KR100412626B1 - 가요성박층개방전지 - Google Patents

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KR100412626B1 KR10-1998-0704711A KR19980704711A KR100412626B1 KR 100412626 B1 KR100412626 B1 KR 100412626B1 KR 19980704711 A KR19980704711 A KR 19980704711A KR 100412626 B1 KR100412626 B1 KR 100412626B1
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Abstract

좁은 공간에 밀집되게 설계되어 소형화되고 휴대가능하며 전력을 사용하는 각종 장치들을 위한 일차 또는 충전가능한 동력 공급 장치로서 사용될 수 있는 가요성 박층 개방 액상 전지(10). 본 전지(10)는 습식 전해질을 포함하지만, 가요성을 갖고 박 및 개방 구조를 유지하므로, 저장시에 기체의 축적이 없다. 본 전지는 불용성 음극 첫 번째 층(14), 불용성 양극 두 번째 층(16) 및 수성 전해질 세 번째 층(12)으로 이루어지고, 세 번째 층(12)이 첫 번째 층(14) 및 두 번째 층(16)의 사이에 배치되며, 개방 전지(10)를 항상 습하게 유지하기 위한 조해성 물질; 필요한 이온 전도성을 얻기 위한 전기활성 가용성 물질; 그리고 첫 번째 층(14) 및 두 번째 층(16)을 첫 번째 층(14)에 부착시키기 위해 필요한 점도를 얻기 위한 수용성 폴리머를 포함한다. 본 발명의 전지(10)는 적합한 인쇄 기술을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다.

Description

가요성 박층 개방 전지{FLEXIBLE THIN OPEN ELECTROCHEMICAL CELL}
좁은 공간에 밀집되게 설계되어 소형화되고 휴대가능하며 전력을 사용하는 장치들, 예를들면 이동전화기, 음성 녹음 및 재생 장치, 시계, 모션 및 스틸 카메라, 액정 디스플레이, 전자 계산기, IC 카드, 온도 센서, 보청기, 압력 감지 부저 등의 끊임 없는 발전은 이 장치들의 작동을 위한 소형 박층 배터리를 끊임 없이 요구한다. 그러므로, 배터리로서 사용될 신뢰할 수 있는 박층 전지가 필요하다.
배터리는 크게 두 종류로 분류되는데, 첫 번째 종류의 배터리는 습식 전해질(즉, 액상 전지)을 포함하고, 반면에 두 번째 종류의 배터리는 고상 전해질을 포함한다. 비록 고상 배터리가 건조되지 않고 새지 않는다는 고유의 장점을 가지고 있지만, 이온이 고체를 통하여 확산되는 속도가 제한되기 때문에, 그 작동이 훨씬 넓은 범위에서 온도에 의존하며, 많은 경우에는 단지 고온하에서만 잘 작동하고; 이렇게 기술된 제한된 확산 속도는 발생된 전기 에너지 대 그 포텐셜 화학 에너지의 낮은 비를 가지고 고상 배터리를 특징짓기 때문에 액상 배터리와 비교하여 큰 단점을 갖는다. 액상 박층 배터리는 통상적으로 그 사이에 삽입된 격리판을 갖는 양활성 및 음활성 불용성 재료 층을 포함하며, 이 격리판은 액체 전해질 용액으로 적시는데, 이렇게하여 전해질 액체 층으로 작용한다. 이러한 배터리들, 즉 Waki 등의 미국 특허 제 4623598 호 및 Fuminobu 등의 일본 특허 제 JP 61-55866 호에 대한 실시예로 개시된 예는 외장 필름으로 봉지되어 액체 증발을 방지하므로 폐쇄 전지이다. 폐쇄 전지이므로 이러한 배터리들은 기체의 방출 때문에 저장시에 팽윤되는 경향이 있는데, 이것은 축적된 기체에 의해 가해지는 압력이 층을 분리하여, 배터리를 작동하지 못하도록 하므로 기계적인 지지가 없는 박층 배터리에서는 치명적인 문제점이다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 수단은 (1) 히드록시에틸셀룰로오스 등의 폴리머가 증가되고, 배터리 층들을 서로 부착시키기 위하여(즉, 접착시키기 위하여) 도포되는 점성제를 사용하고, 그렇게 하여 고체 지지체가 없어서 생기는, 그러한 배터리들의 고유의 문제점을 극복하는 것; 그리고, (2) 기체, 특히 수소의 형성을 방지하기 위하여 수은을 첨가하는 것을 포함한다. 그러나, 폴리머는 그 효과 면에서 제한되고 수은은 환경에 유해하다.
