KR20180080377A - 오프셋 형태를 갖는 고체 상태 배터리 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에서, 고체 상태 배터리는 제 1 캐소드와 제 1 애노드 사이에 위치된 제 1 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 1 셀 스택, 제 1 애노드 바로 아래에 위치된 제 1 기저부를 포함하고, 제 1 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 1 측면 연장부를 포함하는 제 1 기저층, 제 1 기저층 아래에 있고 제 2 캐소드와 제 2 애노드 사이에 위치된 제 2 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 2 셀 스택, 제 2 애노드 바로 아래에 위치된 제 2 기저부를 포함하고, 제 2 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 2 측면 연장부를 포함하는 제 2 기저층으로서, 제 2 기저부는 제 1 측면 연장부를 넘어서 측면으로 연장하는, 상기 제 2 기저층, 및 멀티플렉서로서, (ⅰ) 제 1 측면 연장부를 통해 제 1 기저부와 전기적으로 연결하고, (ⅱ) 제 2 측면 연장부를 통해 제 2 기저부와 전기적으로 연결하는, 상기 멀티플렉서를 포함한다.
Description
교차 참조
본 출원은 그 전체 내용들이 참조로서 여기에 통합되는 2013년 8월 27일에 출원된 미국 가출원 제 61/870,269 호의 이익을 주장한다.
본 개시는 배터리들 및 특히 고체 상태 배터리들에 관한 것이다.
재충전 가능한 리튬-이온 배터리들은 다른 전기 화학 에너지 저장 디바이스들에 비해 그들의 높은 비에너지 때문에 휴대용 전자기기들 및 전기 및 하이브리드-전기 차량들에 대해 매력적인 에너지 저장 시스템들이다. 일반적인 Li-이온 셀은 음극, 양극, 및 음극과 양극 사이에 격리판 영역을 포함한다. 두 전극들은 리튬을 삽입하거나 또는 리튬과 가역적으로 반응하는 활성 재료들을 포함한다. 몇몇 경우들에서, 음극은 전기 화학적으로 용해될 수 있고 가역적으로 침착될 수 있는 리튬 금속을 포함할 수 있다. 격리판은 리튬 양이온을 갖는 전해질을 포함하고, 전극들 사이에 물리적 장벽의 역할을 해서, 전극들 중 어느 것도 셀 내에 전자적으로 접속되지 않는다.
일반적으로, 충전 동안, 양극에서 전자들의 생성, 및 음극에서 동등한 양의 전자들의 소비가 존재하고, 이들 전자들은 외부 회로를 통해 수송된다. 셀의 이상적인 충전에서, 양극의 활성 재료로부터 리튬 이온들의 산화를 통해 추출이 존재하기 때문에 이들 전자들은 양극에서 생성되고, 음극의 활성 재료로의 리튬 이온들의 환원이 존재하기 때문에, 전자들은 음극에서 소비된다. 방전 동안, 정확한 반대 반응들이 발생한다.
리튬 금속 음극을 갖는 배터리들은 종래의 탄소계 음극들을 갖는 배터리들에 비해 특별히 높은 비에너지(Wh/㎏) 및 에너지 밀도(Wh/L)를 제공한다. 그러나, 이러한 시스템들의 주기 수명은 오히려: (a) Li 금속이 박리되고 도금될 때 모든 주기 동안 셀 샌드위치에서 상당한 체적 변경들, (b) 격리판을 관통하고 셀을 단락시키고 및/또는 음극의 단편화 및 용량 손실을 초래할 수 있는, 재충전 동안 덴드라이트들(dendrites)의 형성; (c) 셀에서 큰 전체 체적 변경을 초래하는 연장된 주기에 대한 금속에서 형태 변경들; 및 (d) 몇몇 금속을 절연시키고 및/또는 시간에 걸쳐 셀의 저항을 증가시킬 수 있는 특정한 전해질들에 노출될 때, 금속의 표면에 형성되는 패시베이팅 층의 구조 및 조성의 변경들에 의해 제한된다.
높은 비용량 음극들, 예컨대 금속이 배터리에 사용될 때, 종래 시스템들에 대해 용량 증가의 최대 이익은 고용량 양극 활성 재료가 또한 사용될 때 실현된다. 예를 들면, 종래의 리튬-삽입 산화물들(예를 들면, LiCoO2, LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2, Li1.1Ni0.3Co0.3Mn0.3O2)은 일반적으로 ~280 mAh/g(리튬 산화물의 질량에 기초하여)의 이론적인 용량 및 리튬 금속의 비용량, 3863 mAh/g에 비해 매우 낮은 180 내지 250 mAh/g의 실제 용량에 대해 제한된다. 몇몇 실제 주기가 리튬 이온 양극에 대해 달성된 가장 높은 이론적인 용량은 1168 mAh/g(리튬화 재료의 질량에 기초하여)이고, 이는 Li2S 및 Li2O2에 의해 공유된다. 다른 고용량 재료들은 BiF3(303 mAh/g, 리튬화물), FeF3(712 mAh/g, 리튬화물), LiOH·H2O(639 mAh/g), 및 다른 것들을 포함한다. 불행히도, 모든 이들 재료들은 종래의 산화물 양극들에 비하여 더 낮은 전압에서 리튬과 반응하고, 따라서 이론적인 비에너지를 제한한다; 그러나, 이론적인 비에너지들은 여전히 매우 높다(>800Wh/㎏, 리튬 음극 및 종래의 산화물 양극들을 갖는 셀에 대해 최대 ~ 500 Wh/㎏에 비하여).
