KR101611626B1 - 전기 화학적 배터리를 위한 접시형상의 압력 균등화 전극 - Google Patents

전기 화학적 배터리를 위한 접시형상의 압력 균등화 전극 Download PDF

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Abstract

적층형 배터리는 적층으로 배치된 적어도 두개의 셀 세그먼트를 갖는다. 각각의 셀 세그먼트는 제1 활성 물질 전극을 갖는 제1 전극 유닛과, 제2 활성 물질 전극을 갖는 제2 전극 유닛 및 이들 활성 물질 전극 사이에 전해질 층을 가질 수 있다. 셀 세그먼트 내에 전해질을 밀봉시키기 위해 각각의 셀 세그먼트 내에 하나 이상의 개스킷을 포함시킬 수 있다. 전극 유닛은 "접시 형상"으로 될 수 있고, 전극 유닛 편향을 감소시키고 셀 세그먼트 사이에 압력 균등화를 개선하기 위해 압력 균등화 밸브를 포함할 수 있다. 압력 균등화 밸브는 인접하는 셀 세그먼트를 통하여 기체가 확산하는 것을 허용할 수 있고 인접하는 셀 세그먼트를 통하여 전해질이 실질적으로 확산하지 못하게 막을 수 있다.

Description

전기 화학적 배터리를 위한 접시형상의 압력 균등화 전극{DISH SHAPED AND PRESSURE EQUALIZING ELECTRODES FOR ELECTROCHEMICAL BATTERIES}
본 출원은 26, 2007년 10월 26일 출원된 미국 특허 가출원번호 제61/000,470호와 2007년 11월 9일에 출원된 미국 특허 가출원번호 제61/002,528호를 우선권으로 주장하며, 여기서는 이들 전체 내용을 참조로서 포함한다.
본 발명은 일반적으로 배터리에 관한 것으로, 보다 자세하게 본 발명은 개선된 압력 균등화(pressure equalization)를 갖는 적층형 바이폴라 셀 배터리 설계에 관한 것이다.
통상적인 배터리들은 단지 두개의 전극만을 갖는 권회형 셀(wound cell) 배터리, 또는 평행한 복수의 플레이트 세트를 갖는 표준의 각형 셀(standard prismatic cell) 배터리로서 제조되어 왔다. 이들 유형 둘다, 배터리 내의 어디에나 전해질이 분배될 수 있다. 권회형 셀 구조와 각형 셀 구조는 복수의 접속부들을 가로질러야 하고 한 셀에서 다음 셀까지 직렬 구성으로 완성된 회로를 커버하기 위해 상당히 긴 거리에 걸쳐 있어야 하는 이들의 전기 경로로 인해 높은 전기 저항을 받는다.
최근, 표준 권회형 또는 각형 배터리의 전압 전위보다 외부 커넥터들 사이에 더 높은 전압 전위와 더 높은 방전율을 제공할 수 있고 그에 따라 특정 애플리케이션에 대해 높은 수요가 있는, 적층 구성으로 밀봉된 셀을 갖는 여러 유형의 배터리들이 개발되어 왔다. 적층 구성으로 밀봉된 셀을 갖는 특정 유형의 이들 배터리는 독립적으로 밀봉된 MPU(monopolar electrode unit) 쌍의 적층체(stack)를 일반적으로 포함하도록 개발되어 왔다. 이들 MPU 각각에는 전류 콜렉터의 제1 면 상에 코팅된 포지티브 활성 물질 전극 층 또는 네거티브 활성 물질 전극이 제공된다(예를 들어, 1995년 2월 28일 특허된 Klein의 미국 특허 제5,393,617호를 참조하며 여기서는 그 전체 내용을 참조로서 포함한다). 포지티브 활성 물질 전극 층을 갖는 MPU(즉, 포지티브 MPU)와 네거티브 활성 물질 전극 층을 갖는 MPU(즉, 네거티브 MPU)는 이들 두 MPU의 전류 콜렉터를 전기적으로 절연시키기 위해 이들 두 MPU 사이에 전해질 층을 가질 수 있다. 포지티브 MPU와 네거티브 MPU의 쌍의 전류 콜렉터는 활성 물질 전극 층들 및 이들 층 사이의 전해질과 함께, 단일의 셀 또는 셀 세그먼트로서 밀봉될 수 있다. 포지티브 MPU와 네거티브 MPU를 각각 갖고 있는 이러한 셀의 적층체를 포함하는 배터리를 이하 "적층형 모노폴라(stacked mono-polar)"라 할 것이다.
제1 셀 내의 전극 층으로 코팅되지 않은 포지티브 MPU의 전류 콜렉터의 면은 제2 셀 내의 전극 층으로 코팅되지 않은 네거티브 MPU의 전류 콜렉터의 면에 전기적으로 연결될 수 있고 이에 의해 제1 셀과 제2 셀이 적층 구성으로 된다. 적층체 내의 이들 셀 세그먼트의 직렬 구성은 전압 전위가 전류 콜렉터들 간에 서로 상이해지도록 할 수 있다. 그러나, 특정 셀 내의 전류 콜렉터가 서로 접촉하거나 또는 특정 셀 내의 두 MPU의 공통 전해질이 적층체 내의 임의의 추가적인 MPU와 공유된다면, 배터리의 전압 및 에너지는 빠르게 0으로 사라질 것이다(즉 방전될 것이다). 따라서, 배터리 셀 각각의 전해질을 각각의 다른 배터리 셀과 독립적으로 밀봉시킨 적층형 모노폴라 배터리인 것이 바람직하다.
일련의 적층형 BPU(bi-polar electrode unit)를 일반적으로 포함하는, 적층 구성의 밀봉된 셀을 갖는 이들 배터리의 다른 유형이 개발되어 왔다. 이들 BPU 각각에는, 전류 콜렉터의 대향 면들에 코팅된 포지티브 활성 물질 전극 층 및 네거티브 활성 물질 전극 층이 제공될 수 있다. 임의의 두 BPU는 하나가 다른 하나 위에 적층될 수 있으며 이들 두 BPU들의 전류 콜렉터를 전기적으로 절연시키기 위해 BPU들 중 하나의 포지티브 활성 물질 전극 층과 BPU들 중 다른 하나의 네거티브 활성 물질 전극 층 사이에 전해질 층을 제공한다. 임의의 두 인접하는 BPU들의 전류 콜렉터는 활성 물질 전극 층들 및 이들 전극 층 사이의 전해질과 함께, 밀봉된 단일의 셀 또는 셀 세그먼트가 또한 될 수 있다. 제1 BPU의 일부분과 제2 BPU의 일부분을 각각 갖는 이러한 셀의 적층체를 포함하는 배터리를 이하 "적층형 바이폴라(stacked bi-polar)" 배터리라 할 것이다.
예를 들어, 제1 BPU의 포지티브 측과 제2 BPU의 네거티브 측은 제1 셀을 형성할 수 있고, 마찬가지로, 제2 BPU의 포지티브 측은 제3 BPU의 네거티브 측 또는 네거티브 BPU의 네거티브 측과 제2 셀을 형성할 수 있다. 따라서, 개별적인 BPU는 적층형 바이폴라 배터리의 다른 두 셀들 내에 포함될 수 있다. 적층에서의 이들 셀의 직렬 구성은 전압 전위가 전류 콜렉터들 사이에서 상이해지도록 할 수 있다. 그러나, 특정 셀의 전류 콜렉터가 서로 접촉하거나 또는 제1 셀 내의 두 BPU의 공통 전해질이 적층체에서의 임의의 다른 셀과 공유되면, 배터리의 전압 및 에너지가 빠르게 0으로 사라질 것이다(즉, 방전된다).
