KR100276046B1 - 개선된 전지 설계 - Google Patents

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Abstract

경량 구조 패널의 형태로 조립되고 격리된 전지 셀을 포함하는 전지. 각각의 셀은 허니콤 구조물(44)을 포함하는데 이 허니콤 구조물내의 각 필름상 층은 전극 스택이다. 각각의 전극 스택(20)은 가늘고 긴 양극, 가늘고 긴 세퍼레이터 및 가늘고 긴 음극을 포함한다. 세퍼레이터는 전해질 용액으로 적셔져 있어 전기화학반응을 용이하게 한다. 전기화학반응은 NiMH2전지 및 NiH 전지, Li+전지, NiCd 전지, 납산전지의 전기화학반응, 또는 어떤 다른 적당한 전기화학반응일 수 있다. 대안으로, 전지 셀은 폼상 양극, 폼상 세퍼레이터 및 폼상 음극으로 구성될 수도 있다. 어느 구체예에서든 본 발명은 다수의 틈(45)이 형성된 구조물내에 전기화학적 에너지를 저장하여 그 구조물이 비교적 견고하지만 경량이게 한다.

Description

개선된 전지 설계
내연엔진을 갖는 가솔린 또는 디젤 자동차량은 문명국 성인의 대부분을 위한 수송기관의 표준 모드이다. 공교롭게도, 가솔린 또는 다른 탄화수소 연료로 작동하는 엔진을 갖는 그러한 자동차량은 두가지의 중대한 단점을 갖고 있다. 첫째로, 차로부터의 배기가스 배출은 도시지역 대기오염문제의 중대한 원인이 되고 있다. 둘째로, 대부분의 나라는 시가 또는 거의 시가로 탄화수소 연료(특히 가솔린)를 생산하는데 충분한 천연자원을 갖고 있지 않다. 따라서 이들 나라는 이들 자원을 다른 나라에 의존하고 있다.
이러한 이유와 기타의 이유로, 대체 전력원을 갖는 자동차량을 개발하기 위해 힘이 모아지고 있다. 주요 후보중 하나는 전기화학적 전지에 의해 움직이는 전기차이다. 미국에는 주 및 연방수준의, 새 전기차 판매; 전기차 구매자에 대한 세액공제; 및 배기가스를 배출하는 차에 비례하여 판매해야 하는 배기가스규제합격차의 백분율에 관한 요건에 관하여 현행 법과 계류중의 법률이 있다. 1990년에 연방정부는 USABC(U.S. Advanced Battery Consortium)의 설립을 인가하였다. 에너지성의 후원하에 USABC는 전기차용 전지의 연구 및 개발을 후원하기 위해 크라이슬러, 포드, 제너럴 모터스 및 일렉트릭 파워 리서치 인스티튜트를 불러 모으고 있다. USABC는 전기차용 전지 시스템에 대한 많은 파라미터 또는 목적을 확인하였다.
아주 기본적인 요건은 전지 시스템이 재충전가능해야 한다는 것이다. 이것을 제외하고 가장 중요한 파라미터중 하나는 전지 시스템의 에너지 밀도와 관련이 있다(본 명세서에서 사용될 때 에너지 밀도는 질량 단위당의 총 유효 에너지이다). 전지는 본래 화석연료와 같은 다른 에너지원보다 훨씬 낮은 에너지 밀도를 갖고 있기 때문에 전지산업에서의 연구 및 개발의 대부분은 기본적인 전기화학적 공정으로 경량의 화학약품을 포함한 새로운 시약을 사용하여 실험을 함으로써 에너지밀도를 최대화하는 것에 관한 것이었다. 따라서 납-산을 기재로 한 전지는 많은 소비자 제품 용도에서 발견되는 니켈-카드뮴(NiCd) 전지로 대체되어 왔다. 우주선에는 니켈-수소(NiH2) 전지가 사용되어 왔다. 공교롭게도, NiH2전지의 전기화학반응의 가스 성질은 전지를 수용하는데 압력용기를 사용할 것을 필요로 한다. 더욱이 지구 대기내에서와 같은 산소의 존재하에서 NiH2전지는 수소의 가연성에 관련된 수많은 안전 문제를 갖고 있다.
다른 시약을 기재로 한 많은 개선된 전지 시스템이 현재 개발되고 있다. 예를 들면 에너지 밀도를 최대화하고자 하는 추가의 시도로 몇몇 소비자 제품에는 현재 니켈-금속-수소화물(NiMH) 전지가 공급되고 있다. 또한 리튬이온(Li+) 전지가 현재 개발중에 있다. 이들 유형의 전지는 각각 납 또는 카드뮴을 사용하는 과거의 전지와 비교하여 증가된 에너지 밀도 및 무독성 성분을 갖는다는 이점을 제공한다.
전기화학적 전지에 무슨 시약이 사용되든 에너지 밀도에는 이론적 제한이 있다. 즉, 각 분자는 단 하나의 전자만을 내줄 수 있고 그 전자의 전압전위는 형성된 이온의 성질에 의해 제한된다. 따라서 한 분자에서 가능한 최저의 원자중량으로도 분자 당 생성되는 전자는 단 하나뿐일 수 있다. 이것에 의해 전기화학적 전지의 에너지 밀도에 관한 상한이 이론적으로 정해진다. 리튬이온 전지는 리튬의 낮은 원자중량과 리튬이온의 높은 전압 전위 때문에 앞에서 논한 시용 시약중 어느 것의 최대 이론 에너지밀도를 갖는다.
현재로서 전기차용 전지 시스템에 대한 주요 후보중 하나는 니켈-금속-수소화물(NiMH) 전지이다. NiMH 전지의 현재 목표치는 킬로그램당 약 80 와트시의 에너지밀도이다. 비교로, 가솔린은 킬로그램당 3,000 와트시 정도의 에너지 밀도를 갖는다. 즉, 가솔린 1킬로그램은 계획된 NiMH 전지 1킬로그램의 30배 이상의 에너지를 생성할 수 있다.
전지내의 이러한 비교적 낮은 에너지 밀도 때문에 전지는 매우 큰 질량을 가져야 한다. 따라서 전기차용 전지 시스템은 부피 및 질량이 극히 커서, 아마 표준 승용차의 엔진 및 트렁크실의 대부분을 차지하게 될 것이다. 알 수 있는 바와 같이 전지는 부피 및 질량이 클 뿐만 아니라 차내의 특정 1 또는 2 부위에 집중되어 있다. 이러한 설계는 자동차 충돌시에 위험할 수 있는데 이 때 집중된 큰 전지는 차 트렁크를 뚫고 와서 차의 승객실에 있는 점유자와 내용물을 압착시킬 수 있다.
전형적으로 전기화학적 전지는 전지 또는 전지와 회합된 차 또는 장치의 작동 또는 기능을 전혀 증가시키지 않는 외부 셸 또는 컨테이너에 설치된다. 컨테이너는 적층된 금속판 전극 또는 젤리-롤 구조의 인접 전극으로 채워진다. 전기차에서는 전지 시스템이 매우 크게 되기 때문에 이 컨테이너의 질량이 상당하게 된다. 우주선, 소비자 전차장치 및 전력 공구와 같은 비교적 적은 전력을 적용하는 것에서도 컨테이너 자체는 쓸모없는 공간과 추가 질량 및 비용으로 보일 수 있다.
발명의 개시
따라서 본 발명의 목적은 보다 양호한 시약 및 전기화학반응에 대한 조사에 필적하고 상보적인 전지를 내장한 차 또는 장치 전체의 에너지밀도를 최대화하기 위한 접근법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 전력을 필요로 하는 차 또는 장치의 곳곳에 전지의 질량 및 부피가 분포되는 전지 설계를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 전지 부품들이 전력 생성 이외에 차 또는 장치에 관련된 유용한 기능을 수행하는 전지 설계를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 전지 부품들이 차 또는 장치의 구조 부품으로서 기능하는 전지 설계를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적, 이점 및 신규한 특징은 이하의 설명에 일부 기재되어 있고, 일부는 이하의 명세서를 보면 당업자에게 명백해지거나 또는 본 발명의 실시에 의해 알게 될 수 있다. 본 발명의 목적 및 이점은 첨부된 청구의 범위에서 상세히 지적된 수단, 조합 및 방법에 의해 실현 및 달성될 수 있다.
