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KR20210108453A - 전기화학 소자 및 관련 물품, 구성요소, 구성 및 방법 - Google Patents

전기화학 소자 및 관련 물품, 구성요소, 구성 및 방법 Download PDF

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KR20210108453A
KR20210108453A KR1020217023778A KR20217023778A KR20210108453A KR 20210108453 A KR20210108453 A KR 20210108453A KR 1020217023778 A KR1020217023778 A KR 1020217023778A KR 20217023778 A KR20217023778 A KR 20217023778A KR 20210108453 A KR20210108453 A KR 20210108453A
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KR
South Korea
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article
current collector
substrate
segment
electrochemical device
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KR1020217023778A
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English (en)
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마이클 지 라라미
다니엘 지 밀로바
유리 브이 미케이라이크
샤리클라 스코딜리스-켈리
셰인 하렐
Original Assignee
시온 파워 코퍼레이션
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Publication date
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Abstract

적어도 하나의 전극이 물품 및/또는 전기화학 소자의 다른 구성요소로부터 전자적으로 분리될 수 있도록 배열된 전극과 집전체를 포함하는 물품, 관련 시스템 및 방법이 제공된다. 일부 경우에, 물품은 기판의 부피 변화가 적어도 하나의 전극이 물품 및/또는 전기화학 소자의 다른 구성요소로부터 전자적으로 분리되도록 하는 기판을 포함한다. 일부 경우에, 기판을 가열하는 것은 기판의 부피 변화를 야기한다. 전극, 집전체, 히터 및/또는 센서를 포함하는 물품 및 전기화학 소자와 관련 시스템과 방법 또한 제공된다. 접힌 구성으로 배열된 전극과 집전체를 포함하는 전기화학 소자, 관련 물품, 시스템 및 방법 또한 제공된다.

Description

전기화학 소자 및 관련 물품, 구성요소, 구성 및 방법
관련 출원
본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에 "분리 가능한 전극과 관련 물품 및 방법(Isolatable Electrodes and Associated Articles and Methods)"이라는 명칭으로 2018년 12월 27일에 출원된, 미국 가출원 제 62/785,332호, "전극, 히터, 센서 및 관련 물품과 방법(Electrodes, Heaters, Sensors, and Associated Articles and Methods)"이라는 명칭으로 2018년 12월 27일에 출원된, 미국 가출원 제 62/785,335호 및 "접힌 전기화학 소자 및 관련 방법과 시스템(Folded Electrochemical Devices and Associated Methods and Systems)"이라는 명칭으로 2018년 12월 27일에 출원된, 미국 가출원 제 62/785,338호에 대한 우선권을 주장하며, 각각은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
기술분야
전기화학 소자에서 전극, 히터(heater), 센서, 집전체(current collector) 및/또는 기판의 구성에 관한 물품, 소자, 시스템 및 방법이 일반적으로 설명된다.
일반적인 배터리 또는 배터리 팩은 화학 반응에 참여하는 양극(anode) 및 음극(cathode)을 포함하는 전기화학 셀을 포함한다. 다수의 전기화학 셀을 포함하는 배터리는 일반적으로 다수의 개별 양극, 음극 및 집전체를 포함하는 적층 배열로 구성된다. 이러한 적층 구성은 제조하기 어렵거나 비경제적일 수 있으며, 적층 구성을 가진 외부 회로를 통해 외부 소자에 전원을 공급하는 것은 많은 별도의 전기적 연결의 형성을 필요로 한다. 더욱이, 일반적인 배열을 가진 다수의 전기화학 셀을 포함하는 배터리 내 개별 전극 또는 셀의(회로 단락과 같은) 문제는 초기 문제가 있는 셀로부터 다른 셀로 전체 배터리에 걸쳐 고장 전파(propagation of failure) 또는 열 폭주(thermal runaway)를 야기할 수 있으며, 이는 배터리의 성능을 빠르게 저하시킬 수 있고, 안전 위험을 생성할 수도 있다. 추가적으로, 일부 경우에, 배터리 작동 중에 온도 또는 압력의 변화를 감지할 뿐만 아니라 배터리의 온도를 유지하거나 변경하는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 개선된 물품, 장치, 시스템 및 방법이 바람직하다.
전극 및 적어도 하나의 전극이 물품의 다른 구성요소 및/또는 전기화학 소자와 전자적으로 분리될 수 있도록 배열된 집전체(current collector)를 포함하는 물품과, 관련 소자, 시스템 및 방법이 제공된다. 일부 경우에, 물품은 기판의 부피 변화로 인해 적어도 하나의 전극이 물품의 다른 구성요소 및/또는 전기화학 소자와 전자적으로 분리되는 기판을 포함한다. 어떤 경우에, 기판을 가열하는 것은 기판의 부피 변화를 일으킨다.
전극, 집전체, 히터(heater) 및/또는 센서를 포함하는 물품 및 전기화학 소자와, 관련 시스템 및 방법 또한 제공된다. 센서는, 존재 시, 온도 센서 또는 압력 센서일 수 있다. 일부 경우에, 히터 및/또는 센서는 물품 또는 전기화학 소자에 인접해있다. 어떤 경우에, 히터 및/또는 센서는 물품 또는 전기화학 소자에 통합된 박막(thin film)이다.
접힌(folded) 구성으로 배열된 전극과 집전체를 포함하는 전기화학 소자와, 관련 물품, 시스템 및 방법 또한 제공된다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 연속적인(continuous) 전극, 집전체, 분리기 및/또는 기판과 같은 하나 이상의 연속적인 구성요소를 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 (예컨대, 양극 활성 표면에 수직인 방향으로) 이방성(anisotropic) 힘을 인가하도록 구성되고 배열된다. 어떤 경우에, 전기화학 소자는 대형(oversized) 양극을 포함한다.
본 발명의 주제는, 일부 경우에, 상호 관련된 제품, 특정 문제에 대한 대안적인 해결책, 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 복수의 상이한 사용을 포함한다.
일 양태에서, 물품이 제공된다. 일부 실시예에서, 물품은 기판을 포함한다. 일부 경우에, 물품은 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트(segment)를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 물품은 집전체 도메인을 포함한다. 집전체 도메인은 개별 전극 세그먼트와 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 집전체 도메인은 복수의 집전체 세그먼트를 포함한다. 각 집전체 세그먼트는 전극 세그먼트와 전자적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 집전체 세그먼트에 대해, 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지(bridge)를 통해 집전체와 전자적으로 연결된다.
다른 양태에서, 물품이 제공된다. 일부 실시예에서, 물품은 기판을 포함한다. 일부 경우에, 물품은 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 물품은 집전체 도메인을 포함한다. 집전체 도메인은 개별 전극 세그먼트와 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 물품은, 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 집전체 버스와 전자적으로 연결되지 않도록 구성된다.
다른 양태에서, 방법이 제공된다. 일부 실시예에서, 방법은 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안 전기화학 소자의 일부인 기판의 부피를 변화시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 기판을 포함한다. 특정 경우에, 전기화학 소자는 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인을 포함한다. 일부 실시예에서, 기판의 부피를 변화시키는 것은, 적어도 부분적으로, 전극 세그먼트 중 적어도 하나와 집전체 버스 사이의 전자적 연결 손실을 유도한다.
다른 양태에서, 물품이 제공된다. 일부 실시예에서, 물품은 기판을 포함한다. 일부 경우에, 물품은 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 물품은 집전체 도메인을 포함한다. 일부 경우에, 집전체 도메인은 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함한다. 일부 경우에, 물품은 기판에 인접한 히터를 포함한다. 특정 경우에, 히터는 물품의 적어도 일부를 가열하도록 구성된다.
다른 양태에서, 물품이 제공된다. 일부 실시예에서, 물품은 기판을 포함한다. 일부 경우에, 물품은 기판의 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 물품은 집전체 도메인을 포함한다. 일부 경우에, 집전체 도메인은 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함한다. 일부 경우에, 물품은 기판에 인접한 하나 이상의 센서를 포함한다. 특정 경우에, 하나 이상의 센서는 물품의 상태에 응답하도록 구성된다.
다른 양태에서, 방법이 제공된다. 일부 실시예에서, 방법은 전기화학 소자의 일부인 히터를 사용하여 전기화학 소자의 적어도 일부를 가열하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 기판을 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 집전체 도메인을 포함한다. 일부 경우에, 집전체 도메인은 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함한다.
다른 양태에서, 방법이 제공된다. 일부 실시예에서, 방법은 전기화학 소자의 일부인 센서로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 전기화학 소자의 상태를 검출하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 기판을 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 집전체 도메인을 포함한다. 일부 경우에, 집전체 도메인은 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함한다.
다른 양태에서, 전기화학 소자가 설명된다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분을 포함한다. 일부 경우에 제 3 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분 및 제 2 양극 활성 표면 부분 모두와 반대를 향한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 제 4 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분 및 제 2 양극 활성 표면 부분 모두를 대면한다. 특정 경우에, 제 3 양극 부분은, 적어도 부분적으로, 제 1 양극 부분 및 제 4 양극 부분 사이에 위치된다. 일부 실시예에서, 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 제 2 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 제 3 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 제 4 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 분리기의 제 1 부분이 제 1 양극 부분 및 제 1 음극 부분 사이에 있고, 분리기의 제 2 부분이 제 2 양극 부분 및 제 2 음극 부분 사이에 있으며, 분리기의 제 3 부분이 제 3 양극 부분 및 제 3 음극 부분 사이에 있고, 분리기의 제 4 부분이 제 4 양극 부분 및 제 4 음극 부분 사이에 있도록 배열되는 분리기를 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안, 제 1 양극 활성 표면 부분에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 가하도록 구성되고 배열된다.
다른 양태에서, 전기화학 소자가 설명된다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 양극 부분, 복수의 음극 부분 및 사형 분리기(serpentine separator)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 이하 순서로 배열되는 다음을 포함한다: 제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분, 제 1 분리기 부분, 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분, 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분, 제 2 분리기 부분, 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분, 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분, 제 3 분리기 부분, 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분, 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분, 제 4 분리기 부분, 및 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는, 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안, 제 1 양극 활성 표면 부분에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 가하도록 구성되고 배열된다.
다른 양태에서, 전기화학 소자가 설명된다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분을 포함한다. 일부 경우에 제 3 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분 및 제 2 양극 활성 표면 부분 모두와 반대를 향한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 제 4 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분 및 제 2 양극 활성 표면 부분 모두를 대면한다. 특정 경우에, 제 3 양극 부분은, 적어도 부분적으로, 제 1 양극 부분 및 제 4 양극 부분 사이에 위치된다. 일부 실시예에서, 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 제 2 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 제 3 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분을 포함한다. 일부 경우에, 제 4 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 분리기의 제 1 부분이 제 1 양극 부분 및 제 1 음극 부분 사이에 있고, 분리기의 제 2 부분이 제 2 양극 부분 및 제 2 음극 부분 사이에 있으며, 분리기의 제 3 부분이 제 3 양극 부분 및 제 3 음극 부분 사이에 있고, 분리기의 제 4 부분이 제 4 양극 부분 및 제 4 음극 부분 사이에 있도록 배열되는 분리기를 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 전기화학 소자의 모든 음극 활성 표면의 둘레의 합으로 정의되는 누적 음극 활성 표면 둘레를 포함한다. 일부 경우에, 누적 음극 활성 표면 둘레의 적어도 60%는 양극 활성 표면에 의해 중첩된다.
다른 양태에서, 전기화학 소자가 설명된다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 양극 부분, 복수의 음극 부분 및 사형 분리기를 포함한다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 이하 순서로 배열되는 다음을 포함한다: 제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분, 제 1 분리기 부분, 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분, 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분, 제 2 분리기 부분, 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분, 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분, 제 3 분리기 부분, 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분, 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분, 제 4 분리기 부분, 및 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 전기화학 소자의 모든 음극 활성 표면의 둘레의 합으로 정의되는 누적 음극 활성 표면 둘레를 포함한다. 일부 경우에, 누적 음극 활성 표면 둘레의 적어도 60%는 양극 활성 표면에 의해 중첩된다.
본 발명의 다른 이점 및 신규한 특징은, 첨부된 도면과 함께 고려될 때 본 발명의 다양한 비제한적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 명세서와 참조로 포함된 문서가 상충 및/또는 불일치하는 개시를 포함하는 경우, 본 명세서가 우선한다.
개략적이며, 스케일에 맞게 그려지도록 의도된 것이 아닌 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 비제한적인 실시예가 예로서 설명된다. 도면에서, 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 구성요소는 일반적으로 단일 숫자로 표현된다. 명확성을 위하여, 모든 구성요소가 모든 도면에 라벨링되지는 않으며, 통상의 기술자로 하여금 발명을 이해하도록 하는 데 도면이 필수적이지 않은 도시된 발명의 각 실시예의 모든 구성요소 또한 도시되지 않는다.
도 1은 특정 실시예에 따른, 물품의 평면도(top-down view)를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 2A는 특정 실시예에 따른, 물품의 평면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 2B는 특정 실시예에 따른, 물품의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 2C는 특정 실시예에 따른, 물품의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 3은 특정 실시예에 따른, 물품의 평면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 4는 특정 실시예에 따른, 전기화학 소자의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 5는 특정 실시예에 따른, 물품의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 6A는 특정 실시예에 따른, 전기화학 소자의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 6B는 특정 실시예에 따른, 전기화학 소자의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 7A는 특정 실시예에 따른, 물품의 일부의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 7B는 특정 실시예에 따른, 물품의 일부의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 8A는 특정 실시예에 따른, 물품의 일부의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 8B는 실시예의 일 세트에 따른, 물품의 일부의 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 9A는 특정 실시예에 따른, 부분적으로 펼쳐진(unfolded) 전기화학 소자의 일부의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 9B는 실시예의 일 세트에 따른, 접힌(folded) 전기화학 소자의 일부의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 10A는 특정 실시예에 따른, 부분적으로 펼쳐진 전기화학 소자의 일부의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 10B는 특정 실시예에 따른, 접힌 전기화학 소자의 일부의 횡단면 측면도를 도시하는 예시적인 개략도이다.
도 11A 내지 11B는 특정 실시예에 따른, 음극 활성 표면 및 음극 활성 표면 둘레를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 12는 특정 실시예에 따른, 음극 활성 표면 및 음극 활성 표면 둘레의 적어도 일부와 중첩하는 양극 활성 표면을 나타내는 개략도를 도시한다.
전극, 및 적어도 하나의 전극이 물품 및/또는 전기화학 소자의 다른 구성요소와 전자적으로 분리될 수 있도록 배열된 집전체를 포함하는 물품과 관련 소자, 시스템 및 방법이 제공된다. 일부 경우에, 물품은 기판(예컨대, 중합체 물질), 집전체 버스 및 기판에 인접하고 집전체 버스와 전자적으로 연결된 복수의 개별 전극 세그먼트(예컨대, 리튬 및/또는 리튬 합금과 같은 전극 활성 물질을 포함함)를 포함한다. 전극 세그먼트 중 적어도 일부는 기판의 부피 변화에 적어도 부분적으로 기인하여 집전체로부터 전자적으로 분리될 수 있다. 기판의 부피를 변화시키는 것은, 특정 경우에, 물품을 가열(예컨대, 기판의 열-유도 팽창 또는 수축을 유발)하여, 전극(예컨대, 단락 회로의 일부와 같은 문제가 있는 전극)을 전자적으로 분리하는 단순하고 경제적인 방식을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 물품의 구성은 집전체 버스와 전자적으로 연결된 개별적인 집전체 세그먼트 및 집전체 브릿지(bridge) 및/또는 연속적인(continuous) 구성요소(예컨대, 연속적인 기판 및/또는 연속적인 집전체 버스)의 사용을 포함할 수 있다. 물품은, 특정 실시예에서, 기판에 인접한 히터(heater) 및/또는 센서(예컨대, 온도 센서 또는 압력 센서)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 물품은, 전기화학 소자(예컨대, 재충전 가능한 리튬 배터리와 같은 다중 셀 배터리)에 포함될 때 유용할 수 있다. 물품은, 특정 실시예에서, 기판에 인접한 히터 및/또는 센서(예컨대, 온도 센서 또는 압력 센서)를 포함할 수 있다.
특정 경우에, 전기화학 소자(및 여기에 포함된 물품)는 접힌(folded) 구성으로 배열될 수 있고, 복잡하고/하거나 비싼 제조 절차 없이 제작될 수 있다. 이러한 일부 경우에, 접힌(또는 접을 수 있는(foldable)) 전기화학 소자는 전기화학 소자의 일부분(예컨대, 양극 활성 표면 부분)에 수직인 구성요소에 이방성(anisotropic) 힘을 인가(예컨대, 충전 및/또는 방전 동안 시간의 적어도 한 주기 동안에)하도록 구성되고 배열된다. 특정 경우에, 특정 양극 활성 물질(예컨대, 리튬 또는 리튬 합금)과 관련된 문제를 완화하도록 양극 및 음극의 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, "대형(oversized)" 양극을 포함하는 접힌 전기화학 소자가 제공된다.
복수의 양극 및 음극을 포함하는 다중 셀 배터리의 일반적인 문제는, 문제가 있는 전극이 배터리 전체에 심각한 손상을 유발하기 전에, 전체 전기 회로에서 문제가 있는 전극을 제거하는 것이다. 전극이 문제가 될 수 있는 한 가지 방법은 (예컨대, 전극이 단락 회로에 속함으로 인하여) 너무 높은 온도에 도달할 때이다. 이러한 문제가 있는 전극은 (예컨대, 리튬 배터리의 경우) 배터리의 성능을 저하시키고 열 폭주(thermal runaway)와 같은 안전 위험을 일으킬 수 있다. 따라서 전극이 복잡하고 비싼 회로, 배치 및/또는 제조 과정 없이 단순하고 쉽게 전자적으로 분리(예컨대, 특정 온도에 도달할 때)될 수 있는 전기화학 소자가 바람직하다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에 따라, 본 명세서에서 설명된 물품, 시스템 및 방법은 집전체(예컨대, 집전체 버스) 및/또는 다른 구성요소로부터 전극을 전자적으로 분리하기 위한 단순하고, 경제적이며, 효과적인 방법을 제공한다. 예를 들어, 물품을 기판에 인접한 복수의 개별적인 전극 세그먼트 및 집전체 버스와 배열하는 것은, 일부 경우에, 기판의 부피 변화(예컨대, 기판 부피의 열-유도 변화)로, 개별적인 전극 세그먼트 중 적어도 하나를 집전체 버스로부터 전자적으로 분리하도록 하여, 시스템으로부터 전극 세그먼트를 분리시킬 수 있게 한다.
일반적인 배터리는 적층 구조로 구성되어있고 이에 따라 신중하고 비싸며 종종 낭비적인 제조 및 배열 단계가 필요한 반면, 본 명세서에서 설명되는 물품 및 전기화학 소자는, 특정 경우에, 연속적인 기판, 전극, 집전체 및/또는 분리기와 같은 특정한 연속적인 구성요소로 배열되고 구성될 수 있다. 일부 그러한 연속적인 구성요소의 사용은 배터리에 대한 비용 및 제조 시간을 줄이고 기능을 개선할 수 있는 구조를 제공할 수 있다. 예를 들어, 복수의 개별 전극은 연속적인 집전체 버스와 전자적으로 연결됨에 따라, 전자적으로 분리 가능한 전극을 갖는 물품에 대한 단순한 설계를 제공할 수 있다. 추가적으로, 연속적인 구성요소를 갖는 배터리는, 일부 경우에, 적층되는 대신 접히도록 배열될 수 있으며, 이는 제조를 가속하고, 비용을 줄이며, 공차(tolerance)를 줄일 수 있다. 일부 경우에, 이방성 힘이 본 명세서에서 설명되는 접힌 전기화학 소자에 인가될 수 있다. 추가적으로, 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 상대적으로 높은 비율의 음극 활성 표면의 누적된 둘레가 양극에 의해 중첩되도록 접힌 전기화학 소자의 전극이 배열되고 구성되며, 이는, 일부 경우에, 접힌 전기화학 소자 작동 중 과잉 사용(over-utilization) 또는 고르지 않은(uneven) 사용과 같은 특정 문제를 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 전극, 기판, 집전체 및 관련 구성요소의 구성과 관련된 물품, 소자, 시스템 및 방법이 일반적으로 설명된다. 도 1은 실시예의 일 세트에 따른 물품(100)의 개략도를 포함한다. 물품은, 특정 경우에, 전기화학 소자 내 구성요소로 사용될 수 있다. 물품은 발명의 구성에서 기판, 전극 및/또는 집전체 도메인과 같은 다수의 구성요소를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 물품은 기판을 포함한다. 도 1을 다시 참조하면, 일부 실시예에서, 물품(100)은 기판(120)을 포함한다. 일부 실시예에서, 전극, 집전체 등과 같은 물품의 다른 구성요소가 기판 위에 배치될 수 있다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 기판은 부피 변화를 겪을 수 있는 물질과 같은 임의의 다양한 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 기판은 박막(thin film)(예컨대, 중합체 박막 또는 세라믹 박막)이다. 기판은 모놀리식(monolithic) 물질일 수 있거나 또는 기판은 다중 층의 복합물일 수 있다. 특정 실시예에서, 기판은 적어도 하나의 전자적으로 비전도성인 도메인 또는 층을 포함할 수 있다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 기판은 플렉서블(flexible)(예컨대, 상당한 손상을 겪지 않고 접힐 수 있는 충분한 유연성을 갖는)할 수 있다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 기판은 릴리즈(release) 층이거나 이를 포함한다. 예를 들어, 도 1의 기판(120)은, 특정 실시예에 따라, 릴리즈 층이다.
일부 실시예에서, 물품은 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함한다. 도 1에 나타난 바와 같이, 물품(100)은 기판(120)에 인접한 복수의 개별적인 전극 세그먼트(130)를 포함한다. 전극 세그먼트는 (예컨대, 증착 또는 코팅 공정을 통하여) 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 기판과 인접한 전극 세그먼트 사이에 하나 이상의 개재(intervening)층이 있을 수 있다. 기판에 인접한 복수의 개별 전극 세그먼트는 (예컨대, 조밀하고 에너지 밀도가 높은 설계를 수반하는 실시예에서) 기판의 상대적으로 작은 간격 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 복수의 개별 전극 세그먼트 각각은 기판의 5.0mm 이내, 3.0mm 이내, 2.0mm 이내, 1.0mm 이내, 0.5mm 이내, 0.3mm 이내, 0.2mm 이내, 0.1mm 이내 또는 그 미만일 수 있다. 일부 실시예에서 복수의 개별 전극 세그먼트 각각은 양극이고, 일부 실시예에서 복수의 개별 전극 세그먼트 각각은 음극이다. 특정 실시예에서, 복수의 개별 전극은 음극과 양극을 모두 포함한다.
일부 실시예에서, 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전극 활성 물질(electrode active material)"은 전극과 관련된 임의의 전기화학적 활성 종을 지칭한다. 예를 들어, "음극 활성 물질"은 음극과 관련된 임의의 전기화학적 활성 종을 지칭하고, "양극 활성 물질"은 양극과 관련된 임의의 전기화학적 활성 종을 지칭한다. 일부 실시예에서, 전극 세그먼트는 전극 활성 물질로서(예를 들어, 양극 활성 물질로서) 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함한다. 적합한 음극 활성 물질 및 양극 활성 물질은 아래에서 더 충분히 설명된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 앞서 언급된 복수의 개별 전극 세그먼트와 관련된 용어 "개별(discrete)"의 사용은, 복수의 개별 전극 세그먼트 중 다른 전극 세그먼트와 구별되고 공간적으로 분리된 복수의 개별 전극 세그먼트 중 각각의 전극 세그먼트를 지칭한다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 복수의 개별 전극 세그먼트(130)는 전극 세그먼트(130a) 및 전극 세그먼트(130b)를 포함하고, 전극 세그먼트(130a)는 전극 세그먼트(130b)와 구별되고 공간적으로 분리된다. 일부 실시예에서, 전극 활성 물질을 포함하는 영역을 통하여 세그먼트가 서로 연결되지 않도록, 개별 전극 세그먼트가 배열된다. 일부 경우에, 본 명세서에 설명된 물품이 전기화학 소자(예컨대, 배터리와 같이, 전해질이 로딩될 때 하나 이상의 전기화학 셀을 포함하는 소자)의 일부로 사용될 때, 심지어, 예를 들어 물품이 접힌 경우 또는 접힌 때에도, 2개의 개별 전극 세그먼트가 서로 직접 물리적인 접촉을 하지 않는다. 또한, 임의의 2개의 개별 전극 세그먼트 사이의 임의의 전기적 연결은, 물품의 집전체 도메인과 같은, 연결된 전극 세그먼트 이외의 적어도 하나의 다른 구성요소를 통한 전자의 수송을 수반한다. 특정 실시예에 따라, 물품이 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함하도록 하는 것은, 복수의 비개별(non-discrete) 전극 세그먼트와 반대로, 특정 경우에, 개개의 전극 세그먼트가, 다른 전극 세그먼트 및/또는 집전체 버스와 같은, 물품의 다른 구성요소와 분리될 수 있게 한다(아래에서 더 충분히 설명됨).
일부 실시예에서, 물품은 집전체 도메인을 포함한다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 특정 실시예에 따른 물품(100)은 기판(120)에 인접한 집전체 도메인(125)을 포함한다. 집전체 도메인은 (예컨대, 물품이 배터리와 같은 전기화학 소자의 일부로 사용될 때) 복수의 개별 전극 세그먼트에 의해 생성된 전류를 수집할 수 있고, 외부 회로로 이어지는 전기적 접촉의 부착을 위한 효율적인 표면을 제공할 수 있다. 이와 같이, 집전체 도메인은 일반적으로 전자 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어, 집전체 도메인은 알루미늄, 구리, 크롬, 스테인리스 스틸 및 니켈과 같은 하나 이상의 전도성 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 집전체는 구리 금속 층을 포함한다. 일부 예에서, 집전체 도메인은 복수의 개별 전극 세그먼트의 각각의 전극 세그먼트를 전자적으로 분리(예컨대, 기판의 부피 변화로 인한)하는 데 유용한 다수의 하위 도메인(subdomain) 또는 하위 구조(substructure), 배열 및/또는 구성을 포함한다. 예를 들어, 집전체 도메인은, 아래에서 더 충분히 설명되는 바와 같이, 집전체 세그먼트 및/또는 집전체 브릿지를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 집전체 도메인은 집전체 버스를 포함한다. 도 1은 특정 실시예에 따른, 집전체 버스(121)를 포함하는 집전체 도메인(125)을 도시한다. 일부 경우에, 집전체 도메인은 (특정 실시예에 따라 도 1에 도시된 경우와 같이) 전체가 집전체 버스로 만들어지는 반면, 특정 경우에는 집전체 도메인은 집전체 버스 외에 다른 구조를 포함한다. 집전체 버스는 (예컨대, 배터리와 같은 전기화학 소자의 경우에서) 외부 회로와의 전기적 접촉이 형성되는 집전체 도메인의 구조일 수 있다. 특정 경우에, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 집전체 버스는 연속적이다.
일부 실시예에서, 집전체 버스는 (예컨대, 복수의 개별 전극 세그먼트 중) 개별 전극 세그먼트와 전자적으로 연결된다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 물품(100)은 복수의 개별 전극 세그먼트(130) 및 집전체 버스(121)를 포함하는 집전체 도메인(125)을 포함하고, 특정 실시예에 따라, 집전체 버스(121)는 복수의 개별 전극 세그먼트(130)와 전자적으로 연결된다. 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결은 전극 세그먼트에서 생성된 전류가 외부 회로와의 전자적 접촉이 있을 수 있는 집전체 버스로 흐르도록 할 수 있다. 전자적 연결은, 특정 경우에, 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 직접 물리적 접촉에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 복수의 개별 전극 세그먼트(130)의 개별 전극 세그먼트는, 특정 실시예에 따라, 집전체 버스(121)에 직접 물리적 접촉 및 결과적으로 전자적으로 연결된다. 그러나, 일부 경우에, 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결은, 아래에서 더 충분히 설명되는 바와 같이, 집전체 도메인의 하나 이상의 추가적인 개재 구조를 통해 일어날 수 있다.
일부 경우에, 집전체 버스와 복수의 개별 전극 세그먼트 중 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트 사이의 전자적 연결의 손실이 발생할 수 있다. 이러한 전자적 연결의 손실은 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트가 집전체 버스, 집전체 버스로와의 전자적 연결을 잃지 않은 다른 개별 전극 세그먼트 및/또는 외부 전자 회로의 구성요소(예컨대, 배터리와 같은 전기화학 소자의 다른 구성요소)로부터 분리되도록 할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 특정 전극 세그먼트의 분리는, 예를 들어 전기화학 소자가 적절한 성능으로 충전 및/또는 방전을 계속하도록 하면서, 전체 회로에서 문제가 있는 전극을 제거하는 데 유용할 수 있다.
일부 실시예는 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안 전기화학 소자의 일부인 기판의 부피를 변화시키는 것을 포함한다. 전기화학 소자는 본 명세서에서 설명되는 기판을 포함하는 본 명세서에서 설명되는 물품을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 기판의 부피를 변화시키는 것은, 적어도 부분적으로, 적어도 하나의 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실을 유도한다. 예를 들어, 다시 도 1을 참조하면, 일부 경우에, 물품(100)을 포함하는 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안 물품(100)의 기판(120)의 부피를 변화시키는 것은, 특정 실시예에 따라, 적어도 부분적으로, 개별 전극 세그먼트(130a)와 집전체 버스(121) 사이의 전자적 연결의 손실을 유도한다. 이러한 방식으로, 기판의 부피를 변화시키는 것은 충전 및/또는 방전 주기 동안 특정 개별 전극 세그먼트를 (예컨대, 안전상의 이유로) 전자적으로 분리하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 기판의 부피를 변화시키는 것은 기판의 부피를 증가시키는 것을 포함한다. 예로서 그리고 특정 실시예에 따라, 도 1에서, 집전체 버스(121)는 기판(120) 상에 코팅된 전도성 금속(예컨대, 구리) 층이고, 복수의 개별 전극 세그먼트(130)는 집전체 버스(121)와 직접 물리적으로 접촉하고 있는 전극 활성 물질(예컨대, 리튬 및/또는 리튬 합금)을 포함하는 개별 층을 포함한다. 기판(120)의 부피가 증가(예컨대, 팽창)하면, 복수의 개별 전극 세그먼트(130) 중 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트(예컨대, 개별 전극 세그먼트(130a))는, 적어도 부분적으로, 기판의 볼륨 증가로 인해(예컨대, 간격의 형성 및 결과적으로 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스(121) 사이의 직접 물리적 접촉의 손실로 인해) 집전체 버스(121)와의 전자적 연결을 잃을 수 있다.
