KR101590529B1 - 개량된 배터리 및 조립 방법 - Google Patents

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피터 구스타브 보든
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그리드텐셜 에너지, 아이엔씨.
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Abstract

실시예는 실리콘 기판 상에 활성 물질 코팅을 배치함으로써 배터리 전극을 형성하는 단계, 분리막에 의해 다른 배터리 전극으로부터 분리되는 배터리 전극을 배터리 전극의 적층체로 조립하는 단계, 하우징 내에 적층체를 배치하는 단계, 전해질로 내부 공간을 충전하는 단계, 및 내부 공간으로부터의 전해질의 유동에 저항하도록 하우징을 시일하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.

Description

개량된 배터리 및 조립 방법{AN IMPROVED BATTERY AND ASSEMBLY METHOD}
본 특허 출원은 35 U.S.C. Section 119(e) 하에서 2011년 5월 11일에 출원된 "배터리 및 조립 방법"이라는 명칭의 Borden의 미국 가특허출원 US 61/484,854 및 2011년 8월 18일에 출원된 "배터리 및 조립 방법"이라는 명칭의 Borden의 미국 가특허출원 US 61/525,068의 우선권의 이익을 주장하고, 이 출원의 각각은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
예를 들면, 전기 차량 및 재생 가능한 에너지 적용을 위한 배터리 기술은 집중적인 연구 개발 분야이다. 연구는 많은 기술에 집중에 되었고, 가장 발달되고 성공적인 것은 리튬-이온 및 납-산 배터리이다. 이러한 연구에도 불구하고, 비용은 주요 문제로 남아있다. 리튬 이온은 그 에너지 밀도로 인해 매력적이지만, 자동차 제조자는 리튬-이온 전원을 위해 $1,000/kW·시 이상을 지불해야 한다. 비용은 안전성을 개선하기 위해 사용되는 전자장치에 이외에 복잡한 제어 및 냉각 시스템으로 인해 높게 유지된다. 이러한 비용은 미국 고급 배터리 협회(USABC)의 2020년도 목표인 $150/kW·시의 최소 6 배이다. 이것과 대비되는 현대의 납-산 배터리(납-산 배터리)의 경우, 재생 가능한 에너지 저장을 위해 약 $150/kW·시의 비용을 가질 수 있으나, 그 제한된 에너지 밀도, 사이클 수명, 및 효율로 인해 많은 경우 그 사용이 억제된다.
이하에 기재되는 실시예는 극박(예를 들면, 0.5 mm 미만의 두께)의 실리콘 기판 상에 배치되는 활성 매스(mass)(예를 들면, 납 또는 그 화합물)을 갖는 하나 이상의 극박(예를 들면, 1.0 mm 미만)의 평면 배터리 전극으로 형성되는 납-산 배터리를 제공함으로써 현재의 배터리를 개량할 수 있다. 실시예는 다른 방법보다 싸고 더 우수한 성능을 갖는 개량된 배터리를 제공한다. 신뢰성 및 지지물의 기초구조가 광범위한 채택에 중요하므로, 실시예는 납-산과 같은 입증된 배터리 화학에 기초한 기술을 사용할 수 있다. 복수의 이러한 전극은, 예를 들면, 비활성 납 물질을 초래할 수 있는 비평형 이온 고갈을 방지함으로써, 현재의 납-산 배터리보다 우수한 성능을 갖는 납-산을 제공하도록 함께 적층되고 패키징될 수 있다. 본 명세서에는 이러한 배터리의 실시예, 그 제작 및 사용 방법이 기재되어 있다.
본 요약은 본 특허 출원의 주제의 개략을 제공하기 위한 것이다. 이것은 본 발명의 배타적이거나 포괄적인 설명을 제공하기 위한 것이 아니다. 본 특허 출원에 대한 추가의 정보를 제공하기 위해 상세한 설명이 포함된다.
도면은 반드시 축적에 따라 작도되지 않고, 본 명세서에 기재된 다양한 실시형태를 예시시로서, 그러나 비제한적으로 개괄적으로 도시한다.
도 1a는 실시예에 따라 납 기판 상의 입자의 집합체를 도시하는 배터리 층의 개략도를 도시하고, 화살표는 이온의 유동을 표시한다.
도 1b는 실시예에 따라 도 1a의 층의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 2a는 실시예에 따라 낮은 전류 밀도를 갖는 기공을 도시한다.
도 2b는 실시예에 따라 높은 전류 밀도를 갖는 기공을 도시한다.
도 3은 실시예에 따라 단일 층을 치환하는 얇은 활성 매스를 갖는 3 개의 층을 도시한다.
도 4는 실시예에 따라 교대되는 층과 전해질에 의해 침지된 스페이서를 포함하는 적층식 또는 양극성(bipolar)의 배터리 구성을 도시한다.
도 5는 적층식 배터리를 조립하기 위한 방법을 도시한다. 배터리 층과 스페이서는 교대로 적층된다. 적층체는 프레임 내에 설치된다. 적층체와 프레임 사이의 간극은 접착제로 충전된다. 접착제가 응고된 후, 전해질이 첨가(스페이서에 의해 침지)되고, 실시예에 따라 캡이 상부에 설치된다.
도 6은 실시예에 따라 제거 가능한 스페이서를 사용하는 적층식 배터리를 조립하기 위한 방법을 도시한다.
도 7a는 실시예에 따라 테이퍼형 에지를 포함하는 플레이트 형상의 스페이서의 평면도를 도시한다.
도 7b는 실시예에 따라 U 자 형상의 스페이서의 정면도를 도시한다.
도 7c는 실시예에 따라 유리섬유 스페이서의 에지 라이닝(edge lining)을 갖는 유리섬유 스페이서를 도시한다.
도 8은 실시예에 따라 배터리 조립 공정의 흐름도를 도시한다.
도 9는 실시예에 따라 좌측으로부터 우측으로 실리콘, 니켈 실리사이드, 장벽 층, 납 산화물을 도시하는 상이한 층을 도시하는 활성 매스 코팅을 갖는 배터리 층의 단면도이다.
도 10은 실시예에 따라 산 부식으로부터 층을 보호하기 위한 장벽을 형성하고 또한 활성 매스의 접착을 촉진하기 위해 실리사이드 접촉의 형성 및 층의 추가를 포함하는 배터리 층을 제작하기 위한 공정의 흐름도이다.
도 11a는 실시예에 따라 입자와 매트릭스의 혼합체를 도시한다.
도 11b는 실시예에 따라 입자가 제거되었을 때의 매트릭스를 도시한다.
도 11c는 실시예에 따라 도금된 매트릭스를 도시한다.
도 11d는 실시예에 따라 매트릭스가 제거된 것을 도시한다.
도 12는 실시예에 따라 다공질 활성 매스의 형성을 위한 흐름도이다.
도 13은 실시예에 따라 용해된 염 입자로부터의 기공을 갖는 왁스 매트릭스의 현미경 사진이다.
도 14는 종래의 납-산 배터리의 중량 분포를 도시하는 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예는, 예를 들면, 자동차 및 재생 가능한 에너지 시장의 요구에 부합하기 위해 납-산 배터리의 성능을 개선하면서, 납-산 배터리의의 저 비용 및 시장 수용을 유지할 수 있다. 이러한 실시예는 납-산 배터리의 수용과 발달 및 그 기초구조를 이용할 수 있고, 위험 회피적 시장에 친숙한 해결책을 제공한다. 본 실시예 중 많은 실시예는 다른 유형의 배터리의 제작 또는 설계를 단순화하기 위해 사용될 수도 있다.
본 주제의 기여도를 정의하기 위해, 종래의 납-산 배터리의 속성을 고려하는 것이 도움이 된다. 종래의 납-산 배터리는 많은 제한이 있다. 첫째, 종래의 납-산 배터리는 고효율의 충전 및 방전을 위해 저전류에서 작동해야 한다. 이것은, 반응 생성물인 황산 납이 축적되어 전해질 확산을 차단함으로써, (이하의 도 2a 내지 도 2b의 설명에서 참조되는) 배터리 구조물 내의 깊은 곳에 위치되는 활성 매스 물질(일명 활성 물질)이 화학 반응에 접근할 수 없도록 할 수 있기 때문이다. 이 효과는 포이커트 법칙(Peukert's Law)으로 알려져 있고, 이것은 전류의 충전 또는 방전이 증가함에 따라 어떻게 배터리 용량이 감소하는지를 설명해 준다. 부분적으로 이러한 현상에 기인하여, 종래의 납-산 배터리는 개선된 효율을 보이기 위해 장시간, 예를 들면, 수십 시간에 걸쳐 충전되거나 방전되어야 한다. 유감스럽게도, 대부분의 재생 가능한 에너지의 저장 및 차량 적용은 훨씬 더 짧은 방전 시간, 예를 들면, 2 내지 6 시간을 필요로 한다.
