2(이때, 외부 식에서, 0.9≤x2≤1+z2, 0≤y2≤0.33, 0≤z2≤0.5, 0≤w2≤0.1이고 M은 Mg, Zn, Ca, Sr, Cu, Zr, P, Fe, Al, Ga, In, Cr, Ge, 및 Sn 중에서 선택된 적어도 하나의 금속임)의 화합물을 포함하는 것으로 기재된 화합물 M의 변형의 제조가 기재되어 있다. 화합물 M의 모든 네 가지 범위의 변형은 본 발명의 다양한 측면에서 사용되는 화합물 M에 대해 본원에 참고로 포함된다.Certain new cathodes, so-called Core Shell Gradient (CSG) materials (referred to as Compound M), have different core compositions compared to their own shells. For example, Ecopro (website www.ecopro.co.kr or (http://ecopro.co.kr/xe/?mid=emenu31, 2010-10-01) or patent application and registration number PCT/KR2007 /001729 (PCT) (2007) in the product literature as compound M substances, such as "CSG substances" as xLi [Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 ]O 2 (1-x)Li[ Ni 0.46 Co 0.23 Mn 0.31 ]O 2 (Core Shell Gradient) is described, another M-type compound is described in YK Sun's ElectrochimicaActa Vol.55 Issue 28 p.8621-8627, and the third description of the M-type compound is Nature Materials 8 (2009 ) can be found in p.320-324 (non-paper YK Sun), where similar composition but
M 화합물은 약 1일 수 있지만 몇 퍼센트 내에서 변할 수 있는 Li 함량을 추가로 가질 수 있으며 Li 또는 Ni/Mn/Co 화합물은 최적화에 의해 Mg, Al 및 1열 전이 금속으로 치환될 수 있으며, 이들 M 화합물 중 하나 이상이 Li-이온 배터리에서 사용되도록 화합물 B, C, D, E, F, G, L로 앞서 기재된 바와 같이 블렌딩되는 것이 바람직하다. 코어 화합물 M 물질은 최대 90%의 니켈과 5%의 코발트 및 최대 40%의 Mn을 함유할 수 있으며, 구배는 이러한 경계 조성 중 하나에서 10% Ni, 90% 코발트, 및 50% Mn이 될 것이다.The M compound may be about 1, but may additionally have a Li content that may vary within a few percent, and the Li or Ni/Mn/Co compounds may be substituted with Mg, Al and first row transition metals by optimization, these It is preferred that at least one of the M compounds is blended as previously described with compounds B, C, D, E, F, G, L for use in Li-ion batteries. The core compound M material may contain up to 90% nickel and 5% cobalt and up to 40% Mn, and the gradient will be 10% Ni, 90% cobalt, and 50% Mn in one of these boundary compositions. .
일반적으로, 애노드 및 캐소드에 대해 본 발명에 설명된 화합물 또는 블렌드의 얇은 전극을 사용함으로써 고전력이 달성될 수 있다. 두꺼운 전극은 일반적으로 알루미늄 호일에서 전극 코팅 층 두께를 측정할 때 60μm 초과부터 약 200μm까지인 것으로 여겨지며, 얇은 전극(즉, 60μm 미만)은 고 전력 Li-이온 배터리 구성을 위해 더 좋다. 일반적으로 고 전력의 경우 더 많은 카본 블랙 첨가제가 전극 제제에서 사용되어 전기 전도성을 높일 수 있다. 캐소드 화합물은 몇몇 물질 공급업체, 가령, Umicore, BASF, TODA Kogyo, Ecopro, Nichia, MGL, Shanshan 및 Mitsubishi Chemical에서 구입할 수 있다. 화합물 M은 Ecopro로부터 이용 가능하며 이의 제품 문헌에서 CSG 물질(가령, xLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(1-x)Li[Ni0 . 46Co0 . 23Mn0 . 