일부 실시예에서, 기판의 부피를 변화시키는 것은 기판의 부피를 감소시키는 것을 포함한다. 예로서 그리고 특정 실시예에 따라, 도 1에서, 집전체 버스(121)는 기판(120) 상에 코팅된 전도성 금속(예컨대, 구리) 층이고, 복수의 개별 전극 세그먼트(130)는 집전체 버스(121)와 직접 물리적으로 접촉하고 있는 전극 활성 물질(예컨대, 리튬 및/또는 리튬 합금)을 포함하는 개별 층을 포함한다. 기판(120)의 부피가 감소(예컨대, 수축/응축)하면, 복수의 개별 전극 세그먼트(130) 중 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트(예컨대, 개별 전극 세그먼트(130a))는, 적어도 부분적으로, 기판의 볼륨 감소로 인해(예컨대, 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트의 박리(delamination) 및 결과적으로 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스(121) 사이의 직접 물리적 접촉의 손실로 인해) 집전체 버스(121)와의 전자적 연결을 잃을 수 있다.
일부 경우에, 기판의 부피를 변화시키는 것은 기판을 가열하는 것을 포함한다. 다시 말해, 기판의 부피의 변화는, 적어도 부분적으로, 기판의 열 팽창 또는 수축으로 인해 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 기판(120)(또는 기판의 일부)을 가열하는 것은 기판(120)의 부피 변화를 일으킨다. 특정 경우에, 기판을 가열하는 것은 히터로부터 열을 가하는 것을 포함할 수 있고, 아래에서 더 충분히 설명되는 바와 같이, 히터는 물품 외부의 구성요소 또는 물품 내에 통합된 구성요소일 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 기판을 가열하는 것은 충전 및/또는 방전으로 인해 열이 생성되도록 전기화학 소자를 충전 및/또는 방전하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 경우에, 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트와 전기화학 소자의 다른 구성요소 사이의 단락 회로가 발생하여, 가열 및 결과적으로 기판의 부피를 변화시키는 저항성 가열을 일으킬 수 있다.
일부 경우에, 본 명세서에서 설명된 물품 또는 전기화학 소자의 구성요소를 가열하는 것은 구성요소(예컨대, 개별 전극 세그먼트의 일부 또는 집전체 버스의 일부)의 용해 또는 열 충격으로 인해 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결을 잃게 할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 현상이 기판을 가열하는 동안 일부 경우에 발생할 수 있는 반면, 본 명세서에 설명되는 실시예는 적어도 부분적으로 기판의 부피 변화로 인한 전자적 연결의 손실을 포함한다. 기판의 부피 변화로 인한 전자적 연결 손실의 비제한적인 원인은 아래에서 더 자세히 설명된다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 물품은, 물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때, 적어도 하나의 전극 세그먼트가, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 더 이상 집전체 버스와 전자적으로 연결되지 않도록 구성된다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 일부 실시예에 따라, 물품(100)은, 물품(100)이 임계 온도에 도달할 때, 복수의 개별 전극 세그먼트(130) 중 적어도 하나의 전극 세그먼트(예컨대, 개별 전극 세그먼트(130a))가, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 더 이상 집전체 버스(121)와 전자적으로 연결되지 않도록 구성된다. 비제한적인 예로서, 일부 경우에, 임계 온도는 65°C이다. 이러한 경우, (예를 들어, 외부 열원 및/또는 전기화학 소자의 단락으로 인해) 물품의 온도가 증가하여, 온도가 65°C에 도달하면, 전극 세그먼트 중 적어도 하나는, 적어도 부분적으로, 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 집전체 버스와 전자적으로 분리될 것이다.
물품은, 예를 들어 기판과 같은 특정 구성요소를 상대적으로 큰 크기를 갖는 열팽창 계수를 갖는 하나 이상의 물질을 포함하도록 선택함으로써 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 개별 전극 세그먼트 중 하나와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실을 겪도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물품의 둘 이상의 구성요소(예컨대, 기판 및 집전체 도메인의 하나 이상의 구조) 사이의 열 팽창 계수가 불일치하도록 구성하여, 둘 이상의 구성요소가 가열 과정 동안 상이한 비율로 팽창하여 구성요소의 기계적 손상 및 이에 따른 전자적 연결의 손실을 일으키도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때 전극 세그먼트의 적어도 하나와 집전체 도메인 사이의 전자적 연결의 손실을 겪을 수 있는 물품의 일 예시적 구성은 아래에서 더 상세하게 설명된다.
일부 실시예에서, 개별 전극 세그먼트와 집전체 도메인 사이의 전자적 연결의 손실이 일어나는 임계 온도는 물품의 구성요소(예컨대, 기판, 전극 세그먼트, 집전체 도메인 등)에 사용되는 물질뿐만 아니라, 구성요소의 형상(geometry) 및 치수에 따라 달라진다는 것을 이해하여야 한다. 임계 온도는 본 명세서에서 또는 다른 곳에서 설명되는 전자적 연결의 손실이 발생하는 절대 온도이다. 여기서 고려되는 임계 온도는 주변 온도(예컨대, 물품 및/또는 물품을 전기화학 소자가 위치하는 주변 또는 환경의 온도)가 아니라, 물품의 하나 이상의 구성요소의 온도를 지칭하는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시예에서, 임계 온도는 물품의 기판의 온도이다. 일부 실시예에서, 임계 온도는 집전체 도메인의 온도이다. 일부 실시예에서, 임계 온도는 복수의 개별 전극 세그먼트 중 적어도 하나의 온도이다.
일부 실시예에서, 물품은, 임계 온도 변화를 겪는 동안 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해 적어도 하나의 전극 세그먼트가 더 이상 집전체 버스에 연결되지 않도록 구성된다. 임계 온도 변화는 물품에 내부 기계적 압력(예컨대, 압축, 장력, 전단, 굽힘, 비틀림 등)이 없는 특정 초기 온도에 상대적이다.
앞서 언급한 바와 같이, 특정 경우에, 집전체 도메인은 특정 조건(예컨대, 기판의 열-유도 부피 변화) 하에 하나 이상의 개별 전극 세그먼트를 전자적으로 분리시키는 데 유용할 수 있는 다수의 하위 구조를 포함한다.
일부 실시예에서, 집전체 도메인은 복수의 집전체 세그먼트를 포함한다. 예를 들어, 도 2A는 집전체 도메인(125)을 포함하는 물품(100)을 도시하고, 여기서 집전체 도메인(125)은 집전체 버스에 추가하여 집전체 세그먼트(122)를 포함하는 복수의 집전체 세그먼트를 포함한다. 집전체 도메인의 다른 구조의 경우와 같이, 집전체 세그먼트는 전자 전도성 금속(예컨대, 구리)과 같은 전자 전도성 물질을 포함하고/하거나 그러한 물질로 만들어진다. 집전체 세그먼트는, 예를 들어, 아래 설명되는 바와 같이, 기판(예컨대, 릴리즈 층) 상에 전자 전도성 물질의 패턴화된 증착(예컨대, 막(film)으로서)을 수행하여 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 집전체 세그먼트는 보이드(void) 또는 간극(gap)에 의해 분리된다. 예를 들어, 도 2A에서, 집전체 세그먼트(122)는 전도성 물질 내 보이드(일부 경우에, 기판(120)의 일부를 노출시키는 보이드)에 의해 가장 가까운 이웃하는 집전체 세그먼트와 분리된다. 집전체 세그먼트 사이의 보이드 또는 간극의 존재는 특정 조건(예컨대, 기판의 열-유도 부피 변화) 하에 집전체 세그먼트가 서로 전자적으로 분리될 수 있도록 한다.
일부 실시예에서, 각각의 집전체 세그먼트는 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된다. 도 2A를 다시 참조하면, 물품(100)은 개별 전극 세그먼트(130a)를 포함하는 복수의 개별 전극 세그먼트(130)와 집전체 세그먼트(122)를 포함하는 복수의 집전체 세그먼트를 포함하고, 집전체 세그먼트(122)는 개별 전극 세그먼트(130a)에 전자적으로 연결된다. 집전체 세그먼트와 전극 세그먼트 사이의 전자적 연결은 전극 세그먼트에서 생성된 전류가 집전체 세그먼트로 흐르도록 할 수 있고, 이는 집전체 버스와 같은 집전체 도메인의 다른 구성요소와 전자적으로 연결할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 집전체 세그먼트에 대하여, 집전체 세그먼트는, 집전체 세그먼트가 전자적으로 연결된 전극 세그먼트와 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치된다. 도 2B는 예시적인 물품(100)의 측면도를 도시하며, 여기서 집전체 세그먼트(122)는, 적어도 부분적으로, 전극 세그먼트(130a)와 기판(120) 사이에 배치된다. 이러한 구성은, 집전체 세그먼트와 반대 방향을 향하는 전극 세그먼트의 상대적으로 넓은 활성 표면이 전기화학 소자와 같은 응용에서 사용할 수 있도록 남겨두면서, 전극 세그먼트와 집전체 세그먼트 사이의 상대적으로 넓은 접촉 면적을 허용할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는, 용어 "활성 표면(active surface)"은 물품이 전기화학 셀의 일부일 때 전해질과 물리적으로 접촉할 수 있고 전기화학 반응이 일어날 수 있는 전극의 표면을 설명하는 데 사용된다. 전극 세그먼트와 집전체 세그먼트 사이에 상대적으로 넓은 접촉 면적을 갖는 것은 전극 세그먼트에서 생성되는 전류의 집전체 도메인으로의 효율적인 수송을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 각각의 집전체 세그먼트에 대하여, 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지를 통해 집전체 버스에 전자적으로 연결된다. 다시 말해, 일부 실시예에서, 집전체 세그먼트로부터 집전체 버스로의 전류의 임의의 흐름 경로는 적어도 하나의 집전체 버스를 통과해야 한다. 집전체 브릿지는 적어도 부분적으로 집전체 세그먼트와 집전체 버스 사이에 배치된 집전체 도메인의 하위 구조이다. 도 2A는 집전체 브릿지(123)를 포함하는 복수의 집전체 브릿지를 도시한다. 집전체 브릿지(123)는 집전체 세그먼트(122)와 집전체 버스(121) 사이에 배치된다. 도 2B는 예시적인 물품(100)의 절단면 측면도를 나타내며, 여기서 집전체 브릿지(123)는 집전체 세그먼트(122)와 집전체 버스(121) 사이에 배치된다. 특정 실시예에 따라, 집전체 세그먼트(122)는 집전체 브릿지(123)를 통해 집전체 버스(121)에 전자적으로 연결된다. 집전체 브릿지는 전자 전도성 물질(예컨대, 구리와 같은 전자 전도성 금속)을 포함할 수 있다. 집전체 세그먼트의 경우와 같이, 예를 들어, 집전체 브릿지는 기판(예컨대, 릴리즈 층) 상에 전자 전도성 물질의 패턴화된 증착(예컨대, 막으로)을 수행하여 만들어질 수 있다. 일부 경우에, 집전체 브릿지는 아래에서 설명되는 바와 같이 상대적으로 얇은 두께를 갖는다. 일부 경우에, 각각의 집전체 브릿지는 집전체 브릿지 뿐만 아니라 관련된 집전체 세그먼트와 직접 물리적 접촉을 할 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, 다른 개재 물질(예컨대, 전자 전도성 물질) 또는 구조가 적어도 부분적으로 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트 및/또는 집전체 버스 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 개별 전극 세그먼트 중 각각의 개별 전극 세그먼트의 경우, 개별 전극 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통하여 집전체 버스와 전자적으로 연결된다. 다시 말해, 특정 실시예에서, 복수의 개별 전극 세그먼트 중 개별 전극 세그먼트에서 생성된 전류의 집전체 버스로 임의의 흐름 경로는 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통과하여야 한다. 예를 들어, 도 2A 및 2B를 다시 참조하면, 특정 실시예에 따라, 개별 전극 세그먼트(130a)에서 생성(예컨대, 전기화학 셀의 방전 동안)된 전류의 집전체 버스(121)로 임의의 흐름 경로는 집전체 세그먼트(122)를 통과하여야 한다. 일부 경우에, 물품은, 개별 전극 세그먼트에서 생성된 전류의 임의의 흐름 경로는, 개별 전극과 관련된 적어도 하나의 집전체 세그먼트 및 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 전자적으로 연결하는 집전체 브릿지 모두를 반드시 통과하도록 구성된다. 예를 들어, 도 2A 및 도 2B를 참조하면, 특정 실시예에 따라, 개별 전극 세그먼트(130a)에서 생성된 전류의 집전체 버스(121)로 흐름은 개별 전극 세그먼트(130a)로부터 집전체 세그먼트(122)로의 전하 수송, 집전체 세그먼트(122)로부터 집전체 브릿지(123)로의 전하 수송, 및 마지막으로 집전체 브릿지(123)로부터 집전체 버스(121)로의 전하 수송을 포함하여야 한다. 본 명세서에서 설명되는, 각각 집전체 버스에 전자적으로 연결되지만 예를 들어 보이드(또는 간극)로 분리되는, 개별 전극 세그먼트, 집전체 세그먼트 및 집전체 브릿지를 포함하는 물품의 일부 이러한 구조는 (예컨대, 기판의 부피를 변화 및 이로 인한 개별 전극 세그먼트와 관련된 집전체 브릿지를 끊음으로써) 각각의 개별 전극 세그먼트의 편리한 전자적 분리를 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 기판의 부피를 변화시키는 것은, 적어도 부분적으로, 적어도 하나의 집전체 브릿지가, 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 연결하지 않도록 한다. 집전체 세그먼트와 집전체 버스 사이의 이러한 전자적 연결 손실은, 그 집전체 세그먼트와 관련된 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 연결 손실을 야기할 수 있고, 이로 인해 전극 세그먼트를 전자적으로 분리시킨다. 예를 들어, 도 2A를 참조하면, 기판(120)의 부피를 변화시키는 것은, 적어도 부분적으로, 집전체 브릿지(123)가, 집전체 세그먼트(122)를 집전체 버스(121)와 더 이상 연결하지 않도록 하여, 이로 인해 개별 전극 세그먼트(130a)를 전자적으로 분리시킨다. 기판의 부피 변화는, 예를 들어, 집전체 브릿지의 기계적 손상(예컨대, 집전체 브릿지의 극한 인장(ultimate tensile) 또는 압축 손상으로 인한 파괴(fracturing)) 또는 집전체 세그먼트와 집전체 버스 중 하나 또는 모두로부터 집전체 브릿지의 물리적 분리(예컨대, 박리를 통하여)를 통하여, 집전체 브릿지가 더 이상 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 연결하지 않도록 할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 일부 경우에, 기판의 부피를 변화시키는 것은 기판을 가열하는 것(예컨대, 기판을 포함하는 물품을 포함하는 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안 임계 온도에 도달하도록 기판을 가열)을 포함한다. 일부 실시예에서, 기판의 열-유도 부피 변화는 기판의 부피의 증가이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기판은 (예컨대, 임계 온도에서) 양의(positive) 열팽창 계수를 가지며, 기판을 가열하는 것은 기판의 열팽창을 야기한다. 예컨대, 일부 실시예에서, 기판(120)은 양의 열팽창 계수를 갖는 물질을 포함하고, 기판(120)을 가열하는 것은 기판(120)의 부피의 증가를 야기한다. 그러나, 일부 실시예에서, 기판의 열-유도 부피 변화는 기판의 부피의 감소이다. 예를 들어, 일부 경우에, 기판은 임계 온도에서 음의(negative) 열팽창 계수를 갖는다. 예를 들어, 특정 실시예에 따라, 기판(120)은 음의 열팽창 계수를 갖는 물질(예컨대, 임계 온도에서)을 포함하고, 기판(120)을 가열하는 것은 기판(120)의 부피의 감소를 야기한다. 특정 경우에, 기판은 열-수축성 막을 포함한다. 일부 경우에, 기판은 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)과 같은 중합체 물질을 포함한다.
일부 실시예에서, 물품은 물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 적어도 하나의 집전체 브릿지가 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 연결하지 않도록 구성된다. 도 2A를 참조하면, 물품이 특정 임계 온도에 도달할 때, 집전체 브릿지(123)는 집전체 세그먼트(122)를 집전체 버스(121)와 더 이상 전자적으로 연결하지 않는다. 이러한 구성은 개별 전극 세그먼트를 전자적으로 분리하는 데 유용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 물품은 물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 변화로 인해, 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트가 더 이상 집전체 버스와 전자적으로 연결되지 않도록 구성된다. 도 2B를 참조하면, 특정 실시예에서, 전극 세그먼트(130a)는 집전체 세그먼트(122)와 집전체 브릿지(123)를 통하여 집전체 버스(121)와 전자적으로 연결된다. 특정 경우에, 물품(100)이 임계 온도에 도달(예컨대, 가열되어)하고 집전체 브릿지(123)가 집전체 세그먼트(122)를 집전체 버스(121)와 더 이상 전자적으로 연결하지 않을 때, 개별 전극(130a)에서 생성된 전류가 집전체 버스(121)에 도달하는 전자 전도성 경로가 존재하지 않고, 이로 인해 개별 전극 세그먼트(130a)를 전자적으로 분리시킨다.
일부 실시예에서, 물품은 본 명세서에서 언급된 임계 온도가 특정 범위의 온도 내에 있도록 구성된다. 예를 들어, 물품은, 온도 임계가 충분히 높아서 물품을 포함하는 전기화학 소자의 정상적인 동작(예컨대, 회로 단락 또는 열 폭주 발생 없이 정상적인 충전/방전) 동안에는 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결 손실(예컨대, 기판의 부피 변화로 인해)이 발생하지 않도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 특정 실시예에서, 물품은 물품의 임계 온도가 50°C 이상, 55°C 이상, 60°C 이상, 70°C 이상, 75°C 이상, 80°C 이상, 85°C 이상, 90°C 이상, 90°C 이상, 95°C 이상, 100°C 이상 또는 그 위이도록 구성될 수 있다. 특정 범위의 온도 내에 있는 임계 온도는, 물품이 기판의 열-유도 부피 변화 동안 본 명세서에서 설명된 적어도 하나의 전자적 연결 분리(예컨대, 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이, 적어도 하나의 개별 집전체 세그먼트와 집전체 버스 사이)를 겪도록 구성되는 구체적인 온도가 그 범위에 속함을 의미한다는 것을 이해하여야 한다. 65°C의 임계 온도를 갖도록 구성된 물품(예컨대, 가열되는 경우, 적어도 부분적으로 기판의 부피 변화로 인해 물품의 온도가 65°C에 도달하면 본 명세서에서 설명된 적어도 하나의 전자적 연결 분리를 겪는 물품)은, 65°C는 50°C 이상의 값의 범위에 있기 때문에, 임계 온도가 50°C 이상인 물품의 일 예시이다.
일부 실시예에서, 물품은, 물품 및/또는 물품을 포함하는 전기화학 제품에 상당한 손상이 연결 손실 이전에 발생하지 않도록, 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실이 충분히 낮은 온도에서 발생하도록, 임계 온도가 충분히 낮도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 특정 실시예에서 물품은 임계 온도가 150°C 이하, 145°C 이하, 140°C 이하, 130°C 이하, 120°C 이하 또는 그 아래이도록 구성될 수 있다. 다른 비제한적인 예시로서, 110°C의 임계 온도를 갖도록 구성된 물품(예컨대, 가열되는 경우, 적어도 부분적으로 기판의 부피 변화로 인해 물품의 온도가 110°C에 도달하면 본 명세서에서 설명된 적어도 하나의 전자적 연결 분리를 겪는 물품)은, 110°C는 120°C 이하의 값의 범위에 있기 때문에, 임계 온도가 120°C 이하인 물품이다.
본 명세서에서 설명된 물품의 임계 온도는, 예를 들어, 물품(또는 물품의 구성요소)의 온도를 램핑(ramping)하면서 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이에 테스트 전류 흐르게 함으로써 측정될 수 있다. 임계 온도는 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실(예를 들어, 테스트 전류의 중단)이 관찰될 때의 온도를 기록함으로써 결정된다.
물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때 적어도 하나의 집전체 브릿지가 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 연결하지 않도록 물품이 구성될 수 있는 한 가지 방법은, 집전체 브릿지 및 기판에 대해서 열팽창 계수가 상이한 물질을 선택하는 것이다. 열팽창 계수는 (온도 변화에 따른 물질의 길이 변화와 관련된) 선형 열팽창 계수, (온도 변화에 따른 물질의 면적 변화와 관련된) 면적 열팽창 계수 및/또는 (온도 변화에 따른 물질의 부피 변화와 관련된) 부피 열팽창 계수로 표현될 수 있다. 달리 표현되지 않는 한, 본 명세서에서 언급되는 열팽창 계수는 선형 열팽창 계수에 해당한다. 이러한 방법으로, 가열 과정 동안, 기판의 부피는, 열팽창 계수의 차이 때문에, 집전체 브릿지와 다른 정도로 팽창(또는 수축)하여, 집전체 세그먼트와 집전체 브릿지 사이의 전자적 연결의 손실을 일으킬 수 있는 기계적인 손상(예컨대, 파괴 또는 박리)을 초래하는 기계적 압력의 근원이 된다.
일부 실시예에서, 물품은 물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 극한 인장 손상을 겪도록 구성된다. 물질의 극한 인장 손상은 물질이 인장을 받음으로 인한 물질의 절단(예컨대, 파괴)을 말한다. 이러한 구성의 일 비제한적인 예시는 기판의 열팽창 계수가 적어도 하나의 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 큰 것이다. 예를 들어, 도 2A를 참조하면, 특정 실시예에 따라, 기판(120)은 집전체 브릿지(123)가 만들어진 물질의 열팽창 계수보다 큰 열 팽창 계수의 물질로 만들어질 수 있고, 집전체 브릿지(123)는 기판(120)에 부착(예컨대, 직접 또는 인접 개재 층 또는 도메인을 통해 부착)될 수 있다. 기판(120)과 집전체 브릿지(123)가 (예컨대, 열 부하를 통해) 가열될 때, 기판(120)은 집전체 브릿지(123)보다 더 큰 비율로 팽창할 것이고, 집전체 브릿지(123)가 기판(120) 팽창의 정도에 따른 인장력을 겪게 된다. 일부 경우에, 기판(120)은 집전체 브릿지(123)에 인가되는 인장력이 집전체 브릿지(123)의 극한 인장 손상을 일으킬 정도로 충분한 정도로 팽창할 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 기판의 부피의 특정 변화에 따른 극한 인장 손상과 같은 기계적 손상을 겪는 집전체 브릿지의 가능성을 제어하는 데 사용될 수 있는 다른 설계 요소는 집전체 브릿지의 두께, 집전체 브릿지의 탄성 계수 및/또는 집전체 브릿지의 면적을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 집전체 브릿지는, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해 집전체 브릿지가 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 전자적 연결을 하지 않는 방법으로 극한 인장 손상을 겪는다. 도 3은 특정 실시예에 따라, 앞서 언급한 바와 같이, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해 발생한 집전체 브릿지(123)의 극한 인장 손상을 따르는 물품(100)의 일 예시의 평면도를 도시한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 집전체 브릿지(123)의 극한 인장 손상은 집전체 브릿지(123)에서 완전한 불연속성을 야기하는 파괴를 일으켜서, 이에 따라 집전체 세그먼트(122)와 집전체 버스(121) 사이의 전자적 연결을 방해하고, 결과적으로 개별 전극 세그먼트(130a)와 집전체 버스(121) 사이의 전자적 연결을 방해한다.
일부 실시예에서, 물품은 물품의 온도가 임계 온도에 도달하면 적어도 하나의 집전체 브릿지가 극한 압축 손상(예컨대, 극한 선형 압축 손상)을 겪도록 구성된다. 물품의 극한 압축 손상은 물질이 압축을 겪음으로 인한 물질의 파손(예컨대, 파괴 또는 좌굴)을 지칭한다. 이러한 구성의 일 비제한적인 예시는 기판의 열팽창 계수가 적어도 하나의 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 작은 것이다. 이러한 구성의 다른 비제한적인 예시는 기판의 열팽창 계수가 음수인 (예컨대, 기판이 열-수축성 막임) 것이다. 일부 실시예에서, 집전 브릿지 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 부피 변화로 인해 집전체 브릿지가 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 전자적으로 연결하지 않는 방식으로 극한 압축 손상을 겪는다.
일부 실시예에서, 물품의 제 1 구성요소(예컨대, 집전체 브릿지) 및 제 1 구성요소와 직접 접촉하거나 부착된 물품의 제 2 구성요소(예컨대, 기판)는, 제 1 구성요소 및 제 2 구성요소가 특정 열팽창 차이를 갖도록 구성된다. 본 명세서에서 사용되는 열팽창 차이는 다음과 같이 표현된다.
Figure pct00001
여기서 A 1은 제 1 구성요소의 면적, A 2는 제 2 구성요소의 면적, α 1는 제 1 구성요소의 선팽창 계수, α 2는 제 2 구성요소의 선팽창 계수, E 1는 제 1 구성요소의 탄성 계수, E 2는 제 2 구성요소의 탄성 계수 및 σ ult,1는 제 1 구성요소의 극한 인장력이다. 열 팽창 차이는 제 1 구성요소 및/또는 제 2 구성요소에 대해서 선택된 물질뿐만 아니라, 제 1 구성요소와 제 2 구성요소의 상대적인 면적에 의존한다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 온도 변화 ΔT가 열 팽창 차이 이상인 경우, 물품의 제 1 구성요소 및/또는 제 2 구성요소는 극한 인장 손상이 발생한다. 다시 말해, 일부 실시예에서, 물품의 제 1 구성요소는 수학식 1에 표현된 부등식이 만족하는 경우 인장 손상이 발생한다(일부 경우에 물품의 특정 구성요소 사이에서 전자적 연결의 손실 야기).
Figure pct00002
수학식 1이 만족되는 실시예에서, α 2가 α 1보다 큰 경우, 온도의 변화, ΔT는 제 1 구성요소(예컨대, 집전체 브릿지)의 극한 인장 손상을 야기한다. 일부 실시예에서, 수학식 1은, 제 1 구성요소 및 제 2 구성요소에 대해 선택된 형상 및 물질이 알려진 경우, 제 1 구성요소의 극한 인장 손상을 일으키는 데 필요한 온도 변화를 결정하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 구성요소(예컨대, 적어도 하나의 집전체 브릿지) 및/또는 제 2 구성요소(예컨대, 기판)는 10°C 이상, 15°C 이상, 20°C 이상, 25°C 이상, 30°C 이상, 40°C 이상, 또는 그 위의 열팽창 차이를 갖는다. 일부 실시예에서, 제 1 구성요소(예컨대, 적어도 하나의 집전체 브릿지) 및/또는 제 2 구성요소(예컨대, 기판)는 100°C 이하, 90°C 이하, 80°C 이하, 70°C 이하, 60°C 이하, 또는 그 아래의 열팽창 차이를 갖는다. 위의 범위의 조합이 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제 1 구성요소(예컨대, 적어도 하나의 집전체 브릿지) 및/또는 제 2 구성요소(예컨대, 기판)는 10°C 이상 및 100°C 이하의 열팽창 차이를 갖는다.
일부 실시예에서, 물품은, 물품의 온도가 임계 온도에 도달할 때, 집전체 브릿지 중 적어도 하나가, 적어도 부분적으로 기판의 열-유도 변화로 인해 집전체 브릿지가 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 집전체 버스와 더 이상 전자적으로 연결하지 않는 극한 인장 손상 또는 극한 압축 손상 이외의 변화를 겪도록 구성된다. 예를 들어, 일부 경우에, 기판의 부피 변화는 집전체 브릿지의 박리를 일으켜, 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트 또는 집전체 버스 중 적어도 하나와의 접촉을 손실하도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 물품의 가열(기판의 열-유도 부피 변화를 일으키는)은 수동적으로 발생한다. 물품의 가열은 본 명세서에서 설명되는 히터로부터 열 부하의 인가 없이 발생하는 경우에 수동적으로 발생한다. 예를 들어 물품은, (예컨대, 전기화학 소자의 하나 이상의 부분의 부식 또는 약화로 인해) 회로 단락 및/또는 열 폭주가 발생하는 때와 같이 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안 물품을 포함하는 전기화학 소자의 결함으로 인해 수동적으로 가열될 수 있다. 이러한 과정은 저항 가열 및/또는 발열 화학 반응으로 인한 열 방출로 인해 하나 이상의 구성요소의 가열을 일으킬 수 있으며, 일부 경우에는 임계 온도 이상으로 온도를 높인다.
일부 실시예에서, 기판의 열-유도 부피 변화의 적어도 일부는 능동 가열 과정으로 인해 발생한다. 능동 가열 과정은 히터로부터의 열 부하의 인가를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 히터는 히터를 작동시키고 열 부하를 인가하도록 하는 신호(예컨대, 전기 신호)를 수신할 수 있는 구성요소다. 일부 경우에, 기판의 가열은 적어도 부분적으로 전기화학 소자의 일부인 히터의 사용을 통해 달성된다. 일부 실시예에서, 히터는 물품에 인접한 외부 구성요소다. 그러나, 특정 실시예에서, 히터는 물품 내에 통합된 구성요소(예컨대, 물품의 하나 이상의 층에 박막으로 적용된 저항성 히터)이다. 일부 경우에, 기판이 충분한 전자 전도성을 갖는 물질을 포함하는 경우, 기판은 스스로 히터의 역할을 할 수 있다.