둘째, 종래의 납-산 배터리는 심한 방전에서 사이클링될 때 감소된 수명을 보여줄 수 있다. 활성 매스는 납 또는 납 산화물로부터 황산 납으로 변환될 때 체적이 20 ~ 60% 팽창될 수 있다. 이러한 팽창은 응력을 발생할 수 있고, 페이스팅된 활성 매스(즉, 종래의 상업적 방법인 페이스트로서 가해진 활성 매스)의 층간 박리를 유발할 수 있다. 이것으로 인해, 종래의 납-산 배터리는 40 ~ 60%의 얕은 방전으로 작동되어야 한다. 이것은 어떤 적용을 위해 필요로 하는 배터리의 수를 경우에 따라 2 배로 증가시킬 수 있다.
셋째, 높은 납 함량은 낮은 에너지 밀도를 초래할 수 있다. 황산 전해질에 대해 내성을 가지는 납은 종래의 배터리에서 활성 매스로서 사용될 뿐만 아니라 단자 또는 상부 리드선(top leads)에서 사용되고, 층을 상호 연결하기 위한 두꺼운 내부 도체를 제공하기 위해 사용된다. 납 배터리의 전형적인 비에너지(specific energies)는 40 내지 45 W·시/kg이고, 이에 대해 USABC 목표는 100 W·시/kg이다. 도 14는 견인차 용으로 사용되는 종래의 납-산 배터리에서의 중량 분포를 도시한다. 본 명세서에 기재되는 주제는 네거티브 활성 매스, 포지티브 및 네거티브 그리드(grid), 및 상부 납 성분을 제거하거나 대폭 감속시킬 수 있고, 종래의 납-산 배터리 내에서 발견되는 납의 약 절반을 제거한다. 기재되는 주제는 중량을 (일부의 실시예에서 약 1/2 만큼) 제거할 가능성을 갖고, 또한 에너지 밀도를 (일부의 실시예에서 2 배) 증가 시킬 수 있다.
넷째, 종래의 납-산 배터리는 저전압, 고전류 장치일 수 있다. 이러한 특성은 차량 및 재생 가능한 에너지 시스템에서 사용되는 고전압 시스템에 조화를 이루지 못한다.
종래의 납-산 배터리의 제한을 극복하기 위한 시도는 곤란에 직면하였다. 고전류에서의 낮은 효율은 페이스트로서 가해지는 활성 물질을 이용하는 종래의 방법으로 제작되는 배터리에 영향을 미친다. 이 발달되고 저 비용의 방법은 최고급 배터리를 포함하는 현재의 납-산 배터리에서 계속 사용된다.
많은 노력이 사이클 수명을 개선하기 위한 경주되어 왔다. 하나의 방법은 네거티브 활성 매스(NAM)를 탄소 전극으로 대체하는 것이다. 수소는 리튬-이온 배터리 내에의 리튬의 삽입과 유사한 방식으로 탄소 내에 삽입될 수 있다. 이것으로 인해 그 층 상에서의 탈락이 감소되거나 제거될 수 있다. 다른 방법은 출발-정지 사이클을 위해 요구되는 반복되는 전원의 버스트(burst)에 대해 연장되는 수명을 제공하기 위해 종래의 배터리와 슈퍼-커패시터(super-capacitor)를 결합할 수 있다.
양극성 납-산 배터리(예를 들면, 납-산 배터리 또는 양극성 배터리)의 경우, 납 함량은 개선(즉, 감소)되고, 전압은 개선(예를 들면, 증대)된다. 실시예는 고전압 및 저전류에서 작동하는 직렬 연결된 셀의 적층체를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 저전압, 고전류 배터리에서 사용되는 무거운 내부 전도체를 감소시키거나 제거할 수 있고, 고전압 출력을 제공할 수 있다.
납-산 배터리는 감소되는 전도체의 질량의 감소에 의해 높은 에너지 밀도와 같은 이점을 보장한다. 그러나, 몇 가지 문제가 상업화를 제한해 왔다. 이것은 셀과 셀 사이의 누설, 충전 중에 형성되는 황산 전해질 및 산소 라디칼의 양자를 포함하는 부식성 환경에서의 층의 열화(degradation), 활성 매스의 탈락, 및 층 분리에 대한 문제를 제공하는 전극의 새깅(sagging)을 포함한다.
층 열화 문제에 대처하는 방법은 세라믹 전도성 TiO2 기판을 사용하는 것이다. 활성 물질은 종래의 납-산 배터리에서와 같이 페이스트이다. 세라믹 층은 새깅에 대해 덜 민감하지만 저 비용으로 큰 체적으로 제작하는 것이 곤란할 수 있다.
그러나, 이러한 방법들 조차도 단점을 갖는다. 전형적인 납-산 배터리 설계는 포이커트 법칙의 한계에 대처하지 못한다. 이러한 제한의 원인은 도 1a, 1b, 2a 및 2b를 이용하여 이해할 수 있다.
도 1a는 실시예에 따라 납 기판 상의 입자의 집합체를 도시하는 배터리 층의 개략도로서, 화살표(110)은 이온의 유동을 나타낸다. 페이스팅된 활성 매스 층(102)은 기판(108) 상에 배치되는 입자(104)의 집합체를 포함할 수 있고, 입자는 수 마이크론의 직경을 가질 수 있다. 전해질은 입자들 사이의 채널(channel)을 통해 유동할 수 있다. 채널의 직경은 수 마이크론일 수 있고, 길이는 활성 매스의 두께와 실질적으로 유사할 수 있고, 일부의 실시예에서 1 ~ 3 mm이다.
도 1b는 실시예에 따라 도 1a의 층의 단순화된 개략도를 도시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 채널(106)은 직선 채널로서 이론적으로 모델화될 수 있다. 저전류에서, 전해질 이온은 낮은 고갈 상태로 또는 심지어 고갈이 없는 상태로 채널의 길이에 확산될 수 있고, 반응은 채널(106)의 전체 길이를 따라 진행될 수 있다. 고전류에서, 전해질 이온은 이 전해질 이온이 채널(106)의 전체 길이에 확산되기 전에 소모될 수 있다. 그 결과, 고전류에서 층의 깊은 곳에 있는 활성 매스는 원하는 바와 같이 반응하지 않고, 활성 매스와의 가능한 반응에 관련되어 얻어질 수 있는 에너지는 감소될 수 있다.
도 2a는 실시예에 따라 낮은 전류 밀도를 갖는 기공을 도시한다. 도 2b는 실시예에 따라 높은 전류 밀도를 갖는 기공을 도시한다. 이러한 실시예에서, 기공(208)을 제공하는 채널(206)은 황산 납 코팅(210)을 갖는다. 이온 고갈의 개시 시의 전류는 1/L2의 크기가 되고, 여기서 L은 채널의 길이이다. 좁은 부분(212)은 덜 좁은 부분에 비해 더 많은 반응이 발생한다는 것을 나타낸다.
도 3은 실시예에 따라 단일 층을 대신하는 더 얇은 활성 매스를 갖는 3 개의 층을 도시한다. 비평형 이온 고갈의 문제에 대한 한 가지 해결책은 도 3에 도시된 바와 같이 활성 매스를 수개의 더 얇은 층들로 분할하는 것이고, 여기서 도 2에 도시된 길이 "L"은 더 짧은 채널(302)을 제공하기 위해 1/X 배만큼 감소되었다. 1/X 배 감소에 의한 채널의 전체 길이의 감소를 보상하기 위해, 더 많은 채널(302', 302")이 사용될 수 있다. 이것은 총 X 개의 개수 일 수 있으나 다른 개수도 가능하다. 이와 같은 구성은 동일한 양의 활성 매스를 유지할 수 있고, 따라서 배터리는 동일하거나 유사한 용량을 유지할 수 있다. 더 짧은 채널로 인해, 활성 매스의 더 많은 부분에 접근하면서 배터리는 더 높은 전류에서 작동할 수 있다. 예를 들면, 단일의 1 mm의 두께의 활성 매스 층을 3 개의 0.3 mm의 두께의 활성 매스 층으로 분할하면 용량의 손실 없이 9 배 많은 전류가 제공된다.
본 명세서에 개시된 이 방법 및 기타의 방법은 전술한 단점을 극복하기 위해 이용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 새로운 시스템 및 방법은 얇은 활성 매스 층을 갖는 배터리 층을 제공한다. 이러한 층은 촘촘한 간격을 가질 수 있고, 활성 매스의 양은 원하는 배터리 용량을 유지하도록 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 이러한 얇은 활성 매스 층은 기타 바람직한 속성을 갖는다.
예를 들면, 납 층은 황산 납으로 변화될 때 약 60% 팽창하고, 납 산화물 층은 약 20% 팽창한다. 이 팽창은 딥(deep) 사이클링에서 활성 매스의 탈락을 유발할 수 있다. 더 얇은 층은 계면에서 더 작은 기계적 응력을 갖고, 탈락의 가능성이 더 낮아지고, 배터리는 딥 사이클링에서 신뢰성 있게 작동하게 된다.
