KR101505230B1 - 저항이 감소된 그리드를 가진 전극과 이를 구비한 하이브리드 에너지 저장 디바이스 - Google Patents

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Abstract

에너지 저장 디바이스는,
납을 포함하고, 집전장치의 평균면에 대하 다수의 볼록한 부분과 오목한 부분을 구비하고 집전장치 및 볼록한 부분과 오목한 부분 사이에 구성된 슬롯을 구비하는 집전장치; 및
탭 부분; 을 포함하는 하나 이상의 양의 전극;
탄소 소재를 포함하는 하나 이상의 음의 전극; 을 포함하고
이산화납 페이스트는 집전장치의 표면에 부착되고 전기적으로 접촉된다.

Description

저항이 감소된 그리드를 가진 전극과 이를 구비한 하이브리드 에너지 저장 디바이스{ELECTRODE WITH REDUCED RESISTANCE GRID AND HYBRID ENERGY STORAGE DEVICE HAVING SAME}
본 국제출원은 미국 특허상표청에 2008년 9월 30일자로 출원된 US12/241,736호와 2007년 10월 19일자로 출원된 US11/875,119호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 감소된 저항 그리드를 구비한 전극과 이 전극을 하나 이상 포함한 하이브리드 에너지 저장 디바이스에 관한 것이다.
하이브리드 에너지 저장 디바이스는 비대칭 수퍼캐패시터(asymmetric supercapacitor) 또는 하이브리드 배터리 및 수퍼캐패시터로 알려져 있고 하이브리드 에너지 저장 디바이스는 수명(cycle life), 전력밀도, 에너지 용량, 고속충전 성능 및 광범위한 온도 운용성을 포함하는 고유한 특성 세트를 구비한 디바이스를 제조하기 위해 배터리 전극과 수퍼캐패시터 전극을 결합한다. 하이브리드 납탄소 에너지 저장 디바이스는 납산전지 양의 전극과 수퍼캐패시터 음의 전극을 이용한다. 예를 들어, US6,466,429호, US6,628,504호, US6,706,079호, US7,006,346호 및 US7,110,242호를 참고한다.
하이브리드 에너지 저장 디바이스의 양의 전극은 디바이스의 활성 수명을 효과적으로 정의한다. 납산 배터리에 따르면, 납 기반 양의 전극은 통상적으로 음의 전극보다 먼저 고장난다. 이와 같은 고장은 일반적으로 활성 이산화납의 손실 때문이다. 고장은 충방전 동안 파열(spalling)과 활성물질이 받는 치수 변화 저하의 결과로 집전장치 그리드에서 발산(shedding)한 활성 이산화납 페이스트의 손실 때문이다.
종래의 기술로 언급된 에너지 저장 디바이스, 더 구체적으로 시판되고 있는에너지 저장 디바이스는 케이스 내에 전극을 포함하기 때문에 전극의 상당한 압축이 요구된다. 또한, 서술된 종류의 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스는 탄소 기반 음의 전극과 함께 납 기반 양의 전극을 포함하며, 납 기반 양의 전극은 납산 배터리 기술로 알려져 있기 때문에, 향상된 음의 전극의 개발은 상당한 관심을 받고 있다. 향상된 음의 전극, 집전장치 및 향상된 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스의 조립은 흔히 Axion Power International Inc. 소유의 관련 전자제품으로 각각 서술된다.
반면에, 더 크거나 더 작은 범위를 간과하는 것은 디바이스의 활성 수명을 효과적으로 정의한 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스의 양의 전극이라는 사실이다. 음의 전극은 일반적으로 소모되지 않을 것이지만, 납산 저장 배터리에 따르면, 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스의 납 기반 양의 전극이 일반적으로 제일 먼저 고장날 것이다. 고장은 충방전 동안 파열(spalling)과 활성물질이 받는 치수 변화 저하의 결과로 집전장치에서 발산(shedding)하는 활성 이산화납 페이스트의 손실 때문이다.
본 발명자는 양의 전극이 파장(波狀)표면을 구비하도록 설계된다면 양의 전극의 고장 가능성을 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 서술된 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스의 고장 가능성을 감소시킬 수 있는 것을 우연히 발견하였다.