상기 및 기타 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 본 명세서에 구체화되고 대략적으로 설명된 바와 같이, 제1 단자 및 제2 단자를 갖는 전기회로에 전력을 공급하기 위한 전지는 제1 시약을 포함하는 가늘고 긴 음극을 포함하고, 이 음극은 회로의 제1 단자에 접속가능하다. 또한 가늘고 긴 양극은 음극에 인접하여 이격된 관계로 위치되고, 양극은 제2 시약을 포함하며 회로의 제2 단자에 접속가능하다. 세퍼레이터는 음극과 양극간의 전기적 절연을 제공하지만 음극과 양극간의 이온이동을 포함하는 전기화학반응을 일으키기 위해 양극과 음극 사이에 위치되고, 이온이동은 전류를 전지의 양극으로부터 회로를 통해 전지의 음극으로 흐르게 한다. 음극, 세퍼레이터 및 양극은 가늘고 긴 전극 스택(stack)을 형성하고 복수의 가늘고 긴 전극 스택은 허니콤 구조물로 함께 접속된다.
본 발명은 또한 전지의 조립방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 시약을 포함하는 가늘고 긴 음극을 제공하는 단계, 제2 시약을 포함하는 가늘고 긴 양극을 제공하는 단계, 가늘고 긴 다공 세퍼레이터를 제공하는 단계, 가늘고 긴 전극 스택을 형성하기 위해 세퍼레이터의 양면에 음극 및 양극을 결합시키는 단계, 복수의 가늘고 긴 전극 스택을 허니콤 구조물로 조립하는 단계, 및 세퍼레이터를 전해질로 적시는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구체예는 제1 시약을 갖고 다수의 틈이 형성되어 있는 음극을 포함하는, 제1 단자 및 제2 단자를 갖는 전기회로에 전력을 공급하기 위한 전지에 관한 것인데, 음극은 회로의 제1 단자에 접속가능하다. 또한 양극은 음극에 인접하여 이격된 관계로 위치되며, 양극은 다수의 틈이 형성되어 있고 제2 시약을 포함하며, 양극은 회로의 제2 단자에 접속가능하다. 세퍼레이터는 음극과 양극간의 전기적 절연을 제공하지만 음극과 양극간의 이온이동을 포함하는 전기화학반응을 일으키기 위해 양극과 음극 사이에 위치되고, 이온이동은 전류를 전지의 양극으로부터 회로를 통해 전지의 음극으로 흐르게 한다. 세퍼레이터는 또한 다수의 틈이 형성되어 있다. 음극, 세퍼레이터 및 양극은 다수의 틈이 형성되어 있는 구조를 형성하여 견고하지만 경량인 구조를 제공한다
본 발명은 전기화학적 전지의 개선된 설계에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전지의 기능 부품이 전지를 사용하는 차 또는 장치의 구조 부재로서 기능하는 분포형 전지 설계에 관한 것이다.
명세서에 포함되어 그것의 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 구체예를 예시하며 명세서와 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 전극 스택의 여러가지 층을 벗긴 상태에서 본, 본 발명의 전극 스택의 등각도이고,
도 2는 도 1의 2-2선을 따라 취한 단면도이고,
도 3은 슈퍼스택(super-stack)으로 배열된, 도 1의 복수의 전극 스택의 단면도이고,
도 4는 슈퍼스택을 허니콤 형상으로 한 후의 도 3의 슈퍼스택의 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따라 구성된 전지 패널의 분해사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 전지패널로부터의 상부 면판의 측면도이고,
도 7은 도 5에 도시된 것과 같은 조립된 전지 패널의 사시도이고,
도 8은 도 7의 복수의 전지 패널을 포함하는 승용차의 사시도이고,
도 9는 쌍극 전극 배열을 갖는 전극 스택의 제2 구체예를 도시하는, 도 2와 유사한 단면도이고,
도 10은 대체 전기화학적 구체예를 갖는 전극 스택의 제3 구체예를 도시하는, 도 2와 유사한 단면도이고,
도 11은 또 다른 대체 전기화학적 구체예를 갖는 전극 스택의 제4 구체예를 도시하는, 도 2와 유사한 단면도이고,
도 12는 도 5 및 7의 전지 패널의 대체 구체예의 단면도이고,
도 13은 폼(foam) 구조를 도시하는 도 12의 동그라미 쳐진 부분의 근접도이다.
발명을 실시하기 위한 최상의 형태
본 발명은 하나 이상의 전지 셀로 구성된 전지 패널을 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다. 셀은 원하는 전압 또는 전류 레벨을 제공하기 위해 직렬 또는 병렬로 전기적으로 서로 접속될 수 있다. 각 셀은 허니콤 구조물로 형성된 복수의 가늘고 긴 전극 스택을 포함한다.
본 발명의 가늘고 긴 전극 스택(20)이 도 1 및 2에 도시되어 있다. 이 전극 스택(20)은 다층으로 되어 있고 가늘고 긴 양의 전극, 즉 양극(22), 가늘고 긴 세퍼레이터(23) 및 가늘고 긴 음의 전극, 즉 음극(24)을 포함하고 있다. 이 서류에서는 전자 산업에서의 관례보다는 전지 산업에서의 양극 및 음극에 대한 관례가 사용된다. 따라서 전지 방전 동안 양의 전류는 양극(22)으로부터 외부에 접속된 회로를 통해 음극(24)으로 흐른다. 이것은 양극(22)은 전지의 내부에서 볼 때는 음의 단자인 것으로 보일 수 있지만 외부에서는 전류가 전지의 양극 밖으로 흐르기 때문에 양의 단자로 보이기 때문이다.
양극(22)은 바람직하게는 세 개의 층을 포함한다. 음극의 기판층(26)에는 유리섬유, 테플론 또는 다른 절연물질이 사용된다. 기판층(26)에 인접하여 부착된 것은 니켈(Ni)로 구성된 양극 집전기 층(28)이다. 이 집전기 층(28)에 부착된 것은 수산화니켈(Ni(OH)2)로 구성된 양극 시약층(30)이다.
마찬가지로 음극(24)도 유리섬유, 테플론 또는 다른 절연물질로 구성된 음극 기판층(32)으로 시작하여 세 개의 층으로 이루어진다. 음극 기판층(32)에 부착된 것은 니켈(Ni)로 구성된 음극 집전기 층(34)이다. 음극집전기 층(34)에 부착된 것은 금속-수소화물(MH)로 구성된 음극시약층(36)이다. 금속-수소화물은 수소를 흡수 및 저장할 수 있는 중요한 성질을 갖는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 전기화학적 용도에 사용하는 금속간 합금 수소화물은 비교적 쉽게 수소를 흡수 및 방출하여 가역적 전극으로서 기능할 수 있다. 금속간 합금 수소화물은 원소주기율표상의 IIIB-VIIB족 및 VIII족 금속들을 조합하여 형성된다. 금속 수소화물은 ABx로서 분류되는데 여기서 A는 IIIB-VIIB족의 어떤 금속이고 B는 VIII족의 금속이며 x는 상대몰비이다. 최근의 MH 전극은 금속의 AB5및 AB2조합에 집중되어 왔다. La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1은 AB5수소화물의 일례이다. V15Ti15Zr21Ni31Cr6Co6Fe6은 AB2수소화물의 일례이다.
