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KR102014840B1 - 젤리 롤들 사이에 추가의 재료를 갖는 다중의 젤리 롤들을 포함하는 리튬 이온 각형 전지 - Google Patents

젤리 롤들 사이에 추가의 재료를 갖는 다중의 젤리 롤들을 포함하는 리튬 이온 각형 전지 Download PDF

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KR102014840B1
KR102014840B1 KR1020147031164A KR20147031164A KR102014840B1 KR 102014840 B1 KR102014840 B1 KR 102014840B1 KR 1020147031164 A KR1020147031164 A KR 1020147031164A KR 20147031164 A KR20147031164 A KR 20147031164A KR 102014840 B1 KR102014840 B1 KR 102014840B1
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에이일이삼 시스템즈, 엘엘씨
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Abstract

본 명세서에 개시된 기술들은 스택-폴딩 생산 방법에 비하여 대형 및 고용량 전지들에 대한 젤리 롤 어셈블리의 속도를 향상시키는 시스템들 및 방법들을 포함한다. 일 실시양태에서, 더 높은 속도의 권선 공정이 달성되고, 또한, 더 높은 용량 및 에너지가 젤리 롤 사이에 적어도 하나의 (추가의) 캐소드 층을 추가함으로써 달성될 수 있다. 이러한 추가는 애노드 외부 층의 사용의 손실을 최소화시킨다.

Description

젤리 롤들 사이에 추가의 재료를 갖는 다중의 젤리 롤들을 포함하는 리튬 이온 각형 전지{THE LITHIUM ION PRISMATIC CELL COMPRISING MULTIPLE JELLY ROLLS WITH ADDITIONAL MATERIAL BETWEEN JELLY ROLLS}
본원 발명은 배터리에 관한 것으로, 특히, 자동차 전력 트레인 시스템들에서 사용하기 위한 배터리를 포함하는 재충전식 배터리에 관한 것이다.
종래의 배터리 설계는 계층화된 애노드 재료, 세퍼레이터 재료, 및 캐소드 재료를 포함한다. 그 후, 이들 재료의 다중의 층들은 롤업(roll up)되고 실린더내에 삽입될 수 있거나, 대응하는 하우징에 삽입되기 이전에 롤업된 후 평탄화될 수 있다. 이러한 재충전식 배터리는 젤리 롤(jelly roll) 배터리, 젤리 롤을 가지는 재충전식 배터리 또는 약간 나선형 단면을 가지는 재충전식 배터리로 알려져 있다. 일부 배터리에서는, 하나 또는 복수의 젤리 롤들이 캔 또는 컨테이너에 삽입된다.
본원 발명은 스택-폴딩 생산 방법에 비하여 대형 및 고용량 전지들에 대한 젤리 롤 어셈블리의 속도를 향상시키는 시스템들 및 방법들을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 더 높은 속도의 권선 공정(winding process)을 달성하는 것을 목적으로 한다.
또한, 젤리 롤 사이에 적어도 하나의 (추가의) 캐소드 층을 추가함으로써 더 높은 배터리 용량 및 에너지를 달성하는 것을 목적으로 한다.
종래의 각형 배터리 전지들에서는 애노드 재료의 불용의 외부 층(non-useable outer layer)으로 인해 발생하는 데드 스페이스(dead space) 때문에 용량의 손실이 존재하였다. 뿐만 아니라, 이러한 종래의 전지들의 고온 저장 성능은 전지내의 불용의 추가적인 외부 애노드 층들에 트랩된 리튬으로 인해 저하된다.
본 명세서에 개시된 기술들은 스택-폴딩 생산 방법에 비하여 대형 및 고용량 전지들에 대한 젤리 롤 어셈블리의 속도를 향상시키는 시스템 및 방법을 포함한다. 본원 발명의 일 실시양태에서, 더 높은 속도의 권선 공정(winding process)이 달성되고, 또한, 젤리 롤 사이에 적어도 하나의 (추가의) 캐소드 층을 추가함으로써 더 높은 용량 및 에너지가 달성될 수 있다. 이러한 추가는 애노드 외부 층의 사용의 손실을 최소화시킨다.