상기 제한을 해결하기 위한 방법은 Kis 등의 미국 특허 제 3901732 호에 개시되었는데, 여기에서 배터리로부터의 모든 전해질 손실을 방지하면서 배터리 내에서 형성되는 원치 않는 기체를 배출시킬 수 있는 기체-투과성 전해질-비투과성 중합 물질을 외장 필름으로서 사용하여 배터리 셀을 둘러싼다.
그러나, 원치 않는 기체가 액상 박층 배터리 내에 축적되는 것을 피하기 위한 좀 더 직접적이고 효율적인 방법은 이러한 배터리들을 기체의 촉진 방출을 위한 개방 전지로서 제시하면서, 동시에 액체 증발 및 배터리의 건조를 피하기 위한 수단을 제시하는 것이다.
따라서, 기체의 축적 및 액체 증발 제한이 모두 없는 가요성 박층 개방 전지에 대한 필요성이 넓게 인식되어 있으며, 그러한 전지를 갖는 것이 매우 유리할 것이다.
본 발명은 화학 에너지를 전기 에너지로 전환함으로써 배터리 전력 공급원으로서 사용되는 전지에 관련된다. 더 구체적으로, 본 발명은 습식 전해질(예를들면, 액체 상태)을 사용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만, 가요성 박층 및 개방 구조를 유지하는 정규 또는 재충전 가능한 배터리로 사용되는 일차 또는 충전가능한 전지에 관련된다.
첨부되는 도면을 참조하고, 단지 실시예를 통하여 여기에서 기술되는데, 여기에서:
도 1은 본 발명의 지침에 따르는 가요성 박층 개방 전지의 기본 구조의 사시도이다.;
도 2는 가요성 박층 개방 전지의 또다른 가능한 구조의 사시도이다.;
도 3a 및 3b는 도 1 및 도 2의 두 전지를 이극 연결하여 형성한 동력 공급 장치의 두가지 가능한 구조의 사시도로서, 각각, 그렇게하여 형성한 전력 공급장치들의 얻은 전기 에너지를 추가적으로 증가시킨다.; 그리고
도 4는 실온에서 전압계에 의해 측정되고, 시간의 함수인, 본 발명에 따르는 가요성 박층 개방 전지의 전압을 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따라서, 좁은 공간에 밀집되게 설계되어 소형화되고 휴대가능하며 전력을 사용하는 각종의 장치들을 위해 일차 또는 충전가능한 전력 공급 장치로서 사용될 수 있는 가요성 박층 개방 액상 전지를 제시한다. 또한 그러한 전지를 제조하는 방법도 제시한다. 본 발명의 가요성 박층 개방 전지는 습식 전해질을 포함하지만, 가요성 구조, 박 구조 그리고 개방 구조를 유지하므로, 저장시에 기체의 축적이 없다.
다음에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 추가적인 특징에 따라서, 전지는 불용성 음극 첫 번째 층, 불용성 양극 두 번째 층 그리고 수성 전해질 세 번째 층으로 이루어지는데, 세 번째 층은 첫 번째 층과 두 번째 층 사이에 배치되고 다음을 포함한다 : (a) 개방 전지를 항상 습하게 유지하기 위한 조해성 물질; (b) 필요한 이온 전도도를 얻기 위한 전기활성 가용성 물질; 그리고, (c) 첫 번째 및 두 번째 층을 세 번째 층에 부착시키는데 필요한 점도를 얻기 위한 수용성 고분자.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전해질 층은 다공성 물질에 의해 유지된다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 다공성 물질은 여과지, 플라스틱 막, 셀룰로오스 막 그리고 직물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 불용성이며 양극인 첫 번째 층은 이산화망간 분말을 포함하고 불용성이며 음극인 두 번째 층은 아연 분말을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 불용성 음극 첫 번째 층 및/또는 불용성 양극 두 번째 층은 추가로 탄소 분말을 포함하고 전기활성 가용성 물질은 염화아연, 브롬화아연, 플루오르화아연 그리고 수산화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 불용성 음극 첫 번째 층은 산화은 분말을 포함하고 불용성 양극 두 번째 층은 아연 분말을 포함하며 전기활성 가용성 물질은 수산화칼륨이다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 불용성 음극 첫 번째 층은 카드뮴 분말을 포함하고 불용성 양극 두 번째 층은 산화니켈 분말을 포함하며 전기활성 가용성 물질은 수산화칼륨이다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 불용성음극 첫 번째 층은 철 분말을 포함하고 불용성 양극 두 번째 층은 산화니켈 분말을 포함하고 전기활성 가용성 물질은 수산화칼륨이다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 불용성 음극 첫 번째 층과 불용성 양극 두 번째 층은 산화납 분말을 포함하고 전지는 극에 인가된 전압에 의해 충전되며 전기활성 가용성 물질은 황산이다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 조해성 물질과 전기활성 가용성 물질은 동일한 물질이고 염화아연, 브롬화아연, 플루오르화아연 그리고 수산화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 조해성 물질은 염화칼슘, 브롬화칼슘, 