본 명세서에 개시된 실시예는 종래의 플레이트보다 훨씬 얇을 수 있는 층을 갖는 양극성 납-산 배터리를 제공하고, 이것은 평형 이온 고갈을 가능하게 한다. 실리콘 웨이퍼는 기판으로서 사용될 수 있고, 가볍고, 황산과의 반응에 내성을 갖고, 또한 저가의 층을 제공한다. 활성 매스 층은 페이스팅 대신 도금 또는 전기영동 침착을 이용하여 형성될 수 있고, 제어된 얇은 층의 형성을 가능하게 한다. 조성은 기공율, 입자 크기, 및 응력과 같은 선택되는 임계 특성을 제공하도록 조성이 면밀하게 변화될 수 있다. 접촉 층 및 장벽 층이 포함될 수 있다. 희생 층의 침착 및 전기영동을 이용하는 공-침착(co-deposition) 중 하나 또는 양자 모두를 이용하는 희생 주형 공정이 제어된 기공율을 제공하기 위해 예시로써 기재된다. 배터리를 패키징하기 위한 방법이 또한 기재되어 있고, 이 방법은 주조된 형태로 층의 적층체를 시일하는 단계, 전해질을 첨가하는 단계, 및 커버를 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예는 종래의 배터리의 층 밀도를 초과하는 증가된 층 밀도를 갖는 배터리를 제공하도록 얇은 층의 사용을 가능하게 하는 양극성 납-산 배터리 설계를 제공한다. 실시예는 포이커트 법칙의 효과를 감소시키도록 더 많은 수의 얇은 층 상에 활성 매스를 확포(spreading)하는 것을 가능하게 하고, 활성 매스의 탈락을 감소시키는 상태로 딥 사이클링(즉, 평형 이온 고갈)을 가능하게 한다. 실시예는 전기 자동차 및 재생 가능한 에너지 시스템에 적합한 고전압 출력을 제공한다. 실시예는 종래의 납-산 배터리의 납 보다 적은 양(일부의 실시예에서 절반)을 사용하고, 이것은 에너지 및 전력 밀도를 증가(일부의 실시예에서 2 배 증가)시킬 수 있다.
도 4는 실시예에 따라 전해질에 침지된 교대되는 플레이트 및 분리막 또는 스페이서를 포함하는 적층식 또는 양극성 배터리 구성을 도시한다. 전기 화학적 배터리는 양극(positive) 및 음극(negative)의 2 개의 단자를 갖는다. 환원 반응은 양극에서 발생하고, 산화 반응은 음극에서 발생한다. 배터리 전위는 반반응(half-reaction) 전압의 합이다. 납-산의 경우, 포지티브 플레이트는 전형적으로 납 산화물이고, 반반응 전압은 약 1.6 볼트이다. 네거티브 플레이트는 전형적으로 납이고, 반반응 전압은 0.4 볼트이다.
배터리 셀은 최소의 음극 및 양극에서 포함한다. 직렬 연결되는 셀의 전압은 가산적(additive)이다. 따라서, 직렬 연결된 10 개의 납-산 셀은 20 볼트(예를 들면, 10 개의 셀 x 2 볼트/셀)를 제공할 수 있다. 예시적인 직렬 연결에서, 스트링은 양극에 연결되는 일련의 음극을 포함할 수 있고, 개재하는 전해질은 전기적으로 절연되어 있다.
실시예는 스페이서(406)와 함께 적층되는 플레이트(408)와 같은 층의 적층체(400)룰 포함한다. 적층체(400)는, 예를 들면, 스페이서 또는 분리막(414)에 의해 양극(412)으로부터 분리되는 하나 이상의 음극(410)을 포함할 수 있다. 플레이트들 사이의 간극은 황산 전해질로 충전된다. 전해질 매스 또는 체적은 플레이트가 직렬이 될 수 있도록 전기적으로 절연될 수 있다. 스페이서 물질은 유리섬유일 수 있고, 이것은 다공질이고 또한 충분한 황산을 흡수할 수 있다. 플레이트 간격은 0.5 mm일 수 있다.
분리막 또는 스페이서(408)는 플레이트의 단락을 방지할 수 있고, 유리섬유의 얇은 시트일 수 있다. 일부의 경우에, 플레이트는 강성체이고, 이러한 실시예 중 일부의 실시예에서 스페이서가 필수적으로 사용되는 것은 아니다. 전해질은 황산일 수 있고, 플레이트들 사이의 공간 내에 배치될 수 있다. 전해질은 스페이서 내에 충전될 수 있다.
복수의 전해질 매스 또는 체적이 상호 전기적으로 절연될 수 있는 경우, 예를 들면, 전도성인 플레이트의 사용을 통해 음극으로부터 양극으로의 전도 경로가 존재하는 경우, 적층체는 직렬 연결된 셀의 배열체를 형성할 수 있다. 전압은 (N-1)VCell과 동등할 수 있고, 여기서 N은 (각 단부에 양의 단자(404) 및 음의 단자(402)에의 연결을 위한 하나의 플레이트를 갖는) 플레이트의 개수이고, VCell은 단일 셀의 전압이다. 예를 들면, 납-산 반응을 위한 셀 전압은 약 2 볼트일 수 있다. 따라서, 101 개의 플레이트를 갖는 배터리는 200 볼트의 전압을 가질 수 있다. 적층체 내에서 복수의 셀을 기계적으로 유지하는 하우징(406)이 도시되어 있다.
실시예는 일측에 음극을 그리고 타측에 양극을 갖는 전기 전도성 기판을 포함할 수 있다. 기판은 전해질을 상호로부터 절연시키면서 셀을 함께 연결하기 위한 도체 또는 "와이어(wire)"로서 작용할 수 있다. 일부의 실시예에서, 탄소 또는 실리콘 대-전극(counter-electrode)을 사용함으로써 납 전극을 완전히 제거하는 것이 가능하다. 이것에 의해 더욱 더 높은 에너지 밀도가 제공될 수 있다. 이와 같은 실시예는 납 산화물 전극에 대한 대전극으로서 무코팅(bare) 실리콘 또는 탄소 코팅된 실리콘을 사용할 수 있다.
양극은 셀 전압의 대부분을 제공할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 일부의 경우는, 셀의 그 측면 상에서 발생하는 환원 반응을 위한 장소를 제공하면서, 음극에서 하프 셀(half cell) 반응을 위한 물질로서의 납을 생략한다. 이것을 달성하기 위한 한 가지 방법은, 리튬 이온과 같은 다른 유형의 배터리에서 발생하는 것과 같이, 전해질 용액으로부터 양자의 반응(삽입)을 허용하는 것이다. 이 반응은 탄소 및 실리콘의 양자에서 발생한다. 이와 같은 경우, 셀 전압은 적어도 1.6 볼트(양극 하프-셀 전위)일 수 있지만, 음극 상의 납의 질량 및 중량은 감소되거나 제거될 수 있고, 그 결과 전력 및 에너지 밀도가 증대되고, 또한 비용 및 독성 물질의 함량이 감소된다. 납이 황산 납으로 변환될 때, 납은 최대로 팽창하여 최대의 응력을 받게 되므로 수명이 또한 연장될 수 있다. 전압의 손실은 직렬 연결되는 셀을 더 추가함으로써 쉽게 보상될 수 있다.
노출된 가장 좌측 전극(402)은, 예를 들면, 전자장치와 전기적 및 기계적으로 결합하기 위한 단자로서의 역할을 할 수 있다. 가장 우측 단자(404)의 노출된 주요 면은 반대 극성의 전극으로서의 역할을 할 수 있고, 또한 단자로서의 역할도 할 수 있다. 그러나, 일부의 실시예에서, 적층체는 하우징 또는 용기 내에 배치되고, 하우징을 통해 연장하는 하나 이상의 피드스루(feedthrough)를 통해 하우징의 외측의 전자장치에 연결된다.
채널(418)을 한정하는 복수의 돌출부(416)를 갖는 음극이 도시되어 있다. 그러나, 본 주제는 이와 같이 제한되지 않고, 양극이 돌출부를 갖는 실시예도 고려되고, 돌출부가 사용되지 않는 실시예도 고려된다.
예상되지 않은 결과는, 일부의 실시예에서, 이와 같은 배터리가 표준 태양 전지 텍스처(texture)를 갖는 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다는 것이다. 일부의 실시예는 컷(cut) 웨이퍼와 같은 텍스처를 갖는 실리콘을 사용한다. 본래 태양 전지용으로 사용되는 애즈-컷(as-cut) 실리콘 웨이퍼가 전극용 기판으로서 사용될 수 있다. 이러한 웨이퍼는 가볍고(납의 밀도의 약 1/4), 황산 부식에 대해 내성을 가질 수 있고, 그것의 큰 체적의 사용으로 인해 일반적으로 낮은 비용으로 입수할 수 있다. 애즈-컷 웨이퍼는, 예를 들면, 코팅과의 기계적 접합을 위한 우수한 접착을 제공하는 표면 거칠기를 가질 수 있다. 예를 들면, 다결정(MC) 웨이퍼는, 예를 들면, 불화수소산 및 질산 욕 내에서 이소-텍스처링(iso-texturing)에 의해 형성될 수 있다.