젤리 롤들 사이에 일측면이 코팅된 추가의 캐소드 시트를 포함함으로써 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다. 다중의 젤리 롤들은 젤리 롤의 에지와 각형 캔 사이의 데드 스페이스를 최소화하기 위해 하나의 파우치 또는 컨테이너에 종종 삽입된다. 젤리 롤의 곡률은 더 두꺼운 젤리 롤을 사용할 때 더 클 수 있다. 따라서, 더 얇은 젤리 롤들을 준비하고 다중의 젤리 롤들을 사용함으로써 코너에서의 데드 스페이스를 최소화하여 용량을 증가시킬 수 있다. 그러나 이러한 경우, 전지 용량을 위해 외부 애노드 층은 추가의 캐소드 시트를 더하여 사용될 수 있다. 추가의 캐소드 시트는 이전의 불용의 애노드 층을 제거함으로써 고온에서의 저장 성능을 또한 증가시킬 수 있다. 이러한 불용의 애노드 층은 리튬을 층내로 트랩할 수 있어서, 종래의 각형 전지들에서 가용 리튬의 손실을 초래한다.
본원 발명의 다른 실시양태에서, 금속 플레이트가 2개의 젤리 롤들 사이의 맨드렐(mandrel) 또는 추가의 층으로서 사용되는 것이다. 이러한 금속 플레이트를 추가함으로써 원통형 전지와 같은 전지 또는 팩내에서 상기 금속 플레이트가 냉각 핀으로서 기능함으로써 배터리 성능을 향상시키게 된다. 알루미늄 플레이트 또는 다른 금속 플레이트는 2-탭 설계내의 전지들을 1-탭 설계로 제작하기 위해 냉각 플레이트 및/또는 외부 탭으로서 사용될 수 있다. 따라서, 타측상의 밀봉되고 탭이 위치한 면적을 감소시킴으로써 더 높은 부피 에너지 밀도(volumetric energy density)가 달성될 수 있다. 이러한 방법은 태빙(tabbing) 및 밀봉을 위한 공간의 손실을 효과적으로 최소화시킨다.
이러한 기술은 젤리 롤들 사이에 추가의 금속 플레이트(예를 들어, 알루미늄 플레이트) 또는 시트를 추가함으로써 추가의 밀봉되고 탭이 위치한 면적(또는 공간)이 감소됨으로 인해 높은 부피 에너지를 갖는 전지 또는 배터리 팩들을 제조할 수 있다. 파우치 또는 캔에서 다중의 젤리 롤들을 사용하는 것은 젤리 롤의 에지 또는 단부에서 데드 스페이스를 최소화시킬 수 있다. 젤리 롤의 곡률은 더 두꺼운 젤리 롤을 사용할 때 더 클 수 있다. 따라서, 더 얇은 젤리 롤들을 준비하고 다중의 젤리 롤들을 사용함으로써 용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 실시양태에서, 각 젤리 롤은 세퍼레이터들에 의해 마감될 수 있다. 금속 플레이트가 집전 및 냉각 핀을 제공하는 듀얼 기능을 위해 2개의 젤리 롤들 사이에 추가될 수 있다. 금속 플레이트가 사용될 때, 추가의 냉각 패드는 배터리 팩 설계에 필요하기 않을 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 실시양태는 내부 단락을 더 양호하게 제어함으로써 더 양호한 극한 내구성(abuse tolerance)을 제공한다.
추가로, 본 명세서에서의 상이한 특징들, 기술들, 구성 등은 각각 본원 발명의 서로 다른 곳에서 논의될 수 있지만, 개념들 각각은 서로 독립적으로 또는 서로 조합하여 실행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 다수의 상이한 방식들로 구현될 수 있고 나타날 수 있다.
또한, 본 명세서의 기재가 본원 발명 또는 특허청구범위의 모든 실시양태 및/또는 점진적으로 신규한 양태를 한정하지는 않는다. 대신에, 본 명세서의 기재는 종래의 기술들에 대비해 상이한 실시양태들 및 상응하는 신규한 특징의 예비 논의를 단지 제공한다. 발명 및 실시양태에 관한 추가적인 상세사항 및/또는 가능한 관점은 아래에 더 논의되는 바와 같이, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 대응하는 도면들에 기재되어 있다.
본원 발명은 더 높은 속도의 권선 공정(winding process)이 달성되고, 또한, 젤리 롤 사이에 적어도 하나의 (추가의) 캐소드 층을 추가함으로써 더 높은 용량 및 에너지가 달성될 수 있다. 이러한 추가는 애노드 외부 층의 사용의 손실을 최소화시킨다.
