KR100655399B1 - 일체 배터리 어셈블리 - Google Patents

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필리페 고우
린 알 히글리
마샬 디 멀러
안토니 오스굳
스탠포드 알 오브신스키
저슈어 페이니
라지브 푸타이아
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오보닉 배터리 컴퍼니, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 다중 셀 일체 배터리에 관한 것으로, 다수의 전기 화학 셀(3)은 플라스틱 또는 금속 케이스내에 위치되며 또한 상기 개개의 셀은 전해질이 엔클로저를 나오지 못하게 하면서 출구에 가스를 제공하는 엔클로저(11)를 포함한다. 유로(flow channel;109)를 갖는 새로운 통합 시스템은 액체 냉각제를 인접한 셀사이에 흐르도록 허용한다. 셀 상호 연결부(15a및 15b)와 같은 다른 특징들이 기술되어 있다.

Description

일체 배터리 어셈블리{MONOBLOCK BATTERY ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 재 충전가능한 고 용량 배터리, 모듈 및 팩의 개선에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다중-셀, 일체 배터리, 각 셀간의 전기적 상호 연결, 및 각 셀에 대한 전해질 엔클로저(enclosures)에 관 한 것이다.
재충전 가능한 프리즘 배터리는 포크 리프트, 골프 카트, 중단할 수 없는 전력 공급장치, 및 전기 자동차와 같은 다양한 산업 및 상업적 응용에 이용된다.
재충전 가능한 납 축전지는 현재 가장 광범위하게 이용되는 형태의 배터리이다. 납 축전지는 내연 기관 엔진용 스타터 모터에 유용한 전력 공급원이다. 그러나, 약 30Wh/kg의 저 에너지 밀도와 적절히 열을 거부하지 못하는 능력은 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 및 2-3 휠 스쿠터/모터싸이클에 비실용적인 전력 공급원을 제공한다. 납축전지를 이용하는 전기 자동차는 재충전을 요구하기에 앞서 단거리를 자지며, 재 충전하는데 약 6 내지 12시간을 필요로하고 또한 유독성 물질을 포함한다. 게다가, 납축전지를 이용하는 전기 자동차는 느린 가속도, 디프 방전에 대해 약한 공차, 및 약 20,000 마일의 배터리 수명을 갖는다.
니켈 금속 하이브리드 배터리("Ni-MH 배터리")는 납 축전지보다 훨씬 우수하며, 또한 Ni-MH 배터리는 전기 자동차 및 다른 형태의 차량 추진력에 이용할 수 있 는 이상적인 배터리이다. 예를들어, 참조용으로 본 명세서에서 인용하고 있는 계류중의 미국 특허 출원 제 07/934,976호에서 기술하고 있는 Ni-MH 배터리는 납 축전지 배터리보다 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가지며, 재 충전을 요구하기 앞서 250 마일에 걸친 전력을 전기 자동차에 공급할 수 있으며, 15분내에 재충전이 가능하며, 또한 유독성 물질을 포함하지 않는다. Ni-MH 배터리를 이용하는 전기 자동차는 뛰어난 가속도를 나타내고 있으며 또한 약 100,000 마일 이상의 배터리 수명을 갖는다.
광범위한 연구는 여태까지 Ni-MH 배터리의 충전 용량과 전력에 대한 전기 화학적 측면을 개선하여 왔으며, 이러한 논의는 미국특허 제 5,096,667호, 제 5,104,617호, 미국특허 출원 제 07/746,015호, 제07/934,976호에서 상세히 기술하고 있다. 이들 모두는 특히 참고용으로 인용하였다.
오보닉 배터리 회사는 전기 자동차는 응용을 위해 90에서 150Ah, 그리고 하이브리 전기 자동차 응용을 위해 30에서 60Ah의 범위의 용량을 갖는 고 에너지 및 고 전력 니켈-금속 하이브리드 배터리를 개발하였다. 현재, 전력 보조 HEV와 같은 어떤 응용에 대하여, 5에서 20Ah의 범위의 훨씬 더 작은 용량이 필요하다.
그러나, 배터리의 전극의 종횡비(aspect ratio)는 매우 짧은 캔이 이용될 경우 불리하게 넓어진다. 따라서, EV 사이즈 배터리(약 50 내지 100Ah)에 적합한 풋 프린트(footprint)의 단일 셀에 대하여, 용량의 실용적인 하한선은 약 25-30Ah이다. 약 20Ah의 고 전력 HEV 배터리를 달성하기 위해, 좀더 작은 풋 프린트(footprint)가 이용될 수 있으며, 또한 좀더 작은 캔이 약 12-15Ah의 배터리 를 공급할 수 있도록 투입된다. 하지만, 이러한 더 작은 셀들은 비 출력 (specific power)또는 비 에너지(specific energy)의 개선을 제공하지 못한다. 실제로, 비 출력 및 비 에너지, 게다가 출력 밀도 및 에너지 밀도는 만일 전극 탭 배치와 셀 하드웨어가 다시 설계되지 않고 또한 다시 최적화되지 않는다면 작은 사이즈의 캔에 의해서 감소한다.
전류 프리즘 배터리 설계의 소형 배터리에 따른 가장 큰 문제점은 단위 저장된 에너지(특정 비용)당 비용이 사이즈의 감소로 증가한다는 점이다. 이것은 셀 하드웨어 성분의 비용이 사이즈에 따라 반드시 비례하는 것은 아니기 때문이다. 얼마간의 비용은 이용되는 부품의 수와 좀더 관련되는데, 일반적으로 부품의 수는 좀더 작은 배터리에 비례하여 전혀 감소하지 않는다. 이러한 이유로, 배터리 설계가 필요하다.
부가적으로, 최근까지 Ni-MH 배터리 성능의 기계적 및 열적 측면이 무시되어 왔음을 유념해야 할 것이다. 예를들어, 전기 자동차에서, 배터리의 무게는 배터리 무게가 자동차 무게의 가장 큰 성분이기 때문에 중요한 요소이다. 이러한 이유로, 각 배터리의 무게를 감소시키는 것은 전력공급되는 전기 자동차의 배터리 설계에 있어서 중요한 고려사항이다. 배터리의 무게를 감소시키는 것에 부가하여, 배터리 모듈의 무게가 감소되어야 하지만, 모듈의 필요한 기계적 요건(즉, 이송의 용이함, 견고함 등)을 여전히 제공해야 한다. 또한 이러한 배터리 모듈은 (이를테면 전기 자동차에 이용하기 위한)배터리 팩 시스템에 결합되며 또한 상기 배터리 팩 성분은 무게가 가벼워야 한다.
특히, 전기 자동차 응용은 열적 관리를 위해 임계 조건을 도입해야함을 유념해야 한다. 이것은 개개의 셀이 아주 근접하여 서로 묶여 있고 또한 다수의 셀이 전기적 및 열적으로 서로 연결되어 있기 때문이다. 따라서, 충전 및 방전동안 상당한 열을 발생하는 고유의 성향이 존재하기 때문에, 전기 자동차용으로 작동가능한 배터리 설계는 발생된 열이 충분히 제어되는가의 여부에 따라 판단된다.
열의 원인은 우선 3가지 요소가 있다. 첫째로, 주변의 열이 더운 기후에서 자동차의 운행으로 인한 것, 둘째로, 충전 및 방전시에 가열되는 저항 또는 I2R, 여기서 I는 배터리 내외로 흐르는 전류를 나타내며, R은 배터리의 저항이다. 세째로, 막대한 양의 열이 가스 재결합으로 인한 과잉충전 중에 발생되는 것이 있다.
상기 파라메타들은 일반적으로 모든 전기적 배터리 시스템에 공통이지만, 이들은 특히 니켈-금속 하이브리드 배터리 시스템에 중요하다. 이것은 Ni-MH가 높은 비에너지를 가지며 또한 충전 및 방전 전류가 높기 때문이다. 예를들어, 한 시간내에 납축전지를 충전하기 위해, 35Amps의 전류가 이용될 수 있지만 Ni-MH 배터리의 재충전은 같은 한 시간의 재충전을 위해서 100Amps가 이용될 수 있다. 둘째로, Ni-MH가 뛰어난 에너지 밀도(즉, 에너지가 매우 콤팩트하게 저장됨)를 갖기 때문에, 납축전지 보다 열손실이 많다. 이것은 체적 당 표면면적 비율이 납축전지보다 훨씬 더 작기 때문인데, 이것은 발생되는 열이 납축전지에 비해 Ni-MH 배터리가 2.5배 더 크지만 열 손실 표면이 감소되는 것을 뜻한다.
