KR20200047681A - 솔리드 스테이트 재충전식 전기 화학적 셀 - Google Patents

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앤 마리 사스트리
치아-웨이 왕
옌-흥 첸
현철 김
시앙춘 장
명도 정
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

복수의 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀을 포함하는 시스템이 개시된다. 이 시스템은 파워트레인에 동력을 공급하도록 구성될 수 있고 또한 롤링된 기판 및 이 롤링된 기판의 표면 영역 위에 있는 적어도 하나의 전기 화학적 셀을 포함한다. 전기 화학적 셀은 양 전극, 솔리드 스테이트 층, 음 전극 및 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다.

Description

솔리드 스테이트 재충전식 전기 화학적 셀
본 발명은 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 및 차량 추진에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 올 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 및 이 배터리에 의해 동력 공급을 받는 차량 추진 시스템을 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
재충전식 전기 화학적 저장 시스템은, 승객 차량, 집단 차량, 전동 자전거, 전동 스쿠터, 로봇, 휠체어, 비행기, 수중 차량 및 자율 드론을 포함하여 자동차 및 수송 용례에 오랫 동안 사용되고 있다. 액체 또는 겔 전해질을 갖는 재충전식 전기 화학적 저장 시스템은, 비교적 높은 이온 확산 특성을 이용하기 위해 통상적으로 이들 용례에 사용되고 있다. 종래의 납-산, 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈-금속-하이브리드(NiMH), 및 리튬-이온(Li-ion)으로 분류될 수 있는 상이한 애노드 및 캐소드 절반 셀 반응이 개발되었다.
예컨대, 종래의 납 산 배터리는 황산(H2SO4)의 액체 전해질에 침지되는 원소 납(Pb)과 납 산화물(PbO2)을 함유한다. 재충전식 NiMH 베터리는 일반적으로 수산화칼륨과 같은 액체 알칼라인 전해질에 침지되는 전극으로 이루어진다. 가장 일반적인 종류인 재충전식 Li-이온 배터리는 전형적으로 LiPF6, LiBF4 또는 LiClO4와 같은 분해된 리튬염을 함유하는 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트와 같은 유기 용매에 침지되는 전극으로 이루어진다. 리튬-이온 폴리머 배터리에서, 리튬염 전해질은 유기 용매에 유지되지 않고, 폴리에틸렌 산화물 또는 폴리아크릴로니트릴과 같은 고체 폴리머 복합물에 유지된다.
액체 전해질은 일반적으로 재충전식 배터리 셀의 단락을 방지하기 위해 비전도성 분리기를 필요로 한다. 리튬 이온이 전극들 사이의 분리기를 통과하지만 전자들은 전달되지 않도록 미세 다공성 폴리머 분리기는 일반적으로 액체 전해질과 조합되어 사용된다. 그러나, 이들 분리기는 비교적 비싸고, 결함의 원인이 되며, 또한 종종 최종 제품의 에너지 밀도를 떨어뜨린다.
전해질에서 유기 용매를 사용하는 것과 관련한 다른 문제는, 이들 용매는 충전 또는 방전 동안에 분해될 수 있다는 것이다. 적절히 측정되면, 유기 용매 전해질은 초기 충전시에 분해되고 고체 전해질 인터페이즈(SEI)라고 하는 고체 층을 형성하는데, 이 층은 전기 절연적이지만 충분한 이온 전도성을 제공한다.
이들 액체 또는 폴리머 전해질 재충전식 전기 화학적 저장 시스템은 추가적인 전압 또는 전류가 팩 레벨에서 이용 가능하도록 하기 위해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 충전식 파워트레인 시스템은 2 마력 내지 600 마력의 동력 전달을 요구할 수 있고, 1000 W/kg 이상의 동력 요구량으로 차량의 요구에 따라, 1 kWh 내지 100 kWh의 에너지 범위를 필요로 할 수 있다.
충분한 안전을 얻으면서 이들 에너지 및 파워 요건을 만족하기 위해, 기존의 기술은 A123 시스템에 의해 시판되고 있는 LiFePO4 나노 재료와 같은 더 작은 캐소드 입자(심지어 나노 스케일임)를 제조하는 것을 교시한다. 이들 더 작은 나노입자는, Li-이온 입자가 캐소드 입자의 최내측 지점에 도달하기 위해 액체 전해질로부터 이동해야 하는 수송 거리를 줄여주며, 그래서, 배터리의 충방전 중에 캐소드 재료에서 열 및 응력의 발생이 감소 된다. 그러므로, 방전 속도가 낮은 마이크로 전자 장치 외의 용례를 위한 배터리 셀을 만드는 당업자는, 가장 작은 축선이 1 미크론의 두께에 걸쳐 있는 캐소드 필름이 실행 가능한 제품을 생성할 것이라는 것은 예상하지 못할 것이다. 전기 차량 및 휴대용 전자 장비를 위한 재충전식 배터리 셀의 종래 제조업자는 일반적으로, 습식 슬러리로 혼합되고 그런 다음에 슬롯형 다이를 통해 압출되거나 닥터 블레이드를 통해 얇게 되는 나노 및 마이크로 스케일의 입자로 구성된 이종 집합체를 캐소드로서 선택하는 것을 선호하며, 이어지는 건조 및 압착의 결과로 개방 셀 다공성 구조가 얻어지며, 이러한 구조에 의해 액체 또는 겔 전해질이 그의 세공에 침투하여 작용 재료와의 밀접한 접촉을 제공하게 된다.