도 1은 상이한 비에너지들의 배터리 팩들을 사용하는 차량에 대해 달성 가능한 운행 범위 대 배터리 팩의 중량을 도시하는 차트(2)를 도시한다. 차트(10)에서, 비에너지들은, 셀들의 특정 세트로부터 배터리 팩을 형성하기 위해 50% 중량 증가를 가정하여 셀 패키징 중량을 포함하는 전체 셀에 대한 것이다. 미국 에너지국은 차량 내 위치된 배터리 팩에 대하여 200 ㎏의 중량 제한을 확립했다. 따라서, 단지 약 600 Wh/㎏ 이상을 갖는 배터리 팩만이 300 마일의 운행 범위를 달성할 수 있다.
리튬-기반 배터리들은 상당히 높은 비에너지(Wh/㎏) 및 에너지 밀도(Wh/L)를 갖고, 그들이 지금 전기 동력 차량들에서 사용되고 있다. 그러나, 수백 마일들의 운행 범위를 갖는 완전한 전기 차량에 전력을 공급하기 위해, 종래 기술보다 큰 비에너지를 갖는 배터리(그래파이트 애노드 및 전이 금속 산화물 캐소드를 갖는 삽입 시스템)가 필요하다.
현재 이용되는 배터리들에 비교할 때 더 높은 비에너지를 제공하는 몇몇 옵션들이 가능하다. 예를 들면, 도 2는 다양한 리튬 기반 화학물들의 비에너지 및 에너지 밀도를 식별하는 차트(4)를 도시한다. 차트(4)에서, 단지 배터리 셀들의 활성 재료들, 집전 장치들, 바인더들, 격리판들, 및 다른 불활성 재료의 중량만이 포함된다. 패키징 중량, 예컨대 탭들, 셀 캔, 등은 포함되지 않는다. 차트(4)로부터 분명한 바와 같이, 리튬 황화물을 형성하기 위해 황을 환원시키는 리튬 금속 음극 및 양극을 사용하는 리튬-황 배터리는 종래 기술보다 상당히 더 높은 비에너지를 갖는다.
상업적으로 실행가능하게 되기 위해 리튬-황 시스템에 대해 처리되어야 하는 상당한 도전 과제들이 존재한다. 중요한 도전 과제들은 주기 수명을 증가시키는 것(종래 기술은 100 내지 수백 주기들이고; 목표는 >500이고, 바람직하게는 >2000이다), 황의 활용을 증가시키는 것(전자적으로 절연되어 있는 Li2S 또는 Li2S2에 의한 양극의 패시베이션에 의해 일반적인 이용은 75% 이하이다), 양극에서 황의 질량 분율을 증가시키는 것(일반적으로 질량 분율은 50% 이하이다), 및 셀의 레이트 성능을 증가시키는 것(타깃 방전 레이트는 1C 이상이다)을 포함한다. 문헌에 기술된 몇몇 Li/S 셀들은 주기 수명, 비에너지, 및 비전력에 대한 목표들의 일부를 충족하면서, 이들 셀들 중 어느 것도 상업적 셀을 실현하기에 요구될 수 있는 문제들 모두를 적절히 처리하지 않는다.
따라서, 상기 식별된 문제들 중 하나 이상을 처리하는 고체 상태 전기 화학 셀이 필요하다.