일부 실시예에서, 물품은 기판에 인접한 히터를 포함한다. 특정 경우에, 물품은 기판에 인접한 다수의 히터를 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 히터는 본 명세서에서 설명되는 물품의 적어도 일부를 가열하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7A는 기판(120)에 인접한 히터(140)를 포함하는 예시적인 물품(100)을 나타내며, 히터(140)는 물품(100)을 가열할 수 있다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에 따라, 다양한 이유로 본 명세서에서 설명되는 물품 내에 히터를 포함하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 히터는, 물품의 능동 가열에 관하여 앞서 설명한 바와 같이, 하나 이상의 개별 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실을 일으키는, 기판의 열-유도 부피변화가 발생할 수 있도록 기판을 가열하는 데 사용될 수 있다. 특정 경우에, 물품(예컨대, 기판)에 인접하여 히터를 포함하는 것은, 물품이 저온 주변 조건에서 작동하기를 원할 수 있는 전기화학 소자(예컨대, 겨울에 작동하는 전기 자동차용 배터리)의 일부인 경우와 같이, 원하는 범위 내에서 물품의 온도를 유지하는 방법을 제공할 수 있다. 일부 경우에 히터는 기판에 바로 인접하지만(예컨대, 도 7A및 도 7B에 도시된 바와 같이, 히터와 기판 사이에 개재 층 또는 구조 없이 기판상으로 직접적으로 진공 증착, 코팅 또는 부착됨), 특정 경우에 히터는 기판이 아닌 물품의 하나 이상의 구성요소(예컨대, 층)에 직접 배치된다는 것을 이해하여야 한다. 도 7A는, 특정 실시예에 따라, 각각 개별 전극 세그먼트 및/또는 개별 집전체 세그먼트 옆에 있는(그러나 직접 접촉하는 것은 아닌) 복수의 히터(140)를 나타낸다. 일부 실시예에서, 히터와 기판 사이의 거리는 5mm 이하, 3mm 이하, 2mm 이하, 1mm 이하, 0.5mm 이하, 0.2mm 이하, 0.1mm 이하 또는 그 아래이다.
일부 경우에, 히터는 물품 구조에서 하나 이상의 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인의 구성요소를 대체(즉, "대신(takes the place of)")한다. 예를 들어, 개별 집전체 세그먼트가 제조 동안 (예컨대, 스킵 코팅 공정(skip coating process)을 통해) 기판을 따라 규칙적인 위치에 증착되는 경우에, 집전체 세그먼트가 그곳에 증착되지 않도록 하나 이상의 위치가 마스킹될 수 있고, 이후 단계에서, (예컨대, 마스킹 해제 단계에 후속하여) 히터는 그 하나 이상의 위치에 배치된다.
일부 실시예에서, 히터는 물품의 하나 이상의 끝 근처에 위치한다. 예를 들어, 일부 경우에, 히터는 물품의 길이의 최종 20% 이내, 최종 10% 이내 또는 최종 5% 이내에 위치한다. 반드시 모든 경우는 아니지만 일부의 경우, 히터와 기판의 끝(기판의 장축에 따른 끝을 지칭함) 사이에 개별 전극 세그먼트나 집전체 세그먼트가 위치하지 않는다. 예를 들어 7A의 도면에 도시된 바와 같은 내부 위치와 대조적으로, 도 7B는 히터(140)가 물품(100)의 끝 근처에 배치되는 비제한적인 실시예를 나타낸다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에 따라, 히터를 물품의 한 끝 또는 그 근처에 배치하는 것은 (예컨대, 복잡한 마스킹 단계를 잠재적으로 피함으로써) 제조의 용이를 돕고 물품이 접힐 때에도 히터에 액세스를 용이하게 한다. 그러나, 특정 경우에, 도 7A에 나타난 바와 같이, 히터를 내부에 배치하는 것은 국부적 가열(예컨대, 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에 따라 특정 집전체 브릿지 근처의 기판의 근처 영역)을 가능하게 할 뿐만 아니라, 물품이 접힌 경우와 같이, 물품 전체에 걸쳐 더 균일한 열을 제공하는 데 유용할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 아래에서 더 자세히 설명되는 대로, 일부 경우에, 물품은 접을 수 있다(foldable). 일부 이러한 경우, 물품이 접힐 때 히터는 물품의 접힌 구역 사이에 배치된다. 특정 실시예에서, 이러한 구성은 히터가 물품 및/또는 물품을 포함하는 접힌 전기화학 소자의 내부 부분(예컨대, 주름 부분)을 쉽게 가열하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 히터는 박막을 포함한다. 반드시 모든 경우는 아니지만 특정 경우에, 히터는 박막이다. 예를 들어, 도 7A를 참조하면, 히터(140)는 특정 실시예에 따라 박막이다. 히터가 박막이거나 박막을 포함하는 실시예에서, 박막은 물품의 일부 상에 증착될 수 있다(예컨대, 물리 또는 화학적 진공 증착 기법, 스핀 코팅(spin coating) 또는 기타 본 명세서에서 설명되는 적합한 박막 증착 기법). 예를 들어, 일부 경우에, 히터는 기판 상에 직접 증착되는 박막이다(예컨대, 기판의 제조 동안). 그러나 특정 경우에 히터의 박막은 물품의 하나 이상의 구성요소 상에 배치된다. 특정 경우에, 박막을 포함하는 복수의 히터가 복수의 개별 박막 세그먼트로서 물품 상에 배치된다(예컨대, 스킵 코팅 또는 마스크를 이용하여 코팅을 통하여 증착되는 박막 세그먼트). 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에 따라, 물품을 포함하는 배터리의 상대적으로 높은 부피 에너지 밀도가 요구되는 경우에, 박막을 포함하는 히터의 사용이 유용할 수 있다. 추가적으로, 특정 실시예에 따라, 박막은 물품의 접힘을 방해하지 않도록 충분히 얇을 수 있기 때문에, 박막 히터는 접을 수 있는 물품 내부에 히터를 통합하는 데 유용할 수 있다. 일부 경우에, 히터(예컨대, 박막 히터)의 두께(예컨대, 평균 두께)는 1mm 이하, 500μm 이하, 200μm 이하, 100μm 이하, 50μm 이하, 20μm 이하, 10μm 이하, 5μm 이하, 2μm 이하, 1μm 이하, 0.5μm 이하, 200nm 이하, 또는 그 아래이다. 특정 경우에, 히터는 20nm 이상, 50nm 이상, 100nm 이상 또는 그 위이다.
일부 경우에, 히터는 저항성 가열을 수행할 수 있는 물질을 포함한다. 예를 들어, 전류가 전기회로를 통해 흐를 때 히터의 저항이 저항성 가열(즉, 줄 가열(joule heating))이 발생하도록, 히터는 외부 전기 회로와 전자적으로 연결될 수 있다(예컨대, 전선을 통해). 이러한 저항성 가열에 의해 생성된 열은, 일부 경우에, 물품 및/또는 물품을 포함하는 전기화학 소자를 가열할 수 있다. 특정 경우에, 히터는 금속 또는 금속 합금을 포함한다. 예를 들어, 특정 실시예에 따라 저항성 가열을 촉진하기 위하여, 히터는 저항성 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다(예컨대, 상대적으로 높은 저항을 갖는 금속 또는 금속 합금). 히터가 포함할 수 있는 물질의 예시는 (니크롬(nichrome), 콘스탄탄(Constantan), 에반옴(Evanohm) 등과 같은) 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 흑연, 규소 기반 화합물, 이들의 조합 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일반적으로, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 히터의 물질(예컨대, 박막을 포함하는 히터)은 물질의 비저항(resistivity)을 포함하는 하나 이상의 특성에 기초하여 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 히터는 전도성 와이어를 포함한다. 예를 들어, 도 7A 또는 7B에서, 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에 따라, 히터(140)는 박막이 아닌 전도성 와이어이다. 전도성 와이어는 물품 상에 (예컨대, 기판에 바로 인접하여 또는 개재 층 상에) 증착되어, 물품의 전도성 트랙을 형성할 수 있다. 박막을 포함하는 히터의 경우와 같이, 전도성 트랙을 포함하는 히터는, 일부 경우에, 기판 또는 기판 상의 층에 패턴화된 마스크를 사용하여 형성될 수 있다. 일부 경우에, 박막을 포함하는 히터에 대하여 앞서 설명한 바와 같이, 전류가 저항성 와이어를 통해 흘러, 저항성 가열을 일으킬 수 있도록 히터의 전도성 와이어는 외부 회로와 전자적으로 연결된다. 히터의 전도성 와이어는, 히터로부터의 가열을 원하는 영역에 따라, 물품을 따라 임의의 수의 패턴 또는 경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 전도성 와이어는 상당한 가열을 원하지 않는 물품의 영역을 따라 비교적 직선이지만, 예를 들어, 상당하게 가열됨이 바람직한 영역 근처(예컨대, 일부 경우에 히터가 기판의 열-유도 부피 변화를 능동적으로 유발하는 데 사용되는 집전체 브릿지 근처)에는 사형(serpentine) 패턴을 형성한다.
히터가 전도성 와이어를 포함하는 실시예에서, 히터는 물품의 원하는 가열을 일으키기에 충분한 비저항을 갖는 임의의 수의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 전도성 와이어를 포함하는 히터는 금속 및/또는 금속 합금을 포함한다. 박막을 포함하는 히터에 대하여 앞서 설명된 바와 같이, 전도성 와이어는 저항성 금속 또는 저항성 금속 합금을 포함할 수 있다. 히터의 전도성 와이어에 대한 물질의 예시는 (니크롬, 콘스탄탄, 에반옴 등과 같은) 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 흑연, 규소 기반 화합물, 이들의 조합 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 앞서 언급한 바와 같이, 히터의 원하는 저항을 달성하기 위해 전도성 와이어를 포함하는 히터에 대한 물질이 선택될 수 있다.
히터(예컨대, 박막을 포함하는 히터 또는 전도성 와이어를 포함하는 히터)의 저항은, 일부 경우에, 수학식 2를 이용하여 결정된다.
Figure pct00003
여기서 R은 히터의 저항, ρ는 히터가 만들어진 물질의 비저항, L은 히터를 통해 전류가 흐르는 방향에서의 히터의 길이 그리고 A는 전류가 흐르는 히터의 단면적이다. 수학식 2에서 볼 수 있듯이, 일부 경우에, 비저항이 클수록 저항이 크므로, 히터의 원하는 저항은 비저항 ρ를 기초로 물질을 선택함으로써 달성될 수 있다. 추가적으로, 히터의 저항을 결정하기 위해 히터의 형상이 선택될 수 있다. 예를 들어, 수학식 2에서 볼 수 있듯이, 더 큰 길이 치수(예컨대, 더 긴 전도성 와이어, 전류가 흐르는 방향(예컨대, 2개의 전선 간)에서의 박막의 더 큰 길이 치수)를 갖는 히터는 더 큰 저항을 갖는다. 수학식 2를 만족하는 실시예에 따라, 히터 내에서 전류가 흐르는 단면적 A는 저항과 반비례 관계에 있다. 이와 같이, 전도성 와이어를 포함하는 히터의 실시예에서, 히터의 저항은 더 얇은 전도성 와이어(예컨대, 작은 직경 또는 단면 치수의 와이어)를 사용함으로써 증가될 수 있다. 히터가 박막이거나 이를 포함하는 일부 경우에, 저항은 수학식 3을 사용하여 표현될 수 있다.
Figure pct00004
여기서 t는 박막의 두께이고 w는 전류 흐름의 방향에 수직인(예컨대, 길이 치수에 수직인) 방향에서의 박막의 폭이다. 이와 같이, 박막의 두께 및 폭을 포함하는 박막의 형상은 특정 실시예에 따라 히터의 저항을 조절하기 위해, (예컨대, 박막의 폭을 변화시킴으로써 또는 박막의 두께를 조절함으로써) 물품의 제조 동안 조절될 수 있다.
히터의 저항은 저항성 가열(예컨대, 줄 가열)이 적어도 하나의 가열 메커니즘으로 사용되는 경우에 중요할 수 있다. 전력으로 표현한 저항성 가열 동안 생성된 열은 전류의 제곱에 비례하고 저항에 선형적으로 비례한다. 따라서, 특정 실시예에 따라, 더 큰 저항을 갖는 히터는 히터를 통과하는 주어진 전류에 대해 더 큰 열을 제공할 것이다. 일부 실시예에서, 히터는 상대적으로 큰 저항을 갖는다. 예를 들어, 일부 경우에, 히터는 실온(23°C)에서, 50Ω 이상, 60Ω 이상, 75Ω 이상, 100Ω 이상, 125Ω 이상, 150Ω 이상, 200Ω 이상 및/또는 최대 300Ω, 최대 400Ω, 최대 500Ω, 최대 1000Ω 또는 그 이상의 저항을 갖는다. 위 범위의 조합이 가능하다. 예를 들어, 일부 경우에, 히터는 50Ω 이상 및 1000Ω 이하의 저항을 갖는다.
일부 실시예에서, 히터는 특정 다른 물품의 구성요소 및/또는 물품을 포함하는 전기화학 소자의 구성요소와 전자적으로 분리된다(예컨대, 전자적으로 연결되지 않음). 예를 들어, 일부 경우에, 히터는 복수의 개별 전극 세그먼트와 전자적으로 연결되지 않는다. 히터를 개별 전극 세그먼트로부터 전자적으로 분리되도록 하는 것은 충전 및/또는 방전 동안 히터를 통과하는 전류가 물품을 포함하는 전기화학 소자의 전기화학적 작동을 전자적으로 간섭하는 것을 방지할 수 있고, 유사하게, 히터를 통과하는 전류가 전기화학 소자의 전기화학적 작동을 전자적으로 간섭하는 것을 방지할 수 있다. 일부 실시예에서, 히터는 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는다. 히터를 집전체 도메인(예컨대, 집전체 도메인(121))에 전자적으로 연결하지 않는 것은 또한, 특정 실시예에 따라, 물품을 포함하는 전기화학 소자의 작동 및 성능에 대한 간섭을 피할 수 있다.
히터는 다양한 방법을 통해, 물품의 복수의 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인에 전자적으로 연결되는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 도 7B에 나타난 바와 같이, 히터는 물품의 끝에 배치될 수 있고 개별 전극 세그먼트 및 집전체 도메인과 물리적으로 분리될 수 있다. 일부 실시예에서(예컨대, 도 7A에 나타난 바와 같이 히터가 물품 내부에 통합된 실시예에서), 히터와 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인 사이에 하나 이상의 개재 층을 통합함으로써, 히터가 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인에 전자적으로 연결되는 것이 방지될 수 있다. 일부 실시예에서, 히터의 적어도 일부는 전기 절연 물질로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 히터는 집전체 도메인 또는 개별 전극 세그먼트와 직접 접촉하지 않도록 히터의 일부 또는 전부에 대한 전기적으로 절연성의 중합체 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 경우에, 물품이 전기화학 소자 내에 통합된 경우에 전해질로부터 물리적으로 분리되도록 코팅(예컨대, 보호 중합체 코팅)이 히터(예컨대, 박막 히터 또는 전도성 와이어를 포함하는 히터)에 적용될 수 있다.
일부 경우에, 히터는 외부 회로에 전자적으로 연결된다. 예를 들어, 특정 실시예에 따라, 배터리 제어 시스템 및 관리 회로에 대응하는 외부 회로에 (예컨대, 히터와 접촉하는 전선을 통해) 연결될 수 있다. 배터리 제어 시스템은, 특정 실시예에 따라, 특정 신호를 수신 또는 배터리 상태(예컨대, 온도, 전류, 압력 등)를 판독하면서, 히터에 (예컨대, 전압을 인가함으로써) 전류의 인가를 시작할 수 있고, 이에 따라 히터가 물품의 적어도 일부를 가열하게 한다. 일부 경우에, 히터는 아래에서 더 상세히 설명되는, 하나 이상의 센서에 의해 작동되도록 구성된다. 예를 들어, 히터는 물품의 기판에 인접한 하나 이상의 센서로부터 신호를 수신하도록 구성된 배터리 제어 시스템 및 관리 회로에 전자적으로 연결될 수 있다. 하나 이상의 센서는 (예컨대, 온도가 온도 임계 초과일 때 또는 압력이 압력 임계 미만일 때) 배터리 컨트롤 시스템에 신호를 보내도록 구성될 수 있으며, 이는 히터를 시작, 중지 또는 가열을 조절하도록 히터를 작동하는 신호를 차례로 보낼 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 물품은 하나 이상의 센서를 포함한다. 특정 경우에, 하나 이상의 센서는 물품의 기판에 인접한다. 물품 내로의 센서 통합은, 특정 실시예에 따라, 물품이 전기화학 소자(예컨대, 배터리)의 일부인 경우와 같이, 물품의 상태 또는 성능을 모니터링하는 데 유용할 수 있다. 하나 이상의 센서는 적어도 부분적으로 전기화학 소자의 상태(예컨대, 온도, 압력)를 검출할 수 있게 할 수 있다. 일부 경우에, 기판에 인접한 하나 이상의 센서는 물품의 상태에 응답하도록 구성된다. 도 8A는 물품(100)의 상태(예컨대, 온도, 압력)에 응답하도록 구성되는 센서(160)를 포함하는 예시적인 물품(100)을 도시한다. 일부 경우에 하나 이상의 센서는 기판에 바로 인접(예컨대, 도 8A 및 도 8B에 나타난 바와 같이, 하나 이상의 센서와 기판 사이에 개재 층 또는 구조 없이 기판 위에 바로 진공 증착, 코팅 또는 또는 부착됨)하는 반면, 특정 경우에 센서는 기판이 아닌 물품의 하나 이상의 구성요소(예컨대, 층)에 바로 배치된다는 것을 이해하여야 한다. 도 8A는, 특정 실시예에 따라, 각각이 개별 전극 세그먼트 및/또는 개별 집전체 세그먼트 옆에 있는(그러나 직접 접촉하는 것은 아닌) 복수의 센서(160)를 보여준다. 일부 실시예에서, 히터와 기판 사이의 거리는 5mm 이하, 3mm 이하, 2mm 이하, 1mm 이하, 0.5mm 이하, 0.2mm 이하, 0.1mm 이하 또는 그 아래일 수 있다.
앞서 설명된 히터의 경우와 같이, 일부 경우에, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 개별 전극 세그먼트 및/또는 물품 구조 내 집전체 도메인의 구성요소를 대체(즉, "대신(takes the place of)")한다. 예를 들어, 개별 집전체 세그먼트가 제조 동안 기판을 따라 규칙적인 위치에 (예컨대, 스킵 코팅 공정을 통해) 증착되는 경우, 집전체 세그먼트가 그곳에 증착되지 않도록 하나 이상의 위치가 마스킹될 수 있고, 이후 단계에서, (예컨대, 마스킹 해제 단계에 후속하여) 센서는 그 하나 이상의 위치에 배치된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 물품의 끝 중 하나 이상 근처에 위치한다. 예를 들어, 반드시 모든 경우는 아니지만 일부 경우에, 개별 전극 세그먼트 또는 집전체 세그먼트는 하나 이상의 센서와 기판의 끝 (기판의 장축에 따른 끝을 지칭함) 사이에 위치하지 않는다. 예를 들어, 도 8A의 도면에 도시에 나타난 바와 같은 내부 위치와 대조적으로, 도 8B는 센서(160)가 물품(100)의 끝 근처에 배치되는 비제한적인 실시예를 나타낸다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에 따라, 센서를 물품의 끝에 또는 그 근처에 배치하는 것은 (예컨대, 복잡한 마스킹 단계를 잠재적으로 피함으로써)제조를 용이하게 하고, 심지어 물품이 접힌 경우 센서에 쉽게 액세스하도록 할 수 있다. 그러나, 특정 경우에, 도 8A에 나타난 바와 같이 하나 이상의 센서를 내부 위치에 배치하는 것은 물품의 상태(예컨대, 개개의 개별 전극 세그먼트가 겪는 온도 또는 압력)에 대한 국부적인 정보를 검출하고 제공하는 데 유용할 수 있다. 앞서 언급되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 경우에, 일부 실시예에서, 물품은 접을 수 있다. 일부 이러한 경우에, 하나 이상의 센서는 물품이 접힐 때 물품의 접힌 구역 사이에 배치된다. 이러한 구성은, 특정 실시예에서, 하나 이상의 센서가 물품 및/또는 물품을 포함하는 접힌 전기화학 소자의 의 내부 부분(예컨대, 주름 부분)의 상태에 쉽게 응답하도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 센서는 물품의 온도에 응답하도록 구성되는 온도 센서이다. 예를 들어, 도 8A는, 특정 실시예에 따른, 물품(100)의 기판(120)에 인접하는 센서(160)를 도시한다. 일부 경우에, 온도 센서는 물품의 적어도 일부의 온도를 측정할 수 있다. 특정 경우에, 온도 센서는 센서의 온도에 따라 다르게 (예컨대, 전기 신호를 전송함으로써) 응답을 한다. 특정 경우에, 특정 사전결정된 온도 초과 또는 미만의 온도가 검출될 때 온도 센서는 응답한다. 물품 또는 물품을 포함하는 전기화학 소자 내 온도 센서 통합은, 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에 따라, 실질적으로 물품 전체의 온도 또는, 일부 경우에, 각각의 개별 전극 세그먼트 근처의 온도를 검출 및/또는 모니터링하도록 할 수 있다.
온도 센서는 임의의 수의 적합한 유형의 온도 센서일 수 있다. 일부 경우에, 온도 센서는 써모커플(thermocouple)이거나 이를 포함한다. 특정 경우에, 온도 센서는 써미스터(thermistor)이거나 이를 포함한다. 일부 실시예에서, 온도 센서는 저항 온도 검출기(resistance temperature detector; RTD)이거나 이를 포함한다. 써모커플 또는 써미스터는, 예를 들어, 상업적으로 얻어지고 물품 내에 통합될 수 있거나 또는 써모커플은 물품 자체의 제조 동안 물품 내에 통합되어 제조될 수 있다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 온도 센서는 박막이거나 이를 포함한다. 물품의 제조 동안 온도 센서(예컨대, 써모커플, 써미스터, RTD)가 제조되는 실시예에서, 온도 센서는 진공 증착 방법(예컨대, 스퍼터링(sputtering), 증발(evaporation))과 같은 임의의 수의 적합한 방법을 통해 물품의 일부(예컨대, 기판 또는 하나 이상의 다른 층)에 형성될 수 있다. 온도 센서는 알려진 저항 대 온도 프로파일을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 온도 센서가 포함할 수 있는 물질의 예시는 백금, 니켈, 구리, 철 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일 비제한적인 예시에서, 온도 센서는 공지된 저항 대 온도 프로파일을 갖는 물질(예컨대, 백금, 니켈, 구리, 철)이 (예컨대, 사형 패턴으로) 증착되는 전기적으로 비전도성 층(예컨대, 세라믹 층)을 포함하는 RTD이다. 알려진 저항 대 온도 프로파일을 갖는 물질은 외부 회로(예컨대, 컴퓨터 시스템 및/또는 배터리 제어 시스템)에 전자적으로 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서 중 적어도 하나는 압력 센서이다. 예를 들어, 도 8A를 다시 참조하면, 특정 실시예에 따라, 센서(160)는 압력 센서이다. 압력 센서는 물품이 겪는 압력에 응답하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 압력 센서는 물품의 적어도 일부가 겪는 압력 또는 힘을 측정할 수 있다. 특정 경우에, 압력 센서는 센서의 압력에 따라 다르게 (예컨대, 전기 신호를 전송함으로써) 응답을 한다. 특정 경우에, 특정 사전결정된 압력 초과 또는 미만의 압력이 검출될 때 압력 센서는 응답한다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 물품 또는 물품의 일부가 겪는 압력을 검출하는 것은 물품 또는 물품을 포함하는 전기화학 소자 내 문제를 (예컨대, 배터리 스택의 사이클링 동안) 검출하거나 (예컨대, 전기화학 소자에 인가되는 과도한 힘이 가해지는 경우) 전기화학 소자의 손상 위험을 판정하는 데 유용할 수 있다.
압력 센서는 임의의 수의 적합한 유형의 압력 센서일 수 있다. 일부 경우에, 압력 센서는 커패시턴스 기반 압력 센서이다. 커패시턴스 기반 압력 센서의 일 예시는 두 전극 사이에 위치한 전기적으로 절연성의 물질을 갖는 두 전극을 포함하는 것이다. 전기적으로 절연성의 물질은 알려진 유전 상수를 가질 수 있다. 특정 경우에, 전기적으로 절연성의 물질에 두 전극을 포함하는 커패시턴스 기반 압력 센서에 인가되는 힘이 전기적으로 절연성의 물질의 두께를 변화하도록 하여, 이에 따라 두 전극 사이의 측정되는 커패시턴스가 변화하도록, 전기적으로 절연성의 물질은 구성된다. 예를 들어, 일부 경우에, 두 전극 사이에 위치하는 전기적으로 절연성의 물질은 중합체 물질이다. 중합체 물질은 비교적 연질일 수 있고 알려진 유전 상수를 가질 수 있다. 일부 경우에, 압력 센서는 스트레인 게이지(strain gauge)이거나 이를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 압력 센서는 압전(piezoelectric) 또는 압저항(piezoresistive) 센서를 포함한다. 이러한 센서는 일반적으로 물질의 기계적인 변형에 대해 전하 또는 저항의 변화를 검출하거나 측정하는 것이 가능한 외부 전기 회로에 연결되는 압전 또는 압저항 물질을 포함한다. 특정 실시예에서, 압력 센서는 박막이거나 이를 포함한다. (예컨대, 박막 형태의) 압력 센서의 비제한적인 예시는 센서 및 센서 시스템 저널, 4호(2015년 2월), F. Schmaljohann, D. Hagedorn 및 F. Loffler의 "Thin Film Sensors for measuring small forces" 91-95에 설명되어 있다. 일부 경우에, 압력 센서는 상업적으로 이용가능하고 물품 또는 물품을 포함하는 전기화학 소자에 부착되거나 연결된다. 그러나, 일부 경우에, 압력 센서(예컨대, 박막 압력 센서)는 물품의 제조 동안 제작된다. 일부 그러한 경우, 압력 센서는 진공 증착, 코팅 및 (예컨대, 중합체 물질의 경우) 경화, 인쇄(예컨대, 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄(screen-printing))에 의해 및/또는 스프레이 방법(예컨대, 에어로졸 스프레이 방법)에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 물품의 특정 다른 구성요소 및/또는 물품을 포함하는 전기화학 소자의 구성요소와 전자적으로 분리된다(즉, 전자적으로 연결되지 않음). 예를 들어, 일부 경우에, 하나 이상의 센서는 복수의 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결되지 않는다. 하나 이상의 센서를 개별 전극 세그먼트와 전자적으로 분리되게 하는 것은, 하나 이상의 센서를 통과하는 전류가 충전 및/또는 방전 동안 물품을 포함하는 전기화학 소자의 작동에 간섭하는 것을 방지할 수 있고, 유사하게, 하나 이상의 센서를 통과하는 전류가 전기화학 소자의 작동에 간섭하는 것을 방지할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는다. 특정 실시예에 따라, 하나 이상의 센서를 집전체 도메인(예컨대, 집전체 도메인(121))에 전자적으로 연결되지 않도록 하는 것은 또한 물품을 포함하는 전기화학 소자의 작동 및 성능에 간섭하는 것을 피할 수 있다.
하나 이상의 센서는 다양한 방법을 통하여 물품의 복수의 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인에 전자적으로 연결되는 것으로부터 방지될 수 있다. 예를 들어, 도 8B에 나타난 바와 같이, 하나 이상의 센서는 물품의 끝에 위치되고 개별 전극 세그먼트 및 집전체 도메인과 물리적으로 분리될 수 있다. 일부 실시예에서(예컨대, 도 8A에 나타난 바와 같이, 하나 이상의 센서가 물품 내부에 통합되는 실시예에서), 하나 이상의 센서는, 하나 이상의 센서와 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인 사이에 하나 이상의 개재 층을 통합함으로써, 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 도메인에 전자적으로 연결되는 것으로부터 방지될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서의 적어도 일부는 전자적으로 절연성의 물질로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서는, 집전체 도메인 또는 개별 전극 세그먼트와 직접 접촉하지 않도록, 하나 이상의 센서의 일부 또는 전부에 대한 전자적으로 절연성의 중합체 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 경우에, 물품이 전기화학 소자 내에 통합된 경우에 하나 이상의 센서가 전극과 물리적으로 분리되도록, 하나 이상의 센서(예컨대, 박막 온도 센서 또는 압력 센서)에 코팅(예컨대 보호 중합체 코팅)이 적용될 수 있다.
일부 경우에, 하나 이상의 센서는 외부 회로에 전자적으로 연결된다. 예를 들어, 하나 이상의 센서는, 특정 실시예에 따라, 배터리 제어 시스템 및 관리 회로에 대응하는 외부 회로에 (예컨대, 센서와 접촉하는 전선을 통해) 연결될 수 있다. 특정 실시예에 따라, 배터리 제어 시스템은, (예컨대, 하나 이상의 센서로부터) 특정 신호를 수신 또는 배터리 상태를 판독하면, 본 명세서에서 설명되는 히터에 (예컨대, 전압을 인가함으로써) 전류 인가를 시작하고, 이로 인해 히터가 물품의 적어도 일부를 가열하도록 할 수 있다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 특정 실시예에서, 적어도 부분적으로 전기화학 소자의 일부인 하나 이상의 센서에 대응하여 수신된 신호로 인해 전기화학 소자의 일부인 히터를 이용하여 전기화학 소자의 적어도 일부를 가열하는 것은 (예컨대, 기판의 열-유도 부피 변화를 통해) 문제가 있는 개별 전극 세그먼트의 빠른 전자적 분리가 가능하게 할 수 있다. 다른 비제한적인 예시로서, 배터리 제어 시스템은 전기화학 소자에 인가된 압력/힘이 임계 값 미만임을 표시하는 압력 센서로부터의 신호를 수신할 수 있고, 신호를 수신하면, 신호를 가압기(pressure applicator)에 신호를 전송하여 인가된 압력을 높이도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 센서는 하나 이상의 프로세서와 상호작용하여, 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 임의의 제어 방식을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 프로세서는 센서로부터 신호부터의 신호를 처리하는 데 사용되어, 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 임의의 제어 방식을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 제어 시스템 및/또는 관리 회로는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 적합한 프로세서의 예시는 아래에서 더 상세히 설명된다.
