KR100224543B1 - 일체형 진동 수단이 있는 재충전가능 배터리셀 - Google Patents

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KR100224543B1
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조지 토마스
아나바 에이. 아나니
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비센트 비. 인그라시아
모토로라 인코포레이티드
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Abstract

재충전가능 배터리 셀(10)에는 일체형 진동 수단이 있다. 이 셀에는 양극(14), 음극(16), 및 상기 2개의 전극 사이에 배치된 전해질이 있다. 전해질은 교류 전기장 인가시에 진동하는 압전 물질(20)을 포함한다. 한 실시예에서는, 적어도 1개의 전극은 교류 전기장 인가시에 진동 수단으로서 기능을 하는 압전 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 교류 전기장 인가시에 진동 수단으로서의 기능을 하는 압전 물질이 전류 컬렉터(22)의 일부로서 적어도 1개의 전극에 부착된다. 부가적으로 압전 물질은 셀들을 적층하기 위해서 전기적 절연체로서 기능을 이행한다.

Description

[발명의 명칭]
일체형 진도 수단이 있는 재충전가능 배터리 셀
[참조 문헌]
본 발명은 모토롤라사(MOTORLA, INC)에 양도된, 조지 토마스(George Thomas)에 의한 배터리 충전 및 방전 시스템 및 그 방법(Battery Charging and Discharging System and Corresponding Method)의 계류 미합중국 출원 S.N.07/981,463호(1992. 11. 25)에 관련된 것이다.
[발명의 분야]
본 발명은 일반적으로 재층전가능 배터리 셀에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 압전 진동 수단이 있는 배터리 셀에 관한 것이다.
[발명의 배경]
전기 화학 산업의 효율 향상을 위해 기계적 진동(mechanical excitation)에 의한 강제 대류(forced convection) 방식이 광범위하게 사용되어왔다. 화학에 기초한 해법에서, 이것은 종종 대류식 질량 운송(convective mass transport)의 레이트(rate) 증가를 자극하는 형태로 제공된다. 전기 화학적 도금 또는 피착에서, 이것은 종종 도금을 더욱 원활하게(smoother)하고 도금 레이트(plating rate)를 보다 향상시킨다. 더욱 최근에는, 기계적 진동(또는 초음파 진동(ultrasonic vibration))이 전기 화학적 셀들 내에서의 이온 확산을 촉진하고 이로써 셀의 충전/방전 효율을 향상시키며 셀의 전기 화학적 저장 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 셀의 수명(cycle life)을 증가시킨다고 증명되었다. 토마스의 특허 출원(미합중국 특허 출원 S.N.07/981,463호, 1992년 11월 25일 출원)에서는 기계적 진동을 제공하는 수단은 배터리 하우징(battery housing) 또는 배터리 충전기에 내장된 초음파 변환기로 되어있고, 배터리 셀과 기계적으로 결합되어 있다. 상기의 양 실시예시에서는 진동 장치뿐만 아니라 디바이스를 활성화시키는 전원도 개별적인 배터리 셀의 부가 부품이다. 이것은 중량을 증가시키므로 배터리의 에너지 밀도를 감소시킨다. 디바이스가 별도의 부품을 갖지 않도록 하는 것은 이 기술 분야에서는 매우 바람직하며 중용한 사항이다.
[발명의 요약]
요약하면, 본 발명에 따라 일체형 진동 수단(integral vibrating mean)이 있는 재층전가능 배터리 셀이 제공된다. 셀에는 양극 및 음극이 있으며, 전해질이 2개의 전극 사이에 배치된다. 전해질은 교류 전기장이 인가될 경우에 진동 수단으로서 기능하는 압전 물질을 포함한다.
본 발명의 대체 실시예에서는, 일체형 진동 수단이 있는 재충전가능 배터리가 제공된다. 압전 물질은 2개의 전극 사이에서 분리(seperaor)로서 기능하며, 또한 진동 수단으로서의 기능도 한다.
본 발명의 대체 실시예에서는, 일체형 진동 수단이 있는 재층전가능 배터리가 제공된다. 전극 층에 적어도 1개는 교류 전기장이 인가될 경우에 진동 수단으로서 기능하는 압전 물질을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 교류 젼기장이 인가될 경우에 진동 수단으로서 기능하는 압전 물질이 전극들중 적어도 한 전극의 전류 컬렉터(collector)의 일부로서 부착된다. 부가적인 기능으로서 압전 물질은 상기 셀들을 적층(stacking)하기 위한 전기적 절연체로서의 기능도 행한다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 배터리 셜의 개략도.