일 실시예에 따라, 고체 상태 배터리는 제 1 캐소드와 제 1 애노드 사이에 위치된 제 1 고체 전해질 격리판을 포함하는 제 1 셀 스택, 제 1 애노드 바로 아래에 위치된 제 1 기저부를 포함하고 제 1 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 1 측면 연장부를 포함하는 제 1 기저층, 제 2 캐소드 와 제 2 애노드 사이에 위치된 제 2 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 1 기저층 아래의 제 2 셀 스택, 제 2 애노드 바로 아래에 위치된 제 2 기저부를 포함하고, 제 2 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 2 측면 연장부를 포함하는 제 2 기저층으로서, 제 2 기저부는 제 1 측면 연장부를 넘어서 측면으로 연장하는, 상기 제 2 기저층, 및 멀티플렉서로서, (ⅰ) 제 1 측면 연장부를 통해 상기 제 1 기저부와 전기적으로 연결되고, (ⅱ) 제 2 측면 연장부를 통해 상기 제 2 기저부와 전기적으로 연결되는, 상기 멀티플렉서를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리는 제 1 기저부 위에 위치되고 제 1 애노드의 제 1 측면, 제 1 캐소드의 제 2 측면, 및 제 1 격리판의 제 3 측면을 따라 연장하는 제 1 절연체, 및 제 2 기저부 위에 위치되고 제 2 애노드의 제 4 측면, 제 2 캐소드의 제 5 측면, 및 제 2 격리판의 제 6 측면을 따라 연장하는 제 2 절연체를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 배터리는 제 1 측면 연장부로부터 위쪽으로 연장하는 제 1 전도성 부재, 및 제 2 측면 연장부로부터 위쪽으로 연장하는 제 2 전도성 부재를 포함하고, 멀티플렉서는 제 1 측면 연장부 및 제 1 전도성 부재를 통해 제 1 기저부와 전기적으로 연결되고, 멀티플렉서는 제 2 측면 연장부 및 제 2 전도성 부재를 통해 제 2 기저부와 전기적으로 연결되고, 제 2 절연체는 제 1 전도성 부재와 제 2 전도성 부재 사이에 위치된다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 전도성 부재는 제 1 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분이고, 제 2 전도성 부재는 제 2 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분이다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 전도성 부재는 제 1 멀티플렉서 리드이고, 제 2 전도성 부재는 제 2 멀티플렉서 리드이다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 셀 스택은 제 1 최대 두께를 갖고, 제 2 셀 스택은 제 2 최대 두께를 갖고, 제 1 최대 두께는 제 2 최대 두께보다 크다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면은 제 1 기저부의 상부면에 수직이다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면은 제 1 기저부의 상부면에 수직이 아니다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 셀 스택은 제 2 셀 스택과 직렬로 연결된다.
일 실시예에서, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법은 제 1 캐소드와 제 1 애노드 사이에 위치된 제 1 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 1 셀 스택을 제공하는 단계, 제 1 애노드 바로 아래에 제 1 기저층의 제 1 기저부를 위치시키는 단계로서, 제 1 기저층은 제 1 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 1 측면 연장부를 포함하는, 상기 제 1 기저층의 제 1 기저부를 위치시키는 단계, 제 2 캐소드와 제 2 애노드 사이에 위치된 제 2 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 2 셀 스택을 제공하는 단계, 제 2 애노드 바로 아래에 제 2 기저층의 제 2 기저부를 위치시키는 단계로서, 제 2 기저층은 제 2 애노드를 넘어서 연장하는 제 2 측면 연장부를 포함해서, 제 2 기저부가 제 1 측면 연장부를 넘어서 측면으로 연장하는, 상기 제 2 기저층의 제 2 기저부를 위치시키는 단계, 제 1 기저부를 제 1 측면 연장부를 통해 제 1 측면 연장부 위에 위치된 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계; 및 제 2 기저부를 제 2 측면 연장부를 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하다.
하나 이상의 실시예들에서, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법은, 제 1 기저부 위에 및 제 1 애노드의 제 1 측면, 제 1 캐소드의 제 2 측면, 및 제 1 격리판의 제 3 측면을 따라 제 1 절연체를 위치시키는 단계, 및 제 2 기저부 위에 및 제 2 애노드의 제 4 측면, 제 2 캐소드의 제 5 측면, 및 제 2 격리판의 제 6 측면을 따라 제 2 절연체를 위치시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 기저부를 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 제 1 측면 연장부와 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 1 전도성 부재를 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고, 제 2 기저부를 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 제 2 기저부를 제 2 측면 연장부와 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 2 전도성 부재를 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고, 제 2 절연체를 위치시키는 단계는 제 1 전도성 부재와 제 2 전도성 부재 사이에 제 2 절연체를 위치시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 기저부를 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 제 1 기저부를 제 1 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분을 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고, 제 2 기저부를 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 제 2 기저부를 제 2 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분을 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 셀 스택을 제공하는 단계는, 제 1 셀 스택에 제 1 최대 두께를 제공하는 단계를 포함하고, 제 1 셀 스택을 제공하는 단계는 제 1 셀 스택에 제 1 최대 두께를 제공하는 단계를 포함하고, 제 1 최대 두께는 제 2 최대 두께보다 크다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 절연체를 위치시키는 단계는 제 1 기저부의 상부면에 수직인 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면의 부분들을 따라 제 1 절연체를 위치시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 절연체를 위치시키는 단계는 제 1 기저부의 상부면에 수직이 아닌 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면의 부분들을 따라 제 1 절연체를 위치시키는 단계를 포함한다
하나 이상의 실시예들에서, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법은 멀티플렉서와 함께 제 2 셀 스택과 제 1 셀 스택을 직렬로 연결하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제 1 기저부를 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 1 기저부를 제 1 측면 연장부와 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 1 멀티플렉서 리드를 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고, 제 2 기저부를 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 2 기저부를 제 2 측면 연장부와 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 2 멀티플렉서 리드를 통해 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명은 개선된 고체 상태 배터리 및 고체 상태 배터리를 형성하는 방법을 제공한다.