일부 실시예에서, 집전체 버스의 두께는 적어도 하나의 집전체 브릿지의 두께보다 크다. 예를 들어, 도 2B에 나타난 바와 같이, 집전체 버스(121)는 두께(161)로 도시된 두께 치수를 갖는 반면, 집전체 브릿지(123)는 두께(162)로 도시된 두께 치수를 갖는다. 특정 실시예에 따라, 두께(161)는 두께(162)보다 크다. 집전체 버스의 두께가 적어도 하나의 집전체 브릿지의 두께보다 크게 하는 것은, 특정 경우에, 집전체 버스가 적어도 하나의 집전체 브릿지보다 기계적으로 더 튼튼하게 할 수 있다(예컨대, 손상을 일으키는 데 더 큰 인가되는 힘이 필요함). 예를 들어, 특정한 경우, 기판의 부피를 변화시키는 것은 집전체 버스와 적어도 하나의 집전체 브릿지 모두가 기계적 압력(예컨대, 장력, 굽힘)을 겪도록 한다. 일부 경우에, 기계적 압력은, 집전체 버스의 더 큰 두께로 인해, 집전체 브릿지는 파괴(예컨대, 극한 인장 손상)되지만 집전체 버스는 파괴되지 않도록 한다. 이러한 시나리오는, 집전체 버스 자체의 고장 없이, 적어도 하나의 집전체 브릿지를 통해 집전체 버스에 연결된 개별 전극 세그먼트가 기판의 부피 변화에 따라 전자적으로 분리되게 할 수 있다. 이러한 일부 경우에, 이러한 물품을 포함하는 전기화학 소자는 적어도 하나의 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실 이후에도 여전히 충전 및/또는 방전될 수 있다. 추가적으로, 상대적으로 큰 두께의 집전체 버스는 집전체 도메인 전체에 걸쳐 감소된 전기 저항 및 증가된 전류 전달 능력을 허용할 수 있다.
일부 실시예에서, 집전체 버스는 집전체 브릿지 중 적어도 하나의 두께보다 적어도 3배, 적어도 4배, 적어도 5배, 적어도 8배, 적어도 10배, 적어도 20배 및/또는 최대 50배, 최대 75배, 최대 100배 더 큰 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 집전체 도메인의 하나 이상의 구성요소는 단일 구조의 일부이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 집전체 버스와 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부이다. 구성요소가 동일한 물질 또는 일관된 물질의 조합(예컨대, 단일 금속 합금)으로 형성되고 파손되지 않은 경우, 둘 이상의 구성요소는 단일 구조의 일부이다. 다시 말해, 단일 구조는, 서로 접촉하는 다중 조각과는 달리, 단일 물질 또는 일관된 물질의 조합으로 만들어진 단일 조각이다. 예를 들어, 도 2A를 참조하면, 특정 실시예에서, 집전체 버스(121) 및 집전체 세그먼트(122)를 포함하는 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부이다. 일부 경우에, 전체 집전체 도메인은 단일 구조를 형성한다. 도 2A 및 2B를 참조하면, 집전체 버스(121), 집전체 세그먼트(122) 및 집전체 세그먼트(122)와 관련된 집전체 브릿지(123)는 세 개의 분리된 구성요소로 도시되지만, 특정 실시예에서, 집전체 버스(121), 집전체 세그먼트(122) 및 집전체 브릿지(123)는 단일 구조(예컨대, 구리 금속 또는 구리 합금의 단일 구조)를 형성한다. 일부 경우에, 각각의 집전체 세그먼트 및 집전체 세그먼트와 관련된 집전체 브릿지는 단일 구조의 일부이다. 집전체 버스, 복수의 집전체 세그먼트 및 집전체 세그먼트와 관련된 집전체 브릿지와 같은, 단일 구조로서의 집전체 도메인의 하나 이상의 구성요소를 형성하는 것은 물품의 제조를 단순화할 수 있다. 예를 들어, 집전체 버스와 복수의 집전체 세그먼트가 단일 구조의 일부이도록 하는 것은 (예컨대, 집전체 브릿지와 집전체 세그먼트의 동시 제작을 허용함으로써) 특정 제조 단계를 뺄 수 있다.
일부 실시예에서, 물품은, 임계 전류(예컨대, 집전체 도메인을 통과하는 방전 전류 또는 충전 전류) 이상에서 적어도 하나의 집전체 브릿지가 기계적으로 변형되도록 구성된다. 기계적 변형은 특정 경우에 집전체 브릿지가 용해(예컨대, 저항성 가열)됨으로써 일어날 수 있다. 특정 경우에, 집전체 브릿지는 임계 전류에 도달하는 전류에 의한 열 충격으로 인해 기계적으로 변형된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 집전체 브릿지는, 집전체 브릿지에 전자적으로 연결된 집전체 세그먼트가 집전체 버스에 더 이상 전자적으로 연결되지 않도록 기계적으로 변형된다. 이러한 상황은, 특정 실시예에 따라, 집전체 브릿지를 따른 전류의 흐름 경로가 중단되도록, 과잉 전류(즉, 임계 전류 초과의 전류)로 인해 집전체 브릿지가 "끊어(blow out)"지도록 구성되는 경우 발생할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 임계 전류는, (예컨대, 회로 단락으로 인해) 도달되는 경우 적어도 하나의 집전체 브릿지의 기계적 변형을 일으켜, 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트가 집전체 버스와 분리되도록 하는 전류이다. 일부 실시예에서, 물품은 본 명세서에서 언급되는 임계 전류가 전류의 특정 범위에 있도록 구성된다. 예를 들어 물품은, 임계 전류가 충분히 높아서 물품을 포함하는 전기화학 소자의 정상 작동(예컨대, 회로 단락 또는 열 폭주 발생 없이 정상 충전 및/또는 방전) 동안에는 (예컨대, 기계적 변형으로 인한) 집전체 브릿지와 집전체 버스 사이의 전자적 연결 손실이 발생하지 않도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 물품은 특정 실시예에서 물품의 임계 전류가 10A 이상이도록 구성될 수 있다. 물품의 임계 전류가 전류의 특정 범위 내에 있다는 것은, 적어도 하나의 집전체 브릿지의 기계적 변형 시 물품이 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 적어도 하나의 전자적 분리를 겪도록 구성되는 물품의 특정 전류가 그 범위 내에 있음을 의미한다는 것을 이해하여야 한다. 100A는 10A 이상의 값의 범위 내에 있으므로, 100A의 임계 전류를 갖도록 구성되는 물품은 임계 전류가 10A 이상인 물품의 일 예시이다.
일부 실시예에서, 물품은, 임계 전류가 충분히 낮아서, 연결 손실 전에는 물품 및/또는 물품을 포함하는 전기화학 소자에 상당한 손상이 발생하지 않는 충분히 낮은 전류에서 집전체 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실이 발생하도록, 구성될 수 있다. 이와 같이, 물품은, 특정 실시예에서, 물품의 임계 전류가 120A 이하이도록 구성될 수 있다. 다른 비제한적인 예시로서, 90A는 120A 이하의 값의 범위에 있으므로, 90A의 임계 전류를 갖도록 구성되는 물품은 임계 전류가 120A 이하인 물품이다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 물품 및 시스템의 하나 이상의 구성요소는 연속적인 구조이다. 구조의 두 구역, 층 또는 부분 사이의 관계를 설명하는 데 사용되는 "연속(continuous)"은, 제 1 구역, 층 또는 부분으로부터 제 2 구역, 층 또는 부분으로의, 구조를 통해서만 통과하는, 적어도 하나의 경로가 존재함을 의미한다. 예를 들어, 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로, 오직 시트(sheet)를 통해서 통과하는, 적어도 하나의 경로(예컨대, 제 1 구역에서 접힌 부분을 따라 그리고 제 2 구역으로 이동하는 경로)가 존재하기 때문에, 자체로 접히거나 또는 다른 물질 주위에 접힌 물질의 연속적인 시트는 연속적인 시트의 일부로 남아있는 둘 이상의 구역 또는 부분을 정의할 수 있다. 도 10A 내지 10B를 참조하면, 전기화학 소자(400B)의 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432) 및 접힌 양극 지역(435)은 구조(예컨대, 양극)의 부분들이고, 제 1 양극 부분(431)으로부터 접힌 양극 지역(435)을 통하여 제 2 양극 부분(432)으로, 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432) 및 접힌 양극 지역(435)을 포함하는 구조를 통해서만 통과하는, 경로가 존재하기 때문에, 그 구조는 제 1 양극 부분(431) 및 제 2 양극 부분(432)에 대하여 연속적이다. 대조적으로, 도 9A 내지 9B를 참조하면, 제 1 양극 부분(431)으로부터 제 2 양극 부분(432)으로의 임의의 경로는, 제 1 양극 부분(431)과 제 2 양극 부분(432)을 포함하지 않는 적어도 하나의 구조(예컨대, 분리기(450), 제 1 음극 부분(531), 간극(405))를 통과해야 하기 때문에, 전기화학 소자(400A)의 제 1 양극 부분(431) 및 제 2 양극 부분(432)은 연속적이지 않다.
일부 실시예에서, 집전체 버스는 연속적인 층이다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 복수의 개별 층 또는 구역으로 형성되는 것과 반대로, 집전체 버스(121)는 연속적인 층이다. 연속적인 집전체 버스를 갖는 것은 다양한 이유로 유용할 수 있다. 예를 들어, 집전체 버스와 집전체 버스의 한 구역에 있는 외부 회로(예컨대, 전극 탭)의 구성요소 사이의 (예컨대, 손상으로 인한) 전기적 연결의 손실은, 연속적인 전도성 경로로 인해, 반드시 그 구역에 있는 집전체 버스와 집전체 버스의 다른 구역과 전기적 연결을 형성하고 있는 외부 회로의 다른 구성요소 사이의 전자적 연결을 방해하지는 않는다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 특정 실시예에 따라, 전극 탭과 같은 외부 구성요소로의 전기적 연결은 집전체 버스(121)의 구역(203) 및 구역(205)에서 이루어진다. 개별 전극 세그먼트(130a)에서 생성된 전류는 집전체 버스(121)의 구역(203) 또는 구역(205)에서 외부 구성요소로 전송될 수 있다. 집전체 버스(121)가 연속적이기 때문에, 개별 전극 세그먼트(130a)는 여전히 구역(205)에서 집전체 버스(121)에 전자적으로 연결되어 있고, 이로써 집전체 버스(121)와 구역(203)의 외부 구성요소 사이의 전기적 연결의 손실은 개별 전극 세그먼트(130a)에서 생성된 전류를 외부 회로로 전송하는 것을 방해하지 않는다.
본 명세서에서 설명되는 물품 및 시스템의 다른 구성요소 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 연속적일 수 있다. 예를 들어, 물품의 기판은 연속적일 수 있다. 도 1을 참조하면, 특정 실시예에 따라, 기판(120)의 임의의 두 구역은 연속적이다. 연속적인 기판을 갖는 것은 다중 셀 배터리뿐만 아니라 본 명세서에서 설명되는 물품의 단순화된 제조를 허용할 수 있다. 예를 들어, 기판이 연속적일 때, 본 명세서에서 설명되는 물품은, 개별 전극 세그먼트, 기판 세그먼트 및/또는 집전체 도메인의 구성요소를 개별적으로 제조한 후 (예컨대, 물품 또는 배터리 스택을 형성하기 위하여) 이를 부착하는 대신, 집전체 도메인과 복수의 개별 전극 세그먼트를 단일 연속적인 기판 상에 (예컨대, 코팅 또는 증착을 통하여) 부착함으로써 제조될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 시스템의 연속적일 수 있는 다른 구성요소는, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 물품을 포함하는 전기화학 소자의 분리기 및/또는 제 2 전극을 포함하지만, 이제 제한되지는 않는다.
본 명세서에서 설명되는 물품은 임의의 적합한 방법에 따라 제조될 수 있다. 기판이 연속적인 일부 경우에, 집전체 도메인 및/또는 개별 전극은 기판 상에 형성된다. 집전체 도메인(집전체 도메인과 선택적인 집전체 세그먼트 및 집전체 브릿지를 포함함)과 복수의 개별 전극 세그먼트를 형성하는 데 사용될 수 있는 기술의 비제한적인 예시는 주조(casting), 증발 증착, 진공 증착 또는 스핀 코팅과 같은 코팅 및 증착 방법을 포함한다. 적합한 진공 증착의 일 비제한적인 예시는 스퍼터링이다.
물품을 형성하는 예시적이지만 비제한적인 방법은 적합한 물질(예컨대, 폴리비닐 알코올)을 포함하는 릴리즈 층을 포함하는 기판으로 시작하는 것을 포함한다. 그 후, 금속(예컨대, 구리)의 얇은 막이 기판 상에 코팅될 때 기판의 구역(즉, 보이드/간극)이 금속으로 직접 코팅되지 않도록, 마스크가 기판 상에 패턴화될 수 있다. 집전체 도메인의 적어도 일부를 형성하기 위한 금속의 코팅에 이어, 전극 활성 물질(예컨대, 리튬 및/또는 리튬 합금)이 금속 층 상으로 (예컨대, 집전체 세그먼트에 대응하는 금속 층의 구역 상으로) 코팅 또는 증착될 수 있다. 특정 실시예에 따라, 마스크 물질로부터 기판의 후속 릴리즈는 결과적으로 본 명세서에서 설명되는 물품이 된다. 일부 경우에, 코딩된 금속의 구역이 집전체 브릿지에 대응하도록, 기판 상의 마스크의 패턴은 설계되고, 특정 경우에, 집전체 도메인의 다른 구성요소에 비해 증가된 두께로 집전체 버스를 생성하기 위해, 금속(예컨대, 구리 금속)은 연속적으로 및 물품의 끝에서 더 큰 두께로 증착된다.
다중 셀 배터리를 제조할 때 연속적인 기판 및/또는 연속적인 집전체 버스의 사용은 적층(stacked) 배열을 갖는 배터리 제조와 관련된 어려운 단계를 피할 수 있어, 제조 공정이 빠르고, 쉽고, 저렴해진다. 예를 들어, 물품의 다른 구성요소(예컨대, 집전체 도메인 및 복수의 개별 전극 세그먼트)가 증착되거나 코팅될 수 있는 연속적인 기판(예컨대, 릴리즈 층)을 갖는 것은 분리된 라미네이트 셀(laminate cell)을 절단하고, 배열하며, 많은 외부 전기 접촉을 만들 필요성을 없앤다.
일부 실시예에서, 물품은 접힐 수 있다. 하나 이상의 구성요소(예컨대, 기판, 집전체 버스)가 연속적인 경우 물품을 접는 것은 특히 유용할 수 있다. 도 2C는 연속적인 기판(120)을 포함하는 펼쳐진 물품(100)(예컨대, 접기 전)의 개략적인 측면도를 도시한다. 도 5는 특정 실시예에 따른, 부분적으로 접힌 물품(100)의 개략적인 측면도를 도시한다(도 5에 나타난 두 개의 블록 화살표에 따른 접힘을 포함하는 전체 접힘 포함). 특정 실시예에 따라, 명확성을 위해 도 5에서 물품(100)으로부터 집전체 버스(121)가 생략되어 있음을 주의하여야 한다. 물품을 접는 것은 개별 전극 세그먼트 및/또는 집전체 세그먼트 사이의 보이드/간극에서 기판을 접는 것을 포함할 수 있다. 도 5를 다시 참조하면, 기판(120)은 집전체 세그먼트(122)를 포함하는 복수의 집전체 세그먼트의 각 집전체 세그먼트 사이의 보이드에서 접힌다. 이러한 방법으로 물품을 접을 때, "양면(double-sided)" 전극이 형성되고, 양면 전극의 각 면은 개별 전극 세그먼트(예컨대, 복수의 개별 전극 세그먼트(130)에서의 개별 전극 세그먼트)를 포함한다. 양면 전극의 사용은 상대적으로 높은 부피 에너지 밀도를 갖는 배터리를 제공할 수 있으며, 이는 많은 응용 분야에서 바람직할 수 있다.
다른 양태에서, 전기화학 소자가 설명된다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극을 포함한다. 집전체 버스와 복수의 개별 전극 세그먼트를 포함하는 앞서 설명된 물품이 접힌 전기화학 소자에 포함될 수 있지만, 접힌 전기화학 소자에 다른 전극 형상 및 구조가 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 특정 경우, 전기화학 소자는 분리기(예컨대, 연속 또는 사형 분리기)를 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 배터리와 같은 다중 셀 배터리)로서 유용할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 일부 경우에, 전기화학 소자는 접힌다. 반드시 모든 경우는 아니지만 일부 경우에, 접힌 설계 대신 적층 설계로 형성된 전기화학 소자와 비교하였을 때, 접힌 전기화학 셀은 생산하기에 쉽고/쉽거나 경제적이고, 상대적으로 높은 부피 에너지 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자는 다수의 전극 부분을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 양극 부분을 포함한다. 전기화학 소자의 각 양극 부분은 양극 활성 표면 부분을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분, 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분, 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분을 포함한다. 특정 실시예에서, 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분, 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분의 각각은 양극 활성 물질로서 리튬 및/또는 리튬 합금을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자의 양극 부분의 적어도 일부는 개별적이다(예컨대, 개별 전극). 예를 들어, 일부 경우에, 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분, 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분의 각각은 개별적이다. 명확성을 위해 부분적으로 펼쳐진 전기화학 소자의 개략적인 횡단면도를 도시하는 9A를 참조하면, 전기화학 소자(400A)는 제 1 양극 활성 표면 부분(441)을 포함하는 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 활성 표면 부분(442)을 포함하는 제 2 양극 부분(432), 제 3 양극 활성 표면 부분(443)을 포함하는 제 3 양극 부분(433) 및 제 4 양극 활성 표면 부분(444)을 포함하는 제 4 양극 부분(434)을 포함한다. 도 9A의 전기화학 소자(400A)의 특정 실시예에 따라, 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432), 제 3 양극 부분(433) 및 제 4 양극 부분(434)의 각각은 개별적이다. 이러한 개별적인 양극 부분은, 일부 경우에, 하나 이상의 마스크와 결합된 스킵 코팅 또는 증착 기술(예컨대, 증발 증착, 스퍼터링과 같은 진공 증착) 사용을 통하여 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자(예컨대, 접힌 전기화학 소자)는 연속적인 양극을 포함한다. 예를 들어, 도 10A를 참조하면, 전기화학 소자(400B)는 연속적인 양극(430)을 포함한다. 전기화학 소자의 양극 부분은 연속적인 양극의 일부일 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분, 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분은 연속적인 양극의 일부이다. 도 10B를 참조하면, 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432), 제 3 양극 부분(433) 및 제 4 양극 부분(434)은 각각 연속적인 양극(430)의 일부이다. 언급한 바와 같이, 적어도 제 1 양극 부분(431)과 제 2 양극 부분(432)을 포함하는 구조(예컨대, 양극)의 일부인 제 1 양극 부분(431)과 제 2 양극 부분 사이에 (예컨대, 접힌 양극 구역(435)을 통한) 경로가 존재하기 때문에, 위의 제 1 양극 부분(431)과 제 2 양극 부분(432)은 연속적인 양극의 일부이다. 앞서 언급한 바와 같이, 반드시 모든 경우는 아니지만 일부 경우에, 연속적인 전극(예컨대, 연속적인 양극)은 제조 및 전기적 연결의 설정이 상대적으로 용이하고 저렴한 접힌 전기화학 소자(예컨대, 다중 셀 배터리)를 제공할 수 있다.
일부 경우에, 전기화학 소자의 양극 부분 사이의 구분(예컨대, 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분 등)은 전기화학 소자의 접힘에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 연속적인 양극의 적어도 한 부분이 접혀, 접힘의 한 면에 양극의 한 구역을 설정하고(예컨대, 제 1 양극 부분), 접힘의 다른 면에 양극의 한 구역을 설정한다(예컨대, 제 2 양극 부분). 다른 경우에, 전기화학 소자의 양극 부분 사이의 구분은, 양극 부분이 개별적인 양극 부분임으로써, 설정될 수 있다. 이러한 일부 경우에, 개별적인 양극 부분은 접힘에 의해 분리된 전기화학 소자의 구역에 위치한다.
일부 실시예에서, 접힌 전기화학 셀의 특정 양극 부분의 활성 표면 부분은 서로 대면한다. 예를 들어, 일부 경우에, 제 2 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면한다. 도 9B는 특정 실시예에 따른 예시적인 전기화학 소자(400A)의 횡단면도를 도시하며, 여기서 제 2 양극 활성 표면 부분(442)은 제 1 양극 활성 표면 부분(441)을 향하고 있다. 일부 경우에, 제 4 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분 및 제 3 양극 활성 표면 부분 모두를 대면한다. 일부 이러한 경우, 제 3 양극 부분은 적어도 부분적으로 제 1 양극 부분과 제 4 양극 부분 사이에 위치된다. 도 9B는 제 3 양 극 부분(433)이 적어도 부분적으로 제 1 양극 부분(431)과 제 4 양극 부분(434) 사이에 위치하는 전기화학 소자(400A)의 일 실시예를 도시하고, 여기서 제 4 양극 활성 표면 부분(444)은 제 1 양극 활성 표면 부분(441)과 제 3 양극 활성 표면 부분(443) 모두를 대면한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 표면 및 물체가 실질적으로 평행하고 표면을 포함하는 물질의 벌크(bulk)에 수직으로 및 멀어지도록 확장하는 선이 물체와 교차할 때, 표면(또는 표면 부분)이 물체를 "대면한다(facing)"라고 한다. 예를 들어, 제 1 표면과 수직이고 제 1 표면을 포함하는 물질의 벌크로부터 멀어지도록 확장하는 선이 제 2 표면과 교차하는 경우, 제 1 표면(또는 제 1 표면 부분)과 제 2 표면(또는 제 2 표면 부분)은 서로 대면할 수 있다. 다른 물체와 접촉하고 있을 때 또는 하나 이상의 중간 물질이 표면과 다른 물체 사이에 위치하고 있을 때, 표면은 다른 물체를 대면할 수 있다. 예를 들어, 서로 대면하고 있는 두 표면은 접촉할 수 있거나 또는 그들 사이에 하나 이상의 중간 물질을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 접힌 전기화학 소자의 특정 양극 부분의 활성 표면 부분은 서로 반대를 향한다. 예를 들어, 일부 경우에, 제 3 양극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분과 제 2 양극 활성 표면 부분 모두와 반대를 향한다. 도 9B는 제 1 양극 활성 표면 부분(441)과 제 2 양극 활성 표면 부분(442) 모두와 반대를 향하고 있는 제 3 양극 활성 표면 부분(443)을 도시한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 표면 및 물체가 실질적으로 평행하고 표면을 포함하는 물질의 벌크에 수직으로 및 멀어지도록 확장하는 선이 물체와 교차하지 않을 때, 표면(또는 표면 부분)이 물체와 "반대를 향한다(facing away from)"라고 한다. 예를 들어, 제 1 표면과 수직이고 제 1 표면을 포함하는 물질의 벌크로부터 멀어지도록 확장하는 선이 제 2 표면과 교차하지 않는 경우, 제 1 표면(또는 제 1 표면 부분)과 제 2 표면(또는 제 2 표면 부분)은 서로 반대를 향하고 있을 수 있다. 표면에 수직이고 표면을 포함하는 물질의 벌크로부터 멀어지도록 확장하는 선이 층과 교차하지 않는 경우, 표면과 층은 서로 반대를 향할 수 있다. 일부 실시예에서, 표면과 물체에 의해 정의되는 최대 각도가 약 10° 이하, 약 5° 이하, 약 2° 이하 또는 약 1° 이하인 경우, 표면과 다른 물체(예컨대, 다른 표면, 층 등)는 실질적으로 평행일 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 음극 부분을 포함한다. 전기화학 소자의 각 음극 부분은 음극 활성 표면 부분을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분, 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분, 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분 및 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자의 음극 부분의 적어도 일부는 개별적이다(예컨대, 개별 전극). 예를 들어, 일부 경우에, 제 1 음극 부분, 제 2 음극 부분, 제 3 음극 부분 및 제 4 음극 부분은 개별적이다. 도 9A를 참조하면, 전기화학 소자(400A)는 제 1 음극 활성 표면 부분(541)을 포함하는 제 1 음극 부분(531), 제 2 음극 활성 표면 부분(542)을 포함하는 제 2 음극 부분(532), 제 3 음극 활성 표면 부분(543)을 포함하는 제 3 음극 부분(533) 및 제 4 음극 활성 표면 부분(544)을 포함하는 제 4 음극 부분(534)을 포함한다. 도 9A의 전기화학 소자(400A)의 특정 실시예에 따라, 제 1 음극 부분(531), 제 2 음극 부분(532), 제 3 음극 부분(533) 및 제 4 음극 부분(534)의 각각은 개별적이다. 이러한 개별적인 음극 부분은, 일부 경우에, 하나 이상의 마스크와 결합된 스킵 코팅 또는 증착 기술(예컨대, 증발 증착, 스퍼터링과 같은 진공 증착)을 사용을 통하여 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자(예컨대, 접힌 전기화학 소자)는 연속적인 음극을 포함한다. 전기화학 소자의 음극 부분은 연속적인 음극의 일부일 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 제 1 음극 부분, 제 2 음극 부분, 제 3 음극 부분 및 제 4 음극 부분은 연속적인 음극의 일부이다. 도 9A 내지 10B에 명시적으로 도시되지 않았지만, 특정 실시예에 따라, 제 1 음극 부분(531), 제 2 음극 부분(532), 제 3 음극 부분(533) 및 제 4 음극 부분(534)은 연속 음극의 일부일 수 있다.
앞서 설명한 양극 부분과 마찬가지로, 전기화학 소자의 음극 부분 사이의 구분은, 일부 경우에, 전기화학 소자의 접힘에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 연속적인 음극의 적어도 한 부분이 접혀, 접힘의 한 면에 음극의 한 구역을 설정하고(예컨대, 제 1 음극 부분), 접힘의 다른 면에 음극의 한 구역(예컨대, 제 2 음극 부분)을 설정한다. 다른 경우에, 전기화학 소자의 음극 부분 사이의 구분은, 음극 부분이 개별적인 음극 부분임으로써, 설정될 수 있다. 이러한 일부 경우에, 개별적인 음극 부분은 접힘에 의해 분리된 전기화학 소자의 구역에 위치한다.
일부 실시예에서, 두 전극 부분은, 제 1 면과 제 1 면과 반대를 향하는 제 2 면을 가지는, 양면 전극을 형성하도록 배열될 수 있고, 여기서 두 면 모두 전극 활성 물질과 활성 표면을 포함한다. 예를 들어, 일부 경우에, 본 명세서에서 설명되는 접힌 전기화학 소자는 양면 음극을 포함할 수 있다. 일 비제한적인 예시는 양면 음극의 제 1 면의 적어도 일부를 형성하는 제 1 음극 부분과 양면 음극의 제 2 면의 적어도 일부를 형성하는 제 2 음극 부분을 포함하는 전기화학 소자다. 이러한 배열은, 제 1 음극 부분과 제 2 음극 부분이 개별적인 음극인 경우 또는 제 1 음극 부분과 제 2 음극 부분이 연속적인 음극의 일부인 경우에 가능하다. 도 9B를 참조하면, 예를 들어, 특정 실시예에 따라, 제 1 음극 부분(531)과 제 2 음극 부분(532)은 제 2 음극 활성 표면 부분(542)의 반대를 향하는 제 1 음극 활성 표면 부분(541)을 포함하는 양면 음극(530)을 형성한다.
일부 실시예에서, 접힌 전기화학 셀의 특정 음극 부분의 활성 표면 부분은 특정 양극 활성 표면 부분을 대면한다. 예를 들어, 일부 경우에, 제 1 음극 활성 표면 부분은 제 1 양극 활성 표면 부분과 대면한다. 도 9B 및 10B는 특정 실시예에 따른 예시적인 전기화학 소자(400A) 및 예시적인 전기화학 소자(400B)의 횡단면도를 각각 도시하며, 여기서 각각 제 1 음극 활성 표면 부분(541)은 제 1 양극 활성 표면 부분(441)과 대면한다. 일부 경우에, 제 2 음극 활성 표면 부분은 제 2 양극 활성 표면 부분과 대면하고, 제 3 음극 활성 표면 부분은 제 3 양극 활성 표면 부분과 대면하며, 제 4 음극 활성 표면 부분은 제 4 양극 활성 표면 부분과 대면한다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 각각의 서로 대면하는 음극 활성 표면 부분과 양극 활성 표면 부분을 갖는 것은, 제조하기 상대적으로 쉽고 부피 에너지 밀도가 높은 구성의 복수의 전기화학 셀(예컨대, 전해질의 추가 시)을 포함할 수 있는 접힌 전기화학 소자에 이른다.