추가로, 종래의 기술은, 전기 차량 배터리 팩에서 A123 시스템, Dow Kokam, LGChem, EnerDel 등에 의해 이용되고 있는 것과 같은 직사각형 프리즘형 셀은, 셀 사이에서 발포체(foam) 또는 다른 압축성 재료를 갖는 팩에 포함되어야 하는 것을 제안한다. 종래의 기술에 따르면, 큰 자동차 배터리 팩의 수명에 걸쳐 이들 셀은 부풀게 되고, 또한 팩의 수명 처음에 충분한 압력을 유지하기 위해 발포체 또는 다른 압축성 재료가 이들 배터리 셀 사이의 스페이서로서 사용될 필요가 있지만, 이는 셀이 부풀림에 따라 항복될 것이다. 종래의 기술은 또한 셀이 부풀림에 따라 외부 배터리 팩 케이싱을 개구로부터 이격시키기 위해 압축 밴드 또는 다른 기계적 기구를 교시한다. 또한 종래의 기술에 의하면, 추정에 따르면 배터리 셀에서 양호한 접촉과 낮은 접촉 저항 및 양호한 전도성의 유지 때문에 양호한 성능을 보장하기 위해 배터리 셀에 대한 압력이 요구된다.
팩 레벨에서, 종래의 기술에 의하면, 배터리 셀의 팩을 관리하기 위해, 특히 온도 극값 또는 충전 상태 최소 또는 최대 범위에서 액체 또는 셀 전해질과 조합하여 작용 재료 사이의 집합된 미립자 셀에서의 부차 반응으로 인한 미지의 수명을 관리하기 위해 복잡한 제어가 필요하다. 예컨대, 이들 제어 구조는 전형적으로, 배터리 팩에 들어 있는 각 개별 셀의 전류 충전 상태를 추정하기 위해 전압 모니터링을 쿨롱 카운팅 기구와 조합하는 알고리즘을 갖는다. 각 셀은, 셀 수명을 유지하고 열 방출의 가능성을 줄이기 위해 최저의 전압과 충전을 갖도록 측정되는 셀의 전압과 전류에서 작동될 수 있다. 본 발명의 복수의 셀로 만들어지는 팩은, 대안적인 제조 기술로부터 입자 및 셀 레벨에서 더 높은 균일성으로 인해 그러한 복잡한 제어 구조를 필요로 하지 않을 수 있다.
기존의 솔리드 스테이트 배터리, 폴리머 또는 액체가 아닌 고체, 종종 세라믹인 전해질을 이용하는, 미국 특허 5,338,625에 기재되어 있는 것과 같은 솔리드 스테이트 배터리가 개발되었다. 그러나, 이들 전해질에 대한 공적인 연구에 의하면, 그 배터리는 비교적 낮은 이온 전도성을 갖으로 것으로 널리 알려져 있다(Journal of Power Sources, 43-44 (1993) 103-110에 있는 J.B. Bates 등의 "Fabrication and Characterization of Amorphous Lithium Electrolyte Thin Films and Rechargeable Thin-Film Batteries" 참조). 본 발명에서, 본 발명자는 그들이 발명한 계산 모델을 사용하여, 최적인 재료 층 두께 및 구성을 결정하여, 본 발명자가 만든 그리고 문헌에 있는 재료의 전해질, 애노드 및 캐소드 재료에서 측정되는 이온 전도성 및 확산 특성을 알았다. 또한, 이들 솔리드 스테이트 배터리는 일반적으로 셀의 총 용량(Ampere-hours (Ah))을 제한하는 비교적 작은 면적(100 cm2 보다 작은)에서 제조된다.
예컨대, 현재 Infinite Power Solutions에 의해 제조되는 솔리드 스테이트 배터리 제품의 Thinergy 라인의 최대 배터리 셀은 25.4mm x 50.8mm x 0.17mm의 치수 및 4.1 볼트의 공칭 전압 등급에서의 100mA의 최대 전류를 갖는 패키지에서 2.5 mAh의 총 용량을 갖는다. 이들 솔리드 스테이트 배터리 셀은, 비슷한 Li-이온 액체 전해질 셀에 대한 200 - 400 Wh/L의 산업 기준 보다 훨씬 아래인 단지 46.73 Wh/L의 공칭 에너지 밀도를 갖는다. 추가로, 설계 및 뱃치 제조 공정을 이용하는 선택으로 인한 이들 셀의 아주 작은 용량은, 적어도 16kWh의 정미(net) 공칭 에너지 저장량(Chevrolet Volt와 같은 전형적인 연장 범위 전기 차량(EREV)의 에너지 저장 용량임)을 갖는 팩을 얻기 위해 직렬 및 병렬로 연결되는 1,500,000개 이상의 이들 셀을 취할 것임을 의미한다. 그러므로 기존의 솔리드 스테이트 배터리 셀 설계 및 제조 공정은 전기 차량 파워트레인에 포함되기에는 비실용적이다.
더욱이, 이들 작은 솔리드 스테이트 배터리는 작용 재료에 대한 팩의 비교적 큰 질량 비 때문에 제품 스케일에서 낮은 에너지 밀도를 갖는다. 추가로, 기존의 솔리드 스테이트 배터리는 종종 스퍼터링 및 화학적 기상 증착(CVD)과 같은 비싸고 낮은 속도의 방법을 사용하여 만들어진다. 화학적 용액 증착(chemical bath deposition; CBD)과 같은 다른 더 빠른 공정이 가정되었지만 입증되어야 한다. 이들 더 빠른 공정은 수송 산업에서 허용될 정도로 충분히 낮은 결함율을 갖는 균일한 제품을 제조하는데는 어려울 수 있다.