양극(22)과 음극(24)은 가늘고 긴 세퍼레이터(23)의 양면에 결합된다. 세퍼레이터(23)는 세퍼레이터(23)에 넣어진, 물중의 수산화칼륨(KOH) 26중량퍼센트로 구성된 알칼리성 매질인 액체 전해질 용액(도시 안함)을 경유하여 음극과 양극간의 이온 통과를 가능하게 하면서 음극(24)으로부터 양극(22)을 전기적으로 절연하는 성질을 갖는다. 또한 세퍼레이터(23)는 보통 다공성이고 흡수성이어서 전해질용액을 유지할 것을 요한다. 이 경우 세퍼레이터는 모세관현상을 통해 전해질용액을 보유하도록 전극에서 단지 이격되어 있을 수도 있다. 또한 세퍼레이터(23)는 과충전 상태동안 과잉의 산소와 반응하지 않도록 산화에 저항해야 한다. 바람직하게는 세퍼레이터(23)는 나일론 또는 폴리프로필렌 천으로 구성된다. 이 대신 세퍼레이터는 아스베스토스 또는 지르카와 같은 무기섬유의 짠 또는 스크린날염한 천 또는 펠트일 수도 있다. 세퍼레이터(23)는 전지 셀(46)을 단락시킬 양극(22)과 음극(24)간의 직접 접촉을 방지한다. 세퍼레이터(23)는 또한 양극(22)과 음극(24) 사이에 균일한 간격을 유지시키고 전해질용액의 수용을 제공한다. 이온은 양극(22)과 음극(24)간의 충전 및 방전동안 드리프트될 수 있다.
천모양의 가늘고 긴 세퍼레이터(23)상의 이격된 위치에 위치된 것은 양극(22)과 음극(24)을 세퍼레이터(23)에 결합하는 기능을 하는 소면적의 고체 세퍼레이터 물질(39), 및 역시 양극(22)과 음극(24)을 세퍼레이터(23)에 결합하는 기능을 하고 하기하는 바와 같이 복수의 전극 스택(20)을 허니콤 구조물로 전환시킬 때 지지력 및 강도를 제공하는 보다 큰 면적의 고체 세퍼레이터 물질(41)이다. 물론 고체부분(39 및 41)은 전극 스택(20)과, 결과적으로는 전지 시스템 전체의 에너지저장용량을 감소시키기 때문에 그 크기 및 개수를 최소로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 대면적의 고체 물질(41)은 세퍼레이터(23)에 걸쳐 연속되지 않다. 그 대신에 전해질용액이 통과할 수 있는 갭(47)이 형성되어 있다. 소면적의 고체 물질(39)에 의해 제공된 결합은 양극-음극 분리가 너무 커지지 않게 하고 스택을 다룰 수 있게 한다. 대면적의 고체물질(41)은 허니콤 구조물(44)로의 팽창 공정동안 분리력을 받을 때 슈퍼스택을 보강하는 전극간의 결합을 제공한다. 모든 경우에 고체부분(39 및 41)은 세퍼레이터(23)내에 격리된 영역을 만들지 않도록 설계된다. 따라서 수산화칼륨 전해질용액은 세퍼레이터(23) 전영역의 안팎으로의 경로를 여전히 구비한다.
도 2의 단면으로 볼 때 양극(22) 및 음극(24)의 시약 및 도체는 약간 수직방향으로 서로 오프셋되어 있음을 알 수 있다. 이것은 각각 스택(20)의 상부 및 저부를 통한 양극(22) 및 음극(24)으로의 외부 전기 접속을 가능하게 한다. 이 기법은 양극(22)과 음극(24) 사이에 전기적 단락이 일어날 가능성을 감소시킨다.
복수의 전극 스택(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 접착제(43)에 의해 슈퍼스택(42)으로 함께 접착된다. 접착제(43)는 전해질용액으로부터의 공격에 저항해야 한다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 이 슈퍼스택(42)을 당겨서 도 4에 도시된 바와 같은 허니콤 구조물(44)이 되게 할 수 있다. 허니콤 구조물(44)에서 인접 전극스택(20) 사이에 형성된 틈(45)은 일반적으로는 비어 있지만 전해질용액으로 일부가 채워질 수도 있다.
원하는 길이의 전극스택(20)의 원하는 개수를 함께 조합하여 상기 허니콤 구조물(44)을 직사각의 박스형상으로 즉 전지 셀(46)로 형성할 수 있다. 전지 셀(46)의 길이는 가늘고 긴 전극스택(20)의 거리와 접착제 결합부(43)의 수 및 폭에 의해 결정된다. 셀(46)의 폭은 전극 스택(20)의 두께 및 수에 의해 결정된다. 셀(46)의 높이는 전극스택(20)의 높이에 의해 결정된다. 이 높이는 용도에 따라 변하며 동일한 용도내에서도 변한다. 자동차량에 대해서는 높이가 2인치 이하의 범위내일 수도 있고 12인치 이상까지일 수도 있다. 랩톱 컴퓨터와 같은 전자 하우징에 대해서는 1인치의 4분의 1 이하의 범위내일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 복수의 셀(46)은 전지 패널(48)에 수용될 수 있다. 각 셀(46)은 각 셀(46)을 서로 격리시키도록 전기절연 물질로 구성된 삽입프레임 또는 층(52)에 형성된 해당 컷아웃부(50)내에 끼워진다. 바람직하게는 절연물질은 사출성형되고 기계가공된 나일론 또는 폴리프로필렌이다. 삽입층(52)의 양면에 부착되는 것은 상부 면판(54) 및 하부 면판(56)이다. 각 면판(54 및 56)의 내면에는 4개의 셀(46)에 대응하고 인접하여 위치되는 4개의 정방형 전도성 시트(58)가 있다. 전극 스택(20)내의 양극(22)과 음극(24)간의 앞서 설명한 수직방향 오프셋 때문에, 상부 면판(54)상의 전도성 시트(58)는 각 전극 스택(20)의 양극(22)과 전기적으로 접촉하는 한편 하부 면판(56)의 전도성 시트(58)는 각 전극 스택(20)의 음극(24)과 전기적으로 접촉한다.
상부 및 하부 면판(54 및 56)을 통한 각 전도성 시트(58)로부터의 전기적 피드스루를 위한 경로는 도 6에 도시된 바와 같이 각 전도성 시트(58)에 부착된 핀(60)에 의해 제공된다. 상부 면판(54)상에는 이 면판을 관통하여 활성화 포트(62)가 구비된다. 활성화 포트(62)는 각 셀(46)로부터 전해질용액을 제거 및 첨가할 수 있게 한다.
일단 조립하고 나면 복수의 전지패널(48)(도 7)은 도 8의 승용차(64)의 루프(63)상에 도시된 바와 같은 자동차량의 본체 표면으로서 사용될 수 있다. 물론 추가 패널(48)이 도어, 펜더, 후드, 언더바디 및 엔진실내와 승용차(64)의 기타 부분에 사용될 수도 있다.
조립 공정
전극 스택(20)은 다음과 같이 조립된다. 니켈금속 플라즈마를 유리섬유 또는 테플론 박막상에 스퍼터링하거나 전기화학증착하여 양극기판층(26)을 작성한다. 이 스퍼터링 또는 증착으로 니켈의 양극집전기 층(28)이 형성된다. 기판층(26)과 대향하는 이 층(28)의 표면을 화학적 함침 또는 전기화학적 함침에 의해 수산화니켈로 피복한다. 화학적 함침은 다음의 4단계를 포함한다.
1) 질산니켈 용액에 침지하는 단계,
2) 수산화나트륨 용액에 침지하여 Ni(OH)2를 침전시키는 단계,
3) 세척하는 단계, 및
4) 건조시키는 단계.
이들 4단계는 원하는 양의 Ni(OH)2를 얻기 위해 반복될 수 있다. 질산코발트를 질산니켈에 가할 수도 있는데 코발트는 니켈함량의 4 내지 12퍼센트이다. 이것은 충전/방전 사이클링에 노출될 때 이 전지 전극의 안정성을 개선시킨다.
전기화학적 함침법에서는 외부전압원(도시 안함)을 사용하여 니켈층(28) 전기적으로 극성화하면서 니켈층(28)을 질산니켈 용액에 노출시킨다. 물의 전기분해는 수소이온의 소모와 관련된 니트레이트이온의 환원 결과로 니켈층(28) 부근 용액의 pH치를 증가시킨다. 따라서 수산화니켈이 침전된다. 하나의 이러한 전기화학적 함침공정에 대한 파라미터는 다음과 같다.