다음의 예시적인 예는 전기 자동차용 Ni-MH 배터리 팩을 설계할 때 직면하는 열 관리 문제를 이해하는데 유용하다. 참조로서 인용하고 있는 제너럴 모터 회사의 미국특허 제 5,378,555호에서는 납축전지를 이용하는 전기 자동차 배터리 팩을 기술하고 있다. 납축전지를 이용하는 배터리 팩 시스템은 약 13kWh의 용량, 약 800 파운드의 무게, 약 90마일의 차량 레인지를 갖는다. 납축전지 배터리 팩을 동일 사이즈의 오보닉 배터리 팩으로 대체함으로서, 용량이 35kWh로 증가되며 또한 차량 레인지는 약250 마일로 확대된다. 이러한 비교의 한가지 함축적인 의미는 15분 재충전시에 Ni-MH 배터리 팩에 공급된 전력이 그의 적당한 부가 열에 의해 납축전지 팩에 공급되는 전력보다 2.7배 더 크다는 것이다. 그러나, 이 상황은 방전동안 약간 차이가 있다. 일정한 속도로 고속도로상의 차량에 전력을 공급하기 위해, 배터리에 공급되는 전류는 Ni-MH 배터리이든 납축전이든지(또는 그 재료에 대해 임의의 다른 전력 공급원이든) 동일하다. 본질적으로, 차량을 구동하는 전기 모터는 어디서 에너지를 얻을지 또는 어떤 형태의 배터리가 전력을 공급하는가에 대해 알 필요도 관심도 없다. 방전시에 Ni-MH 배터리와 납축전지의 열간의 차이는 방전의 길이이다. 즉, Ni-MH 배터리는 납축전지보다 2.7배 더 차량을 구동할 수 있기 때문에, "쿨-업(cool-up)"할 기회를 갖기에 앞서 훨씬 더 긴 시간을 갖는다.
또한, Ni-MH 배터리를 충전 및 방전하는 동안 발생되는 열은 제한된 기간동안 단독으로 사용할 경우 소형의 소비자용 소형 배터리 또는 좀더 큰 배터리에 있어서 정상적으로 문제가 없지만, 연속적인 전력 공급원으로서 작용하는 큰 배터리는 특히 하나이상의 인공위성이나 전기 자동차에서 처럼 직렬 또는 병렬로 사용되는 경우 충전 및 방전시에 충분한 열을 발생하여 배터리 모듈이나 배터리 팩 시스 템의 최종 성능에 영향을 미치게 된다.
따라서, 그의 에너지 저장 용량 또는 출력 전력을 감소시킴 없이 배터리, 배터리 모듈, 및 배터리 팩 시스템의 전체 무게를 감소시키고 또한 전기 자동차의 성공적인 작동에 필요한 필수적인 열적 관리에 부합하며, 배터리의 신뢰성을 증가시키며 또한 비용을 축소시키는 기술의 필요성이 상존한다.
간단히 말해서, 종래기술은 통합적인 배터리 구조/내부 설계, 배터리 모듈, 및 무게가 가벼운 열적으로 관리되는 배터리 팩 시스템, 단순하며, 저렴한 비용을 제시하고 않고 있으며, 또한 배터리, 모듈 및 팩의 구조적인 지지부와 공기 또는 수분 냉각 열 관리 시스템을 결합하고 있지 않다.
본 명세서에서 개시하고 있는 것은 배터리 케이스, 및 상기 배터리 케이스내에 위치된 다수의 전기적으로 상호연결된 전기 화학셀을 포함하며, 상기 전기화학 셀 각각은 a) 적어도 하나의 양 전극; b) 적어도 하나의 음 전극; c) 양 및 음 전극을 전기적으로 분리하지만, 양 및 음 전극간에 이온의 이동을 허용하는 분리기; d) 상기 전극과 분리기에 둘러싸여 습한 전해질; 및 e) 상기 전극, 분리기 및 전해질에 둘러싸여 밀봉하고 있는 엔클로저를 포함하며, 상기 엔클로저는 가스와 전해질의 통과를 허용하는 크기의 개구를 지니며, 또한 상기 개구는 각 셀의 전해질을 분리하기 위한 소수성 수단을 포함하지만 각 셀에 의해 발생된 가스를 상기 셀의 엔클로저로부터 방출되도록 허용한다.
다수 셀의 일체 배터리는 또한 베이스, 케이스 리드, 및 배터리 단자를 포함 한다. 배터리 단자는 상기 케이스내에서 상호 연결된 전기 화학 셀에 전기적인 접속을 제공한다. 상기 단자는 상기 케이스 리드를 통해 상호 연결된 셀에 전기적으로 연결된 금속 포일 재료로 형성될 수 있다. 상기 금속 포일은 구리/니켈 적층된 포일 재료로 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 배터리 케이스는 비록 스테인레스 스틸이 다른 바람직한 실시예를 형성하고 있지만 플라스틱으로 형성된다. 다수 셀의 일체 배터리를 구성하는 전기화학 셀은 니켈 금속 수소화물 셀인데, 각 셀의 음 전극은 수소 저장 재료로 형성되며 또한 각 셀의 양 전극은 니켈 수산화물 재료로 형성된다. 배터리 케이스 리드는 상기 케이스가 전도성 금속 재료로 이루어질 경우 케이스로부터 배터리 단자를 분리시키기 위해 비-전도성 재료를 포함한다. 가급적, 비-전도성 재료는 접착제에 의해 케이스 리드에 부착되는 석탄산 유리 재료로 형성된다. 엔클로저는 배터리의 전기 화학 환경에 둔한 비-전도성 중합 재료로 부터 형성된다. 비-전도성 중합 재료는 가급적 폴리프로필렌을 포함한다. 다수의 전기 화학 셀들 각각은 다수의 양 전극 및 다수의 음 전극을 포함하며 또한 각각의 엔클로저는 배터리 가스가 통과할수 있지만 배터리 전해질은 통과할 수 없는 개구를 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 다수 셀의 플라스틱 일체 배터리가 개시되어 있는데, 상기 배터리는 일체로 형성된 4개의 측벽, 일체로 형성된 베이스,및 상부 리드를 지니며, 또한 다수의 전기적으로 상호연결된 전기 화학 셀이 상기 배터리 케이스내에 위치되며, 다수의 전기 화학 셀들 각각은 a) 적어도 하나의 양 전극, b) 적어도 하나의 음 전극, c) 양 및 음 전극을 전기적으로 분리하지만, 양 및 음 전극간의 이온의 이동을 허용하는 분리기, 및 d) 상기 전극과 상기 분리기에 둘러싸여 습한 전해질을 포함하며, 또한 상기 배터리 케이스는 각 셀의 전해질이 모두 다른 셀들로부터 분리되지만, 각 셀들로부터 발생하는 가스는 엔클로저로 부터 상기 배터리 케이스로 방출되도록 셀이 효과적으로 위치되는 다수의 엔클로저, 적어도 2개의 전기 화학 셀과 열적 접촉으로 그 셀들 사이에 위치되는 다수의 상호 연결된 냉각제 통로(coolant channel), 및 상기 냉각제 통로를 통해 흐르는 냉각제를 포함한다.
개개의 셀로 부터 방출되는 가스는 상기 케이스내의 공통 압력 용기에 분배된다. 적어도 하나의 압력 배출구는 방출된 가스에 압력 해제를 제공하는데 이용된다. 가스 통과 가능한 소수성 재료는 셀간의 전해질 전달을 방지하는데 이용될 수 있다. 다수의 셀은 한 셀의 양 전극 탭을 인접한 셀의 음 전극에 접합함으로서 전류 컬렉션 탭에 의해서 그의 엔클로저를 통해 직렬로 상호 연결될 수 있다. 컨넥터는 니켈로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 니켈과 구리로 형성된다. 상호 연결부는 열 용해 접착제 또는 에폭시 수지를 포함할 수 있는 EDPM 고무 가스킷으로 밀봉된다.
또한 본 명세서에 개시된 것은 다수의 전기 화학 셀을 포함하는 냉각된 유체의 플라스틱 배터리 케이스이며, 이는 상기 플라스틱 케이스의 바닥의 냉각제 통로로 부터 나오는 냉각제가 적어도 하나의 전기 화학 셀의 한 표면 일부분을 냉각하는 냉각제 통로를 통해 위를 지나고, 표면을 가로질러 상기 적어도 하나의 셀의 한 표면의 나머지 부분을 냉각하는 냉각제 통로를 통해 아래를 지나, 상기 플라스틱 케이스 바닥의 다른 냉각제 통로로 나오는 것을 포함한다.