기판 재료의 선택은 본 발명자에 의해 설계된 제품에서 다른 중요한 구분 요소이다. 지금까지, 솔리드 스테이트 배터리의 제조업자는, 풀림(annealing)될 수 있고 추가 패키징 단계에서 더 튼튼할 수 있는 기판, 예컨대, 세라믹 판, 실리콘 웨이퍼, 금속 포일, 및 8 내지 10 미크론 보다 큰 두께를 가지며 높은 내열성을 갖는 폴리머와 같은 두꺼운 폴리머 재료를 선택했다. 현재 사용되고 있는 이들 재료 중 어떤 것도 5 내지 10 미크론 미만의 두께를 갖는 게이지에서는 이용 가능하지 않다. 풀림이 불가능한 10 미크론 아래의 더 얇은 폴리머 기판이 적절한 재료로 선택될 수 있다. 반대로, 기판은 금속 포일 리본일 수 있고, 리본은 다운웨브 방향으로 금속 포일을 통과하는 천공 패턴을 포함한다. 이 경우, 금속 기판으로 인한 중량 및 기생 질량의 단점은 금속 리본에 구멍을 만들어 무효화된다. 구멍들은 또한 솔리드 스테이트 전기 화학적 셀이 증착되면 기판의 롤링을 더 쉽게 해준다. 이와 관련하여, 기판 위에 있는 전기 화학적 셀은 금속 포일을 통과하는 천공 패턴과 정합되어 리본 상에 증착될 수 있다.
본 발명은 올 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 및 이 배터리에 의해 동력 공급을 받는 차량 추진 시스템을 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 단지 예를 들어, 본 발명은 차량 주친 시스템에 적용되지만, 다양한 다른 용례가 있을 수 있다.
재충전식 전기 화학적 셀의 형태에 저장되는 전기로 적어도 부분적으로 동력 공급을 받는 수송 시스템, 그들 셀은,
● 적어도 300 Wh/L의 특정한 체적 에너지 밀도를 달성하고 또한 적어도 1Ah의 공칭 용량을 가지며,
● 실질적인 리튬 또는 마그네슘 삽입(intercalation)을 이룰 수 있는 인산염 또는 산화물 화합물로 이루어진 캐소드 재료를 포함하며,
● 리튬 또는 마그네슘을 플레이팅하거나 삽입할 수 있는 탄소질, 실로콘, 주석, 리튬 금속 또는 다른 재료로 이루어진 애노드 재료를 포함하고,
● 인산염 또는 세라믹으로 이루어진 고체 전해질을 포함하며,
● 롤-투-롤 제조 공정으로 제조된다.
어떤 실시 형태에서, 이들 셀은, 충전 상태, 배터리 수명 및 배터리 건강을 모니터링하는 알고리즘으로 프로그램된 충방전 제어 회로에 의해 조절되는 팩을 형성하기 위해 직렬 및 병렬로 조합된다.
본 발명은 완전 하이브리드, 마일드 하이브리드 및 플러그-인 하이브리드를 포함하여 하이브리드 차량 파워트레인에 포함될 수 있다. 본 발명은 또한 병렬 하이브리드, 직렬 하이브리드, 동력 분할 하이브리드 및 직렬-병렬 하이브리드를 포함하여 다른 파워트레인 구조에도 이용될 수 있다.
전술한 본 발명은 차량에 적용되지만, 전술한 바는 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 이동형 컴퓨터, 비디오 게임 플레이어, MP3 음악 플레이어, 음성 녹음기, 동작 검출기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 어떤 이동형 컴퓨팅 장치에도 적용될 수 있다. 배터리, LED 또는 다른 유기 광원 및 태양 패널을 포함하는 조명 시스템이 또한 적용될 수 있다. 또한, 시동 모터, 보조 동력 시스템, 위성 동력원, 마이크로 센서 장치 및 무인 공중 차량을 위한 동력원과 같은 항공 우주 및 군사 용례도 적용될 수 있다.
세라믹 분리기를 갖는 솔리드 스테이트 배터리의 잠재적인 이점은, 십년 이상 동안 논의되었지만, 지금까지 소수만 본 제품을 진정으로 상용화했다. 본 제품의 상용화를 방해하는 한 난제는, 높은 수준의 성능을 갖는 제품 설계 파라미터의 개발이다. 이전에는 극복되지 않은 다른 난제는, 더 큰 포맷 크기(1/10 Ah 보다 큰)의 솔리드 스테이트 배터리를 만드는데 요구되는 롤-투-롤 제조 공정을 개발하는 것 및 그 배터리를 감고 일 마이크로 암페어 이상의 전류를 필요로 하는 제품에 전력을 공급할 수 있는 포맷으로 배터리를 패키징하는 것이다.
스케일로 제조될 수 있는 솔리드 스테이트 배터리 셀의 설계는, 시행 착오 과정을 통해 최적화된 설계 근처에 도달하기 위해 요구되는 계산 설계 도구 및 높은 자본 지출이 없어 제한되었다.
본 발명자는 특별히 많은 용례에 사용되도록 설계된 솔리드 스테이트 배터리를 위한 일 세트의 최적화된 설계에 도달하기 위해 물리학 기반 코드 및 최적화 알고리즘을 이용하는 계산 설계 도구 세트를 완성했다. 그러한 도구의 일 예가 2009년 6월 15일에 "COMPUTATIONAL METHOD FOR DESIGN AND MANUFACTURE OF ELECTROCHEMICAL SYSTEMS" 라는 명칭으로 출원된 미국 일련 번호 12/484,959에 기재되어 있고, 이는 본원에 참조로 관련되어 있다.
본 발명의 결과로, 300 Wh/L 이상의 에너지 밀도를 갖는 솔리드 스테이트 배터리가 얻어진다. 이는 액체 또는 겔 전해질로 설계된 어떤 배터리 시스템을 사용하여 얻어졌지만, 세라믹 전해질을 갖는 솔리드 스테이트 배터리는 이 수준의 에너지 밀도를 거의 얻지 못했다. 또한, 세라믹 전해질 및 설계에 의해, 종래의 감긴 리튬-이온 배터리에서 액체 또는 겔 전해질과 배터리 재료 사이에 생기는 리튬 수지상(dendrite) 및 다른 바람직하지 않은 부차 반응이 일어나지 않는다. 추가적으로, 본 발명에서 이용되는 고체 세라믹 전해질에 의해, 폴리머 분리기를 이용하는 리튬-이온 배터리 셀에서 주요 고장 기구가 되는 내부 단락이 일어나지 않는다.