통상적인 적층형 바이폴라 배터리는 플랫 전극 플레이트를 이용한다. 플랫 플레이트를 이용하고 플레이트를 에지 실(edge seal)을 이용해 절연시킴으로써, 적층형 전기화학적 배터리 내의 셀들은 실질적으로 독립적으로 동작할 수 있다. 독립적인 셀들이 충전 및 방전되기 때문에, 인접하는 셀들 사이에 약간의 압력차가 전개될 수 있다. 인접하는 셀들 사이의 압력 차는 평방 인치당 수 파운드를 초과하여, 플랫 전극이 제1 셀에서부터 제2 셀을 향해 편향될 수 있다. 이 편향은 제2 셀의 세퍼레이터 물질을 변형시킬 수 있고 이에 의해 단락 회로가 전개될 수 있는 "핫 스폿(hot spot)"을 형성할 수 있다. 개개의 셀의 물리 성분과 화학적 성질은 일반적으로 약간 서로 다르기 때문에, 셀들 사이에 압력 차들이 존재할 것이다. 따라서, 한 셀에서 다음 셀까지의 압력 차를 완화시키는 것이 바람직하다. 따라서, 감소된 전극 플레이트 편향 및 개선된 압력 균등화를 갖는 적층형 바이폴라 배터리를 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 한 셀에서 다음 셀까지의 압력 차를 완화시키고 전극 플레이트 편향을 감소시키는 적층형 바이폴라 배터리 설계를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따르면, 포지티브 모노폴라 전극 유닛, 네거티브 모노폴라 전극 유닛 및 포지티브 모노폴라 전극 유닛과 네거티브 모노폴라 전극 유닛 사이에 적층된 적어도 하나의 바이폴라 전극 유닛을 갖는 바이폴라 배터리가 제공되며, 전극 유닛 각각은 접시 형상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 포지티브 모노폴라 전극 유닛, 네거티브 모노폴라 전극 유닛 및 포지티브 모노폴라 전극 유닛과 네거티브 모노폴라 전극 유닛 사이에 적층된 적어도 하나의 바이폴라 전극 유닛을 갖는 바이폴라 배터리가 제공된다. 바이폴라 전극 유닛은 압력 균등화 밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 포지티브 모노폴라 전극 유닛, 네거티브 모노폴라 전극 유닛 및 포지티브 모노폴라 전극 유닛과 네거티브 모노폴라 전극 유닛 사이에 적층된 적어도 하나의 바이폴라 전극 유닛을 갖는 바이폴라 배터리가 제공된다. 바이폴라 전극 유닛은 파열판(rupture disk) 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 플레이트 편향이 감소되고 셀 사이의 압력차가 없는 바이폴라 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 이점 및 다른 이점은 첨부한 도면과 결합하여 이루어진 다음의 자세한 설명을 고려할 때 보다 명백해질 것이며, 도면 전반에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전극 유닛(BPU; bi-polar electrode unit)의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 BPU 적층체의 기본 구조의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 접시형상 전극 및 압력 균등화 밸브를 갖는 BPU의 기본 구조의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접시형상 전극 및 파열판 밸브를 갖는 BPU의 기본 구조의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 BPU 적층체의 기본 구조의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 BPU 적층체를 구현하는 적층형 바이폴라 배터리의 기본 구조의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 7은 도 6의 바이폴라 배터리의 기본 구성의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 8은 도 5의 바이폴라 배터리의 특정 부분의 개략적인 세부 횡단면도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 바이폴라 배터리를 형성하는 방법의 제1 단계에서의 특정 요소들의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 바이폴라 배터리를 형성하는 방법의 제2 단계에서의 특정 요소들의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 바이폴로 배터리를 형성하는 방법의 제3 단계에서의 특정 요소들의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 바이폴로 배터리를 형성하는 방법의 제4 단계에서의 특정 요소들의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 바이폴로 배터리를 형성하는 방법의 제5 단계에서의 특정 요소들의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 바이폴로 배터리를 형성하는 방법의 제6 단계에서의 특정 요소들의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 돔형 상단부(domed top)를 갖는 적층형 바이폴로 배터리의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일 활성 물질 전극층을 갖는 적층형 바이폴라 배터리의 개략적인 횡단면도를 나타낸다.
감소된 전극 플레이트 편향 및 개선된 압력 균등화를 갖는 적층형 배터리에 대한 방법 및 장치가 제공되며, 이하 도 1 내지 도 16을 참조로 방법 및 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 "플랫 플레이트" 바이폴라 전극 유닛, 즉 BPU(102)를 나타낸다. 적층형 셀 배터리에 이용하기 위한 플랫 플레이트 구조체는 Ogg 등의 PCT 출원 공개 번호 제WO 2008/100533호에 개시되어 있으며, 여기서는 그 전체 내용을 참조로서 포함한다. BPU(102)는 불투과성(impermeable)의 전도성 기판 또는 전류 콜렉터(106)의 제1 면 상에 제공될 수 있는 포지티브 활성 물질 전극 층(104)과 불투과성의 전도성 기판(106)의 다른 면 상에 제공될 수 있는 네거티브 활성 물질 전극 층(108)을 포함할 수 있다(예를 들어, 2007년 10월 9일 에 특허된 Fukuzawa 등의 미국 특허 제7,279,248호를 참조하며, 여기서는 그 전체 내용을 참조로서 포함한다). 일 실시예에서, BPU(102)의 곡률 반경은 비교적 클 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 "플랫 플레이트" 전극에 대한 곡률 반경은 무한대에 가까울 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어 복수의 BPU들(102)이 두개의 인접하는 BPU들(102) 사이에 제공될 수 있는 전해질 층(110)과 함께 적층체(120) 내에 실질적으로 수직방향으로 적층될 수 있고 이에 의해 한 BPU(102)의 포지티브 전극 층(104)이 전해질 층(110)을 사이에 두고 인접하는 BPU(102)의 네거티브 전극층(108)과 대향할 수 있다. 각각의 전해질 층(110)은 전해질 층(110)을 유지할 수 있는 세퍼레이터(109)를 포함할 수 있다(예를 들어, 도 8을 참조). 세퍼레이터(109)는 포지티브 전극 층(104)과 이에 인접하는 네거티브 전극 층(108)을 전기적으로 분리시킬 수 있는 한편, 아래 보다 자세히 설명된 바와 같이 전극 유닛들 사이에 이온 전달을 허용한다.
도 2의 BPU(102)의 적층 상태를 계속해서 참조하여 보면, 예를 들어, 제1 BPU(102)의 기판(106)과 포지티브 전극층(104), 제1 BPU(102)에 인접하는 제2 BPU(102)의 기판(106)과 네거티브 전극 층(108), 및 제1 BPU(102)와 제2 BPU(102) 사이의 전해질 층(110) 내에 포함된 구성요소들을 여기서는 단일의 "셀" 또는 "셀 세그먼트"(122)라 할 것이다. 각각의 셀 세그먼트(122)의 각각의 불투과성 기판(106)은 적용가능한 인접하는 셀 세그먼트(122)에 의해 공유될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 "접시형상" BPU(2)의 기본 구조의 개략적인 횡단면도를 나타낸다. BPU(2)는 불투과성의 전도성 기판 또는 전류 콜렉터(6)의 제1 면 상에 제공될 수 있는 포지티브 활성 물질 전극층(4)과, 불투과성의 전도성 기판(6)의 다른 면 상에 제공될 수 있는 네거티브 활성 물질 전극 층(8)을 포함할 수 있다. 홀(예를 들어, 홀(5))은 예를 들어, 기판(6)의 중앙에 제공될 수 있다. BPU(2)의 곡률 반경은, 도 1에 도시된 바와 같은 "플랫 플레이트" 전극 실시예에 대한 것보다 도 3에 도시된 바와 같은 "접시형상" 전극 실시예에 대한 것이 비교적 더 작을 수 있다. "접시형상" 전극에 대한 비교적 더 작은 곡률 반경은 실질적으로 구형상인 BPU(2)를 제공할 수 있다. 도 3에서 보여지는 바와 같이, BPU(2)가 위로 오목(concave-up)하게 배향(oriente)될 때, 포지티브 활성 물질 전극 층(4)은 BPU(2)의 오목한 면 상에 위치결정될 수 있고, 네거티브 활성 물질 전극 층(8)은 반대측 면 상에 위치결정될 수 있다.
접시형상 BPU(2)는 임의의 적절한 접시 반경을 갖도록 치수 조정될 수 있다. 예를 들어, 특정한 공간 요건이 주어지면, 비교적 작은 접시 반경을 원할 수 있다. 대안으로서, 특정한 공간 요건 없이 특정한 출력 요건이 주어지면, 비교적 큰 접시 반경을 원할 수 있다.
전극의 형상(예를 들어, "플랫 플레이트" 또는 "접시 형상")은 실질적으로 전극의 곡률 반경에 의해 실질적으로 기술될 수 있다. 예를 들어, "플랫 플레이트" 전극(예를 들어, 도 1의 BPU(102)를 참조)에서는, BPU(102)의 곡률 반경은 "접시형상" 전극(예를 들어, 도 3의 BPU(2)를 참조)에 대한 곡률 반경에 비해 비교적 클 수 있다. 예를 들어, 플랫 플레이트 전극에 대한 곡률 반경은 무한대에 가까울 수 있다. BPU(예를 들어, BPU(102))의 곡률 반경은 셀 들 사이의 압력 차를 견디어 내는 BPU의 능력에 실질적으로 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 곡률 반경이 약 100 인치를 넘어 증가할 때, 플랫 플레이트를 편향시키는데 필요한 압력은 단지 0보다 위에 있을 수 있다. 비교적 작은 압력 차(예를 들어, 5 psi)에서, "플랫 플레이트" BPU(102)의 편향도는 약 0.100 인치보다 높을 수 있다. 이 양은, 세퍼레이터 두께가 약 0.005 인치일 수 있는 것을 고려하여 보면 비교적 클 수 있다.
그러나, 약 6인치의 반경을 갖는 "접시형상" 전극에서, 약 5 psi에서의 편향도는 약 0.001 인치로 감소될 수 있다. 접시 설계는 압력 균등화 밸브(3)의 파라미터를 결정하게 할 수 있다. 예를 들어, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 연강 또는 임의의 다른 물질 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적절한 물질의 상정된 탄성 계수가 주어지면, 약 0.002 인치의 접시형상 전극 편향도에 대한 등식을 적절한 반경 및 두께에 대해 풀 수 있다. 적절한 기하구조에 대해 푸는 다른 방법을 또한 이용할 수 있다. 압력 균등화 밸브(3)는 약 1 psi 이하의 압력차에 대해 인접하는 셀들 사이의 기체를 실질적으로 등화시키도록 기능할 수 있다.