앞서 언급되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 분리기를 포함한다. 예를 들어, 도 9A 내지 9B 및 도 10A 내지 10B는 각각 분리기(450)를 포함하는 예시적인 전기화학 소자(400A) 및 예시적인 전기화학 소자(400B)를 각각 도시한다. 일부 경우에, 전기화학 소자가 접힌 실시예에서와 같이, 분리기 또한 접힌다. 일부 경우에, 분리기는 분리기의 제 1 부분이 제 1 양극 부분과 제 1 음극 부분 사이에 있도록 배열된다. 예를 들어, 도 9B를 참조하면, 분리기(450)의 제 1 부분(451)이 제 1 양극 부분(431)과 제 1 음극 부분(531) 사이에 있다. 일부 경우에, 분리기는 다중 양극 부분 및 음극 부분 사이에 위치하도록 배열된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 분리기는, 분리기의 제 1 부분이 제 1 양극 부분과 제 1 음극 부분 사이에 있고, 분리기의 제 2 부분이 제 2 양극 부분과 제 2 음극 부분 사이에 있으며, 분리기의 제 3 부분이 제 3 양극 부분과 제 3 음극 부분 사이에 있고, 분리기의 제 4 부분이 제 4 양극 부분과 제 4 음극 부분 사이에 있도록 배열된다. 예를 들어, 도 9B를 참조하면, 분리기(450)의 제 1 부분(451)은 제 1 양극 부분(431)과 제 1 음극 부분(531) 사이에 있고, 분리기(450)의 제 2 부분(452)은 제 2 양극 부분(432)과 제 2 음극 부분(532) 사이에 있으며, 분리기(450)의 제 3 부분(453)은 제 3 양극 부분(433)과 제 3 음극 부분(533) 사이에 있고, 분리기(450)의 제 4 부분(454)은 제 4 양극 부분(434)과 제 4 음극 부분(534) 사이에 있다. 이러한 배열은 연속적인 양극(430)을 포함하는 도 10B의 전기화학 소자(400B)에도 도시되어있다. 전기화학 소자의 분리기는, 특정 경우에, 구불구불한 분리기일 수 있다. 예를 들어, 도 9B의 분리기(450)는 특정 실시예에 따라 사형 분리기이다. 사형 분리기 및 다른 연속적인 분리기는, 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 회로 단락과 같은 문제를 방지하면서 전자적으로 절연이지만 전기화학 반응을 위한 이온 전도성의 경로를 제공하기 위한, 상대적으로 제조하기 쉽고 효율적인 접힌 전기화학 소자의 구성요소를 제공한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 전기화학 소자는 특정 순서로 배열된 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 전기화학 소자는 복수의 양극 부분, 복수의 음극 부분 및 분리기(예컨대, 사형 분리기)를 포함할 수 있고, 다음을 포함하는 전기화학 소자는 다음의 순서로 배열된다: 제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분, 제 1 분리기 부분, 제 1 음극 활성 표면을 포함하는 제 1 음극 부분, 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분, 제 2 분리기 부분, 제 2 음극 활성 표면을 포함하는 제 2 음극 부분, 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분, 제 3 분리기 부분, 제 3 음극 활성 표면을 포함하는 제 3 음극 부분, 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분, 제 4 분리기 부분 및 제 4 음극 활성 표면을 포함하는 제 4 음극 부분. 도 9B 및 도 10B는, 각각 이러한 순서로 배열된 이러한 구성요소를 포함하는 예시적인 전기화학 소자(400A) 및 예시적인 전기화학 소자(400B)를 각각 나타낸다. 구체적으로, 도 9B에서, 도면의 좌측으로부터 도면의 우측으로, 전기화학 소자(400A)는 순서대로 배열되는, 제 1 양극 활성 표면 부분(441)을 포함하는 제 1 양극 부분(431), 제 1 분리기 부분(451), 제 1 음극 활성 표면(541)을 포함하는 제 1 음극 부분(531), 제 2 양극 활성 표면 부분(442)을 포함하는 제 2 양극 부분(432), 제 2 분리기 부분(452), 제 2 음극 활성 표면(542)을 포함하는 제 2 음극 부분(532), 제 3 양극 활성 표면 부분(443)을 포함하는 제 3 양극 부분(433), 제 3 분리기 부분(453), 제 3 음극 활성 표면(543)을 포함하는 제 3 음극 부분(533), 제 4 양극 활성 표면 부분(444)을 포함하는 제 4 양극 부분(434), 제 4 분리기 부분(454) 및 제 4 음극 활성 표면(544)을 포함하는 제 4 음극 부분(534)을 포함한다.
앞에서 그리고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반드시 모든 경우는 아니지만 일부 경우에, 전기화학 소자는 기판을 포함한다. 예를 들어, 일부 경우에, 하나 이상의 전극은 기판 상에 (선택적으로, 집전체와 같은 하나 이상의 개재 층과 함께) 형성된다. 일부 경우에, 복수의 양극 중 하나 이상이 기판 상에 형성된다. 도 9A를 다시 참조하면, 특정 실시예에 따라, 예시적인 전기화학 소자(400A)는 기판(420)을 포함한다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 기판은 복수의 양극 부분 중 하나 이상에 인접한다. 예를 들어, 일부 경우에, 전기화학 소자는, 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분, 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분 각각에 인접한 기판을 포함한다. 도 9B를 다시 참조하면, 기판(420)은 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432), 제 3 양극 부분(433) 및 제 4 양극 부분(434) 각각에 인접한다. 특정 실시예에서, 전기화학 소자의 기판은 연속적이다. 예를 들어, 도 9A의 기판(420)은, 집전체(예컨대, 집전체 도메인) 및/또는 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432), 제 3 양극 부분(433) 및 제 4 양극 부분(434)과 같은, 전기화학 소자의 하나 이상의 구성요소가 위에 형성되는 중합체(예컨대, 릴리즈 층)를 포함하는 연속적인 시트일 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(예컨대, 기판(420))은, 아래에서 더 상세히 설명되는, 릴리즈 층이거나 이를 포함한다. 특정 경우에, 전기화학 소자가 접힐 때, 기판 또는 기판의 일부는 전기화학 소자의 특정 구성요소 사이에 위치한다. 일부 경우에, 기판의 일부는 제 2 양극 부분과 제 3 양극 부분 사이에 있다. 예를 들어, 도 9B의 전기화학 소자(400A) 또는 도 10B의 전기화학 소자(400B)에서, 기판 부분(421)은 제 2 양극 부분(432)과 제 3 양극 부분(433) 사이에 있다.
본 명세서에서 설명되는 전기화학 소자(예컨대, 접힌 전기화학 소자)는 앞서 언급한 바와 같은 하나 이상의 집전체를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 양극 집전체를 포함한다. 양극 집전체는 전기화학 소자의 양극 및/또는 복수의 양극 부분에 전자적으로 연결될 수 있다. 일부 경우에, 전기화학 소자의 각각의 양극 부분은 개별적인 집전체(예컨대, 별개의 개별 집전체)에 전자적으로 연결된다. 그러나, 일부 경우에, 전기화학 소자는 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분, 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분 각각에 전자적으로 연결되는 양극 집전체를 포함한다. 도 9A 내지 9B 및 도 10B 각각은 양극 집전체(425)를 포함하는 전기화학 소자를 도시한다. 특정 경우에, 양극 집전체(425)는 제 1 양극 부분(431), 제 2 양극 부분(432), 제 3 양극 부분(433) 및 제 4 양극 부분(434) 각각에 전자적으로 연결된다. 특정 경우에, 이러한 양극 집전체는 연속적인 양극 집전체이다. 예를 들어, 특정 실시예에 따라, 도 9A 내지 9B 및 도 10A 내지 10B의 양극 집전체(425)는 연속적이다. (예컨대, 복수의 집전체 세그먼트 및 집전체 브릿지를 포함하는 집전체 도메인을 포함하는 특정 구체적인 집전체 구성이 본 개시에서 설명되지만, 특정 경우에, 양극 집전체는 다른 구성을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 일부 경우에, 양극 집전체는 전자적으로 전도성 물질의 층이며, 일부가 제 1 양극 부분, 제 2 양극 부분, 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분에 (예컨대, 직접 인접하거나 또는 하나 이상의 개재 층과 함께) 인접한다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 음극 집전체 및/또는 음극 집전체 부분을 포함한다. 일 비제한적인 예시로서, 전기화학 소자는 제 1 음극 부분에 전자적으로 연결된 제 1 음극 집전체와 제 3 음극 부분에 전자적으로 연결된 제 2 음극 집전체를 포함할 수 있다. 도 9B를 참조하면, 특정 실시예에 따라, 전기화학 소자(400A)는 선택적인 제 1 음극 집전체 부분(524)과 선택적인 제 2 음극 집전체 부분(526)을 포함한다. 일부 경우에, 제 1 음극 집전체 부분과 제 2 음극 집전체 부분은 연속적인 음극 집전체의 일부이다. 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에 따라, 이러한 연속적인 음극 집전체의 사용은, 앞에서 및 아래에서 설명되는 다른 연속적인 구성요소의 경우와 같이, 용이한 제조 및 접힌 전기화학 소자의 음극 부분에 전자적인 연결을 형성하기 위한 편리한 배열을 제공할 수 있다. 제 1 음극 집전체 부분(524) 및 제 2 음극 집전체 부분(526)이 도 9B와 도 10B에서 연속적인 음극 집전체의 일부로서 도시되지는 않았으나, 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 제 1 음극 집전체 부분(524) 및 제 2 음극 집전체 부분(526)은 연속적인 음극 집전체의 일부라는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 부분적으로 펼쳐진 전기화학 소자(400A) 및 전기화학 소자(400B)를 각각 도시하는 도 9A 및 도 10A는, 특정 실시예에 따라, 연속적인 음극 집전체(525)를 나타낸다. 그러나 일부 경우에, 제 1 음극 집전체 부분 및 제 2 음극 집전체 부분은 개별적이다. 예를 들어, 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, 제 1 음극 집전체 부분(524) 및 제 2 음극 집전체 부분(526)은 개별적인 집전체이다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 제 1 음극 부분에 전자적으로 연결된 제 1 음극 집전체 및 제 3 음극 부분에 전자적으로 연결된 제 2 음극 집전체를 포함한다. 예를 들어, 특정 실시예에 따라, 제 1 음극 집전체 부분(524)은 제 1 음극 부분(531)에 전자적으로 연결되고, 제 2 음극 집전체(526)는 제 3 음극 부분(533)에 전자적으로 연결된다.
본 명세서에서 설명되고 도시되는 특정 전기화학 소자가 특정 수의 구성요소(예컨대, 4개의 양극 부분 및 4개의 음극 부분)를 사용하여 설명되지만, 본 명세서에서 설명되는 구성요소의 수는 비제한적이라는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 전기화학 소자는 제 5(또는 제 6, 또는 그 이상) 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 5(또는 제 6, 또는 그 이상) 양극 부분 및 제 5(또는 제 6, 또는 그 이상) 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 5(또는 제 6 이상) 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 5(또는 제 6, 또는 그 이상) 음극 부분을 포함할 수 있다. 추가적으로, 전기화학 소자가 "W"접힘(예컨대, 3개의 접힘을 갖는)으로 도시되지만, 일부 경우에 전기화학 소자는 추가적인 접힘(및 추가적인 양극과 음극 부분)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 적어도 3개의 접힘, 적어도 4개의 접힘, 적어도 5개의 접힘, 적어도 10개의 접힘 및/또는 최대 12개의 접힘, 최대 15개의 접힘, 최대 20개의 접힘 또는 그 이상을 가질 수 있다.
특정 실시예에서, 전기화학 소자(예컨대, 접힌 전기화학 소자)는 특정 양극 활성 물질 또는 특정 형상의 사용과 관련된 문제를 피하기 위해 구성 및 배열된다. 비제한적인 예시로서, 전기화학 소자의 하나 이상의 양극은, 특정 조건 하에서 덴드라이트(dendrite)를 형성할 수 있는 양극 활성 물질로서 리튬 및/또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. 다른 비제한적인 예시로서, 전기화학 소자의 하나 이상의 양극은, 양극의 특정 지역에서 불균일 활용 또는 과잉 활용을 겪을 수 있다. 일부 경우에, 양극(예컨대 양극 부분)의 치수 및/또는 방향은 일부 이러한 문제(예컨대, 특정 영역에서의 불균일 활용 또는 과잉 활용)를 해결하기 위해 구성된다.
이러한 특정 양극 물질과 관련된 특정 문제를 피하기 위한 하나의 방법은 전기화학 소자의 음극에 대하여 "대형(oversized)" 양극(또는 양극들)을 사용하는 것이다. 본 명세서에서 설명되는 특정 전기화학 소자(예컨대, 접힌 전기화학 소자)의 경우, "대형(oversized)" 양극은, 상대적으로 높은 비율의 음극(예컨대, 음극 부분) 둘레가 양극 활성 표면에 의해 중첩되도록 전기화학 소자를 구성함으로써 달성된다. 구체적으로 일부 실시예에서, 전기화학 소자는, 전기화학 소자의 모든 음극 활성 표면의 둘레의 합에 의해 정의되는 누적 음극 활성 표면 둘레를 포함한다. 복수의 음극 부분이 개별적인 경우에서, 전기화학 소자의 누적 음극 활성 표면 둘레는, 각 음극 부분의 음극 활성 표면의 둘레의 합에 의해 정의된다. 예를 들어, 도 11A를 참조하면, 예시적인 전기화학 소자의 유일한 음극이 음극 활성 표면(655)을 갖는 개별 음극 부분(650), 음극 활성 표면(665)을 갖는 개별 음극 부분(660) 및 음극 활성 표면(675)을 갖는 개별 음극 부분(670)인 경우, 전기화학 소자의 누적 음극 활성 표면 둘레는, 음극 활성 표면(655)의 둘레(즉, 음극 둘레 세그먼트(651)+음극 둘레 세그먼트(652)+음극 둘레 세그먼트(653)+음극 둘레 세그먼트(654)), 음극 활성 표면(665)의 둘레(즉, 음극 둘레 세그먼트(661)+음극 둘레 세그먼트(662)+음극 둘레 세그먼트(663)+음극 둘레 세그먼트(664)), 음극 활성 표면(675)의 둘레(즉, 음극 둘레 세그먼트(671)+음극 둘레 세그먼트(672)+음극 둘레 세그먼트(673)+음극 둘레 세그먼트(674))의 합이다.
다른 예시로서, 전기화학 소자가 단일 연속적인 음극을 포함하는 경우에, 전기화학 소자의 누적 음극 활성 표면 둘레는 그 연속적인 음극의 음극 활성 표면의 둘레이다. 예를 들어, 도 11b를 참조하면, 예시적인 소자의 유일한 음극이 음극 활성 표면(685)을 갖는 음극(680)인 경우, 누적 음극 활성 표면 둘레는, 음극 둘레 세그먼트(681), 음극 둘레 세그먼트(682), 음극 둘레 세그먼트(683) 및 음극 둘레 세그먼트(684)의 합이다.
일부 실시예에서, 상대적으로 높은 비율의 전기화학 소자의 누적 음극 활성 표면 둘레는 양극 활성 표면에 의해 중첩된다. 이러한 구성은, 반드시 모든 경우는 아니지만 일부 경우에, 접힌 전기화학 소자에서 덴드라이트 형성과 같은 특정 문제를 완화하는 데 유용할 수 있다. 음극 활성 표면의 둘레 상의 한 점은, 그 점과 교차하고 음극 둘레와 수직인 선 상에 양극 활성 표면에 의해 덮이는 음극 둘레 내부에 한 지점과 음극 둘레 외부에 한 지점이 존재하는 경우, 양극 활성 표면에 의해 중첩된다. 다시 말해, 음극 활성 표면의 둘레 상의 한 점은, 양극 활성 표면이 음극 활성 표면 둘레 지점에 도달하지 않거나 음극 활성 표면 둘레 지점에 직접 멈추는 대신 음극 활성 표면 둘레를 지나서 "확장(extends)"하는 경우, 음극 활성 표면 둘레에 의해 중첩된다.
도 12는 음극 활성 표면(640)(회색 음영으로 표시됨)의 평면도를 도시한다. 음극 활성 표면(640)의 적어도 일부가 양극 활성 표면(740)(대각선 빗금으로 표시됨)과 대면하고 있다. 도 12에서, 굵은 검정 실선으로 표시된 바와 같이, (지점 a부터 지점 b에 이르는)음극 둘레 세그먼트(632) 및 (지점 e부터 지점 f에 이르는)음극 둘레 세그먼트(634)가 각각 양극 활성 표면(740)에 의해 중첩된다. 한편, 양극 활성 표면(740)이 음극 둘레 세그먼트(622)에 도달하지만 이를 지나 확장하지 않으므로, (지점 a부터 지점 f에 이르는)음극 둘레 세그먼트(622)는 (굵은 점선으로 표시된 바와 같이) 양극 활성 표면(740)에 의해 중첩되지 않는다. (지점 b부터 지점 c에 이르는)음극 둘레 세그먼트(623), (지점 c부터 지점 d에 이르는)음극 둘레 세그먼트(624) 및 (지점 d부터 지점 e에 이르는)음극 둘레 세그먼트(625)는, 양극 활성 표면(740)이 음극 둘레 세그먼트(623), 음극 둘레 세그먼트(624) 또는 음극 둘레 세그먼트(625)에 도달하지 않기 때문에, 양극 활성 표면(740)에 의해 중첩되지 않는다. 음극 활성 표면(640)의 누적 음극 활성 표면 둘레가 음극 둘레 세그먼트(622), 음극 둘레 세그먼트(623), 음극 둘레 세그먼트(624), 음극 둘레 세그먼트(625), 음극 둘레 세그먼트(632) 및 음극 둘레 세그먼트(634)의 합으로 정의되는 경우에서, 양극 활성 표면(640)에 의해 중첩되는 누적 음극 활성 표면 둘레의 비율은 음극 둘레 세그먼트(632)와 음극 둘레 세그먼트(634)의 합을 누적 음극 활성 표면 둘레로 나눔으로써 결정된다. 일부 실시예에서, 누적 음극 활성 표면 둘레의 적어도 60%, 적어도 75%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 99% 또는 전부가 양극 활성 표면에 의해 중첩된다.
앞서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 앞서 설명된 (예컨대, 기판, 집전체 버스, 복수의 개별 전극 세그먼트 및 선택적으로 집전체 세그먼트와 집전체 브릿지를 포함하는) 물품은 전기화학 소자의 구성요소다. 도 4는 물품(100)을 포함하는 예시적인 전기화학 소자(200)의 개략도를 나타낸다. 일부 경우에, 본 명세서에서 설명되는 전기화학 셀(예컨대, 복수의 개별 전극 세그먼트를 갖는 물품을 포함하는 전기화학 소자)은 다중 셀 구조이다. 예를 들어, 도 4에서, 전기화학 소자(200)는 다중 셀 구조이다. 일부 이러한 전기화학 소자는 배터리(예컨대, 재충전가능 리튬 이온 배터리)의 일부로 유용할 수 있다.
(예컨대, 물품을 포함하는)전기화학 소자는 제 2 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 다시 참조하면, 전기화학 소자(200)는 제 2 전극(230)을 포함한다. 제 2 전극은 임의의 적합한 전극 활성 물질을 포함하거나 이로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 전극은 복수의 개별 전극 세그먼트의 극성과 반대인 극성을 가진다. 일반적으로, 두 전극은 하나가 양극이고 다른 하나가 음극인 경우 극성이 반대이다. 예를 들어, 복수의 개별 전극 세그먼트(예컨대, 복수의 개별 전극 세그먼트(130))가 복수의 양극인 일부 경우에, 전기화학 소자의 제 2 전극(예컨대, 제 2 전극(233))은 음극이다. 반대의 배열 또한 가능하다. 특정 경우에, 복수의 개별 전극 세그먼트의 활성 표면은 제 2 전극의 활성 표면과 대면한다. 예를 들어, 도 4에서, 개별 전극 세그먼트(130a)는 활성 표면(131)을 포함하고, 제 2 전극(230)은 활성 표면(231)을 포함하며, 활성 표면(131)은 활성 표면(231)과 대면한다.
전기적 접촉은 임의의 적합한 기술을 사용하여 제 2 전극과 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극은 제 2 집전체와 전기적 접촉을 할 수 있다. 도 4는 제 2 전극(230)과 인접하고 전자적으로 연결되는 제 2 집전체(225)를 나타낸다. 앞서 설명된 집전체 도메인과 마찬가지로, 제 2 집전체는 임의의 적합한 전자적으로 전도성의 물질(예컨대, 알루미늄과 같은 전자적으로 전도성의 금속)을 포함하거나 이로 만들어질 수 있다. 제 2 집전체는 제 2 전극과 바로 인접할 수 있거나(예컨대, 제 2 집전체(225)는 제 2 전극(230)과 직접 접촉할 수 있음) 또는 하나 이상의 개재 층(예컨대, 프라이머(primer) 층)이 (예컨대, 제 2 전극과 제 2 집전체 사이의 접착을 용이하게 하기 위해) 제 2 전극과 제 2 집전체 사이에 배치될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 집전체 세그먼트와 제 2 전극 사이에 개입된 분리기를 포함한다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 전기화학 소자(200)는 복수의 개별 전극 세그먼트(130)(예컨대, 복수의 양극)와 제 2 전극(230)(예컨대, 음극) 사이에 개입된 분리기(250)를 포함한다. 분리기는 양극과 음극을 전자적으로 분리하여 서로 전자적인 회로 단락을 방지하고, 양극과 음극 사이의 이온 수송을 허용하는, 전자적으로 비전도성 또는 전자적으로 절연성의 고체 물질일 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기는 다공성(porous)일 수 있고 전해질에 대해 투과성일 수 있다. 특정 경우 분리기는 연속적이며, 이는 전기화학 소자의 하나 이상의 전극(예컨대, 제 2 전극)이 연속적인 경우에 유용할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 특정 실시예에 따라, 분리기(250)가 연속적인 것으로 도시된 분리기(250)의 도시를 나타낸다.
분리기의 포어(pore)는 부분적으로 또는 실질적으로 전해질로 채워질 수 있다. 분리기는 셀의 제조 동안 양극과 음극이 삽입되는 다공성 독립형 막으로서 공급될 수 있다. 대안적으로, 다공성 분리기 층은, 예를 들어, Carlson 외의 PCT 공개 WO 99/33125호 및 Bagley 외의 미국 특허 제5,194,341호에서 설명되는 바와 같이, 하나의 전극의 표면에 직접 적용될 수 있다.
다양한 분리기 물질이 당업계에 알려져 있다. 적합한 고체 다공성 분리기 물질의 예시는 예를 들어 폴리에틸렌(예컨대, Tonen Chemical 사의 SETELA™)과 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀(polyolefin), 유리 섬유 여과지 및 세라믹 물질을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 분리기는 미세다공성(microporous) 폴리에틸렌 막을 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 (전기화학 셀을 포함하는) 전기화학 소자에서 사용하기에 적합한 분리기 및 분리기 물질의 다른 예는 미세다공성 크세로겔(xerogel) 층, 예를 들어, 미세다공성 유사-베마이트(pseudo-boehmite) 층을 포함하는 것들이며, 이는, 공동 양수인의 Carlson 외의 미국 특허 제6,153,337호 및 제6,306,545호 지지층이 없는 막(free standing film)으로서 또는 하나의 전극(예컨대, 복수의 개별 전극 세그먼트, 제 2 전극) 상에 직접 코팅 적용을 통하여 제공될 수 있다. 고체 전해질 및 겔 전해질은 자신들의 전해질 기능에 더하여 분리기로서 또한 기능할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자는 복수의 개별 제 2 전극을 포함한다. 예를 들어, 도 6A는 분리기(250)에 의해 물품(100)으로부터 분리된 (제 2 집전체(225)에 전자적으로 연결된) 제 2 전극(230)을 포함하는 복수의 개별 제 2 전극을 포함하는 전기화학 소자(200)의 비제한적인 실시예를 나타낸다. 특정 실시예에 따라, 도 6A의 물품(100)은 기판(120), 복수의 개별 전극 세그먼트(130), 집전체 세그먼트(122)를 포함하는 복수의 집전체 세그먼트, 집전체 브릿지 및 집전체 버스(도시되지 않음)를 포함한다. 특정 경우에, 개별 제 2 전극은 양면 전극(예컨대, 두 면 모두 전극 활성 물질과 활성 표면을 포함하며, 제 1 면 및 제 1 면의 반대를 향하는 제 2 면을 갖는 전극)이다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자(200)는 본 명세서에서 설명된 물품의 접음 또는 다른 예시적인 전기화학 소자에 관하여 앞서 설명된 바와 비슷한 방식으로 접힐 수 있다. 예를 들어, 도 6A를 참조하면, 특정 실시예에 따라, 물품(100) 및 분리기(250)(예컨대, 연속적인 분리기)는, 복수의 개별 제 2 전극(예컨대 제 2 전극(230)) 각각이 분리기(250)의 접힌 부분에 의해 덮이면서, 표시된 바와 같이 접히고 두 블록 화살표에 의해 표시된 방향으로 함께 눌러진다. 접힌 전기화학 소자를 포함하는 배터리(예컨대, 도 6A에 나타난 바와 같은 접힌 다중 셀 구조)는 적층 구조를 갖는 배터리보다 생산하기 쉽고 빠를 수 있다. (예컨대, 외부 부하로의) 전기적 연결은, 물품(예컨대, 물품(100))의 집전체 버스뿐만 아니라 개별 제 2 집전체(예컨대, 도 6A의 제 2 집전체(225))를 통해 개별 제 2 전극을 포함하는 전기화학 소자의 이러한 실시예로 이뤄질 수 있다.
복수의 개별 제 2 전극이 개별 제 2 집전체와 관련된 것으로 설명하였지만, 전기화학 소자는, 복수의 개별 제 2 전극에 인접하는 연속적인 제 2 집전체 세그먼트를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 (예컨대, 연속적인 전자적으로 전도성 층 상에 제 2 전극의 전극 활성 물질을 스킵 코팅함으로써) 훨씬 더 용이한 제조를 허용할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자는 연속적인 제 2 전극을 포함한다. 예를 들어, 도 6B는 연속적인 분리기(250)에 의해 물품(100)으로부터 분리된 연속적인 제 2 전극(230)(제 2 집전체(225)에 전자적으로 연결됨)을 포함하는 전기화학 소자(200)의 비제한적인 실시예를 나타낸다. 앞서 설명된 개별 제 2 전극이 있는 경우와 같이, 도 6B에 도시된 전기화학 소자(200)의 실시예는, 특정 실시예에서, 접힐 수 있다. 예를 들어, 도 6B를 참조하면, 특정 실시예에 따라, 물품(100), 분리기(250)(예컨대, 연속적인 분리기), 제 2 전극(230) 및 연속적인 제 2 집전체(225)는, 제 2 전극(230)의 접힌 부분의 각각이 분리기(250)의 접힌 부분에 의해 덮이는 양면 전극을 효과적으로 형성하면서, 표시된 바와 같이 접히고 두 블록 화살표에 의해 표시된 방향으로 함께 눌러진다. (예컨대, 외부 부하로의) 전기적 연결은, 예를 들어 연속적인 제 2 집전체의 접힘에서 이루어질 수 있다.
연속적인 제 2 집전체에 연결된 복수의 개별 제 2 전극 및/또는 연속적인 제 2 전극을 포함하는 일부 이러한 접힌 전기화학 소자의 유용한 특징은, 일부 이러한 경우, 제 2 전극에 사용가능한 연속적인 전자 전도성의 경로가 있다는 것이다. 따라서, 제 2 집전체와 외부 회로 사이의 전기적 연결이 (예컨대, 제조 손상 때문에 또는 전기화학 소자에 대한 손상 때문에) 단절되는 경우, 단절된 전기적 연결에 가까운 영역의 제 2 전극에서 생성되는 전류는 단절되지 않은 전기적 연결에 도달할 때까지 제 2 집전체를 따라 흐를 수 있다.
일부 경우에, 전기화학 소자 내 적어도 하나의 개별 전극 세그먼트는 (예컨대, 적어도 부분적으로 전기화학 소자 내 물품의 기판의 부피 변화로 인해) 집전체 버스와의 전자적 연결을 잃는다. 특정 경우, 본 명세서에서 설명되는 구성을 갖는 물품으로 인해, 전기화학 소자는, 적어도 하나의 전극 세그먼트와 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실 이후로도 여전히 충전 및/또는 방전될 수 있다. 도 6B를 참조하면, 일부 경우에, 개별 전극 세그먼트(130a)는 (예컨대, 기판(120)의 열-유도 부피 변화로 인해) 집전체 버스(도시되지 않음)와의 전자적 연결을 잃는다. 그러나, 특정 실시예에 따라, 도 6B의 전기화학 소자(200)는 개별 전극 세그먼트(130a)와 집전체 버스의 연결 손실 이후에도 여전히 충전/방전될 수 있다. 이는, 개별 전극 세그먼트(130a)와 집전체 버스 사이의 연결 손실은 개별 전극 세그먼트(130a)가 전기화학 소자(200)의 나머지로부터 전자적으로 분리되도록 남기지만(열 폭주와 같은 문제를 방지), 남은 개별 전극 세그먼트의 적어도 일부가 여전히 집전체 버스에 전자적으로 연결되어있어, 전기화학 소자(200)가 충전/방전되도록 하기 때문이다.
앞서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 물품의 기판 또는 전기화학 소자는 릴리즈 층이거나 이를 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 릴리즈 층은 다음과 같은 특징, 제 1 층(예컨대, 집전체 도메인, 복수의 개별 전극 세그먼트, 또는 다른 실시예에서, 기판의 다른 층, 또는 다른 층)에 상대적으로 양호하고 제 2 층(예컨대, 물품의 제조에 사용되는 구조로부터)에 상대적으로 적당하거나 불량한 접착력, 기계적인 붕괴 없이 박리를 촉진하는 높은 기계적 안정성, 높은 열 안정성, 및 공정 조건과의 호환성(예컨대, 릴리즈 층을 형성하는 데 사용되는 기술 뿐만 아니라 릴리즈 층 상부에 층의 증착과의 호환성) 중 하나 이상을 갖도록 구성 및 배열된다. 릴리즈 층이 전기화학 소자(예컨대, 전기화학 셀)에 통합된 경우, 릴리즈 층은 전체 배터리 중량을 줄이기 위해 얇을 수 있다(예컨대, 약 10 마이크론 미만). 릴리즈 층은 또한 릴리즈 층 상부에 균일한 층의 형성을 용이하게 하기 위해 매끄럽고 두께가 균일하여야 한다. 또한, 전기화학 셀이 높은 전기화학 "용량(capacity)" 또는 에너지 저장 능력(즉, 감소된 용량 퇴색)을 갖도록 하기 위해, 릴리즈 층은 전해질에서 안정하여야 하고 전해질의 구조적 무결성을 방해하면 안 된다. 전기화학 소자의 하나 이상의 구성요소로부터 물체를 제거하기 위한 릴리즈 층의 사용은 "Release System for Electrochemical Cells"이라는 명칭으로, 2010년 8월 24일에 출원된, 미국 특허 출원 제12/862,513호에서 상세히 설명된다.