도요타 등이 최근에 솔리드 스테이트 배터리를 제조하고 있지만, 제품에 필요한 성숙도에 이를 수 있는 설계에는 아무도 도달하지 못했다. 예컨대, 최근에 도요타에 의해 제조된 배터리는, 15년 이상 동안 통상적으로 제조되는 액체 전해질 리튬-이온 배터리에 사용되던 동일한 재료로 낮은 속도의 스퍼티링 공정을 사용하여 제조되었다. 도요타 설계는 양 및 음의 전해질을 갖는 4'' x 4'' 셀이었고, 여기서 작용 재료는 Nikkei Electronics에 따라 리튬 코발트 산화물 및 흑연이었다.
이하의 도는 단순히 예이고, 이 예는 청구 범위를 부당하게 한정하지 않는다. 당업자는 많은 다른 변화, 수정 및 대안을 알 것이다. 또한, 여기서 설명되는 예 및 실시 형태는 실례를 들기 위한 것뿐이고 그에 비추어 다양한 수정 또는 변경이 당업자에게 암시될 것이고 또한 이 과정의 정신과 범위 및 첨부된 청구 범위에 포함됨을 이해할 것이다.
도 1은 현재의 최신 솔리드 스테이트 배터리 셀의 단면도이다.
도 2는 현재의 최신 솔리드 스테이트 배터리 셀의 상면도이다.
도 3은 현재의 최신 미립자 배터리 셀의 단면도이다.
도 4는 실제 감긴 현재의 최신 리튬-이온 배터리의 대각선 방향 단면의 사진이다.
도 5는 충전식 파워트레인 및 관련된 전기 에너지 저장 시스템을 포함하는 차량의 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 감긴 솔리드 스테이트 배터리의 단순화도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비원통형 옹기 형상 계수로 압축된 감긴 솔리드 스테이트 배터리 셀의 단순화도이다.
도 7은 솔리드 스테이트 배터리 셀의 단순화된 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 시뮬레이션된 에너지 밀도를 나타내는 라곤 플롯이다.
도 1은 현재의 최신 솔리드 스테이트 배터리의 프로파일도이다. 이 도에서, 캐소드 전류 콜렉터(16)가 유사하게 증착되어 있는 애노드 전류 콜렉터(18)와 접촉하지 않도록 마스킹 기술을 사용하여 두꺼운 기판(12) 상에 증착되어 있다. 캐소드 재료(20)가 캐소드 전류 콜렉터(16) 상에 증착되어 있다. 이온 전달 전기 절연체(22)가 또한 증착되어 있다. 그리고 애노드 재료(24)가 애노드 전류 콜렉터(18)와 접촉하도록 전해질 위에 증착되어 있다. 전기 화학적 셀 층(10)은 앞에서 언급된 이들 요소를 포함한다. 셀은 고정 기판(12) 상에 증착된다. 셀은 40 Wh/kg 미만의 에너지 밀도를 가지며, 0.1 Ah 미만의 용량을 포함한다.
도 2는 도 1에 나타나 있는 종래의 셀에 나타나 있는 동일한 셀의 상면도이다. 도 1에 있는 전기 화학적 셀 층(10)의 구성은 도 2에서 상방에서 수 있다. 전체 셀은 변 당 8 인치 미만이다. 셀은 기밀하게 밀봉된다(32). 포지티브 탭(tab)(16)과 네거티브 탭(18)이 패키징된 셀로부터 돌출한다.
도 3은 자동차 및 소비자 전자 기구에 있는 사실상 모든 상용 Li-이온 제품에 사용되는 현재의 최신 미립자 배터리 재료 적층 구조의 단면을 나타낸다. 캐소드 입자, 재(cinder) 재료 및 전도성 코팅(6, 7, 8)의 집합체가 양 전극으로 모아져 있다. 이 집합체 층의 두께는 50 미크론 내지 350 미크론이다. 10 미크론 내지 50 미크론의 두께를 갖는 다공성 분리기(4)가 애노드 절반 반응과 캐소드 절반 반응을 분리시킨다. 탄소와 같은 삽입 재료가 음 전극(2)으로 사용된다. "형성"으로 알려져 있는 단계에서 셀의 제조 후에 고체 전해질 인터페이스 층(3)이 의도적으로 애노드 상에 형성된다. 알루미늄 전류 콜렉터(9)가 캐소드로부터 전자를 모으고, 구리 전류 콜렉터(1)가 애노드로부터 전자를 모으게 된다. 미립자 재료 외부에 있으면 이온과 전자를 전달하는 액체 또는 폴리머 전해질 용매(10)에 혼합물이 담궈진다.
도 4는 현재의 최신 리튬-이온 배터리 "젤리롤" 셀의 단면을 나타내는 사진이다. 이 셀은 50회 미만으로 감겨 있다.
도 5는 충전식 파워트레인(12), 특히 하이브리드 충전식 파워트레인을 포함하는 차량(10)의 개략도이다. 본 발명의 실시 형태는, 플러그-인형 충전식 파워트레인을 포함하는 완전 충전식(EV) 또는 부분 충전식(HEV) 파워트레인을 포함하는 사실상 어떤 차량에도 적용될 수 있다. 차량(10)은 단지 본 발명의 일 가능한 실시 형태로서 도시되고 설명된다. 차량(10) 및 충전식 파워트레인(12)의 많은 다른 구성이 가능함을 이해할 것이다. 예컨대, 아래에서 설명되는 에너지 저장 모듈(42, 44)은 동일한 격실에 설치되는 것에 한정되지 않는다. 이 에너지 저장 모듈은 서로 다른 위치에 배치될 수 있어, 공기 조화기, DC 모터 등과 같은 타겟 전자 장치가 그 에너지 저장 모듈에 더 쉽게 접근 가능하다.