제2도는 본 발명의 대체 실시예의 배터리 셀의 개략도.
제3도는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 개략도.
제4도는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 개략도.
제5도는 본 발명의 다른 실시예의 적층 배터리 구조의 개략도.
[바람직한 실시예의 상세한 설명]
종래의 배터리 셀은 최소한 3개의 엘리먼트를 가지는데, 음극, 양윽 및 전해질이 그것이다. 전극은 직접적인 전기 접촉을 차단하고 단락을 막기 위해 서로 개별화되어야 한다. 이 전극들의 구성은 셀의 전압 및 정전용량을 결정하고, 그에 의해 에너지를 결정한다. 에너지 밀도가 높은 배터리를 위해서, 전극들은 종종 활성 물질, 바인더(binder), 전해질, 및 때때로 전류 컬렉터를 포함하는 복합구조(composite structure)가 된다. 이러한 각각의 요소들은 전극이 적합하고 효율적인 기능을 하는데 있어서 중요한 역학을 한다. 전해질은 전기 화학적 반응이 발생하는 전극 내로의 또는 전극 사이에서의 이온 운동(ionic motion)을 위한 매질을 제공한다. 전해질의 성질에 따라, 절연 분리기로서의 역할을 하는 다른 엘리먼트를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 전극들이 밀접해 있는 액상전해질 셀(liquid electro1yte cel1)에서는 분리기가 요구되며 이 분리기는 전해질로써 전극을 적시기 위해서 다공성이며, 그에 의해 이온 운동 및 변환이 가능하게 된다. 전해질이 고체인 셀에서는, 전해질이 또한 분리기의 역할도 한다. 당분양에 숙련공이라면 대부분의 셀 구조는 전해질이 분리기와 전극 구조 양쪽 모두에 포함되도록 요구한다는 것을 알 수 있다.
초음파 진동은 전해질과 전극 내의 질량(이 경우에는 이온) 전송 레이트(rate of mass transport)를 증가시키며, 이에 의해 장치가 사용되게 하는 셀의 재충전 시간을 감소시키며, 셀의 전기 화학적 능력을 향상시키며, 셀의 수명을 향상시킨 다. 진동의 수단이 셀과 일체로된 부품이며, 분리기, 전해질, 전극, 또는 이 세가지의 조합 모두에 포함되는 경우, 매우 효율적인 충전 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명에서, 진동의 수단은 압전 소자(예를 들어, 수성, 세라믹스, 알카리-금속 염, 유기 폴리머, 등등)이다. 압전 물질에는 전기장이 인가될 시에 미소한 기계적 변형을 유발하여 압전 물질이 뒤틀리게 하는 고유 특성이 있다. 전기장이 제거될 시에, 압전 물질은 본래 형태로 돌아온다. 그 역으로, 압전 물질에 작은 기계적 변형이 인가되는 경우, 압전 물질은 전류를 발생한다. 전기장의 인가하고 제거하는 변환의 레이트를 빨리 함으로써 압전 물질이 진동하도록 할 수 있다. 교류(AC) 전기장이 이러한 기능을 한다. 이것이 압전 물질을 기계적/초음파 진동 수단으로서 사용할 시에 압전 물질을 제어하는 원리이다. AC 필드의 주파수를 변환시킴으로서 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 진동이 제공될 수 있다. 부가적으로, 압전 물질은 전기적으로 절연체이며 일례로서 수정 프릿(quartz frit)에서와 같이 다공성이 되도록 제조될 수 있다. 이러한 성질들은 압전 물질을 전기 화학적 셀의 분기기로서, 전해질로서, 그리고 적층간의 절연층으로서 사용하는데 이상적이다. 또한 폴리머계 압전 물질의 기계적 유연성으로 인하여 배터리 구성에도 적합하다.
본 명세서는 본 발명의 성격을 한정하는, 법적인 성격의 청구 범위에 의해 결론지어지지만, 본 발명은 동일 참조 번호가 수반된 도면을 참조로 하여 후술할 상세한 설명에 의해 보다 잘 이해될 수 있다.