과도한 압력을 갖는 셀에서 보다 낮은 압력을 갖는 셀로 기체를 보낼 수 있게 하는 전원 저장 장치들에 대한 설계가 존재한다. 이 설계는 셀마다 동일한 압력을 유지하기 위해 배터리 케이스의 상단에 외부 매니폴드(manifold)와 채널들로 행해졌다. 그러나, 이들 종래 설계는 배터리에 대해 상당히 더 많은 중량을 부가하고 너무 부피가 커서 적층형 바이폴라 배터리에 적절하게 적용할 수 없다. 바이폴라 전극의 적층체에서, 압력 균등화 문제는 셀들의 전해질 충전 및 어셈블리의 추가 문제에 의해 증폭된다. 그러나, "접시형상" 전극 실시예에서, 접시는 전해질이 접시의 하단부에 본딩된 활성 전극 물질 및 세퍼레이터에 의해 흡수되는 동안 전해질을 위한 임시 위치(location)로서 이용될 수 있다. 일단 전해질이 흡수되면 다음 접시형상 전극이 세퍼레이터와 최근에 충전된 전극 상에 배치될 수 있다. 전해질은 이들 프로세스 단계 동안 접시의 하단부를 통해 누출될 수 없다. 따라서, BPU(2) 중앙의 등화 홀(equalization hole)은 예를 들어 전해질을 충전하는 동안 닫혀 있거나 또는 덮혀져 있을 수 있다. 예를 들어, 반투과성(semi-permeable) 멤브레인 또는 파열판은 전해질이 하부 셀로 흘러들어가는 것을 실질적으로 막기 위해 전극 내의 홀을 덮도록 요구될 수 있다. 따라서, 압력 균등화 밸브를 이용하여 셀들 사이에 발생하는 압력차를 조정하고 또한 배터리의 제조 및 어셈블리를 도울 수 있다.
BPU(2)는 도 3에 도시된 바와 같이, 압력 균등화 밸브 또는 반투과성 멤브레인(3)을 포함할 수 있다. 압력 균등화 밸브(3)는 비전도성 폴리머, 고무, 임의의 다른 적절한 물질 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적절한 물질로 형성된 디스크일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 디스크는, 투과하는 전해질량을 감소시킬 수 있거나 또는 전해질이 투과하지 못하게 막을 수 있는 기체 투과성 멤브레인을 구성할 수 있도록, 디스크를 관통하는 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 홀, 절개부(cut), 임의의 다른 적절한 천공(perforation) 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 압력 균등화 밸브(3)는 (예를 들어, 도 8의 전해질(11)로 인한) 화학적 부식에 대해 저항성이 있는 임의의 적절한 물질로 형성될 수 있으며, 이 물질은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 폴리비닐, 폴리술폰(poly-sulfone), 네오프렌(neoprene), 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 압력 균등화 밸브(3)와 홀(5)은 실질적으로 기판(6)의 중앙에 위치될 수 있다. 대안으로서, 압력 균등화 밸브(3)와 홀(5)은 기판(6)을 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 압력 균등화 밸브(3)는 (예를 들어, 절개부를 가진 밸브와 같은) 기계적 특성 보다는 화학적 특성을 이용한 기체 투과성 멤브레인의 형태를 취할 수 있다. 이 실시예에서, 압력 균등화 밸브(3)는 Loctite® 상표의 접착제(실리콘, 아크릴 및/또는 FRP(fiber reinforced plastic)로 형성될 수 있고 전해질에 대해 불투과성일 수 있으며 Henkel Corporation에 의해 입수가능함)와 같은 임의의 적절한 밀봉제(sealant), 임의의 다른 적절한 물질 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 약 1000개의 소섬유(fibril)의 그래파이트 탄소 섬유 번들(graphitic carbon fiber bundle), 임의의 다른 적절한 물질, 또는 이들의 임의의 조합을, 액체 밀봉제를 경화시키기 전에, 액체 밀봉제 내에 배치할 수 있다. 밀봉제 및 섬유 번들을 경화시킨 후, 압력 균등화 밸브(3)를 실질적으로 형성할 수 있다. 양자 역학적 "호핑(hopping)" 메카니즘은 압력 균등화 밸브(3)가, O2와 H2 분자들이 적층체 내의 인접하는 셀을 실질적으로 통과하게끔 할 수 있으며, 전해질이 통과하지 못하게 막을 수 있거나 또는 통과하는 전해질량을 감소시킬 수 있다. 화학적 "호핑" 메카니즘은 그래파이트 물질의 물질 특성 및 화학적 특성에 의해 실질적으로 가능해질 수 있다. 예를 들어, 그래파이트 카본 섬유 번들에서, 확산력은 과도한 압력을 받는 셀로부터의 수소 분자들이 그래파이트 물질의 6개 탄소로 구성된(six-membered carbon) 링 구조 상의 공간을 통해 그래파이트 물질의 표면을 따라 실질적으로 "호핑"할 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 압력 균등화 밸브(3)는 예를 들어, 인접하는 셀들 사이에 약 1 psi를 넘는 압력차를 줄이도록 개방될 수 있는, 도 4에 도시된 바와 같은 파열판 밸브(203)일 수 있다. 파열판 밸브(203)는 브라이(brai) 또는 PVA형 막, 임의의 적절한 폴리머, 금속, 복합 필름(composite film), 임의의 다른 적절한 물질, 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있다. 파열판 밸브(203)에는, 전해질이 인접하는 셀로 누출되지 못하게 실질적으로 막으면서 셀 세그먼트가 제조시 전해질로 충전되게 할 수 있는 밸브 홀 상의 막이 제공될 수 있다.
(예를 들어, 인접하는 셀들 사이에 비교적 큰 압력차로 인해) 파열판이 열리는 경우, 홀(205)은 전해질이 한 셀에서 인접하는 셀로 지나갈 수 있게 한다. 그러나, 배터리의 배향이 특정한 포지션에 있도록 실질적으로 보장되면(예를 들어, BPU(202)가 아래로 오목함), 전해질은 "접시형상" BPU(202)의 기하구조로 인해 홀에 도달할 수 없다. 홀(205)이 기판(206)의 중앙에 있고, 자유 전해질이 모여질 수 있는 경우 기판의 중앙이 밀폐된 개스킷(gasket) 근처의 기판 에지부보다 비교적 더 높은 높이에 있기 때문에, 전해질은 실질적으로 홀(205)에 도달하지 못할 수 있다. 배터리는 실질적으로 동일한 효과를 갖는 면 상에 놓여질 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 BPU(2) 적층부의 기본 구조의 개략적 횡단면도를 나타낸다. 예를 들면, 복수의 BPU(2)는 두개의 인접하는 BPU(2) 사이에 제공될 수 있는 전해질층(10)과 함께, 적층체(20) 내에 실질적으로 수직방향으로 적층될 수 있고 이에 의해 한 BPU(2)의 포지티브 전극 층(4)이 전해질 층(10)을 사이에 두고 인접하는 BPU(2)의 네거티브 전극층(8)과 대향할 수 있다. 각각의 전해질 층(10)은 전해질(11)을 유지시킬 수 있는 세퍼레이터(9)를 포함할 수 있다(예를 들어, 도 8을 참조). 세퍼레이터(9)는 포지티브 전극 층(4)과 포지티브 전극 층에 인접한 네거티브 전극 층(8)을 전기적으로 분리시킬 수 있으면서 아래 보다 자세히 설명될 바와 같이 전극 유닛들 사이에 이온 전달을 가능하게 한다.
도 5에서의 BPU(2)의 적층 상태를 계속해서 참조하여 보면, 예를 들어, 제1 BPU(2)의 포지티브 전극 층(4)과 기판(6), 제1 BPU(2)에 인접하는 제2 BPU(2)의 네거티브 전극층(8)과 기판(6) 및 제1 BPU(2)와 제2 BPU(2) 사이의 전해질 층(10) 내에 포함된 구성요소들을 여기서는 단일의 "셀" 또는 "셀 세그먼트"(22)라 할 것이다. 각각의 셀 세그먼트(22)의 각각의 불투과성 기판(6)은 적용가능한 인접하는 셀 세그먼트(22)에 의해 공유될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층형 바이폴라 배터리(50)를 구성하기 위해 예를 들어, 포지티브 단자와 네거티브 단자가 하나 이상의 BPU(2)의 적층체(20)를 따라 제공될 수 있다. 불투과성의 전도성 기판(16)의 한쪽 면 상에 제공된 포지티브 활성 물질 전극층(14)을 포함할 수 있는 포지티브 모노폴라 전극 유닛, 즉 MPU(12)는 사이에 전해질 층(즉, 전해질 층(1Oe))이 제공되는 적층체(20)의 제1 단부에 위치될 수 있고 이에 의해 포지티브 MPU(12)의 포티지브 전극 층(14)이 전해질 층(1Oe)을 사이에 두고 적층체(20)의 제1 단부에서의 BPU(즉, BPU(2d))의 네거티브 전극 층(즉, 층(8d))과 대향할 수 있다. 불투과성의 전도성 기판(36)의 한쪽 면 상에 제공된 네거티브 활성 물질 전극 층(38)을 포함할 수 있는 네거티브 모노폴라 전극 유닛 즉, MPU(32)는 사이에 전해질 층(즉, 전해질 층(10a))이 제공되는 적층체(20)의 제2 단부에 위치될 수 있고 이에 의해 네거티브 MPU(32)의 네거티브 전극층(38)이 전해질 층(10a)을 사이에 두고 적층체(20)의 제2 단부에서의 BPU(즉, BPU(2a))의 포지티브 전극 층(즉, 층(4a))과 대향할 수 있다. MPU(12 및 32)에는, 대응하는 포지티브 및 네거티브 전극 리드부(13 및 33)가 각각 제공될 수 있다.