다결정질 웨이퍼는 정사각형 인자(square form factor) 및 저비용을 제공할 수 있다. 단결정 웨이퍼도 사용될 수 있다. 단결정은 전형적으로 수산화 칼륨(KOH)/이소프로필 알코올 에칭에 의해 형성되는 피라미드형 텍스처를 가질 수 있다. 큰 입자 크기는 중요하지 않으므로, 다결정질 웨이퍼는 태양 적용용인 것보다 더 신속하게 제작될 수 있고, 이것에 의해 낮은 비용이 제공될 수 있다. 그 순도가 본 명세서에 개시되는 배터리 적용에 적합하므로, 더 낮은 비용의 금속급(metallurgical grade)의 실리콘이 사용될 수 있다. 전자, 태양 또는 반도체 등급과 같은 다른 실리콘이 사용될 수 있으나, 일반적으로 더 고가이다.
일부의 실시예에서, 웨이퍼는 도핑될 수 있다. 도핑된 웨이퍼는 전형적으로 1 Ω-cm 미만의 저항을 가질 수 있다. 일부의 실시예에서, 이 저항은 0.001 Ω-cm 미만일 수 있다. 더 낮은 저항은 배터리 전류가 웨이퍼를 통해 흐를 때 효율을 향상시킬 수 있다. 낮은 저항은 또한 실리콘에 대한 접촉의 질을 개선할 수 있다. 인, 붕소, 안티모니 또는 비소와 같은 도펀트(dopant)가 사용될 수 있다. 이와 같은 웨이퍼는 500 ㎛(0.5 mm) 미만의 두께를 가질 수 있고, 200 ㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다.
웨이퍼는 표준 태양 전지 웨이퍼용으로 156 mm의 에지 길이를 갖는 정사각형일 수 있으나, 직사각형 웨이퍼 또는 절단된 모서리와 같은 다른 형상 인자를 갖는 웨이퍼가 사용될 수도 있다. 표준 에지 길이를 사용하면, 비용을 감소시킬 수 있는 고용량(high volume)으로 제작되는 웨이퍼의 사용이 가능해지지만, 다른 에지 길이가 사용될 수 있다. 표준 크기의 웨이퍼를 사용하면, 배터리 제작 중에 웨이퍼를 조작 및 처리하기 위한 표준 제작 설비를 사용할 수 있다.
어떤 실시예에서, 활성 매스는 기판의 일측면 또는 양측면 상에 형성될 수 있다. 납은 양측면 상에 도금될 수 있다. 도금된 일측면은 마스킹될 수 있고, 타측면은 황산 욕에 노출될 수 있다. 노출되는 중에, 전류가 납 음극을 사용하여 이와 같은 욕을 통해 통전될 수 있다. 이와 같은 방법은 "형성(forming)"이라고 부르는 공정을 이용하여 노출된 측면을 납 산화물로 변환시킬 수 있다.
어떤 실시예에서, 실리콘 기판의 하나의 측면만 납으로 코팅되고, 산화물로 변환되고, 또는 대안적으로 납 산화물로 코팅된다. 일측면 실시예에서, 배터리는 양측면 상에 코팅된 활성 물질 납을 갖는 실시예에 비해 더 낮은 전압을 가질 수 있다. 일부의 실시예에서, 황산 납 반응에 대한 납 산화물의 하프-셀 전위는 1.68 볼트일 수 있다. 일측면 상에만 납이 코팅된 배터리는 더 적은(예를 들면, 절반) 납을 사용할 수 있고, 따라서 독성이 적어질 수 있고, 중량이 더 가벼워질 수 있다. 또한, 납은 황산 납으로 변환될 때 납 산화물보다 더 팽창될 수 있고, 따라서 납이 코팅된 측면을 가지지 않는 플레이트는 사이클링 중에 더 적은 응력을 받는다.
다양한 실시예에 따르면, 일측면 또는 양측면은 활성 매스로 코팅될 수 있다. 다른 물질이 활성 매스로서 사용될 수 있고, 실리콘 플레이트의 사용은 납-산 유형의 배터리에만 전용되는 것은 아니다. 단일-측면으로서 구성되는 일부의 예에서, 리튬이 리튬-이온 배터리 내에 삽입되는 것과 같은 정도로, 수소는 반대 전극 상의 실리콘 내에 삽입될 수 있다. 실리콘 표면은 탄소와 같은 불활성 물질로 코팅될 수 있고, 수소는 탄소 내에 삽입될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 이와 같은 삽입은 셀이 가스의 발생에 기인하는 팽창에 저항하는 것을 도와줄 수 있으므로 유익할 수 있다.
도 5는 적층식 배터리를 조립하기 위한 방법을 도시한다. 좌측에, 교대로 적층된 배터리 플레이트 및 스페이서의 측면도가 도시되어 있다. 예시로서, 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이, 플레이트(502) 및 유리섬유 스페이서(504)의 교대되는 층이 적층될 수 있다. 각 단부에 양의 단자 및 음의 단자 또는 배터리의 극을 형성하기 위한 플레이트가 있을 수 있다는 것에 주목해야 한다. 배터리 적층체는 3 개의 측면을 제공하는 U 자 형상의 프레임(506) 내에 설치될 수 있다. 에폭시와 같은 황산에 대해 내성을 갖거나 불투성인 접착제 또는 폴리프로필렌과 같은 황산에 대해 내성인 다수의 플라스틱 중의 임의의 플라스틱이 U 자 형상의 프레임(506)과 배터리 적층체(500) 사이의 공간(508) 내에 주입될 수 있다. 접착제가 응고된 후, 전해질이 첨가되고, 커버(510)가 소정의 위치에 배치될 수 있다. 일부의 실시예에서, 유리섬유 스페이서는 플레이트의 면의 에지의 근방의 작은 영역을 초과하는 플레이트들 사이의 공간 내에 접착제가 침출하는 것에 저항하거나 침출하는 것을 방지할 수 있다. 전해질 매스(즉, 반대 측면 상의 반대 극성의 전극을 가지는 체적)가 전기적으로 절연될 수 있도록 적층체의 에지(512)를 시일하는 것이 도움이 될 수 있다. 일부의 경우에, 태양 전지 제조에서 일반적인 레이저 그루브(groove) 형성 설비를 이용하여, 플레이트의 주변에 인접하여 레이저 절삭 그루브가 형성될 수 있다. 이와 같은 그루브는 10 ~ 20 ㎛의 깊이 및 50 ㎛ 정도의 폭을 가질 수 있다. 이것은 에지 시일의 품질을 개선하기 위한 요홈(re-entrant) 구조를 제공할 수 있다.
도 6은 실시예에 따라 제거 가능한 스페이서를 사용하는 적층식 배터리를 조립하기 위한 방법을 도시한다. 일부의 경우, 플레이트들 사이의 간극(604) 내에 추가의 공간을 갖는 것이 바람직하고, 이것에 의해 추가의 전해질을 위한 공간을 제공한다. 이러한 공간을 제공하기 위한 하나의 실시예는 도 6에 도시된 바와 같은 제거 가능한 스페이서(602)를 사용하는 것이다. 배터리 적층체는, 좌측의 측면도에서 도시된 바와 같이, 적층체의 상측면으로부터 외측으로 연장하는 스페이서(602)로 제작될 수 있다. 배터리 적층체는 중앙에서 정면도로 도시되는 3 개의 측면을 제공하는 U 자 형상의 프레임(606) 내에 설치될 수 있다. 에폭시와 같은 황산에 대해 저항성 또는 불투성인 접착제 또는 황산에 대해 내성을 갖는 다수의 플라스틱 중 임의의 플라스틱이 U 자 형상의 프레임(606)과 배터리 적층체(600) 사이의 공간(608) 내에 주입될 수 있다. 접착제 또는 플라스틱이 응고된 후, 스페이서가 인출될 수 있고, 전해질이 첨가될 수 있고, 또한 커버(610)가 소정의 위치에 설치될 수 있다. 커버(610)는 배터리가 과충전된 경우 가스 압력의 축적을 방지하기 위한 통기공을 가질 수 있고, 전해질의 재장입을 허용하도록 제거 가능한 것일 수 있다.
도 7a는 실시예에 따라 테이퍼형 에지를 포함하는 플레이트 형상의 스페이서의 평면도를 도시한다. 스페이서의 에지는 평면도인 도 7a에 도시된 바와 같이 테이퍼형일 수 있다. 본체(708)로부터 멀어지는 방향으로 연장하는 테이퍼형 에지(706)는 더 용이한 제거를 제공하기 위해 스페이서와 프레임과 같은 다른 구조 사이의 접촉 면적을 감소시킬 수 있다. 이것은 또한 개선된 시일을 제공하도록 에폭시 또는 플라스틱으로 충전될 수 있는 테이퍼형 영역을 제공할 수 있다.
도 7b는 실시예에 따라 U 자 형상의 스페이서의 정면도를 도시한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 스페이서는 U 자 형상일 수 있고, 스페이서 부분(710)은 내부 공동(712)를 한정한다. 이와 같은 스페이서는 화살표의 방향으로 단부(714)를 압박하여 스페이서를 프레임으로부터 상승시킴으로써 제거 가능하고, 이 공정은 스페이서의 제거를 용이하게 하도록 프레임 내에 공기의 진입을 허용할 수 있다.