US 특허 5264306호는 상기 시스템 내에 배치되는 화학적 페이스트와 함께 복수의 양의 그리드와 복수의 음의 그리드를 구비한 납산 배터리 시스템을 개시한다. 각각의 그리드는 평균면과, 그리드 판의 오목한 영역에서 전도성 탭이 부착된 그리드 판의 볼록한 부분으로 확장된 막히지 않은 전류 채널을 제공하는 영향받지 않는 부분으로 교체하는 수직방향 행에 형성된 볼록하고 오목한 부분의 행렬을 구비한다.
US 상표 332,082호는 US 특허 5,264,306호에 개시된 바와 같이 납산 배터리를 서술하고 이용한 종류의 배터리 그리드 판을 도시한다. US 특허 5,264,306호와 US 상표 332,082호는 전부 참조되어 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 목적은 충방전동안 활성물질의 파열(spalling) 또는 박리(flaking)를 최소화하는 전극을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전극에 관련된 콜렉터 탭 구조와 그리드 판의 오목한 부분에서 볼록한 부분으로 전류 흐름 방향의 경계조건(boundary condition)을 감소시키거나 최소화하는데 있다.
본 발명의 목적은 사이클 수명이 향상된 하이브리드 에너지 저장 디바이스를 제공하는데 있다.
본 발명의 장점은 양의 전극과 이를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 디바이스의 고장 가능성을 감소시키는데 있다.
본 발명의 어느 한 측면에 따라, 하나 이상의 셀을 구비한 하이브리드 납탄소 산 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스가 제공된다. 여기에서, 상기 하나 이상의 셀은 복수의 납 기반 양의 전극, 복수의 탄소 기반 음의 전극 이들 사이의 분리기, 산 전해질 및 케이싱을 포함한다.
각각의 탄소 기반 음의 전극은 높은 전도성 집전장치, 상기 집전장치의 하나 이상의 표면에 부착되고 전기적으로 접촉된 다공성 탄소물질 및 상기 음의 전극의 상단 엣지부 위를 확장시킨 탭 요소를 포함한다.
각각의 납 기반 양의 전극은 납 기반 집전장치와 상기 집전장치 표면에 부착되고 전기적으로 접촉된 이산화납 기반 페이스트 및 상기 양의 전극의 상기 엣지부 위로 확장시킨 탭 요소를 구비한다.
상기 납 기반 집전장치 각각의 앞뒤 표면은 평균면에 대하여 볼록하고 오목한 부분의 행렬과 이 부분 사이에 형성된 슬롯을 구비한다.
따라서, 상기 납 기반 집전장치의 총 두께는 상기 집전장치를 형성하는 납 기반 물질의 두께보다 더 크다.
본 발명의 하이브리드 에너지 저장 디바이스는 통상적으로 케이싱에 형성된 복수의 격실 각각 하나씩 삽입되는 복수의 전극을 포함할 것이다.
본 발명의 어느 한 측면에 따라, 전극은 그리드를 포함하는 집전장치를 포함하고, 그리드는 볼록한 부분과 오목한 부분을 구비한 끼워진 열 사이에 배치된 복수의 평면, 평행한 열, 집전장치 측면에서 확장된 탭 부분을 포함한다. 볼록한 부분과 오목한 부분의 열은 탭 부분에 관하여 수평 구조로 확장되어, 집전장치의 하부에서 탭 부분으로 확장된 연속된 전도성 리본을 실질적으로 제공한다.
본 명세서에서, "실질적으로", "통상적으로", "비교적", "대략" 및 "약"으로 사용된 것은 다양하게 변경된 특성에서 허용 변동을 나타내기 위해 의도된 상대적인 수식어들이다. 이는 절대값 또는 변경된 특성으로 제한시키기 위해 의도된 것이 아니고 오히려 물리적 또는 기능적 특성에 접근 또는 근접시키기 위한 것이다.
언급된 "어느 한 실시예", "실시예" 또는 "실시예에서" 는 본 발명의 적어도 하나 이상의 실시예에 포함된 관련 특성을 의미한다. 또한, 언급된 "어느 한 실시예", "실시예" 또는 "실시예에서"의 각각은 동일한 실시예로 관련될 필요는 없지만, 명백히 규정되어 있지 않으면 서로 배타적이지도 않다. 그리고 누구나 쉽게 알 수 있는 기술은 실시예에서 제외될 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 서술된 상기 실시예들의 임의의 다양한 조합 및/또는 통합을 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명이 실시가능한 특정 실시예를 도시한 도면을 참조하여 설명한다. 도시된 실시예는 당업자에게 이해될 정도로 상세히 설명한다. 본 발명의 범위내에서 다른 실시예가 실현 가능하며, 공지된 구조 및/또는 기능적 등가물에 기초해서 구조적 변경이 가능하다.