31]O2]로 기재되어 있고 또 다른 M-유형 혼합물이 또한 Y-K Sun in ElectrochimicaActa, Vol.55, Issue 28, p.8621-8627에 기재되어 있으며, 이들 모두 앞서 기재된 바와 같은 화합물과 블렌딩되는 것이 바람직할 수 있다.In general, high power can be achieved by using thin electrodes of the compounds or blends described herein for the anode and cathode. Thick electrodes are generally considered to be from more than 60 μm to about 200 μm when measuring the electrode coating layer thickness in aluminum foil, while thinner electrodes (i.e., less than 60 μm) are better for high power Li-ion battery configurations. In general, in the case of high power, more carbon black additives can be used in electrode formulations to increase electrical conductivity. Cathode compounds are available from several material suppliers, such as Umicore, BASF, TODA Kogyo, Ecopro, Nichia, MGL, Shanshan and Mitsubishi Chemical. Compound M is available from Ecopro and CSG material in its product literature (e. G., XLi [Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1] O 2 (1-x) Li [
고 전압 캐소드에 둘 이상의 화합물로서 블렌딩된 화합물 A-M이 표면 개질제로 코팅되는 것이 바람직할 수 있다. 표면 개질제가 사용될 때, 각각의 화합물이 동일한 표면 개질제로 코팅되는 것이 필수는 아니지만 바람직하다. 표면 개질제는 캐소드 혼합물의 첫 번째 사이클 효율과 속도 성능을 높이는 데 도움이 된다. 또한, 표면 개질 물질을 적용함으로써 유용 수명이 향상된다. 표면 개질제의 예로는 Al2O3, Nb2O5, ZrO2, ZnO, MgO, TiO2, 금속 플루라이드, 가령, AlF3, 금속 포스페이트 AlPO4 및 CoPO4가 있다. 이러한 표면 개질 화합물은 이전에 문헌 [J.Liu외, J.of Materials Chemistry 20 (2010) 3961 -3967; ST Myung외, Chemistry of Materials 17 (2005) 3695-3704; S.T.Myung외 J.of Physical Chemistry C 111 (2007) 4061-4067; ST Myung외 J.of Physical Chemistry C 1154 (2010) 4710-4718; BC Park외, J.of Power Sources 178 (2008) 826-83; J.Cho외, J of Electrochemical Society 151 (2004) A1707-A1711]에 기재되었지만, 4.2V를 초과하는 전압에서 블렌딩된 캐소드와 관련하여 보고된 바는 없다. 특히 4.2V 초과하는 작동을 위해 표면 개질된 화합물 B, C, D, E, F, G, L 및 M을 블렌딩하는 것이 유리하다.It may be desirable to coat the high voltage cathode with compound AM blended as two or more compounds with a surface modifier. When a surface modifier is used, it is not necessary, but preferred, that each compound is coated with the same surface modifier. The surface modifier helps to increase the first cycle efficiency and speed performance of the cathode mixture. In addition, the useful life is improved by applying the surface modifying material. Examples of surface modifiers are Al 2 O 3 , Nb 2 O 5 , ZrO 2 , ZnO, MgO, TiO 2 , metal fluorides such as AlF 3 , metal phosphates AlPO 4 and CoPO 4 . Such surface-modifying compounds have been previously described in J. Liu et al., J. of Materials Chemistry 20 (2010) 3961-3967; ST Myung et al., Chemistry of Materials 17 (2005) 3695-3704; STMyung et al. J. of Physical Chemistry C 111 (2007) 4061-4067; ST Myung et al. J. of Physical Chemistry C 1154 (2010) 4710-4718; BC Park et al., J. of Power Sources 178 (2008) 826-83; J.Cho et al., J of Electrochemical Society 151 (2004) A1707-A1711], but no reports have been made regarding cathodes blended at voltages exceeding 4.2V. It is particularly advantageous to blend the surface modified compounds B, C, D, E, F, G, L and M for operation above 4.2V.