중인산칼륨 그리고 초산칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 수용성 폴리머는 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌옥사이드, 한천, 아가로우스, 전분, 히드록시에틸셀룰로오스 그리고 그 조합 및 코폴리머들로 이루어지는 군으로부터 선택한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 수용성 폴리머와 조해성 물질은 동일한 물질이고 덱스트란, 황산덱스트란 그리고 그 조합 및 코폴리머들로 이루어지는 군으로부터 선택한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전지는 단자들을 추가로 포함하는데, 각 단자는 첫 번째와 두 번째 극층 중 하나와 전기적접촉을 한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 단자들은 그라파이트 또는 금속으로 만든다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 금속은 철, 니켈, 티타늄, 구리, 스테인레스 강 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택하고, 단자들은 실크 인쇄, 오프셋 인쇄, 젯 인쇄, 적층, 물질 증발 또는 분말 분산등의 적합한 인쇄 기술로 도포하지만, 이에 제한되지는 않는다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전지는 적어도 하나의 전도성 층을 추가로 포함하여 첫 번째와 두 번째 극층 중 적어도 하나의 전기 전도성을 향상시킨다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전도성 층은 그라파이트 종이와 탄소 직물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전지는 접착성 지지층, 라미나 보호층 및 접착성 지지층과 라미나 보호층의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택한 외층을 추가로 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 상기 특징을 갖는 적어도 두 개의 전지를 포함하는 전력 공급장치를 제시하는데, 이 전지들은 이극 연결에 있어 직렬로 연결한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 연결은 전도성 양면 접착테이프와 전도성 접착제 층으로 이루어지는 군으로부터 선택되는접착제에 의해 이루어진다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전도성 양면 접착테이프와 전도성 접착제 층은 인쇄기술로 도포한다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 전지는 불용성 음극 첫 번째 층, 불용성 양극 두 번째 층 그리고 수성 전해질인 세 번째 층으로 이루어지는데, 세 번째 층은 첫 번째 층과 두 번째 층 사이에 배치되고 다음을 포함한다. : (a) 첫 번째 및 두 번째 층을 세 번째 층에 부착시키기 위해 필요한 점도를 얻기위한, 그리고 개방 전지를 항상 습하게 유지하기 위해 필요한 흡습성을 얻기위한 수용성 폴리머; 그리고 (b) 필요한 이온 전도성을 얻기위한 전기활성 가용성 물질.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 가요성 박층 개방 액상 전지를 만드는 방법은 (a) 조해성 물질, 전기활성 가용성 물질 및 수용성 폴리머를 함유하는 수용액으로 첫 번째 면과 두 번째 면을 갖는 다공성 물질을 적시는 단계; (b) 음극 층을 첫 번째 면에 도포하는 단계; 그리고 (c) 양극 층을 두 번째 면에 도포하는 단계로 이루어진다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 액침 또는 인쇄기술에 의하여 적신다.
기술된 바람직한 실시예에서의 그 밖의 다른 추가적인 특징에 따라서 양극 및 음극 층은 조해성 물질, 전기활성 가용성 물질 및 수용성 폴리머와 함께 혼합된 활성 불용성 분말 물질을 포함하고, 음극 및 양극 층의 도포는 인쇄기술로 행한다.
본 발명은 저장시에 기체를 축적하지 않지만, 항상 습하게 유지하기 위한 조해성 물질과 극층들을 수성 전해질 층에 부착시키기 위해 필요한 점도를 얻기 위한 수용성 폴리머를 사용함으로써 습하고 온전한 상태를 유지하는 가요성 박층 개방 전지를 제시하여 현재 알려진 구조의 단점을 성공적으로 처리한다. 더욱이 전지의 특성은 외부 강체 주물을 갖지 않는 것을 포함하기 때문에 얇고, 가벼우며 가요성이고 어떠한 크기, 형태, 색상 및 응용 패턴으로도 제조할 수 있으므로 각종 응용 용도에 적합하고; 비용 면에서 효율적이고; 환경 및 인간에 친화적인 물질로 만들며; 접착성 지지체를 통해 자체 점착성을 갖는다.
본 발명은 좁은 공간에 밀집되게 설계되어 소형화되고 휴대가능하며 전력을 사용하는 각종 장치들을 위한 일차 또는 충전가능한 전력 공급 장치로서 사용할 수 있는 가요성 박층 개방 전지에 대한 것이다. 본 발명의 가요성 박층 개방 전지는 습식 전해질을 포함하지만, 가요성, 박구조 및 개방구조를 유지하므로 저장시에 기체의 축적이 없다.