도 1은 다양한 비에너지들에 대해 배터리 중량과 차량 운행 범위 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도 2는 다양한 리튬-기반 셀들의 비에너지 및 에너지 밀도의 차트를 도시하는 도면.
도 3은 계단형 형태에서 오프셋 기저층들을 포함하는 바이폴라 설계를 갖는 적층형 배터리의 간략화된 횡단면도.
도 4는 덴드라이트 형성을 금지하면서 동시에 애노드들의 휨을 허용하는 열들의 형태의 고체-전해질 구성 요소들과 함께 개방 셀 미세 구조화된 화합물 격리판을 갖는 격리판을 도시하는 도 3의 셀들 중 하나의 부분적인 측면 투시도.
도 5는 각이 진 형태의 오프셋 기저층들을 포함하는 바이폴라 설계를 갖는 적층형 배터리의 단순화된 횡단면도.
도 6은 기저층들 아래로 연장하는 멀티플렉서로부터 리드들을 갖는 계단형 형태의 오프셋 기저층들을 포함하는 바이폴라 설계를 갖는 적층형 배터리의 단순화된 횡단면도.
도 2는 다양한 리튬-기반 셀들의 비에너지 및 에너지 밀도의 차트를 도시하는 도면.
도 3은 계단형 형태에서 오프셋 기저층들을 포함하는 바이폴라 설계를 갖는 적층형 배터리의 간략화된 횡단면도.
도 4는 덴드라이트 형성을 금지하면서 동시에 애노드들의 휨을 허용하는 열들의 형태의 고체-전해질 구성 요소들과 함께 개방 셀 미세 구조화된 화합물 격리판을 갖는 격리판을 도시하는 도 3의 셀들 중 하나의 부분적인 측면 투시도.
도 5는 각이 진 형태의 오프셋 기저층들을 포함하는 바이폴라 설계를 갖는 적층형 배터리의 단순화된 횡단면도.
도 6은 기저층들 아래로 연장하는 멀티플렉서로부터 리드들을 갖는 계단형 형태의 오프셋 기저층들을 포함하는 바이폴라 설계를 갖는 적층형 배터리의 단순화된 횡단면도.
본 개시의 원리들의 이해를 촉진하기 위한 목적을 위해, 도면들에 도시되고 다음에 기재된 설명에 기술된 실시예들에 대해 참조가 지금 행해질 것이다. 그에 의해 본 개시의 범위에 대한 제한이 의도되지 않는 것이 이해된다. 본 개시는 도시된 실시예들에 대한 임의의 교체들 및 변경들을 포함하고 본 개시가 속하는 기술 분야의 숙련자에게 통상 떠오르는 본 개시의 원리들의 다른 적용들을 포함한다는 것이 또한 이해된다.
도 3은 전기 화학 배터리(100)를 도시한다. 전기 화학 배터리(100)는 패키징(104) 또는 전기적으로 절연되어 있고 (선택적으로) 열전도성인 다른 주변 환경 내에서 다수의 셀들 또는 셀 스택들(102x)을 포함한다. 패키징(104)은 전기 화학 배터리(100)의 안전성을 개선한다.
셀들(102x)의 각각은 애노드(106x), 격리판(108x), 및 캐소드(110x)를 포함한다. 일반적으로 금속, 예컨대 구리이고 집적 회로 또는 멀티플렉서(114)에 대한 피드스루뿐만 아니라 집전 장치의 역할을 할 수 있는 기저층(112x)은 애노드(106x)에 인접하고 애노드(106x)와 인접한 캐소드 사이에 위치된다. 예를 들면, 기저층(1121)은 애노드(1061)와 캐소드(1102) 사이에 위치된다.
멀티플렉서(114)는 패키징(104) 내에 도시되지만, 몇몇 실시예들에서, 멀티플렉서(114)는 패키징(104) 외부에 제공된다. 멀티플렉서(114)는 전기 리드들 사이에 절연 재료를 갖는 고체-상태 디바이스일 수 있다. 셀 스택의 각각의 단자에 접촉하는 멀티플렉서의 리드들은 리드들의 각각을 통해 전류를 모니터링 및 제어하기 위해 사용된 전기 회로에 대해 셀의 상부로 연장할 수 있다.
애노드들(106x)은 리튬 금속 또는 리튬 합금 금속을 포함한다. 애노드들(106x)은 그들이 적어도 연관된 캐소드(110x)만큼의 용량, 바람직하게는 적어도 10% 초과 용량, 및 몇몇 실시예들에서 50%보다 큰 용량까지를 갖도록 제작된다.
