KR101536031B1 - 네거티브 캔을 포함하는 원통형 니켈-아연 전지 - Google Patents

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사마레시 모한타
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제이슨 자오
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Abstract

니켈-아연 배터리는, 네거티브 캔, 포지티브 캡, 그리고 이들 내의 전기화학적으로 활성인 포지티브 및 네거티브 물질로 이루어진 젤리 롤을 이용하여 형성된다. 캔의 내부 표면은 캔에 코팅되거나 도금될 수 있는 부식방지 물질을 이용하여 보호된다. 포지티브 집전 디스크와 접촉하도록 니켈 기판을 접음으로써 젤리 롤과 캡 사이의 우수한 전기 전도성 접촉(contact)이 획득된다.

Description

네거티브 캔을 포함하는 원통형 니켈-아연 전지{CYLINDRICAL NICKEL-ZINC CELL WITH NEGATIVE CAN}
본 발명은 넓게는 니켈-아연 배터리에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 원통형 니켈-아연 전지의 물리적 디자인 및 구성에 관한 것이다.
휴대용 장치에 관한 최신 트렌드는 일차 또는 충전가능하지 않은 배터리에 대한 대체물로서 소비자가 이용하기 적합한 환경 친화적인 충전형 배터리에 대한 요구 및 필요성이 증가하고 있다는 것이다. 통상적인 충전형 알칼라인 배터리(예, 니켈-메탈 하이드라이드(니켈 금속 수소화물) 또는 니켈 카드뮴)은 네거티브 캔(can) 및 포지티브 캡(cap)을 가진다. 원통형 니켈-아연 전지는 통상적인 알칼라인 배터리의 역 또는 반대인 극성을 가지도록 디자인될 수 있다. 반대 극성 디자인에서, 배터리 벤트(vent) 캡은 네거티브(음) 단자이고 원통형 케이스 또는 캔은 배터리 포지티브(양) 단자이다. 반대 극성 디자인은 네거티브 단자에서 저 임피던스 및 저 수소 방출 특성을 제공한다. 전원 툴과 같이, 전기가 공급되는 휴대용 장치에서 사용될 때, 반대 극성 디자인은 소비자에게 아무런 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면 충전형 배터리가 장치에 내장되거나 별개로 패키지화되기 때문이다. 그러나, 전지가 개별적으로 공급되는 경우에, 소비자는 반대 극성 전지를 잘못 다룰 가능성이 있으며, 통상적인 극성의 전지처럼 반대 극성 전지를 이용하거나 충전함으로써 전지나 장치에 손상을 줄 수 있다.
다수의 소비자가 개별적인 전지를 이용할 수 있도록 하기 위해서는, 니켈-아연 전지에 대한 통상적인 극성의 전지 디자인이 네거티브 단자에서 양호한 임피던스 및 수소 방출 특성을 나타낼 것이 요구된다.
니켈-아연 배터리 셀이 네거티브 캔, 포지티브 캡, 및 전기화학적으로 활성인 포지티브 및 네거티브 물질로 이루어진 젤리 롤로 형성된다. 캔의 내부 표면은 부식 방지 물질로 보호되고, 부식 방지 물질은 캔에 코팅되거나 도금된다. 젤리 롤과 캡 사이의 우수한 전기 콘택트(접촉)는 포지티브 집전 디스크와 접촉하도록 니켈 기판을 접어 포개어 얻어진다.
일 측면에서, 본 발명은 캔, 캔 상의 네거티브 집전 디스크, 네거티브 집전 디스크 상부면 상의 젤리 롤, 젤리 롤 상의 포지티브 집전 디스크 및 집전 디스크에 연결되나 캔과 전기적으로 절연된 벤트 어셈블리를 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다. 전지는 캔의 벤트 어셈블리와 에지 사이의 인터페이스에서 봉합된다. 캔은 바닥 부분과 원통 부분을 포함한다. 캔은 부식방지 물질을 포함할 수 있다. 네거티브 집전 디스크는 캔과 전기적으로 접촉한다. 젤리 롤은 포지티브 전극, 네거티브 전극 및 이들 사이의 하나 이상의 격리판(separator)을 포함한다. 네거티브 전극은 네거티브 집전 디스크와 전기적으로 접촉하고, 포지티브 전극은 포지티브 집전 디스크와 전기적으로 접촉한다. 벤트 어셈블리는 포지티브 집전 디스크 상에 놓인다.
전지의 일부로서 부식방지 물질이 캔의 일부 또는 격리판 소자의 일부로 포함된다. 캔의 일부로서, 부식방지 물질은 캔 자체의 조성물이거나, 캔의 내부 표면 상에 코팅 또는 도금될 수 있다. 코팅은 용접, 피복(cladding) 또는 그 외의 접착 기술과 같은 기술을 이용하여 도포될 수 있다. 이 물질은 또한 전기 도금이나 비전해 도금과 중 어느 하나에 의해 내부 표면에 도금될 수 있다. 부식방지 물질은 구리, 주석, 구리/주석 합금, 아연, 은, 전도성 탄소(conductive carbon), 황동 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 부식방지 물질은 캔에 코팅 또는 분사된 전도성 탄소 페인트이다. 다른 실시예에서, 부식방지 물질은 도금된 주석 또는 도금된 주석 및 구리의 이중막이다. 또 다른 실시예에서, 부식방지 물질은 도금된 아연, 구리 또는 은이다. 그 밖의 예에서, 캔은, 실질적으로 약 50% 이상의, 바람직하게는 75% 이상의 구리, 아연, 주석 또는 황동의 화합물을 포함한다. 별개의 성분으로서, 부식방지 물질은, 젤리 롤의 주위를 감싸는 금속 시트, 포일 또는 격리판일 수 있다. 부식방지 물질은 젤리 롤이나 캔에 부착될 수 있다.
부식방지 물질은, 아연 네거티브 전극 물질이 더 양호한 전기 및 열 전도성을 위해 네거티브 캔에 접촉되기 때문에 필요하게 된다. 그러나, 위에 언급한 것과 같이 아연과 캔 물질 사이의 부식 반응이 전지에 손상을 줄 수 있다.
부식방지 물질은 네거티브 집전체의 일부일 수 있다. 네거티브 집전체의 부식방지 물질은 캔의 부식방지 집전체와 동일한 물질 또는 이와 다른 물질일 수 있다. 일반적으로, 부식방지 물질을 캔에 부착 또는 도포하는 방법이 집전체에 적용될 수 있다.
이러한 또는 다른 특징 및 효과가 이하에서 관련 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 Zn 전극 내의 전하 이동 및 매질 이동(mass transfer) 반응을 나타내는 도면이다.
도 2A는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지의 전개도이다.
도 2B는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지의 단면도이다.
도 3A 및 3B는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지의 다양한 부분을 나타내는 단면도이다.
도 4는 전지의 상부에서 본 벤트(vent) 캡을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 예시적인 전지 디자인을 나타내는 전개도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 젤리 롤 구성요소의 상대적인 위치를 나타내는 도면이다.
니켈-아연 전지의 디자인 및 제조 방법 면에서, 본 발명의 실시예들이 이하에 설명된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본 발명에 대한 다음의 상세한 설명이 단지 설명을 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 이 명세서 내용을 아는 위와 같은 기술자는 본 발명의 다른 실시예들도 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 부식방지 물질은 다른 절차를 이용하여 전지 캔의 내부에 도포될 수 있다.