본 발명에 따르는 가요성 박층 개방 전지의 원리 및 작동은 도면과 첨부 설명을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다.
이제 도면에 대해 언급하면, 도 1은 본 발명의 가요성 박층 개방 전지의 기본 구조를 예시하는데, (10)으로 표기한다. 전지(10)는 다음의 세 층을 포함한다. 즉, 불용성 음극 첫 번째 층(14), 불용성 양극 두 번째 층(16) 그리고 수성 전해질 세 번째 층(12)이다. 여기에서 사용되는 것과 같이, 방전된 음극 위에서는 산화가 발생하는 반면 양극에서는 환원이 발생한다. 수성 전해질 층(12)은 개방 전지(10)를 항상 습하게 유지하기 위한 조해성(즉, 흡습성) 물질; 필요한 이온 전도성을 얻기 위한 전기 활성 가용성 물질; 그리고 극층(14) 및 (16)을 수성 전해질 층(12)에 부착시키는데 필요한 점도를 얻기 위한 수용성 폴리머를 포함한다. 다음은 층(14),(16) 및 (12)의 각 층과 개방 전지(10)의 작동에 있어서의 그들의 역할을 좀 더 상세히 기술한 것이다.
수성 전해질 층(12)은 통상적으로 여과지, 플라스틱 막, 셀룰로오스 막, 직물 등의, 그러나 이에 제한되지는 않는 다공성 불용성 물질을 포함하는데, 다공성 물질은 다음 세가지 성분을 포함하는 수성 용액에 의해 적신다.: 즉, 조해성 물질;전기 활성 가용성 물질; 그리고 수용성 폴리머이다.
조해성 물질은 흡습성이기 때문에 전지(10)를 항상 습한 상태를 유지시킨다. 개방 전지(10) 내의 습도는 선택된 조해성 물질, 그 농도 및 대기 습도에 따라서 달라진다. 적합한 조해성 물질은 염화칼슘, 브롬화 칼슘, 중인산칼륨, 초산칼륨 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
전기활성 가용성 물질은 양극 및 음극 층을 만드는 물질에 따라서 선택된다. 본 발명에 적합하고 자주 사용되는 전기활성 가용성 물질의 목록은, 예를 들면, 각종 일차전지에 대해서는 염화아연, 브롬화아연 및 플루오르화아연 그리고 충전가능한 전지에 대해서는 수산화칼륨 및 황산을 포함한다.
수용성 폴리머는 극층(14) 및 (16)을 수성 전해질 층(12)에 부착(즉, 접착)하기 위한 접착제로서 사용한다. 많은 형태의 폴리머는 적절한 것들, 예를들면 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌옥사이드, 한천, 아가로우스, 전분, 히드록시에틸셀룰로오스와 그 조합 및 공중합체 등이다.
음극 층(14) 및 양극 층(16)은, 각각, 적합한(각각 음성 또는 양성인) 활성 불용성 분말 물질에 상기 용액과 유사한 수용액을 혼합한 혼합물을 포함하고, 조해성 물질; 전기활성 가용성 물질; 그리고 수용성 폴리머를 포함한다.
전기활성 가용성 물질은 변화되지 않아야하고, 반면에 조해성 물질과 수용성 폴리머는 이후의 용액에서 다른 방법으로 선택할 수 있다는 것, 다시말하자면 전기활성 가용성 물질은 세 층(12),(14) 및 (16)에서 동일하게 유지되어야 하고, 반면에 조해성 물질과 수용성 폴리머는 특정한 용도에 따라서 층사이에서 변할 수 있다는 것은 당업자들에게는 명백한 것이다.