본 발명은 충방전동안 활성물질의 파열(spalling) 또는 박리(flaking)를 최소화하는 전극을 제공하며, 전극에 관련된 콜렉터 탭 구조와 그리드 판의 오목한 부분에서 볼록한 부분으로 전류 흐름 방향의 경계조건(boundary condition)을 감소시키거나 최소화한다. 또한 사이클 수명이 향상된 하이브리드 에너지 저장 디바이스를 제공하여 양의 전극과 이를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 디바이스의 고장 가능성을 감소시키는데 유리하다.
도 1은 그리드 판의 종래 기술을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 확대된 단면도의 입면도.
도 3은 도 1과 상기 그리드 판을 통한 전류 통로를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 그리드 판과 전류 통로를 도시한 도면.
도 5a는 수직의 각진 슬롯을 갖는 그리드 판을 도시한 도면.
도 5b는 도 5a 그리드 판의 A-A 축을 따르는 횡단면도.
도 5c는 도 5b의 세부사항을 확대한 도면.
도 5d는 도 5a 그리드 판의 D-D 축을 따르는 단면도.
도 5e는 도 5d의 세부사항을 확대한 도면.
도 5f는 도 5a 그리드 판의 투시도.
도 6a는 본 발명을 따르는 수평의 각진 슬롯을 가진 그리드 판을 도시한 도면.
도 6b는 도 6a 그리드 판의 A-A축을 따르는 횡단면도.
도 6c는 도 6b의 세부사항을 확대한 도면.
도 6d는 도 6a 그리드 판의 B-B 축을 따르는 단면도.
도 6e는 도 6d의 세부사항을 확대한 도면.
도 6f는 도 6a 그리드 판의 투시도.
도 7a는 수직의 정사각형 슬롯을 가진 그리드 판을 도시한 도면.
도 7b는 도 7a 그리드 판의 A-A 축을 따르는 횡단면도.
도 7c는 도 7b의 세부사항을 확대한 도면.
도 7d는 도 7a 그리드 판의 B-B 축을 따르는 단면도.
도 7f는 도 7a 그리드 판의 투시도.
도 7e는 도 7d 그리드 판의 세부사항을 확대한 도면.
도 8a는 본 발명을 따르는 수평의 정사각형 슬롯을 가진 그리드 판을 도시한 도면.
도 8b는 도 8a 그리드 판의 A-A 축을 따르는 횡단면도.
도 8c는 도 8b의 세부사항을 확대한 도면.
도 8d는 도 8a 그리드 판의 B-B 축을 따르는 단면도.
도 8e는 도 8d의 세부사항을 확대한 도면.
도 8f는 도 8a 그리드 판의 투시도.
도 9a는 수직의 원형 슬롯을 가진 그리드 판을 도시한 도면.
도 9b는 도 9a 그리드 판의 A-A 축을 따르는 횡단면도.
도 9c는 도 9b의 세부사항을 확대한 도면.
도 9d는 도 9a 그리드 판의 B-B 축을 따르는 단면도.
도 9e는 도 9d의 세부사항을 확대한 도면.
도 9f는 도 9a 그리드 판의 투시도.
도 10a는 본 발명을 따르는 수평의 원형 슬롯을 가진 그리드 판을 도시한 도면.
도 10b는 도 10a 그리드 판의 A-A 축을 따르는 횡단면도.
도 10c는 도 10b의 세부사항을 확대한 도면.
도 10d는 도 10a 그리드 판의 B-B 축을 따르는 단면도.
도 10e는 도 10d의 세부사항을 확대한 도면.
도 10f는 도 10a 그리드 판의 투시도.
도 11은 본 발명을 따르는 하이브리드 에너지 저장 디바이스를 개략적으로 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 일치하는 조립된 셀의 투시도.
도 13은 도 12에 개시된 셀의 양의 전극에 활용된 일반적 집전장치의 입면도.