또한 본 명세서에 개시된 것은 고 용량, 고 에너지 배터리 모듈이며, 상기 배터리 모듈은 케이스내에 밀봉되는 다수의 프리즘 전기 화학 셀을 포함하며, 적어도 두 세트의 상기 2개 셀들은 병렬로서 전기적으로 상호 연결되며 또한 상기 세트의 병렬로 상호 연결된 셀 각각은 직렬로서 서로 전기적으로 상호 연결된다.
또한 본 명세서에 개시된 것은 전기적으로 상호연결되며 또한 그 내부에 효과적으로 위치되는 다수의 전기 화학 셀을 가지며, 또한 일체로 형성된 측벽과 바닥을 갖는 플라스틱 일체 프리즘 배터리 케이스인테, 이는 케이스의 벽 또는 다른 파티션과 결합하도록 상기 케이스의 2 측벽사이에 효과적으로 위치되어 하나 이상 의 셀의 엔클로저를 형성하는데 적합한 적어도 하나의 삽입 가능한 파티션을 포함한다.
도1은 그 내부에 배치되는 다수의 전기 화학 셀을 갖는 단일 배터리 케이스의 평면도이다.
도2는 4개의 전기 화학 셀이 직렬로 상호 연결되어 있는 본 발명의 배터리 케이스를 예시하는 평면도이다.
도3a는 상기 베이스와 상기 리드를 모두 나타내는 일체 배터리 케이스의 3차원 도면이다.
도3b는 일체 배터리 케이스에 대한 베이스의 3차원 도면이다.
도4는 상기 일체 배터리 베이스의 평면도이다.
도5는 상기 냉각제 통로를 통해 냉각제 흐름의 경로를 예시하는 냉각제 파티션의 측면도이다.
도6은 일체 배터리 케이스의 리드의 상부 도면이다.
도7은 전극이 상기 파티션의 벽을 통해 어떻게 상호 연결되는가를 나타내는 일체 배터리의 측면도이다.
여기에 개시된 것은 다수-셀의 일체 배터리이다. 상기 배터리는 단일 압력 용기 또는 배터리 케이스내에 있는 다수의 전기 화학 셀을 포함한다. 개개의 셀의 전해질은 나머지 셀로 부터 분리되며 또한 단일 배터리는 셀에 대해 엔클로저로서 그리고 단일 압력/가스 용기로서 작용한다. 본 배터리 설계는 많은 이점을 갖는다. 본 발명의 설계는 기존의 셀 캔, 하드웨어 및 전극과 어셈블리되도록 기존 배터리의 소량의 전류 용량을 갖는 배터리를 고려한다. 또한, 본 설계는 기존 설계의 높은 비 에너지를 유지한다. 부가적으로, 본 설계의 비 출력은 (후술되는)반대 전극 탭 설계를 이용함으로서 기존의 설계 이상으로 증가될 수 있다. ＄/kWh로서 본 설계의 특정 비용은 부품 비용보다 낮은 하드웨어 비용을 감소시킴으로서 기존 설계의 비용보다 더 저렴하다. 또한, 본 발명의 설계를 이용하는 배터리에 대한 개선 시간은 이미 존재하는 성분이 이용될 수 있기 때문에 기존 배터리의 개선 시간 이상으로 감소된다. 끝으로, 본 발명의 설계의 배터리는 현존하는 모듈 설계 및 팩 설계 그리고 하드웨어에 따라 모듈 및 팩안에 조립될 수 있다.
기존의 스틸 캔에서 그러한 다수-셀 배터리의 제품은 개념적으로 간단하다. 그러나, 구성 비를 다룰 경우 본 발명자가 발명한 해결에 대해 몇가지 문제가 발생한다. 발명의 기본적인 배터리 설계는 단일 스테인레스 스틸 캔내에 있는 다수의 셀을 이용한다. 셀의 전기 리드는 상기 캔 단자에 단일 셀 전압의 합을 제공하기 위해 내부적으로 직렬로 연결된다. 기존의 전류 셀 설계와 같이 상기 캔상에 단지 2개의 외부 단자가 존재한다. 셀간의 자체-방전 전기 쇼팅 경로를 피하기 위해, 각 셀의 전해질은 다른 셀로부터 분리된다. 따라서 각 셀 스택은 전기적 연결을 제외하고는 서로 전기 화학적으로 분리될 필요가 있다. 단일 캔은 각 셀에 대해 압력 용기로서 작용할 수 있다.
다중-셀 단일-캔 배터리를 제조하기 위한 가장 간단한 방법은 수개의 부분적인 전극 스택을 준비하고, 이들을 플라스틱 백안에 삽입하고, 직렬로 최종 스택을 접합하고, 상기 셀을 상기 캔에 삽입하고 나서, 또한 상기 단부 셀을 상기 캔 단자에 접합하는 것이다. 이러한 설계의 한 가지 문제점은 하나의 셀로 부터 다른 셀로, 그리고 공통 캔안으로 셀 전해질의 누출 가능성이다. 전해질 누출이 일어날 수 있는 장소는 셀 격납 백의 상부이며, 여기서 가스가 셀로부터 누출되고 또한 상기 셀 상호 연결 접합부가 조인트되는데, 이때 그러한 접합은 상기 셀 격납 백을 통해 일어난다.
도1은 본 발명의 다중-셀 일체 배터리의 실시예의 단순화된 다이어그램 도면이다. 도1은 단일 배터리 케이스(1)를 나타낸다. 상기 배터리 케이스(1)내에 위치되는 것은 다수의 전기 화학 셀(3)이다. 각각의 전기 화학 셀(3)은 적어도 하나의 양 전극(5)과 적어도 하나의 음 전극(7)을 포함한다. 또한 각각의 셀이 음 전 극으로 부터 양 전극을 전기적으로 분리하지만 양 전극과 음 전극간의 이온의 이동을 허용하는 분리기(9)를 포함한다. 또한 각각의 셀은 상기 셀내의 전극 및 분리기에 둘러싸여 습한 전해질을 포함한다. 또한 각각의 셀은 상기 셀내의 전극, 분리기 및 전해질에 둘러싸여 밀봉하는 셀 엔클로저(11)를 포함한다.
배터리 케이스는 케이스 캔, 케이스 리드, 및 배터리 단자를 포함할 수 있다. 배터리 단자는 상기 케이스내에서 전기적으로 상호 연결된 셀에 전기적 연결을 제공한다. 배터리 단자는 상기 케이스 리드를 통해 상기 케이스내에 상호 연결된 전기 화학 셀에 전기적으로 연결되는 금속 포일 재료를 포함할 수 있다. 상기 금속 포일 재료는 구리/니켈 적층된 포일 금속을 포함할 수 있다.
배터리 케이스는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 대안으로, 상기 배터리 케이스는 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다. 상기 배터리 케이스 리드는 상기 스테인레스 스틸 케이스로부터 상기 배터리 단자를 분리시키기 위해 비전도성 재료를 포함할 수 있다. 상기 비전도성 재료는 석탄산 유리 재료를 포함할 수 있다. 상기 석탄산 유리 재료는 접착제에 의해 상기 케이스 리드에 부착될 수 있다.
상기 셀 엔클로저(11)는 상기 배터리의 전기 화학 분위기에 둔한 비-전도성 중합체 재료를 포함할 수 있다. 이러한 비-전도성 중합체는 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 또한 이것은 충전기를 강화하는 강도를 포함할 수 있다. 셀 엔클로저(11)는 상기 배터리내의 모두 다른 셀의 전해질로부터 개개의 셀의 전해질을 분리시킨다. 그러나, 상기 엔클로저는 상기 셀로부터 발생된 가스를 상기 배터리 케이스로 통과 하도록 허용한다. 이것은 가스와 전해질의 통과를 허용하는 크 기의 개구를 셀 엔클로저내에 위치시킴으로서 달성될 수 있다. 상기 개구는 개개의 셀에 의해 발생된 가스를 상기 셀의 엔클로저로부터 전해질의 통과를 방지하기 위한 소수성 수단(이에 따라 각 셀의 전해질이 분리됨)에 의해 커버된다. 상기 소수성 수단은 가스를 상기 엔클로저로부터 방출하도록 허용하지만 전해질은 통과하지 못하도록 방지하는 소수성 재료가 바람직하다. 소수성 재료의 예로는 칼슘 탄산염 충전재와 함께 폴리에틸렌을 포함하는 재료가 있다. 상기 소수성 재료는 과잉 충전 가스 방출 율을 도모하는데 충분한 가스 확산 표면영역을 갖는 것이 바람직하다. 상기 표면 영역은 12 Ah 용량 전기 화학 셀당 약 5cm2와 약 50cm2사이일 수 있다.
