KR-20260062070-A - Electrode Assembly and Radioisotope Battery Comprising The Same

Abstract

본 출원은 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 에너지 변환층; 및 상기 제1 전극과 상기 에너지 변환층 사이, 및 상기 제2 전극과 상기 에너지 변환층 사이 중 적어도 하나에 구비된 방사성 선원;이 적층된 상태에서 중심축을 중심으로 일 방향으로 권취되어 젤리롤을 형성하는 전극 조립체, 및 이를 포함하는 방사성 동위원소 전지를 제공할 수 있다.

Inventors

• 김동명
• 김제영
• 신동명

Assignees

• 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20251027

Priority Date

20241028

Claims (20)

1. 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 에너지 변환층; 및 상기 제1 전극과 상기 에너지 변환층 사이, 및 상기 제2 전극과 상기 에너지 변환층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 방사성 선원;이 적층된 상태에서 중심축을 중심으로 일 방향으로 권취되어 젤리롤을 형성하는 전극 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 상기 방사성 선원을 향하지 않는 외측면을 따라 위치하는 절연층을 더 포함하는, 전극 조립체.
3. 제2항에 있어서, 상기 절연층은 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하고, 상기 제1 절연층은 상기 제1 전극의 외측면을 따라 위치하고, 상기 제2 절연층은 상기 제2 전극의 외측면을 따라 위치하는, 전극 조립체.
4. 제1항에 있어서, 상기 방사성 선원은 제1 방사성 선원 및 제2 방사성 선원을 포함하고, 상기 제1 방사성 선원은 상기 제1 전극 및 에너지 변환층 사이에 위치하고, 상기 제2 방사성 선원은 상기 제2 전극 및 에너지 변환층 사이에 위치하는, 전극 조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 방사성 선원은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 상기 에너지 변환층을 향하는 내측면을 따라 위치하는, 전극 조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 방사성 선원이 상기 중심축으로부터의 거리가 증가함에 따라 상기 방사성 선원의 함량이 감소하도록 상기 내측면을 따라 위치하는, 전극 조립체.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 상기 내측면은 적어도 하나의 홈을 포함하고, 상기 홈에 상기 방사성 선원이 위치하는, 전극 조립체.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 홈은 서로 이격된 복수의 홈들을 포함하고, 상기 내측면의 홈이 없는 부분은 상기 복수의 홈들 중 적어도 두 개의 인접한 홈 사이에 위치하는, 전극 조립체.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 방사성 선원은 알파 입자 또는 베타 입자를 방출하는 방사성 동위원소를 포함하는, 전극 조립체.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 변환층과 상기 방사성 선원 사이에 위치하는 제3 전극을 더 포함하는, 전극 조립체.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 변환층은 제1 에너지 변환층 및 제2 에너지 변환층을 포함하고, 상기 제1 에너지 변환층은 상기 제1 전극에 인접한 제1형 반도체 재료를 포함하고, 상기 제2 에너지 변환층은 상기 제2 전극에 인접한 제2형 반도체 재료를 포함하는, 전극 조립체.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 제1형 반도체 재료 및 제2형 반도체 재료 중 하나는 P형 반도체이고, 상기 제1형 반도체 재료 및 제2형 반도체 재료 중 다른 하나는 N형 반도체이고, 상기 P형 반도체와 N형 반도체 사이의 계면에 PN 접합층을 포함하는, 전극 조립체.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 제1 에너지 변환층의 적어도 일부와 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 제2 에너지 변환층의 적어도 일부와 접촉하는, 전극 조립체.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 방사성 선원은 요철이 있는 계면에서 상기 제1 에너지 변환층에 접촉되는, 전극 조립체.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 에너지 변환층을 향하지 않는 외측면의 적어도 일부에 각각 제1 전극탭 및 제2 전극탭을 추가로 포함하는, 전극 조립체.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 중심축을 따라 배향된 중심 부재를 더 포함하는, 전극 조립체.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 상기 방사성 선원을 향하지 않는 외측면을 따라 위치하는 보호층을 더 포함하는, 전극 조립체.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 변환층은 시드층 또는 촉매입자층을 포함하는, 전극 조립체.
19. 제 1 항에 따른 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 하우징; 및 상기 하우징의 개방된 상부를 커버하도록 마련된 캡 어셈블리;를 포함하는 방사성 동위원소 전지.
20. 제 19 항에 따른 방사성 동위원소 전지를 포함하는 전지팩.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 방사성 동위원소 전지 {Electrode Assembly and Radioisotope Battery Comprising The Same} 본 출원은 전극 조립체 및 이를 포함하는 방사성 동위원소 전지에 관한 것이다. 본 출원은 2024월 10월 28일 자에 출원된 대한민국 특허출원 제10-2024-0148743호에 기초한 우선권의 이익을 주장하고, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 기재된 모든 내용은 본 명세서에 일부로 포함된다. 방사성 동위원소(radio-isotope)는 방사선을 방출하면서 안정된 동위원소로 붕괴하는 원소이다. 방사성 동위원소가 붕괴하는 방식은 알파 붕괴, 베타 붕괴 또는 감마 붕괴 등이 알려져 있다. 방사성 동위원소는 그 종류에 따라 붕괴하면서 알파선, 베타선 또는 감마선을 방출한다. 한편, 방사성 동위원소가 붕괴하여 방사능 양이 초기 양 대비 절반으로 감소하는데 걸리는 시간을 반감기(half-life period)라고 한다. 방사성 동위원소의 종류에 따라 붕괴하면서 방출하는 방사선의 종류와 반감기가 정해진다. 일반적으로 방사성 동위원소 전지(radioisotope battery)는 방사성 동위원소에서 방출하는 방사선을 이용하는 전지로서, 방사선은 PN 접합(P-N junction)된 반도체에 흡수되어 공핍층으로부터 전자-정공쌍을 형성시키고, 형성된 전자와 정공을 통해 전기적 전원으로 사용할 수 있도록 한다. 즉 방사성 동위원소 전지는 방사성 동위원소의 핵분열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기적 전원으로 사용하기 위한 전지이다. 본 출원에서 나타낸 도면은 본 출원의 실시예에 따른 것이고, 각 구성들의 폭, 너비 또는 두께(또는 높이)의 비율은 본 출원을 상세히 설명하기 위한 것이며 이들의 비율은 실제와 상이할 수 있다. 또한, 도면에 나타난 좌표계에서 각 축은 서로 수직일 수 있고, 화살표가 가리키는 방향이 + 방향이며 상기 화살표가 가리키는 방향의 정반대 방향(180도 회전된 방향)이 - 방향일 수 있다. 