조화되는 전기활성 가용성 물질을 갖는 음극 층(14) 및 양극 층(16)을 위한 활성 불용성 분말 물질을 적절히 선택하면, 실시예에서 이후에 예시되는 것과 같이, 동력 공급장치(즉, 배터리)로서 사용할 수 있는 가요성 박층 전지(10)를 얻을 수 있으며, 이 전지(10)는 개방되어 있어서 저장시에 기체를 축적하지 않지만, 조해성 물질의 흡습성 때문에 전지(10)가 개방되어 있어도 항상 습하게 유지할 수 있다. 음극(14) 및 양극(16)에서 사용되는 물질의 적절한 쌍은 이산화망간/아연; 산화은/아연; 카드뮴/산화니켈; 그리고 철/산화니켈(이산화망간 및 산화은은, 선택적으로, 본 분야에 알려진 전도성 탄소 분말과 혼합될 수 있다.)을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
단일 물질이 조해성 물질 및 전기활성 가용성 물질로 동시에 두가지 작용을할 수 있다는 것은 당업자들에게는 명백한 것이다. 그러나, 그러한 물질은 적합한 전기활성 및 흡습성을 가져야만 한다. 이러한 형태의 적합한 물질은 염화아연 및 브롬화아연을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
단일 물질이 조해성 물질 및 수용성 폴리머로 동시에 두가지 작용을 할 수 있다는 것도 또한 당업자들에게는 명백한 것이다. 그러나, 그러한 물질은 적합한 흡습성 및 접착성을 가져야만 한다. 이러한 형태의 적합한 물질은 덱스트란, 황산덱스트란 그리고 그 조합 및 코폴리머들을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
도 1에 도시하고 상기한 세 층(12),(14) 및 (16)은 얇고 가요성있게 제조할수 있으므로 전지(10)는 가요성을 갖고 0.5-1.5 mm 또는 그 이하정도로 얇다. 전지(10)를 적합한 인쇄 기술로 제조하는 것은 현재로서는 바람직하며 이후에 더욱 상세히 설명될 것이다. 적합한 인쇄 기술은 실크 인쇄, 오프셋 인쇄, 젯 인쇄, 적층, 물질 증발 그리고 분말 분산을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
또다른 가능한 구조는, (20)으로 표기하는 전지를 예시하는 도 2에 도시된다. 전지(10)과 같이 전지(20)도 기본 전지를 형성하는 층(12),(14) 및 (16)(빗금친 부분)을 포함한다. 전지(20)는 추가적인 한 개 또는 두 개의 전도성 층(22) 및(24)를 더 포함하여 음극 층(14) 및/또는 양극 층(16)의 전기 전도성을 향상시킨다. 적합한 전도성 층은 그라파이트 종이, 탄소 직물 등이다. 전지(20)는 또한 음극 단자(26) 및 양극 단자(28)를 포함하는데, 단자 (26) 및 (28)는 각각 해당되는 극 층(14) 및 (16)과 전기적 접촉 상태에 있거나, 또는 각각 해당 전도성 층(22) 및 (24)과 전기적 접촉 상태에 있거나, 또는 둘 모두이다. 단자(26) 및 (28)는 그라파이트 또는 철, 니켈, 티타늄, 구리, 스테인레스 강 및 그 혼합물들 등의 적합한 물질로 만드나, 이에 제한되지는 않으며, 상기 열거된 것들과 같은 적합한 인쇄 기술에 의해 전지(20)에 도포되는 것이 바람직하다. 단자(26) 및 (28)은 전지(20)를 전력 사용 장치 등의 부하에 전기적으로 연결하는데 사용한다. 단자(26) 및 (28)은 전지(20)의 어떤 원하는 위치에 있을 수 있으며, 특정한 응용 용도에 따라서 어떠한 적합한 형태 및 크기라도 가질 수 있고, 전지(20)의 표면으로부터 돌출될 수도 있다. 전지(20)는 외부에 위치한 접착성 지지체(29)를 적어도 하나 더 포함할 수 있는데, 이렇게 하여 다른 모든 층들을 물리적으로 보호할 수 있도록전지(20)를 다양한 표면, 및/또는 적어도 하나의 외부에 위치한 라미나 보호층(30)에 부착시킬 수가 있다.
또다른 구조는 도 3a-b에 도시한다. 도 3a에 도시된 둘 또는 그 이상의 전지(10), 또는 도 3b에 도시된 것과 같은 전지(20)는 이극 연결에 의하여 전기적으로 연결하여, 그렇게 형성된 각 전력 공급 장치(40) 및 (50)가 얻은 전기 에너지를 추가적으로 증가시킨다. 이 목적을 위하여 둘 또는 그 이상의 전지는 다른 하나에 도 3a-b에 나타난 것과 같이 전도성 양면 접착 테이프 또는 적합한 인쇄 기술에 의해 실시예를 위해 도포된 전도성 접착제 층(42)에 의해 층(22), (14), (12), (16) 및 (24) 순서로 직렬로 부착되어 인접한 전지들 사이에서 전자들이 소통되는 것을 가능하게 한다. 전력 공급 장치 (40) 및/또는 (50)가 도 2의 표면(29)와 유사한 외부에 위치한 접착성 지지체 및/또는 도 2의 층(30)과 유사한 외부에 위치한 라미나 보호층을 더 포함할 수 있다는 것은 명백하다. 전력 공급 장치 (40) 및 (50)가 도 2의 각 단자(26) 및 (28)와 유사한 음단자 및 양단자를 포함할 수 있다는 것은 더욱 명백하다.