도1은 또한 양 및 음 전극의 각각에 연결된 전류 컬렉션 탭(13a 및 13b)을 나타낸다. 도1에서, 탭(13a 및 13b)은 양 전극 각각에 연결되며 또한 탭(13b)은 음 전극 각각에 연결된다. 양 전극에 연결되는 모든 전류 컬렉션 탭(13a)은 "양의 상호연결부(15a)"를 형성하도록 서로 연결된다. 더욱이, 모든 음의 탭(13b)은 "음의 상호연결부(15b)"를 형성하도록 서로 연결된다. 바람직하게 상기 탭은 접합에 의해 서로 기계적으로 연결된다. 논의한 바와 같이, 각각의 전기화학 셀은 전기적으로 상호 연결된다. 일반적으로, 각각의 셀은 직렬이나 병렬로서 다른 셀에 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게, 모든 셀은 서로 직렬로 전기적으로 연결된다. 일반적으로, 상기 전기 화학 셀은 다음 셀의 음의 상호 연결부에 한 셀의 양의 상호 연결부를 전기적으로 연결함으로서 엔클로저를 통해 직렬로 연결된다. 셀간의 직렬 상호 연결부는 도2에 나타내었다. 도2는 서로 직렬로 상호 연결 되어 있는 5개의 전기화학 셀(21,22,23,24,25)을 나타낸다. 직렬 상호 연결부는 제1 셀(21)의 양의 상호 연결부(15a)를 제2셀(22)의 음의 상호연결부(15b)에 연결함으로서 달성된다. 제2 셀(22)의 양의 상호 연결부는 제3 셀(23)의 음의 상호 연결부에 전기적으로 연결된다. 등등.
바람직하게, 양 및 음의 상호 연결부(15a 및 15b)는 서로 상호연결부를 접합함으로서 전기적으로 연결된다. "연결 스페이서(connection spacer; 15c)"는 인접한 전기 화학 셀사이에서 접합될 수 있다. 연결 스페이서(15c)는 니켈, 구리, 니켈 합금, 구리합금,니켈-구리 합금, 구리-니켈 합금을 포함할 수 있다. 또한 연결 스페이서는 구리와 니켈을 모두 포함할 수 있다. 예를들어, 연결 스페이서는 니켈-판 구리를 포함 할 수 있으며, 혹은 연결 스페이서는 니켈에 의해 둘러싸인 구리 조정 부를 포함할 수 있다. 대안으로, 컨넥터는 니켈 선에 의해 그의 길이를 따라 감겨진 구리 실린더를 포함할 수 있다. 전기적 연결은 상기 셀 엔클로저를 통해 달성된다. 상호 연결이 서로 연결되어 있는 부분을 "상호 연결 부(interconnection region)"라고 한다. 전해질은 상호 연결 부분에서 각각의 셀 엔클로저부터 누출 될 수 있다. 상기 전해질의 누출을 방지하기 위해, 각각의 셀 엔클로저는 "상호 연결부 밀봉(interconnection region seal)"에 의해 상호 연결 부에서 밀봉된다. 상호 연결부 밀봉은 EDPM 고무 가스킷과 같은 중합체 가스킷을 포함할 수 있다. 더욱이, 상호 연결 영역 부 밀봉은 열 용해 접착제 및 에폭시 접착제로 구성된 그룹으로 부터 선택될 수 있다.
전기 화학 셀은 니켈-금속 수소화물 셀이 될 것이다. 이경우, 각각의 셀의 음 전극은 수소 저장 재료로 형성되며 또한 각각의 셀의 양 전극은 니켈 수산화물로 형성된다.
실시예1
3-셀 배터리는 단일 스테인레스 스틸 캔안에 조립된다. 각각의 셀은 분리 폴리프로필렌 백안에 삽입되는 전극 스택으로 구성된다. 개개의 셀의 전해질은 개개의 셀의 상부에서 소수성 재료의 베리어(barrier)에 의하여 개조된 플라스틱 백에 의해 분리되어 있다. 3-셀 배터리는 단일 캔, 단일 벤트, 및 단일 세트의 단자를 공유하고 있다. 상기 캔 내부의 셀간 연결부는 직렬로서 서로 각 셀의 접합 탭 다발을 TIG 접합함으로서 제조되었다. 외부 셀의 접합 탭 연결부는 상기 캔 단자에 TIG 접합되어 있다.
개개의 전극 스택은 6개의 양 전극 및 7개의 음 전극으로 구성된다. 니켈 수산화물 파우더로 구성되는 양 전극은 형성된 니켈 기판내로 통과된다. 양 전극들은 31 밀(mil) 두께와 약 30 그램의 무게를 각각 지닌다. 설계된 개개의 셀의 양의 용량은 약 30Ah 이었다. 음 전극은 니켈 기판상에서 MF-139Z 금속 수소화물 합금(Ti 9.0%, Zr 27.0%, V 5.0%, Ni 38.0%, Cr 5.0%, Mn 16.0%의 공칭성분)으로 구성된다. 음 전극은 14 밀 두께와 약 23.3 그램의 무게를 각각 지닌다. 설계된 셀의 음의 용량은 양에 대한 음의 비 1.7 : 1.0의 설계 화학 양론 비를 초래하는 약 50Ah이었다. 두께 50 g/m2의 분리기는 양 전극과 음 전극 둘레에 위치된다. 전해질 충전 양은 셀당 30 무게 % KOH로서 2.3g/Ah x 30Ah =69g이었다.
전해질 절연은 분리된 8 밀 폴리프로필렌 백내에 개개의 셀을 엔클로징함으로서 달성된다. 상기 셀은 벽 구조위에 직렬로 접합되어 있다. 즉, 각 셀의 전극 탭은 폴리에틸렌 백의 상부위에 직렬로 접합되어 있다. 상기 백의 상부로부터 전해질의 누출을 방지하고, 게다가 가스의 누출을 허용하기 위해 고도의 소수성, 가스-투과성, 가열-밀봉 가능한 박막 재료가 개개의 폴리에틸렌 백의 제3의 상부에 적층되어 있다. 3개의 가열 밀봉 라인은 상기 백의 상부 둘레에서 강하게 보장되는 밀봉을 제공하는데 이용되었다. 제2 베리어는 전해질이 상기 전극의 니켈 탭위로 크리핑(creeping)하지 못하도록 탭 영역위에 삽입된다. 폴리에틸렌 튜브는 상기 탭 접합 영역위에 슬롯되고 강제되며 또한 상호 연결 영역둘레의 백의 상부에 클램프되도록 허용되어 있다. 상기 튜브는 상기 탭 영역과 상기 백 영역의 상부를 완전히 밀봉하기 위해 에폭시 수지로 채워져 있다.
전해질은 주사기에 의해 각 셀에 부가되며 또한 분리기와 플레이트에 스며들도록 허용된다. 그때 배터리는 전극의 빈 영역에 KOH를 주입하기 위해 진공 펌핑되어 있다. KOH의 최종 부가후에, 소수성 가열-밀봉 가능한 막의 롤이 전해질 분출 또는 가시선 튐(splash)을 최소화하기 위해 배제영역으로서 각 셀의 상부 위에 삽입되어 있다.
상기 배터리는 접합되어 닫혀 있으며 또한 셉텀 벤트(septum vent)가 설치되어 있다. 그후에, 상기 배터리는 1650파운드로 압축되며 또한 600C에서 3일동안 열처리된다. 열처리후에, 압축은 50psi로 감소되며 또한 상기 배터리는 표준 전기 충전 형성 과정을 이용하여 형성된다.