충전식 파워트레인(12)은 가변 속도 트랜스미션(15)에 연결되는 내연 엔진(14) 및 추진 축(20)을 통해 차량(10)의 앞 바퀴(18)를 구동시키는 트랙션 모터(16)를 포함한다. 트랜스미션(15) 및 트랙션 모터(16)는, 차량 운전자가 접근 가능한 가속 페달 제어기(24) 및 브레이크 제어기(26)로부터의 입력에 반응하는 제어기(22)에 연결된다. 전술한 바는 특정 실시 형태에 대한 완전한 설명이지만, 다양한 수정, 대안 구성 및 등가물이 사용될 수 있다.
도 5는 트랜스미션(15)에 연결되는 단일 트랙션 모터(16)를 나타내지만, 다수의 트랙션 모터가 사용될 수 있다. 예컨대, 트랙션 모터는 각 바퀴(18)와 관련될 수 있다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 트랙션 모터(28)는 추진 축(32)을 통해 뒷 바퀴(30)를 구동시키도록 제공될 수 있고, 트랙션 모터(28)는 제어기(22)에 연결된다. 충전식 파워트레인(12)의 대안적인 구성이, 트랜스미션(15)과 트랙션 모터(16)를 통한 뒷 바퀴(30)의 주 구동, 앞 바퀴(18)와 뒷 바퀴(30)의 구동 및 가변 속도 트랜스미션과 트랙션 모터를 통해 앞 바퀴(18) 및/또는 뒷 바퀴(30)를 구동시키는 다양한 조합을 가능하게 할 수 있다.
전기 에너지가 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)으로부터 제어기(22)를 통해 트랙션 모터(16)와 트랙션 모터(28)(제공된다면)에 공급된다. 본 발명의 실시 형태에 따르면, 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)은 복수의 에너지 저장 모듈을 포함하고, 2개가 에너지 저장 모듈(42) 및 에너지 저장 모듈(44)로 도시되어 있다. 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)은 2개 보다 많은 에너지 저장 모듈을 포함할 수 있다. 모듈은 셀 구성, 셀의 화학적 조성, 제어 등과 같은 특정한 특성을 갖는 일 세트의 셀일 수 있다.
내연 엔진(14)에 의해 구동되는 발전 모드로 트랙션 모터(16)를 작동시켜 전기 에너지가 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)에 제공될 수 있다. 트랙션 모터(16) 및/또는 트랙션 모터(28)를 재생 제동 모드로 작동시켜 차량 제동 중에 에너지가 더 회수되어 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)에 전달될 수 있다. 에너지는 또한 플러그-인 옵션을 통해 플러그-인 인터페이스(41)를 통해 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)에 제공될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)은, 제 1 배터리 시스템 부분 또는 모듈(42) 및 제 2 배터리 시스템 또는 모듈(44)을 포함하는 하이브리드 배터리 시스템이다. 제 1 모듈(42)은 제 1 배터리 구조를 가지며, 제 2 모듈(44)은 제 1 배터리 구조와는 다른 제 2 배터리 구조를 갖는다. 상이한 배터리 구조는, 셀 구성, 셀의 화학적 조성, 셀 갯수, 셀 크기, 셀 커플링, 제어 잔자 장치, 및 대응하는 부분(들)에 대해 볼 때 동일한 파라미터와 다를 수 있는 배터리 시스템의 부분과 관련된 다른 설계 파라미터 중의 어느 하나 또는 전부를 말하는 것이다. 배터리 팩은 어떤 전자 장치의 근처에 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 그래서, 에너지 저장 모듈(42, 44)은 하이브리드 에너지 저장 시스템(40)과 동일한 격실에 설치될 필요는 없다. 당업자는 다른 변화, 수정 및 대안을 알 것이다.
전술한 시스템은, 파워트레인에 동력을 공급하도록 구성된 복수의 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀을 포함하는 차량 추진 시스템의 일 실시 형태일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 시스템은 표면 영역, 이 표면 영역 위에 있는 적어도 하나의 전기 화학적 셀 및 전기 전도성 재료를 갖는 롤링되는 기판을 포함할 수 있다.
롤링되는 기판은 가장 짧은 축선을 따라 10 미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 이축 배향 폴리프로필렌 필름(BOPP), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 아크릴락트, 아리미드, 또는 10 미크론 미만의 두께를 갖는 금속 재료를 포함할 수 있다.
전기 화학적 셀(들)은 양 전극, 솔리드 스테이트 층 및 음 전극을 포함할 수 있다. 양 전극은 전이 금속 산화물 또는 전이 금속 인산염을 포함할 수 있다. 양 전극은 또한 0.5 내지 50 미크론의 두께를 특징으로 할 수 있다. 전기 전도성 재료는 음 전극 재료 없이 양 전극 재료에 연결될 수 있다. 솔리드 스테이트 층은 충방전 과정 중에 리튬 또는 마그네슘 이온을 전달하도록 구성된 세라믹, 폴리머, 또는 유리 재료를 포함할 수 있다. 솔리드 스테이트 층은 0.1 내지 5 미크론의 두께를 특징으로 할 수 있다. 음 전극 재료는 충방전 과정 중에 이온의 전기 화학적 삽입 또는 플레이팅(plating)을 위해 구성될 수 있다. 음 전극 재료는 0.5 내지 50 미크론의 두께를 특징으로 할 수 있다. 물론, 다른 변화, 수정 및 대안이 있을 수 있다.