본 발명은 상기 전지와 유사한 가요성 박층 개방 액상 전지를 만드는 방법을 더 포함할 수도 있는데, 그 방법은 (a) 다공성 물질을 조해성 물질, 전기활성 가용성 물질 및 수용성 폴리머를 함유하는 수용액으로 적시는 단계: 액침 또는 인쇄 기술에 의하여 적신다;(b) 다공성 물질의 한 면에 음극 층을 도포하는 단계; 그리고, (c) 다공성 물질의 두 번째 면에 양극 층을 도포하는 단계를 포함한다. 음 극층 및 양 극층은 조해성 물질, 전기활성 가용성 물질 및 (a)에 따르는 것과 동일한 형태인 것이 바람직한 수용성 폴리머와 혼합된 활성 불용성 분말 물질을 포함하고, 상기 열거된 것들로부터 실시예를 위하여 선택한 적합한 인쇄 기술을 사용하여 도포하는 것이 바람직하다.
이 방법은 전지에 추가적인 층들과 외부에 위치한 접착성 지지체(들) 및/또는 라미나 보호층(들), 그리고 음단자 및 양단자 등의, 그러나 이에 제한되지는 않는, 부분들을 추가하는 것을 더 포함한다. 그러나, 이 방법은 예를 들면 전도성 양면 접착 테이프 또는 적합한 인쇄 기술에 의하여 실시예를 위하여 도포된 전도성 접착제 층을 갖는 둘 또는 그 이상의 전지를 이극 연결하는 것을 더 포함하여 증가된 전력(예를 들면, 실질적으로는 두배, 세배 등의)을 갖는 전력 공급 장치를 형성할 수 있다. 본 발명에 따라서 그러한 이극 연결은 둘 또는 그 이상의 이미 생산된 전지들을 직렬로 연결하여, 또는 다르게는, 직렬로 연결된 둘 또는 그 이상의 전지를 직접 생산하고, 적합한 층을 차례로 도포하여 수행할 수 있는데, 상기 적합한 인쇄 기술을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 가요성 박층 개방 전지는 종래의 박층 전지에 비해 큰 장점이 있다. 개방되어 있기 때문에 저장시에 기체를 축적하지 않지만, 항상 습한 상태를 유지하기 위한 조해성 물질 과 극 층들을 수성 전해질 층에 부착하기 위해 필요한 점도를 얻기 위한 수용성 폴리머를 사용함으로써 습하고 온전한 상태를 유지한다.
본 발명의 가요성 박층 개방 전지는 다음과 같은 다른 특성이 있다. 첫 번째로는, 외부 강체 주물이 없기 때문에 얇고 가벼우며 가요성을 지니고 어떠한 크기, 형태, 색상 및 응용된 패턴으로도 제조할 수 있어서 다양한 응용 용도에 적합하다.두 번째로, 그 제조에 있어 적합한 인쇄 기술을 사용함으로써 비용이 감소하여 부분적으로는 시트를 제조하여 인쇄 후에 어떠한 원하는 크기로 절단할 수 있기 때문에, 그리고 부분적으로는 이 기술은 본래 비용면에서 효과적이기 때문에, 사용 후에 폐기 처분할 수 있다. 세 번째로는, 바람직하게, 환경 및 인간에 친화적인 물질로 만든다.(수은 또는 중금속을 함유하지 않는 것이 바람직하다.) 그리고 마지막으로, 접착성 지지체를 통하여 자체 점착성을 갖도록 제조할 수 있다.
이제 다음의 실시예를 참조하여, 상기 설명과 함께 본 발명을 예시한다.
실시예 1
물 1.2 ml에 폴리비닐알콜(수성 가용성 폴리머) 120 mg 및 염화아연(조해성 물질 및 전기활성 가용성 물질) 1680 mg를 함유하는 용액을 제조하였다. 이 용액은 접착제와 같은 점성을 보였다. 4.5 cm × 7 cm의 여과지 조각을 인쇄 또는 액침 기술에 의하여 이 용액으로 완전히 적셨다. 아연 분말 300 mg 과 상기 용액의 혼합물을 제조하고 종이 조각의 한 면에 인쇄하여 음극 층의 역할을 하도록 하였다. 또다른 면에는 이산화망간 250 mg 과 전도성 탄소 분말 50 mg의 혼합물을 상기 용액과 함께 인쇄하여 양극 층의 역할을 하도록 하였다. 전기적 접촉이 양면에서 이루어지고 부하를 초과하도록 연결시키면 전류가 측정되었다. 1.7÷1.2 볼트의 전압에서의 12 마이크로암페어/cm2의 전류를 실온 조건하에서 5일간 연속적으로 쉽게 유지하였다.