기판 및/또는 릴리즈 층은, 예를 들어, 세라믹, 중합체 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 기판 및/또는 릴리즈 층은 반-전도성이거나 절연성일 수 있다. 일부 실시예에서, 기판 및/또는 릴리즈 층은 중합체 물질을 포함한다. 일부 경우에, 기판 및/또는 릴리즈 층의 중합체 물질의 적어도 일부는 가교되고(crosslinked), 다른 경우, 중합체 물질(들)은 실질적으로 가교되지 않는다. 중합체 물질의 예시는, 예를 들어, 폴리비닐 알코올(poly vinyl alcohol), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리비닐 포르말(polyvinyl formal), 비닐 아세테이트-비닐 알코올 공중합체(vinyl acetate-vinyl alcohol copolymers), 에틸렌-비닐 알코올 공중합체(ethylene-vinyl alcohol copolymers) 및 비닐 알코올-메틸 메타크릴레이트 공중합체(vinyl alcohol-methyl methacrylate copolymers)와 같은 히드록실 함유 중합체를 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 반드시 모든 실시예는 아니지만 일부 실시예에서, (예컨대, 릴리즈 층을 포함한) 기판은 열수축성 막을 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 전극(예컨대, 전기화학 소자의 복수의 개별 전극 세그먼트, 제 2 전극)은 다양한 양극 활성 물질을 포함하는 양극일 수 있다. 예를 들어, 양극은 리튬 함유 물질을 포함할 수 있으며, 여기서 리튬은 양극 활성 물질이다. 본 명세서에서 설명되는 양극에서 양극 활성 물질로서 사용하기에 적합한 전기활성 물질은 전도성 기판에 증착된 리튬 호일 및 리튬과 같은 리튬 금속과 리튬 합금(예컨대, 리튬-알루미늄 합금 및 리튬-주석 합금)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 기판 상에 부극(negative electrode) 물질(예컨대, 리튬과 같은 알칼리 금속 양극)을 증착하기 위한 방법은 열 증발, 스퍼터링, 제트 증기 증착 및 레이저 어블레이션(laser ablation)과 같은 방법을 포함한다. 대안적으로, 양극이 리튬 호일 또는 리튬 호일 및 기판을 포함하는 경우, 이들은 양극을 형성하기 위해 당업계에 알려진 적층 공정에 의해 함께 적층될 수 있다.
일부 실시예에서, 양극은 방전 동안 리튬 이온이 유리되고(liberated), 충전 동안 리튬 이온이 통합(예컨대, 삽입)되는 전극이다. 일부 실시예에서, 양극 활성 물질은 리튬 삽입 화합물(예컨대, 리튬 이온을 격자 부위 및/또는 틈새 부분에 가역적으로 삽입할 수 있는 화합물)이다. 일부 실시예에서, 양극 활성 물질은 탄소를 포함한다. 특정 경우에, 양극 활성 물질은 흑연의 물질(예컨대, 흑연)이거나 이를 포함한다. 흑연의 물질은 복수의 그래핀 층(즉, 육각 격자에 공유 결합된 탄소 원자를 포함하는 층)을 포함하는 물질을 지칭한다. 일부 경우에 하나 이상의 시트 사이에 공유 결합이 존재할 수 있지만, 인접한 그래핀 층은 일반적으로 반 데르 발스 힘을 통해 서로 끌어당긴다. 일부 경우에, 탄소 포함 양극 활성 물질은 코크스(coke)(예컨대, 석유 코크스)이거나 이를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 양극 활성 물질은 규소, 리튬 및/또는 이들의 조합의 임의의 합금을 포함한다. 특정 실시예에서, 양극 활성 물질은 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12, "LTO"로도 지칭됨), 주석-코발트 산화물 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일 실시예에서, 양극의 전기활성 리튬 함유 물질은 50중량% 초과의 리튬을 포함한다. 다른 실시예에서, 양극의 전기활성 리튬 함유 물질은 75중량% 초과의 리튬을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 양극의 전기활성 리튬 함유 물질은 90중량% 초과의 리튬을 포함한다. 양극에서의 사용에 적합한 추가적인 물질 및 배열은, 예를 들어, "Application of Force in Electrochemical Cells"라는 명칭으로, 2009년 8월 4일에 출원된, Scordilis-Kelly 외의 미국 특허 공개 제2010/0035128호에서 설명되며, 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 통합된다.
본 명세서에서 설명되는 전극(예컨대, 전기화학 소자의 복수의 개별 전극 세그먼트, 제 2 전극)은 음극 활성 물질을 포함하는 음극일 수 있다. 음극에서 음극 활성 물질로서 사용하기에 적합한 전기활성 물질은 하나 이상의 금속 산화물, 하나 이상의 삽입 물질, 전기활성 전이 금속 칼코겐화물(chalcogenide), 전기활성 전도성 중합체, 황, 탄소 및/또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예에서, 음극 활성 물질은 하나 이상의 금속 산화물을 포함한다. 일부 실시예에서, 삽입 음극(예컨대, 리튬-삽입 음극)이 사용될 수 있다. 전기활성 물질의 이온(예컨대, 알칼리 금속 이온)을 삽입할 수 있는 적합한 물질의 비제한적인 예시는 금속 산화물, 황화티타늄 및 황화철을 포함한다. 일부 실시예에서, 음극은 리튬 전이 금속 산화물 또는 리튬 전이 금속 인산염을 포함하는 삽입 음극이다. 추가적인 예시는 LixCoO2 (예컨대, Li1.1CoO2), LixNiO2, LixMnO2, LixMn2O4 (예컨대, Li1.05Mn2O4), LixCoPO4, LixMnPO4, LiCoxNi(1-x)O2, 및 LiCoxNiyMn(1-x-y)O2(예컨대, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, LiNi3/5Mn1/5Co1/5O2, LiNi4/5Mn1/10Co1/10O2, LiNi1/2Mn3/10Co1/5O2)를 포함한다. x는 0 이상 및 2 이하일 수 있다. x는 일반적으로, 전기화학 소자가 완전히 방전된 경우 1 이상 및 2 이하이고, 전기화학 소자가 완전히 충전된 경우 1 이하이다. 일부 실시예에서, 완전 충전된 전기화학 소자는 1 이상 및 1.05 이하, 1 이상 및 1.1 이하, 또는 1 이상 및 1.2 이하인 x의 값을 가질 수 있다. 추가적인 예시는 LixNiPO4(여기서, 0 < x ≤ 1), LiMnxNiyO4(여기서, x + y = 2)(예컨대, LiMn1.5Ni0.5O4), LiNixCoyAlzO2(여기서, x + y + z =1), LiFePO4 및 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 음극 내 전기활성 물질은, 특정 실시예에서, 붕산염 및/또는 규산염으로 치환될 수 있는 리튬 전이 금속 인산염(예컨대, LiFePO4)을 포함한다.
앞서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 음극 활성 물질은 하나 이상의 칼코겐화물을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는, 용어 "칼코겐화물(chalcogenide)"은 하나 이상의 산소, 황 및 셀레늄 원소를 함유하는 화합물에 관한 것이다. 적합한 전이 금속 칼코겐화물의 예시는 Mn, V, Cr, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os 및 Ir으로 이루어진 그룹에서 선택되는 전이 금속의 전기활성 산화물, 황화물 및 셀렌화물(selenide)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 전이 금속 칼코겐화물은, 다음 물질, 니켈, 망간, 코발트 및 바나듐의 전기활성 산화물과 철의 전기활성 황화물로 이루어진 그룹에서 선택된다. 일 실시예에서, 음극은 이산화망간(manganese dioxide), 요오드(iodine), 크롬산은(silver chromate), 산화은(silver oxide) 및 오산화바나듐(vanadium pentoxide), 산화구리(copper oxide), 옥시인산구리(copper oxyphosphate), 황화납(lead sulfide), 황화구리(copper sulfide), 황화철(iron sulfide), 비스무트산납(lead bismuthate), 삼산화비스무트(bismuth trioxide), 이산화코발트(cobalt dioxide), 염화구리(copper chloride), 이산화망간(manganese dioxide) 및 탄소 중 하나 이상을 포함한다. 다른 실시예에서, 음극 활성 층은 전기활성 전도성 중합체를 포함한다. 전기활성 전도성 중합체의 적합한 예시는 폴리피롤(polypyrroles), 폴리아닐린(polyanilines), 폴리페닐렌(polyphenylenes), 폴리티오펜(polythiophenes) 및 폴리아세틸렌(polyacetylenes)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 전기활성 및 전자적으로 전도성인 중합체를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 전도성 중합체의 예시는 폴리피롤(polypyrroles), 폴리아닐린(polyanilines) 및 폴리아세틸렌(polyacetylenes)을 포함한다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 음극에서 음극 활성 물질로서 사용하기 위한 전기활성 물질은 전기활성 황-함유 물질을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "전기활성 황-함유 물질"은 임의의 형태의 원소 황을 포함하는 음극 활성 물질과 관련되며, 여기서 전기화학적 활성은 황 원자 또는 모이어티(moiety)의 산화 또는 환원을 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 전기활성 황-함유 물질의 본질은 당업계에 알려진 바와 같이 광범위하게 변할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전기활성 황-함유 물질은 황 원소를 포함한다. 다른 실시예에서, 전기활성 황-함유 물질은 황 원소와 황-함유 중합체의 혼합물을 포함한다. 따라서, 적합한 전기활성 황-함유 물질은 황 원소 및, 중합체일 수 있거나 중합체가 아닐 수도 있는, 황 원자와 탄소 원자를 포함하는 유기 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 적합한 유기 물질은 헤테로원자, 전도성 중합체 세그먼트, 복합재 및 전도성 중합체를 더 포함하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 음극 활성 물질의 전기활성 황-함유 물질은 50중량% 초과의 황을 포함한다. 다른 실시예에서, 전기활성 황-함유 물질은 75중량% 초과의 황을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 전기활성 황-함유 물질은 90중량% 초과의 황을 포함한다.
본 발명의 음극은 약 20 내지 100중량%의 전기활성 음극 물질을 포함할 수 있다(예컨대, 음극 활성 층으로부터 적절한 양의 용매가 제거된 후 및/또는 층이 적절하게 중합된 후 측정 시). 일 실시예에서, 음극의 전기활성 황-함유 물질의 양은 5 내지 30중량% 범위에 있다. 다른 실시예에서, 음극의 전기활성 황-함유 물질의 양은 20 내지 90중량% 범위에 있다.
음극에서 사용하기에 적합한 추가적인 물질 및 음극을 제조하기 위한 적합한 방법은, 예를 들어, "Novel Composite Cathodes, Electrochemical Cells Comprising Novel Composite Cathodes, and Processes for Fabricating Same"이라는 명칭으로, 1997년 5월 21일 출원된, 미국 특허 제5,919,587호 및 "Application of Force in Electrochemical Cells"라는 명칭으로, 2009년 8월 4일 출원된, Scordilis-Kelly 외의 미국 특허 공개 제2010/0035128호에서 설명되며, 각 내용은 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자의 전극(예컨대, 개별 전극 세그먼트, 양극 부분)은 중합체, 세라믹 및/또는 유리로 형성된 하나 이상의 코팅 또는 층을 포함한다. 코팅은 보호층 역할을 할 수 있으며, 상이한 기능을 제공할 수 있다. 이러한 기능은, 회로 단락을 야기할 수 있는 재충전 동안의 덴드라이트 형성을 방지하는 것, 전극 활성 물질과 전해질의 반응을 방지하는 것 및 사이클 수명 개선을 포함할 수 있다. 이러한 보호 층의 예시는 Affinito 외의 미국 특허 제8,338,034호와 Laramie 외의 미국 특허 공개 제2015/0236322호에서 설명된 것을 포함하며, 각 내용은 모든 목적을 위해 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 명세서에서 설명되는 전기화학 소자는 전해질을 포함한다. 전해질은 이온의 저장과 수송을 위한 매질로서 기능할 수 있으며, 고체 전해질과 겔 전해질의 특수한 경우에서, 이러한 물질은 양극과 음극 사이의 분리기로서 추가적으로 기능할 수 있다. 물질이 양극과 음극 사이에서 이온(예컨대, 리튬 이온)의 수송을 용이하게 하는 한, 이온을 저장하고 수송할 수 있는 임의의 액체, 고체 또는 겔 물질이 사용될 수 있다. 전해질은 양극과 음극 사이의 회로 단락을 방지하도록 전자적으로 비전도성이다. 일부 실시예에서, 전해질은 비고체 전해질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전해질은 제조 공정의 임의의 지점에서 추가될 수 있는 유체를 포함한다. 일부 경우에, 전기화학 소자는 음극과 양극을 제공하고, 양극의 활성 표면에 수직인 이방성 힘 성분을 인가한 후, 전해질이 음극 및 양극과 전기화학적으로 교류하도록 유체 전해질을 추가함으로써 제조될 수 있다. 다른 경우에, 유체 전해질은, 이방성 힘 성분의 인가 전에 또는 이와 동시에 전기화학 소자에 추가될 수 있고, 그 후에 전해질은 음극 및 양극과 전기화학적으로 교류한다.
전해질은 이온 전도성을 제공하는 하나 이상의 이온성 전해질 염과 하나 이상의 액체 전해질 용매, 겔 중합체 물질 또는 중합체 물질을 포함할 수 있다. 적합한 비수성(non-aqueous) 전해질은 액체 전해질, 겔 중합체 전해질 및 고체 중합체 전해질로 이루어진 그룹 중 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 유기 전해질을 포함할 수 있다. 리튬 배터리용 비수성 전해질의 예시는 Droniney의 Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, 챕터 4, 페이지 137-165, Elsevier, Amsterdam (1994)에서 설명된다. 겔 중합체 전해질 및 고체 중합체 전해질의 예시는 Alamgir 외의 Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, 챕터 3, 페이지 93-136, Elsevier, Amsterdam (1994)에서 설명된다. 본 명세서에서 설명되는 배터리에 사용될 수 있는 이종(heterogeneous) 전해질 조성물은, Mikhaylik 외에 의해 "Separation of Electrolytes"라는 명칭으로 2009년 5월 26일에 출원된, 미국 특허 출원 제12/312,764호에서 설명되며, 이는 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
유용한 비수성 액체 전해질 용매의 예시는, 예를 들어, N-메틸 아세트아미드(N-methyl acetamide), 아세토니트릴(acetonitrile), 아세탈(acetals), 케탈(ketals), 에스테르(esters), 탄산염(carbonates), 설폰(sulfones), 설파이트(sulfites), 설포란(sulfolanes), 지방족 에테르(aliphatic ethers), 사이클릭 에테르(cyclic ethers), 글라임(glymes), 폴리에테르(polyethers), 포스페이트 에스테르(phosphate esters), 실록산(siloxanes), 디옥솔란(dioxolanes), N-알킬피롤리돈(N-alkylpyrrolidones), 전술한 것의 치환된 형태 및 이들의 혼합물과 같은 비수성 유기 용매를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 전술한 것의 플루오르화 유도체 또한 액체 전해질 용매로서 유용하다.
일부 경우에, 예를 들어 리튬 셀에서, 수성 용매가 전해질로 사용될 수 있다. 수성 용매는 물을 포함할 수 있으며, 이는 이온성 염과 같은 다른 성분을 함유할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 전해질은 수산화리튬과 같은 종 또는 전해질에서 수소 이온의 농도를 감소시키기 위해 전해질을 염기성으로 만드는 다른 종을 포함할 수 있다.
액체 전해질 용매는 또한 겔 중합체 전해질, 즉 반고체(semi-solid) 네트워크를 형성하는 하나 이상의 중합체를 포함하는 전해질용 가소제(plasticizer)로서 유용할 수 있다. 유용한 겔 중합체 전해질의 예시는, 폴리에틸렌 산화물(polyethylene oxides), 폴리프로필렌 산화물(polypropylene oxides), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitriles), 폴리실록산(polysiloxanes), 폴리이미드(polyimides), 폴리포스파젠(polyphosphazenes), 폴리에테르(polyethers), 설폰화 폴리이미드(sulfonated polyimides), 퍼플루오르화 멤브레인(perfluorinated membranes)(NAFION 수지), 폴리디비닐 폴리에틸렌 글리콜(polydivinyl polyethylene glycols), 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(polyethylene glycol diacrylates), 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(polyethylene glycol dimethacrylates), 폴리설폰(polysulfones), 폴리에테르설폰(polyethersulfones), 전술한 곳의 유도체, 전술한 것의 공중합체, 전술한 것의 가교된 및 네트워크 구조 및 전술한 것의 혼합물과, 선택적으로 하나 이상의 가소체로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 중합체를 포함하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 겔 중합체 전해질은 10 내지 20부피%, 20 내지 40부피%, 60 내지 70부피%, 70 내지 80부피%, 80 내지 90부피% 또는 90 내지 95부피%의 이종 전해질을 포함한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 고체 중합체는 전해질을 사용하는 데 사용될 수 있다. 유용한 고체 중합체 전해질의 예시는 폴리에테르, 폴리에틸렌 산화물, 폴리프로필렌 산화물, 폴리이미드, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 폴리실록산, 전술한 것의 유도체, 전술한 것의 공중합체, 전술한 것의 가교된 및 네트워크 구조 및 전술한 것의 블렌드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 중합체를 포함하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
전해질을 형성하기 위한 당업계에 알려진 전해질 용매, 겔 약제 및 중합체에 더하여, 당업계에도 알려진 바와 같이, 전해질은 이온 전도도를 높이기 위해 하나 이상의 이온성 전해질을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 전기화학 소자(예컨대, 전기화학 셀)의 전해질에서 사용하기 위한 이온성 전해질의 예시는 LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, LiN(SO2CF3)2 및 리튬 비스(플루오로설포닐)이미드(LiFSI)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 유용할 수 있는 다른 전해질 염은 리튬 폴리설파이드(Li2Sx) 및 유기 폴리설파이드의 리튬 염(LiSxR)n을 포함하며, 여기서 x는 1 내지 20의 정수, n은 1 내지 3의 정수 및 R은 유기그룹이고, Lee 외의 미국 특허 제5,538,812호에 개시된 것들이며, 이는 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.
일부 실시예에서, 전해질은 하나 이상의 실온 이온성 액체를 포함한다. 실온 이온성 액체는, 존재 시, 일반적으로 하나 이상의 양이온 및 하나 이상의 음이온을 포함한다. 적합한 양이온의 비제한적인 예시는 리튬 양이온 및/또는 이미다졸륨(imidazolium), 피롤리디늄(pyrrolidinium), 피리디늄(pyridinium), 테트라알킬암모늄(tetraalkylammonium), 피라졸륨(pyrazolium), 피페리디늄(piperidinium), 피리다지늄(pyridazinium), 피리미디늄(pyrimidinium), 피라지늄(pyrazinium), 옥사졸륨(oxazolium) 및 트리졸륨(trizolium) 양이온과 같은 하나 이상의 4차 암모늄 양이온을 포함한다. 적합한 음이온의 비제한적인 예시는 트리플루오로메틸설포네이트(trifluromethylsulfonate)(CF3SO3 -), 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide)(N(FSO2)2 -), 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)((CF3SO2)2N-), 비스(퍼플루오로에틸설포닐)이미드(bis(perfluoroethylsulfonyl)imide)((CF3CF2SO2)2N-) 및 트리스(트리플루오로메틸설포닐)메티드(tris(trifluoromethylsulfonyl)methide)((CF3SO2)3C-)를 포함한다. 적합한 이온성 액체의 비제한적인 예시는 N-메틸-N-프로필피롤리디늄/비스(플루오로술포닐)이미드(N-methyl-N-propylpyrrolidinium/bis(fluorosulfonyl) imide) 및 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨/비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium/bis(trifluoromethanesulfonyl)imide )를 포함한다. 일부 실시예에서, 전해질은 실온 이온성 액체 및 리튬 염을 포함한다. 일부 다른 실시예에서, 전해질은 실온 이온성 액체를 포함하나, 리튬 염은 포함하지 않는다.
본 명세서에서 설명되는 일부 실시예에서, 힘, 또는 힘들이 전기화학 소자의 일부에 인가된다. 힘의 이러한 인가는 (예컨대, 리튬 금속 또는 리튬 합금 양극이 사용되는 경우) 셀의 전극 표면의 불규칙성 또는 거칠어짐을 줄일 수 있고, 이에 따라 성능을 향상시킨다. 이방성 힘이 인가되는 전기화학 소자와 이러한 힘을 인가하는 방법은, 예를 들어, "Application of Force in Electrochemical Cells"라는 제목으로, 2015년 8월 11일에 발행된 미국 특허 제9,105,938호, 2010년 2월 11일에 공개된 미국 특허 공개 제2010/0035128호에서 설명되며, 이는 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
일부 경우에, 힘은 전기화학 소자의 양극의 활성 표면에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 실시예에서, 전기화학 소자(예컨대, 재충전가능 배터리)는 충전 시 양극의 표면 상에 금속 (예컨대, 리튬 금속 또는 다른 활성 물질)의 증착 및 양극 표면 상에 금속의 반응을 포함하는 충전/방전 주기를 겪을 수 있고, 여기서 방전 시 금속은 양극 표면에서 확산된다. 금속이 양극에 증착되는 균일성은 셀 성능에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속이 양극으로부터 제거되고/되거나 재증착되는 경우, 일부 경우에, 이는 고르지 않은 표면을 초래할 수 있다. 예를 들어, 재증착 시, 고르지 않게 증착하여 거친 표면을 형성할 수 있다. 거칠어진 표면은 감소된 사이클링 수명 및/또는 열악한 셀 성능을 초래할 수 있는 바람직하지 않은 화학 반응에 이용 가능한 리튬 금속의 양을 증가시킬 수 있다. 전기화학 소자에 대한 힘의 인가는, 본 명세서에서 설명되는 특정 실시예에 따라, 이러한 동작을 감소시키고 셀의 사이클링 수명 및/또는 성능을 개선하는 것으로 밝혀졌다.
일부 실시예에서, 전기화학 소자는, 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안, 제 1 양극 활성 표면 부분에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 인가하도록 구성 및 배열된다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 예시적인 접힌 전기화학 소자를 도시하는 도 9B를 다시 참조하면, 힘은 화살표(481)의 방향으로 인가될 수 있다. 화살표(482)는 제 1 음극 부분(531)의 제 1 음극 활성 표면 부분(541)뿐만 아니라 제 1 양극 부분(431)의 제 1 양극 활성 표면 부분(441)에 수직인 힘(481)의 성분을 도시한다.
일부 실시예에서, 양극의 활성 표면에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘이 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안 인가된다. 일부 실시예에서, 하나의 시간 주기에 걸쳐 또는 주기 및/또는 빈도가 변할 수 있는 여러 시간 주기에 걸쳐, 힘이 인가될 수 있다. 이방성 힘은, 일부 경우에, 선택적으로 양극의 활성 표면에 걸쳐 분산되어, 하나 이상의 사전결정된 위치에 인가될 수 있다. 일부 실시예에서, 이방성 힘은 양극의 하나 이상의 활성 표면에 걸쳐 균일하게 인가된다.
"이방성 힘(anisotropic force)"은 해당 기술분야에서 일반적인 의미로 주어지며, 모든 방향에서 동일하지 않은 힘을 의미한다. 모든 방향에서 동일한 힘은, 예를 들어, 물체의 내부 기체 압력과 같이 유체 또는 물질 내 유체 또는 물질의 내부 압력이다. 모든 방향에서 동일하지 않은 힘의 예시는 중력을 통해 테이블 위 물체에 의해 가해지는 테이블 상의 힘과 같이 특정 방향으로 향하는 힘을 포함한다. 이방성 힘의 다른 예시는 물체의 둘레에 배열된 밴드에 의해 가해지는 특정 힘을 포함한다. 예를 들어, 고무 밴드 또는 턴버클(turnbuckle)은 주위가 감싸진 있는 물체의 주변에 힘을 가할 수 있다. 그러나, 밴드는 밴드와 접촉하고 있지 않은 물체의 외부 표면의 임의의 부분에 임의의 직접적인 힘을 가하지 않을 수 있다. 추가적으로, 밴드가 제 1 축을 따라 제 2 축보다 더 크게 확장하는 경우, 밴드는 제 2 축에 평행하게 가해지는 힘보다 제 1 축에 평행한 방향으로 더 큰 힘을 가할 수 있다.
표면, 예를 들어 양극의 활성 표면에 "수직인 성분(component normal)"을 갖는 힘은 통상의 기술자가 이해할 수 있는 일반적인 의미로 주어지며, 예를 들어, 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 적어도 부분적으로 작용하는 힘을 포함한다. 통상의 기술자는 특히 본 문서의 설명 내에서 적용되는 이러한 용어의 다른 예시를 이해할 수 있다.
일부 실시예에서, 이방성 힘은, 힘의 크기가 전기화학 장치의 단면을 정의하는 평면 내의 모든 방향에서 실질적으로 동일하도록 가해질 수 있으나, 평면 외 방향의 힘의 크기는 평면 내 힘의 크기와 실질적으로 동일하지 않다.
실시예의 일 세트에서, 본 명세서에서 설명되는 셀은, 셀의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 한 시간 주기 동안, 양극의 활성 표면에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 가하도록 구성되고 배열된다. 통상의 기술자는 이것의 의미를 이해할 것이다. 이러한 배열에서, 셀은, 셀의 조립 동안 또는 이후 가해지는, 또는 셀 자체의 하나 이상의 부분의 팽창 및/또는 수축의 결과로서 셀의 사용 동안 가해지는 "부하(load)"에 의해 그러한 힘을 가하는 용기의 일부로서 형성된다.
가해지는 힘의 크기는, 일부 실시예에서, 전기화학 소자의 성능을 향상시키기에 충분히 크다. 양극 활성 표면 및 이방성 힘은, 일부 경우에, 이방성 힘이 충전 및 방전을 통한 양극 활성 표면적의 증가를 억제하도록 양극 활성 표면의 형태에 영향을 미치도록 함께 선택될 수 있으며, 여기서 이방성 힘은 없지만 나머지는 본질적으로 동일한 조건에서 양극 활성 표면은 충전 및 방전 주기를 통해 더 크게 증가한다. 이 문맥에서 "본질적으로 동일한 조건"은 힘의 인가 및/또는 크기 외에 유사하거나 동일한 조건을 의미한다. 예를 들어, 나머지는 동일한 조건은, 셀은 동일하지만 대상 셀에 이방성 힘을 가하도록 구성되지 않은(예컨대, 브래킷 또는 다른 연결) 것을 의미할 수 있다.
일부 실시예에서, 양극의 활성 표면에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘은, 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 한 시간 주기 동안, 이방성 힘이 없는 표면적의 증가에 대한 양극활성 표면의 표면적의 증가를 억제하는 데 효과적인 정도로 인가된다. 양극 활성 표면에 수직인 이방성 힘의 성분은, 예를 들어, 적어도 약 4.9N/cm2, 적어도 약 9.8N/cm2, 적어도 약 24.5N/cm2, 적어도 약 49N/cm2, 적어도 약 78N/cm2, 적어도 약 98N/cm2, 적어도 약 117.6N/cm2, 적어도 약 147N/cm2, 적어도 약 175N/cm2, 적어도 약 200N/cm2, 적어도 약 225N/cm2 또는 적어도 약 250N/cm2의 압력을 정의할 수 있다. 일부 실시예에서, 양극 활성 표면에 수직인 이방성 힘의 성분은 약 250N/cm2 미만, 약 225N/cm2 미만, 약 196N/cm2미만, 약 147N/cm2 미만, 약 117.6N/cm2 미만, 약 98N/cm2 미만, 약 49N/cm2 미만, 약 24.5N/cm2 미만, 약 9.8N/cm2 미만의 압력을 정의할 수 있다. 일부 경우에, 양극 활성 표면에 수직인 이방성 힘의 성분은 약 4.9N/cm2 내지 약 147N/cm2, 약 49N/cm2 내지 약 117.6N/cm2, 약 68.6N/cm2 내지 약 98N/cm2, 약 78N/cm2 내지 약 108N/cm2, 약 4.9N/cm2 내지 약 250N/cm2, 약 49N/cm2 내지 약 250N/cm2, 약 80N/cm2 내지 약 250N/cm2, 약 90N/cm2 내지 약 250N/cm2 또는 약 100N/cm2 내지 약 250N/cm2의 압력일 수 있다. 힘 또는 압력은, 일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 셀로 외부에서 가해질 수 있다. 힘과 압력은 본 명세서에서 일반적으로 뉴턴 및 면적 당 뉴턴의 단위로 설명되지만, 힘과 압력은 킬로그램-힘(kgf) 및 면적 당 킬로그램-힘의 단위로 표현될 수도 있다. 통상의 기술자는 킬로그램-힘 기반 단위에 익숙할 것이며, 1킬로그램-힘은 약 9.8N과 동일하다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 양극의 표면은 사이클링 동안, 외부에서 가해지는(일부 실시예에서, 단축) 압력의 인가에 의해 향상(예컨대, 리튬의 경우, 리튬의 모시(mossy) 또는 거친 표면의 발달이 감소되거나 제거될 수 있음)될 수 있다. 외부에서 가해지는 힘은, 일부 실시예에서, 양극을 형성하는 물질의 항복 응력보다 크도록 선택될 수 있다. 예를 들어 리튬을 포함하는 양극의 경우, 셀은 약 8kgf/cm2, 약 9kgf/cm2, 약 10kgf/cm2, 약 20kgf/cm2, 약 30kgf/cm2, 약 40kgf/cm2 또는 약 50kgf/cm2의 압력을 정의하는 성분을 갖는 외부에서 가해지는 이방성 힘 아래에 있을 수 있다. 이는 리튬의 항복 응력이 약 7 내지 약 8kgf/cm2이기 때문이다. 따라서, 이 값보다 큰 압력(예컨대, 단축 압력)에서 모시 리튬(mossy Li), 또는 임의의 표면 거칠기가 감소되거나 억제될 수 있다. 리튬 표면 거칠기는 그에 대해 누르는 표면을 모방할 수 있다. 따라서, 적어도 약 8kgf/cm2, 약 9kgf/cm2, 약 10kgf/cm2, 약 20kgf/cm2, 약 30kgf/cm2, 약 40kgf/cm2 또는 약 50kgf/cm2의 외부에서 가해지는 압력 하에서 사이클링할 때, 리튬 표면은 가압 표면이 매끄러울 때의 사이클링에 따라 더 매끄러워질 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 가압 표면은 양극과 음극 사이에 위치된 적절한 물질(들)을 선택함으로써 변형될 수 있다.
일부 경우에, 셀에 가해지는 하나 이상의 힘은 양극의 활성 표면에 수직이 아닌 성분을 갖는다. 예를 들어, 도 9B에서 힘(484)은 제 1 양극 활성 표면 부분(441)에 수직이 아니다. 실시예의 일 세트에서, 양극 활성 표면에 수직인 방향에 가해지는 모든 이방성 힘의 성분의 합은 양극 활성 표면에 수직이 아닌 방향의 임의의 성분의 합보다 크다. 일부 실시예에서 양극 활성 표면에 수직인 방향에 가해지는 모든 이방성 힘의 성분의 합은, 양극 활성 표면에 수평인 방향의 임의의 성분의 합보다 적어도 약 5%, 적어도 약 10%, 적어도 약 20%, 적어도 약 35%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 99% 또는 적어도 약 99.9% 더 크다.