도 14는 도 13에서 화살표 A-A 방향의 횡단면도.
본 발명에 따르면, 저항이 감소된 그리드를 구비한 집전장치는 양의 전극 또는 음의 전극에 활용될 수 있다. 바람직하게, 집전장치 그리드는 양의 전극에 이용된다. 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 저장 디바이스는 본 발명의 저항이 감소된 그리드를 구비한 전극을 하나 이상 포함한다.
도 1 내지 도 3은 전극용 집전장치 그리드 판(1)의 종래 기술을 도시한다. 일반적으로 판(1)은 판의 상단 위에 돌출된 탭(7) 아래에 배치된 그리드 구획(2)이 특징이고 판은 복수의 지속적, 평면적이고 이격되고 및 평행하며 볼록한 부분(5)과 오목한 부분(6)에 끼워진 수직 열(4) 사이에 배치되는 전류 채널(3)로 정의된 그리드를 포함한다.
수직 열(4)은 전도성 물질 특히 금속의 평면 시트를 펀칭(punching), 기계가공(machining)또는 주조(casting)하거나 탭(7)(도 2)에 대하여 수직방향인 슬롯(8) 생성을 유발하는 시트를 직접 몰딩함으로 구현된다. 슬롯은 볼록한 부분(5)과 오목한 부분(6)의 뒤에 놓인 활성물질 또는 페이스트(paste) 영역 사이에 전기 및 유체 소통을 모두 허용한다. 슬롯은 볼록한 부분(5)과 오목한 부분(6)으로 규현된 수직 직접 채널의 엣지부로 정의된다. 볼록하고(5) 오목한(6) 부분은 판의 오목한 부분에서부터 볼록한 부분에서 탭(7)까지의 전류 통로를 제공하기 위해 전도성 페이스트(예를 들어 이산화납)로 충진 된다.
도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 판(1)을 통하는 전류 흐름은 지속적으로 전류 채널(3)을 통과하지만 삽입된 수직 열(4)의 슬롯(8) 사이에서 방해받는다. 불연속 형태의 슬롯은 판을 통해 탭으로 흐르는 전류 흐름에 영향을 주는 복수의 경계조건을 제공한다. 시간이 지나면서, 더 구체적으로는 반복되는 방전과 재충전 사이클 후, 이들 경계조건은 부식에 민감해진다. 일반적으로 경계에서의 부식은 전도성 페이스트의 파열(spalling) 또는 박리(flaking)를 형성할 뿐만 아니라 전도판을 노후되게 한다. 경계에 부식이 증가하면 저항이 증가하고 저항손 및 이에 따른 전력손실을 얻게 된다.
도 4에 개략적으로 나타난 본 발명에 따르면, 탭에 대하여 볼록하고(5) 오목한(6) 부분의 열은 수평 구조에 새로운 방향이 된다. 따라서, 슬롯(8)은 수직 방향 대신의 전류 흐름 방향으로 놓인다. 이 경우에, 전류 채널(3)과 삽입된 열(4) 모두 그리드 판의 상단 엣지부와 탭(7)에 관하여 수평으로 배치된다. 이렇게 하여, 판의 볼록한 부분과 오목한 부분은 실질적으로 알려진 된 전도판의 전체 높이가 확장된 연속 파도 모양의 전도성 리본을 제공한다. 본 발명에 따르면, 슬롯(8)의 전체 길이보다는 슬롯의 폭만 경계조건의 구현에 기여한다.
볼록한 부분과 오목한 부분 및 슬롯은 각진, 정사각형 또는 원형의 구조에 제한되지 않고 다양한 형태를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 슬롯은 전도성 물질 특히 금속의 평면 시트를 펀칭(punching), 기계가공(machining) 또는 주조(casting)하거나 시트를 직접 몰딩한 결과로 만들어질 수 있다. 실시예에서, 슬롯은 시트를 절단(cutting)한 결과이거나 절단 하지 않고 평면 시트를 변형시킨 결과일 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 수직적 구조를 가진 각진 슬롯을 구비한 그리드 판을 도시한다. 반면에, 도 6a 내지 도6f는 수평적 구조를 가진 각진 슬롯을 구비한 본 발명을 따르는 그리드 판을 도시한다.