예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 MPU의 전극층과 기판은 그 인접하는 BPU(2)의 전극 층과 기판 및 이들 사이에 있는 전해질 층(10)과 함께 셀 세그먼트(22)를 형성할 수 있음(예를 들어, 세그먼트(22a 및 22e)를 참조)을 알아야 한다. 적층체(20) 내에 적층된 BPU(2)의 개수는 한개 이상일 수 있고, 배터리(50)의 원하는 전압에 대응하기 위해 적절히 결정될 수 있다. 각각의 BPU(2)는 임의의 원하는 전위를 제공할 수 있고 이에 의해 배터리(50)의 원하는 전압이 각각의 구성요소 BPU(2)에 의해 제공된 전위를 효과적으로 추가하여 실현될 수 있다. 각각의 BPU(2)가 동일한 전위를 제공할 필요가 없음을 이해할 것이다.
하나의 적절한 실시예에서, 적층체(20)와 적층체 각각의 포지티브 및 네거티브 MPU(12 및 32)를 감소된 압력하에서 배터리 케이스 또는 랩퍼(wrapper; 40) 내에 적어도 부분적으로 캡슐화(예를 들어, 반구형으로 밀봉)할 수 있도록 바이폴라 배터리(50)를 구조화할 수 있다. MPU 전도성 기판(16 및 36; 또는 적어도 이들 각각의 전극 리드부(13 및 33))은 예를 들어, 환경적 열화를 막고 사용시 외부로부터의 충격을 완화시키기 위해 배터리 케이스(40) 외부로 인출될 수 있다.
제1 셀 세그먼트의 전해질(예를 들어, 도 8의 셀 세그먼트(22a)의 전해질(11a)을 참조)이 다른 셀 세그먼트의 전해질(예를 들어, 도 8의 셀 세그먼트(22b)의 전해질(11b)을 참조)과 결합하지 못하게 막기 위하여, 개스킷 또는 밀봉제를 인접하는 전극 유닛들 사이에 전해질 층과 함께 적층시켜, 특정한 셀 세그먼트 내의 전해질을 밀봉할 수 있다. 개스킷 또는 밀봉제는 예를 들어, 개스킷 또는 밀봉제 사이에 있는 전해질을 밀봉하도록 특정한 셀의 인접하는 전극 유닛들과 상호작용할 수 있는 임의의 적절한 압축가능 또는 압축불가능한 고체 또는 점성 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 하나의 적절한 구성에서, 본 발명의 바이폴라 배터리는 각각의 셀 세그먼트(22)의 활성 물질 전극 층(4/14 및 8/38)과 전해질 층(10) 주변의 배리어로서 위치될 수 있는 개스킷 또는 밀봉부(60)를 포함할 수 있다. 개스킷 또는 밀봉제는 연속적이며 폐쇄될 수 있고 그 셀의 인접하는 전극 유닛(즉, 개스킷 또는 밀봉부에 인접하는 BPU들 또는 BPU와 MPU)과 개스킷 사이에 전해질을 밀봉할 수 있다. 개스킷 또는 밀봉제는 예를 들어, 그 셀의 인접하는 전극 유닛들 사이에 적절한 간격(spacing)을 제공할 수 있다.
제1 셀 세그먼트의 전해질(예를 들어, 도 8의 셀 세그먼트(22a)의 전해질(11a)을 참조)이 다른 셀 세그먼트의 전해질(예를 들어, 도 8의 셀 세그먼트(22b)의 전해질 (11b)을 참조)과 결합하지 못하게 막기 위하여 적층형 바이폴라 배터리(50)의 셀 세그먼트들을 밀봉함에 있어, 셀 세그먼트는 셀들이 충전 및 방전될 때 인접하는 셀들(예를 들어, 셀(22a-22b)) 사이에 압력차를 발생시킬 수 있다. 압력 균등화 밸브(3a-3d)는 이렇게 발생한 압력차를 실질적으로 감소하도록 서브할 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 홀(5)에 위치된 압력 균등화 밸브(3)는 전해질의 이동을 실질적으로 막고 기체의 이동을 가능하게 하도록 반투과성 멤브레인, 또는 파열판으로서 기계적 또는 화학적으로 동작할 수 있다. 배터리(예를 들어, 배터리(50))는 압력 균등화 밸브(예를 들어, 압력 균등화 밸브(3a-3d))의 임의의 조합을 갖는 BPU들(예를 들어, BPU들(2a-2d))을 가질 수 있다. 예를 들어, BPU(2a)는 화학적으로 동작하는 압력 균등화 밸브(3a)를 가질 수 있고, BPU(2b)는 기계적으로 동작하는 압력 균등화 밸브(3b)를 가질 수 있으며, BPU(2c)는 파열판 밸브(3c)를 가질 수 있고, BPU(2d)는 파열판 밸브(3d)를 가질 수 있다. 추가로, 도 6에 도시된 바와 같이, 압력 균등화 밸브(3a-d)와 홀(5a-d)은 실질적으로 기판(6a-d)의 중앙에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 압력 균등화 밸브(3a-d) 및 홀(5a-d)은 기판을 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 예를 들어, 도 6에 도시된 밀봉된 구성에서 셀 세그먼트(22)와 개스킷(60)을 압축 및 유지시키기 위하여 화살표(Pl 및 P2) 방향으로 케이스(40)의 면들에 압력을 가할 수 있다. 이러한 바이폴라 배터리(50)는 원하는 전압을 제공하도록 도 7에 도시된 바와 같이 적층되고 직렬 연결된 복수의 셀 세그먼트(22)를 포함할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(50)의 두개의 특정한 셀 세그먼트(22)의 분해 조립도가 도시되어 있다. 셀 세그먼트(22a)는 BPU(2a)의 기판(6a) 및 포지티브 전극 층(4a)과 함께 MPU(32)의 네거티브 전극 층(38) 및 기판(36) 및 전해질 층(10a)을 포함할 수 있다. 셀 세그먼트(22b)는 BPU(2b)의 기판(6b) 및 포지티브 전극 층(4b)과 함께, BPU(2a)의 기판(6a) 및 네거티브 전극 층(8a), 및 전해질 층(10b)을 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 각각의 전해질 층(10)은 전해질(11) 및 세퍼레이터(9)를 포함할 수 있다. 밀봉제 또는 개스킷(60)이 각각의 셀 세그먼트(22)의 전해질 층(10) 주변에 제공될 수 있고 이에 의해 그 세그먼트의 세퍼레이터(9)와 전해질(11)이 그 특정 셀 세그먼트의 인접하는 전극 유닛들 및 개스킷(60)에 의해 정의된 공간 내에 밀봉될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 개스킷(60a)이 전해질 층(10a)을 둘러쌀 수 있고 이에 의해 그 세퍼레이터(9a)와 전해질(11a)이 셀 세그먼트(22a)의 개스킷(60a), MPU(32) 및 BPU(2a)에 의해 정의되는 공간 내에 완전히 밀봉될 수 있다. 유사한 방식으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 개스킷(60b)이 전해질 층(10b)을 둘러쌀 수 있고 이에 의해 그 세퍼레이터(9b)와 전해질(11b)이 셀 세그먼트(22b)의 개스킷(60b), BPU(2a) 및 BPU(2b)에 의해 정의되는 공간 내에 완전히 밀봉될 수 있다.
각각의 셀 세그먼트의 밀봉제 또는 개스킷은 그 전해질을 밀봉하기 위해 셀의 전극 유닛의 다양한 부분과 함께 밀봉부를 형성할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 개스킷은 기판의 상단부 또는 하단부의 일부분과 함께 밀봉부를 형성할 수 있다(예를 들어, 개스킷(60a)이 기판(36)의 하단면 및 기판(6a)의 상단면 및 외부면과 접촉함을 참조한다).
본 발명의 특정 실시예에서, 보다 우수한 밀봉부를 형성하기 위하여, 서로 접촉하는 인접하는 전극 유닛의 표면과 개스킷의 표면의 하나 이상의 부분을 상반적 관계로 또는 대응하는 관계로 그루브하거나 또는 모따기를 하거나(chamfer) 또는 성형(shape)할 수 있다. 개스킷의 표면의 적어도 일부분은 전극 유닛의 표면의 적어도 일부분에 대응하여 성형될 수 있고 이에 의해 두 표면들이 서로 짝결합하여 두 표면들 사이에 특정한 유형의 상대적 이동을 제한할 수 있고 예를 들어, 배터리의 제조시 전극 유닛과 개스킷을 자체 정렬시킬 수 있다. 예를 들어, 개스킷과 인접 기판의 상반적 관계로 성형된 부분을 짝결합하여 형성된 이 그루브 또는 멈춤부(detent)는 이에 의해 자신들의 짝결합된 접촉 영역의 크기를 증가시킬 수 있고 이에 의해 개스킷과 기판의 짝결합된 접촉 영역 사이에 형성된 밀봉부를 깨트리려 하는 임의의 유체(예를 들어, 전해질)에 대한 보다 큰 저항경로를 제공할 수 있다.