본 명세서에서 설명되는 이방성 힘은 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법을 사용하여 가해질 수 있다. 일부 실시예에서, 힘은 압축 스프링을 사용하여 인가될 수 있다. 예를 들어 전기화학 소자는 집전체 및/또는 집전체와 격납 구조(containment structure)의 인접한 벽 사이에 위치한 하나 이상의 압축 스프링을 갖는 선택적인 밀폐 격납 구조에 위치하여, 양극 활성 표면(예컨대, 양극 활성 표면 부분)에 수직인 성분을 갖는 힘을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 힘은, 스프링이 격납 구조의 외부 표면과 다른 표면(예컨대, 테이블 상부, 다른 격납 구조의 내부 표면, 인접한 셀 등) 사이에 위치하도록, 하나 이상의 스프링을 격납 구조에 위치함으로써, 가해질 수 있다. 힘은 Belleville 와셔(washer), 기계 나사, 공압(pneumatic) 소자 및/또는 추를 포함하지만 이에 제한되지 않는 (격납 구조의 내부 또는 외부의)다른 요소를 이용하여 가해질 수 있다. 예를 들어, 실시예의 일 세트에서, 하나 이상의 셀(예컨대, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 접힌 다중 셀 시스템)은 두 플레이트(예컨대, 금속 플레이트) 사이에 배열된다. 소자(예컨대, 기계 나사, 스프링 등)는 플레이트를 통해 셀 또는 스택의 끝에 압력을 가하는 데 사용될 수 있다. 기계 나사의 경우, 예를 들어, 셀은 나사를 회전시키면 플레이트 사이에서 압축될 수 있다. 다른 예시로서, 일부 실시예에서, 하나 이상의 쐐기가 셀의 표면(또는 셀을 둘러싸는 격납 구조)과 고정된 표면(예컨대, 테이블 상부, 다른 격납 구조의 내부 표면, 인접한 셀 등) 사이에 배치될 수 있다. 이방성 힘은 쐐기에 힘을 가함을 통해(예컨대, 기계 나사를 돌려서) 셀과 인접한 고정된 표면 사이에 쐐기를 구동함으로써 가해질 수 있다.
일부 경우에, 전기화학 소자는 격납 구조에 삽입되기 전에 미리 압축될 수 있고, 격납 구조에 삽입되면, 셀에 알짜 힘을 생성하도록 팽창할 수 있다. 이러한 배열은, 예를 들어, 셀이 상대적으로 높은 압력 변화를 견딜 수 있는 경우에, 유리할 수 있다. 이러한 실시예에서, 격납 구조는 상대적으로 높은 강도(예컨대, 적어도 약 100MPa, 적어도 약 200Mpa, 적어도 약 500MPa 또는 적어도 약 1GPa)를 가질 수 있다. 추가적으로 격납 구조는 상대적으로 높은 탄성 계수(예컨대, 적어도 약 10GPa, 적어도 약 25Gpa, 적어도 약 50Gpa 또는 적어도 약 100GPa)를 가질 수 있다. 격납 구조는, 예를 들어, 알루미늄, 티타늄 또는 임의의 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 특정 전자적으로 절연성인 영역의 사용 및/또는 방법은 전기화학 소자의 반복된 사이클링 후에 용량을 개선하는 결과에 이를 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 셀을 교차로 3회 방전 및 충전한 후에, 셀은 3번째 사이클이 끝났을 때, 셀의 초기 용량의 적어도 약 50%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90% 또는 적어도 약 95%를 나타낸다. 일부 경우, 셀을 교차로 10회 방전 및 충전한 후에, 셀은 10번째 사이클이 끝날 때, 셀의 초기 용량의 적어도 약 50%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90% 또는 적어도 약 95%를 나타낸다. 또 다른 경우, 셀을 교차로 25회 방전 및 충전한 후에, 셀은 25번째 사이클이 끝날 때, 셀의 초기 용량의 적어도 약 50%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90% 또는 적어도 약 95%를 나타낸다. 일부 실시예에서, 전기화학 소자는, 셀의 3번째, 10번째, 25번째, 30번째, 40번째, 45번째, 50번째 또는 60번째 사이클이 끝날 때, 적어도 20mAh, 30mAh, 40mAh, 50mAh, 60mAh, 70mAh 또는 80mAh의 용량을 갖는다.
하나의 부분(예컨대, 층, 구조, 영역)이 다른 부분에 대해 "위에 있는"("on", "above", "over", "overlying"), "인접하는(adjacent)" 또는 "지지되는(supported by)" 경우, 이는 그 부분 바로 위에 존재할 수 있거나 또는 개재 부분(예컨대, 층, 구조, 영역)이 존재할 수도 있다. 유사하게, 하나의 부분이 다른 부분에 대해 "아래"("below", "underneath")에 있는 경우, 이는 그 부분 바로 아래에 존재할 수 있거나 또는 개재 부분(예컨대, 층, 구조, 영역)이 존재할 수도 있다. 다른 부분에 대해 "바로 위에 있는(directly on)", "바로 인접하는(directly adjacent)", "즉시 인접하는(immediately adjacent)", "직접 접촉하는(in direct contact with)" 또는 "직접 지지되는(directly supported by)" 하나의 부분은 개재 부분이 존재하지 않음을 의미한다. 하나의 부분이 다른 부분에 대해 "위에 있다"("above", "over", "overlying"), "인접한다", 접촉한다", "아래에 있다" 또는 "지지된다"라고 지칭되는 경우, 이는 그 부분 전체 또는 그 부분의 일부를 덮을 수 있다는 것 또한 이해하여야 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 시스템 및/또는 방법의 특정 실시예는, 예를 들어 센서와 관련되는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 프로세서는, 특정 실시예에 따라, 컴퓨터-구현 제어 시스템의 일부일 수 있다. 컴퓨터-구현 제어 시스템은 시스템의 다양한 구성요소를 작동하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에서 설명되는 임의의 계산 방법, 단계, 시뮬레이션, 알고리즘 시스템 및 시스템 요소는, 아래에서 설명되는 컴퓨터-구현 시스템의 다양한 실시예와 같은, 하나 이상의 컴퓨터-구현 제어 시스템(들)을 사용하여 구현되고/되거나 제어될 수 있다. 다른 많은 상이한 기계가 사용될 수 있기 때문에, 본 명세서에서 설명되는 방법, 단계, 제어 시스템 및 제어 시스템 요소는 이들의 구현이 본 명세서에서 설명되는 임의의 특정 컴퓨터 시스템으로 제한되지 않는다.
컴퓨터-구현 제어 시스템은 작동적으로 관련되어 하나 이상의 물품(예컨대, 전기화학 셀) 및/또는 자동화될 수 있는 다른 시스템 요소의 일부이거나 연결될 수 있고, 일부 실시예에서, 작동 파라미터를 제어 및 조절하고 값, 예를 들어 앞서 설명한 임의의 값을 분석하고 계산하도록 구성되고/되거나 프로그래밍된다. 일부 실시예에서, 컴퓨터-구현 제어 시스템(들)은 시스템 장치의 작동 파라미터를 설정 및/또는 제어하는 참조 신호를 전송하고 수신할 수 있다. 다른 실시예에서, 컴퓨터 구현 시스템(들)은 다른 시스템 구성요소에 대해 분리되어 있고/있거나 멀리 위치될 수 있고, 자기 디스크와 같은 휴대용 전자 데이터 저장 디바이스와 같은 간접 및/또는 휴대용 수단, 또는 인터넷이나 로컬 인트라넷과 같은 컴퓨터 네트워크를 통한 통신을 통하여, 하나 이상의 본 발명의 시스템으로부터 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터-구현 제어 시스템(들)은 프로세서, 메모리 시스템, 입력 및 출력 디바이스 및 인터페이스(예컨대, 상호 연결 메커니즘), 전송 회로(예컨대, 하나 이상의 버스), 비디오 및 오디오 데이터 입/출력(I/O) 서브시스템, 전용 하드웨어와 같은 전송 회로, 아래에서 더 상세하게 설명되는 다른 구성요소 및 회로를 포함하여, 여러 알려진 구성요소 및 회로를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(들)은 다중 프로세서 컴퓨터 시스템일 수 있거나 또는 컴퓨터 네트워크를 통해 연결된 다중 컴퓨터를 포함할 수 있다.
컴퓨터-구현 제어 시스템(들)은 프로세서, 예를 들어 x86 시리즈 중 하나, Intel에서 제공하는 Celeron, Pentium 및 코어 프로세서, AMD 및 Cyrix의 유사한 디바이스, Motorola에서 제공하는 680X0 시리즈 마이크로프로세서 및 IBM의 PowerPC 마이크로프로세서와 같은 상업적으로 이용가능한 프로세서를 포함할 수 있다. 많은 다른 프로세서가 이용가능하며, 컴퓨터 시스템은 특정 프로세서로 제한되지 않는다.
프로세서는 일반적으로 운영 체제라고 하는 프로그램을 실행하며, WindowsNT, Windows95 or 98, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 10, UNIX, Linux, DOS, VMS, MacOS, OS8 및 OS X가 그 예이고, 다른 컴퓨터 프로그램의 실행을 제어하고, 스케줄링, 디버깅, 입/출력 제어, 회계, 컴파일링, 저장 할당, 데이터 관리 및 메모리 관리, 통신 제어 및 관련 서비스를 제공한다. 프로세서와 운영 체제는, 특정 실시예에 따라, 고급 프로그래밍 언어로 애플리케이션 프로그램이 작성되는 컴퓨터 플랫폼을 함께 정의한다. 컴퓨터-구현 제어 시스템은 특정 컴퓨터 플랫폼으로 제한되지 않는다.
특정 실시예에 따라, 프로세서는 일반적으로 집적 회로 메모리 요소 내 데이터를 프로그램 명령에 따라 조작한 다음, 처리가 완료된 후 조작된 데이터를 비휘발성 기록 매체에 복사한다. 비휘발성 기록 매체와 집적 회로 메모리 요소 사이의 데이터 이동을 관리하기 위한 다양한 메커니즘이 알려져 있으며, 앞서 설명한 방법, 단계, 시스템 제어 및 시스템 요소 제어를 구현하는 컴퓨터-구현 제어 시스템(들)은 이에 제한되지 않는다. 컴퓨터-구현 제어 시스템(들)은 특정 메모리 시스템으로 제한되지 않는다.
앞서 설명한 이러한 메모리 시스템의 적어도 일부는 하나 이상의 데이터 구조(예컨대, 룩업테이블(look-up table)) 또는 검정 곡선 수학식(calibration curve equation)과 같은 수학식을 저장하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 기록 매체의 적어도 일부는 하나 이상의 이러한 데이터 구조를 포함하는 데이터베이스의 적어도 일부를 저장할 수 있다. 이러한 데이터베이스는 다양한 유형의 데이터베이스 중 하나, 예를 들어 데이터가 구분 기호로 구분된 데이터 단위로 구성되는 플랫 파일(flat-file) 데이터 구조, 데이터가 테이블에 저장된 데이터 단위로 구성되는 관계형 데이터베이스, 데이터가 객체로서 저장되는 데이터 단위로 구성되는 객체 지향 데이터베이스 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함하는 파일 시스템일 수 있다.
컴퓨터-구현 제어 시스템의 임의의 유형 중 하나 이상이 본 명세서에서 설명되는 다양한 실시예를 구현하는 데 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명의 양태는 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 컴퓨터-구현 제어 시스템(들)은 특별히 프로그래밍된, 전용 하드웨어, 예를 들어 ASIC(application-specific integrated circuit)을 포함할 수 있다. 이러한 전용 하드웨어는, 앞서 설명된 컴퓨터-구현 제어 시스템(들)의 일부로서 또는 독립한 구성요소로서 앞서 설명된, 방법, 단계, 알고리즘, 시스템 제어 및/또는 시스템 요소 제어 중 하나 이상을 구현하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터-구현 제어 시스템(들) 및 그 구성요소는 임의의 다양한 하나 이상의 적합한 컴퓨터 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍 가능할 수 있다. 또한, 방법, 단계, 알고리즘, 시스템 제어 및/또는 시스템 요소 제어는 임의의 다양한 적합한 프로그래밍 언어를 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 언어는 절차적 프로그래밍 언어, 예를 들어 LabView, C, Pascal, Fortran 및 BASIC과, 객체 지향 언어, 예를 들어 C++, Java 및 Eiffel, 스크립팅 언어 또한 어셈블리 언어와 같은 다른 언어도 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 프로그래밍 언어는 Python이다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 프로그래밍 언어는 SQL이다.
이러한 방법, 단계, 알고리즘, 시스템 제어 및/또는 시스템 요소 제어는, 개별적으로 또는 조합하여, 컴퓨터 판독가능 매체, 예를 들어 비휘발성 기록 매체, 집적 회로 메모리 요소 또는 이들의 조합에 컴퓨터 판독가능 신호로서 유형적으로(tangibly) 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 이러한 방법, 단계, 시뮬레이션, 알고리즘, 시스템 제어 또는 시스템 요소 제어 각각에 대하여, 이러한 컴퓨터 프로그램 제품은, 컴퓨터가, 컴퓨터에 의해 실행되는 결과로서, 방법, 단계, 알고리즘, 시스템 제어 및/또는 시스템 요소 제어를 수행하도록, 예를 들어 하나 이상의 프로그램의 일부로서, 지시하는 명령을 정의하는 컴퓨터 판독가능 매체에 유형적으로 구현되는 컴퓨터 판독가능 신호를 포함할 수 있다.
다음 출원은 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다: 미국 특허 공개 US2007/0221265호(2007.9.27), 미국 출원 11/400,781호(2006.04.06), "Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries"; 미국 특허 공개 US2009/0035646호(2009.12.5), 미국 출원 11/888,339호(2007.7.31), "Swelling Inhibition in Batteries"; 미국 특허 공개 US2010/0129699호(2010.5.17), 미국 출원 12/312,674호(2010.2.2), 미국 특허 8,617,748호(2013.12.31), "Separation of Electrolytes"; 미국 특허 공개 US2010/0291442호(2010.11.18), 미국 출원 12/682,011호(2010.7.30), 미국 특허 8,871,387호(2014.10.28), "Primer for Battery Electrode"; 미국 특허 공개 US2009/0200986호(2009.8.31), 미국 출원 12/069,335호(2008.2.8), 미국 특허 8,264,205호(2012.9.11), "Circuit for Charge and/or Discharge Protection in an Energy-Storage Device"; 미국 특허 공개 US2007/0224502호(2007.9.27), 미국 출원 11/400,025호(2006.4.6), 미국 특허 7,771,870호(2010.8.10), "Electrode Protection in Both Aqueous and Non-Aqueous Electrochemical cells, Including Rechargeable Lithium Batteries", 미국 특허 공개 US2008/0318128호(2008.12.25), 미국 출원 11/821,576호(2007.6.22), "Lithium Alloy/Sulfur Batteries"; 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미국 가출원 62/785,332호(2018.12.27), "Isolatable Electrodes and Associated Articles and Methods"는 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다. 미국 가출원 62/785,335호(2018.12.27), "Electrodes, Heaters, Sensors, and Associated Articles and Methods"는 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다. 미국 가출원 62/785,338호(2018.12.27), "Folded Electrochemical Devices and Associated Methods and Systems"는 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 몇몇 실시예가 본 명세서에서 설명되고 예시되었지만, 통상의 기술자는 기능 수행 및/또는 본 명세서에서 설명되는 결과 및/또는 하나 이상의 장점을 획득하기 위한 다양한 수단 및/또는 구조를 쉽게 상상할 것이고, 이러한 변형 및/또는 수정 각각은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 더 일반적으로, 통상의 기술자는 본 명세서에서 설명되는 모든 파라미터, 치수, 물질 및 구성은 예시적인 의미라는 것과, 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 구성은 특정 응용 또는 본 발명의 교시가 사용되는 응용에 의존할 것임을 쉽게 이해할 것이다. 통상의 기술자는, 일상에 지나지 않는 실험을 통하여, 본 명세서에서 설명되는 발명의 특정 실시예의 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예는 단지 예로서 제시되고, 첨부된 청구범위 및 그에 대한 균등물의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 본 명세서에서 설명된 각각의 개별적인 기능, 시스템, 물품, 물질 및/또는 방법에 관한 것이다. 추가적으로, 이러한 기능, 시스템, 물품, 물질 및/또는 방법이 서로 모순되지 않는 경우, 이러한 기능, 시스템, 물품, 물질 및/또는 방법 중 둘 이상의 임의의 조합은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 부정관사 하나("a", "an")는, 명백하게 반대로 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 "및/또는"이라는 문구는 결합된 요소의 "하나 또는 모두", 즉 일부 경우에 결합적으로 존재하고 다른 경우에 분리되어 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 명확하게 반대로 표시되지 않는 한, 구체적으로 식별된 요소와 관련되거나 안되거나 관계없이, "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예시로서, "및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용되는 경우, 일 실시예에서 B 없는 A를(B 이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 다른 실시예에서 A 없는 B(A 이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 또 다른 실시예에서 A와 B 모두(다른 요소를 선택적으로 포함함)를 지칭할 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 "또는"은, 앞서 설명된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리하는 경우, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것, 즉 다수의 요소 또는 요소의 목록 중 적어도 하나 - 하나 초과도 포함함 - 및 선택적으로 추가적인 목록에 없는 항목을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~중 오직 하나(only one of)" 또는 "~중 정확히 하나(exactly one of)", 또는 청구범위에서 사용되는 경우, "필수구성되는(consisting of)"과 같이, 명확하게 대조적으로 표시되는 용어만이 다수의 요소 또는 요소의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "또는"은, "둘 중 어느 하나(either)", "~중 하나(one of)", "~중 오직 하나" 또는 "~중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어가 앞에 오는 경우에만, 배타적인 양자택일(즉, "둘 모두는 아닌, 하나 또는 다른 하나")을 표시하는 것으로 해석되어야 한다. "본질적으로 필수구성되는(consisting essentially of)"은, 청구범위에서 사용되는 경우, 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 갖는다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 문구 "적어도 하나"는, 요소의 목록에서 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하나, 요소 목록 내에 구체적으로 나열된 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함해야 하는 것은 아니며, 요소의 목록에서 요소의 임의의 조합을 제외하지도 않는다. 이 정의는 또한, 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있든 없든, 요소 목록 내에서 "적어도 하나"가 지칭하는 요소의 목록 내 구체적으로 식별된 요소 이외에 요소가 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예시로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게 "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서 B가 존재하지 않고, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 A(그리고 B 이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 다른 실시예에서 A가 존재하지 않고, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 B(그리고 A이외의 다른 요소를 선택적으로 포함함), 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 A와, 선택적으로 하나 이상을 포함하는, 적어도 하나의 B(그리고 다른 요소를 선택적으로 포함함)를 지칭할 수 있다.
위의 명세서뿐만 아니라, 청구범위에서도, "포함하는"("comprising", "including", "involving"),"운반하는", "갖는", "함유하는", "보유하는" 등과 같은 모든 전환 문구(transitional phrase)는 개방형, 즉 포함하지만 제한되지 않음을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이 "필수구성되는" 및 "본질적으로 필수구성되는"이라는 전환 문구만이 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 문구이다.

Claims (279)

  1. 물품으로서,
    기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트, 및
    집전체 도메인(current collector domain)을 포함하되,
    상기 전극 세그먼트는, 전극 활성 물질을 포함하고,
    상기 집전체 도메인은, 집전체 버스 - 상기 집전체 버스는 상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결됨 - 와 복수의 집전체 세그먼트 - 각 집전체 세그먼트는 한 전극 세그먼트에 전자적으로 연결됨 - 를 포함하며,
    각각의 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지(current collector bridge)를 통하여 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 개별 전극 세그먼트에 대해, 상기 개별 전극 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통하여, 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는, 상기 집전체 세그먼트가 전자적으로 연결된 전극 세그먼트와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치되는,
    물품.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 연결하지 않도록 구성되는,
    물품.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 상기 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 개별 전극 세그먼트 중 적어도 하나가 더 이상 상기 집전체 버스와 전자적으로 연결되지 않도록 구성되는,
    물품.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 증가인,
    물품.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 상기 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결하지 않도록, 상기 집전체 브릿지 중 상기 적어도 하나가 극한 인장 손상(ultimate tensile failure)을 겪도록 구성되는,
    물품.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열팽창 계수는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 큰,
    물품.
  9. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 감소인,
    물품.
  10. 제 4 항, 제 5 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 임계 온도에서 음(negative)의 열팽창 계수를 갖는,
    물품.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 열수축성 막을 포함하는,
    물품.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하는,
    물품.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품이 임계 전류에 도달하는 경우, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가, 그 집전체 브릿지에 연결된 집전체 세그먼트가 더 이상 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되지 않도록, 기계적으로 변형되도록 구성되는,
    물품.
  14. 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 50°C 이상의 값을 갖는,
    물품.
  15. 제 4 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 150°C 이하의 값을 갖는,
    물품.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 10A 이상의 값을 갖는,
    물품.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 120A 이하의 값을 갖는,
    물품.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 적어도 일부를 가열하도록 구성되는 상기 기판에 인접한 히터를 더 포함하는,
    물품.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스는, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나의 두께보다 적어도 3배 큰 두께를 갖는,
    물품.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스 및 상기 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부인,
    물품.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 세그먼트는 상기 전극 활성 물질로서 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는,
    물품.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집전체 브릿지 및 상기 기판은 10°C 이상 및 100°C 이하의 열팽창 차이를 가지되,
    상기 열팽창 차이는
    Figure pct00005
    로 표현 - A1은 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 면적, A2는 상기 기판의 면적, α1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 선팽창 계수, α2는 상기 기판의 선팽창 계수, E1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 탄성 계수, E2는 상기 기판의 탄성 계수 및 σult,1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 극한 인장력(ultimate tensile strength)임 - 되는,
    물품.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  24. 제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 박막을 포함하는,
    물품.
  25. 제 18 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 전도성 와이어를 포함하는,
    물품.
  26. 제 18 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 금속 또는 금속 합금을 포함하는,
    물품.
  27. 제 18 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 흑연, 규소 기반 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는,
    물품.
  28. 제 18 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 50Ω 이상 및 1,000Ω 이하의 전기적 저항을 갖도록 구성되는,
    물품.
  29. 제 18 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    물품.
  30. 제 18 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터의 적어도 일부는 전기적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    물품.
  31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 상태에 응답하도록 구성되는, 상기 기판에 인접한 하나 이상의 센서를 더 포함하는,
    물품.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  33. 제 31 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 물품의 온도에 응답하도록 구성되는 온도 센서인,
    물품.
  34. 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 물품이 겪는 압력에 응답하도록 구성되는 압력 센서인,
    물품.
  35. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 써모커플(thermocouple) 및/또는 써미스터(thermistor)를 포함하는,
    물품.
  36. 제 33 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    물품.
  37. 제 33 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 저항 온도 검출기를 포함하는,
    물품.
  38. 제 33 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 백금, 니켈, 구리, 철 또는 이들의 조합을 포함하는,
    물품.
  39. 제 33 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 선택적으로 세라믹을 포함하는 비전도성 층을 포함하는,
    물품.
  40. 제 34 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 커패시턴스 기반 압력 센서인,
    물품.
  41. 제 34 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 2개의 전극 및 상기 2개의 전극 사이에 위치한 전기적으로 절연성의 물질을 포함하는,
    물품.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성의 물질은 중합체 물질을 포함하는,
    물품.
  43. 제 34 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 스트레인 게이지(strain gauge)인,
    물품.
  44. 제 34 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 압전(piezoelectric) 또는 압저항(piezoresistive) 센서를 포함하는,
    물품.
  45. 제 34 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    물품.
  46. 제 34 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 외부 전기 회로에 전자적으로 연결되도록 구성되는,
    물품.
  47. 제 34 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    물품.
  48. 제 34 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서의 적어도 일부는 전자적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    물품.
  49. 제 1 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 접을 수 있는(foldable),
    물품.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 히터 및/또는 상기 하나 이상의 센서는, 상기 물품이 접힌 경우, 상기 물품의 접힌 구역 사이에 배치되는,
    물품.
  51. 물품으로서,
    기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트, 및
    상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인을 포함하되,
    상기 전극 세그먼트는, 전극 활성 물질을 포함하고,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 전극 세그먼트 중 적어도 하나가 더 이상 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되지 않도록 구성되는,
    물품.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 증가인,
    물품.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 감소인,
    물품.
  54. 제 51 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 임계 온도에서 음의 열팽창 계수를 갖는,
    물품.
  55. 제 51 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 열수축성 막을 포함하는,
    물품.
  56. 제 51 항 내지 제 55 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리비닐 알코올을 포함하는,
    물품.
  57. 제 51 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품의 적어도 일부를 가열하도록 구성되는 상기 기판에 인접한 히터를 더 포함하는,
    물품.
  58. 제 51 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 세그먼트는, 상기 전극 활성 물질로서 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는,
    물품.
  59. 제 51 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 도메인은, 전극 세그먼트에 각각이 전자적으로 연결되는 복수의 집전체 세그먼트를 더 포함하되,
    각각의 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지를 통하여 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  60. 제 59 항에 있어서,
    각 개별 전극 세그먼트에 대해, 상기 개별 전극 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통해 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  61. 제 59 항 또는 제 60 항에 있어서,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는, 상기 집전체 세그먼트가 전자적으로 연결된 전극 세그먼트와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치되는,
    물품.
  62. 제 59 항 내지 제 61 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 상기 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 연결하지 않도록 구성되는,
    물품.
  63. 제 59 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 상기 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결하지 않도록, 상기 집전체 브릿지 중 상기 적어도 하나가 극한 인장 손상을 겪도록 구성되는,
    물품.
  64. 제 59 항 내지 제 63 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열팽창 계수는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 큰,
    물품.
  65. 제 59 항 내지 제 64 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 전류에 도달하는 경우, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가, 그 집전체 브릿지에 연결된 집전체 세그먼트가 더 이상 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되지 않도록, 기계적으로 변형되도록 구성되는,
    물품.
  66. 제 51 항 내지 제 65 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 50°C 이상의 값을 갖는,
    물품.
  67. 제 51 항 내지 제 65 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 150°C 이하의 값을 갖는,
    물품.
  68. 제 65 항 내지 제 67 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 10A 이상의 값을 갖는,
    물품.
  69. 제 65 항 내지 제 68 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 120A 이상의 값을 갖는,
    물품.
  70. 제 59 항 내지 제 69 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스는, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나의 두께보다 적어도 3배 큰 두께를 갖는,
    물품.
  71. 제 59 항 내지 제 70 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스 및 상기 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부인,
    물품.
  72. 제 59 항 내지 제 71 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집전체 브릿지 및 상기 기판은 10°C 이상 및 100°C 이하의 열팽창 차이를 가지되,
    상기 열팽창 차이는
    Figure pct00006
    로 표현 - A1은 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 면적, A2는 상기 기판의 면적, α1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 선팽창 계수, α2는 상기 기판의 선팽창 계수, E1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 탄성 계수, E2는 상기 기판의 탄성 계수 및 σult,1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 극한 인장력임 - 되는,
    물품.
  73. 제 57 항 내지 제 72 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  74. 제 57 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 박막을 포함하는,
    물품.
  75. 제 57 항 내지 제 74 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 전도성 와이어를 포함하는,
    물품.
  76. 제 57 항 내지 제 75 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 금속 또는 금속 합금을 포함하는,
    물품.
  77. 제 57 항 내지 제 76 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 니크롬, 흑연, 규소 기반 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는,
    물품.
  78. 제 57 항 내지 제 77 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 50Ω 이상 및 1,000Ω 이하의 전기적 저항을 갖도록 구성되는,
    물품.
  79. 제 57 항 내지 제 78 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    물품.
  80. 제 57 항 내지 제 79 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터의 적어도 일부는 전기적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    물품.
  81. 제 51 항 내지 제 80 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 상태에 응답하도록 구성되는 상기 기판에 인접한 하나 이상의 센서를 더 포함하는,
    물품.
  82. 제 81 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  83. 제 81 항 또는 제 82 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 물품의 온도에 응답하도록 구성되는 온도 센서인,
    물품.
  84. 제 81 항 내지 제 83 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 물품이 겪는 압력에 응답하도록 구성되는 압력 센서인,
    물품.
  85. 제 83 항 또는 제 84 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 써모커플 및/또는 써미스터를 포함하는,
    물품.
  86. 제 83 항 내지 제 85 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    물품.
  87. 제 83 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 저항 온도 검출기를 포함하는,
    물품.
  88. 제 83 항 내지 제 87 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 백금, 니켈, 구리, 철 또는 이들의 조합을 포함하는,
    물품.
  89. 제 83 항 내지 제 87 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 선택적으로 세라믹을 포함하는 비전도성 층을 포함하는,
    물품.
  90. 제 84 항 또는 제 85 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 커패시턴스 기반 압력 센서인,
    물품.
  91. 제 84 항 내지 제 90 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 2개의 전극 및 상기 2개의 전극 사이에 위치한 전기적으로 절연성의 물질을 포함하는,
    물품.
  92. 제 91 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성의 물질은 중합체 물질을 포함하는,
    물품.
  93. 제 84 항 내지 제 92 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 스트레인 게이지(strain gauge)인,
    물품.
  94. 제 84 항 내지 제 93 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 압전 또는 압저항 센서를 포함하는,
    물품.
  95. 제 84 항 내지 제 94 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    물품.
  96. 제 81 항 내지 제 95 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 외부 전기 회로에 전자적으로 연결되도록 구성되는,
    물품.
  97. 제 81 항 내지 제 96 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    물품.
  98. 제 81 항 내지 제 97 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서의 적어도 일부는 전자적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    물품.
  99. 제 51 항 내지 제 98 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 접을 수 있는(foldable),
    물품.
  100. 제 99 항에 있어서,
    상기 히터 및/또는 상기 하나 이상의 센서는, 상기 물품이 접힌 경우, 상기 물품의 접힌 구역 사이에 배치되는,
    물품.
  101. 방법으로서,
    전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안, 상기 전기화학 소자의 일부인 기판의 부피를 변화시키는 단계를 포함하되,
    상기 전기화학 소자는,
    상기 기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트, 및
    집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인을 포함하며,
    상기 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함하고,
    상기 집전체 버스는 상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결되며,
    상기 기판의 부피를 변화시키는 단계는, 적어도 부분적으로, 상기 전극 세그먼트 중 적어도 하나와 상기 집전체 버스 사이의 전자적 연결의 손실을 유도하는,
    방법.