도 7a 내지 도 7f는 수직지향의 정사각형 슬롯을 구비한 그리드 판을 도시한다. 도 8a 내지 도 8f는 수평지향의 정사각형 슬롯을 구비한 본 발명을 따르는 그리드 판을 도시한다.
도 9a 내지 도 9f는 수직적 배열형태를 가진 원형 슬롯을 구비한 그리드 판을 도시한다. 도 10a 내지 도 10f는 수평지향의 원형 슬롯을 구비한 본 발명을 따르는 그리드 판을 도시한다.
다른 실시예에서, 그리드 판의 슬롯과 채널은 탭에 직류가 방사상으로 향하게 할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명을 따르는 하이브리드 에너지 저장 디바이스(10)는 저항이 감소된 그리드 구조를 구비한 전극을 하나 이상 포함하는 셀을 하나 이상 포함한다. 집전장치 그리드는 양의 전극 또는 음의 전극으로 활용될 수 있다. 바람직하게, 집전장치 그리드는 양의 전극(20)에 이용된다. 하이브리드 에너지 저장 디바이스는 하나 이상의 양의 전극(20)과 하나 이상의 음의 전극 사이에 분리기(26)를 포함한다. 하이브리드 에너지 저장 디바이스는 또한 전극과 케이싱을 포함한다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 에너지 저장 디바이스의 양의 전극은 납 또는 납 합금을 포함하는 집전장치, 집전장치 표면에 부착되고 전기적으로 접촉된 이산화납 페이스트, 및 옆면, 예를 들어 양의 전극의 상단 엣지부에서 확장된 탭 요소(28)를 포함할 수 있다. 커넥터 구조(36)를 구비할 수 있는 캐스트-온 스트랩(34)에 의해 양의 전극 탭 요소(28)는 서로 전기적으로 고정될 수 있다.
음의 전극은 전도성 집전장치(22), 부식 방지 피막, 활성화된 탄소 물질 및 옆면, 예를 들어 음의 전극의 상단 엣지부에서 확장된 탭 요소(30)를 포함할 수 있다. 커넥터 구조(40)를 구비할 수 있는 캐스트-온 스트랩(38)에 의해 음의 전극 탭 요소(30)는 서로 전기적으로 고정될 수 있다.
일반적으로, 음의 전극의 집전장치는 납보다 더 좋은 전도성을 가진 소재를 포함할 수 있고, 또한 구리, 철, 티타늄, 은, 금, 알루미늄, 백금, 팔라듐 (palladium), 주석, 아연, 코발트, 니켈, 마그네슘, 몰리브덴, 스테인리스 스틸, 이들의 혼합물, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
부식방지 전도성 피막은 집전장치에 적용될 수 있다. 전해질, 예를 들어, 황산 또는 황을 포함한 임의의 다른 전해질과 같은 산 전해질이 있는 상태에서 부식방지 전도성 피막은 화학적으로 저항력이 있고 전기화학적으로 안정하다. 따라서, 전기적 전도성이 허용되는 동안, 집전장치로의 이온 흐름 또는 집전장치로부터의 이온 흐름은 불가능하게 된다. 바람직하게 부식방지 피막은 함침(impregnated)된 흑연 소재를 포함한다. 흑연은 흑연 시트 또는 박막을 내산성으로 만들기 위한 물질(substance)로 함침된다. 물질은 파라핀 또는 푸르푸랄(furfural)과 같은 비-중합성 물질일 수 있다. 바람직하게, 흑연은 파라핀 및 로진으로 함침된다.
음의 전극의 활성소재는 활성카본(activated carbon)을 포함한다. 활성카본은 예를 들어, 종래의 BET 단일점 기술을 이용해 측정된 바와같이, 표면 영역은 약 100 m2/g 내지 약 2500 m2/g 의 (예를 들어, Micromeritics FlowSorb ∥2305/2310도구 이용하는)약 100 m2/g 보다 더 넒은 표면 영역에 존재하는 임의의 탄소 기반 소재와 관련 있다. 어느 실시예에서, 활성소재는 활성카본, 납 및 전도성 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성소재는 5-95 wt.%의 활성카본, 95-5 wt.%의 납 및 5-20 wt.%의 전도성 탄소를 포함할 수 있다.