본 발명의 전극 유닛을 형성하는데 이용된 기판(예를 들어, 기판(6, 16, 및 36))은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 무공(non-perforated) 금속 포일, 알루미늄 포일, 스테인레스 스틸 포일, 니켈 및 알루미늄을 포함한 연료 코팅제(cladding material), 구리 및 알루미늄을 포함하는 연료 코팅제, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 구리, 니켈 도금된 알루미늄, 금, 은 또는 이들의 조합을 포함한 임의의 적절한 전도성 및 불투과성 물질로 형성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 각각의 기판은 서로 접착된 둘 이상의 금속 포일 시트로 형성될 수 있다. 각각의 BPU의 기판은 일반적으로 0.025 내지 5 밀리미터 두께에 있을 수 있는 한편, 각각의 MPU의 기판은 0.025 내지 10 밀리미터 두께에 있을 수 있으며 예를 들어, 배터리에 대한 단자로서 기능한다. 예를 들어, 금속화된 폼(Metalized foam)을, 예를 들어, 플랫 금속 막 또는 포일 내의 임의의 적절한 기판 물질과 결합시킬 수 있고 이에 의해 전극 전반에 걸쳐 전도성 매트릭스를 확장시킴으로써 셀 세그먼트의 활성 물질들 사이의 저항을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 전극 유닛을 형성하기 위해 이들 기판 상에 제공된 포지티브 전극층(예를 들어, 포지티브 전극 층(4 및 14))은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 수산화 니켈(Ni(OH)2), 아연(Zn) 또는 이들의 조합을 포함한 임의의 적절한 활성 물질로 형성될 수 있다. 포지티브 활성 물질은 예를 들어, 소결되고 함침(impregnate)되며, 수성 바인더로 코팅되고 압착되며, 유기 바인더로 코팅되고 압착되거나, 또는 전도성 매트릭스 내에 다른 지원 화학 물질과 함께 포지티브 활성 물질을 포함시키는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 포함될 수 있다. 전극 유닛의 포지티브 전극 층은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 팽창을 감소시키기 위해 매트릭스 내에 주입되는 금속 하이브리드(MH), Pd, Ag, 또는 이들의 조합을 포함하는 입자를 가질 수 있다. 이는 예를 들어 사이클 수명을 증가시킬 수 있고 재결합을 개선시킬 수 있으며 셀 세그먼트 내의 압력을 감소시킬 수 있다. MH와 같은 이들 입자는 또한 Ni(OH)2와 같은 활성 물질 페이스트와 바인딩 상태에 있어, 전극 내의 전기 전도성을 개선하고 재결합을 지원할 수 있다.
본 발명의 전극 유닛을 형성하기 위해 이들 기판 상에 제공된 네거티브 전극층(예를 들어, 네거티브 전극 층(8 및 38))은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, MH, Cd, Mn, Ag, 또는 이들의 조합을 포함한 임의의 적절한 활성 물질로 형성될 수 있다. 네거티브 활성 물질은 예를 들어, 소결되고 함침되며, 수성 바인더로 코팅되고 압착되며, 유기 바인더로 코팅되고 압착되거나 또는 전도성 매트릭스 내에 다른 지원 화학 물질과 함께 네거티브 활성 물질을 포함시키는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 포함될 수 있다. 네거티브 전극 측은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 구조를 안정화시키고 산화를 감소시키며 사이클 수명을 확장하기 위해 네거티브 전극 물질 매트릭스 내에 주입되는 Ni, Zn, Al, 또는 이들의 조합을 포함한 화학 물질을 가질 수 있다.
이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 유기 CMC 바인더, Creyton 고무, PTFE(Teflon) 또는 이들의 조합을 포함한 여러 적합한 바인더들은 층들과 그 기판을 유지하도록 활성 물질 층과 혼합될 수 있다. 200 ppi 니켈 폼과 같은 울트라 스틸(ultra-still) 바인더들은 또한 본 발명의 적층형 배터리 구성에 이용될 수 있다.
본 발명의 배터리의 각각의 전해질 층의 세퍼레이터(예를 들어, 각각의 전해질 층(10)의 세퍼레이터(9))는 인접하는 전극 유닛들을 전기적으로 절연시키면서 이들 전극 유닛 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 임의의 적절한 물질로 형성될 수 있다. 세퍼레이터는 충전을 개선하기 위해 셀룰로즈 초흡수체(super absorber)를 포함할 수 있고 사이클 수명을 증가시키기 위해 전해질 저장소(reservoir)로서 기능할 수 있으며, 여기서 세퍼레이터는 예를 들어 폴리흡수 다이아퍼 물질(polyabsorb diaper material)로 형성될 수 있다. 이에 의해, 세퍼레이터는 전하가 배터리에 제공될 때, 이전에 흡수된 전해질을 배출시킬 수 있다. 특정한 실시예에서, 세퍼레이터는 정상 셀보다 더 낮은 밀도로 그리고 더 두껍게 이루어질 수 있고 이에 의해 IES(Inter-Electrode-Spacing)가 배터리의 수명을 연장할 뿐만 아니라 배터리의 C-레이트 및 용량을 그 수명에 걸쳐 유지시키도록 정상 셀보다 더 높게 시작할 수 있고 연속적으로 감소될 수 있다.
세퍼레이터는 단락을 감소시키고 재결합을 개선하기 위해 전극 유닛 상의 활성 물질의 표면에 바인딩된 정상 물질보다 더 얇을 수 있다. 이 세퍼레이터 물질은 예를 들어, 스프레이, 코팅, 또는 압착될 수 있다. 특정한 실시예에서, 세퍼레이터는 세퍼레이터에 부착되는 재결합제(recombination agent)를 가질 수 있다. 이 재결합제는 세퍼레이터의 구조체 내에 주입될 수 있거나(예를 들어, 이는 PVA를 이용하여 웨트 프로세스에서 이 재결합제를 물리적으로 트랩핑하여 이 재결합제를 세퍼레이터 섬유에 바인딩함으로써 행해질 수 있거나, 또는 재결합제가 전해 석출에 의해 내부에 놓일 수 있음); 또는 재결합제는 예를 들어, 증착에 의해 표면 상에 층으로 형성될 수 있다. 세퍼레이터는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, Pb, Ag 또는 이들의 조합을 포함하며, 효과적으로 재결합을 지원하는 임의의 적절한 물질 또는 작용제(agent)로 형성될 수 있다. 셀 기판이 서로를 향해 이동한다면 세퍼레이터가 저항을 제공할 수 있지만, 편향하지 못하게 하기에 충분히 딱딱한(stiff) 기판을 이용할 수 있는 본 발명의 특정 실시예에는 세퍼레이터가 제공될 수 없다.
본 발명의 배터리의 각각의 전해질 층의 전해질(예를 들어, 전해질 층(10)의 전해질(11))은 전기 전도성 매질을 형성하도록 해리 또는 융용시 이온화할 수 있는 임의의 적절한 화합물로 형성될 수 있다. 전해질은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, NiMH와 같은 임의의 적절한 화학 물질의 표준 전해질일 수 있다. 전해질은 이들에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어, 수산화 리튬(LiOH), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼슘(CaOH), 수산화 칼륨(KOH) 또는 이들의 조합을 포함하는 추가적인 화학 물질을 포함할 수 있다. 전해질은 또한 이들에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어 Ag(OH)2를 포함하는 첨가제를 포함하여 재결합을 개선할 수 있다. 전해질은 또한 예를 들어 RbOH를 포함하여 저온 성능을 개선할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 전해질(예를 들어, 전해질(11))은 세퍼레이터(예를 들어, 세퍼레이터(9)) 내에서 냉동된 다음 배터리가 완전히 어셈블리된 후 해동될 수 있다. 이는 개스킷이 인접한 전극 유닛과 실질적으로 유동성 기밀부(tight seal)를 형성하기 전에 배터리의 전극 유닛 적층체 내에 특히 점성의 전해질을 삽입할 수 있게 할 수 있다.
본 발명의 배터리의 밀봉부 또는 개스킷(예를 들어, 개스킷(60))은 개스킷과 개스킷에 인접하는 전극 유닛들에 의해 정의되는 공간 내에 전해질을 효과적으로 밀봉할 수 있는 임의의 적절한 물질 또는 물질들의 조합으로 형성될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 개스킷은 이들에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어, 나일론, 폴리프로필렌, 셀 가드(cell gard), 고무, PVOH 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 적절한 비전도성 물질로 형성될 수 있는 고체 밀봉 루프(solid seal loop)를 형성할 수 있는 복수의 루프 부분들 또는 고체 밀봉 배리어 또는 루프로부터 형성될 수 있다. 고체 밀봉 배리어로부터 형성된 개스킷은 개스킷 사이에 인접하는 밀봉부를 형성하도록 인접하는 전극의 일부분에 접촉할 수 있다.
대안적으로, 개스킷은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 에폭시, 브리 타르(brea tar), 전해질(예를 들어, KOH) 불투과성 글루(glue), 압축가능 접착제[예를 들어, 실리콘, 아크릴 및/또는 FRP로 형성될 수 있고 전해질에 대해 불투과성일 수 있으며 Henkel Corporation에 의해 입수가능한 Loctite® 상표의 접착제와 같은 두 부분 폴리머(two-part polymer)], 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 적절한 점성 물질 또는 페이스트로 형성될 수 있다. 점성 물질로 형성된 개스킷은 개스킷 사이에 밀봉부를 형성하는 인접하는 전극의 일부분에 접촉할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 고체 밀봉 루프 및 점성 물질의 조합에 의해 개스킷을 형성할 수 있고 이에 의해 점성 물질이 고체 밀봉 루프와 인접하는 전극 유닛 사이의 밀봉을 개선시킬 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예를 들어 고체 밀봉 루프, 추가적인 점성 물질로 처리된 고체 밀봉 루프, 인접하는 전극 유닛, 또는 추가적인 점성 물질로 처리된 인접하는 전극 유닛이 전극 유닛 자체에 밀봉되기 전에 전극 유닛 자체가 점성 물질로 처리될 수 있다.