첨부된 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예가 상세히 참조될 것이다. 이러한 애플리케이션에서, "배터리"와 "전지"라는 용어는 교차적으로 사용될 수 있으며, 이러한 용어 사용은 기술 내용으로부터 명확히 이해된다.
서론
휴대용 장치의 최신 트렌드는 일차 또는 비 충전식 배터리에 대한 대체품으로써 소비자가 사용하기 적합한 환경 친화적인 충전식 배터리에 대한 필요 및 요구가 증가하고 있다는 것이다. 니켈 아연 배터리는 환경 친화적이나, 저 임피던스 및 수소 방출에 관하여 반대 극성 형식으로 공급된다. 전지가 개별적으로 공급될 때, 소비자는 반대 극성 전지를 잘못 이용할 가능성이 있으며, 통상적인 극성의 전지처럼 반대 극성 전지를 사용하거나 이용함으로써, 전지 또는 장치에 손상을 줄 수 있다.
표준 소비 사이즈(예, AA, AAA, C 및 D)의 통상적인 극성의 전지와 유사한 반대 극성 전지를 제조하는 것이 소비자를 위한 하나의 해결책이다. 버튼을 인출시킴으로써 포지티브 캔(can)의 바닥이 포지티브 캡(cap)처럼 보이도록 만들 수 있다. 네거티브 캡은 네거티브 캔의 바닥처럼 보이게 납작하게 만들 수 있다. 그러나, 이러한 해결책은 캔 내부의 전기화학적 활성 물질에 허용된 공간을 감소시킨다. 바닥에서 인출된 버튼은 단지 외관적인 목적만을 가진다. 버튼의 부피는 임의의 전지 기능을 위해 사용되지 않는다. 평평한 표면 하부에 네거티브 단자의 벤트(vent) 캡을 감추는 것은 전지 기능을 위해 사용되지 않는 공간을 추가한다. 기본적인 영향은 전기화학적 반응에 이용될 수 있는 부피가 감소한다는 것이다. 실제 전지는 이러한 구성에 맞춘 표준 전지보다 길이가 더 짧아야 한다. 사이즈 감소는 다른 전지 형태에 대한 Ni-Zn 전지의 장점 중 하나 -동일한 사이즈의 전지에 대해 더 많은 에너지- 를 감소시키거나 없앤다.
본 발명은, 반대 극성 디자인의 본 원리 중 일부를 배제하고 다른 장점을 얻는, 통상적인 극성(포지티브 캡 및 네거티브 캔)을 이용하는 배터리 전지 디자인에 관한 것이다. 또한 통상적인 극성을 사용하는 것은 반대 극성 전지의 외관 재-디자인과 관련된 전지 에너지 감소를 방지한다. 특정한 실시예에서, 이러한 발명의 배터리 전지는 니켈-아연 배터리이다.
일 측면에서, 본 발명은 캔, 캔의 바닥 상의 네거티브 집전 디스크, 네거티브 집전 디스크 상의 젤리 롤, 젤리 롤 상부면 상의 포지티브 집전 디스크, 및 집전 디스크에 연결되나 캔과 절연된 벤트 어셈블리를 포함하는 배터리 전지에 관한 것이다. 전지는 벤트 어셈블리 및 캔의 에지 사이의 인터페이스에서 밀봉된다.
전지의 일부로서 부식방지 물질이 캔이나 별개의 소자의 일부 중 어느 하나로 포함된다. 캔의 일부로서, 부식 방지 물질은 캔 자체의 조성물이거나, 적어도 캔의 내부 표면 상에 코팅되거나 도금된 화합물일 수 있다. 코팅은 페인트되거나 용접, 피복 또는 그 외의 접착 기술과 같은 기술을 이용하여 적용될 수 있다. 또한 물질은 전기도금 또는 비전해 도금 중 어느 하나에 의해 캔의 내부 표면상에 도금될 수 있다. 일부의 경우에, 물질은 캔에 도포된 후에, 예를 들면 베이킹(약 섭씨260도 이상에서) 이나 화학적 세정 등의 처리를 거칠 수 있다. 부식방지 물질은 구리, 주석, 구리/주석 합금, 아연, 은, 전도성 탄소, 황동(brass) 또는 이들의 조합물일 수 있다. 일 실시예에서, 부식방지 물질은 전도성 탄소 페인트이다. 다른 실시예에서, 부식방지 물질이 도금된 주석 또는 도금된 주식 및 구리의 이중막이다. 또 다른 실시예에서, 부식방지 물질은 도금된 아연, 구리 또는 은이다. 그 밖의 예로는, 실질적으로 50%이상의, 바람직하게는 75%이상의, 구리, 아연, 주석 또는 황동의 합성물을 포함하는 캔을 가지는 것이 포함된다. 별개의 소자로서, 부식방지 물질은 금속 시트, 포일 또는 비-습윤성 폴리머 또는 젤리 롤을 감싸는 격리판일 수 있다. 부식방지 물질은 젤리 롤 또는 캔에 부착될 수 있다.
비-습윤성 폴리머 또는 격리판은 소수성 폴리머 시트일 수 있다. 임의의 소수성 폴리머가 사용될 수 있으나, 미소공성(microporous) 멤브레인(가령, 약 30 내지 80 사이의 다공률(porosity)과 약 0.005 내지 0.3 마이크론 사이의 평균 구멍 사이즈을 가지는 폴리오레핀)이 적합하다. 또한, 비 다공성 시트가 효과적일 것이다. 비-습윤성 격리판은 젤리 롤과 캔 사이의 네거티브 전극의 끝단을 지나쳐 구부러진 젤리 롤 내의, 격리판의 연장부로써 부가될 수 있다.
전도성 카본 페인트는 전도성 그래파이트 코팅일 수 있다. 일반적으로, 수용성이며 KOH에 대해 내성을 가진다. 도금된 강철의 부식 및 산화를 줄이고 음극 캔과 전해질 사이의 전기 접촉을 개선이 된다. 이러한 물질에 대한 하나의 적합한 공급처(source)로 미시건, 매디슨 하이츠의 애치슨 인더스트리스(Acheson Inducstries)가 있다. 전도성 카본은 언급된 효과를 얻기 위해 얇고 평평하게 도포된다. 전형적인 애플리케이션으로는, 와이퍼 어셈블리를 포함하는 네거티브 집전 디스크의 캔의 바닥을 찍거나 브러싱하는 것을 포함한다. 캔의 측면에 페인트가 분사되거나 브러시될 수 있다. 페인팅 후에, 물질이 상승된 온도에서 일정한 시간 동안(예를 들면 약 섭씨 70도에서 30분 동안) 건조될 수 있다.