도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 3은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 5는 본 출원의 일 실시예에 따른 제2 전극의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 제2 전극의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 8은 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 평면도이다. 도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 평면도이다. 도 10은 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 평면도이다. 도 11은 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 평면도이다. 도 12는 본 출원의 일 실시예에 따른 제1 전극의 적어도 일부를 도시한 평면도이다. 도 13은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 14는 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 15는 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 16은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 17은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 18은 본 출원의 일 실시예에 따른 방사성 동위원소 전지의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 19는 본 출원의 일 실시예에 따른 방사성 동위원소 전지의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 도 20a 내지 도 20e는 일 실시예에 따른 제1 에너지 변환층 및 제2 에너지 변환층의 계면 형태를 나타낸 단면도이다. 도 21은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 22는 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 23은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 도 24는 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적어도 일부를 도시한 사시도이다. 본 출원의 상세한 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않을 수 있다. 또한, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석하여야 할 수 있다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 출원의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 출원의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아닐 수 있다. 따라서, 본 출원의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다. 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낼 수 있다. 설명 및 이해의 편의를 위해서, 서로 다른 실시예들에서도 동일한 참조 번호 또는 부호를 사용하여 설명할 수 있다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 모두 하나의 실시예를 의미하는 것은 아닐 수 있다. 이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "구성하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 이하의 설명에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면 및 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이고, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 경우가 있고, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안 될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안 된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다. 본 명세서에서 배터리는 이들의 단위(unit)인 배터리 셀(battery cell), 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(battery module) 또는 배터리 팩(battery pack)을 총칭하는 용어일 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 출원의 사상은 제시되는 실시예로 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 본 출원의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 출원의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 출원의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체(10)를 도시한 사시도이다. 일 예에서, 상기 전극 조립체(10)는 제1 전극(111); 제2 전극(112); 상기 제1 전극(111)과 상기 제2 전극(112) 사이에 위치하는 에너지 변환층(130); 및 상기 제1 전극(111)과 상기 에너지 변환층(130) 사이, 및 상기 제2 전극(112)과 상기 에너지 변환층(130) 사이 중 적어도 하나에 위치하는 방사성 선원(120);이 적층된 상태에서 중심축을 중심으로 일 방향으로 권취되어 젤리롤을 형성하는 전극 조립체일 수 있다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 상기 방사성 선원(120)은 상기 제1 전극(111)과 상기 에너지 변환층(130) 사이의 공간에 위치할 수 있다. 상기 제1 전극(111), 제2 전극(112), 에너지 변환층(130) 및 방사성 선원(120)은 적층된 상태에서 중심 부재(150)(중심축을 따라 배치된)를 중심으로 일 방향으로 권취되는 전극 조립체일 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는 상기 제1 전극(111) 및 상기 제2 전극(112) 중 적어도 하나의 상기 방사성 선원(120)을 향하지 않는 면 측에 절연층(160)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(111) 및 상기 제2 전극(112) 중 적어도 하나의 상기 방사성 선원(120)을 향하지 않는 면은, 각각의 전극의 상기 방사성 선원을 향하지 않는 외측면을 의미할 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 따른 전극 조립체와 같이 전극과 에너지 변환층 사이에 방사성 선원이 적층되는 경우에는, 방사성 선원이 에너지 변환층으로부터 전극의 반대측 또는 외부에 배치되는 전극 조립체와 비교하여, 방사성 선원으로부터 방출되는 방사선이 에너지 변환층에 도달하기까지의 거리가 상대적으로 짧고 단위시간 당 에너지 변환층에 전달되는 방사성 동위원소의 양이 더 많으므로 효율이 우수하고, 방사성 선원의 외부에 전극이 배치되면서 상기 전극이 방사선을 차폐하거나 쉴드하는 기능도 가지므로 방사선 차폐 또는 쉴딩의 측면에서도 더 안전한 효과가 있다. 일 예에서, 도 1에 나타낸 것과 같이 상기 전극 조립체(10)는 중심 부재(150)를 중심으로 일 방향으로 권취된 상태의 젤리롤형의 전극 조립체일 수 있다. 상기 제1 전극(111)과 상기 제2 전극(112) 중 하나는 전자를 제공하는 애노드(anode)를 포함할 수 있고, 상기 제1 전극(111)과 상기 제2 전극(112) 중 다른 하나는 전자를 전달받는 캐소드(cathode)를 포함할