또한, 특정 실시예들에서, 인접하는 전극 유닛들 사이의 개스킷 또는 밀봉제에는 (예를 들어, 그 개스킷에 의해 정의되는 셀 세그먼트 내의 내부 압력이 특정한 문턱값을 넘어 증가한다면) 특정 유형의 유체(즉, 특정한 액체 또는 기체)가 이탈하는 것을 허용할 수 있는 하나 이상의 취약 지점(weak point)이 제공될 수 있다. 특정량의 유체가 이탈하거나 또는 내부 압력이 감소하면, 취약 지점이 재밀봉된다. 브라이(brai)와 같은 적절한 특정 유형의 점성 물질 또는 페이스트에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 개스킷은 특정 유체가 관통할 수 있게 허용하도록 구성되거나 또는 마련될 수 있고 다른 특정 유체가 통과하지 못하게 막도록 구성되거나 또는 마련될 수 있다. 이러한 개스킷은 배터리 전압 또는 에너지가 빠르게 0으로 사라지게(즉, 방전) 할 수 있는 두 셀 세그먼트 사이에 전해질이 공유되지 못하게 막을 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 적층된 구성의 밀봉되어진 셀로 설계된 배터리들(예를 들어, 바이폴라 배터리(50))을 이용하는 하나의 이점은 배터리의 방전율을 증가시킬 수 있다는 것이다. 이 증가된 방전율은 (예를 들어, 연마(whetting), 전도성 강화, 및/또는 전해질의 화학 반응 성분 또는 성분들을 제거하거나 또는 감소시킴으로써) 그렇지 않을 경우 각형 배터리 또는 권회형 배터리 설계를 허용할 수 없는 부식성이 덜한(less-corrosive) 특정한 전해질의 이용을 허용할 수 있다. 부식성이 덜한 전해질을 이용하는 적층형 배터리 설계에 의해 제공될 수 있는 이 여유는, 그렇지 않을 경우 부식성이 더한(more-corrosive) 전해질에 의해 부식될 수 있는 개스킷으로 밀봉부를 형성할 때 특정 에폭시들(예를 들어, J-B Weld 에폭시)이 이용될 수 있게 허용할 수 있다.
본 발명의 배터리의 랩퍼 또는 케이스(예를 들어, 케이스(40))는 자신들의 전도성 기판(예를 들어, 기판(16 및 36)) 또는 자신들의 연관 리드부(즉, 리드부(13 및 33))를 노출시키기 위하여 말단 전극 유닛(예를 들어, MPU(12 및 32))에 대해 밀봉할 수 있는 임의의 적절한 비전도성 물질로 형성될 수 있다. 전극 유닛 각각의 셀 세그먼트 내에 전해질을 절연시키기 위해 개스킷과 개스킷에 인접하는 전극 유닛 사이의 밀봉부를 형성, 지지 및/또는 유지하도록 랩퍼를 또한 형성할 수 있다. 랩퍼는 이들 밀봉부에 필요한 지지부를 형성 및/또는 유지할 수 있고 이에 의해 셀 세그먼트 내의 내부 압력이 증가할 때 밀봉부가 배터리의 폭발에 저항할 수 있다. 랩퍼는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 나일론, 임의의 다른 폴리머, 또는 강화된 복합물(reinforced composite), 니트릴 고무(nitrile rubber) 또는 폴리 술폰을 포함하는 탄성 물질, 또는 수축 랩 물질(shrink wrap material), 또는 에나멜이 코팅된 스틸 또는 임의의 다른 금속과 같은 임의의 강성 물질, 또는 임의의 절연성 물질 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 적절한 물질로 형성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 랩퍼는 적층형 셀의 밀봉부 상에 연속적인 압착을 유지할 수 있는 예를 들어 텐션 클립(tension clip)의 외골격 구조체(exoskeleton)에 의해 형성될 수 있다. 적층체와 랩퍼 사이에는 배터리가 단락하지 못하게 막는 비전도성 배리어가 제공될 수 있다.
예를 들어, 도 6을 계속해서 참조하여 보면, 본 발명의 바이폴라 배터리(50)는 MPU(12 및 32)에 의해 형성되는 복수의 셀 세그먼트(예를 들어, 셀 세그먼트(22a-22e))와 셀 세그먼트 사이의 하나 이상의 BPU(2; 예를 들어, BPU(2a-2d))를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판들(예를 들어, 기판(6a-6d, 16, 및 36)), 압력 균등화 밸브(예를 들어, 밸브 3a-3d), 전극 층(예를 들어, 포지티브 전극 층(4a-d 및 14)과 네거티브 전극 층(8a-8d 및 38)), 전해질 층(예를 들어, 층(1Oa-10e)) 및 개스킷(예를 들어, 개스킷(60a-60e))의 각각의 것의 두께와 물질은 셀 세그먼트마다 서로 다를 수 있을 뿐만 아니라 특정 셀 세그먼트 내에서도 서로 다를 수 있다. 적층체 레벨에서 뿐만 아니라 개개의 셀 레벨에서의 기하 구조 및 화학 물질은 여러 이점들 및 성능 특징들을 갖는 배터리들을 형성할 수 있다.
추가로, 기판, 압력 균등화 밸브, 전극 층, 전해질 층 및 개스킷의 물질 및 기하 구조는 셀 세그먼트 마다 스택의 높이에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 6을 더욱 참조하여 보면, 배터리(50)의 전해질 층(10) 각각에 이용된 전해질(11)은 배터리 각각의 셀 세그먼트(22)가 셀 세그먼트의 적층체의 중앙에 얼마나 가까이 있는지에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 가장 안쪽(innermost) 셀 세그먼트(22c; 즉, 배터리(50)의 다섯(5)개의 세그먼트(22)의 중앙 셀 세그먼트)는 제1 전해질로 형성된 전해질 층(즉, 전해질 층(10c))을 포함할 수 있는 한편, 중간 셀 세그먼트(22b 및 22d; 즉 배터리(50)의 말단 셀 세그먼트에 인접하는 셀 세그먼트)는 제2 전해질로 각각 형성된 전해질 층(즉, 전해질 층(10b 및 1Od) 각각)을 포함할 수 있는 한편, 가장 바깥쪽(outermost) 셀 세그먼트(22a 및 22e; 즉, 배터리(50)의 가장 바깥쪽 셀 세그먼트)는 제3 전해질로 각각 형성된 전해질 층(즉, 전해질 층(10a 및 1Oe) 각각)을 포함할 수 있다. 내부 적층체에 더 높은 전도성 전해질을 이용함으로써 저항을 더 낮게 할 수 있고 이에 의해 발생된 열을 적게 할 수 있다. 이는 외부 냉각 방법을 대신한 설계에 의해 배터리에 대한 열 제어를 제공할 수 있다.
다른 예로서, 배터리(50)의 셀 세그먼트 각각의 전해질 층으로서 이용된 활성 물질은 배터리 각각의 셀 세그먼트(22)가 셀 세그먼트의 적층체의 중앙에 얼마나 가까이 있는지에 기초하여 또한 변할 수 있다. 예를 들어, 가장 안쪽의 셀 세그먼트(22c)는 제1 온도 및/또는 레이트 성능(rate performance)을 갖는 제1 유형의 활성 물질로 형성된 전극 층(즉, 층(8b 및 4c))을 포함할 수 있는 한편, 중간 셀 세그먼트(22b 및 22d)는 제2 온도 및/또는 레이트 성능을 갖는 제2 유형의 활성 물질로 형성된 전극 층(즉, 층(8a/4b) 및 층(8c/4d))을 포함할 수 있는 한편, 가장 바깥쪽의 셀 세그먼트(22a 및 22e)는 제3 온도 및/또는 레이트 성능을 갖는 제3 유형의 활성 물질로 형성된 전극 층(즉, 층 38/4a 및 층(8d/14))을 포함할 수 있다. 일례로서, 배터리 적층체는 예를 들어, 열을 보다 양호하게 흡수하는 니켈 카드뮴의 전극으로 가장 안쪽 셀 세그먼트를 구성하여 열적으로 관리될 수 있는 한편, 가장 바깥쪽 셀 세그먼트에는 보다 차가울 필요가 있을 수 있는 니켈 금속 하이브리드의 전극이 제공될 수 있다. 대안으로서, 배터리의 화학 물질 또는 기하 구조는 비대칭일 수 있고, 여기서 적층체의 한 단부에서의 셀 세그먼트는 제1 활성 물질 및 제1 높이로 형성될 수 있는 한편, 적층체의 다른 한 단부에서의 셀 세그먼트는 제2 활성 물질 및 제2 높이로 형성될 수 있다.