2개의 3중-셀 배터리는 상술한 제조 과정에 따라 제조되었다. 다중-셀의 개방 회로 전압을 형성한후, 단일-캔 배터리는 직렬로서 3개의 셀을 나타내는 4V 이상이었다. 상기 배터리는 셀당 2.7V 또는 0.9V에 대해 C/3로서 방전되고 나서 셀당 0.9V 또는 0.3V에 대해 C/10로서 방전된다. 방전 커브는 단일 셀 제어의 1.22V 중간 전압의 3 배수인 3.67V의 중간 전압을 지닌 NiMH 셀의 방전 커브와 유사하다. 방전 용량은 30Ah의 설계 용량과 잘 일치하여 29-30Ah이었다. 따라서, 동작은 직렬로서 3개의 30Ah 셀의 방전과 유사하다. 두 배터리에서, 3개의 셀 모두는 함께 동작되며 또한 충전의 상태는 셀사이에서 알맞게 안정된다. 방전 곡선이 불안정한 셀을 표시하는 2차 플래토스(plateaus)를 나타내고 있지 않음을 유념하는 것이 중요하다. 비 에너지는 주로 3중 셀 캔 배터리의 화학 양론 비가 세부 설계로 인해 더 높기 때문에 유사한 단일 셀보다 약간 더 낮다.
3중-셀 캔 배터리의 교류(ac)임피던스는 제어셀내의 0.7 mohm과 비교하여 5.2 mohm이었다. 이론적으로, 90Ah 셀의 임피던스는 100Ah 제어 셀의 임피던스 보다 약 3배 이상되어야 한다. 개개의 다중셀에서 3개의 셀이 직렬로 있기 때문에, 3중-셀 캔 배터리는 제어셀의 것보다 3 x 3 = 9 배이상 또는 9 x 0.7 = 6.3 mohm이 되어야한다. 실제 임피던스는 5.2 mohm으로 약간 더 낮은데, 이러한 우수한 전력 성능은 이러한 설계를 위해 예상하여야 한다.
펄스 출력 테스트로부터 유도되는 비 출력 성능은 50% DOD에서 194-207 W/kg 및 80% DOD에서 163-180 W/kg이었다. 이러한 출력 성능은 50% DOD에서 190 W/kg 및 80% DOD에서 160 W/kg의 제어 셀에서 관측되는 것과 유사하거나 약간 더 높다.
개방회로를 취하기 전후의 방전 곡선은 불안정한 셀을 나타내는 2차 플래토스없이 평탄한 방전 곡선을 보였다. 자체-방전 율은 48시간동안 7-12%이었는데, 이것은 MF139z 합금을 사용하여 약 9%의 제어 셀의 자체-방전 율과 유사하다. 셀들간의 전해질 전달에 쇼팅 경로를 제공하면, 불안정한 변화의 상태(state-of-change)가 자체-방전후에 예측될 수 있다. 이것은 셀들간의 좋은 전기적 분리를 설명한다.
다중 셀 캔 배터리는 형성, 조절, 미니사이클닝, 및 테스팅동안 수십개의 충전-방전 사이클에 영향을 받는다. 용량은 전해질 쇼팅 경로로 인한 고장의 징후없이 이들 사이클동안 정상적으로 진전되었다.
제1세트 다중-셀 배터리의 성공과 함께 본 발명자는 기본 개념을 개선시키기위해 새로운 개념을 고찰하였다. 이용된 중요한 기술중 하나는 소위 "벽을 통한"셀 연결부라고 하는 것이다. 고가의 단자는 내부 스트랩에 직접 "벽을 통해" 접합되는 상호 연결 스트랩으로 대체된다. 표준 리드 및 벤트 어셈블리는 전류 단자 홀에 걸쳐 에폭시 수지로 접착된 복합 석탄산 유리 칸막이 패널의 샌드위치를 이용하여 금속/플라스틱 적층부를 제조하는데 이용된다.
이전의 셀은 "벽에 걸친" 연결부과 함께 개방 탑 백을 지녔다. 이들은 매우 양호하게 동작하지만, 캔으로부터 단자까지 측정가능한 전도성이 있으며 또한 셀중 하나는 다른 것보다 약간 더 높은 자체-방전을 갖는다. 이러한 모순은 2개 이상의 배터리가 (프로세스 변화성 감소)제조될 경우 알맞게 제어될 수 있지만, 개선으로 서 모든 배터리 성분을 전기화학적으로 완전히 분리하는 파우치(pouch)에서 각 셀을 완전히 밀봉하는 것이 중요하다. 이것은 기능적인 "벽을 통한" 연결부와 밀봉으로서만 가능하다.
실시예2
3-셀 배터리는 단일 스테인레스 스틸캔내에 조립된다. 각각의 셀은 분리된 폴리프로필렌 백내에 삽입되는 전극 스택으로 구성된다. 각각의 셀의 전해질은 각셀의 상부에서 가열 밀봉되는 가스 막 서브-어셈블리와 결합하는 폴리에틸렌 백에 의해 분리된다. 가스 막 서브-어셈블리는 50 cm2 또는 그 이상의 가스 방전 표면 영역에 의해 설계된다. 각각의 어셈블리는 폴리에틸렌 시트에 막 재료를 가열 밀봉하고 상기 셀내에 삽입할 부품안에 형성함으로서 제조된다. 3-셀 배터리는 단일 캔, 단일 벤트, 및 단일 세트의 구리/니켈 적층된 포일 단자를 공유한다. 상기 캔 내부의 셀간 상호 연결부는 상기 백을 통해 이미-접합된 0.005" Ni포일 탭 재료로 구성된 버턴을 접합하고 나서 EPDM 고무 가스킷으로 밀봉시켜서 제조된다. 외부 셀은 리드를 통해 적층 포일 단자에 동일한 형태로 접합된다. 전극 스택은 탭상의 중심 영역에 천공된 0.25" 홀을 갖는 폴리에틸렌 표준 백내에 조립되고 또한 삽입된다. 상기 백은 인접한 셀과 정렬되며 또한 상기 홀은 양 및 음의 탭의 중심에 있다. 상기 버턴은 EDPM 워셔를 통해 눌러지며 또한 상기 백 벽사이에 위치된다. 양의 탭 스택, 버턴, 백, EDPM 워셔, 백 및 음의 탭 스택의 어셈블리에는 기껏해야 0.07 밀리-오옴 연결부내에 접합되는 저항이 있다. 3-셀 스택의 최종 연결부는 EPDM 고무 워셔를 지닌 백의 벽을 통해 상기 탭으로 부터 리드에 대해 층을 이룬 0.005" 교번 Ni/Cu 스트랩으로 연결된다. 이때, 스트랩은 유사하게 구성된 Ni 버턴을 이용하여 외부 셀간 컨넥터에 접합된 벽을 통해 있는데, 상기 Ni 버턴은 좀더 두꺼운 리드 연결부에 대해 조정되어 있다. 복합 리드는 표준 스테인레스 스틸 리드의 내부 및 외부 모두에 적층된 표준 석탄산 유리 회로 기판 재료를 이용하여 제조된다. 이것은 표준 단자 홀이 위치되어 있는 리드에서 융기된 사각형 영역의 양측면에 설치된 회로 기판을 2개의 사각으로 절단함으로서 달성된다. 홀 둘레의 영역은 에폭시 수지에 의해 완전히 밀봉되며 또한 0.25" 홀이 드릴링된다. 양 및 음의 셀간 스트랩은 배터리 "플래그" 또는 외부 단자가 되도록 "벽을 통해" 접합된다. 링은 "플래그" 단자의 베이스 둘레에 위치되고, 댐(dam)에 의해 적당한 위치에 고정되며, 또한 상기 접합 영역을 커버할 때 까지 에폭시 수지로 채워진다.
개개의 전극 스택에는 M-108 크기의 6개의 양 전극과 7개의 음 전극이 포함된다. 통상의 니켈 수소화물 파우더로 구성된 양 전극은 발포된 니켈 기판위로 통과된다. 양 전극들은 각각 31 밀 두께와 약 18 그램의 무게를 갖는다. 개개의 셀의 설계 용량은 18.9 Ah이었다. 음 전극들은 구리 기판상에 MF-139Z를 포함하고 있다. 이들 전극은 각각 14 밀 두께와 13.5 그램의 무게를 갖는다. 각 셀의 음의 설계 용량은 28.1Ah이었으며, 이는 1.49의 설계 화학 양론 비를 초래한다. 얇은 30 g/m2분리기는 양 및 음 전극 모두에 이용된다. 충전 부피는 셀당 30 w/o KOH로 2.0 g/ah x 19Ah = 39 이었다.
전해질 분리는 분리된 8 밀 플라스틱 백내에 개개의 셀을 엔클로저함으로서 달성된다. 고도의 소수성 가열-밀봉 가능한 막이 가스 확산 베리어로서 이용되었다. 상기 막은 백에 밀봉되어 있으며 또한 일련의 가스 통로가 상기 셀로부터 공통 압력 용기로 가스 통과를 허용하도록 도입되었다.