부식방지 물질이 요구된다. 왜냐하면, 아연 네거티브 전극 물질은 더 우수한 전기 및 열 전도성을 위해 네거티브 캔과 접촉되기 때문이다. 그러나, 위에 설명한 바와 같이, 아연과 캔 물질 사이의 부식 작용은 전지에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 아연 활성 물질이 캔에서 접촉하는 물질은 이러한 반응을 방지하도록 주의 깊게 선택된다. 본 발명의 발명자는 뜻하지 않게 다른 벤더(vendor)로부터 도금된 캔은 다르게 작용한다는 사실을 발견하였다. 구체적으로, 중국, 심천(Shenzhen)의 심천 롱강 핑산 가오헝성 컴퍼니(Shenzhen Longgang PingShan Gaohengsheng Companay)에 의해 도금되어 제조된 배터리 전지가 좋은 특성을 가지는 것을 발견했다. 이 프로세스는 알칼라인 용액을 사용한 유지제거(degreasing), 물을 이용한 세 번의 세정, 산을 이용한 워싱, 물을 이용한 세 번의 세정, 탈이온수를 이용한 한 번의 세정, 황산염 포함 전해질을 이용한 주석 막의 도금, 물을 이용한 세 번의 세정, 탈이온수를 이용한 세정 및 건조를 포함한다.
우수한 균일도의 도금(캔의 전체 영역)은 높은 방출력을 가지는 도금 화학을 이용하여 얻어질 수 있다. 캔의 내부 표면을 전기 도금하는 경우에, 전극 주위의 영역은 전극에서 먼 영역보다 더 많은 도금 물질이 누적되는 경향이 있다. 매우 우수한 전도성 전해질을 이용하는 것은 이러한 비-균일성을 감소시킨다. 금속 시트가 캔 내에 제조되기 전에 금속 시트에 도금을 하는 또는 비전해 도금을 사용하는 것은 또는 균일도를 증가시킬 수 있는 다른 방식이다.
캔 및 젤리 롤을 부식 반응으로부터 보호하기 위한 다른 방식은 충분한 주석이 도금되어 캔 표면 상의 임의의 한 위치에서의 최소 두께를 충분히 두껍게(예, 약 3-20um) 하는 것이다.
부식방지 물질에 대한 다른 고려사항은 물질 및 제조공정 양쪽에 대한 비용이다. 따라서, 배터리 전지의 전체 비용이 많이 증가한다면, 비싼 코팅 방법 또는 물질은 실용성이 없다.
네거티브 집전 디스크는 캔의 바닥에 배치된다. 네거티브 집전 디스크가 일반적으로 구리로 제조되나, 네거티브 전극에 적합한 다른 물질일 수도 있다. 일 실시예에서, 네거티브 집전 디스크가 구리 폼 디스크 또는 발포(expanded) 금속이다. 일부 실시예에서, 네거티브 집전 디스크는 또한 부식방지 물질로 코팅 또는 도금된다. 이러한 부식방지 물질은 캔의 내부 표면과 동일하거나 다른 물질일 수 있다. 추가적으로, 전체 네거티브 집전 디스크는 구리, 주석, 구리/주석 합금, 아연, 은, 전도성 카본, 황동 및 이들의 조합물과 같은 부식방지 물질로 제조될 수 있다.
특정한 실시예에서, 스프링 메커니즘이 캔의 바닥과 네거티브 집전 디스크 사이에 부가될 수 있다. 스프링 메커니즘은 알칼라인 전해질과 융화될 수 있는 오-링 또는 일정한 응력(tension)으로 형성된 금속의 형태일 수 있다. 스프링 메커니즘은 전원 툴에서와 같은 배터리 동작 중에 그리고 배터리를 갑자기 떨어트리는 것과 같은 취급 중의 충격 및 진동을 흡수한다. 스프링 메커니즘이 충격을 흡수할 때, 다른 전지 컴포넌트(예, 네거티브 집전 디스크 또는 젤리 롤)가 변형되지 않는다. 일부 실시예에서, 이러한 스프링 메커니즘은 네거티브 집전 디스크의 일부(예, 디스크로 나뉜 하나 이상의 벤트 탭)일 수 있으며, 또는 용접 등의 여러 접착 기술에 의해 캔에 연결될 수 있다.
젤리 롤은 네거티브 집전 디스크의 상부에 위치한다. 젤리 롤은 포지티브 전극, 네거티브 전극 및, 이들 사이의 하나 이상의 격리판을 포함한다. 네거티브 전극의 조성 및 제조방법이 미국 특허 출원 번호 10/921,062(J. Phillips)(2004년8월 17일 출원(저 탄화 아연 전극); PCT 공개 번호 WO 02/39517(J. Phillips); PCT 공개 번호 WO 02/039520(J. Phillips); PCT 공개 번호 WO 02/39521;PCT 공개 번호 WO 02/039534(J. Phillips); 및 미국 특허 공개 번호 2002182501에 개시되며, 위의 문헌들은 각각 모든 면에서 전체적으로 이 명세서에 참조문헌으로 포함된다. 포지티브 전극의 조성 및 제조 방법은 다음의 문서에 개시된다. 이들 각각은 모든 면에서 전체적으로 이 명세서에 참조문헌으로 포함되며, 이들은 PCT 공개 번호 WO 02/039534(J. Phillips)(공침전된 Ni(OH)2, CoO 및 세밀하게 분할된 코발트 메탈) 및 미국 특허 공개 번호 20020192547(2002년 3월 15일 출원,(불화물 첨가제))이다. 전체적인 니켈 아연 배터리 디자인이 미국 특허 출원 11/116,113에 개시되며, 이는 모든 면에서 전체적으로 이 명세서에 참조문헌으로 포함된다.
젤리 롤은 위에 설명된 절단 전극 및 격리판 시트로부터 형성된다. 네거티브 전극 및 포지티브 전극은 하나 이상의 시트에 의해 분리된다. 격리판들은 복수의 서로 다른 화합물들이고, 이온 교환을 가능하게 하면서 덴드라이트 성장에 대한 방어막을 제공하고 습윤상태가 되게 하는 것과 같은 다른 목적으로 기능을 하는 서로 다른 물질로 이루어진 복합 시트일 수 있다. 와인딩 장치는 동시에 여러 시트를 잡아당겨 이를 젤리 롤 형태의 구조물과 말을 수 있다. 충분한 두께의 실린더가 생산된 후에, 장치는 격리판과 전극으로 이루어진 막을 절단하여 최종적인 젤리 롤을 생성한다. 속이 빈 코어가 젤리 롤의 중심을 통과하여 확장한다. 코어의 반지름 및 모양은, 와인딩 중에 전극과 격리판의 시트들을 고정하는 와인딩 툴에 의해 제어될 수 있다.
젤리 롤의 외부 막은 바람직하게는 네거티브 아연 전극이다. 아연 활성 물질은 니켈 활성 물질보다 많이 제공되는 것이 일반적이다. 또한 아연 활성 물질은 더 저렴하다. 반대 극성 디자인에서, 캔과 아연 활성 물질 사이의 격리판으로 이루어진 추가 막이 네거티브 전극으로부터 포지티브 캔을 절연하는데 필요하다. 그러나, 통상적인 극성의 디자인에서, 외부 막과 캑은 동일한 극성을 가지고, 격리판으로 이루어진 추가 막은, 캔의 부식방지 성분이 충분한 경우에, 필요하지 않을 수 있다. 외부 격리판을 제거하면 전기화학적 활성 물질에 대한 캔 내의 가용 부피가 증가하고, 격리판 물질을 덜 사용함으로써 비용이 감소한다.