또한, 양 및 음 전극 재료의 층 각각은 0.5 미터 보다 큰 총 표면적을 가질 수 있고, 롤링되는 기판은 적어도 폴리머, 금속, 반도체 또는 절연체로 만들어진다. 이들 층은, 작용 재료 층의 표면적의 1/100 보다 작은 외부 표면적을 갖는 용기 안으로 감겨질 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 전기 화학적 작용 재료의 층은 셀 당 적어도 30회 연속적으로 감기거나 적층될 수 있다. 음 전극 재료는 리튬 금속 합급의 합금을 포함할 수 있어, 융점 또는 합금은 150℃ 보다 크다.
배터리 셀은 전기 화학적 셀의 평방 미터 당 50 Wh(Watt-hour) 이하의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 배터리 셀은 또한 적어도 300 Wh/kg의 비에너지를 가질 수 있다. 특정한 실시 형태에서, 배터리 셀은 정격 용량의 80%로 순환되면서 적어도 5000 사이클을 달성할 수 있고, 이는 적어도 250 Wh/kg의 중량 측정 에너지 밀도를 갖는다.
다양한 실시 형태에서, 이들 배터리 셀은 적어도 스마트폰, 휴대 전화기, 라디오 또는 다른 휴대용 통신 기기, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대용 비디오 게임 시스템, MP3 플레이어 또는 다른 음악 플레이어, 카메라, 캠코더, RC 카, 무인 비행기, 로봇, 수중 차량, 위성, GPS 유닛, 레이저 거리 측정기, 손전등, 전기 거리 조명 및 다른 휴대용 전자 기기 중의 하나 이상에 이용될 수 있다. 또한, 이들 배터리 셀은 고체 전해질 인터페이스/인터페이즈(SEI) 층이 없을 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 시스템은 멀티셀 재충전식 배터리 팩을 더 포함할 수 있다. 멀티셀 재충전식 배터리 팩은 복수의 솔리드 스테이트 재충전식 셀을 포함할 수 있다. 이들 셀의 제 1 부분은 직렬로 연결될 수 있고, 그 셀의 제 2 부분은 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 이 멀티셀 재충전식 배터리 팩은 열전달 시스템 및 60℃ 내지 200℃의 작동 온도 범위를 유지하도록 구성된 하나 이상의 전자 제어기를 포함할 수 있다. 복수의 재충전식 셀은 복수의 재충전식 셀의 각각의 최외측 부분을 포함할 수 있다. 이들 최외측 부분 각각은 서로 1 mm 미만으로 가까이 있을 수 있다. 또한, 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩은 적어도 0.4 m2*K/(W*in)의 R-값의 열저항성을 갖는 하나 이상의 재료로 절연될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀을 갖는 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩을 갖는 시스템은, 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀과 조합됨이 없이 복수의 캐패시터 단독 또는 종래의 미립자 전기 화학적 셀 보다 더 높은 정미 에너지 밀도를 제공하도록 적어도 직렬 또는 병렬로 구성된 복수의 캐패시터를 더 포함할 수 있고, 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩은 적어도 500 W/kg의 에너지 밀도를 특징으로 한다. 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀은 권취 구조 또는 적층 구조로 구성될 수 있고, 리튬 또는 마그네슘을 전달 이온으로서 이용하여, 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀은 1 Ah 보다 큰 포맷으로 구성될 수 있고 또한 고체 전해질 인터페이스 층이 없도록 구성될 수 있으며, 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀은 1000 사이클 이상 후에 80% 이상의 용량을 유지할 수 있다. 이러한 시스템 및 본 발명의 실시 형태에 따른 유사한 시스템의 다른 실시 형태가, 적어도 부분적으로 이들 시스템에 의해 동력 공급을 받는 차량 내부에 제공될 수 있다.
도 6a는 감겨 나타나 있는 올(all) 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀의 단순화도이다. 몇개의 권선이 만들어져 있지만, 본 발명은 셀 당 50개 이상의 권선을 포함하는 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 셀에 대한 권리도 주장한다. 본 발명의 솔리드 스테이트 셀은 z-접기, 적층 또는 플레이팅 기술을 사용하여 패키징될 수 있다.
도 6b는 비원통형 형상 계수로 끼워 맞춤되도록 감긴 후에 압축된 감긴 재충전식 솔리드 스테이트 배터리의 단순화도이다. 이 발명에서, 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 필름의 압축은 기판 또는 증착된 필름의 균열, 박리 또는 다른 결함 없이 행해진다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 작용 재료 층의 단면의 단순화도이다. 금속 전류 콜렉터(72)가 얇은 기판(71)의 긴 스트립 상에 증착된다. 양 전극 재료(73)가 이 전류 콜렉터(72) 상에 증착되며, 고체 이온 전달 전해질(74)에 의해 금속 애노드 재료(75)로부터 분리되어 있다. 금속 전류 콜렉터 스트립은 셀의 절단, 권취, 또는 적층 전에 애노드에 부착된다.
이 장치는 0.5 Wh 이상의 정격 에너지가 장치에 공급될 필요가 있는 용례에서 적어도 250 Wh/kg을 달성할 수 있다. 더 큰 장치에서 에너지 밀도 능력은 더 커서, 비작용 재료의 상대 질량 비율이 감소된다.
본 발명은, 필름 상의 표면의 평방 미터 당 Wh는 50 Wh/m2 보다 작다는 점에서 현재의 기술과 다르며, 그 수치는 자동차 및 휴대용 전자 기구에서 현재 사용되고 있는 Li-이온 배터리의 Wh/m2의 절반 보다 작다. 그래서, 동일한 에너지 밀도를 얻고 또한 훨씬더 큰 정밀도로 무결함 필름을 유지하기 위해서는, 셀을 더 많은 회전으로 감을 필요가 있다. 본 발명은, 액체 전해질에 침지되는 입자들을 압착하지 않고, 세라믹 분리기에 물리적으로 결합되는 단일의 균일한 캐소드 재료 스트립을 또한 이용한다.