도 7c는 실시예에 따라 유리섬유 스페이서의 에지 라이닝을 갖는 유리섬유 스페이서를 도시한다. 일부의 경우에, 파리버글래스 분리막이 플레이트들 사이의 공간 내로 과도하게 연장하도록 유리섬유 분리막은 플레이트들 사이의 공간 내에 접착제를 위킹(wick)할 수 있다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 유리섬유 스페이서(702)의 주위에 에지 라이너(704)를 형성하면 이것을 방지할 수 있다. 일부의 실시예에서, 유리섬유는 접착제를 위킹하지 않는 글래스 프레임을 형성하도록 용융될 수 있다. 일부의 실시예에서, 접착제 또는 플라스틱은 스페이서의 림(rim)에 가해져서, 응고된 접착제로 이루어지는 프레임을 형성할 수 있다. 일부의 실시예에서, 에지 라이너는 유기 규소 화합물 중합체(silicone)와 같은 적절한 접착제가 사용되는 경우 연성 및 가요성을 가질 수 있다.
스페이서는 테플론과 같은 비점착성 물질로 제작될 수 있거나, 제거를 용이하게 하도록 테플론 코팅을 가질 수 있다. 스페이서는 또한 상부를 관통하는 구멍을 가질 수 있고, 이 구멍은, 하나 이상의 로드가 한 세트의 스페이서를 통과하도록 정렬될 수 있고, 정렬 및 제거를 단순화한다. 더 용이한 제거를 제공하기 위해 하나 이상의 표면에 이형제 물질이 가해질 수 있다.
일부의 실시예에서, 실리콘 플레이트의 에지는 그것의 제작 중에 발생하는 흠집 또는 결함을 가질 수 있다. 이러한 흡집은 플레이트의 조작 시 파손의 원인이 될 수 있다. 플레이트는 조립 전에 에폭시 또는 플라스틱으로 코팅될 수 있다. 이것은 사전-코팅이라고 불린다. 이것은 에지를 보호하여 웨이퍼의 파손의 위험성을 감소시킬 수 있다. 코팅은 디핑(dipping) 또는 직접 적용에 의해 실시될 수 있다. 일부의 실시예에서, 코팅의 두께는 플레이트 간격의 절반과 동등하다. 일부의 실시예에서, 플레이트는 적층될 수 있고, 에폭시 또는 플라스틱의 추가의 층이 배터리의 외부 하우징을 형성하도록 가해질 수 있다. 사전-코팅 물질은 황산에 대해 실질적으로 내성을 갖는 플라스틱일 수 있다. 플레이트의 면 상의 사전-코팅의 두께의 합은 플레이트들 사이의 플레이트 간격과 대략 동등할 수 있다.
도 8은 실시예에 따라 배터리 조립 공정의 흐름도를 도시한다. 이 공정은 도 4 내지 도 6에서 설명된 실시예 및 본 명세서에 개시된 다른 실시예를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 802에서, 전극이 적층체 내에 설치된다. 804에서, 전극 적층체가 프레임 내에 설치된다. 806에서, 적층체를 프레임에 부착하기 위해 접착제가 첨가된다. 810에서, 선택적 단계는 적어도 일부의 스페이서의 제거를 허용한다. 812에서, 프레임에 부착되는 전극들 사이에 한정되는 하나 이상의 내부 공간이 전해질로 충전된다. 814에서, 커버 또는 상부가 전해질을 시일하기 위해 프레임에 가해질 수 있다.
도 9는 실시예에 따라 좌측으로부터 우측으로 실리콘, 니켈 실리사이드, 장벽 층, 납 산화물의 상이한 층을 도시하는 활성 매스 코팅을 갖는 배터리 플레이트의 단면도이다. 도 9는 예시적 다중 층 적층체를 도시한다. 도면은 실리콘(902), 니켈 실리사이드(904), 장벽 층(906) 및 납 산화물(908)을 포함하는 플레이트(900)를 도시한다. 층을 가하기 전에 실리콘으로부터 임의의 천연의 산화물을 제거하는 것이 종종 바람직하다는 것에 주목해야 한다. 이것은 샌드블래스팅(sandblasting)으로 또는 완충 불화수소산과 같은 화학적 에칭을 이용하여 실행될 수 있다.
실리콘 기판과 활성 매스 사이에 층을 형성하는 것이 유익할 수 있다. 한 가지 이점은 기판(예를 들면, 실리콘)과 활성 매스 사이의 접촉을 개선하는 것이다. 일부의 실시예는 기판과 활성 매스 사이에 실리사이드 층을 개재한다. 일부의 실시예는 기판과 활성 매스 사이에 니켈 실리사이드 층을 개재한다. 이와 같은 층은 무전해(electroless) 니켈 침착 또는 증발 침착 또는 스퍼터 침착과 같은 진공 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 일부의 실시예는, 예를 들면, 500 ℃에서의 가열 사이클을 포함한다. 일부의 실시예는 약 10 초간 가열한다. 실리사이드 층은 불활성 층(예를 들면, 탄소)에 대한 또는 전해질에 대한 접촉을 개선하도록 반대 측면 상에 형성될 수 있다. 일부의 실시예에서, 몰리브데넘, 티타늄, 텅스텐 및 이들 합금과 같은 다른 실리사이드가 니켈 대신 또는 니켈에 추가하여 사용될 수 있다.
추가의 층이 전해질과의 반응으로부터 실리콘을 보호하기 위해, 그리고 기판에 대한 활성 매스의 접착을 개선하기 위해 첨가될 수 있다. 이와 같은 층은 TiN, TaN, 몰리브데넘 셀레나이드, 주석 또는 크롬을 포함할 수 있고, 기판의 일측면 또는 양측면 상에 형성될 수 있다. 침착의 방법은 스퍼터링, 반응성 스퍼터링 또는 증착을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 장벽 또는 접착 층은 20 내지 100 nm와 같이 비교적 얇을 수 있다.
도 10은 실시예에 따라 플레이트를 산 부식으로부터 보호하기 위해, 그리고 활성 매스의 접착을 촉진시키기 위해 장벽을 형성하도록 실리사이드 접촉 층 및 추가의 층의 형성을 포함하는 배터리 플레이트를 제작하기 위한 공정의 흐름도이다. 공정은 층의 일면 또는 양면 상에 이용될 수 있다. 1002에서, 실리콘 기판을 제공함으로써 이 방법이 개시된다. 1004에서, 기판은 오염물 및 유기질 퇴적물을 제거하기 위해 세척될 수 있다. 사용될 수 있는 세척 용액은 유기물을 제거하기 위한 황산과 과산화 수소의 혼합물을 포함한다. 표면은 황산/과산화 수소 세척 후에 형성되는 임의의 산화물 층을 제거하도록 불화수소산으로 에칭되거나 샌드블래스팅될 수 있다. 1006에서, 무전해 니켈이 침착될 수 있다. 선택적으로, 무전해 니켈은 전술한 바와 같이 진공 침착될 수 있다. 1008에서, 침착물이 소성(baked)될 수 있다. 이와 같은 침착물은 실리사이드 접촉 층을 형성하기 위해 300 ~ 700℃에서, 예를 들면, 30초간 가열될 수 있다. 1010에서, 장벽이 침착될 수 있다. 장벽은 다른 형성 방법 중에서도 특히 도금 또는 스퍼터링될 수 있다. 1012에서, 접착 및/또는 장벽 층이 침착될 수 있다. 1014에서, 활성 매스가 본 명세서에서 설명되는 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 1016에서, 활성 매스가, 예를 들면, 납으로부터 납 산화물로 변환되도록 컨디셔닝(conditioning)될 수 있다. 일부의 실시예에서, 납이 실리콘에 직접 도금될 수 있다. 선택적으로 납은 접촉 및 접착을 개선하기 위해 5분간 200℃로 가열될 수 있다.
실시예는 제어된 기공율 및 기공 크기를 갖는 활성 매스를 형성할 수 있다. 일부의 실시예에서, 활성 매스는 도금될 수 있다. 활성 매스는 1 mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부의 실시예는 0.2 내지 0.3 mm의 두께를 가질 수 있다.
일부의 실시예에서, 활성 매스는 납(IV) 산화물인 PbO2를 포함할 수 있다. 납(IV)의 표기는 +4가를 갖는 납을 뜻한다. 도금되는 물질은 성형 또는 컨디셔닝을 이용하여 PbO2로 전해에 의해 변환될 수 있는 납을 포함할 수도 있다. 일부의 컨디셔닝 공정에서, 전류는 플레이트를 황산 납으로 변환시키기 위해 6몰 황산 욕 내에서 플레이트에 통전될 수 있다. 전류는 포지티브 플레이트 상에서 납 산화물을 형성하도록 역류될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 실시예에 따라 다공질 활성 매스를 제조하는 공정의 도식도를 도시한다. 침착물은 다양한 방법을 이용하여 다공질로 형성될 수 있다. 일부의 실시예에서, 첨가제는 무광(matte) 마감 도금을 실행하기 위해 사용되는 것과 같은 도금 용액 내에 첨가될 수 있다. 일부의 실시예에서, 희생 층(1102)이 사용될 수 있다. 파라핀 왁스 또는 폴리머(예를 들면, 에칭-리지스트(etch-resist))와 같은 응고된 수지와 같은 매트릭스 물질(1106)과 미세한 가용성 입자(1104)의 혼합물이 제조될 수 있다. 입자(1104)는 활성 매스 입자와 동일한 크기를 가질 수 있고, 약 5 ㎛ 직경을 가질 수 있다. 입자는 결정질 염과 같은 가용성 물질일 수 있고, 염화 나트륨은 하나의 실시예이다. 혼합물이 기판(1108)에 가해질 수 있고, 이 기판은 매트릭스(예를 들면, 파라핀)가 유동할 수 있도록 가열될 수 있다. 혼합물(1102)은, 예를 들면, 유기 성분의 냉각 또는 증발에 의해, 응고가 허용될 수 있다. 웨이퍼는 가용성 입자(1104)가 용해되도록 물 속에 설치될 수 있다. 이와 같은 공정에 의해 다공질 유기질 매트릭스(1106)가 형성될 수 있다.