그러나 특정한 실시예에서, 격리판 물질의 막은 캔과 아연 활성 물질 사이에서 여전히 사용될 수 있다. 이러한 막이 소수성인 경우에, 추가적인 부식방지 속성을 제공한다. 소수성 격리판을 사용하면, 캔과 젤리 롤을 효과적으로 전기적으로 분리할 수 있을 정도로 전해질 경로를 강화하고, 이에 따라 캔 표면에서의 부식 반응을 방지한다.
격리판 물질로 이루어진 이러한 막은 격리판 랩처럼 또는 소수성 격리판 막의 비-습윤성 확장부(extension)와 같이 외부 네거티브 전극 막 주위를 감쌀 수 있다. 젤리 롤이 감김에 따라, 격리판의 비-습윤성 확장부는 젤리 롤 외부를 둘러산 최종 랩을 만든다.
전극은 서로 약간 어긋나는 방식으로 감기고, 여기서 포지티브 전극 및 격리은 네거티브 전극 상부로 돌출하며, 네거티브 전극은 포지티브 전극 하부로 확장한다. 이러한 어긋남은 개별적인 집전 디스크와의 접촉을 용이하게 한다. 포지티브 전극 기판(보통 니켈 폼)은 격리판 시트 상부에서 포개질 수 있으며, 서로 포지티브 집전 디스크와 접속이 잘 이루어지게 하는 니켈 폼 플레이트를 형성한다. 젤리 롤의 상부에서, 니켈 폼 물질이 가장 멀리 확장하며, 이어서 격리판 물질이, 그리고 네거티브 전극이 가장 적게 확장한다. 니켈 폼 및 격리판 물질이 경계부로부터 젤리 롤의 중심 쪽으로 겹쳐진다. 겹쳐진 격리판은 네거티브 전극 상부를 덮고, 니켈 폼이 네거티브 전극과 직접적으로 접촉하는 것을 방지한다. 각각의 연속적인 와인드(wind, 권선)로부터의 니켈 폼이 다음의 내부 와인드로부터의 폼과 접촉하여 중첩된 니켈 폼 플레이트를 형성하도록 니켈 폼이 확장되는 것이 바람직하다. 트정한 실시예에서, 니켈 폼은, 폼 플레이트의 형성을 용이하게 하고 과잉 주름(wrinkle)을 방지하기 위해, 격리판을 건드리지 않으면서, 상부 에지에서 세밀하게 잘린다.
포지티브 집전 디스크는 포지티브 전극과 전기적 접촉 상태인 젤리 롤의 상부에 배치되거나 부착될 수 있다. 포지티브 집전 디스크는 스테인리스 스틸로 제조될 수 있고, 니켈이나 그 외에 니켈 포지티브 전극과 융화될 수 있는 물질로 도금될 수 있다. 포지티브 집전 디스크 상부의 하나 이상의 금속 탭은 벤트 어셈블리에 부착된다. 금속 탭은 양호한 콘택트를 형성하기 위해 벤트 어셈블리에 용접될 수 있다. 포지티브 집전체와 탑(top) 사이에, 압축 및 이완을 위한 오링(o-ring)이 존재한다.
특정한 실시예에서, 젤리 롤에 대한 전기 콘택트가, 포지티브 집전 디스크 및 탑 사이에 삽입된 "스프링"에 의해 생성된 압력에 의해 유지된다. 스프링은 니켈로 도금된 강철 스프링일 수 있다. 택일적으로, 스프링은 가압된 고무 고리 또는 오링(이는 알칼라인 매치에 대해 내성을 가짐)을 대체할 수 있다. 이러한 물질은 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 또는 Viton®(DuPont Dow Elastomers, L.L.C.의 fluoroelastomer family)일 수 있다. 다른 실시예에서, 스프링은 집전 디스크의 하나 이상의 구부러진 부분이거나 이를 포함할 수 있다. 어느 경우에도, 저 임피던스 전기 저항이 캡과 젤리 롤 사이에 유지되도록 충분한 압력이 유지된다. 특정한 실시예에서, 오링에 의해 발생된 압력은 전지 캔 내의 크림프(crimp)를 통과하여 또는 이로부터 하부방향으로 작용한다.
배터리 전지의 벤트 어셈블리는 벤트 메커니즘, 실 가스켓, 및 바닥 플레이트를 포함한다. 바닥 플레이트는 용접에 의해 포지티브 집전 디스크에 부착될 수 있다. 벤트 메커니즘은 벤트 홀을 가지는 캡과 300psi, 450psi 이상의 또는 600psi 까지의 압력에서 압력 이완 능력을 제공하는 고무 삽입물을 포함한다. 벤트 메커니즘의 캡은 수 개의 장소에서 바닥에 용접된다. 일 실시예에서, 중심으로부터 등거리에 네 개의 용접이 이루어진다. 다른 실시예에서, 더 많거나 적은 용접 바닥 플레이트에 이루어지거나 또는 캡의 전체적인 주변부가 바닥 플레이트에 용접될 수 있다.
밀봉 가스켓은 벤트 어셈블리 둘레에 끼워지거나 캔에 삽입된다. 캔의 에지는 이후에 포개지고 밀봉 가스켓 상부에서 수축하여 캔을 밀봉한다. 캔의 크림핑(crimping)은, 밀봉 가스켓이 벤트 어셈블리로부터 캔을 절연시키면서 동시에 밀봉한다.
전지 제조 프로세스 중에, 캔의 일부가 비딩된다. 젤리 롤의 위치 상부의 캔의 작은 가장자리 부분이 압축되어 이러한 비드의 에지 하부의 절연체가 일정한 위치에 고정되게 하고 캔과 포지티브 전극 물질 사이의 접촉을 막는다. 비드(bead)는 또한 밀봉 가스켓을 캡슐화하는데 사용된다.
다른 측면에서, 본 발명은 캔, 네거티브 집전 디스크, 젤리 롤, 부식방지 물질막, 포지티브 집전 디스크 및 벤트 어셈블리를 가지는 니켈 아연 배터리 전지에 관련된다. 부식방지 물질막은 젤리 롤의 외부 와인드에 또는 캔의 내부 표면에 부착될 수 있다. 부식방지 물질은 구리, 주석, 구리/주석 합금, 아연, 은, 전도성 탄소, 황동 또는 이들의 조합일 수 있다. 부식방지 물질은, 캔의 내부 표면 또는 젤리 롤의 외부 표면 상의 포일, 시트, 코팅된 막 또는 도금된 막일 수 있다.
다양한 디자인 특성에 대한 내용의 틀 잡기 위해, 전기화학적 반응 및 니켈 아연 전지 내의 가능한 부산물에 대해 설명된다.
니켈 아연 배터리의 전기화학적 반응
알칼라인 전기화학 전지 내의 니켈 하이드로옥사이드 포지티브 전극에 대한 충전 프로세스는 다음의 반응에 의해 이루어진다.
Figure 112010065659679-pct00001
포지티브 전극의 충전 효율 및 포지티브 전극 물질의 이용은 다음 반응에 의해 제어된 산소 발생 프로세스에 의해 영향을 받는다.