애노드 물질은 결합제 및 카본 블랙, 가령, 케첸 블랙(ketjen black) 또는 그 밖의 다른 전도성 첨가제와 혼합된다. NMP는 일반적으로 결합제를 용해하는 데 사용되며 PVDF는 Li-이온을 위한 바람직한 결합제이며, Li 폴리머 유형은 다른 결합제를 가질 수 있다. 캐소드 슬러리가 안정된 점도로 혼합되며 해당 분야에 잘 알려져 있다. 앞서 기재된 화합물 A-M 및 이들의 블렌드는 본원에서 종종 총칭하여 "캐소드 활물질"로 지칭된다. 마찬가지로 애노드 화합물은 애노드 활물질로 지칭된다.The anode material is mixed with a binder and carbon black, such as ketjen black or other conductive additives. NMP is generally used to dissolve the binder and PVDF is the preferred binder for Li-ions, and Li polymer types may have other binders. Cathode slurries are mixed to a stable viscosity and are well known in the art. The previously described compounds A-M and blends thereof are often collectively referred to herein as “cathode active material”. Similarly, the anode compound is referred to as an anode active material.
캐소드 전극은 예를 들어 약 94% 캐소드 활물질 및 약 2% 카본 블랙 및 3% PVDF 결합제에서 캐소드 화합물, 가령, 상기의 화합물 A-M의 블렌드 또는 개별 화합물을 혼합함으로써, 제조될 수 있다. 카본 블랙은 케첸 블랙(Ketjen black), 슈퍼 P(Super P), 아세틸렌 블랙 및 여러 공급업체, 가령, AkzoNobel, Timcal, 및 Cabot에서 이용 가능한 그 밖의 다른 전도성 첨가제일 수 있다. 이러한 성분을 NMP 용매와 혼합함으로써 슬러리가 생성되고, 그런 다음 상기 슬러리가 약 20마이크로미터 두께의 알루미늄 포일의 양 측면 모두에 코팅되고 원하는 두께 및 면적 중량에서 약 100-130℃로 건조된다. 이 전극은 롤에 의해 원하는 두께와 밀도로 캘린더링된다.Cathode electrodes can be prepared, for example, by mixing a cathode compound, such as a blend of compounds A-M above or individual compounds, in about 94% cathode active material and about 2% carbon black and 3% PVDF binder. Carbon black can be Ketjen black, Super P, acetylene black and other conductive additives available from various suppliers, such as AkzoNobel, Timcal, and Cabot. Mixing these components with an NMP solvent produces a slurry, which is then coated on both sides of an aluminum foil about 20 micrometers thick and dried to about 100-130[deg.] C. at the desired thickness and area weight. This electrode is calendered by a roll to the desired thickness and density.
애노드는 유사하게 제조되지만, 흑연의 경우 약 94-96% 애노드 활물질이 일반적으로 사용되는 반면 PVDF 결합제는 4%이다. 때때로 SBR 결합제가 CMC와 혼합된 캐소드를 위해 사용되며 이러한 유형의 결합제의 경우 약 98%의 상대적인 양의 애노드 활물질이 일반적으로 사용될 수 있다. 애노드의 경우, 때때로 카본 블랙을 사용되어 속도 성능을 높일 수 있다. 애노드는 약 10 마이크로미터의 구리 포일 상에 코팅된다.Anodes are prepared similarly, but for graphite, about 94-96% anode active material is commonly used, whereas PVDF binder is 4%. Sometimes SBR binders are used for the cathode mixed with CMC and for this type of binder a relative amount of anode active material of about 98% can generally be used. In the case of the anode, carbon black can sometimes be used to increase speed performance. The anode is coated on about 10 micrometers of copper foil.
해당 분야의 통상의 기술자라면 기능성 전극에 대해 앞서 기재된 바와 같은 조성을 쉽게 혼합할 수 있다.Those skilled in the art can easily mix the composition as previously described for the functional electrode.