다양한 실시예들에서 캐소드들(110x)은 황 또는 황-함유 재료(예를 들면, PAN-S 화합물 또는 Li2S); 공기 전극; Li-삽입 재료들, 예컨대 NCM, LiNi0 .5Mn1 .5O4, Li이 풍부한 계층적 산화물들, LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4; Li이 풍부한 NCM, NCA, 및 다른 Li 삽입 재료들, 또는 그의 혼합물들 또는 임의의 다른 활성 재료 또는 Li 양이온들 및/또는 전해질 음이온들과 반응 및/또는 그를 삽입하는 재료들의 혼합물을 포함한다. 캐소드들(110x)은 완전히 조밀할 수 있다. 캐소드들(110x)은 Li-전도성 폴리머, 세라믹 또는 다른 고체, 비폴리머 전해질을 포함할 수 있다. 캐소드 Li-삽입 재료들은 T. Ohtomo 외, Journal of Power Sources 233 (2013) 231-235에 기술되는 Li-삽입 재료들과 고체-전해질 사이에 이온들의 흐름을 개선하기 위해 LiNbO3와 같은 재료로 추가로 코팅될 수 있다. 캐소드들(110x)에서 고체-전해질 재료들은 리튬 전도성 가닛들, 리튬 전도성 황화물들(예를 들면, Li2S-P2S5) 또는 인산염들, Li3P, LIPON, Li-전도성 폴리머(예를 들면, PEO), 전체 내용이 여기에 참조로서 통합되는, Wiers 외, "A Solid Lithium Electrolyte via Addition of Lithium Isopropoxide to a Metal-Organic Framework with Open Metal Sites"(Journal of American Chemical Society, 2011, 133 (37), pp 14522-14525)에 의해 기술된 것과 같은 Li-전도성 금속-유기 프레임워크들, 티오-LISiCONs, Li-전도성 NaSICONs, Li10GeP2S12, 리튬 다황화인산염들, 또는 다른 고체 Li-전도성 재료를 추가로 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 고체-전해질 재료들은, 전체 내용들이 여기에 참조로서 통합된, Christensen 외, "A critical Review of Li/Air Batteries"(Journal of the Electrochemical Society 159(2) 2012)에 기술된다. 캐소드들(110x)에서 다른 재료들은 Li7 - xLa3TaxZr2 - xO12(0≤X≤2), 카본 블랙과 같은 전기적으로 전도성 첨가물들, 및 바인더 재료를 포함할 수 있다. 캐소드 재료들은 원하는 설계를 위해 충분한 전해질-캐소드 계면 면적을 허용하도록 설계된다.
몇몇 실시예들에서, 격리판들(108x)은 애노드들(106x)과 캐소드들(110x) 사이에 리튬 이온들을 전도시키면서 전자들을 차단하는 미세 구조화된 화합물 격리판들이다. 예를 들면, 도 4는 애노드(1061)에 인접한 층(120) 및 캐소드(1101)에 인접한 층(122)을 포함하는 셀(1021)의 부분적인 투시도를 도시한다. 집전 장치(124)는 또한 알루미늄으로 만들어질 수 있고 몇몇 실시예들에서 제공되는 것이 또한 도시되고, 그래파이트와 같이 전기적으로 전도성이지만 화학적으로 불활성 재료의 층에 의해 인접한 기저층(112x)으로부터 분리될 수 있다. 열들(126)의 형태의 다수의 고체-전해질 구성 요소들은 그 사이에 미세 구조 캐비티들(128)을 규정하는 층(120)과 층(122) 사이에 연장한다.
따라서, 미세 구조 화합물 격리판(108x)은 충분한 이온 수송(즉, 충분히 높은 체적 비율의 전도성 재료를 제공함으로써 및 애노드와 캐소드 사이에 구조의 두께를 제한함으로써)을 제공하고 애노드(106x)에서 리튬 덴드라이트들의 형성 및 성장을 억제하기 위해 기계적 저항성을 제공하는 규칙적으로 이격된 고체-전해질 구성 요소들(126)로 구성된다. 도 4의 실시예에서, 고체-전해질 구성 요소들(108x)은 전극들의 체적 변경을 수용하도록 가요성이다.
세 개의 열들(126)이 도 4에 도시되었지만, 다른 실시예들에서 더 많거나 더 적은 고체-전해질 구성 요소들이 존재한다. 다른 실시예들에서, 고체-전해질 구성 요소들은 다른 형태들로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 미세 구조 캐비티들(128)은 원하는 가요성을 제공하기 위해 및/또는 그와 다르게 미세 구조 화합물 격리판의 기계적 속성들을 변경하기 위해 상이한 구성물들로 채워질 수 있다. 미세 구조 화합물 격리판(108x)에 관한 더 많은 세부 사항들, 및 다른 대안적인 격리판 구성들은, 전체 내용들이 참조로서 여기에 통합되는, 2014년 8월 15일에 출원된 미국 출원 일련 번호 제 14/406,798 호에서 제공된다.
도 3의 바이폴라 설계에서 셀들(102x)을 적층함으로써, 배터리(100)의 동작 전압은 원하는 전압으로 변경될 수 있다. 예로서, 각각의 셀(102x)이 ~4 V의 동작 전압을 갖는 경우, 100 개의 셀들(102x)이 ~400 V의 동작 전압을 갖는 디바이스를 제작하기 위해 적층될 수 있다. 이러한 방식으로, 주어진 전력이 달성될 수 있으면서 셀들(102x)의 각각을 통해 낮은 전류를 전달한다. 따라서, 셀들(102x)의 배선은 작은 직경 전기 전도체들로 달성될 수 있으면서 높은 에너지 효율을 유지한다. 따라서, 배터리(100)는 5 V보다 크고, 몇몇 실시예들에서 50 V보다 큰 동작 전압을 제공한다.