질산니켈 농도 1.6-1.7몰
질산코발트 농도 0.16-0.18몰
에탄올 농도 46부피%
pH 2.5-3.0
용액온도 61℃-72℃
함침시간은 원하는 수산화니켈의 두께에 좌우된다. 원하는 두께는 에너지저장과 전도능력 사이에서 절충된다. 일반적으로 니켈집전기 층(28)은 수산화니켈 시약층(30)보다 더 얇다. 수산화니켈의 분자량을 기준으로 최소 3.46그램의 수산화니켈이 원하는 용량의 각 암페어시에 대해 제공되어야 한다. 시약층(30)과 기판층(26) 사이에 있는 니켈 집전기 층(28)은 기판층(26)의 하층물질을 구조적으로 보강하는 부가 기능을 수행한다. 전체 양극(22)은 두께가 2천인치 정도이다.
이론적으로 세퍼레이터(23)는 극미한 두께이어야 한다. 전해질용액의 양은 적은 분리에서는 보다 적고, 따라서 전극 스택(20)의 총 질량을 감소시킨다. 양극으로서 수산화니켈을 사용하는 우주용 전지에는 7 내지 15밀의 양극-음극 분리가 전형적으로 사용된다. 이 최소간격은 양극 판 팽창과 그 결과로 생기는 전해질의 양극 판 흡착을 가능하게 하는데 요구된다. 이들 인자중 어느 것도 본 발명의 박막 양극(22)에서는 중요하지 않으므로 4밀 세퍼레이터가 설치된다.
음극 기판층(32)이 그 표면상에 용융스퍼터되거나 전기화학 증착되어 니켈의 음극 집전기 층(34)을 형성하는 니켈금속 플라즈마를 갖는 유리섬유 또는 테플론 박막으로 구성된다는 점에서 음극(24)은 양극(22)과 유사하다. 시약층(36)은 수산화금속의 금속결정을 증착시킴으로써 형성된다. 수산화금속을 증착하기 위한 바람직한 방법은 앞서 설명한 바와 같이 AB2또는 AB5수소화물의 원하는 합금 성분을 갖는 타겟 물질(플라즈마 공급원)을 사용하여 플라즈마 스퍼터하는 것이다. 저효율 수소화물의 일부는 원하는 매 암페어시에에 대해 3.46그램 만큼의 증착시약을 필요로 한다. 바람직하게는 암페어시 용량당 필요한 금속수소화물이 1.5그램의 범위인 효율을 갖는 보다 유효한 금속수소화물이 사용될 수 있다(중량으로 2.5% 수소저장). 전하는 말에 의하면 그러한 효율은 보다 유효한 AB5금속수소화물 물질로 Ovonics Battery Corporation에 의해 얻어졌다.
전극 스택(20)의 3가지 성분, 즉 양극(22), 음극(24) 및 세퍼레이터(23)는 3가지의 가늘고 긴 성분들을 정렬시키고 양극(22)과 음극(24)을 세퍼레이터(23)의 양면에 점용접함으로써 함께 결합된다. 한쌍의 대향 프로브(도시안함)를 이 샌드위치 배열물에 적용하여 이 조립체를 세퍼레이터(23)를 이루는 물질의 융점 바로 아래까지 가열할 수 있다. 거의 용융된 상태의 세퍼레이터(23)를 따라 대향 프로브에 의해 적용된 가압력은 양극(22)과 음극(24)에 대해 세퍼레이터(23)의 양면에서 점용접을 야기한다. 이들 점용접은 고체부분(39 및 41)이 세퍼레이터(23)에 구비되는 영역에 형성된다. 이 때 가늘고 긴 전극스택(20)이 형성되었다. 대안으로 지지 기판층 없이 양극 또는 음극을 제조할 수도 있고 이 결과 얻어지는 비교적 부서지기 쉬운 전극은 모세관현상에 의해 세퍼레이터에 유지될 수 있다.
복수의 그러한 전극스택(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 각 인접스택(20) 사이에 접착제(43) 영역을 갖는 각각의 상부에 정렬 및 적층될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이 접착제(43)의 위치는 각각의 정렬된 전극 스택(20)의 세퍼레이터(23)에서 대면적 고체물질(41)의 위치에 대응하여 인접해 있다. 바람직하게는 제1쌍의 인접전극스택(20)은 세퍼레이터(23)내 고체물질(41)의 각 제2 위치에 인접하여 적용된 접착제(43)를 갖는다. 이 제1쌍의 전극 스택(20)의 각각은 또한 대향하여 인접한 전극 스택인 또 다른 전극 스택에 인접해 있다. 각각의 제1쌍의 전극 스택간의 접착제 위치는 도 3에 더 도시된 바와 같이 제1쌍의 전극스택중의 하나와 그것의 대향하여 인접한 전극 스택간의 접착제 위치로부터 오프셋되어 있다. 접착제(43)는 알 수 있는 바와 같이 다음에 형성되는 허니콤 구조물을 강화하기 위해 세퍼레이터(23)내의 대면적 고체 물질(41)에 인접하여 위치된다.
다음에 다층 전극스택 또는 슈퍼스택(42)을, 슈퍼스택(42)의 상부 및 저부 전극스택을 반대방향으로 당겨 떼어 놓는다. 상부 및 저부 전극스택을 상부 및 저부 전극스택상의 각 접착제 위치 사이에 있는 등거리 지점에 대응하는 위치로부터 당긴다. 이렇게 하여 슈퍼스택(42)으로부터 허니콤 구조물(44)이 형성된다. 이것의 일례로서 도 3의 슈퍼스택의 일부는 도 4에 도시된 허니콤 구조물로 당겨져 있음을 알 수 있다. 도 4에서 접착제(43)의 위치는 세퍼레이터(23)내의 고체물질(41)과 정렬되어 있어서 증가된 보강을 제공하고 허니콤 구조물(44)로의 팽창에 의해 슈퍼스택(42)에 유발되는 응력이 양극(22)과 음극(24)간의 간격을 불균일하게 하지 않도록 한다.
슈퍼스택(42)내 층 또는 전극스택(20)의 수와 접착제 위치(43)의 간격은 팽창된 허니콤 구조물(44)이 두가지 기준을 충족하도록 맞추어진다. 첫째로, 팽창치수 및 방향은 원하는 것과 정합해야 한다. 둘째로, 허니콤 구조물(44)의 구조적 특성(구조물의 탄성계수 및 항복점에 의해 측정)과 결부된 허니콤 구조물(44)의 코어 간격의 합계는 전지 셀(46)을 형성하는 허니콤 구조물(44)에 원하는 기계적 강도 및 강성을 제공해야 한다. 상기에서 논한 바와 같이 전지 셀(46)의 한 치수는 전극스택(20)의 수 및 두께와 인접 접착제 위치(43)의 폭 및 간격에 의해 결정된다. 전지 셀(46)의 제2 치수는 가늘고 긴 전극스택(20)의 길이와 인접 접착제 위치(43)의 폭 및 간격에 의해 결정된다. 전지 셀(46)의 제3 치수는 전극스택(20)의 높이에 의해 결정된다. 허니콤 구조물(44)내 틈(45)의 밀도, 또는 반대로 말하여 부피는 전지패널(48)의 원하는 강도 및 강성과 그것의 총 중량 사이에서 절충된다.