또한, 배터리(50)의 셀 세그먼트 각각의 기하구조는 셀 세그먼트의 적층체를 따라 또한 변할 수 있다. 특정한 셀 세그먼트 내의 활성 물질들 사이의 거리를 변경하는 것에 더하여, 특정한 셀 세그먼트(22)는 이들 세그먼트의 활성 물질들 사이에 제1 거리를 가질 수 있는 한편, 다른 셀 세그먼트는 이들 세그먼트의 활성 물질들 사이에 제2 거리를 가질 수 있다. 어떤 경우에든지, 활성 물질 전극 층 사이에 보다 작은 거리를 갖는 셀 세그먼트 또는 셀 세그먼트의 부분은 예를 들어, 더 높은 출력을 가질 수 있는 한편, 활성 물질 전극 층 사이에 보다 큰 거리를 갖는 셀 세그먼트 또는 셀 세그먼트의 부분은 예를 들어, 수지상 결정 성장(dendrite growth)에 대한 더 큰 능력, 더 긴 사이클 수명, 및/또는 더 큰 전해질 보유력을 가질 수 있다. 활성 물질 전극 층들 사이에 더 큰 거리를 갖는 이들 부분은 배터리의 전하 수용력(charge acceptance)을 조절하여, 예를 들어 활성 물질 전극 층들 사이에 보다 작은 거리를 갖는 부분들이 먼저 충전할 수 있는 것을 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리(50)의 전극 층(예를 들어, 도 6의 포지티브 전극 층(4a-d 및 14) 및 네거티브 전극 층(8a-8d 및 38))의 기하 구조는 기판(6)의 반경방향 길이를 따라 변할 수 있다. 도 6에 대하여, 전극 층은 균일한 두께로 이루어지며, 전시형 전극 형상을 중심으로 하여 대칭적이다. 일 실시예에서, 전극층은불균일할 수 있다. 예를 들어, 도 16을 참조하여 보면, 포지티브 활성 물질 전극 두께와 네거티브 활성 물질 전극 두께는 곡면(curved surface) 상의 반경 방향 위치에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 포지티브 전극 층(304a)은 BPU(302a) 중앙 근처에서 비교적 작은 두께를 가질 수 있고, 개스킷(360a) 근처에서 비교적 큰 두께를 가질 수 있다. 유사하게, 네거티브 전극 층(308a)은 BPU(302a) 중심 근처에서 비교적 작은 두께를 가질 수 있고, 개스킷(360a) 근처에서 비교적 큰 두께를 가질 수 있다. 셀 세그먼트(322b)는 BPU(302a)의 네거티브 전극 층(308a) 및 기판(306a), BPU(302a)에 인접하는 BPU(302b)의 포지티브 전극 층(304b) 및 기판(306b) 및 BPU(302a)와 BPU(302b) 사이의 전해질 층(310)을 포함할 수 있다. 실"접시형상의" 기판(6a-b)이 아래로 오목화되는 방식으로 BPU(302a)와 BPU(302b)가 실질적으로 배향될 때, 자유 전해질이 셀 세그먼트(322b)의 영역(380)에 고여있을 수 있다. 따라서, 전극 층은 셀 적층부의 충전 및 방전의 각각의 사이클 동안 형성한 초과 또는 자유 전해질(380)의 이점을 취할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 활성 물질 전해질 층 사이에 더 작은 거리를 갖는 셀 세그먼트 또는 셀 세그먼트의 부분은 예를 들어, 더 높은 출력을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 배터리(50)의 전해질 층(예를 들어, 도 6의 포지티브 전해질 층(4a-d 및 14) 및 네거티브 전해질 층(8a-8d 및 38))의 기하 구조는 주어진 BPU(예를 들어, 도 16에서의 BPU(302c))가 활성 물질의 복수의 기하 구조를 갖는 방식으로 기판(6)의 방사 방향 길이를 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 포지티브 활성 물질 전극(304c)은 제1 부분 상에 제1 기하 구조(390) 및 제2 부분 상에 제2 기하 구조(390')를 가질 수 있다. 이와 유사하게, 네거티브 활성 물질 전극(308c)은 제1 부분 상에 제1 기하 구조(391) 및 제2 부분 상에 제2 기하 구조(391')를 가질 수 있다. BPU의 활성 물질 층에 대해 다른 기하 구조 및 기하 구조들의 조합이 또한 이용될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 바이폴라 배터리를 형성하는 방법은 일반적으로 MPU를 제공하고, 반대 극성의 다른 MPU와의 적층체를 마지막으로 완성하기 전에 MPU 상에 하나 이상의 BPU를 MPU와 BPU 사이의 전해질 층 및 개스킷과 함께 적층하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 본 발명에 따라 적층형 바이폴라 배터리(1050)를 형성하는 방법은 도 9 내지 도 14에 대하여 설명되어 있다. 예를 들어, 도 9에 대하여, 초기에, 불침투성의 전도성 기판(1016)과 기판 상에 코팅된 포지티브 활성 물질 전극 층(1014)이 포지티브 MPU(1012)에 제공될 수 있으며, 기판과 포지티브 활성 물질 전극 층 양쪽 모두 실질적으로 "접시 형상"으로 될 수 있다.
다음, 개스킷(1060)이 전해질 층(1014) 주변의 기판(1016) 상에 적층될 수 있다(예를 들어, 도 10을 참조함). 개스킷(1060)이 MPU(1012)의 상단에 적층되었다면, 그에 따라 실질적으로 유동성의 기밀의 컵 형상의 리셉터클(receptacle; 예를 들어, 공간(1080)을 참조함)이 개스킷(1060)의 내부 측벽들과 이들 내부 측벽들 사이의 MPU(1012) 부분들에 의해 정의될 수 있다. 개스킷의 내부 측벽들과 이들 내부 측벽들 사이의 전극 유닛의 부분들 사이에 형성된 각도(예를 들어, 도 10의 개스킷(1060)의 내부 측벽들과 이들 내부 측벽들 사이의 MPU(1012) 부분들 사이의 각도(1078))는 직각, 둔각 또는 예각을 포함하는 임의의 적절한 각도로 이루어질 수 있다.
다음, 세퍼레이터(1009) 및 전해질(1011)을 포지티브 전극 층(1014)의 상단에서 개스킷(1060)의 내부 측벽들 내에 퇴적하여, 공간(1080) 내에 전해질 층(1010)을 정의할 수 있다(예를 들어, 도 11을 참조함). 이용된 전해질이 매우 점성질일 때, 개스킷과 MPU 사이에 형성된 밀봉부는 전해질이 누출 기회 없이 공간(1080) 내에 쉽게 주입되는 것을 허용할 수 있다. 전해질이 적층체 내의 삽입시 점성질이 아니라면(예를 들어, 전해질이 세퍼레이터 내에서 냉동되는 일 실시예에서), 개스킷이 MPU 상에 맞추어지기 전에 전해질 층이 MPU 상에 적층될 수 있음을 이해해야 한다. "접시형상의" 기판(1016)은 위로 오목할 수 있고 세퍼레이터(1009)와 포지티브 전극 층(1014)에 의해 흡수되는 동안 전해질에 대한 임시 위치로서 이용될 수 있고 이에 의해 이 제조 단계를 간략화한다. 추가로, 접시형상 기판(1016)의 기하 구조는 전해질(1011)이 퇴적될 때 실질적으로 기판(1016)이 이동하지 못하게 막을 수 있다.
전해질 층(1010)의 세퍼레이터(1009)와 전해질(1011)이 개스킷(1060)과 MPU(1012)에 의해 정의된 공간(1080) 내에 퇴적되었고, 전해질이 실질적으로 흡수되었다면, 제1 BPU(1102)가 그 위에 적층될 수 있다(예를 들어, 도 12를 참조함). 도 12에 도시된 바와 같이, BPU(1102)는 압력 균등화 밸브(1103)을 갖는 불투과성의 전도성 기판(1106), 및 포지티브 전극 층(1104)과 그 반대측 상에 코팅된 네거티브 전극 층(1108)을 포함할 수 있다. MPU(1012)의 포지티브 전극 층(1014)을 향하여 아래방향으로 향해있는 BPU(1102)의 네거티브 전극 층(1108)에서는, BPU(1102)가 개스킷(1060) 상에 적층될 수 있다. BPU(1102)가 개스킷(1060) 및 그에 따라 MPU(1012)의 상단에 적층되었다면, 제1 셀 세그먼트(1022)가 존재할 수 있다. 또한, 이에 의해 실질적으로 유동성 기밀 밀봉부가 전해질 층(1010; 그리고 이에 따라 전해질(1011))을 중심으로 기판(1106), 기판(1036) 및 개스킷(1060)에 의해 정의될 수 있다.
다음, 세퍼레이터(1109) 및 전해질(1111)을 포지티브 전극 층(1104) 상단에서 개스킷(1160)의 내부 측벽 내에 퇴적하여, 전해질 층(1110)을 정의할 수 있다(예를 들어, 도 13을 참조함). 전해질은 이들 프로세스 단계 동안에 BPU(1102)의 하단부를 통하여 누출할 수 없다. 따라서, 전해질이 실질적으로 하부 셀로 유입하지 못하게 막는 반투과성 멤브레인 또는 파열판(예를 들어, 압력 균등화 밸브(1103))이 제공될 수 있다.
도 9 내지 도 12에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 MPU(1012)의 상단에서 개스킷(1060), 전해질 층(1010) 및 BPU(1102)를 적층하여 이 제1 셀 세그먼트(1022)를 형성하였다면, 필요에 따라 추가적인 BPU들을 동일한 방식으로 그 위에 적층할 수 있다. 바이폴라 배터리용으로 원하는 정도의 BPU들을 적층하였다면, 제2 MPU가 그 위에 적층될 수 있다. 도 13을 참조하여 보면, 네거티브 MPU(1032)는 최상단 BPU 상에 적층될 수 있다(이 실시예에서, 오직 하나의 BPU만이 제공되었고, 따라서, BPU(1102)가 최상단 BPU이다). 그러나, MPU(1032)가 BPU(1102) 상에 적층되면, 추가적인 개스킷(즉, 개스킷(1160)) 및 전해질 층(즉, 세퍼레이터(1110)와 전해질(1111)을 갖는 전해질 층(1110))을 개스킷(1060)과 전해질 층(1010)에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 제공할 수 있다.