제1도에서, 배터리 셀(10)은 양극(14), 음극(16), 양극과 음극 사이에 배치된 전해질(18), 및 분리기(12)를 가지고 있다. 전해질(18)은 양극과 음극 간에 이온 접속을 제공하며, 분리기(12)는 전체적으로 또는 부분적으로 압전 소자(20)로 되어 있다. 전해질(18)이 액상인 경우, 이에 따라 액상이 압전 분리기(12)의 다공성 구조 내에 흡수되어서 필수적인 이온 접속을 제공한다. 제2도에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전해질(18)이 고체인 경우 이에 따라 압전 소자가 전해질 내에 삽입 되거나, 또는 압전소자 자체가 고체 전해질일 수 있으며, 이에 의해 분리기의 필요성이 사라지고 이중의 기능성을 제공한다. 이온 접속이 전해질에 의해 전극들간에 다시 제공된다.
제3도에 도시된 본 발명의 대체 실시예에서, 진동 수단이 전극들(14 또는 16) 중에 하나 또는 양쪽 모두에 포함된다. 교류 전기장이 전극(14)에 인가되는 경우, 압전 소자(20)가 전극 내에서의 진도 수단으로서 포함되어서, 전체 셀(10)이 진동하도록 유발한다. 이러한 구조는 액상 전해질 셀 또는 고상 전해질 셀 양쪽에 사용될 수 있다. 전극쌍 간의 물리적 분리의 상태에 따라 액상 전해질 시스템은 분리기를 필요로 할 수 있다.
배터리 전극은 전기 활성 물질(electroactive material)에 수반하여 전류를 운송하기 위한 수단을 포함한다. 충전 공정 중에, 직류 전류(DC) 신호 상에 미소 AC 신호가 중첩되고 적합한 셀 내에 기판으로서 포함된 또는 전극 내에 포함된 전류 컬렉터(22)를 통해서 배터리 셀(10)로 인가된다. DC 신호는 일반적인 셀의 충전을 이행하여, AC 필드는 압전 소자(20)상에 필수적인 미소 변위 또는 변형을 제공하고, 이에 따라 전체 셀에 진동을 유발한다. 배터리 셀의 전류 컬렉터는 셀을 진동시키고 충전하기 위한 전류 리이드(eurrent lead)로서 사용된다.
제4도의 본 발명의 다른 실시예에서, 진도 수단으로서 기능하는 압전 물질(20)은 전극들(14 또는 16) 중에 적어도 하나의 전류 컬렉터에 부착되거나, 그것과 혼재하거나, 삽입도거나, 또는 다른 방식으로서 분산층9dispersed layer), 코팅, 라미네이트(laminate) 또는 그 혼합물로서 그것과 접촉하거나, 또는 압전 물질은 전류 컬렉터의 일부로서 존재한다. 이러한 전류 컬렉터를 사용하는 셀들이 어떤 형태로, 말하자면 연속적으로, 적층되는 경우에 전기적 절연체가 되는 압전 물질은 셀 조립체에서 절연층의 역할을 한다. 이러한 구성이 제5도에 개략적으로 도시되어 있다. 라디오 통신 장치 등의 응용에서, 단일 셀 전압을 다중화하기 위해서 셀들을 직렬로 배열하거나, 또는 저장 용량을 높이기 위해서 셀들을 병렬로 배열하는 것이 통례화되어 있다. 이러한 응용을 위해서 디자인된 배터리 패키지는 다수의 셀들(10)을 한 쌍의 전기 절연층(20) 사이에 배열함으로써 제조되는데, 하나의 절연층 대면한 셀들의 단자들을 분리시킨다.