다음에 전지 셀(46)중 네 개를 전지패널(48)로 함께 조립한다. 먼저 전기절연성 에폭시(도시안함)를 삽입층(52)의 내면 전체에 적용한다. 다음에 네 개의 전지 셀(46)을 삽입층(52)내의 컷아웃부(50)내에 미끄러지듯 수용한다. 전기절연성 에폭시(도시안함)를 면판(54 및 56)의 전기전도성 시트(58)에 적용한다. 전기절연성 에폭시(도시안함)를 면판(54 및 56)의 다른 영역에 적용한다. 다음에 상부 및 하부 면판(54 및 56)을 삽입층(52) 및 전지 셀(46)로 에폭시화한다. 전기전도성 에폭시는 상부 및 하부 면판(54 및 56)의 전도성 시트(58)를 전지 셀(46)에 결합시키는 한편 전기절연성 에폭시는 상부 및 하부 면판(54 및 56)을 삽입층(52)에 결합시킨다. 에폭시 결합 동안 전지 패널(48)은 함께 가압되어야 한다. 이것은 전체 전지패널(48)을 동심 백(bag)안에 넣고 내부 백이 상부 및 하부 면판(54 및 56)을 삽입층(52) 및 전지 셀(46)에 가압하도록 백 사이의 압력을 증가시킴으로써 행해질 수 있다.
이 시점까지 세퍼레이터(23)는 어떤 전해질용액도 함유하지 않는다. 전지 패널(48)의 조립후 전해질용액을 상부 면판(54)내의 유체 포트(62)를 통해 가한다. 다음에 전지 패널(48)내의 전지 셀(46) 각각을 수산화칼륨 전해질용액에 잠기게 하고 침지시킨다. 다음에 용액의 대부분을 진공하에 포트(62)를 통해 빼내고 세퍼레이터(23)를 전해질용액으로 적셔진 상태로 되게 한다. 전지 패널(48)의 셀(46)을 몇회 충전 및 방전하여 전지패널(48)을 길들인다. 다음에 전지 셀(46) 각각을 질소가스로 채우고 포트(62)를 폐쇄한다.
전지 패널을 함께 에폭시화하는 것에 더하여 전지 패널을 함께 볼트로 고정하기 위해 상부 및 하부 면판(54 및 56)과 삽입층(52)에 구멍(도시안함)을 뚫는 것이 가능하다. 또한 그러한 구멍을 뚫으면 주위의 차 또는 장치에 전지패널(48)을 외부에서 구조적으로 접속할 수 있다. 대안으로, 전지를 주변 장치 또는 차에 아교로 붙일 수도 있다. 삽입층(52)은 전지 셀(46)의 각각을 서로 전기적으로 격리시키는 역할을 한다. 따라서 전지 셀(46)중 어느 하나가 결함이 있더라도 다른 전지 셀(46)에 악영향을 미치는 것이 방지될 수 있다. 또한 삽입층(52)은 전지패널을 가로질러 하중을 확산시키는 기능을 한다. 일례로서 삽입층(52)은 전지패널에 대한 구조적 부착점으로부터 삽입층(52)을 따르는 영역으로 점하중을 분포시킬 수 있다.
일단 조립하고 나면 복수의 전지패널을 전기적 및 구조적으로 조합하여 차 또는 장치를 위한 전력원과 그것의 구조 부품을 형성할 수 있다. 이 개선된 전지의 구성 및 구조는 큰 표면적의 평행판을 제공하여 설계의 용량적 이점을 제공한다.
전기화학 반응
각 전극스택(20)의 전기화학반응은 니켈-금속-수소화물 전지의 것이다. 이 전기화학반응은 여기에 참고로 포함된 "A Nickel Metal Hydride Battery for Electrical Vehicles"라는 제목의 논문으로 1993년 4월 9일자 과학잡지 제260권 176페이지에서 시작하여 보다 충분히 개시되어 있다.
NiMH 전지는 1.2V의 공칭 전압을 갖는다. 그것은 수소를 고압 가스로서 저장하는 니켈-수소 전지와 달리 수소를 고체 수소화물상에 반응생성물로서 저장한다. 음극(24)(음의 전극)은 수소저장물질(금속수소화물)을 포함하여 전기화학적 저장을 가능하게 하고 각각 충전 및 방전 공정동안 수소를 방출한다. 양극(22)(양의 전극)내의 수산화니켈 시약층(30)은 Ni(OH)2와 옥시수산화니켈(NiOOH) 사이에서 전기화학적으로 가역가능하다. 양 전극(22 및 24) 모두에서, 물중의 KOH를 20 내지 35중량퍼센트 포함하는 알칼리성 매질중에서 산화-환원반응이 일어난다. 충전동안 Ni(OH)2전극은 산화되고 MH 전극은 환원된다. 그 결과 물은 수소와 히드록실 이온으로 분리되고 수소는 음의 전극내의 금속에 의해 흡수되어 MH를 생성한다. 양의 전극에서는 히드록실이온이 Ni(OH)2전극과 반응하여 NiOOH를 생성한다. 이 반응으로 Ni 산화상태는 +2에서 +3으로 바뀌게 된다. 전지셀(46)의 충전 및 방전시의 반전지 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure kpo00000
반응 1 및 2의 결과, 충전-방전 주기에 걸쳐 전해질용액의 양 또는 농도의 순변화는 없다. 이 결과는 방전동안 물이 양 전극에서 발생되는 NiCd와 같은 다른 알칼리성 전해질 시스템과 대조된다. NiMH 전지에서는 일시적인 전해질 농도 구배가 일어날 수 있지만, 그것의 일정한 평균농도는 가스재조합, 반응속도, 고온 및 저온 작동, 그리고 부식과 팽창에 의해 생기는 사이클수명 제한에 대한 저항에 있어서 양호한 전체 성능을 가져오는데 중요하다.
전기적 양태
NiMH 전지는 1.2-1.3 볼트의 공칭 전압을 생성한다. 전지 시스템의 총전압은 전지 셀(46)을 서로 직렬로 제공함으로써 이 전압의 배수로 제공될 수 있다. 예를 들면 그러한 전지 셀(46) 열 개를 직렬로 설치하면 12 내지 13볼트의 전지전압이 제공될 것이다. 전기화학반응의 전압은 주위온도의 영향을 받는다. 전압에 미치는 이 영향은 다중전력에 대한 온도(켈빈온도)의 함수이다. 따라서 전형적인 분위기온도 변화를 가로질러 전압은 근본적으로 변하지 않는다. 또한 온도가 너무 높아지게 될 때 반응으로부터의 증가된 전압으로 인해 증가된 이점은 전지 부품의 과다한 화학 부식 문제를 상쇄시킨다.
총 전지용량 또는 에너지 밀도는 양극(22) 및 음극(24)내의 시약량에 좌우된다. 즉 얼마나 많은 시약분자가 전자를 각각 내주는데 이용가능한지에 좌우된다.
여분의 목적을 위해, 그리고 다른 전지 셀들에 병렬로 접속된 고장난 전지 셀(46)이 그 전지 셀들에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 한 회로의 단락이 인접 병렬회로에 악영향을 미치는 것을 방지 및 제어하는데 다이오드, 회로차단기 및 계전기를 사용할 수 있다.
전지 시스템에 의해 생성되는 전류는 전지시스템내 시약의 총 표면적 또는 양에 의해 결정된다. 따라서 주어진 전지 셀 크기에 대해 전지 시스템에 의해 생성되는 전류는 추가의 전지 셀을 서로 병렬로 설치함으로써 증가될 수 있다. 전류는 또한 음극(24)과 양극(22)간의 간격의 함수이기도 하다. 주어진 전지 셀내의 전류는 전극 표면의 전해질로부터의 이온 이용가능성에 의해 지배된다. 또한 이것은 이온이 전해질을 통해 드리프트하여 세퍼레이터를 가로질러야 하는 거리에 의해 지배된다. 이 설계에서는 앞서 언급한 바와 같이 물질 팽창 효과가 작기 때문에 간격이 작다. 보다 높은 충전 및 방전 전류가 얻어질 수도 있다.
허용가능한 충전 및 방전 전류 레벨은 또한 발생되는 열에 의해 지배되기도 한다. 순 방전반응은 약간 발열적이다. 시약층이 매우 얇고 허니콤 구조물이 큰 부피의 틈을 포함하고 있으므로 단위부피당 발생되는 열은 콤팩트한 단독형 전지 설계에서 보다도 실질적으로 적다. 또한 이 설계는 보다 높은 전류를 생성할 수 있다.