전해질은 주사기에 의해 각 서브 셀에 첨가되며 또한 분리기와 플레이트에 스며들게 된다. 이때 배터리는 빈 영역에 KOH를 좀더 주입하기 위해 진공 펌핑되어 있다. KOH의 최종 첨가 후에, 각 셀의 충전 홀이 가열-밀봉되며, 배터리 TIG가 접합되며, 또한 스프링 벤트가 설치된다. 그 다음에, 상기 배터리는 800파운드로 압축되며 또한 600C에서 3일동안 열처리된다. 압축은 약 50 psi로 해제되며 또한 배터리는 표준 형성 과정을 이용하여 형성된다.
형성후에, 3중 셀 배터리의 개방 회로 전압은 직렬로서 3개의 셀을 나타내는 4V이상이었다. 상기 배터리는 C/3에서 셀당 2.7V 또는 0.9V로 방전되었다. 방전 곡선은 3.74V의 중간 전압을 지닌 표준 곡선과 유사하다. 상기 배터리의 용량은 19Ah의 설계 용량과 양호하게 일치하는 18.9 Ah이었다. 에너지 밀도는 배터리의 비최적화된 설계로 인해 유사한 제어 셀보다 더 낮다. 새로운 기체 막을 위한 장소를 제공하기위해 상당한 무용부피와 초과 무게가 존재한다.
상기 배터리의 교류(ac)임피던스는 제어 혼합 셀에서의 0.37 mohm과 비교하여 4.8 mohm이었다. 이론적으로, 18Ah 셀 각각의 임피던스는 60Ah 제어 셀의 임피던스보다 3 배 더커야 한다. 상기 캔내의 3개 셀이 직렬로 있기 때문에, 총 임 피던스는 상기 제어셀의 임피던스보다 3 x 3 = 9배, 또는 9 x 0.37 = 3.33 mohm이 되어야 한다. 실제로, 상기 임피던스는 또한 개개의 셀안에 있는 전극 수의 함수이다. 상기 혼합 제어 셀은 24개의 전극 쌍을 갖지만, 다중-접합 배터리는 단지 18개의 전극 쌍을 갖는다. 따라서, 총 임피던스는 3.33 x 24/18 =4.44 mohm이어야 한다. 전체 출력에 대한 다른 기여는 셀 설계에 있다. 실험용 설계는 벽 접합을 통해서, 그리고 가스 막 분리와 같은 새로운 설계 특성에서 찾을때 까지 세트된다.
비교적 높은 임피던스에도 불구하고, 실제 출력 성능이 나타나며 또한 전극 쌍에 대한 와트(watt)로서 증가하였다. 동일한 출력 테스트로부터 유도되는 성능은 50% DOD에서 290W/kg과 80%에서 233W/kg이었다. 상기 제어 셀은 동일한 사이클링 단계에서 50% DOD에서 312W/kg과 80%에서 236W/kg으로 나타났다. 상기 출력 성능의 요약은 표4에 나타내었다.
3중-셀 캔 배터리는 48시간의 개방 회로 스탠드 테스트를 요한다. 개방 회로 전후의 방전 곡선은 평탄한 방전 곡선을 보인다. 자체-방전 율은 9.6%이었는데, 이는 MF-139z 합금을 지닌 약 9%의 제어 셀과 유사하다. 개개의 셀은 전기화학적으로 서로 분리되며 따라서 충전의 불안정이 전해질을 통하여 션트 전류(shunt current)로부터 예측되지 않는다.
3중 셀 캔은 형성, 조절, 미니 사이클닝, 및 테스팅동안 60사이클 이상을 필요로한다. 이들 방전 사이클동안 용량은 상기 셀로부터 전해질 누출로 인한 하드웨어 또는 다른 고장의 신호없이 정상적으로 개선되었다.
어셈블리동안 상기 셀 엔클로저 백에 이용되는 폴리에틸렌 재료에 홀을 천공할 수 있다. 이것은 새로운 백 재료를 실행함으로서 회피될 수 있는데, 이 재료는 가열-밀봉가능하며 또한 증가된 펀쳐 저항(puncture resistance)을 갖는다. 몇몇 새로운 쇼핑 백 재료와 폴리우레탄 막은 주요한 함수적인 기준으로서 펀쳐 저항에 의해 설계되었다. 이들 새로운 재료는 현재 사용되는 연성 폴리에틸렌에 대한 대체물로서 평가될것이다.
실시예1 및 2에서 기술한 다중-셀, 일체 배터리에 부가하여, 본서에 개시된 것은 단일 배터리 케이스내에 위치되는 다수의 전기 화학 셀을 포함하는 다중-셀, 일체 배터리의 다른 실시예이다. 이 실시예에서, 일체 배터리는 "일체 케이스"로서 본 명세서에 인용한 유일하게 설계된 배터리 케이스를 포함한다. 상기 일체 케이스는 플라스틱 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 플라스틱 재료는 상기 전해질로부터 부식에 저항하는 재료가 바람직하다. 일체 케이스는 일체로 형성된 4개의 측벽, 일체로 형성된 베이스, 및 상부 리드를 갖는다.
일체 케이스는 전기 화학 셀이 작동적으로 배치되어 있는 다수의 개개의 엔클로저를 포함하며, 그 결과 각 셀의 전해질은 다른 셀로부터 분리되지만 상기 셀 각각으로부터 나오는 가스는 상기 엔클로저로부터 상기 일체 배터리 케이스내로 유출된다. (따라서, 각 셀로부터 나오는 가스는 상기 배터리 케이스내에서 공통 압력 용기에 분배된다). 일체 케이스는 다수의 상호 연결된 냉각제 통로를 부가로 포함한다. 냉각제 통로는 그 사이에 배치되며 또한 전기화학 셀의 적어도 2개와 열적으로 접촉된다. 냉각제는 냉각제 통로를 통해 흐른다.
상기 냉각제 통로는 일체 베이스의 바닥에 위치된 "바닥 냉각제 통로"를 통해 유동적으로 상호 연결될 수 있다. 바닥 냉각제 통로는 상기 베이스의 바닥내에 결합될 수 있다.
일체 케이스의 실시예는 도3a 및 도3b에 나타내었다. 도3a는 베이스(103)와 리드(104)를 지닌 일체 케이스를 나타낸다. 도3b는 리드가 없는 베이스(103)를 나타낸다. 도3b에 나타낸 바와같이, 상기 베이스는 2개 측면, 2개 단부 및 1개의 바닥을 포함한다. 도시된 특정한 일체 배터리 케이스는 프리즘 전기 화학 셀로 이용하는데 적합할 수 있다. 상기 일체 배터리 케이스의 단부는 전기화학 셀이 상기 배터리 베이스의 팽창을 최소화도록 압축하에 케이스내에 유지될수 있도록 설계된다. 도3b에 도시한 바와 같이, 상기 단부는 사각형의 벌집모양으로 형성될 수 있다. 파티션은 전기 화학 셀 각각에 대해 개개의 엔클로저를 형성하도록 상기 일체의 내부에 위치된다. 엔클로저는 2개의 파티션에 의해 또는 파티션과 측벽사이에 형성될 수 있다. 상기 일체 베이스의 내부는 셀 객실(105)로 분할된다. 개개의 셀 객실(105)은 단일 전기 화학적 셀을 저장한다. 배터리 전해질은 한셀의 객실로부터 임의의 다른 셀 객실로 통과할 수 없음에 유념한다. 그러나, 배터리 가스는 하나의 셀 객실로부터 다른 셀 객실로 통과할 수 있다.
파티션은 "고정"되어 있거나 또는 "삽입가능"할 수있다. 고정되어 있는 파티션은 전형적으로 제조하는 동안 베이스내에 결합되어 있고 또한 제거될 수 없다. 삽입가능한 파티션은 베이스가 제조된후 위치될 수 있다. 이들은 또한 삽입된후 제거될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 상기 일체 배터리 케이스는 적어도 하나 의 삽입가능한 파티션을 갖는다. 특히, 본 발명의 실시예는 적어도 하나의 삽입가능한 파티션을 지닌 플라스틱 일체 프리즘 배터리이다. 이러한 삽입 가능한 파티션은 하나이상의 전기 화학 셀에 대해 엔클로저를 형성하도록 상기 케이스의 벽 또는 고정된 파티션 또는 다른 삽입 가능한 파티션과 결합하기 위해 상기 일체 케이스의 어느 한 두 측면사이에 효과적으로 위치되도록 적합해질 수 있다.