일단 다공질 매트릭스가 생성되면, 웨이퍼가 도금 욕 내에 설치될 수 있다. 활성 매스 물질은 기공 내에 도금될 수 있다. 매트릭스(1106)는 도금(1110)의 두께보다 두꺼울 수 있고, 도금의 두께는 도금 시간과 전류에 의해 결정될 수 있다. 매트릭스는 다공질 활성 매스 층을 남기기 위해 용매 내에서 용해될 수 있고, 다공질 활성 매스 층은 최초의 도금물질이 납인 경우 납(IV) 산화물을 형성하기 위해 컨디셔닝될 수 있다.
일부의 실시예에서, 활성 매스를 침착시키기 위해 전기영동 침착이 사용될 수 있다. 전기영동은 하전된 입자가 전극을 향해 끌려갈 수 있는 공정이다. 실시예의 공정에서, 예를 들면, 초음파 교반에 의해 에탄올 욕 내에서 활성 매스 입자의 현탁액이 제조될 수 있다. 에탄올 및 그 합성물의 한 가지 이점은 이것이 전기의 불량 도체이고, 따라서 욕의 전역에 전기장이 형성될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 욕 100 mm 당 0.5 mm로 소량의 황산이 현탁액에 첨가될 수 있다. 이와 같은 첨가에 의해, 현탁된 활성 매스 입자를 하전시키기 위한 이온의 공급원이 제공될 수 있다. 코팅될 전극은 욕 내에 설치될 수 있고, 2 ~ 5 cm 정도의 전극 간격을 갖는 50 ~ 200 볼트 공급원과 같은 전압 공급원의 음의 단자에 연결될 수 있다. 전위는 활성 매스 입자를 표면으로 밀어주고, 이곳에서 활성 매스 입자가 침착된다. 코팅된 플레이트는 100℃를 초과하는 온도에서 소성될 수 있다. 일부의 실시예는 200℃에서 30분간 소성된다. 소성에 의해 코팅으로부터 에탄올이 축출될 수 있다.
파이버 및 화학적 결합제(binder)를 포함하는, 그러나, 이것에 한정되지 않는, 다른 물질도 이 방법으로 공-침착될 수 있다. 이와 같은 물질은 막의 접착 및 완전성(integrity)을 개선할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 완전성이라 함은 활성 매스 층의 박리 또는 분해에 대한 저항을 뜻한다. 염 입자와 같은 가용성 종(species)도 공-침착될 수 있고, 막의 기공율을 제어하도록 전술한 바와 같이 용해될 수 있다. 이것은 희생 파라핀 및 추후의 도금 단계의 필요성을 감소 또는 제거하는 이점을 갖는다.
도 12는 실시예에 따라 다공질 활성 매스를 제작하기 위한 흐름도이다. 이 흐름도는 도 11의 장치를 제작하기 위해 사용될 수 있다. 1202에서, 충전제를 가진 매트릭스가 기판에 가해질 수 있다. 1204에서, 매트릭스 내의 충전제가 용해된다. 1206에서, 매트릭스가 도금될 수 있다. 1208에서, 매트릭스가 용해될 수 있다. 1210에서, 잔여 물질이 컨디셔닝될 수 있다.
도 13은 염 결정이 용해된 후에 남은 구멍(1304)을 갖는 파라핀 매트릭스(1302)의 현미경사진(1300)을 도시한다. 매트릭스 물질 대 입자의 비는 기공율을 결정할 수 있다. 입자 크기 및 형상은 기공의 크기를 결정할 수 있다. 혼합물은 50 ~ 70%의 고체를 포함할 수 있다. 높은 고체 분율은 연속되는 기공의 형성을 촉진할 수 있고, 이 연속되는 기공은 전체 매트릭스를 통한 철저한 도금을 가능하게 한다. 일부의 경우, 매트릭스 물질이 상부 표면에 웨팅(wetting)되고, 여기서 표면을 가볍게 긁어서 염을 노출시킬 수 있다.
활성 매스의 계속성(consistency)은 깊이에 따라 변화될 수 있다. 예를 들면, 복수의 순차적 침착이 상호 적층되어 층을 이룰 수 있다. 침착 중에, 입자 크기, 기공율, 조성, 또는 막의 응력과 같은 파라미터를 변화시킬 수 있도록 파라미터가 변경될 수 있다.
다양한 요지 및 실시예
실시예 1은 실리콘 기판 및 이 실리콘 기판 상에 배치되는 활성 물질 또는 활성 매스를 포함하는 제 1 전극, 제 1 전극과 정렬된 상태로 적층체 내에 배치되는 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 전극 적층체와 같은 주제(예를 들면, 장치, 방법, 작용을 수행하기 위한 수단, 또는 기기에 의해 수행될 때 기기의 작용을 유발할 수 있는 명령을 포함하는 기기 독출 가능한 매체)를 포함하거나 사용할 수 있다. 본 실시예는 전극의 적층체가 내부에 배치되는 하우징, 하우징 내에 충전되고 또한 제 1 전극 및 제 2 전극과 접촉하는 전해질, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 연장하는 내부 공간을 한정하도록 하우징과 적층체 사이에 결합되고, 내부 공간으로부터의 전해질의 유동에 저항하도록 구성되는 시일, 하우징에 결합되는 커버, 및 내부 공간의 내측으로부터 전해질의 유동에 저항하도록 구성되는 커버 시일을 포함할 수 있다.
실시예 2는 전술한 실시예 1의 임의의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 제 1 전극의 제 1 주면은 외부에 노출되고, 제 2 전극은 상이한 극성이고, 제 2 전극의 제 2 주면은 제 1 주면과 반대측의 외부에 노출된다.
실시예 3은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 물질은 납(또는 납 화합물)을 포함하고, 전해질은 황산을 포함한다.
실시예 4는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 개재 층은 기판과 활성 물질 사이에 배치된다.
실시예 5는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 개재 층은 TiN, TaN, 몰리브데넘 셀레나이드, 주석 및 크롬을 포함하는 그룹 중의 적어도 하나로 형성된다.
실시예 6은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 개재 층은 실리사이드를 포함한다.
실시예 7은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 실리사이드는 텅스텐, 티타늄, 니켈 또는 몰리브데넘을 포함한다.
실시예 8은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 기판은 0.5 mm 미만의 두께를 갖고, 활성 물질은 0.5 mm 미만의 두께를 갖는다.
실시예 9는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 기판은, 활성 물질이 배치되는 절삭 표면을 갖는다.
실시예 10은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 물질은 다공질이다.
실시예 11은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 기판의 주면은 직사각형 주변을 갖고, 측부 길이는 약 156 mm이다.
실시예 12는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 실리콘 기판 상에 활성 물질 코팅을 배치함으로써 배터리 전극을 형성하는 단계, 분리막에 의해 다른 배터리 전극으로부터 분리되는 배터리 전극을 배터리 전극의 적층체로 조립하는 단계, 하우징 내에 적층체를 배치하는 단계, 전해질로 내부 공간을 충전하는 단계, 및 내부 공간으로부터의 전해질의 유동에 저항하도록 하우징을 시일하는 단계를 포함한다.
실시예 13은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 도금된 코팅은 납이고, 납(IV) 산화물을 형성하기 위해 적용 후 코팅을 산화시키는 단계를 더 포함한다.
실시예 14는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 기판 상에 니켈을 배치하고 기판을 가열함으로써 기판과 활성 물질 사이에 실리사이드를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예 15는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 니켈을 배치하는 단계는 무전해 침착을 이용하여 니켈을 가하는 것을 포함하는 니켈을 도금하는 단계를 포함한다.
실시예 16은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 실리사이드는 금속을 스퍼터링 또는 증발시키는 단계 및 기판을 가열하는 단계에 의해 형성된다.
실시예 17은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 물질은 기판 상에 매트릭스 물질의 희생 층 및 입자를 배치하는 단계, 기공을 갖는 매트릭스를 형성하도록 입자를 용해시키는 단계, 적어도 일부의 기공 내에 활성 물질을 도금하는 단계, 및 매트릭스를 용해시키는 단계에 의해 형성되는, 다공질의 도금된 활성 물질이다.