대체 전기화학적 구체예
NiMH 전지에 대한 대체예로서, 몇가지 다른 전기화학적 구체예 또는 공정을 사용하는 것이 가능하다. 니켈-수소(NiH2) 전기화학적 구체예에 대한 전극스택(80)이 도 10에 도시되어 있다. 양극(82)은 바람직하게는 양극(82)의 기판층(84)에 사용되는 유리섬유, 테플론 또는 다른 절연물질로 출발하여 세 개의 층을 포함한다. 기판층(84)에 인접하여 부착된 것은 니켈(Ni)로 구성된 양극집전기 층(86)이다. 이 양극집전기 층(86)에 부착된 것은 수소화니켈(Ni(OH)2)로 구성된 양극시약층(88)이다.
마찬가지로 음극(90)도 유리섬유, 테플론 또는 다른 절연물질로 구성된 음극 기판층(92)으로 시작하여 세 개의 층으로 이루어진다. 음극 기판층(92)에 부착된 것은 니켈(Ni)로 구성된 음극집전기 층(94)이다. 이 음극집전기 층(94)에 부착된 것은 백금(Pt)으로 구성된 음극촉매층(96)이다.
양극(82)과 음극(90)을 가늘고 긴 세퍼레이터(98)의 양면에 결합시켜 격리시킨다. 세퍼레이터(98)는 세퍼레이터(98)에 넣어진 액체 전해질(도시안함)을 통해 양 전극간의 이온 통과를 가능하게 하면서 음극(90)으로부터 양극(82)을 전기적으로 절연하는 성질을 갖는다. 바람직하게는 세퍼레이터(98)는 나일론 또는 지르카 천으로 구성된다. 전해질 용액은 물중의 수산화칼륨(KOH) 약 30중량퍼센트로 구성되는 알칼리성 매질이다. 모든 층은 가스투과성이거나 구멍을 포함하여 수소와 산소를 셀을 통해 순환시킨다. 이 구체예에서는 전지 패널의 면판이 과충전의 경우에 수소와 산소의 재조합을 위해 촉매부위를 포함해야 한다. 새로 재형성된 물을 전극 사이의 세퍼레이터로 복귀시키는 심지 물질이 구비되어야 한다. 그렇지 않으면 세퍼레이터가 완전히 말라버릴 수 있다.
Figure kpo00001
충전동안 음극(90)에서 발생된 가스상 수소는 세퍼레이터(98)로부터 허니콤 구조물의 빈 공간으로 흐른다. 허니콤 구조물에 생기는 큰 부피의 빈 공간은 전지를 낮은 압력으로 작동할 수 있게 한다. 구성에 따라 100 psi의 최대압력으로 작동하고 보다 큰 조립체를 위한 구조 패널의 역할을 하는 전지가 형성될 수 있다. 전형적인 우주선 용도에서는 니켈-수소 전지가 2,000 psi 만큼의 최대압력으로 작동한다. 슈퍼스택, 전지 셀, 면판, 전기적 접속부, 활성화 포트 및 전지 패널의 형성은 이전에 설명한 NiMH 구체예에서와 동일하다.
구조물로서 기능하는 전지 부품 외에 밀폐용 면판 및 삽입부는 충전동안 발생된 수소에 대한 자연 용기를 제공한다. 이것은 별도의 단독형 압력용기에 대한 요구를 배제하여 이 유형의 전지 전자화학을 사용하는 장치의 전체 중량을 감소시킨다.
또 다른 전기화학적 구체예의 전극 스택(100)인 리튬이온 구체예가 도 11에 예시되어 있다. 양극(102)은 바람직하게는 양극(102)의 기판층(104)에 사용되는 유리섬유 또는 테플론 물질로 시작하는 세 개의 층을 포함한다. 기판층(104)에 인접하여 부착된 것은 니켈(Ni) 또는 알루미늄(Al)으로 구성된 양극집전기 층(106)이다. 이 양극집전기 층(106)에 부착된 것은 이산화망간(MnO2)과 같은 리튬이온을 수용 및 저장할 수 있는 물질로 구성된 양극시약층(108)이다.
마찬가지로 음극(110)도 유리섬유 또는 테플론으로 구성된 음극기판층(112)으로 시작하는 세 개의 층으로 이루어진다. 음극 기판층(112)에 부착된 것은 니켈(Ni) 또는 알루미늄(Al)으로 구성된 음극집전기 층(114)이다. 이 음극집전기 층(114)에 부착된 것은 리튬금속(Li)과 같은 리튬이온 공급원으로 구성된 음극시약층(116)이다. 양극(102)과 음극(110)은 가늘고 긴 세퍼레이터(118)의 양면에 결합된다. 세퍼레이터(118)는 양 전극간의 이온 통과를 가능하게 하면서 음극(110)으로부터 양극(102)을 전기적으로 절연하는 성질을 갖는다. 바람직하게는 세퍼레이터(118)는 실온에서 통상 용융되는 리튬염을 안정화시키는 중합체 물질로 구성된다.
충전 및 방전동안 리튬이온이 리튬금속으로부터 형성되어 세퍼레이터를 가로질러 이산화망간으로 이동하거나 세퍼레이터를 통해 리튬금속으로 복귀된다. 슈퍼스택, 전지 셀, 면판, 전기적 접속부 및 전지패널의 형성은 이전에 설명한 NiMH 구체예에서와 동일하다. 활성화 포트는 불필요하다. 기판, 집전기, 세퍼레이터 및 시약은 모두 이전에 설명한 구체예에서와 동일한 방식으로 허니콤 코어의 복합구조요소로서 기능한다.
대체 전기화학적 구체예의 상기 예로부터 당업자에게는 본 발명이 NiCd 또는 납-산 전지와 같은 전지에 대한 거의 모든 알려진 또는 아직 발견되지 않은 전기화학반응으로 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 전극 및 세퍼레이터는 가늘고 긴 방식으로 구성되고 허니콤형 코어물질로 형성될 것을 요하는데, 이 때 이들은 전지 부품뿐만 아니라 구조 요소로서 기능하여 전력을 필요로 하는 차 또는 장치 전체에 질량 및 부피를 분포시키고 전지의 요소는 에너지 저장 외에 차 또는 장치에 유용한 또 다른 기능을 수행한다.
대체 구조적 구체예
NiMH에 대한 전극스택(130)의 대체 구조적 구체예가 도 9에 도시되어 있다. 이 전극스택(130)은 도 2와 관련하여 상기에서 설명한 NiMH 전지에 대한 제1 구체예와 유사하다. 그러나 이 구체예에서는 음극(132)이 두 면으로 되어 있어 기판층(136)의 어느 한 면에 집전기 층(134)을, 집전기 층(134)의 외측에 시약층(138)을 갖는다. 상기한 것(22 및 23)과 동일한 양극(140) 및 세퍼레이터(142)가 음극(132)의 각 면에 결합된다. 이와 같이 형성된 전극스택(130)은 쌍극성이다. 이러한 쌍극 배열은 상기한 것과 같은 전지를 위한 어떤 전기화학적 구체예로든 사용될 수 있다.
도 6 및 7의 전지패널(48)에 대한 대체 구체예가 도 12 및 13에 전지패널(150)로 예시되어 있다. 이 구체예에는 전극 스택의 허니콤 구조물이 없다. 그 대신에 이 구체예의 전지패널(150)은 폼으로 구성된 복수의 전지 셀(152)을 포함한다. 도 12는 상부 및 하부 면판(154 및 156)과 한쌍의 가장자리 폐쇄부(158) 사이에 밀폐된 그러한 세 개의 셀(152)을 갖는 전지패널(150)을 도시하고 있다. 이 세 개의 셀(152)은 각각 폴리스티렌과 같은 전기절연성 구조 폼인 셀 경계층(160)에 의해 서로 격리되어 있다. 각 셀(152)내에는, 중심에 있는 음극(162), 이것의 양면에 있는 세퍼레이터(164) 및 두 세퍼레이터(164) 각각의 반대면에 있는 양극(166)을 갖는 쌍극 배열물이 있다. 도 13의 근접도로 알 수 있는 바와 같이 양극(166)은 수소화니켈로 함침된 매우 다공질의 표면을 갖는 니켈 폼을 포함한다. 유사한 방식으로 음극(162)의 표면부는 니켈-금속-수소화물로 피복된다. 음극(162) 및 양극(166)내의 니켈 폼은 제1 구체예에서의 집전기 층으로서 작용한다. 핀(180) 형태의 전기적 피드스루는 각각 음극(162) 및 양극(166)으로부터 상부 및 하부 면판(154 및 156)을 통해 제공된다. 활성화 포트(182)는 하부 면판(156)을 통해 제공되어 세퍼레이터(164)를 수산화칼륨전해질 용액(도시 안함)으로 적신다. 이 구조는 제1 구체예와 동일한 전기화학반응을 제공하고, 또한 복수의 틈이 형성된 구조를 제공하여 질량을 감소시키고 충격으로부터 기계적 에너지를 흡수하는 능력을 제공함을 알 수 있다.