도 3으로 돌아가서, 전기 화학 배터리(100)는 복수의 절연체들(130x)을 추가로 포함한다. 절연체들(130x)은 위쪽으로 연장하는 기저층(112x)으로부터 셀들(102x)을 절연시킨다. 기저층들(112x) 및 절연체들(130x)의 위쪽으로 연장하는 부분들에 대해 충분한 공간을 제공하기 위해, 셀들(102x)은 "오프셋"이다. 상기에 사용된 바와 같이, "오프셋"은 도 3에 도시되는 셀(102x)의 적어도 하나의 측면상에 연관된 애노드(106x), 격리판(108x), 및 캐소드(110x)보다 큰 측면 범위(도 3의 배향에 대하여)를 갖는다는 것을 의미한다. 예를 들면, 셀(1022)에 대한 오프셋은 오프셋(1402)으로서 식별된다.
도 3의 실시예에서 "계단-끝" 형태인 오프셋(140x)은 고전압 스택을 포함하는 셀 샌드위치들의 독립적인 모니터링 및 제어를 허용한다. 오프셋 형태에서, 각각의 셀 샌드위치 또는 셀 샌드위치들의 그룹의 양의 단자 및/또는 음의 단자는 노출되고 멀티플렉서 또는 멀티채널 회로에 의해 전기적으로 접촉될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단지 하나의 단자가 노출되고; 다른 것들에서 두 단자들이 노출되고; 또 다른 것들에서 전기적 전도성 바이폴라 플레이트가 노출된다. 바람직하게는, 스택의 형태는 오프셋이 각각의 애노드(106x), 격리판(108x), 및 캐소드(110x)의 두께(t)보다 크다.
오프셋(104x)은 측면보다 위로부터 각각의 셀(102x)에 대한 접속을 제공한다. 이러한 형태의 접속은 달성하기 쉽다. 예를 들면, 주어진 셀(102x)은 단지 2 내지 5 미크론 두께일 수 있지만, 단차들 또는 오프셋들(140x)은 10 미크론의 길이를 가질 수 있다. 100 개의 셀 샌드위치들로 구성된 셀 스택에 대하여, 오프셋들(140x)의 총 길이는 약 1 ㎜이다. 따라서, 셀 면적이 10 ㎝ x 10 ㎝인 경우, 최상부 셀 샌드위치와 최하부 셀 샌드위치 사이의 면적의 차이는 단지 1%이다. 몇몇 실시예들에서, 개별적인 셀들(102x)의 길이들에서 차이는 셀들(102x)의 각각의 총 용량이 동일하도록 상이한 두께를 갖는 전극 영역들을 제작함으로써 보상된다.
따라서, 여기에 기술된 실시예들은 개별적으로 또는 직렬 연결된 셀들의 그룹들로 셀들(102x)의 모니터링 및 제어를 제공한다. 이는, 예를 들면, 능동 및/또는 수동 셀 밸런싱뿐만 아니라 결함 있는 셀을 바이패싱하는 것을 허용한다. 능동 셀 밸린싱은 하나 이상의 셀들(102x) 또는 셀들(102x)의 그룹들을 충전하면서 동시에 하나 이상의 다른 셀들(102x) 및 셀들(102x)의 그룹들을 방전하는 것을 포함해서, 에너지가 방전된 셀들(102x)로부터 충전된 셀들(102x)로 흐른다. 수동 셀 밸런싱은 분로의 사용을 포함해서 완전히 충된되거나 완전히 방전될 것으로 생각되는 셀(102x)이 바이패스될 수 있다.
오프셋(104x)은 계단형 형태로 도시되지만, 다른 구성들이 다른 실시예들에서 사용된다. 예로서, 도 5는 패키징(204) 및 다수의 셀들(202x)을 포함하는 배터리(200)를 도시하고, 다수의 셀들의 각각은 애노드들(206x), 격리판들(208x), 캐소드들(210x), 및 기저층들(212x)을 포함하는 셀들(102x)과 실질적으로 동일하다. 셀들(202x)은 멀티플렉서(214)에 접속되고 격리판들(230x)은 셀들(202x)의 단부들에 제공된다.
셀들(102x)과 셀들(202x) 사이의 주요 차이점은 애노드들(206x), 격리판들(208x), 오프셋들(240x)에 인접한 캐소드들(210x)의 단부들은 각이 있고, 그에 의해 셀들(202x)에 대한 접속을 더 단순하게 만들 수 있는 "각이 있는" 형태를 제공한다는 것이다.