또한 젤리 롤들 사이에 일측면이 코팅된 추가의 캐소드 시트를 포함함으로써 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 젤리 롤의 각 단부상에 단자를 갖는 젤리 롤(권선된 플랫 랩)의 종래의 설계를 도시한다.
도 2는 2개의 젤리 롤들이 함께 프레싱된 종래의 설계를 도시한다.
도 3은 2개의 젤리 롤들 사이에 하나의 캐소드를 추가하는 새로운 실시양태를 도시한다.
도 4는 각 측상에 전기 탭들 또는 단자들을 갖는 실시양태를 도시한다.
도 5는 각 측상에 전기 탭들 또는 단자들을 갖는 다른 실시양태를 도시한다.
도 6은 젤리 롤 배터리의 권선 개념을 예시한다.
도 7은 예시적인 배터리의 전지 설계를 도시한다.
도 8은 2개의 젤리 롤들 사이에 위치된 알루미늄 플레이트를 갖는 2개의 권선된 플랩 랩 젤리 롤들의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 알루미늄(Al) 플레이트를 갖는 바이-젤리(bi-jelly) 롤들에 대한 각 컴포넌트의 측면도이다.
도 10은 최종 밀봉 전지들의 구성 및 금속 플레이트가 바이-젤리 롤의 동일한 측면상에 단자들을 가짐으로써 단자들의 3차원 구조를 향상시킴으로써 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 방법을 도시한다.
본원 발명의 일 실시양태에서, 양측상에 코팅될 수 있는 추가의 캐소드 재료 층이 젤리 롤들 사이에 위치될 수 있다. 그 후, 연장 탭이 전극들의 에지상의 여분의 베어 포일들(bare foils)에 용접될 수 있다. 파우치내에 밀봉된 후에, 전해질이 파우치 케이스로 충진되고 활성화된다.
다른 실시양태에서, 젤리 롤상에 높은 수축 세퍼레이터를 갖는 추가의 베어 포일 세트를 추가함으로써 극한내구성이 획득될 수 있다. 베어 포일들 사이의 접촉이 존재할 때 이러한 추가 층은 단락이 일어날 수 있고, 이는 전지의 잔존 용량(SOC)을 더 낮게 만드는 원인이 된다. 낮은 SOC 전지들은 높은 SOC 전지들보다 낮은 반응성을 가진다. 본 명세서에 개시된 기술들은 고에너지 밀도, 더 양호한 저장 성능, 및 더 낮은 비용의 어셈블리 생산을 가능하게 한다.
일 실시양태에서, 추가의 금속 플레이트가 젤리 롤들 사이에 또는 젤리 롤들의 쌍들 사이에 추가된다. 연장 탭이 여분의 베어 포일들과 이러한 플레이트에 용접될 수 있고, 이러한 플레이트는 젤리 롤들을 통해 외부 탭에 연결될 수 있다. 이러한 탭에 부가하여, 다른 탭이 포일들과 용접함으로써 이러한 탭 옆에 배치될 수 있다. 절연 폴리머 패드가 금속 플레이트와 다른 탭용 포일들 사이를 절연시키기 위해 사용될 수 있다. 일 실시양태에서, 한 쌍의 젤리 롤들 사이에 배치된 알루미늄 플레이트가 포지티브 탭으로서 사용될 수 있다. 파우치내에 밀봉된 후에, 전해질이 파우치 또는 케이스로 충진될 수 있고, 밀봉된 전지를 활성화시킬 수 있다.
다른 금속 플레이트들이 애노드 또는 캐소드에 대해 사용될 수 있다. 알루미늄 플레이트를 사용하는 것은, 더 양호한 안전성, 더 낮은 비용, 및 높은 비에너지를 제공할 수 있기 때문에 유익하다. 이러한 실시양태는 높은 부피 에너지 밀도, 저비용 어셈블리 생산, 및 극한 내구성 전지를 생산할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 집전 및 전지들의 냉각을 위해 금속 플레이트를 사용함으로써, 대응하는 배터리 팩 설계에서 추가의 냉각 패드에 대한 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다.