상기 2 측면사이에 위치되는 전기 화학 셀의 일정한 압축이 있도록하기위해 상기 삽입가능한 파티션은 인접 벽 또는 인접 파티션(고정되어있거나 또는 삽입가능함)과 "결합"하도록 제조될 수 있다. 예를들어, 삽입가능한 파티션은 상기 베이스와 결합하여 제조된 고정 파티션 또는 벽의 "드래프트 각(draft angle)"을 보상하기 위해 제조 될 수 있다. (상기 베이스의 "드래프트 각"은 상기 베이스가 몰드로부터 분리될 수 있도록 제조상 필요하다). 상기 삽입 가능한 파티션은 고정된 파티션 또는 벽에 대향 방법으로 테이퍼(taper)하기 위해 제조될 수 있다. 이것은 전기 화학 셀의 표면에 걸쳐서 한층 더 압축을 초래한다.
파티션은 분할기 파티션 또는 냉각제 파티션이 될 수 있다. 분할기 파티션은 좀더 작은 영역으로 상기 케이스를 분할하는 작용과 상술한 엔클로저를 형성하는 작용을 한다. 냉각제 파티션은 엔클로저를 형성하는 것에 부가하여, 또한 전기화학 셀을 냉각시키는 작용을 한다.
바람직하게, 상기 분할기 파티션은 일체 배터리 베이스내에 결합될 수 있고 또한 "고정"될 수 있지만, 상기 냉각제 파티션은 "삽입가능"하다. 그러나, 모든 파티션은 상기 일체 케이스 설계의 좀더 큰 유연성(flexibility)을 허용하기위해 삽입될 수 있다.
도3b에 나타낸 실시예에서, 상기 분할기 파티션(107)은 고정되어 있지만, 상기 냉각제 파티션(109)이 삽입될 수 있다. 상기 냉각제 파티션이 상기 베이스가 제조된후 상기 일체내에 삽입될 수 있기 때문에, 상기 냉각제 파티션의 벽은 증가된 냉각 능력을 제공하도록 더 얇아질 수 있다. 더욱이, 상기 냉각제 파티션은 삽입가능하기 때문에, 이들은 (상술한 바와 같이)전기화학 셀의 일정한 압축을 제공하는데 적합해질 수 있다.
상기 냉각제 파티션(109) 각각은 상기 냉각제 파티션내에 바람직하게 결합되어 있는 냉각제 통로 시스템을 포함한다. 상기 냉각제 통로는 상기 냉각제 파티션의 내부에 결합되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 냉각제 파티션은 상기 전기화학 셀사이에 위치되며 또한 상기 셀과 열적 접촉으로 있다. 상기 냉각제 파티션 각각의 냉각제 통로는 다른 냉각제 파티션의 냉각제 통로에 유동적으로 연결되어 상기 전기 화학 셀을 냉각시킬 수 있는 냉각제를 운반가능한 통합 냉각 시스템을 형성한다.
냉각제는 해당 파티션 입구와 (본 명세서에서 "베이스 바닥"으로서 언급한)상기 일체 베이스의 바닥에 위치한 해당 파티션 출구를 통해 상기 냉각제 파티션(107)각각에서 유입ㆍ유출된다. 도4는 베이스 바닥의 실시예를 나타낸다.
도4를 보면, 상기 냉각제는 도3에 도시한 입구 튜브 입구(120a)를 통해 일체 베이스에 유입되며 또한 도3에 도시한 입구 튜브(120)를 통해 상기 캔 바닥으로 운반된다. 상기 냉각제는 상기 캔 바닥(115)에 있는 입구 튜브 출구(102b)를 나가 는 입구 튜브(120)통해 이송된다. 냉각제는 제1 파티션 입구(151a)로 보내진다. 클런트는 제1 파티션 입구(151a)에 유입되며, 제1 냉각제 파티션을 통해 순환하며, 또한 제1 파티션 출구(151b)를 통해 제1 냉각제 파티션을 나온다. 제1 파티션 출구(151b)를 나온 후에, 상기 냉각제는 제2 냉각제 파티션을 통해 순환하며 또한 제2 파티션 출구(152b)를 나오는 바닥 냉각제 통로(131)를 통해 제2 파티션 입구(152a)로 보내진다. 제2 파티션 출구(152b)를 나온 후에, 상기 냉각제는 제3 냉각제 파티션에 유입되며 또한 제3 파티션 출구(153b)를 나오는 바닥 냉각제 통로(132)를 통해 제3 파티션 입구(153a)로 보내진다. 이러한 과정은 다른 파티션 입구와 출구(154a,b 및 155a,b) 및 다른 바닥 냉각제 통로(133 및 134)에 대해 반복된다. 상기 냉각제가 마지막 파티션 출구를 나온 후에, 상기 냉각제는 출구 튜브를 통해 냉각제를 운반하는 출구 튜브 입구(160)로 보내진다. 입구 튜브(120)와 출구 튜브(160)는 냉각제 입구와 출구 부속품의 예이다.
상기 캔이 가급적 주입 몰딩 프로세스에 의해 제조되기 때문에, 상기 파티션 입구와 출구에 의해 제공된 개구는 상기 일체 베이스의 제조를 용이하게 함을 유념한다. 상기 개구는 좀더 엄격한 치수의 공차를 제공하는 제조동안 상기 몰드 공동 툴의 좀더 큰 안정성을 허용함으로서 배터리 어셈블리를 용이하게 한다. 또한 이것은 상기 개구에 삽입되는 상기 냉각제 파티션에 우수한 밀봉 표면을 제공한다.
상기 냉각제 캔은 많은 다양한 방법으로 상기 냉각제 파티션 각각을 통해 순환하도록 제조될 수 있음을 유념한다. 순환 모형의 한 예는 상기 파티션 개구를 통해 상기 냉각제 파티션에 유입된후 상기 냉각제 파티션의 한측면을 오르고, 상기 파티션의 상부를 가로질러, 파티션의 다른 측면으로 내려가는(이후 파티션의 출구를 통해 나온다) 냉각제를 갖는 것이다. 순환 경로의 형태는 도5에 나타내었다. 도5는 파티션 입구(151a)와 냉각제 출구(151b)위에 위치된 냉각제 파티션(109)을 나타낸다. 상기 화살표는 상기 냉각제의 총체적인 경로를 나타낸다.
이것은 "페쇄된 루프" 모형의 한 예이다. 폐쇄된 루프의 셀간 냉각은 모든 셀사이에서 또는 규칙적인 간격으로, 이를테면 모든 제2 또는 모든 제3 셀사이에서 이용될 수 있다. 상기 냉각제는 셀사이와 둘레에서 서펀다인(serpentine) 방법으로 수평으로, 또는 상기 냉각제 파티션의 공벽을 통해 상기 셀을 오르내리는 "반-나사모양"의 경로로 수직의 루트를 정함으로서 상기 셀 위 또는 아래로 통과할 수 있다. 대안으로 공기 유출 경로는 수직 또는 수평 방향으로 셀사이의 벽내에 몰딩될 수 있다.
도4에서 알수 있는 바와같이, 한 냉각제 파티션의 파티션 출구는 다른 냉각제 파티션의 파티션 입구에 유동적으로 연결된다. 도4에 도시한 특정한 연결 모형에 있어서, 상기 바닥 냉각제 통로는 상기 냉각제가 제2 파티션등으로 유입되기 전에 상기 제1 파티션에서 유입ㆍ유출되도록 냉각제의 루트를 지정한다. 이것은 "직렬"연결이다. 다른 루팅 모형이 또한 가능하다. 예를들어, 상기 냉각제는 동시에 상기 모든 파티션에 유입되도록 보내질 수 있다. 이것은 "병렬"연결이다.
또한 상기 냉각제는 액체 냉각제 또는 기체 냉각제가 될 수 있음을 유념한다. 본 명세서에 이용된 바와 같이 "유체"는 액체 또는 기체를 의미한다. 액체 냉각제의 예는 물 또는 물/글리콜 혼합물이다. 기체 냉각제의 예는 공기이다.
일체 배터리 케이스는 케이스 리드를 포함한다. 도6은 일체 배터리 케이스의 상부 리드의 실시예에 대한 평면도를 나타낸다. 도6을 보면, 상부리드(104)는 다수의 가스 통로(172)를 포함한다. 개개의 가스 통로는 개개의 전기 화학 셀의 상부에 위치된다. 상기 가스 통로들은 개개의 셀로부터 나오는 가스가 동일한 벤트를 통해 수집되고 배출되도록 서로 통해있다.