발포 금속 및 플라스틱은 허니콤과 동일한 이로운 효과를 달성하는 대체 경량 패널 구성물이다. 폼내의 다량의 빈 공간은 고도의 경량을 가능하게 한다. 폼이 면판 사이에서 결합되면 폼이 보호되고 하중이 폼로 분포된다. 일반적으로 니켈 폼은 반드시 상호연결될 필요는 없는 빈 공간 또는 기포(폐쇄된 셀 폼)를 포함한다. 표면은 절단됨에 의해 슬랩으로 단거리를 위한 거칠고 매우 다공질인 표면이다. 이 표면은 화학 또는 전기화학적 공정에 의해 수산화니켈로 함침된다. 마찬가지로 음극도 금속-수소화물 물질로 피복된다. 세퍼레이터 물질은 전기절연성이지만 수산화칼륨과 같은 전해질을 흡수하고 두 전극간의 이온이동을 가능하게 할 수 있는 강성의 개방된 셀 폼이다. 네 번째 폼물질은 인접전극간의 절연을 제공한다. 그것은 강성 폼플라스틱이고 개방 또는 폐쇄된 셀일 수 있다. 이것은 인접 셀(152)간의 셀 경계층(160)이다. 전해질은 세퍼레이터(164)와 전극(162 및 166) 표면에 한정된다. 전극(162 및 166)을 구성하는 발포물질내 빈 공간의 대부분은 잔류가스를 제외한 틈을 남긴다. 전극(162 및 166)을 구성하는 폼물질의 대부분은 매우 낮은 임피던스 집전기로서 기능한다. 이 구체예에서 전지의 요소는 경량 구조물질을 형성하도록 구성된다. 이렇게 하여 전지의 질량 및 부피는 전력을 필요로 하는 차 또는 장치의 곳곳에 분포될 수 있고 차 또는 장치에 대하여 유용한 기능을 수행할 수 있다.
대체 전극 스택 시퀀싱의 예로부터, 본 발명은 거의 모든 전극 스택 시퀀스를 채용할 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 전극 및 세퍼레이터는 여전히 가늘고 긴 방식으로 구성되고 허니콤 코어물질로 형성될 수 있는데 이때 이들은 전지부품 뿐만 아니라 구조 요소로서 기능하여 전력을 필요로 하는 차 또는 장치 전체에 전지의 질량 및 부피를 분포시킬 수 있고 전지의 요소는 에너지 저장 외에 차 또는 장치에 유용한 또 다른 기능을 수행한다.
허니콤 및 폼구조의 특정 구체예 외에, 전지의 요소(전극, 세퍼레이터, 집전기 또는 절연 경계부)가 경량 구조 부재로서 기능하여 전력을 필요로 하는 차 또는 장치 전체에 전지의 질량 및 부피를 분포시킬 수 있고 전지 요소가 에너지 저장 외에 차 또는 장치에 유용한 또 다른 기능을 수행하는 아주 다양한 전극 및 세퍼레이터 구조가 고안될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
1994 Chevrolet Suburban과 같은 도 8의 차는 중량이 6,500 파운드의 범위이고 300 파운드의 가솔린을 싣고 주행거리가 250마일일 수 있다. 필적하는 크기의 전기차는 시속 60마일로 달리는데 35킬로와트의 전력을 필요로 할 것으로 조심스럽게 추정된다. 따라서 이 시속 60마일로 적어도 200마일을 주행하는데는 117킬로와트시가 필요할 것이다. 제1 구체예와 관련하여 설명되고 도 6 및 7에 도시된 전지패널(48)과 같은 20인치×20인치×2인치 전지패널은 약 0.4킬로와트시의 에너지를 저장하며 중량이 8kg(17.6 lbs.)이다. 상기 패널은 가격이 70.00달러의 범위일 수 있다. Suburban의 120인치×60인치 루프 부위에는 18개의 상기 패널이 사용될 수 있을 것으로 추정된다. 또한 방화벽 뒤의 언더바디 및 샤시는 약 112개의 상기 패널로 대체될 수 있다. 엔진실의 부피는 1개의 상기 패널 부피의 135배에 대한 공간을 제공하며, 측벽 및 리어 도어는 100개의 상기 패널을 허용한다. Suburban에는 전부, 1개의 상기 패널부피의 약 365배가 사용될 수 있고, 따라서 거의 150킬로와트시의 에너지저장을 제공할 수 있을 것으로 추정된다.
116킬로와트시를 제공하는 그러한 에너지 셸의 중량은 928킬로그램(2,046파운드)일 것이다. 에너지 셸은 에너지 저장 이외에 부가기능을 제공하므로, 특히 사고시 위험할 수 있는 집중된 덩어리 형태의 1,500파운드 이상의 전지 덩어리를 필요로 하는 최신식 전지 설계와 비교할 때, 이것은 과다한 중량으로 간주되지 않는다. 중량이 차 전체에 균일하게 분포되며 자기지지되고 다수의 틈(허니콤 또는 폼과 같은)을 갖는 구조물이 충격시 기계적 에너지를 흡수하기 때문에 본 발명은 잠재적으로 위험해지기 보다는 사고시 점유자를 보호하는 기능을 한다. 게다가 본 발명을 이용하는 그러한 차를 위한 전지의 추정 가격은 최신식 NiMH 전지와 동일한 23,000달러 범위내이나 실제로 추가비용없이 차 본체 및 구조물을 제공한다.
이점
본 발명의 분포식 전지 시스템은 전기차 뿐만 아니라 우주선, 휴대용 전자장치 및 코드없는 전력 공구에도 적용가능하다. 각각의 이들 적용에서 본 개선된 전지설계는 가능한 한 장치용의 셸 또는 컨테이너를 형성함으로써 장치용의 구조물을 제공하는데 사용될 수 있다. 위성에의 적용에 있어서 본 기계적 구조물 및 전지는 무연료, 무인 위성에서 질량의 두가지 최고 공급원으로 이루어진다. 이 두가지의 기능을 조합하면 질량의 큰 절약이 제공된다. 본 전지 시스템은 다른 전지 시스템과 달리 장치 또는 차의 구조물과 일체로 되어 있어 지지부를 공유하고 자유표면적 및 부피를 사용하여 최소중량으로 다량의 에너지를 저장한다. 본 발명의 개선된 전지 설계에 의하면 전지 질량의 50%까지를 절약하는 것이 가능할 수 있는데 이것은 연료를 보다 많이 싣게 하여 궤도에 보다 오랜 시간, 아마도 6개월 더 머물게 하는 결과를 가져온다. 전형적 통신위성은 임대료로 매달 2-4백만달러를 벌며, 그래서 궤도에 있는 시간이 추가되면 총수입으로 천만달러 이상을 벌 수 있다.
게다가 본 발명의 개선된 전지 설계는 전기차를 보다 적합하게 하고 화석연료로 움직이는 자동차량의 대체를 가능하게 한다. 또한 전기차용의 다른 재충전가능 전지와 비교할 때 본 발명의 전지시스템은 전지시스템의 증가된 용량 및 표면적으로 인해 보다 단기간에 재충전될 수 있다. 또한 본 설계 고유의 분포식 열방산 및 짧은 열경로 때문에 보다 짧은 재충전시간이 가능하다.