일반적으로, 배터리 전지 설계에 관하여, 효율적인 배터리는 하이브리드 전기 자동차(HEV)를 포함하는 여러 응용분야에서 중요성을 가지며, 이에 대응하기 위해 저에너지 에너지 저장 시스템(Lower-Energy Energy Storage System; LEESS) 전지 개발이 시작되었다. 재료들의 비용은 전지 전력을 향상시킴으로써(스택들을 적게 함으로써) 낮춰질 수 있다. 공정 비용은 권선 어셈블리를 사용함으로써 낮춰질 수 있다. 권선 어셈블리는 평탄화된 권선(Wound Bat Wrap; WFW)의 각 단부상에 탭(전기적 단자)을 통상적으로 발생시킨다. 권선에서의 초박막 전극들이 유익할 수 있다.
예를 들어, 이것은 권선에 대한 최적의 범위로서 4Ah/9.5턴과 같은, 소정의 권선에 대한 턴의 횟수를 낮출 수 있다. 또한, 픽 앤 플레이스 스태커(pick and place stacker)로 얇은 전극들을 핸들링하는데 어려움이 있다. 통상적인 전지 구성들에서, 배터리 전지의 각 단부상에는 측면 탭/전극이 존재한다. 이것은 다른 측면 탭에 대한 추가의 밀봉된 면적으로 인해 3% 에너지 손실(에너지 밀도)을 발생시킬 수 있다. 그 이유로는 젤리 롤 층들이 탭들로 인해 배터리 전지 공간을 충진하기 위해 완전하게 연장할 수 없기 때문이다.
도 6은 젤리 롤 배터리의 권선 개념을 예시한다. 연장 탭에 대한 코팅되지 않은 포일이 트리밍 이후에 사용될 수 있다. 코팅된 절반 측면의 애노드가 먼저 권선된 후, 상기 애노드가 외부 젤리 롤에서 감싸진다. 포지티브 층, 세퍼레이터 및 네거티브 층들을 권선한 이후에, 결과적으로 형성되는 원통형 형상이 평탄화 또는 눌림화(squashed)될 수 있다. 평탄화된 권선 젤리 롤은 파우치에 삽입될 수 있고, 전해질로 충진된 이 후, 진공 밀봉될 수 있다. 여분의 포일들은 권선 이후에 트리밍될 수 있다.
도 1은 젤리 롤의 각 단부상에 단자를 갖는 젤리 롤(권선된 플랫 랩)의 종래의 설계를 도시한다.
도 2는 2개의 젤리 롤들이 함께 프레싱된 종래의 설계를 도시하고, 각 젤리 롤은 젤리 롤의 각 단부상에 단자를 갖는다. 이러한 설계는 도 1의 설계 보다 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 2개의 젤리 롤들 사이에 하나의 캐소드를 추가하는 새로운 실시양태를 도시한다. 이러한 추가는 에너지 밀도를 증가시킨다. 캐소드 층을 추가하는 것에 부가하여, 또는 캐소드 층을 추가하는 대신에, 금속 플레이트가 2개의 젤리 롤들 사이에 위치될 수 있다. 어느 실시예에서나, 탭 배열은 각형 전지 설계의 일부와 같이, 2개의 젤리 롤들 사이에 층을 추가하는 결과로서 에너지 밀도를 향상시키기 위해 변형될 수 있다.
도 4는 각 측상에 전기 탭들 또는 단자들을 갖는 실시양태를 도시한다. 도 5에서, 중앙 층이 추가되어 있고, 일 단부로부터 타단부로의 도관이 형성되어, 일 측상에 2개의 탭들을 위치시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 구성은 소정의 배터리 전지에서 더 많은 젤리 롤 재료를 사용하거나 더 작은 풋프린트(footprint)를 갖는 배터리 전지들을 생성하는 것을 허용한다. 어느 구성에서나, 에너지 밀도의 증가가 존재한다.
도 7은 예시적인 배터리의 전지 설계를 도시한다.
도 8은 2개의 젤리 롤들 사이에 위치된 알루미늄 플레이트를 갖는 2개의 권선된 플랩 랩 젤리 롤들의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 8은 알루미늄 및 구리 탭들이 젤리 롤 쌍의 일측/단부상에 모두 위치되도록 알루미늄 플레이트 또는 포일이 2개의 젤리 롤들 사이에 전기적 경로를 생성할 수 있는 방법을 도시하는 측면도 및 상면도를 포함한다.