또한 상기 가스 통로는 한 엔클로저로부터 다른 엔클로저로 전해질의 전달을 방지하기 위해 설계된다. 이것은 가스가 엔클로저부터 배출될 수 있지만 전해질은 배출될 수 없도록 가스를 투과할 수 있는 소수성 재료의 함유물에 의해 달성된다. 상기 소수성 재료는 과잉 충전 가스 방출 율을 보상하는데 충분한 가스 확산 표면 영역을 갖는다. 이것은 12Ah 셀당 약 5cm2에서 약 50cm2가 될 수 있다. 일반적으로, 상기 소수성 재료는 상기 배터리 가스의 통과를 허용하지만 배터리 전해질은 통과할 수 없는 임의의 재료이다. 재료의 예로는 칼슘 탄산염 충전재를 지닌 폴리에틸렌을 포함하는 재료이다. 다른 재료의 예로는 여러 종류의 기저귀 재료를 포함한다.
상기 일체 배터리내의 전기화학 셀 각각은 적어도 하나의 양 전극과 적어도 하나의 음 전극을 포함한다. 상기 전극들은 전극의 내외로 전기 에너지를 운반하기 위해 전극에 부착된 전류 컬렉션 탭을 포함한다. 도7은 상기 일체 배터리의 측면도이다. 도7에 도시한 것은 개개의 셀 객실(184, 즉 엔클로저)내에 위치되어 있는 양 및 음 전극(182)의 "스택"이다. 다수의 전기 화학 셀은 서로 전기적으로 직 렬로 상호연결될 수 있다. 이것은 상기 파티션을 통해 전류 컬렉션 탭에 전기적으로 연결함으로서 완성될 수 있다. 상기 연결부는 인접한 셀의 음 전극(186b)의 전류 컬렉션 탭에 상기 셀중 한 셀의 양 전극(186a)의 전류 컬렉션 탭을 접합함으로서 만들 수 있다. 상기 접합은 상기 전극의 전류 컬렉션 탭(186a, 186b)사이에 연결 스페이서(188)를 저항성 접합함으로서 완성될 수 있다. 상기 연결 스페이서(188)는 상기 일체 배터리의 다른 실시예에 관하여 상술하였다.
상기 파티션을 통한 상호 연결 영역은 상기 셀 객실중 하나(즉, 상기 엔클로저중 하나)로부터 다른 셀 객실(즉, 상기 엔클로저중 하나)로의 전해질 전달을 방지하기 위해 밀봉될 수 있다. 상기 밀봉은 EPDM 가스킷과 같은 중합체 가스킷을 이용함으로서 달성될 수 있다. 상기 상호 연결 영역 밀봉은 열 용해 접착제 또는 에폭시 수지 접착제를 추가로 포함할 수 있다.
일반적으로, 상기 전기 화학적 셀은 임의 형태의 전기 화학 셀이 될 수 있다. 상기 셀은 활성 재료로서 수소 저장 재료를 지닌 음 전극과 니켈 수산화물 활성 재료를 지닌 양 전극을 포함하는 니켈-금속 수소화물 셀이 될 수 있다.
프리즘 배터리용 플라스틱 일체 배터리 케이스를 상술하였다. 상기 배터리 케이스내에 위치되는 것은 다수의 전기적으로 연결된 전기화학 셀이다. 상기 케이스는 일체로 형성된 측면과 바닥 벽을 지닌다. 더욱이, "삽입 가능한"파티션을 또한 상술하였다. 본 명세서에 개시되어 있는 것은 적어도 하나의 삽입가능한 파티션을 포함하는 플라스틱 일체 프리즘 배터리 케이스이다. 상기 삽입가능한 파티션은 하나 이상의 전기화학 셀의 엔클로저를 형성하기위해 상기 케이스의 측벽과 결합하거나 또는 다른 협약(paction)과 부합하도록 상기 배터리 케이스의 2측벽사이에 효과적으로 위치되는데 적합하다.
상기 삽입가능한 파티션은 유체 냉각제용으로 일체로 형성된 냉각제 통로를 포함할 수 있다. 상기 냉각제 표면은 상기 삽입가능한 파티션의 내부에 결합될 수 있다. 상기 냉각제 통로는 상기 파티션 표면의 내부에 형성될 수 있다.
상기 삽입가능한 파티션은 전기화학 셀이 인접하는데 적합한 대향된 평면의 표면을 지닐수 있다. 상기 파티션이 상기 케이스내에 효과적으로 위치될 경우 상기 프리즘 일체 프리즘 배터리의 측벽과 상기 파티션의 표면은 그들 사이에 위치된 전기화학 셀을 일정하게 압축하도록 결합된다.
또한 본 명세서에 개시된 것은 냉각된 유체의 플라스틱 배터리 케이스인데, 여기서 개선된 상기 배터리 케이스는 상기 플라스틱 케이스 바닥의 냉각제 통로로부터 적어도 하나의 전기 화학 셀의 한 표면의 일부분을 냉각하는 냉각제 통로의 위를 통과하고, 상기 표면을 가로질러 적어도 하나의 셀의 한 표면의 나머지를 냉각하는 냉각제 통로를 통해 아래를 지나, 상기 플라스틱 케이스의 바닥의 다른 냉각제 통로로 나가는 냉각제를 포함한다.
또한 본 명세서에 개시된 것은 상기 케이스내에 밀봉된 다수의 프리즘 전기화학 셀, 병렬로서 전기적으로 상호 연결되는 두개의 셀로 이루어진 적어도 2개 세트와 직렬로서 서로 전기적으로 상호연결되는 병렬 상호연결된 셀로 이루어진 각각의 세트를 포함하는 고 용량, 고 에너지 배터리 모듈이다. 프리즘 셀 측면의 높은 표면영역은 상기 모듈의 충전동안 열적 이탈을 방지하기 위해 서로 친숙한 열적 접촉으로 있게된다.
본 발명은 특정 실시예와 관련하여 기술하였지만, 본 기술에 숙련된 사람은 본 발명의 범위와 사상을 벗어남이 없이 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 알고있다. 그러한 변경 및 변형은 첨부된 청구의 범위내에 있는 것으로 여겨진다.

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  78. 케이스의 내부를 다수의 셀 구획으로 나누는 하나 이상의 파티션을 포함하는 배터리 케이스;
    상기 케이스 내부에 위치된 다수의 니켈 금속 하이드라이드 전기화학 셀; 및
    적어도 하나의 상기 파티션과 일체로 형성되며, 적어도 2개의 상기 전기화학 셀들 사이에 배치되는 하나 이상의 냉각수 채널을 포함하는 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체(monoblock) 배터리.
  79. 제 78 항에 있어서,
    상기 냉각수 채널은 적어도 하나의 상기 파티션의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  80. 제 78 항에 있어서,
    상기 배터리 케이스는 플라스틱 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  81. 제 78 항에 있어서,
    각각의 상기 전기화학 셀은 적어도 하나의 양 전극, 적어도 하나의 음 전극, 및 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  82. 제 78 항에 있어서,
    각각의 상기 냉각수 채널은 상기 케이스 바닥에 입구와 출구를 구비하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  83. 제 78 항에 있어서,
    상기 배터리 케이스는 상기 전기화학 셀로부터 하나 이상의 벤트로 가스를 운송하는 다수의 가스 채널을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  84. 제 83 항에 있어서,
    상기 가스 채널은 하나의 전기화학 셀의 전해질이 다른 전기화학 셀의 전해질과 혼합되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  85. 제 83 항에 있어서,
    각각의 상기 가스 채널은 셀 가스의 이동은 허용하지만 셀 전해질의 이동은 허용하지 않는 막(membrane)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  86. 제 78 항에 있어서,
    다수의 상기 전기화학 셀은 전기적으로 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  87. 제 86 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 상기 파티션을 통하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  88. 제 78 항에 있어서,
    상기 파티션은 상기 전기화학 셀의 균일한 압축을 제공하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  89. 제 78 항에 있어서,
    상기 냉각제 채널은 액체 및 가스로 구성된 그룹에서 선택되는 냉각제를 수용하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  90. 제 78 항에 있어서,
    각각의 상기 전기화학 셀은 분리된 셀 구획에 배치되는 것을 특징으로 하는,다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  91. 제 78 항에 있어서,
    상기 셀 구획은 가스 연통되는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
  92. 제 78 항에 있어서,
    상기 배터리 케이스는 상기 전기화학 셀을 위한 공통 압력 용기로서 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는, 다중-셀 니켈-금속 하이드라이드 일체 배터리.
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