마지막으로 허니콤 구조물의 본래 경량이지만 구조적으로 강하고 견고한 특성은 본 발명의 전지 시스템의 중요한 이점인데, 그것은 전지 자체를 차 또는 장치의 구조 부품으로서 사용할 수 있게 하기 때문이다.
앞의 설명은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것으로 간주된다. 또한 많은 변형 및 변경이 당업자에게 쉽게 일어날 것이므로 본 발명을 상기한 바와 같은 정확한 구성 및 공정에 한정하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 모든 적당한 변형 및 대등물은 이후의 청구의 범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범주내에 든다고 말할 수 있다.

Claims (30)

  1. 제1 단자 및 제2 단자를 갖는 전기회로에 전력을 공급하기 위한 전지에 있어서,
    제1 시약을 포함하고 회로의 제1 단자에 접속가능한 가늘고 긴 음극;
    음극에 인접하여 이격된 관계로 위치되고 제2 시약을 포함하고 회로의 제2 단자에 접속가능한 양극; 및
    음극과 양극간의 전기적 절연을 제공하지만, 전류를 양극으로부터 회로를 통해 전지의 음극으로 흐르게 하는 음극과 양극간의 이온이동을 포함하는 전기화학반응을 일으키는, 음극과 양극 사이에 위치된 세퍼레이터로 이루어지고;
    음극, 세퍼레이터 및 양극은 가늘고 긴 전극 스택을 형성하고;
    복수의 가늘고 긴 전극 스택은 허니콤 구조물로 함께 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 세퍼레이터는 제1 및 제2 시약을 수반한 전기화학반응을 일으키는 전해질 용액으로 적셔져 있고 투과성이며, 이온이 시약들 사이에서 이동되어 전류를 양극으로부터 회로를 통해 전지의 음극으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 음극은 지지층 및 시약층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 음극은 집전기 층 및 시약층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 음극은 지지층, 집전기 층 및 시약층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 양극은 지지층 및 시약층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 양극은 집전기 층 및 시약층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 양극은 지지층, 집전기 층 및 시약층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 음극 및 양극은 세퍼레이터에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 음극 및 양극은 점용접에 의해 세퍼레이터에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제 2 항에 있어서, 제1 시약은 금속수소화물을 포함하고, 제2 시약은 수산화니켈을 포함하고, 전해질 용액은 수산화칼륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 허니콤 구조물은 각 쌍의 인접 전극 스택 사이의 일련의 규칙적이고 이격된 위치에 접착제를 적용함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 어느 쌍의 인접 전극 스택 사이의 접착제 위치는 인접 전극 스택의 쌍중 하나와 대향하여 인접한 전극 스택 사이의 접착제 위치로부터 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 세퍼레이터는 각 접착제 위치에 인접하고 대응하는 고체 물질의 적어도 한 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 복수의 독립된 허니콤 구조물은
    복수의 독립된 셀 각각을 수용하는 삽입 프레임, 및
    양면으로부터 삽입 프레임에 부착되어 셀을 삽입시키는, 한쌍의 면판인 상부 면판 및 하부 면판
    을 포함하는 전지 패널로 독립된 셀로서 각각 조합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 면판은 접착제에 의해 삽입 프레임 및 독립된 셀에 부착되고, 삽입 프레임에 대한 부착은 전기절연성 접착제에 의해 행해지고, 독립된 셀에 대한 부착은 전기전도성 접착제에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 전지.
  17. 제 15 항에 있어서, 삽입 프레임 및 독립된 셀의 외주면에 위치하고 또한 면판 사이에 삽입되는 복수의 가장자리 폐쇄부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  18. 제 16 항에 있어서, 제1 시약은 금속수소화물을 포함하고, 제2 시약은 수산화니켈을 포함하고, 전해질 용액은 수산화칼륨을 포함하고,
    세퍼레이터는 제1 및 제2 시약을 수반한 전기화학반응을 일으키는 전해질 용액으로 적셔져 있고 투과성이며, 이온이 시약들 사이에서 이동되어 전류를 양극으로부터 회로를 통해 전지의 음극으로 흐르게 하고,
    음극 및 양극은 각각 지지층, 집전기 층 및 시약층을 포함하고,
    음극 및 양극은 점용접에 의해 세퍼레이터에 결합되고,
    허니콤 구조물은 각 쌍의 인접 전극 스택 사이의 일련의 규칙적이고 이격된 위치에 접착제를 적용함으로써 형성되고, 어느 쌍의 인접 전극 스택 사이의 접착제 위치는 인접 전극 스택의 쌍중 하나와 대향하여 인접한 전극 스택 사이의 접착제 위치로부터 오프셋되어 있고, 세퍼레이터는 각 접착제 위치에 인접하고 대응하는 고체 물질의 적어도 한 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 제 2 항에 있어서, 제1 시약은 수소촉매이고, 제2 시약은 수산화니켈을 포함하고, 전해질 용액은 수산화칼륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  20. 제 19 항에 있어서, 수소촉매는 백금인 것을 특징으로 하는 전지.
  21. 제 1 항에 있어서, 제1 시약은 리튬이온 공급원이고, 제2 시약은 리튬이온을 수용하고 저장할 수 있는 물질인 것을 특징으로 하는 전지.
  22. 제 21 항에 있어서, 리튬이온 공급원은 리튬금속이고, 리튬이온을 수용하고 저장할 수 있는 물질은 이산화망간인 것을 특징으로 하는 전지.
  23. 제 1 항에 있어서, 전지를 충전함으로써 에너지를 전지에 저장할 수 있고 전지를 방전함으로써 에너지를 전지로부터 추출할 수 있도록 전기화학반응은 가역적인 것을 특징으로 하는 전지.
  24. 제 5 항에 있어서, 니켈 플라즈마를 박막상에 스퍼터링하여 기판층에 집전기 층을 형성하고, 이 니켈 집전기 층에 금속수소화물을 증착시켜 시약층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지.
  25. 제 8 항에 있어서, 니켈 플라즈마를 박막상에 스퍼터링하여 기판층에 집전기 층을 형성하고, 그 위에 수산화니켈층을 증착시키는 것을 특징으로 하는 전지.
  26. 제 1 항에 있어서, 제1 세퍼레이터 및 제1 양극으로부터 음극의 반대면에 음극에 인접하여 위치된 제2 세퍼레이터 및 제2 양극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 2 항에 있어서, 독립된 반반응이 음극과 전해질 용액 사이에서 일어나고, 상보적이고 독립된 반반응이 양극과 전해질 용액 사이에서 일어나는 것을 특징으로 하는 전지.
  28. 전지의 조립방법에 있어서,
    제1 시약을 포함하는 가늘고 긴 음극을 제공하는 단계;
    제2 시약을 포함하는 가늘고 긴 양극을 제공하는 단계;
    가늘고 긴 다공 세퍼레이터를 제공하는 단계;
    가늘고 긴 전극스택을 형성하기 위해 음극 및 양극을 세퍼레이터의 양면에 결합시키는 단계;
    복수의 가늘고 긴 전극 스택을 허니콤 구조물로 조립하는 단계; 및
    세퍼레이터를 전해질로 적시는 단계
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 세퍼레이터는 복수의 연속 고체부분을 포함하고;
    결합단계는 압력을 적용하여 음극 및 양극을 고체부분쪽으로 가압하면서 세퍼레이터의 고체부분의 융점에 접근하는 온도로 각각의 연속 고체부분을 가열함으로써 음극 및 양극을 세퍼레이터에 점용접시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 28 항에 있어서, 허니콤 구조물이 전지 셀을 형성하고,
    복수의 전지 셀을 서로 격리시키는 단계;
    복수의 격리된 전지 셀을 셸내에 넣어 전지 패널을 형성하는 단계; 및
    전지 셀로부터 셸 외부로 전기적 피드스루를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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