실시예 18은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 기판 상에 활성 물질을 배치하는 단계는 전기영동을 이용하여 기판에 가하는 단계를 포함한다.
실시예 19는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 분리막이 내부 공간에 배치되는 상태로 내부 공간을 한정하도록 하우징에 적층체를 기계적으로 고정하는 단계, 및 분리막을 제거하는 단계를 포함한다.
실시예 20은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 물질을 배치하는 단계는 희생 물질과 함께 활성 물질의 전기영동 공-침착 및 전기영동 공-침착 후에 희생 물질을 용해시킴으로써 다공질 활성 물질을 한정하는 단계를 포함한다.
실시예 21은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 실리콘 기판은 고농도로 도핑된다.
실시예 22는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 실리콘 저항률은 1 Ω-cm 미만이다.
실시예 23은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 기판은 애즈-컷 표면을 갖는다.
실시예 24는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 실리콘은 표준 태양 전지 텍스처를 갖는다.
실시예 25는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 실리콘은 금속급의 물질이다.
실시예 26은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 기판은 다결정 실리콘이다.
실시예 27은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 실리콘 배터리 플레이트에 활성 매스 코팅을 가하기 위한 공정을 포함하고, 여기서 코팅은 전기영동을 이용하여 도금되거나 침착된다.
실시예 28은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 도금되거나 전기영동 침착된 코팅은 1 mm 미만의 두께를 갖는다.
실시예 29는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 배터리 플레이트에 대한 활성 매스의 접착을 촉진시키기 위해, 실리콘 기판과 활성 매스 사이에 개재 층을 포함한다.
실시예 30은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 기공율을 촉진하기 위해 도금 용액 내에 첨가제가 포함된다.
실시예 31은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 희생 층이 배터리 플레이트에 가해지고, 상기 희생 층은 매트릭스 물질과 입자로 이루어지고, 상기 입자는 기공을 갖는 매트릭스를 형성하도록 추후에 용해되고, 상기 기공의 적어도 일부는 도금에 의해 충전되고, 상기 매트릭스는 추후에 용해되고, 여기서 매트릭스 물질은 왁스 및 폴리머 중 적어도 하나이다.
실시예 32는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 상기 입자는 결정질 염이다.
실시예 33은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 결정질 염은 염화 나트륨이다.
실시예 34는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 플레이트들 사이에 다공질 스페이서를 또한 포함한다.
실시예 35는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 다공질 스페이서 물질은 유리섬유를 포함한다.
실시예 36은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 교대되는 배터리 플레이트, 다공질 스페이서, 및 제거 가능한 스페이서를 포함하는 적층체가 형성되고, 다음에 상기 적층체는 격납 고정구 내에 설치되고, 실런트(sealant)가 상기 적층체의 주변에 가해지고, 상기 제거 가능한 스페이서가 상기 실런트의 응고 후에 제거된다.
실시예 37은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 3 개의 측면이 시일되고, 스페이서가 제거되고, 전해질이 첨가되고, 상부 커버가 배터리 상에 설치된다.
실시예 38은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 제거 가능한 스페이서의 하나 이상의 에지는 테이퍼형이다.
실시예 39는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 이형제 코팅이 제거 가능한 스페이서에 가해진다.
실시예 40은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 제거 가능한 스페이서는 U자 형상을 가져서, 제거는 U자 형상의 단부들을 서로를 향해 압박하는 단계를 포함한다.
실시예 41은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 제거 가능한 스페이서는 재사용 가능하다.
실시예 42는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 교대되는 배터리 플레이트와 다공질 스페이서를 포함하는 적층체가 형성되고, 다음에 상기 적층체는 격납 고정구 내에 설치되고, 실런트가 상기 적층체의 주변에 가해진다.
실시예 43은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 3 개의 측면이 시일되고, 전해질이 첨가되고, 상부 커버가 배터리 상에 설치된다.
실시예 44는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 다공질 스페이서는 스페이서 내로 실런트의 흡수를 방지하기 위한 에지 라이너(liner)를 갖는다.
실시예 45는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 에지 라이너는 접착제이다.
실시예 46은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 접착제는 유기 규소 화합물 중합체이다.
실시예 47은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 에지 라이너는 유리섬유 스페이서의 에지를 용해시킴으로써 형성된다.
실시예 48은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 기판의 일면은 불활성이다.
실시예 49는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 불활성 면은 실리콘이다.
실시예 50은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 불활성 면은 탄소로 코팅된다.
실시예 51은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 불활성 면은 실리사이드이다.
실시예 52는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 측면 상의 활성 매스는 전기영동을 이용하여 가해진다.
실시예 53은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 매스 물질은 납 산화물을 포함한다.
실시예 54는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 매스는 전기영동 침착 후에 100℃를 초과하는 온도에서 소성된다.
실시예 55는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 개재 층이 전기영동 활성 매스 침착물과 플레이트 기판 사이에 배치된다.
실시예 56은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 플레이트 물질은 실리콘을 포함한다.
실시예 57은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 전극이 활성 매스 물질과 희생 물질의 전기영동 공-침착에 의해 형성되고, 상기 희생 물질은 활성 매스 층의 기공율을 증대시키도록 전기영동 공-침착 후에 용해된다.
실시예 58은 활성 매스가 제 2 물질과 공-침착되는 전술한 실시예의 활성 매스 층의 임의의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 상기 제 2 물질의 기능은 활성 매스 층의 물리적 특성을 개선하는 것이다.
실시예 59는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 물리적인 특성은 접착이다.
실시예 60은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 물리적인 특성은 활성 매스 층의 완전성이다.
실시예 61은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 플레이트 표면을 샌드블래스팅하는 단계를 포함한다. 실시예 62는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 배터리는 복수의 플레이트를 사용하고, 적어도 2 개의 플레이트의 셰이빙 에지는 사전-코팅된다.
실시예 63은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 사전-코팅 물질은 에폭시이다.
실시예 64는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 사전-코팅 물질은 황산에 대해 실질적으로 내성을 갖는 플라스틱이다.
실시예 65는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 플레이트 면 상의 사전-코팅의 두께의 합은 플레이트 간격과 대략 동등하다.
실시예 66은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 플레이트의 적층체는 배터리를 위한 외부 하우징을 제공하도록 적층 단계 후에 시일된다.
실시예 67은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 시일 물질은 플라스틱이다.
실시예 68은 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 시일 물질은 에폭시이다.
실시예 69는 전술한 실시예 중의 임의의 실시예의 주제를 선택적으로 포함할 수 있고, 여기서 활성 매스의 계속성은 복수의 순차적 침착의 사용 또는 침착 공정을 통한 다양한 침착 파라미터를 변화시키는 것을 통해 깊이에 따라 변화된다.
실시예 70은 실시예 1 내지 69의 임의의 하나 이상의 기능을 수행하기 위한 수단, 또는 기계에 의해 수행될 때, 실시예 1 내지 69의 임의의 하나 이상의 기능의 수행을 유발하는 명령을 포함하는 기계-독출 가능한 매체를 포함할 수 있는 주제를 포함하도록, 실시예 1 내지 69 중 임의의 하나 이상의 실시예의 임의의 부분 또는 조합을 포함하거나, 실시예 1 내지 69 중 임의의 하나 이상의 실시예의 임의의 부분 또는 조합과 선택적으로 조합될 수 있다.
이와 같은 비제한적 실시예의 각각은 독자적으로 존재할 수 있고, 일부의 실시예 중 하나 이상의 실시예와의 다양한 치환 또는 조합으로 조합될 수 있다.
상기 상세한 설명은 첨부한 도면에 대한 참조를 포함하고, 도면은 상세한 설명의 일부를 형성한다. 도면은 본 발명을 실시할 수 있는 특정 실시형태를 예시로서 도시한다. 이러한 실시형태를 본 명세서에서 "실시예"라고 부른다. 이와 같은 실시예는 도시되거나 기재된 것 이외의 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명자는 또한 도시되거나 기재된 요소만이 제공되는 실시예도 고려한다. 더욱이, 본 발명자는, 본 명세서에 도시되거나 기재된 특정의 실시예(또는 그것의 하나 이상의 양태)에 대하여 또는 일부의 실시예(또는 그것의 하나 이상의 양태)에 대하여, 도시되거나 기재된 그 요소들(또는 그것의 하나 이상의 양태)의 임의의 조합이나 치환을 이용하는 실시예를 또한 고려한다.
본 명세서와 참조에 의해 포함되는 임의의 문헌 사이에 일치하지 않는 사용의 경우, 본 명세서에서의 사용이 우선한다.