실시예 2
개방 전지는 상기 실시예 1에서 기술된 것과 같이 제조하였고 전압계에 연결하였다. 도 4에 도시된 것과 같이 실온 조건하에서 전지에 의해 발생된 전압을 측정하여 1.7÷1.2 볼트의 전압이 9일 동안 현저히 유지된다는 것을 알았다.
실시예 3
포화된 수산화칼륨 용액을 제조하여 수용성 폴리머와 혼합하여 접착제의 점도를 갖게 한다. 다공성 물질(예를 들면, 여과지)을 이 용액으로 완전히 적시고 이 용액의 산화니켈 분말과의 혼합물을 다공성 물질의 한 면에 도포하여 양극 층을 형성하고, 카드뮴 분말과의 유사한 혼합물을 다공성 물질의 다른 면에 도포하여 음극 층을 형성한다. 전압계를 두 면에 연결함으로써 1.2 볼트의 전압을 측정하고, 두 층을 부하를 초과하도록 접촉시키면 고전압이 측정된다. 전지는 개방된 상태에서 건조되지 않고 원하는 경우에는 재충전할 수 있다.
실시예 4
실시예 3과 동일한 수산화칼륨 용액을 제조하여, 이 용액으로 다공성 물질을 적신다. 이 용액의 아연 분말과의 혼합물을 다공성 물질의 한 면에 도포하여 음극 층을 형성하고, 만약 원한다면 얼마간의 탄소 분말을 함유하는, 산화은과의 유사한 혼합물을 다공성 물질의 다른 면에 도포하여 양극 층을 형성한다. 전압계를 두 면에 연결함으로써 1.2 볼트의 전압을 측정하고 두 층을 부하를 초과하도록 접촉시키면 상당량의 전류가 측정된다. 전지는 개방된 상태에서 건조되지 않고 원한다면 재충전할 수 있다.
실시예 5
실시예 3과 동일한 수산화칼륨 용액을 제조하고 이 용액으로 다공성 물질을 적신다. 이 용액의 아연 분말과의 혼합물을 다공성 물질의 한 면에 도포하여 음극 층을 형성하고 만약 원한다면 얼마간의 탄소 분말을 함유하는, 이산화망간과의 유사한 혼합물을 다공성 물질의 다른 면에 도포하여 양극 층을 형성한다. 전압계를 두 면에 연결함으로써 1.5 볼트의 전압을 측정하고 두 층을 부하를 초과하도록 접촉시키면 상당량의 전류가 측정된다. 전지는 개방된 상태에서 건조되지 않는다. 이렇게 형성된 전지를 재충전하면 문제를 발생시킬 수 있다.
실시예 6
실시예 3과 동일한 수산화칼륨 용액을 제조하여 이 용액으로 다공성 물질을 적신다. 이 용액의 산화니켈 분말과의 혼합물을 다공성 물질의 한 면에 도포하여 양극 층을 형성하고 철 분말과의 유사한 혼합물을 다공성 물질의 또다른 면에 도포하여 음극 층을 형성한다. 전압계를 두 면에 연결함으로써 0.9 볼트의 전압을 측정하고 두 층을 부하를 초과하도록 접촉시키면 전류를 측정할 수 있다. 전지는 개방된 상태에서 건조되지 않고 만약 원한다면 어느 정도의 재충전은 가능하다.
실시예 7
30%의 황산 용액을 제조하여 수용성 폴리머와 혼합함으로써 접착제와 같은 점도를 갖게 된다. 다공성 물질(예를 들면, 여과지)을 이 용액으로 완전히 적시고 이 용액의 산화납과의 혼합물을 다공성 물질의 양면에 도포한다. 양면을 전력 공급 장치에 연결하고 2 볼트 이상의 전압을 인가하면 이에 의하여 전지가 충전된다. 충전 및 방전 순환은 개방 상태에서 전지를 건조하지 않고 반복할 수 있다.