Figure 112010065659679-pct00002

산소 발생 반응은 일반적으로 SOC(state-of-charge)가 70-80%에 이를 때 시작된다. 니켈 전극의 과잉 충전은, 더 많은 전하가 가스 발생에 관여할수록, 니켈 전극의 충전 효율의 감소로 이어진다. 전기호학 전지의 제 1 충전 후에, 니켈 하드록사이드가 니켈 옥시 하드록사이드를 형성하도록 산화된다. 전기화학적 전지의 방전 중에, 니켈 옥시하드록사이드가 환원되어 니켈 하이드록사이드를 형성한다. 가역성 니켈 하드록사이드는 베타-상(beta phase) 구조물로 유지되나, 일반적으로 니켈 전극은 충전/방전 사이클의 수가 증가함에 따라 두께 면에서 팽창함으로써 다소 분해된다.
알칼라인 전해질은 Zn 전극 내의 전기화학적 반응에서 이온 캐리어로 기능을 한다. 충전형 Zn 전극에서, 개시 활성 물질은 ZnO 파우더이거나, 아연 및 아연 옥사이드 파우더의 혼합물이다. ZnO 파우더는, 충전 프로세스 중에, 아연 금속으로 환원된 징케이트(zincate:아연산염)
Figure 112010065659679-pct00003
을 형성하는 KOH 용액에 용해된다. Zn 전극에서의 반응이 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010065659679-pct00004

이후에, 전체 Ni/Zn 배터리 반응이 다음과 같이 표현된다.
Figure 112010065659679-pct00005
Zn 전극 내의 전하 이동 및 매질 이동 반응은 또한 도 1에 도시된다. 도 1에서와 같이, Zn 전극의 방전 프로세스(오른쪽을 향하는 화살표로 도시됨)에서, 아연 금속(101)이 전자를 방출하여 징케이트(103)가 된다. 동시에, KOH 용액 내의 징케이트의 농도가 증가한다. 징케이트 농도의 증가는 ZnO(105)를 형성하기 위한 징케이트의 침전(precipitation)으로 이어진다. 아연 전극에서 일어나는 이러한 치환 및 응집 작용은 많은 전하 충전 사이클에 걸쳐 전극의 활성면에서 결과적인 손실의 주요 요인이다. 격리판 내의 징케이트 성장을 제거하기 위한 Ni-Zn 배터리 기술의 일부 개선점이 특허 US20060127761, US20060207084, 및 EP1819002에 설명되며, 이들 각각은 모든 면에서 전체적으로 이 명세서의 참조문헌으로 포함된다.
일반적인 전지 구조
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 전지의 주요 구성요소를 나타내는 도면이다. 여기서 도 2A는 전지의 전개도를 나타낸다. 원통형 어셈블리(210, "젤리 롤"이라고도 함) 내에 교차 전극 및 전해질 막들이 제공된다. 원통형 어셈블리 또는 젤리 롤(201)은 캔(203)의 내부에 배치되거나 그 외의 격납 용기 내에 위치한다. 네거티브 집전 디스크(205) 및 포지티브 집전 디스크(207)는 원통형 어셈블리(201)의 마주보는 말단부에 부착된다. 네거티브 및 포지티브 디스크는 내부 단자로서 기능을 하며, 여기서 네거티브 집전 디스크는 네거티브 전극에 연결되고, 포지티브 집전 디스크는 포지티브 전극에 연결된다. 벤트 어셈블리(209)의 일부로서 벤트 캡과 캔(203)이 외부 단자의 역할을 한다. 언급한 실시예에서, 포지티브 집전 디스크(207)는 포지티브 디스크(207)를 벤트 어셈블리(209)에 연결하기 위한 오링(211)을 포함한다. 네거티브 집전 디스크(205)가 용접되거나 캔(203)에 전기적으로 연결된다. 절연체(213)가 캔(203)과 젤리 롤(201)의 가장자리 코너 사이에 위치하여 캔을 젤리 롤의 상부상의 임의의 노출 포지티브 전극으로부터 전기적으로 절연시킨다. 다른 실시예에서, 포지티브 집전 디스크는 캔을 연결하고, 네거티브 집전 디스크는 캡을 연결한다.
네거티브 및 포지티브 집전 디스크(205 및 207)는 젤리 롤의 부착 및/또는 전지의 일 부분에서 다른 부분으로의 전해질의 이동을 용이하게 하기 위해 구멍이 뚫릴 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크는 슬롯(반지름 방향 또는 주변부), 그루브 등 접착 및/또는 전해질 보급을 용이하게 하기 위한 그 외의 구조물을 이용할 수 있다. 특정한 실시예에서, 네거티브 집전 디스크는 구리 폼이다. 구리 폼(copper foam)은 캔 바닥에 가장 인접한 측면상에 지지대로서 금속 배킹(backing)을 가진다. 특정한 실시예에서, 스프링 메커니즘이 네거티브 집전 디스크와 캔의 바닥 사이에 배치되어 젤리 롤에 압력을 전달하여, 전기적 접촉이 잘 이루어지도록 한다. 스프링 메커니즘은 취급 및 동작 중의 충격과 진동도 흡수한다.
도 3A는 배터리 전지의 포지티브 말단의 확대 단 면도이다. 탄력성 가스켓(311)이, 캡(309)이 인접하게, 캔(31)의 상부 부분의 지름 방향을 따라 제공된 가장자리 비드(315)에 놓인다. 가스켓(311)은 캔(313)으로부터 캡(309)을 전기적으로 절연하는 기능을 한다. 특정한 실시예에서, 가스켓(311)이 놓이는 비드(315)는 폴리머 코팅으로 코팅된다. 가스켓은 캔으로부터 캡을 전기적으로 절연하는 임의의 물질일 수 있다. 바람직하게, 이 물질은 고온에서 현저히 변형되지 않으며, 이러한 물질의 하나가 나일론이다. 다른 실시예에서, 상대적으로 소수성인 물질을 사용하여, 알칼라인 전해질이 접합부(seam) 또는 다른 가용 배출 포인트로부터 스며나오고 결국 누설되도록 하는 드라이빙 포스(driving force)를 감소시키는 것이 필요하다. 저 습윤성 물질의 예는 폴리프로필렌이다.
캔이나 그 외의 격납 용기(containment vessel)가 전해질로 채워진 후에, 용기가 밀봉되어 환경으로부터 전극 및 전해질을 격리시킨다. 가스켓은 크링핑 프로세스에 의해 밀봉되는 것이 일반적이다. 특정한 실시예에서, 밀봉제(sealing agent)가 누설을 막는데 사용된다. 적합한 밀봉제의 예는 아스팔트(bituminous) 밀봉제, 타르 및 오하이오, 신시네티에 소재한 코그니스(Cognis)의 VERSAMID®를 포함한다.
특정한 실시예에서, 전지는 전해질 "결핍" 조건에서 동작하도록 구성된다. 나아가, 특정한 실시예에서, 본 발명의 니켈-아연 전지는 전해질 결핍 형식을 이용한다. 이러한 전지는 활성 전극 물질의 양에 관하여 상대으로 소량의 전해질을 가진다. 이들은 전지의 내부 영역 내에 자유 액상 전해질을 가지는, 침수성 전지와 쉽게 구별될 수 있다. 미 명세서에 참조문헌으로 포함된, 미국 특허 출원 번호 11/116,113(2005년 4월 26일 출원, 제목 "Nickel Zinc Battery Design")에 설명된 것과 같이, 다양한 이유로 결핍 조건에서 전지를 동작시키는 것이 바람직하다. 결핍성 전지(starved cell)은 일반적으로 전지 전극 내의 전체 공간 부피가 전해질에 의해 완전히 채워지지 않은 것으로 이해된다. 구체적인 예에서, 전해질이 채워진 후의 결핍성 젤리 롤의 공간 부피가 채워지기 전의 전체 공간 부피의 약 10% 이상이다.