충전 및 방전 중에 전극 팽창을 제한하기 위해 PE, PP 및 탄소의 섬유 물질이 전극 제제에 선택적으로 첨가될 수 있다. 또 다른 팽창 기법이 전극 제제에서 불활성 세라믹 입자, 가령, SiO2, TiO2, ZrO2 또는 Al2O3를 이용한다. 일반적으로 캐소드의 밀도는 3 내지 4g/cm3, 바람직하게는 3.6 내지 3.8g/cm3이고 흑연 애노드는 1.4 내지 1.9g/cm3, 바람직하게는 1.6 - 1.8 g/cm3이며, 이는 프레싱에 의해 달성된다.Fiber materials of PE, PP and carbon may optionally be added to the electrode formulation to limit electrode expansion during charging and discharging. Another expansion technique uses inert ceramic particles such as SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 or Al 2 O 3 in the electrode formulation. In general, the density of the cathode is 3 to 4 g/cm 3 , preferably 3.6 to 3.8 g/cm 3, and the graphite anode is 1.4 to 1.9 g/cm 3 , preferably 1.6 to 1.8 g/cm 3 , which is Is achieved by
분리막Separator
분리막은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 삽입되는 전기 절연성 필름의 형태를 가지며 Li 이온에 대한 높은 투과성과 진행 방향에서 높은 인장 강도 및 높은 침투 강도를 가질 필요가 있다. 기공 크기는 일반적으로 0.01 내지 1 마이크로미터이고 두께는 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터이다. 부직 폴리올레핀, 가령, 폴리에틸렌(PE), 폴리 프로필렌(PP) 또는 PP/PE/PP 구조의 시트가 일반적으로 사용된다. 일반적으로 Al2O3로 구성된 세라믹이 필름 상으로 도포되어 가열 시 수축을 개선하고 내부 단락에 대한 보호를 개선할 수 있다. 또한 마찬가지로 캐소드 또는 애노드가 세라믹으로 코팅될 수 있다. 분리막은 당 분야의 여러 공급업체, 가령, Celgard, SK, Ube, Asahi Kasei, Tonen/Exxon 및 WScope로부터 조달될 수 있다.The separator has a form of an electrically insulating film interposed between the anode electrode and the cathode electrode, and needs to have high permeability to Li ions and high tensile strength and high penetration strength in the traveling direction. The pore size is generally 0.01 to 1 micrometer and the thickness is 5 micrometers to 50 micrometers. Sheets of nonwoven polyolefins, such as polyethylene (PE), polypropylene (PP) or PP/PE/PP structures, are generally used. In general, a ceramic composed of Al 2 O 3 is applied onto a film to improve shrinkage during heating and improve protection against internal short circuits. Likewise the cathode or anode can be coated with ceramics. Separators can be sourced from several suppliers in the field, such as Celgard, SK, Ube, Asahi Kasei, Tonen/Exxon and WScope.
전해질Electrolyte
전해질은 일반적으로 용매와 염을 포함하는 것으로 당 분야에서 알려져 있다. 용매는 일반적으로 DEC(디에틸 카보네이트), EC(에틸렌 카보네이트), EMC(에틸 메틸 카보네이트), PC(프로필렌 카보네이트), DMC(디메틸 카보네이트), 1,3디옥솔란, EA(에틸 아세테이트), 테트라히드로퓨란(THF) 중에서 선택된다. 염은 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, 황 중에서 선택되거나 전해질에서 사용되는 이미드 함유 화합물이 가령 LiCFSO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2 를 포함하거나, 사전 혼합된 전해질, 가령, EC/EMC/DMC (1:1:1 비) 및 1M LiPF6을 통해 SO2를 버블링함에 따른 플레인 술폰화를 포함한다. 그 밖의 다른 염은 LiBOB(리튬 비스-옥살라테보레이트), TEATFB(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트), TEMABF4(트리에틸메틸암모늄테트라플루오로보레이트)이다. 효과적인 SEI 형성, 가스 생성, 난연 속성, 또는 산화환원 운반 능력을 위한 첨가제가 또한 사용될 수 있는데, 예를 들어, BP(비페닐), FEC, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 에틸렌디아민, 헥사포스포릭트리아미드, 황, PS(프로필렌술파이트), ES(에틸렌술파이트), TPP(트리페닐포스페이트), 암모늄 염, 할로겐 함유 용매, 가령, 탄소 테트라틀로라이드 또는 에틸렌 트리플루오라이드 및 추가로 CO2 가스가 사용되어, 고온 저장 특성을 개선할 수 있다. 고체/겔 또는 폴리머 전해질의 경우 PVDF, PVDF-HFP, EMITFSI, LiTFSI, PEO, PAN, PMMA, PVC, 이들 폴리머의 임의의 블렌드가 다른 전해질 성분과 함께 사용되어 겔 전해질을 제공할 수 있다. 