도 9는 알루미늄(Al) 플레이트를 갖는 바이-젤리(bi-jelly) 롤들에 대한 각 컴포넌트의 측면도이다. 도 9는 층들이 함께 트리밍되고 조인될 수 있는 방법을 도시한다. 도 10은 최종 밀봉 전지들의 구성 및 금속 플레이트가 바이-젤리 롤의 동일한 측면상에 단자들을 가짐으로써 단자들의 3차원 구조를 향상시킴으로써 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 방법을 도시한다.
따라서, 상기 실시양태들은 새로운 바이-젤리(bi-jelly) 롤 구조를 포함한다. 일 단부상에 구리 탭 및 대향 단부상에 알루미늄 탭을 갖는 대신에, 알루미늄 플레이트 또는 양면이 코팅된 캐소드 시트가 젤리 롤 쌍의 중간에 위치한다. 이러한 구성은 외부 애노드 층들의 사용을 최대화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 구성은 젤리 롤들 사이에 하나의 캐소드를 사용함으로써 젤리 롤들의 병렬 연결을 제공할 수 있다.
당업자는 본 발명의 동일한 목적들을 여전히 달성하면서 상술한 기술들의 동작에 대해 이루어진 다수의 변동들이 존재할 수 있음을 또한 이해할 것이다. 이러한 변동들은 본 발명의 범위에 의해 커버되도록 의도된다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들의 상술한 설명은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 본 발명의 실시예들에 대한 임의의 제한들은 아래의 청구항들에 존재한다.

Claims (5)

  1. 바이 젤리롤 구조의 배터리 전지로서,
    제 1 젤리 롤; 상기 제 1 젤리 롤은 실질적으로 평탄화되고 애노드 재료, 캐소드 재료, 및 상기 애노드 재료와 상기 캐소드 재료 사이를 절연시키는 세퍼레이터 재료를 포함하는 다중의 층들을 포함하며, 애노드 층이 외측에 위치하고,
    제 2 젤리 롤; 상기 제 2 젤리 롤은 실질적으로 평탄화되고 애노드 재료, 캐소드 재료, 및 상기 애노드 재료와 상기 캐소드 재료 사이를 절연시키는 세퍼레이터 재료를 포함하는 다중의 층들을 포함하며, 애노드 층이 외측에 위치하고,
    캐소드 재료 층; 상기 캐소드 재료 층은 상기 제 1 젤리 롤과 상기 제 2 젤리 롤 사이에 위치되며, 상기 캐소드 재료 층의 일단부로부터 타단부로의 도관이 형성되어, 상기 바이 젤리롤 구조의 제 1 단자와 제 2 단자가 바이 젤리롤 구조의 동일한 단부상에 모두 위치하고,
    상기 제 1 젤리 롤, 상기 제 2 젤리 롤, 및 상기 캐소드 재료 층은 배터리 전지 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 배터리 전지.
  2. 삭제
  3. 바이 젤리롤 구조의 배터리 전지로서,
    제 1 젤리 롤; 상기 제 1 젤리 롤은 실질적으로 평탄화되고 애노드 재료, 캐소드 재료, 및 상기 애노드 재료와 상기 캐소드 재료 사이를 절연시키는 세퍼레이터 재료를 포함하는 다중의 층들을 포함하며, 애노드 층이 외측에 위치하고,
    제 2 젤리 롤; 상기 제 2 젤리 롤은 실질적으로 평탄화되고 애노드 재료, 캐소드 재료, 및 상기 애노드 재료와 상기 캐소드 재료 사이를 절연시키는 세퍼레이터 재료를 포함하는 다중의 층들을 포함하며, 애노드 층이 외측에 위치하고,
    금속 플레이트; 상기 금속 플레이트는 상기 제 1 젤리 롤 및 상기 제 2 젤리 롤이 상기 금속 플레이트와 접촉하도록 상기 제 1 젤리 롤 및 상기 제 2 젤리 롤 사이에 위치되며, 상기 금속 플레이트는 상기 제 1 젤리 롤 및 상기 제 2 젤리 롤 사이에 전기적 경로를 형성하고,
    상기 바이 젤리롤 구조의 제 1 단자와 제 2 단자가 바이 젤리롤 구조의 동일한 단부상에 모두 위치하고,
    상기 제 1 젤리 롤, 상기 제 2 젤리 롤, 및 상기 금속 플레이트 층은 배터리 전지 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 배터리 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 플레이트는 캐소드 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 전지.
  5. 삭제
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