본 발명에 따른 배터리 전지는 복수의 다른 모양 및 사이즈 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 원통형 전지는 통상적인 AAA 전지, AA 전지, A 전지, C 전지 등의 지름 및 길이를 가질 수 있다. 통상적인 전지 디자인은 일부 응용예에 적합하다. 특정한 실시예에서, 전지 사이즈는 지름 22mm 및길이 43mm의 서브-C 전지 사이즈이다. 또한 본 발명은 상대적으로 작은 세모기둥 모양의 전지 형태와 함께, 다양한 비-휴대용 응용예에 사용되는 다양한 대형 전지에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 전원 툴이나 론 툴(lawn tool)에 쓰이는 배터리 팩의 프로파일이 배터리 전지의 사이즈 및 모양을 종종 결정한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 하나 이상의 니켈 아연 배터리 전지를 포함하는 배터리 팩, 그리고 적합한 전기 장치에서의 충/방전을 위한 케이싱, 콘택트 및 전도성 라인에 관한 것이다.
전지 캔
캔(can)은 최종 전지의 외부 하우징 또는 케이싱으로 기능하는 용기이다. 통상적인 니켈-카드뮴 전지(여기서, 캔은 네거티브 단자임)에서, 이는 니켈-도금된 강철이다. 니켈-아연 전지에서, 아연 전극의 캔 물질은, 이 물질이 아연 전극의 예상물질과 융합될 수 있는 다른 물질로 코팅되는 한, 통상적인 니켈 카드뮴 배터리에 사용된 것(예를 들면, 강철)과 유사한 조성을 가진다. 예를 들어, 네거티브 캔은 구리 및 부식 방지를 위해 위에 설명한 물질과 같은 부식방지 물질로 코팅될 수 있다. 캔은 일반적으로 캔의 모양을 시트 금속 물질에 그리거나 찍어냄으로써 제조된다. 이러한 시트 금속 물질은 시트 금속에 도포된 부식방지 물질을 포함할 수 있다. 캔이 제조되기 전에, 예를 들어, 부식방지 물질이 시트 금속에 피복, 용접, 롤링되거나 도포될 수 있다.
벤팅 캡
일반과 전지가 환경과 차단되나, 전지는 충전 및 방전 중에 생성된 배터리로부터 가스를 배출할 수 있다. 전형적인 니켈 카드뮴 전지는 200 PSI(pounds per squar inch)의 압력으로 가스를 배출한다. 일부 실시예에서, 본 발명의 니켈 아연 전지는 배출하지 않고도 이러한 압력에서 또는 그 이상의 압력(예, 약 300PSI에 이름) 동작하도록 디자인된다. 이는 전지 내에서 생성된 임의의 산소 및 수소의 재결합을 촉진할 수 있다. 특정한 실시예에서, 전지는 약 450PSI 및 약 600PSI 까지의 내부 압력을 유지하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 니켈 아연 전지가 상대적으로 저압에서 가스를 방출하도록 디자인된다. 이러한 디자인은 전지 내에서의 재결합 없이 수소 및/또는 산소 가스의 방출을 조절할 때 적합하다.
도 3A 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤트 캡 및 벤트 메커니즘을 나타낸다. 도 3A 및 도 4는 벤트 캡(309/401), 밀봉 가스켓(311) 및 바닥 플레이트(307/407)을 포함하는 벤트 어셈블리를 도시한다. 벤트 메커니즘은 바람직하게는 가스는 방출하나 전해질은 방출하지 않게 하도록 디자인된다. 캡(309/401)은 가스켓 상에 놓인 플레이트(307/407)을 포함한다. 플레이트(307/407)은 벤트 구멍(409)를 통해 가스가 배출되로고 하는 구멍(303)을 포함한다. 벤트 밀봉물(301, seal)은 구멍(303) 을 덮고, 가스를 배출시킨다. 벤트 밀봉물(301)은 일반적으로 고무이나, 이는 가스 방출이 가능하고 고온에서 견디는 임의의 물질로 제조될 수 있다. 사각형 벤트가 잘 작동하는 것으로 밝혀졌다.
도 4는 벤트 어셈블리의 상면도를 나타낸다. 벤트 캡(309)이 용접점(403)에서 플레이트(407)에 용접되며, 가스를 배출하도록 하는 구멍(409)을 포함한다. 도시된 용접점(403 및 409)의 위치는 온전히 도시하기 위한 것이며 임의의 적합한 위치에 존재할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 벤트 메커니즘은 소수성 가스 투과성 멤브레인으로 제조된 벤트 실(301)을 포함한다. 벤트 커버 물질의 예로는, 미소공성 폴리프로릴렌, 미소공성 폴리에틸렌, 미소공성 PTFE, 미소공성 FEP, 미소공성 플루오르폴리머, 및 이들의 혼합물 그리고 이들의 코-폴리머를 포함한다(예, 미국 특허 번호 6,949,310(J. Phillips) 참조, 제목 " Leak Proof Pressure Relief Valve for Secondary Batteries", 2005년9월 27일 등록, 이 명세서에 모든 면에서 참조문헌으로 포함됨). 이러한 물질은 고온에서 견딜 수 있어야 한다. 특정한 실시예에서, 소수성 가스 투과성 멤브레인이 구불구불한 가스 방출 루트와 함께 사용된다. 다른 배터리 벤팅 메커니즘이 종래 기술로 알려져 있으며, 본 발명과 함께 사용하기에 적합하다. 특정한 실시예에서, 구성물의 전지 물질은 수소 배출 영역 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 전지 캡 또는 가스켓이 수소 투과 폴리머 물질로 제조될 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 전지 캡의 외부 환형 영역은 아크릴 플라스틱이나 위에 열거된 폴리머 중 하나 이상과 같은 수소 투과성 물질로 제조된다. 이러한 실시예에서, 실제 단자(캡의 중심에 제공되며 수소 투과성 물질에 의해 둘러싸임)에만 전기 전도성이 요구된다.