활성소재는 부식방지 전도성 피막 소재에 부착되고 전기적으로 접촉된 시트형태일 수 있다. 활성카본을 부식방지 전도성 피막에 부착시키고 전기적으로 접촉시키려면, 활성카본 입자는 PTFE 또는 초고분자량 폴리에틸렌(예를 들어, 주로 약 2백만 내지 약 6백만 사이의 고분자량을 구비한다.)과 같은 적합한 바인더 물질로 혼합될 수 있다. 바람직하게, 바인더 물질은 열가소성 특성이 존재하지 않거나 극히 일부 존재한다.
도 12는 본 발명과 일치하는 조립된 셀(50)을 제시한다. 이는 통상적인 셀이고, 셀의 특정한 세부사항과 크기는 본 발명에서는 중요하지 않지만 통상적인 셀로 기재될 것이다. 이는 납 기반의 양의 전극(55)이 4개 있고 일반적으로 활성소재는 이산화납이다. 또한 통상적인 셀에는, 3개의 음의 전극이 있고 각각의 음의 전극은 표면에 부착된 다공성 탄소 물질(65)을 구비한 전도성 높은 집전장치(60)를 포함한다.
또한 각각의 통상적인 셀(50)은 교차로 포함된 복수의 양의 전극과 복수의 음의 전극을 포함한다고 기재될 것이다. 인접한 한 쌍의 양의 전극(55) 각각과 음의 전극의 활성소재(65) 사이에는 분리기(70)가 배치된다. 도 12에 도시된 통상적 구조에는, 6개의 분리기(70)가 있다.
각각의 양의 전극(55)은 전극 각각의 상단 엣지부 위에 확장된 탭(75)을 구비하도록 구성되고, 각각의 음의 전극(60,65)은 각각의 음의 전극의 상단 엣지부 위에 확장된 탭(80)을 구비한다.
일반적으로, 분리기는 산 전해질로 이용하기에 적합한 분리기 물질로 제조되며 부직포, 펠트소재 또는 이들의 조합과 같은 부직소재로 제조될 수 있다.
도 13은 양의 전극(55)용 납 집전장치(85)를 도시한다. 일반적으로 집전장치 소재는 주조(cast) 또는 기계가공될 수 있는 납 시트이다. 집전장치(85)의 제조 방법은 본 발명의 범위 밖이다.
각각의 집전장치(85)는 복수의 볼록한 부분(90)과 또 다른 복수의 오목한 부분(95)을 구비하는데, 여기에서 "볼록"과 "오목"의 용어는 집전장치(85)에 대한 평균면을 기준으로 쓰인다. 도 13에 도시된 바와 같이, 볼록하고 오목한 부분의 행렬은 열(105)로 배열된 것과 동일하다.
도 14에 도시된 바와 같이, 집전장치(85) 단면은 각각의 열(105)을 따라 파도 모양일 것이다. 오목한 부분(95) 각각의 이면에는 활성소재(110)로 배치되는 볼(bowl) 형태의 영역이 있다. 또한, 볼록한 부분(90) 각각의 이면에도 활성소재(110)로 충진된 볼 형태의 영역이 있다.
슬롯은 열(105) 내의 볼록하고 오목한 부분 사이에 형성될 것이며 또한 볼록한 부분과 오목한 부분 사이에 끼어있고 영향을 받지 않는 열(115)로 도시된 평면 부분에 형성될 것이다. 슬롯은 볼록한 부분 뒤(90)에 배치되는 활성 페이스트(110) 영역과 오목한 부분(95) 뒤에 배치된 활성 페이스트(110) 영역 사이의 전기적 통신과 유체 통신을 모두 허용한다. 또한, 이는 충방전 사이클 동안 활성소재의 파열(spalling) 또는 박리(flaking)의 발생 가능성을 줄인다.
에너지 저장 디바이스의 충방전 동안, 화살표 (115,120) 방향으로 양의 활성소재가 팽창 및 수축될 것이다. 그러나 팽창과 수축은 구체적으로 활성소재의 팽창은 그리드 집전장치가 일반적으로 납산 배터리에 사용되는 경우 정도까지 활성소재(110)와 집전장치(85) 사이의 접촉에 영향을 미치지 않을 것이다. 따라서, 용량의 감소가 이어져 결국 고장에 이르게 하는, 활성소재(110)이 집전장치로부터 발산(shedding)되는 위험이 감소된다.