전해질 공급업체로는 Cheil, Ube, Mitsubishi Chemical, BASF, Tomiyama, Guotsa-Huasong, 및 Novolyte가 있다.Electrolytes are generally known in the art to contain a solvent and a salt. Solvents are generally DEC (diethyl carbonate), EC (ethylene carbonate), EMC (ethyl methyl carbonate), PC (propylene carbonate), DMC (dimethyl carbonate), 1,3 dioxolane, EA (ethyl acetate), tetrahydro It is selected from furan (THF). The salt is selected from LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , sulfur, or an imide-containing compound used in the electrolyte, such as LiCFSO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 Or by bubbling SO 2 through a premixed electrolyte such as EC/EMC/DMC (1:1:1 ratio) and 1M LiPF 6. Other salts are LiBOB (lithium bis-oxalateborate), TEATFB (tetraethylammonium tetrafluoroborate), and TEMABF 4 (triethylmethylammonium tetrafluoroborate). Additives for effective SEI formation, gas generation, flame retardant properties, or redox carrying capacity can also be used, e.g. BP (biphenyl), FEC, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, ethylenediamine, hexa Phosphorictriamide, sulfur, PS (propylene sulfite), ES (ethylene sulfite), TPP (triphenyl phosphate), ammonium salts, halogen-containing solvents such as carbon tetrathride or ethylene trifluoride and further CO2 gas can be used to improve high temperature storage properties. For solid/gel or polymer electrolytes, PVDF, PVDF-HFP, EMITFSI, LiTFSI, PEO, PAN, PMMA, PVC, any blend of these polymers can be used with other electrolyte components to provide a gel electrolyte. Electrolyte suppliers include Cheil, Ube, Mitsubishi Chemical, BASF, Tomiyama, Guotsa-Huasong, and Novolyte.
슈퍼커패시터(전기화학 이중층이 있는 것)와 표준 Li-이온 배터리 모두에서 작동하는 전해질이 있다. 이들 전해질의 경우 하나 이상의 슈퍼커패시터 코어가 밀봉재에 있는 하나 이상의 일반 Li-이온 코어 부재와 혼합될 수 있으므로 슈퍼커패시터 구성요소는 전력 에이전트로서 기능하고 Li-이온 코어 부재는 에너지 수확제(energy harvesting agent)로서 기능한다.There are electrolytes that work in both supercapacitors (with electrochemical double layers) and standard Li-ion batteries. For these electrolytes, one or more supercapacitor cores can be mixed with one or more common Li-ion core members in the sealant, so that the supercapacitor component functions as a power agent and the Li-ion core member is an energy harvesting agent. Functions as
예시example
이 예시에서, 원통형의 5개의 젤리 롤 유형 코어 부재의 세트가 두 개의 공통 버스 바(양성 및 음성)에 병렬로 연결되는데, 이는 절반의 코어 부재만 갖는 것을 제외하고, 도 1에 도시된 MC 배터리 구성과 유사하다. 음의 커넥터가 젤리 롤의 애노드 포일(구리)로부터 뻗어 있는 탭에 연결되고, 코팅된 흑연 전극을 갖고, 젤리 롤의 캐소드 포일(알루미늄)로의 양의 커넥터가 화합물 M과 화합물 F의 블렌딩된 옥사이드 전극 구조체를 가진다. 니켈로 만들어진 애노드 탭 및 알루미늄으로 만들어진 캐소드 탭은, 스폿 용접 또는 레이저 용접 기법을 이용해 버스 바에 용접된다. 밀봉재 및 지지 부재가 플라스틱 물질(폴리에틸렌)로 만들어진다. 이 예시에서, 18mm 지름을 갖는 원통형 공동 및 약간 더 작은 지름(17.9mm)을 갖는 젤리 롤 코어 부재가 사용되었다. 밀봉재 및 덮개가 함께 초음파로 용접되어 기밀 밀폐부를 만드는 플라스틱 물질로 만들어진다.In this example, a set of five cylindrical jelly roll type core members are connected in parallel to two common bus bars (positive and negative), which is the MC battery shown in Fig. 1, except that it has only half of the core members. It is similar to the composition. A negative connector is connected to a tab extending from the anode foil (copper) of the jelly roll, has a coated graphite electrode, and the positive connector to the cathode foil (aluminum) of the jelly roll is a blended oxide electrode of compound M and compound F. Has a structure. The anode tab made of nickel and the cathode tab made of aluminum are welded to the bus bar using spot welding or laser welding techniques. The sealing material and the supporting member are made of plastic material (polyethylene). In this example, a cylindrical cavity with 18 mm diameter and a jelly roll core member with a slightly smaller diameter (17.9 mm) was used. The sealant and cover are ultrasonically welded together to make a plastic material that creates an airtight seal.