  102. 제 101 항에 있어서,
    상기 기판의 부피를 변화시키는 단계는, 상기 기판을 가열하는 단계를 포함하는,
    방법.
  103. 제 101 항 또는 제 102 항에 있어서,
    상기 기판의 부피를 변화시키는 단계는, 상기 기판의 부피를 증가시키는 것을 포함하는,
    방법.
  104. 제 101 항 또는 제 102 항에 있어서,
    상기 기판의 부피를 변화시키는 단계는, 상기 기판의 부피를 감소시키는 것을 포함하는,
    방법.
  105. 제 102 항 내지 제 104 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 가열하는 단계는, 충전 및/또는 방전에 의해 열이 생성되도록 상기 전기화학 소자를 충전 및/또는 방전하는 것을 포함하는,
    방법.
  106. 제 102 항 내지 제 105 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 가열하는 단계는, 상기 전기화학 소자의 일부인 히터를 통하여 상기 기판을 가열하는 것을 포함하는,
    방법.
  107. 제 101 항 내지 제 106 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스로부터 상기 전극 세그먼트의 상기 전자적 연결의 손실은, 상기 전기화학 소자의 온도가 임계 온도에 도달할 때 발생하는,
    방법.
  108. 제 107 항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 임계 온도에서 음의 열팽창 계수를 갖는,
    방법.
  109. 제 101 항 내지 제 108 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 열수축성 막을 포함하는,
    방법.
  110. 제 101 항 내지 제 109 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리비닐 알코올을 포함하는,
    방법.
  111. 제 101 항 내지 제 110 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 세그먼트는, 상기 전극 활성 물질로서, 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는,
    방법.
  112. 제 101 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 도메인은, 각각이 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 복수의 집전체 세그먼트를 더 포함하고,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지를 통해 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    방법.
  113. 제 112 항에 있어서,
    각 개별 전극 세그먼트에 대해, 상기 개별 전극 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통해 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    방법.
  114. 제 112 항 또는 제 113 항에 있어서,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는, 상기 집전체 세그먼트가 전자적으로 연결된 전극 세그먼트와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치되는,
    방법.
  115. 제 112 항 내지 제 114 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 부피 변화는, 적어도 부분적으로, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 연결하지 않도록 하는,
    방법.
  116. 제 112 항 내지 제 115 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 상기 임계 온도 이상의 온도로 가열하는 것은, 상기 집전체 브릿지 중 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결하지 않도록, 상기 집전체 브릿지 중 상기 적어도 하나가 극한 인장 손상을 겪도록 하는,
    방법.
  117. 제 112 항 내지 제 116 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열팽창 계수는 적어도 하나의 상기 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 큰,
    방법.
  118. 제 112 항 내지 제 117 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전은, 적어도 하나의 집전체 세그먼트가 상기 집전체 버스로부터 분리되도록, 전류가 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나를 기계적으로 변형시키도록 하는,
    방법.
  119. 제 107 항 내지 제 118 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 50°C 이상의 값을 갖는,
    방법.
  120. 제 107 항 내지 제 119 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 150°C 이하의 값을 갖는,
    방법.
  121. 제 115 항 내지 제 120 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 10A 이상의 값을 갖는,
    방법.
  122. 제 115 항 내지 제 121 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 120A 이하의 값을 갖는,
    방법.
  123. 제 111 항 내지 제 121 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스는, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나의 두께보다 적어도 3배 큰 두께를 갖는,
    방법.
  124. 제 111 항 내지 제 123 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스 및 상기 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부인,
    방법.
  125. 제 101 항 내지 제 124 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 소자는, 상기 전극 세그먼트 중 적어도 하나와 상기 집전체 버스 사이의 상기 전자적 연결의 손실 이후에도 충전 및/또는 방전될 수 있는,
    방법.
  126. 제 112 항 내지 제 125 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집전체 브릿지 및 상기 기판은 10°C 이상 및 100°C 이하의 열팽창 차이를 가지되,
    상기 열팽창 차이는
    Figure pct00007
    로 표현 - A1은 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 면적, A2는 상기 기판의 면적, α1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 선팽창 계수, α2는 상기 기판의 선팽창 계수, E1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 탄성 계수, E2는 상기 기판의 탄성 계수 및 σult,1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 극한 인장력임 - 되는,
    방법.
  127. 제 106 항 내지 제 126 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 인접하는,
    방법.
  128. 제 106 항 내지 제 127 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    방법.
  129. 제 106 항 내지 제 128 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 박막인,
    방법.
  130. 제 106 항 내지 제 129 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 전도성 와이어를 포함하는,
    방법.
  131. 제 106 항 내지 제 130 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 금속 또는 금속 합금을 포함하는,
    방법.
  132. 제 106 항 내지 제 131 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 니크롬, 흑연, 규소 기반 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는,
    방법.
  133. 제 106 항 내지 제 132 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 50Ω 이상 및 1,000Ω 이하의 전기적 저항을 갖도록 구성되는,
    방법.
  134. 제 106 항 내지 제 133 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    방법.
  135. 제 106 항 내지 제 134 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터의 적어도 일부는 전기적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    방법.
  136. 제 101 항 내지 제 135 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 부피 변화는, 상기 전기화학 소자의 일부인 하나 이상의 센서로부터의 신호에 응답하여 개시되되,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 전기화학 소자의 상태에 응답하도록 구성되는,
    방법.
  137. 제 136 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 인접하는,
    방법.
  138. 제 136 항 내지 제 137 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 바로 인접하는,
    방법.
  139. 제 136 항 내지 제 138 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 전기화학 소자의 온도에 응답하도록 구성되는 온도 센서인,
    방법.
  140. 제 136 항 내지 제 139 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 전기화학 소자가 겪는 압력에 응답하도록 구성되는 압력 센서인,
    방법.
  141. 제 139 항 내지 제 140 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 써모커플 및/또는 써미스터를 포함하는,
    방법.
  142. 제 139 항 내지 제 141 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    방법.
  143. 제 139 항 내지 제 142 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 저항 온도 검출기를 포함하는,
    방법.
  144. 제 139 항 내지 제 143 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 백금, 니켈, 구리, 철 또는 이들의 조합을 포함하는,
    방법.
  145. 제 139 항 내지 제 144 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 선택적으로 세라믹을 포함하는 비전도성 층을 포함하는,
    방법.
  146. 제 140 항 내지 제 145 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 커패시턴스 기반 압력 센서인,
    방법.
  147. 제 140 항 내지 제 146 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 2개의 전극 및 상기 2개의 전극 사이에 위치한 전기적으로 절연성의 물질을 포함하는,
    방법.
  148. 제 147 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성의 물질은 중합체 물질을 포함하는,
    방법.
  149. 제 140 항 내지 제 148 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 스트레인 게이지인,
    방법.
  150. 제 140 항 내지 제 149 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 압전 또는 압저항 센서를 포함하는,
    방법.
  151. 제 140 항 내지 제 150 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    방법.
  152. 제 136 항 내지 제 151 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 외부 전기 회로에 전자적으로 연결되도록 구성되는,
    방법.
  153. 제 136 항 내지 제 152 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    방법.
  154. 제 136 항 내지 제 153 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서의 적어도 일부는 전자적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    방법.
  155. 제 101 항 내지 제 154 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 접을 수 있는,
    방법.
  156. 제 136 항 내지 제 155 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 및/또는 상기 하나 이상의 센서는, 상기 물품이 접힌 경우, 상기 물품의 접힌 구역 사이에 배치되는,
    방법.
  157. 전기화학 소자로서,
    제 1 항 내지 제 100 항 중 어느 한 항에 따른 물품,
    상기 복수의 개별 전극 세그먼트의 극성과 반대 극성을 가지며 전극 활성 물질을 포함하는 제 2 전극, 및
    상기 물품과 상기 제 2 전극 사이의 분리기를 포함하는,
    전기화학 소자.
  158. 제 157 항에 있어서,
    상기 전기화학 소자는 접을 수 있는,
    전기화학 소자.
  159. 물품으로서,
    기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트 - 상기 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함함 - ,
    상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결되는 집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인, 및
    상기 물품의 적어도 일부를 가열하도록 구성되며, 상기 기판에 인접하는 히터를 포함하는,
    물품.
  160. 제 159 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  161. 제 159 항 또는 제 160 항에 있어서,
    상기 히터는 박막을 포함하는,
    물품.
  162. 제 159 항 내지 제 161 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 전도성 와이어를 포함하는,
    물품.
  163. 제 159 항 내지 제 162 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 금속 또는 금속 합금을 포함하는,
    물품.
  164. 제 159 항 내지 제 163 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 니크롬, 흑연, 규소 기반 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는,
    물품.
  165. 제 159 항 내지 제 164 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 50Ω 이상 및 1,000Ω 이하의 전기적 저항을 갖도록 구성되는,
    물품.
  166. 제 159 항 내지 제 165 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    물품.
  167. 제 159 항 내지 제 166 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터의 적어도 일부는 전기적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    물품.
  168. 제 159 항 내지 제 167 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 접을 수 있는,
    물품.
  169. 제 168 항에 있어서,
    상기 히터는, 상기기 물품이 접힌 경우, 상기 물품의 접힌 구역 사이에 배치되는,
    물품.
  170. 제 159 항 내지 제 169 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 개별 전극 세그먼트 중 적어도 하나가 더 이상 상기 집전체 버스와 전자적으로 연결되지 않도록 구성되는,
    물품.
  171. 제 159 항 내지 제 170 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는, 상기 기판의 열-유도 부피 변화의 적어도 일부를 일으키도록 구성되는,
    물품.
  172. 제 170 항 내지 제 171 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 증가인,
    물품.
  173. 제 170 항 내지 제 171 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 감소인,
    물품.
  174. 제 159 항 내지 제 173 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 임계 온도에서 음의 열팽창 계수를 갖는,
    물품.
  175. 제 159 항 내지 제 174 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 열수축성 막을 포함하는,
    물품.
  176. 제 159 항 내지 제 175 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리비닐 알코올을 포함하는,
    물품.
  177. 제 159 항 내지 제 176 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 세그먼트는 전극 활성 물질로서 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는,
    물품.
  178. 제 159 항 내지 제 177 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 도메인은, 전극 세그먼트에 각각이 전자적으로 연결되는 복수의 집전체 세그먼트를 더 포함하되,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지를 통하여 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  179. 제 178 항에 있어서,
    각 개별 전극 세그먼트에 대해, 상기 개별 전극 세그먼트는, 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통하여 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  180. 제 178 항 또는 제 179 항에 있어서,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는, 상기 집전체 세그먼트가 전자적으로 연결된 전극 세그먼트와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치되는,
    물품.
  181. 제 178 항 내지 제 180 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 연결하지 않도록 구성되는,
    물품.
  182. 제 178 항 내지 제 181 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결하지 않도록, 상기 집전체 브릿지 중 상기 적어도 하나가 극한 인장 손상을 겪도록 구성되는,
    물품.
  183. 제 178 항 내지 제 182 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열팽창 계수는 적어도 하나의 상기 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 큰,
    물품.
  184. 제 178 항 내지 제 183 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 전류에 도달하는 경우, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가, 그 집전체 브릿지에 연결된 집전체 세그먼트가 더 이상 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되지 않도록, 기계적으로 변형되도록 구성되는,
    물품.
  185. 제 170 항 내지 제 184 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 50°C 이상의 값을 갖는,
    물품.
  186. 제 170 항 내지 제 185 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 150°C 이하의 값을 갖는,
    물품.
  187. 제 184 항 내지 제 186 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 10A 이상의 값을 갖는,
    물품.
  188. 제 184 항 내지 제 187 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 120A 이하의 값을 갖는,
    물품.
  189. 제 178 항 내지 제 188 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스는, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나의 두께보다 적어도 3배 큰 두께를 갖는,
    물품.
  190. 제 178 항 내지 제 189 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스 및 상기 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부인,
    물품.
  191. 제 178 항 내지 제 190 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집전체 브릿지 및 상기 기판은 10°C 이상 및 100°C 이하의 열팽창 차이를 가지되,
    상기 열팽창 차이는
    Figure pct00008
    로 표현 - A1은 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 면적, A2는 상기 기판의 면적, α1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 선팽창 계수, α2는 상기 기판의 선팽창 계수, E1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 탄성 계수, E2는 상기 기판의 탄성 계수 및 σult,1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 극한 인장력임 - 되는,
    물품.
  192. 제 159 항 내지 제 191 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품의 상태에 응답하도록 구성되는, 상기 기판에 인접한 하나 이상의 센서를 더 포함하는,
    물품.
  193. 제 192 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  194. 제 192 항 또는 제 193 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는 온도 센서인,
    물품.
  195. 제 192 항 내지 제 194 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는 압력 센서인,
    물품.
  196. 제 192 항 내지 제 195 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 하나 이상의 센서에 의해 작동되도록 구성되는,
    물품.
  197. 물품으로서,
    기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트 - 상기 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함함 - ,
    상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인, 및
    상기 물품의 상태에 응답하도록 구성되는, 기판에 인접한 하나 이상의 센서를 포함하는,
    물품.
  198. 제 197 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  199. 제 197 항 또는 제 198 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 물품의 온도에 응답하도록 구성되는 온도 센서인,
    물품.
  200. 제 197 항 내지 제 199 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는, 상기 물품이 겪는 압력에 응답하도록 구성되는 압력 센서인,
    물품.
  201. 제 199 항 내지 제 200 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 써모커플 및/또는 써미스터를 포함하는,
    물품.
  202. 제 199 항 내지 제 201 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 박막이거나 또는 박막을 포함하는,
    물품.
  203. 제 199 항 내지 제 202 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 저항 온도 검출기를 포함하는,
    물품.
  204. 제 199 항 내지 제 203 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 백금, 니켈, 구리, 철 또는 이들의 조합을 포함하는,
    물품.
  205. 제 199 항 내지 제 204 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 선택적으로 세라믹을 포함하는 비전도성 층을 포함하는,
    물품.
  206. 제 199 항 내지 제 205 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 커패시턴스 기반 압력 센서인,
    물품.
  207. 제 200 항 내지 제 206 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 2개의 전극 및 상기 2개의 전극 사이에 위치한 전기적으로 절연성의 물질을 포함하는,
    물품.
  208. 제 207 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성의 물질은 중합체 물질을 포함하는,
    물품.
  209. 제 200 항 내지 제 207 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 스트레인 게이지인,
    물품.
  210. 제 200 항 내지 제 208 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 압전 또는 압저항 센서를 포함하는,
    물품.
  211. 제 200 항 내지 제 210 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 박막이거나 박막을 포함하는,
    물품.
  212. 제 197 항 내지 제 211 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 외부 전기 회로에 전자적으로 연결되도록 구성되는,
    물품.
  213. 제 197 항 내지 제 212 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 복수의 개별 전극 세그먼트 또는 상기 집전체 도메인에 전자적으로 연결되지 않는,
    물품.
  214. 제 197 항 내지 제 213 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서의 적어도 일부는 전자적으로 절연성의 물질로 코팅되는,
    물품.
  215. 제 197 항 내지 제 214 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 접을 수 있는(foldable),
    물품.
  216. 제 215 항에 있어서,
    상기 히터 및/또는 상기 하나 이상의 센서는, 상기 물품이 접힌 경우, 상기 물품의 접힌 구역 사이에 배치되는,
    물품.
  217. 제 197 항 내지 제 216 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 전극 세그먼트 중 적어도 하나가 더 이상 상기 집전체 버스와 전자적으로 연결되지 않도록 구성되는,
    물품.
  218. 제 217 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 증가인,
    물품.
  219. 제 217 항에 있어서,
    상기 기판의 열-유도 부피 변화는 상기 기판의 부피의 감소인,
    물품.
  220. 제 197 항 내지 제 219 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 임계 온도에서 음의 열팽창 계수를 갖는,
    물품.
  221. 제 197 항 내지 제 220 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 열수축성 막을 포함하는,
    물품.
  222. 제 197 항 내지 제 221 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리비닐 알코올을 포함하는,
    물품.
  223. 제 197 항 내지 제 222 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 세그먼트는, 전극 활성 물질로서, 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는,
    물품.
  224. 제 217 항 내지 제 223 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 도메인은, 각각이 전극 세그먼트에 전자적으로 연결된 복수의 집전체 세그먼트를 더 포함하고,
    각각의 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 브릿지를 통하여, 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  225. 제 224 항에 있어서,
    각 개별 전극 세그먼트에 대해, 상기 개별 전극 세그먼트는 적어도 하나의 집전체 세그먼트를 통해 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되는,
    물품.
  226. 제 224 항 또는 제 225 항에 있어서,
    각 집전체 세그먼트에 대해, 상기 집전체 세그먼트는, 상기 집전체 세그먼트가 전자적으로 연결된 전극 세그먼트와 상기 기판 사이에 적어도 부분적으로 배치되는,
    물품.
  227. 제 224 항 내지 제 226 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 상기 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 연결하지 않도록 구성되는,
    물품.
  228. 제 224 항 내지 제 227 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 상기 임계 온도에 도달하는 경우, 적어도 부분적으로 상기 기판의 열-유도 부피 변화로 인해, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가 더 이상 그 집전체 브릿지와 관련된 집전체 세그먼트를 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결하지 않도록, 상기 집전체 브릿지 중 상기 적어도 하나가 극한 인장 손상을 겪도록 구성되는,
    물품.
  229. 제 224 항 내지 제 228 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 열팽창 계수는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 열팽창 계수보다 큰,
    물품.
  230. 제 224 항 내지 제 229 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은, 상기 물품의 온도가 임계 전류에 도달하는 경우, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나가, 그 집전체 브릿지에 연결된 집전체 세그먼트가 더 이상 상기 집전체 버스에 전자적으로 연결되지 않도록, 기계적으로 변형되도록 구성되는,
    물품.
  231. 제 217 항 내지 제 230 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 50°C 이상의 값을 갖는,
    물품.
  232. 제 217 항 내지 제 231 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 150°C 이하의 값을 갖는,
    물품.
  233. 제 230 항 내지 제 232 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 10A 이상의 값을 갖는,
    물품.
  234. 제 230 항 내지 제 233 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 전류는 120A 이상의 값을 갖는,
    물품.
  235. 제 224 항 내지 제 234 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스는, 상기 집전체 브릿지 중 적어도 하나의 두께보다 적어도 3배 큰 두께를 갖는,
    물품.
  236. 제 224 항 내지 제 235 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전체 버스 및 상기 복수의 집전체 세그먼트는 단일 구조의 일부인,
    물품.
  237. 제 224 항 내지 제 227 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집전체 브릿지 및 상기 기판은 10°C 이상 및 100°C 이하의 열팽창 차이를 가지되,
    상기 열팽창 차이는
    Figure pct00009
    로 표현 - A1은 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 면적, A2는 상기 기판의 면적, α1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 선팽창 계수, α2는 상기 기판의 선팽창 계수, E1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 탄성 계수, E2는 상기 기판의 탄성 계수 및 σult,1는 상기 적어도 하나의 집전체 브릿지의 극한 인장력임 - 되는,
    물품.
  238. 제 197 항 내지 제 237 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 인접하는 히터를 더 포함하는,
    물품.
  239. 제 238 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    물품.
  240. 제 238 항 내지 제 239 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 하나 이상의 센서에 의해 작동되도록 구성되는,
    물품.
  241. 방법으로서,
    전기화학 소자의 일부인 히터를 사용하여 상기 전기화학 소자의 적어도 일부를 가열하는 단계를 포함하되,
    상기 전기화학 소자는,
    기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트, 및
    집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인을 포함하며,
    상기 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함하고,
    상기 집전체 버스는 상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결되는,
    방법.
  242. 제 241 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 인접하는,
    방법.
  243. 제 241 항 또는 제 242 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    방법.
  244. 제 241 항 내지 제 243 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는, 적어도 부분적으로, 하나 이상의 센서로부터의 신호에 응답하여 개시되는,
    방법.
  245. 제 244 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 전기화학 소자의 일부인,
    방법.
  246. 제 244 항 또는 제 245 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 인접하는,
    방법.
  247. 제 244 항 내지 제 246 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 및/또는 상기 하나 이상의 센서는 박막을 포함하는,
    방법.
  248. 방법으로서,
    전기화학 소자의 일부인 센서로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 전기화학 소자의 상태를 검출하는 단계를 포함하되,
    상기 전기화학 소자는,
    기판,
    상기 기판에 인접하는 복수의 개별 전극 세그먼트, 및
    집전체 버스를 포함하는 집전체 도메인을 포함하며,
    상기 전극 세그먼트는 전극 활성 물질을 포함하고,
    상기 집전체 버스는 상기 개별 전극 세그먼트에 전자적으로 연결되는,
    방법.
  249. 제 248 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는 온도 센서이고, 상기 상태는 온도인,
    방법.
  250. 제 248 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 하나는 압력 센서이고, 상기 상태는 압력인,
    방법.
  251. 제 248 항 내지 제 250 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 인접하는,
    방법.
  252. 제 248 항 내지 제 251 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 기판에 바로 인접하는,
    방법.
  253. 제 248 항 내지 제 252 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 센서는 박막을 포함하는,
    방법.
  254. 제 248 항 내지 제 253 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출하는 단계에서 응답하는 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 히터 - 상기 히터는 상기 전기화학 소자의 일부이고, 상기 전기화학 소자의 적어도 일부를 가열하도록 구성됨 - 를 작동시키는 단계를 포함하는,
    방법.
  255. 제 254 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 인접하는,
    방법.
  256. 제 254 항 또는 제 255 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기판에 바로 인접하는,
    방법.
  257. 제 254 항 내지 제 256 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 박막을 포함하는,
    방법.
  258. 전기화학 소자로서,
    제 159 항 내지 제 240 항 중 어느 한 항에 따른 물품,
    상기 복수의 개별 전극 세그먼트의 극성과 반대 극성을 가지며 전극 활성 물질을 포함하는 제 2 전극,
    상기 물품과 상기 제 2 전극 사이의 분리기, 및
    상기 제 2 전극에 전자적으로 연결되는 제 2 집전체를 포함하는,
    전기화학 소자.
  259. 제 258 항에 있어서,
    상기 전기화학 소자는 접을 수 있는,
    전기화학 소자.
  260. 전기화학 소자로서,
    제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는(facing) 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분 및 상기 제 2 양극 활성 표면 부분 모두와 반대를 향하는 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분 및 상기 제 3 양극 활성 표면 부분 모두를 대면하는 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분,
    상기 제 2 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분,
    상기 제 3 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분,
    상기 제 4 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분, 및
    분리기를 포함하되,
    상기 제 3 양극 부분은, 적어도 부분적으로, 상기 제 1 양극 부분 및 상기 제 4 양극 부분 사이에 위치되고,
    상기 분리기는,
    상기 분리기의 제 1 부분이 상기 제 1 양극 부분 및 상기 제 1 음극 부분 사이에 있고,
    상기 분리기의 제 2 부분이 상기 제 2 양극 부분 및 상기 제 2 음극 부분 사이에 있으며,
    상기 분리기의 제 3 부분이 상기 제 3 양극 부분 및 상기 제 3 음극 부분 사이에 있고,
    상기 분리기의 제 4 부분이 상기 제 4 양극 부분 및 제 4 음극 부분 사이에 있도록 배열되며,
    상기 전기화학 소자는, 상기 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안, 상기 제 1 양극 활성 표면 부분에 수직인 성분을 갖는 이방성(anisotropic) 힘을 가하도록 구성되고 배열되는,
    전기화학 소자.
  261. 전기화학 소자로서,
    제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분,
    제 1 분리기 부분,
    제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분,
    제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분,
    제 2 분리기 부분,
    제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분,
    제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분,
    제 3 분리기 부분,
    제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분,
    제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분,
    제 4 분리기 부분, 및
    제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분의 순서로 배열되는 복수의 양극 부분, 복수의 음극 부분 및 사형 분리기(serpentine separator)를 포함하되,
    상기 전기화학 소자는, 상기 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안, 상기 제 1 양극 활성 표면 부분에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 가하도록 구성되고 배열되는,
    전기화학 소자.
  262. 전기화학 소자로서,
    제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분 및 상기 제 2 양극 활성 표면 부분 모두와 반대를 향하는 제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분 및 상기 제 3 양극 활성 표면 부분 모두를 대면하는 제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분,
    상기 제 1 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분,
    상기 제 2 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분,
    상기 제 3 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분,
    상기 제 4 양극 활성 표면 부분을 대면하는 제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분, 및
    분리기를 포함하되,
    상기 제 3 양극 부분은, 적어도 부분적으로, 상기 제 1 양극 부분 및 상기 제 4 양극 부분 사이에 위치되고,
    상기 분리기는,
    상기 분리기의 제 1 부분이 상기 제 1 양극 부분 및 상기 제 1 음극 부분 사이에 있고,
    상기 분리기의 제 2 부분이 상기 제 2 양극 부분 및 상기 제 2 음극 부분 사이에 있으며,
    상기 분리기의 제 3 부분이 상기 제 3 양극 부분 및 상기 제 3 음극 부분 사이에 있고,
    상기 분리기의 제 4 부분이 상기 제 4 양극 부분 및 제 4 음극 부분 사이에 있도록 배열되며,
    상기 전기화학 소자는 상기 전기화학 소자의 모든 음극 활성 표면의 둘레의 합으로 정의되는 누적 음극 활성 표면 둘레를 포함하고, 상기 누적 음극 활성 표면 둘레의 적어도 60%는 양극 활성 표면에 의해 중첩되는,
    전기화학 소자.
  263. 전기화학 소자로서,
    제 1 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 양극 부분,
    제 1 분리기 부분,
    제 1 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 1 음극 부분,
    제 2 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 음극 부분,
    제 2 분리기 부분,
    제 2 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 2 양극 부분,
    제 3 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 양극 부분,
    제 3 분리기 부분,
    제 3 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 3 음극 부분,
    제 4 음극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 음극 부분,
    제 4 분리기 부분, 및
    제 4 양극 활성 표면 부분을 포함하는 제 4 양극 부분의 순서로 배열되는 복수의 양극 부분, 복수의 음극 부분 및 사형 분리기를 포함하되,
    상기 전기화학 소자는 상기 전기화학 소자의 모든 음극 활성 표면의 둘레의 합으로 정의되는 누적 음극 활성 표면 둘레를 포함하고, 상기 누적 음극 활성 표면 둘레의 적어도 60%는 양극 활성 표면에 의해 중첩되는,
    전기화학 소자.
  264. 제 260 항 내지 제 263 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 양극 부분, 상기 제 2 양극 부분, 상기 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분 각각은 개별적인,
    전기화학 소자.
  265. 제 260 항 내지 제 263 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 양극 부분, 상기 제 2 양극 부분, 상기 제 3 양극 부분 및 제 4 양극 부분은 연속적인(continuous) 양극의 일부인,
    전기화학 소자.
  266. 제 260 항 내지 제 265 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 부분, 상기 제 2 음극 부분, 상기 제 3 음극 부분 및 제 4 음극 부분 각각은 개별적인,
    전기화학 소자.
  267. 제 260 항 내지 제 265 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 부분, 상기 제 2 음극 부분, 상기 제 3 음극 부분 및 제 4 음극 부분은 연속적인 음극의 일부인,
    전기화학 소자.
  268. 제 260 항 내지 제 267 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 부분은 양면 음극의 제 1 면의 적어도 일부를 형성하고, 상기 제 2 음극 부분은 상기 양면 음극의 제 2 면의 적어도 일부를 형성하는,
    전기화학 소자.
  269. 제 260 항 내지 제 268 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 양극 부분, 상기 제 2 양극 부분, 상기 제 3 양극 부분 및 상기 제 4 양극 부분 각각에 전자적으로 연결된 양극 집전체를 포함하는,
    전기화학 소자.
  270. 제 260 항 내지 제 269 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 부분, 상기 제 2 음극 부분, 상기 제 3 음극 부분 및 상기 제 4 음극 부분 각각에 전자적으로 연결된 음극 집전체를 포함하는,
    전기화학 소자.
  271. 제 260 항 내지 제 269 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 부분에 전자적으로 연결된 제 1 음극 집전체 및 상기 제 3 음극 부분에 전자적으로 연결된 제 2 음극 집전체를 포함하는,
    전기화학 소자.
  272. 제 260 항 내지 제 271 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 양극 부분, 상기 제 2 양극 부분, 상기 제 3 양극 부분 및 상기 제 4 양극 부분 각각에 인접한 기판을 포함하는,
    전기화학 소자.
  273. 제 260 항 내지 제 272 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 부분 및 상기 제 2 음극 부분 사이의 제 1 음극 집전체 부분과, 상기 제 3 음극 부분 및 상기 제 4 음극 부분 사이의 제 2 음극 집전체 부분을 포함하는,
    전기화학 소자.
  274. 제 273 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 집전체 부분 및 상기 제 2 음극 집전체 부분은 개별적인,
    전기화학 소자.
  275. 제 273 항에 있어서,
    상기 제 1 음극 집전체 부분 및 상기 제 2 음극 집전체 부분은 연속적인 음극 집전체의 일부인,
    전기화학 소자.
  276. 제 260 항 내지 제 275 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 양극 부분 및 상기 제 3 양극 부분 사이의 기판 부분을 포함하는,
    전기화학 소자.
  277. 제 260 항 내지 제 276 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 양극 부분, 상기 제 2 양극 부분, 상기 제 3 양극 부분 및 상기 제 4 양극 부분 각각은, 양극 활성 물질로서, 리튬 및/또는 리튬 합금을 포함하는,
    전기화학 소자.
  278. 제 260 항, 제 261 항 및 제 264 항 내지 제 277 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 소자는 상기 전기화학 소자의 모든 음극 활성 표면의 둘레의 합으로 정의되는 누적 음극 활성 표면 둘레를 포함하고, 상기 누적 음극 활성 표면 둘레의 적어도 60%는 양극 활성 표면에 의해 중첩되는,
    전기화학 소자.
  279. 제 262 항 내지 제 278 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 소자는, 상기 전기화학 소자의 충전 및/또는 방전 동안의 적어도 하나의 시간 주기 동안, 상기 제 1 양극 활성 표면 부분에 수직인 성분을 갖는 이방성 힘을 가하도록 구성되고 배열되는,
    전기화학 소자.
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