도 6은 패키징(254) 및 다수의 셀들(252x)을 포함하는 배터리(250)를 도시하고, 다수의 셀들의 각각은 애노드들(256x), 격리판들(258x), 캐소드들(260x), 및 기저층들(262x)을 포함하는 셀들(102x)과 실질적으로 동일하다. 셀들(252x)은 멀티플렉서(264)에 접속되고, 절연체들(266x)은 셀들(250x)의 단부들에 위치된다. 배터리(250)와 배터리(100) 사이의 주요 차이점은 멀티플렉서(264)가 기저층들(262x)로 아래쪽으로 연장하는 리드들(268)을 포함하는 것이다.
상기 기술된 실시예들은 직렬로 접속된 많은 셀 샌드위치들에 의해 인에이블되고 동일한 패키지 내에 포함되는 높은 동작 전압을 갖는 고체-상태 배터리, 셀, 또는 셀 스택에 제공한다. 몇몇 실시예들에서 셀 스택은 각각의 셀 샌드위치에 대해 독립적인 전기 접촉을 가능하게 하기 위해 적어도 하나의 에지상에 계단 구조를 갖는다. 따라서, 개별적인 셀 샌드위치들은 독립적으로 바이패스되거나 모니터링되고 제어될 수 있고, 수동 및 능동 셀 샌드위치 밸런싱 둘 모두가 인에이블될 수 있다.
따라서, 상기 기술된 실시예들은 직렬로 적층된 다수의 셀 샌드위치들 및 셀 스택을 둘러싸는 전기적 절연 재료 또는 매체에 의해 인에이블되거나 또는 셀 패키지로 통합되는 높은 전압을 갖는 안전한 에너지-저장 시스템을 제공한다.
몇몇 실시예들에서 오프셋 설계는 각각의 셀 샌드위치의 독립적인 모니터링 및 제어, 결함 있는 셀 샌드위치들의 바이패싱, 능동 및/또는 수동 셀 밸런싱을 인에이블한다.
본 개시는 도면들 및 전술한 기술에서 상세히 도시 및 기술되었지만, 동일물은 예시적이고 특성에서 제한적인 것이 아닌 것으로 생각되어야 한다. 바람직한 실시예들만이 제시되었고, 본 개시의 정신 내에 있는 모든 변경들, 변형들 및 다른 적용들이 보호되는 것이 요망된다는 것이 이해될 것이다.
100 : 전기 화학 배터리
102x : 셀들
104 : 패키징 106x : 애노드
108x : 격리판 110x : 캐소드
112x : 기저층 114 : 멀티플렉서
130x : 절연체들 140x : 오프셋
104 : 패키징 106x : 애노드
108x : 격리판 110x : 캐소드
112x : 기저층 114 : 멀티플렉서
130x : 절연체들 140x : 오프셋
Claims (18)
- 고체 상태 배터리에 있어서,
제 1 캐소드와 제 1 애노드 사이에 위치된 제 1 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 1 셀 스택;
상기 제 1 애노드 바로 아래에 위치된 제 1 기저부를 포함하고, 상기 제 1 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 1 측면 연장부를 포함하는 제 1 기저층;
제 2 캐소드와 제 2 애노드 사이에 위치된 제 2 고체-전해질 격리판을 포함하는 상기 제 1 기저층 아래의 제 2 셀 스택;
상기 제 2 애노드 바로 아래에 위치된 제 2 기저부를 포함하고, 상기 제 2 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 2 측면 연장부를 포함하는 제 2 기저층으로서, 상기 제 2 기저부는 상기 제 1 측면 연장부를 넘어서 측면으로 연장하는, 상기 제 2 기저층; 및
(ⅰ) 상기 제 1 측면 연장부를 통해 상기 제 1 기저부와 전기적으로 연결(electrical communication)되고, (ⅱ) 상기 제 2 측면 연장부를 통해 상기 제 2 기저부와 전기적으로 연결되는, 멀티플렉서를 포함하는, 고체 상태 배터리. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기저부 위에 위치되고 상기 제 1 애노드의 제 1 측면, 상기 제 1 캐소드의 제 2 측면, 및 상기 제 1 격리판의 제 3 측면을 따라 연장하는 제 1 절연체; 및
상기 제 2 기저부 위에 위치되고 상기 제 2 애노드의 제 4 측면, 상기 제 2 캐소드의 제 5 측면, 및 상기 제 2 격리판의 제 6 측면을 따라 연장하는 제 2 절연체를 추가로 포함하는, 고체 상태 배터리. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 측면 연장부로부터 위쪽으로 연장하는 제 1 전도성 부재; 및
상기 제 2 측면 연장부로부터 위쪽으로 연장하는 제 2 전도성 부재를 추가로 포함하고,
상기 멀티플렉서는 상기 제 1 측면 연장부 및 상기 제 1 전도성 부재를 통해 상기 제 1 기저부와 전기적으로 연결되고,
상기 멀티플렉서는 상기 제 2 측면 연장부 및 상기 제 2 전도성 부재를 통해 상기 제 2 기저부와 전기적으로 연결되고,
상기 제 2 절연체는 상기 제 1 전도성 부재와 상기 제 2 전도성 부재 사이에 위치되는, 고체 상태 배터리. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 부재는 상기 제 1 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분이고,
상기 제 2 전도성 부재는 상기 제 2 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분인, 고체 상태 배터리. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 부재는 제 1 멀티플렉서 리드이고,
상기 제 2 전도성 부재는 제 2 멀티플렉서 리드인, 고체 상태 배터리. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 셀 스택은 제 1 최대 두께를 갖고;
상기 제 2 셀 스택은 제 2 최대 두께를 갖고;
상기 제 1 최대 두께는 상기 제 2 최대 두께보다 큰, 고체 상태 배터리. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 측면, 상기 제 2 측면, 및 상기 제 3 측면은 상기 제 1 기저부의 상부면에 수직인, 고체 상태 배터리. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 측면, 상기 제 2 측면, 및 상기 제 3 측면은 상기 제 1 기저부의 상부면에 수직이 아닌, 고체 상태 배터리. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 셀 스택은 상기 제 2 셀 스택과 직렬로 연결되는, 고체 상태 배터리. - 고체 상태 배터리를 형성하는 방법에 있어서,