본 발명을 제한된 수의 실시예에 대해서만 기술하였지만, 본 발명에 대한 많은 변화, 변형 및 다른 응용 용도를 만들 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (37)

  1. 불용성 음극 첫 번째 층, 불용성 양극 두 번째 층 및 수성 전해질 세 번째 층을 포함하는 가요성 박층 개방 액상 전지로서, 상기 세 번째 층이 상기 첫 번째 및 두 번째 층의 사이에 배치되고,
    (a) 개방 전지를 항상 습하게 유지하기 위한 조해성 물질;
    (b) 필요한 이온 전도성을 얻기 위한 전기활성 가용성 물질; 그리고
    (c) 상기 첫 번째 및 두 번째 층을 상기 세 번째 층에 부착시키기 위해 필요한 점도를 얻기 위한 수용성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 가요성 박층 개방 액상 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질 층이 다공성 물질에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다공성 물질은 여과지, 플라스틱 막, 셀룰로오스 막 및 직물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 음극 첫 번째 층은 이산화망간 분말을 포함하고 상기 불용성 양극 두 번째 층은 아연 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 불용성 음극 첫 번째 층은 탄소 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 불용성 양극 두 번째 층은 탄소 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 전기활성 가용성 물질은 염화아연, 브롬화아연, 플루오르화아연 및 수산화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 음극 첫 번째 층은 산화은 분말을 포함하고 상기 불용성 양극 두 번째 층은 아연 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전기활성 가용성 물질은 수산화칼륨인 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 음극 첫 번째 층은 카드뮴 분말을 포함하고 상기 불용성 양극 두 번째 층은 산화니켈 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전기활성 가용성 물질은 수산화칼륨인 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 음극 첫 번째 층은 철 분말을 포함하고 상기 불용성 양극 두 번째 층은 산화니켈 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전기활성 가용성 물질은 수산화칼륨인 것을 특징으로 하는 전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 음극 첫 번째 층 및 상기 불용성 양극 두 번째 층은 산화납 분말을 포함하고, 전지는 상기 극들에 인가된 전압에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전기활성 가용성 물질은 황산인 것을 특징으로 하는 전지.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 조해성 물질 및 상기 전기활성 가용성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 전지.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 동일한 물질은 염화아연, 브롬화아연, 플루오르화아연 및 수산화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 조해성 물질은 염화칼슘, 브롬화칼슘, 중인산칼륨 및 초산칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 수용성 폴리머는 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌옥사이드, 한천, 아가로우스, 전분, 히드록시에틸셀룰로오스 그리고 그 조합 및 코폴리머들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 수용성 폴리머 및 상기 조해성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 전지.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 동일한 물질은 덱스트란, 황산덱스트란 그리고 그 조합 및 코폴리머들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  22. 제 1 항에 있어서, 단자들을 더 포함하고, 상기 각 단자들은 상기 첫 번째 극층 및 두 번째 극층 중 하나와 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 단자는 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전지.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 단자는 그라파이트로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전지.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 금속은 철, 니켈, 티타늄, 구리, 스테인레스 강 및 그 혼합물들로 이루어진 군으로부터 선택되고 상기 단자들은 인쇄 기술에 의해 전지에 도포되는 것을 특징으로하는 전지.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 극층 및 두 번째 극층 중 적어도 하나의 전기 전도성을 향상시키는 적어도 하나의 전도성 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 전도성 층은 그라파이트 종이 및 탄소 직물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지.
  28. 제 1 항에 있어서, 접착성 지지체 층, 라미나 보호 층 및 접착성 지지층과 라미나 보호 층의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 외부 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  29. 제 1 항의 두 개의 전지를 포함하고 이극연결에 있어서 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 연결은 전도성 양면 접착 테이프 및 전도성 접착제 층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 접착제에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 전도성 양면 접착 테이프 및 상기 전도성 접착제 층은 인쇄 기술에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  32. 불용성 음극 첫 번째 층, 불용성 양극 두 번째 층 및 수성 전해질 세 번째 층을 포함하는 가요성 박층 개방 액상 전지로서, 상기 세 번째 층이 상기 첫 번째 층 및 두 번째 층의 사이에 배치되고,
    (a) 상기 첫 번째 및 두 번째 층을 상기 세 번째 층에 부착시키기 위해 필요한 점도를 얻기 위한 그리고 개방 전지를 항상 습하게 유지하기 위해 필요한 흡습성을 얻기 위한 수용성 폴리머; 그리고
    (b) 필요한 이온 전도성을 얻기 위한 전기활성 가용성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가요성 박층 개방 액상 전지.
  33. 가요성 박층 개방 액상 전지를 만드는 방법으로서,
    (a) 첫 번째 면 및 두 번째 면을 갖는 다공성 물질을 조해성 물질, 전기활성 가용성 물질 및 수용성 폴리머를 함유하는 수용액으로 적시는 단계;
    (b) 상기 첫 번째 면 위에 음극 층을 도포하는 단계; 그리고
    (c) 상기 두 번째 면 위에 양극 층을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 적시는 단계는 액침 기술에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 적시는 단계는 인쇄기술에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 33 항에 있어서, 상기 음극 및 양극 층은 상기 조해성 물질, 전기활성 가용성 물질 및 수용성 폴리머와 혼합된 활성 불용성 분말 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 음극 및 양극 층의 상기 도포는 인쇄 기술에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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