해당 분양의 통상의 기술자라면, 앞서 기재된 바와 같이 코어 부재의 속성을 선택 및 변형시키고, 고 에너지 또는 고 전력 코어를 달성할 수 있다. 이하에서 나타난 표가 앞서 기재된 5개의 코어 부재 예시의 코어 조성을 달리하며, 달성될 수 있는 MC 배터리의 속성이 상이한 세 가지 예시를 요약한다.Those skilled in the art of the sale can select and modify the properties of the core member as described above, and achieve a high energy or high power core. The table shown below summarizes three examples in which the core composition of the five core member examples described above are different, and the properties of the MC battery that can be achieved are different.
본 발명은 이의 사상 및 본질적 특성 내에서, 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 모든 면에서 제한적이지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 한다.The present invention can be implemented in other specific forms within its spirit and essential characteristics. Accordingly, this embodiment should be regarded as illustrative and not restrictive in all respects.
Claims (32)
공동 표면에 의해 형성되는 복수의 공동을 포함하는 지지 부재 - 상기 복수의 공동의 각각의 공동이 공동 개구를 통해 리튬 이온 코어 부재를 수용하도록 구성됨 - ,
복수의 리튬 이온 코어 부재 - 상기 복수의 리튬 이온 코어 부재의 각각의 리튬 이온 코어 부재는 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치된 분리막, 및 전해질을 포함함 - , 및
상기 지지 부재를 둘러 싸고 밀봉하는 기밀 밀폐 밀봉재
를 포함하며, 상기 복수의 리튬 이온 코어 부재의 각각의 리튬 이온 코어 부재는 상기 지지 부재의 상기 복수의 공동 중 하나의 공동 내에 위치되고,
각각의 상기 리튬 이온 코어 부재는 이의 길이를 따라 상기 복수의 공동 중 하나의 공동의 공동 표면에 의해 둘러 싸여, 전해질이 담겨 있는 공동으로부터 빠져 나오지 못하게 되며,
상기 기밀 밀폐 밀봉재는, (i) 상기 공동 각각이 개방되어 있고, (ii) 상기 지지 부재의 공동 내에 위치할 때 각각의 이온 코어 부재의 애노드, 캐소드 및 전해질이 공동 개구를 통해 직접 노출되는 공유 분위기 영역을 정의하며,
상기 지지 부재 및 상기 밀봉재 중 적어도 하나가 단열 미네랄 물질로부터 적어도 부분적으로 제조되는, 리튬 이온 배터리.As a multi-core lithium-ion battery,
A support member comprising a plurality of cavities formed by a cavity surface, each cavity of the plurality of cavities configured to receive a lithium ion core member through a cavity opening,
A plurality of lithium ion core members, wherein each lithium ion core member of the plurality of lithium ion core members includes an anode, a cathode, a separator positioned between the anode and the cathode, and an electrolyte-, And
Hermetically sealed sealing material surrounding and sealing the support member
Including, wherein each lithium ion core member of the plurality of lithium ion core members is located in one of the plurality of cavities of the support member,
Each of the lithium ion core members is surrounded by the cavity surface of one of the plurality of cavities along its length, so that it cannot escape from the cavity containing the electrolyte,
The hermetically sealed sealing material is a shared atmosphere in which (i) each of the cavities is open, and (ii) the anode, cathode, and electrolyte of each ion core member are directly exposed through the cavity opening when positioned within the cavity of the support member. Define the area,
At least one of the support member and the sealing material is made at least partially from an insulating mineral material.
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