제 1 캐소드와 제 1 애노드 사이에 위치된 제 1 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 1 셀 스택을 제공하는 단계;
상기 제 1 애노드 바로 아래에 제 1 기저층의 제 1 기저부를 위치시키는 단계로서, 상기 제 1 기저층은 상기 제 1 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 1 측면 연장부를 포함하는, 상기 제 1 기저층의 제 1 기저부를 위치시키는 단계;
제 2 캐소드와 제 2 애노드 사이에 위치된 제 2 고체-전해질 격리판을 포함하는 제 2 셀 스택을 제공하는 단계;
상기 제 2 애노드 바로 아래에 제 2 기저층의 제 2 기저부를 위치시키는 단계로서, 상기 제 2 기저층은 상기 제 2 애노드를 넘어서 측면으로 연장하는 제 2 측면 연장부를 포함해서, 상기 제 2 기저부는 상기 제 1 측면 연장부 아래에서 상기 제 1 측면 연장부를 넘어서 측면으로 연장하는, 상기 제 2 기저층의 제 2 기저부를 위치시키는 단계;
상기 제 1 기저부를 상기 제 1 측면 연장부를 통해 상기 제 1 측면 연장부 위에 위치된 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계; 및
상기 제 2 기저부를 상기 제 2 측면 연장부를 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 기저부 위에서, 상기 제 1 애노드의 제 1 측면, 상기 제 1 캐소드의 제 2 측면, 및 상기 제 1 격리판의 제 3 측면을 따라 제 1 격리판을 위치시키는 단계; 및
상기 제 2 기저부 위에서, 상기 제 2 애노드의 제 4 측면, 상기 제 2 캐소드의 제 5 측면, 및 상기 제 2 격리판의 제 6 측면을 따라 제 2 격리판을 위치시키는 단계를 추가로 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 기저부를 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 1 기저부를 상기 제 1 측면 연장부와 상기 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 1 전도성 부재를 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 기저부를 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 2 기저부를 상기 제 2 측면 연장부와 상기 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 2 전도성 부재를 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 절연체를 위치시키는 단계는 상기 제 1 전도성 부재와 상기 제 2 전도성 부재 사이에 상기 제 2 절연체를 위치시키는 단계를 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 기저부를 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 1 기저부를 상기 제 1 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분을 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 기저부를 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 2 기저부를 상기 제 2 기저층의 위쪽으로 연장하는 부분을 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 셀 스택을 제공하는 단계는 상기 제 1 셀 스택에 제 1 최대 두께를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 셀 스택을 제공하는 단계는 상기 제 1 셀 스택에 제 1 최대 두께를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 최대 두께는 상기 제 2 최대 두께보다 큰, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 절연체를 위치시키는 단계는 상기 제 1 기저부의 상부면에 수직인 상기 제 1 측면, 상기 제 2 측면, 및 상기 제 3 측면의 부분들을 따라 상기 제 1 절연체를 위치시키는 단계를 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 절연체를 위치시키는 단계는 상기 제 1 기저부의 상부면에 수직이 아닌 상기 제 1 측면, 상기 제 2 측면, 및 상기 제 3 측면의 부분들을 따라 상기 제 1 절연체를 위치시키는 단계를 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 멀티플렉서와 함께 상기 제 2 셀 스택과 상기 제 1 셀 스택을 직렬로 연결하는 단계를 추가로 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 기저부를 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 1 기저부를 상기 제 1 측면 연장부와 상기 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 1 멀티플렉서 리드를 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 기저부를 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계는 상기 제 2 기저부를 상기 제 2 측면 연장부와 상기 멀티플렉서 사이에 연장하는 제 2 멀티플렉서 리드를 통해 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결되게 배치하는 단계를 포함하는, 고체 상태 배터리를 형성하는 방법.
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