또한 도 14에서 집전장치(85)의 총 두께 T1은 집전장치(85)가 제조된 납 기반 소재 두께 T2 보다 두껍다.
일반적으로 수퍼캐패시터 에너지 저장 디바이스는 복수의 셀(50)을 포함하는데, 각각의 셀은 구획된 케이싱의 각각의 격실에 배치된다(도시되지 않음).
본 발명에 따르면 충방전 동안 활성소재의 발산(shedding) 또는 박리(flaking)가 상당히 감소되기 때문에, 가능하다면 하이브리드 에너지 저장 디바이스의 사이클 수명은 향상될 수 있다. 또한 경계조건이 탭으로의 전류 흐름 방향에서 최소화되기 때문에 부식 영향은 상당히 감소되어야 하며 에너지 저장 디바이스의 사이클 수명은 실질적으로 향상되어야 한다.
본 발명에 따른 다른 장점은 집전장치가 주조되거나 기계처리될 때 납이 적게 활용될 수 있다는 것이다. 파도모양 행렬은 각각의 셀이 케이싱의 각각의 칸에 배치될 때 발생할 수 있는 적어도 수 psi의 압축력을 견딜 것이다.
-산업상의 이용성-
에너지 저장 디바이스는 (1) 집전장치; 탭부; 를 포함하는 하나 이상의 양의 전극 및 (2)탄소소재로 제공되는 하나 이상의 음의 전극으로 특징지어지는데, 상기 집전장치는 납을 포함하고, 집전장치의 평균면에 대해 다수의 볼록한 부분과 오목한 부분을 갖고, 볼록하고 오목한 부분 사이에 구성된 슬롯을 가지며, 이산화 납 페이스트는 집전장치의 표면에 부착되고 전기적으로 접촉된다. 구체적으로 하나 이상의 양의 전극은 에너지 저장 애플리케이션에 적합하다.
이상 본 발명을 한정적인 실시예로서 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 요지 내에서 각종 변경 및 변형 가능하다는 것은 자명하므로, 본 발명은 전술한 실시예로 한정되어서는 안 되며, 이하의 특허청구범위에 의해 제한되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 집전장치 및 탭부분을 포함하는 하나 이상의 양의 전극; 및
    탄소 소재를 포함하는 하나 이상의 음극;을 포함하고
    상기 집전장치는 납을 포함하고, 평균면에 대해 다수의 볼록한 부분과 오목한 부분을 구비하고, 상기 볼록한 부분과 상기 오목한 부분사이에 구성된 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 - 여기서 이산화납 페이스트는 상기 집전장치의 표면에 부착되고 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는
    에너지 저장 디바이스.

  2. 제1항에 있어서,
    복수의 양의 전극과 복수의 음의 전극을 포함하는 하나 이상의 셀을 포함하고,
    각각의 음의 전극은 집전장치, 상기 집전장치의 하나 이상의 표면에 부착되고 전기적으로 접촉된 다공성의 탄소 소재 및 상기 음의 전극의 상단부 위로 확장하는 탭요소를 포함하는 것을 특징으로 하는
    에너지 저장 디바이스.
  3. 납 또는 납합금을 포함한 그리드를 포함하는 집전장치를 구비하는 양의 전극; 및
    상기 집전장치의 측면에서 확장되는 탭 부분; 을 포함하고,
    상기 그리드는 복수의 평면, 볼록한 부분과 오목한 부분을 구비한 인터리브(interleaved)된 열 사이에 배치된 평행 전류 채널을 구비하고,
    볼록한 부분과 오목한 부분을 구비한 상기 열은 상기 탭 부분에 대해 수평하게 배치되어 집전장치의 하부에서 상기 탭 부분으로 확장된 연속된 전도성 리본을 제공하는 것을 특징으로 하는
    전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 볼록한 부분과 상기 오목한 부분이 각진 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는
    전극.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 볼록한 부분과 오목한 부분이 정사각형의 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는
    전극.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 볼록한 부분과 상기 오목한 부분이 원형의 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는
    전극.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼록한 부분과 상기 오목한 부분이 이산화납 페이스트로 충진되는 것을 특징으로 하는
    전극.
  8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 셀이 하나 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는
    하이브리드 에너지 저장 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    복수의 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는
    하이브리드 에너지 저장 디바이스.

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