본 명세서에서, "하나(a, an)"라는 용어는, 특허 명세서에서 공통적인 바와 같이, 임의의 다른 예 또는 사용인 "적어도 하나 이상"과 무관하게 "하나" 이상을 포함하도록 사용된다. 본 명세서에서, "또는"이라는 용어는 포괄적인 것을 언급하기 위해 사용되고, "A 또는 B"는 다른 특별한 언급이 없는 한 "A", "B", 및 "A와 B"를 포함한다. 본 명세서에서, "포함하는(including)" 및 "여기서(in which)"라는 용어는 각각 평이한 언어의 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)"와 동등하게 사용된다. 또한, 이하의 청구항에서, "포함하는"이라는 용어는 확장 가능한 용어이고, 즉, 이 용어의 다음에 기재되는 것에 추가되는 요소를 포함하는 시스템, 기기, 물품, 조성, 제형(formulation), 또는 공정은 그 청구항의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 또한, 이하의 청구항에서, "제 1", "제 2" 및 "제 3" 등의 용어는 부호로서 사용된 것이고, 그 대상에 대해 수치적 요건을 부여하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에 기재되는 방법 실시예는 적어도 부분적으로 기계나 컴퓨터에 의해 실시될 수 있다. 일부의 실시예는 상기 실시예에 기재된 바와 같은 방법을 수행하도록 전자 기기를 구성하도록 작동 가능한 명령어로 인코딩된 컴퓨터-독출 가능한 매체 또는 기계-독출 가능한 매체를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법의 실시는 마이크로코드, 어셈블리 언어 코드, 고수준 언어 코드 등과 같은 코드를 포함한다. 이와 같은 코드는 다양한 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 독출 가능한 명령을 포함할 수 있다. 코드는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다. 더욱, 어떤 실시예에서, 예를 들면, 실행 중이나 다른 시간에, 코드는 하나 이상의 휘발성, 지속성(non-transitory), 또는 비휘발성의 유형(tangible) 컴퓨터-독출 가능한 매체 내에 확실하게 저장될 수 있다. 이러한 유형의 컴퓨터-독출 가능한 매체의 실시예는 하드 디스크, 제거 가능한 자기 디스크, 제거 가능한 광 디스크(예를 들면, 콤팩트 디스크 및 디지털 비디오 디스크), 자기 카세트, 메모리 카드 또는 스틱, 랜덤 억세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROMs) 등을 포함할 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다.
상기 기재는 예시를 목적으로 하는 것이고, 제한을 목적으로 하는 것이 아니다. 예를 들면, 전술한 실시예(또는 그것의 하나 이상의 양태)는 상호 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 기술분야의 통상의 전문가는 상기 기재를 검토한 후에 다른 실시형태를 사용할 수 있다. 독자가 기술 개시의 성격을 신속하게 파악할 수 있도록, 37 C.F.R. §1.72(b)의 규정에 부합하는 요약서가 제공된다. 요약서는 이것이 청구항의 범위 및 의미를 해석하거나 제한하기 위해 사용되지 않는다는 이해 하에 제출된다. 또한, 상기 상세한 설명에서, 다양한 특징들은 개시를 간소화하기 위해 함께 결합될 수 있다. 청구되지 않은 개시된 특징이 임의의 청구항에 본질적임을 의도하는 것으로서 이것을 해석해서는 안 된다. 오히려 발명적 주제는 특정의 개시된 실시형태의 모든 특징의 수보다 적은 특징에 존재할 수 있다. 따라서, 이하의 청구항은 실시예 또는 실시형태로서 상세한 설명란에 포함되고, 각 청구항은 별개의 실시형태로서 독자적으로 존재하고, 이와 같은 실시형태는 다양한 조합 또는 치환으로 상호 조합될 수 있다는 것이 고려된다. 본 발명의 범위는, 이와 같은 청구항의 권리인 전체 등가의 범위와 함께, 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 배터리 전극의 적층체;
    상기 배터리 전극의 적층체가 내부에 배치되는 하우징; 및
    상기 하우징 내에 배치된 전해질
    을 포함하는 배터리로서,
    상기 배터리 전극의 적층체는,
    양극성(bipolar) 배터리 플레이트 ― 상기 양극성 배터리 플레이트는 전기 전도성 실리콘 웨이퍼와, 상기 실리콘 웨이퍼의 적어도 일 표면 상에 배치되어 제1 배터리 전극을 형성하는 활성 물질과, 상기 제1 배터리 전극의 반대편에 있는 상기 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 위치하는 제2 배터리 전극을 포함함 ―; 및
    상기 제2 배터리 전극으로부터 물리적으로 간격을 두고 상기 제2 배터리 전극과 함께 상기 적층체 내에 배치된 제3 배터리 전극
    을 포함하고,
    상기 전해질은 상기 하우징 내부에서 상기 제2 및 제3 배터리 전극과 접하고 있는 상기 전해질의 부분이 적어도 부분적으로 상기 전기 전도성 실리콘 웨이퍼에 의해 상기 제1 배터리 전극으로부터 분리되도록 배치되어 있고,
    상기 배터리 전극의 적층체는 상기 전기 전도성 웨이퍼를 통해 상기 제1 및 제2 배터리 전극 사이의 전도 경로를 형성하도록 구성되어 있고,
    상기 활성 물질과 상기 실리콘 웨이퍼 사이에서 상기 실리콘 웨이퍼의 적어도 일 표면에 실리사이드가 포함되어 있는, 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 장벽 층이 상기 실리사이드와 상기 활성 물질 사이에 배치된, 배터리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장벽 층은 TiN, TaN, 몰리브데넘 셀레나이드, 주석 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성되고, 상기 실리사이드는 텅스텐, 티타늄, 니켈 또는 몰리브데넘을 포함하는, 배터리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 배터리 전극과 상기 제3 배터리 전극 사이로 연장된 내부 공간을 형성하도록 상기 하우징과 상기 적층체 사이에서 결합되어 있고 상기 내부 공간으로부터의 상기 전해질의 흐름을 막는 시일;
    상기 하우징에 결합된 커버; 및
    상기 내부 공간의 내측으로부터의 상기 전해질의 흐름을 막기 위해 상기 커버와 상기 하우징 사이에 있는 커버 시일
    을 포함하는, 배터리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 물질은 납을 함유하고, 상기 전해질은 황산을 포함하며, 상기 실리콘 웨이퍼는 1 Ω-cm 이하의 저항률을 갖는 금속급(metallurgical grade) 실리콘 웨이퍼로 형성된, 배터리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 상기 활성 물질이 배치되는 절삭된 표면을 갖고, 상기 활성 물질은 다공질인, 배터리.
  7. 전기 전도성 실리콘 웨이퍼의 적어도 일 표면 상으로 활성 물질의 코팅을 배치하여 제1 배터리 전극을 형성함으로써 양극성(bipolar) 배터리 플레이트를 형성하는 단계;
    상기 제1 배터리 전극의 반대편에 있는 상기 전기 전도성 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 제2 배터리 전극을 형성하는 단계;
    배터리 전극의 적층체 안으로 상기 배터리 플레이트를 조립하는 단계 ― 상기 제1 배터리 전극은 분리막에 의해 제3 배터리 전극으로부터 분리되어 상기 제1 배터리 전극과 제3 배터리 전극 사이에 내부 공간을 형성함 ―
    상기 적층체를 하우징 내에 배치하는 단계;
    상기 내부 공간을 전해질로 채우는 단계; 및
    상기 내부 공간으로부터의 전해질의 흐름을 막기 위해 상기 하우징을 시일하는 단계;
    상기 배터리 전극의 적층체는 상기 전기 전도성 실리콘 웨이퍼를 통하는 전도 경로를 형성하도록 구성되고,
    상기 전기 전도성 실리콘 웨이퍼와 상기 활성 물질 코팅 사이에는 실리사이드가 형성되어 있는,
    배터리를 제조하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 코팅은 납(IV) 산화물을 형성하기 위해 도포 후에 더 산화되는, 배터리를 제조하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 상에 니켈을 배치하고 상기 웨이퍼를 가열하는 것에 의해 상기 웨이퍼와 상기 활성 물질 사이에서 실리사이드를 형성하는 단계를 포함하는, 배터리를 제조하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 니켈을 배치하는 것은 무전해 침착(electroless deposition)을 이용하여 상기 니켈을 적층하는 것을 포함하는 상기 니켈을 도금하는 것을 포함하는, 배터리를 제조하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    금속의 스퍼터링 및 열증착 중 하나 및 상기 웨이퍼를 가열하는 것에 의해 상기 전기 전도성 실리콘 웨이퍼와 상기 활성 물질 코팅 사이에 실리사이드를 형성하는, 배터리를 제조하는 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 물질은,
    상기 웨이퍼 상에 매트릭스 물질의 희생 층 및 입자를 배치하고;
    기공을 가지는 매트릭스를 형성하도록 상기 입자를 용해시키고;
    적어도 일부의 기공 내에 활성 물질을 도금하고;
    상기 매트릭스를 용해시키는 것에 의해 형성되는 다공질의 도금된 활성 물질인, 배터리를 제조하는 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    전기영동 공-침착(electrophoretic co-deposition)을 이용하여 상기 전기 전도성 실리콘 웨이퍼 상에 상기 활성 물질 및 희생 물질을 배치하는 단계; 및
    상기 전기영동 공-침착 후에 상기 희생 물질을 용해하는 단계
    를 포함하는, 배터리를 제조하는 방법.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 분리막이 상기 내부 공간 내에 배치되는 상태로, 상기 내부 공간을 형성하기 위해 상기 하우징에 상기 적층체를 기계적으로 고정하고, 상기 분리막을 제거하는 것을 포함하는, 배터리를 제조하는 방법.
  15. 삭제
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