도 8은 유한 요소 해석 및 다중 물리 코드의 양태를 포함하는 본 발명자에 의해 개발된 계산 코드를 사용하여 아래의 예 1에서 설명되는 3개의 상이한 솔리드 스테이트 배터리 시스템의 시뮬레이션된 라곤(ragone)을 나타낸다. 각 설계는 층 두께와 캐소드 재료의 상이한 조합을 나타낸다. 이 배터리 셀은 300 Wh/kg 보다 큰 에너지 밀도를 갖도록 시뮬레이션되었고, 본 발명자에 의해 개발된 독점적인 제조 기술을 사용하여 제조된다.
예 1. 이 특정한 실시 형태에서, 셀은 5 미크론 미만의 두께를 갖는 감긴 폴리머 기판 상에 제조된다. 0.2 미크론 미만의 두께를 갖는 금속 캐소드 전류 콜렉터가 이 기판 상에 증착되고, 그 위에는 10 미크론 미만의 두께를 갖는 전이 금속 산화물 캐소드 재료가 증착된다. 그리고, 2 미크론 미만의 두께를 갖는 세라믹 전해질 층이 증착되고, 이 전해질 상에는 적어도 50% 리튬 금속을 함유하는 금속 애노드가 증착된다. 기판의 치수는 적어도 1 cm x 100 cm이고, 전체 구조물의 두께는 50 미크론 미만이다.
일 예로, 본 장치 및 방법은 최대 1,000,000 개의 층을 포함할 수 있지만, 변화도 가능하다. 일 예로, 본 장치는 이하의 파라미터를 가질 수 있다:
캐소드: 0.005 ㎛ 내지 100 ㎛
애노드: 0.005 ㎛ 내지 100 ㎛
전해질: 0.001 ㎛ 내지 100 ㎛
일 예로, 기판은 고정된 또는 움직이는 유리일 수 있고, 또는 제조 중에 실질적으로 휘어지지 않는 다른 고정된 또는 움직이는 재료일 수 있지만, 변화도 가능하다.
표면적: 0.001 ㎛2 내지 100 ㎛2
일 예로, 본 발명은 거의 임의로 얇은 전극을 만들 수 있게 해주는 솔리드 스테이트 가공의 이점을 제공하며, 얇은 전극은, 현재의 적층형 배터리에 대해 합리적인 에너지 밀도를 유지하면서, 전력 밀도, 낮은 작동 온도 및 신속한 충전 능력을 실질적으로 개선한다. 액체 또는 겔 전해질의 사용은 최소 두께를 필요로 하는데, 이 두께는 솔리드 스테이트 설계에서 가능한 최소 두께를 초과한다. 또한, 많은 용례가 솔리드 스테이트 기술의 사용으로부터 특별히 이점을 얻어 고전력 배터리 셀을 생성할 수 있고, 이 셀은 높은 방전 속도에서의 이용을 가능하게 하기 위해 매우 얇은 캐소드를 필요로 한다. 구체적으로, 유인 또는 무인 드론, 항공기 또는 하이브리드 전기 차량을 위한 배터리 처럼, 진공 청소기, 모발 건조기 및 전동 공구와 같은 고전력 소비 상품는 모두 고전력 시스템으로부터 이점을 얻는다. 또한, 0.01 ㎛2 내지 100 ㎛2의 풋프린트를 갖는 배터리 셀은 저장을 필요로 하는 시스템에 동력을 공급할 수 있다. 작은 시스템은 바이오시스템, RFID, 스마트카드, 데이타 저장기, 및 모니터링 및 다른 용례를 위한 초 박형 웨어러블 기술을 포함한다. 더 큰 시스템은 솔라 어레이(정치식이거나 우주선 또는 우주 시설물에 있는), 또는 지상 차량 또는 항공 차량을 포함한 움직이는 시스템을 포함한다. 솔리드 스테이트 가공은 매우 작은 기판에서 매우 큰 기판까지 전 범위의 기판에서 배터리 제조의 특유한 집적을 가능하게 한다.
일 예로, 본 장치는 예컨대 드론, 휴대용 장치, 진공 청소기, 팬, 모발 건조기, 컬러(curler), 플래트너(flattener), 칫솔, 및 다른 개인 케어 제품, 전동 공구, 해양용, 그리드 발전 시스템, 이동 전화기 탑 또는 지상용을 위한 다른 민간 또는 군용 저장 시스템, 상품과 서비스에 대한 자금 또는 지불을 전달하기 위해 부분적으로 또는 배타적으로 사용되는 전자 물품, 휴대용 텔레비젼, 휴대용 공기 취급 시스템(열전달을 이루거나, 증기 청소기에서 처럼 재료에 어떤 변화를 주기 위해 가스 또는 증기를 가하거나 오염물 가스나 다른 재료를 여과하기 위해 공기 또는 다른 작동 가스를 이용하는 펌프, 팬, 가열기 또는 다른 장치를 포함하여). 장치의 내부 또는 외부에 있는 휴대용 광원, 잔디 관리 또는 정원 도구(풀베기, 흙이동, 밭고랑 내기, 심기 또는 재료 수송 기계를 포함하여), 바닥 관리, 도난 탐지 또는 모니터링, 환경 모니터링, 인간 또는 동물을 위한 보조, 어셈블리 또는 다른 기계화된 작업, 가르치기, 이동 및 수송을 포함하는 단일 또는 복수의 기능을 가질 수 있는 로봇 장치, 3D 프린터, 장난감(기계화된 인형, 액션 피규어, 비행기, 보트, 스쿠터, 스케이트보드 및 어린이와 상호 작용하거나 어린이를 즐겁게 해주거나 가르치도록 설계된 다른 장치를 포함하여)과 같은 다양한 용례에 사용될 수 있다. 위에서 언급한 것들의 임의의 조합 또는 다른 용례도 가능하다.