네거티브 경로(pathway)의 구성요소
도 3B는 네거티브 경로의 일부 구성요소를 나타내며, 이들은 예를 들면, 네거티브 전극 기판(321), 네거티브 집전 디스크(325) 그리고 전지 캔(313)이다. 이러한 구성요소는 집전 기판용의 비금속(base metal) 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 특정한 실시예에서, 네거티브 전극 기판은 구리 망상 전신 금속판(expanded metal)(예, 약 15mils 두께)이다. 일 실시예에서, 구리 망상 금속판은 바닥에서 뒤집혀 네거티브 집전 디스크와 접촉 표면을 만든다. 디스크 및/또는 캔 용으로 선택된 베이스 물질(base material)은 고 전도성을 가지며 수소 등의 배출을 방지하여야 한다. 특정한 실시예에서, 디스크 및 캔 중 하나 또는 이들 모두가 아연이나 아연 합금을 망상 금속판으로 사용한다. 특정한 실시예에서, 집전 디스크 및/또는 캔은 구리이거나 구리 합금 시트 또는, 아연이나 아연 합금(주석, 은, 인듐, 납 또는 이들의 조합을 포함)으로 코팅된 폼이다. 집전 디스크와 젤리 롤을 사전 용접하거나, 집전 디스크의 통합체인 젤리 롤 및 바닥에 직접 용접될 수 있는 스프링 메커니즘을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 실시예는 상대적으로 저 비율인 응용예에서 구체적인 값을 찾을 수 있다. 도 3B에서 도시된 예에서, 네거티브 집전 디스크(325)가 구리 폼이다. 도시된 것과 같이, 네거티브 전극 기판(321)은 폼 물질과 우수한 전기 접촉을 형성하는 폼으로 확장된다. 또한, 네거티브 활성 물질(327)의 바닥 너머로 확장하나 폼 물질로는 확장되지 않는 격리판 물질(323)이 도시된다. 집전 디스크가 아연을 포함하는 경우에, 이러한 실시예가 특히 유용하다. 젤리 롤은 집전 디스크와의 접촉을 용이하게 하기 위해 네거티브 전극의 일 측면에 용접된 탭(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
특정한 실시예에서, 네거티브 집전 디스크는 도 5에 도시된 것과 같이, 캔의 바닥에 위치한 디스크 부분과 젤리 롤 사이에 위치한 스프링 메커니즘을 포함할 수있다. 스프링(501)은 구부러지거나 포개진 금속 탭 또는 와이퍼를 사용하여 네거티브 집전체에 압력을 가할 수 있다. 네거티브 집전 디스크의 스프링 부분은 디스크 부분과 동일하거나 다른 부식방지 물질을 이용하여 도포될 수 있다.
적합한 부식방지 도금(에, 주석, 납, 은, 아연, 인듐 등) 없는 균일한 캔은 보관 중에 아연을 부식시켜, 결과적으로 누설, 가스방출 및 판 수명 단축을 일으킬 수 있다는 것이 발견되었다. 구체적인 실시예에서, 네거티브 전극에서 네거티브 단자로의 전체 전자적 경로(집전 기판, 집전 디스크, 탭 및 캡)은 아연 도금 구리 또는 황동이다. 벤트 캡 및 집전 디스크 구조에 대한 세부 사항이 캐리어 기판가 함께 다음의 특허 출원에 설명되며, 이는 전반적으로 모든 면에서 본 명세서에 참조문헌으로 포함된다:
Figure 112010065659679-pct00006
(2006년4월 25일 출원),
Figure 112010065659679-pct00007
(2004년 8월 17일 출원)(공개번호
Figure 112010065659679-pct00008
).
포지티브 경로의 구성요소
도 3A는 포지티브 기판(329), 포지티브 집전 디스크(319) 및 벤트 캡(309)을 포함하는 벤트 어셈블리와 같은 포지티브 경로의 일부 구성요소를 도시한다. 포지티브 전극 기판(329)은 일반적으로 니켈 폼이다. 도 3A에 도시된 것과 같이, 포지티브 전극 기판(329)이 격리판 시트(331) 상부로 그리고 포지티브 활성 물질(333)의 상부에서 확장한다. 도 6은 젤리 롤 구성요소의 상대적인 위치를 간단히 도시한다. 위에 설명한 것과 같이, 포지티브 및 네거티브 전극 물질은 사이에 하나 이상의 격리판 물질이 게재된 막들 내에 배치된다. 이어서 메커니즘이 이 막들을 감아 젤리 롤로 만든다. 도 6은 포지티브 말단(end)을 향하는 젤리 롤의 약 두 개의 와인드(wind)를 도시한다. 격리판 물질(603)이 네거티브 전극 물질(605)과 포지티브 전극 물질(601) 사이에 배치된다. 포지티브 전극 기판(604)은 네거티브 전극(605) 상부로 확장하고 격리판 막(603)의 상부에서 중첩된다. 중첩된 포지티브 전극 기판(604)은 바람직하게는, 도시된 것과 같이, 내부 와인드로부터 포지티브 기판과 겹쳐진다. 격리판(603)은 두 종류의 전극을 서로 절연시키고, 포지티브 기판(604)과 네거티브 전극(605) 사이의 직접적인 접촉이 이루어지지 않도록 한다. 소정의 실시예에서, 포지티브 기판(604)은 과잉 주름(winkes)이 생성되지 않고 포개는 것을 용이하게 하도록 노치(notch)가 형성된다. 포개기는 과정 중에 격리판에 구멍을 내지 않도록 주의하여야 한다. 포개는 기술은 포지티브 집전체와 뛰어난 전기적 접촉을 형성하는 포지티브 기판(604)으로 이루어진 플레이트를 생성한다. 포지티브 기판 폴드(fold)는 캔의 비드 레벨에서 발생한다. 반대 극성 디자인에서, 네거티브 단자가 동일한 위치에 존재한다. 그러나, 네거티브 기판에 대한 유사한 접기 동작 없이는, 비드 하부 영역 내의 접촉이 제한된다. 접촉을 강화하기 위해, 비드 하부에 플레이트 또는 고리를 부가하는 것이 필요하다. 이러한 플레이트는 이후에 집전 스프링 또는 적합한 콘택트 메커니즘에 의해 연결될 수 있다.
전해질
전해질은 덴드라이트 화성(dendrite formation) 및 아연 전극 내의 다른 형태의 물질 재배열을 제한하는 조성물을 포함한다. 이러한 조건을 만족하는 일 예가 미국 특허 번호 5,215,836(M. Eisenberg, 1993년 6월 1일)에 설명되며, 이는 참조문헌으로 이 명세서에 포함된다. 나아가, 바람직한 전해질의 예는 (1) 리터 당 약 1.5 내지 11 당량 범위 내의 산에 대해 화학량론적으로 과잉인 수산화물을 생성하기 위한 양으로 존재하는 알칼리 또는 알칼리 토 수산화물(earth alkali hydroxide), (2) 전체 용액의 리터 당 약 0.01 내지 1 당량의 농도 범위에 대응하는 양의 용해가능한 알칼리 또는 알칼리 토 불화물 그리고 (3) 붕산염(borate), 비산염(arsenate) 및/또는 인산염(phosphate)(예, 포타슘 보레이트, 포타슘 메타보레이트, 소듐 보레이트, 소듐 메타보레이트, 및/또는 소듐 또는 포타슘 포스페이트)가 포함된다. 구체적인 일 실시예에서, 전해질은 약 4.5 내지 10 당량/리터의 포타슘 하드록사이드, 약 2 내지 6 당량/리터 붕산(boric acid) 또는 소듐 메타보레이트 및, 약 0.01 내지 1 당량의 포타슘 플루오라이드를 포함한다. 고 비율 응용예에 대해 특정된 바람직한 전해질은 약 8.5 당량/리터의 하드록사이드, 약 4.5 당량의 ㅂ붕(boric acid) 및 약 0.2 당량의 포타슘 플루오라이드를 포함한다.