상술횐 각각의 예시들은 일체형 진도 수단이 있는 배터리 셀 또는 셀 적층으로 구성된다. 이러한 셀들을 충전하는 동안에, 전기 활성 물질이 양윽에서 산화 된다. 이 전극에서 유리된 양이온 전해질을 통해서 셀 냉에 에너지가 저장하기 위해서 필수적인 전기 화학 반응이 발생하는 음극으로 운송된다. 전해질을 통한 양이온 이동의 레이트는 전해질의 이온 전도율(ionic conductivity)의 직접 함수(direct function)이다. 이동 레이트는 전극 구조 내의 이온 확산의 레이트와 더불어 셀의 충전 한계를 결정한다. 필수적인 대륙식 질량 운송을 제공하기 위해서 기계적 진동에 의해, 양호하게는 초음파 주파수에 의해 이온이 운송되는 레이트가 변경될 수 있다. 상술된 예시의 모든 셀 디자인에서, 진동은 셀 내의 압전 소자를 통해서 실행된다. 충전하는 동안에, DC 충전 전류에 중첩된 교류 신호가 셀전류 컬렉터를 통해서 압전 소자(들)로 동시적으로 공급된다. 이것은 압전 소자내에서의 진동을 유도하며, 그 결과로서 전체 셀을 진도시켜서 가로지르는 일차 이온(primary ion)의 질량 운송을 증가시킨다. 본 발명은 한 특정 셀의 화학적 특성이나 또는 디자인에 국한되는 것은 아니다. 본 발명은 예를 들면, 납-산(lead-acid), 니켈-카드뮴(nickel-cadmium), 니켈-금속-수수화물(nickel-metal-gydride), 리튬, 등등의 모든 재충전가능 배터리에 적용될 수 있는데, 그러나 셀들의 전해질이 고상인 구조일 경우가 가장 양호한 적용이다. 이러한 셀들은 전해질이 액상인 구조의 셀들에 비해 상대적으로 낮은 이온 전도율을 가지는 것으로 보인다. 고상 셀들의 모든 부품들의 고상 특성 때문에, 이온의 확산이 이러한 타입의 셀들에 사용 가능한 유일의 유효한 질량 운송의 수단으로 보인다. 이것은 결과적으로 충전 공정 동아네 전해질 및 전극 내의 이온 운동이 오직 확산에만 의존하게 한다.
종래 기술에서는, 진동 수단이 충전 시스템 내에서 이거나 배터리 팩 내 또는 하우징 내 모두에 분기 부품으로서 포함되어 있다. 이것은 배터리 팩 및 충전 시스템의 중량을 부가시키거나, 또는 전원으로부터 진동 수단으로의 부가적인 전기 리이드(electrical lead)를 요구한다. 본 발명에서는, 진동 수단이 셀과 일체형이며, 따라서 전체 셀에 대해서 밀집 구조를 제공한다. 셀 충전에 필수적인 것들을 제외한 어떤 부가적인 전류 리이드도 필요로 하지 않고, 한 아이템이 다른 것과 교환되었기 때문에 어떤 부가적인 중량 증가도 없다. 이러한 밀집된 셀 디자인은 질량 운송이 더욱 빨리 이루어지도록 하기 위해 셀을 초음파 진동시키기 위한 효율적인 수단을 제공한다. 셀이 더욱 빠른 레이트로 충전될 수 있음에 따라, 주어진 충전 레이트에 따라 축적된 유용한 저장 용량이 높아지게된다. 부갖거으로, 전기 화학적 공정의 효율이 향상됨에 따라 셀의 수명도 향상된다.
본 발명의 양호한 실시예로서 도시되고 설명도었지만, 본 발명은 그에 한정되는 것은 아니다. 당분양에 숙련공이라면 청구 범위에 의해 규정된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한에 있어서 수많은 수정, 변환, 변량, 치환, 및 당량이 가능하다.

Claims (10)

  1. 재충전가증 배터리 셀에 있어서, 양극, 음극, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되고, 압전 물질을 포함하는 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배처리 셀.
  2. 재충전가능 배터리 셀에 있어서, 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되고, 압전 수정, 압전 세라믹, 및 압전 폴리머를 포함하는 그룹으로부터 선택된 압전 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압전 물질이 다공성인 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서, 진동을 유발힉 위해 상기 압전 물질에 교류 전기장이 인가되는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  5. 재충전가능 배터리 셀에 있어서, 제1 전극, 압전 물질으로 포함하는 제2 전극, 및 상기 전극들 사이에 배치된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압전 물질이 수정, 세라믹, 알카리-금속 염, 및 압전 유기 폴리머를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  7. 제5항에 있어서, 진동을 유발하기 위해 상기 압전 물질에 교류 전기장이 인가되는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  8. 재충전가능 배터리 셀에 있어서, 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되고, 교류 전기장이 압전 물질의 진동을 유발하도록 인가되는 다공성 압전 물질을 포함하는 고체 전해 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  9. 재충전가능 배터리 셀에 있어서, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질, 및 상기 양극에 부착되고, 압전 물질을 포함하는 전류 컬렉터(current collector)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
  10. 재충전가능 배터리 셀에 있어서, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 전해질, 및 상기 음극에 부착되고, 압전 물질을 포함하는 전류 컬렉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능 배터리 셀.
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