전술한 바는 특정 실시 형태의 완전한 설명이지만, 다양한 수정, 대안적인 구성 및 등가물이 사용될 수 있다. 일 예로, 방법을 포함하는 본 출원은, 2009년 6월 15일에 "METHOD FOR HIGH VOLUME MANUFACTURE OF ELECTROCHEMICAL CELLS USING PHYSICAL VAPOR DEPOSITION"라는 명칭으로 출원된 미국 일련 번호 12/484,966(본원에 참조로 관련되어 있음)의 하나 이상의 요소와 함께 사용될 수 있다. 본 방법 및 장치는 또한 미국 특허 7,945,344(본원에 참조로 관련되어 있음)에 설명되어 있는 기술과 함께 사용될 수 있다. 그러므로, 위의 설명 및 도시는 첨부된 청구 범위로 규정되는 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 생각되어서는 안 된다.

Claims (21)

  1. 파워트레인에 동력을 공급하도록 구성된 복수의 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 장치를 포함하는 시스템으로서,
    기판;
    상기 기판 위에 있는 적어도 하나의 전기 화학적 셀로서,
    전이 금속 산화물 또는 전이 금속 인산염을 포함하는 양 전극 재료 층;
    세라믹, 폴리머 또는 유리질 재료를 포함하고, 충방전 과정 중에 리튬
    또는 마그네슘 이온을 전달하도록 구성된 솔리드 스테이트 층; 및
    충방전 과정 중에 이온의 전기 화학적 삽입 또는 플레이팅(plating)을
    위해 구성된 음 전극 재료 층
    을 포함하는 전기 화학적 셀; 및
    상기 양 전극 재료 층에 연결되고 상기 음 전극 재료 층과는 접촉하지 않는 전기 전도성 재료를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전기 화학적 셀을 갖는 상기 기판은 롤링되어 상기 배터리 장치 안으로 패키징되는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양 및 음 전극 재료 층 각각은 0. 5 미터 보다 큰 총 표면적을 가지며, 상기 기판은 적어도 폴리머, 금속, 반도체 또는 절연체로 만들어지는, 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 장치는 솔리드 스테이트 층의 표면적의 1/100 보다 작은 외부 표면적을 갖는 용기 안에 패키징될 수 있는, 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가장 긴 축선의 길이를 가장 짧은 축선의 길이로 나눌 때 상기 음 전극 재료 층의 종횡비가 500,000 보다 큰, 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학적 셀의 층은 배터리 당 적어도 30회 연속적으로 감기거나 적층되는, 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 장치는 전기 화학적 셀은 평방 미터 당 50 Wh(Watt-hour) 이하의 에너지 밀도를 갖는, 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 이축 배향 폴리프로필렌 필름(BOPP), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 아크릴락트, 아리미드, 또는 10 미크론 미만의 두께를 갖는 금속 재료를 포함하는, 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학적 셀은 고체 전해질 인터페이스/인터페이즈(SEI) 층이 없는, 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음 전극 재료 층은 150℃ 보다 큰 융점을 갖는 리튬 금속 합금을 포함하는, 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 장치는 적어도 300 Wh/kg의 비에너지를 갖는, 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 장치는 적어도 700 Wh/리터의 에너지 밀도를 갖는, 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 장치는 정격 용량의 80%로 순환되면서 적어도 5000 사이클을 달성할 수 있고, 또한 적어도 250 Wh/kg의 중량 측정 에너지 밀도를 갖는, 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩을 더 포함하고, 이 멀티셀 재충전식 배터리 팩은 복수의 솔리드 스테이트 재충전식 셀을 포함하고, 상기 셀의 제 1 부분은 직렬로 연결되고 그 셀의 제 2 부분은 병렬로 연결되는, 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩은 열전달 시스템 및 60℃ 내지 200℃의 작동 온도 범위를 유지하도록 구성된 하나 이상의 전자 제어기로 구성되어 있는, 시스템.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩 내부에 있는 솔리드 스테이트 재충전식 셀의 최외측 부분은 서로 1 mm 미만으로 떨어져 가까이 있는, 시스템.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩은 적어도 0.4 m2*K/(W*in)인 R-값의 열저항성을 갖는 하나 이상의 재료로 절연되어 있는, 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀을 갖는 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩; 및 복수의 캐패시터를 더 포함하고, 이 복수의 캐패시터는 상기 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀과 조합됨이 없이 상기 복수의 캐패시터 단독 또는 종래의 미립자 전기 화학적 셀 보다 더 높은 정미(net) 에너지 밀도를 제공하도록 적어도 직렬 또는 병렬로 구성되어 있고, 상기 멀티셀 재충전식 솔리드 스테이트 배터리 팩은 적어도 500 W/kg의 에너지 밀도를 특징으로 하는, 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 이 시스템에 의해 적어도 부분적으로 동력 공급을 받는 차량 내부에 제공되는, 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀은 권취 구조 또는 적층 구조로 구성되고, 리튬 또는 마그네슘을 전달 이온으로서 이용하여, 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀은 1 Ah(Amp-hour) 보다 큰 포맷으로 구성되어 있고, 또한 고체 전해질 인터페이스 층이 없도록 구성되어 있으며, 솔리드 스테이트 재충전식 배터리 셀은 1000 사이클 초과 후에 80% 이상의 용량을 유지할 수 있는, 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 금속 포일 리본이고, 이 리본은 다운웨브(downweb) 방향으로 상기 금속 포일을 통과하는 천공 패턴을 포함하는, 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 기판 위에 있는 적어도 하나의 전기 화학적 셀은 상기 금속 포일을 통과하는 천공 패턴과 정합되어 상기 리본 상에 증착되어 있는, 시스템.
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