본 발명은 아이젠버그 특허에 제안된 전해질 조성에만 국한되는 것은 아니다. 폭넓게, 관심 대상 응용예에 특정된 조건을 만족하는 임의의 전해질 조성물이면 족하다. 고 전원 응용예가 요구되는 경우를 가정하면, 전해질은 매우 우수한 전도성을 가져야 한다. 긴 사이클 수명이 바람직하다고 하면, 전해질은 덴드라이트 화성 내성을 가져야 한다. 본 발명에서, KOH 전해질을 함유하는 붕산염 및/또는 불화물을 적합한 격리판 막들과 함게 사용하는 것은 덴드라이트의 화성을 감소시키고, 이에 따라 더 견고하고 수명이 긴 전원 전지를 얻을 수 있다.
특정한 실시예에서, 전해질 조성물은 약 3 내지 5 당량/리터 이상의 수산화물(예, KOH, NaOH 및/또는 LiOH)을 포함한다. 이는 네거티브 전극이 아연 옥사이드 기반 전극인 것으로 가정한다. 일 실시예에서, 칼슘 징케이트(calcium zincate)에 대해 적합한 전해질은 다음과 같은 조성을 가진다. 즉 약 15 내지 25 중량 % KOH, 약 0.5 내지 5.0 중량 % LiOH이다.
다양한 실시예에 따르면, 전해질은 액체 및 겔을 포함한다. 겔 전해질은
본 발명은 오하이오, 클리브랜드의 노비온(Noveon)의 상용
Figure 112010065659679-pct00009
과 같은 증점제(thickening agent)를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 활성 전해질 물질의 분류물이 겔 형태로 존재한다. 특정한 실시예에서, 전해질의 약 5-25 중량 %가 겔로 제공되고, 이 겔 성분은 약 1-2 중량 %의
Figure 112010065659679-pct00010
를 포함한다.
일부의 경우에, 전해질은 미국 특허 출원 번호 11/346,861(2006년 2월 1일 출원, 이 명세서에 모든 면에서 참조문헌으로 포함됨)에 설명된 것과 같은, 상대적으로 고농도의 인산염 이온을 포함할 수 있다.
결론
이 명세서에 설명된 니켈-아연 배터리 전지에 관한 통상적인 극성은, 다른 알칼라인 2차 전지에 대한 니켈-아연 배터리 전지의 장점을 유지하면서, 동시에 반대 극성 디자인에 비해 여러 장점을 가진다. 네거티브 전극과 네거티브 단자 사이의 더 나은 전기 및 열 접촉은, 젤리 롤을 둘러싼 격리판 막을 가지는 대신에, 전지 캔의 내부 표면에 직접 접촉된 네거티브 전극에 의해 이루어진다. 이러한 격리판 막의 제거는 전기화학적 활성 물질에 대한 젤리 롤 내에 더 많은 공간을 생성하고, 작은 사이즈 전지에 유용한 용량 및 에너지를 증가시킨다.
비드 레벨에서 포지티브 기판을 접는 것(folding)은 반대 극성 디자인에서 요구되는 추가 디스크나 괴리 없이도 우수한 전기적 연결성을 제공한다. 배터리 전지 비용이 이하에 논의된 것과 같이, 환원된 격리판 물질을 사용하여 감소될 수 있다.
마지막으로, 통상적인 극성 디자인은 전해질 누설을 줄인다. 전해질은 네거티브 경로를 따르는 경향이 있다. 반대 극성 디자인에서, 네거티브 경로가 시간에 따라 벤트 씰 주위에서 전해질이 잠재적으로 새어나갈 수 있는 벤트 캡으로 벤트 캡으로 이어진다. 통상적인 극성의 디자인에서, 네거티브 경로는 전해질이 방출될 가능성이 있는 개구부(opening)로 연결되지 않는다.

Claims (35)

  1. 니켈-아연 배터리에 있어서, 상기 배터리는:
    (a) 바닥과 원통형 측면을 가지며, 주석, 구리/주석 합금, 아연, 은, 전도성 탄소, 황동, 비-습윤성 폴리머 층 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제 1 부식방지 물질을 포함하는 캔;
    (b) 상기 캔의 바닥에 배치되며 상기 캔과 전기적으로 접촉된 네거티브 집전 디스크;
    (c) 포지티브 전극, 네거티브 전극 및 이들 사이에 위치한 하나 이상의 격리판을 포함하며, 상기 네거티브 집전 디스크의 상부에 배치되고, 상기 네거티브 전극이 상기 네거티브 집전 디스크와 전기적으로 접촉된, 젤리 롤;
    (d) 상기 젤리 롤의 상부에 배치되며 상기 포지티브 전극과 전기적으로 접촉된 포지티브 집전 디스크; 그리고
    (e) 상기 포지티브 집전 디스크의 상부에 배치되며, 상기 포지티브 집전 디스크와 전기적으로 연결되고, 상기 캔으로부터 전기적으로 절연된, 벤트 어셈블리(vent assembly)를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부식방지 물질은 캔의 비금속(base metal) 상에 코팅되거나, 도금되거나, 클래딩(cladding)되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부식방지 물질은 아연인 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 네거티브 집전 디스크는 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 네거티브 집전 디스크는 제 2 부식방지 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 부식방지 물질은 주석, 구리/주석 합금, 아연, 은, 전도성 탄소, 황동 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 네거티브 집전 디스크와 상기 캔의 바닥 사이에 배치된 스프링 메커니듬을 더 포함하되, 상기 스프링 메커니즘은 상기 캔의 충격 및 진동을 흡수하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 젤리 롤의 외부 막이 네거티브 전극인 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 외부 막은 상기 캔과 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔은 젤리 롤 상부의 비딩 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 비딩 영역 하부의 상기 캔의 반대편 상기 젤리 롤의 상부에 배치된 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 젤리 롤의 포지티브 전극은 니켈 폼과 포지티브 활성 물질을 포함하고, 상기 니켈 폼은 젤리 롤의 포지티브 단부에서 접히고 포지티브 집전 디스크와 상기 젤리 롤 사이에 놓이고, 상기 니켈 폼의 각각의 와인드의 폴드(fold)는 서로 그리고 격리판과 중첩되며, 이에 따라 상기 니켈 폼이 플레이트를 형성하고, 상기 네거티브 전극과 전기적으로 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  20. 삭제
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤트 어셈블리는 소수성 가스 투과성 멤브레인으로 만들어진 벤트 밀봉재(vent seal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 포지티브 집전 디스크의 하나 이상의 탭이 벤트 어셈블리에 용접되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤트 어셈블리는 벤트 캡과 밀봉 가스켓을 포함하고, 상기 밀봉 가스켓은 전도성이 아니며 상기 벤트 어셈블리를 상기 캔으로부터 전기 절연시키는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  24. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 부식방지 물질의 층이 상기 젤리 롤과 상기 캔 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 부식방지 물질은 외부 층에 부착되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 부식 방지 물질은 네거티브 전극의 마지막 와이딩(winding)을 넘어 확장하는 격리판에 부착되는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 제 24 항에 있어서, 제 1 부식 방지 물질은 하나 이상의 소수성 폴리머 시트를 포함하는 비-습윤성 폴리머 물질인 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 하나 이상의 소수성 폴리머 시트는 폴리올레핀 미소공성 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-아연 배터리.




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