네거티브 MPU(1032)에는 불투과성의 전도성 기판(1036)과 기판 위에 코팅된 네거티브 활성 물질 전극 층(1038)이 제공될 수 있다. BPU(1102)의 포지티브 전해질 층(1104)을 향하여 아래방향으로 향해 있는 MPU(1032)의 네거티브 전해질 층(1038)에서는, MPU(1032)가 개스킷(1160) 상에 적층될 수 있다. MPU(1032)가 개스킷(1160) 및 따라서 BPU(1102)의 상단에 견고하게 적층되었다면, 제2 셀 세그먼트(즉, 세그먼트(1122))가 존재할 수 있다. 또한, 이에 의해 실질적으로 유동성의 기밀 밀봉부가 전해질 층(1110)(그리고 그에 따라, 전해질(111))을 중심으로 하여 기판(1036), 기판(1106) 및 개스킷(1160)에 의해 정의될 수 있다.
포지티브 MPU, 네거티브 MPU 및 이들 사이의 적어도 하나의 BPU를 포함하는 적층체가 제조되었고, 예를 들어, 이에 의해 도 9 내지 도 13에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 셀 세그먼트들의 적층체를 형성하면, 본 발명의 기능적으로 적층형 바이폴라 배터리를 형성하기 위한 적층체 내용물을 밀봉하기 위해 케이스 또는 랩퍼가 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 도 14에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 각각 전도성 기판(1016 및 1036)의 적어도 일부분을 통하여) 말단 전극 층(즉, 포지티브 전극 층(1014) 및 네거티브 전극 층(1038))을 노출시킬 수 있도록 그리고 적층형 바이폴라 배터리(1050)를 제공하기 위해 적층체의 내용물에 대한 랩퍼에 의해밀봉된 장치를 제공할 수 있도록, 셀 세그먼트(즉, 셀 세그먼트(1022 및 1122))의 적층체에 대하여 랩퍼(1040)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 각각의 전극층에 대하여 실질적으로 유동성의 기밀 배리어들을 형성하기 위하여 적층체에서 각각의 개스킷과 개스킷에 인접하는 전극 유닛 사이의 밀봉된 관계를 유지하도록 적층형 바이폴라 배터리(1050) 상의 랩퍼에 의해 압력이 가해질 수 있다.
일 실시예에서, 도 15에 도시된 바와 같이 돔형상으로 된 상단부(500)가 배터리 랩퍼(40)의 상단에 배치될 수 있고, 플랫 에지부(550)가 배터리 랩퍼(40)의 하단부에 배치될 수 있도록 적층형 바이폴라 배터리(50)를 구조화할 수 있다. 예를 들어, 적층형 배터리에서 돔형 상단부(500)를 원할 수 있으며, 여기서는 압력 균등화 밸브가 파열판(예를 들어, 파열판 밸브(503a-b)를 참조함)이다. 파열판이 개방되면, 전해질이 인접하는 셀로 실질적으로 이동하지 못하게 막는데 있어 배향이 중요할 수 있기 때문에, 돔형 상단부(500)는 돔형 상단부(500)가 직립해 있고, 그에 따라 BPU들(502a-b)이 아래로 오목하게 되는 배향으로 적층형 배터리가 유지되는 것을 실질적으로 보장할 수 있다. 직립형 포지션에서는, 자유 전해질(580)은 아래로 오목한 "접시 형상의" 전극(예를 들어, BPU(502a-b))의 에지부 주변에 모여질 수 있고, 자유 전해질(580)은 예를 들어, 에지부보다 비교적 더 높을 수 있는 BPU(502b) 중앙의 개구 홀(505b)에 충분히 도달할 수 없다. 배터리는 실질적으로 동일한 효과를 갖는 그 면 상에 놓여질 수 있다.
위에서 설명되고 예시된 적층형 배터리의 실시예들 각각이 내부에 전해질을 밀봉한 제1 전극 유닛과 제2 전극 유닛 각각에 대해 밀봉된 개스킷을 포함한 셀 세그먼트를 보여주고 있지만, 셀 세그먼트의 각각의 전극 유닛이 셀 세그먼트 자신의 개스킷에 대해 밀봉될 수 있고 그 후 두개의 인접하는 전극들의 개스킷이 밀봉된 셀 세그먼트를 형성하기 위하여 서로에 대하여 밀봉될 수 있음을 알아야 한다.
특정 실시예에서, 개스킷이 전극 유닛 또는 다른 개스킷에 대해 사출성형될 수 있고 이에 의해 이들이 함께 융용되어 밀봉부를 형성할 수 있다. 특정한 실시예에서, 개스킷이 전극 유닛 또는 다른 개스킷에 초음파 방식으로 용접될 수 있고 이에 의해 이들이 밀봉부를 함께 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 개스킷이 전극 유닛 또는 다른 개스킷에 대해 열용융될 수 있거나 또는 히트 플로우(heat flow)를 통해 열용융되어 이에 의해 개스킷 또는 전극 유닛이 다른 개스킷 또는 전극 유닛 내에 융용되도록 가열될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 개스킷 및/또는 전극 유닛의 표면에 그루브 형상의 부분들을 형성하여 밀봉부를 형성하는 것에 더하여 또는 대신하여, 개스킷 및/또는 전극 유닛은 천공이 형성될 수 있거나 또는 개스킷 및/또는 전극 유닛의 하나 이상의 부분을 관통하여 뻗어있는 하나 이상의 홀들을 가질 수 있다. 대안으로서, 개스킷의 일부분을 관통하는 홀 또는 통로 또는 천공이 제공될 수 있고 이에 의해 전극 유닛의 일부분(예를 들어, 기판)이 개스킷에 대해 그리고 개스킷을 통하여 몰딩될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 예를 들어, 홀들이 개스킷 및 전극 유닛 양쪽 모두를 관통하도록 이루어질 수 있어, 개스킷 및 전극 유닛 각각이 개스킷과 전극 유닛 중 다른 것에 대해 그리고 다른 것을 통해 몰딩될 수 있다.
위에서 설명되고 예시된 적층형 배터리의 실시예들 각각이 원통형 배터리 내에 실질적으로 둥근 횡단면을 갖는 기판들을 적층시켜 형성된 배터리를 보여주고 있지만, 광범위한 임의의 형상이 본 발명의 적층형 배터리의 기판들을 형성하는데 이용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 본 발명의 적층형 배터리는 직사각형, 육각형, 또는 임의의 다른 상상가능한 형상 또는 이들의 조합인 횡단면 영역을 갖는 기판을 가진 전극 유닛들을 적층시킴으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 감소된 전극 플레이트 편향과 개선된 압력 균등화를 갖는 적층형 배터리가 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상에 벗어남이 없이 본 발명에서 많은 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 또한, "수평방향" 및 "수직방향", "상단" 및 "하단" 및 "면", "길이" 및 "폭" 및 "높이" 및 "두께", "안쪽" 및 "바깥쪽", "내부" 및 "외부" 등과 같은 여러 방향 및 배향 용어는 단지 편의를 위해서만 사용된 것이고 이들 용어의 이용에 의해 고정 또는 절대적인 방향적 또는 배향적 한정을 의도한 것이 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 디바이스들 뿐만 아니라 이들 개개의 구성요소들은 임의의 원하는 배향을 가질 수 있다. 재배향된다면, 다른 방향적 또는 배향적 용어가 이들 설명에 이용되는 것이 필요할 수 있지만, 이것이 본 발명의 범위 및 사상 내의 본 발명의 기본 특성을 변경하지 않을 것이다. 당해 기술 분야의 숙련된 자는 본 발명이 한정이 아닌 예시적인 목적으로 위하여 설명된 상술한 실시예 이외의 다른 실시예로 실시될 수 있고, 본 발명이 다음에 오는 청구항들에 의해서만 한정됨을 알 것이다.
3: 압력 균등화 밸브
12, 32: MPU
20: 적층체
22: 셀 세그먼트
40: 배터리 케이스
102: BPU
104: 포지티브 활성 물질 전극 층
106: 기판
108: 네거티브 활성 물질 전극 층
110: 전해질 층

Claims (23)

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  7. 바이폴라 배터리에 있어서,
    포지티브 모노폴라 전극 유닛;
    네거티브 모노폴라 전극 유닛;
    상기 포지티브 모노폴라 전극 유닛과 상기 네거티브 모노폴라 전극 유닛 사이에 적층되고, 압력 균등화 밸브(pressure equalization valve)를 포함하는 적어도 하나의 바이폴라 전극 유닛;
    각각의 인접하는 전극 유닛들의 쌍 사이에 제공된 전해질 층; 및
    상기 전해질 층들 각각 주위에 위치된 개스킷을 포함하고,
    상기 전해질 층들 각각은 상기 전해질 층들 각각의 개스킷 및 상기 전해질 층들 각각의 인접하는 전극 유닛들의 쌍에 의해 밀봉되는 것인,
    바이폴라 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 압력 균등화 밸브는 화학적 부식에 대해 저항성이 있는 것인, 바이폴라 배터리.
  9. 제7항에 있어서, 상기 압력 균등화 밸브는 나노미터 크기의 천공과 마이크로미터 크기의 천공 중 적어도 하나를 갖는 것인, 바이폴라 배터리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 압력 균등화 밸브에 의하여, 인접하는 전해질 층들 사이에 전해질이 통과하는 것이 방지되는 것인, 바이폴라 배터리.
  11. 제9항에 있어서, 상기 압력 균등화 밸브 내의 상기 천공에 의하여, 인접하는 전해질 층들 사이에 기체가 통과하는 것이 허용되는 것인, 바이폴라 배터리.
  12. 제7항에 있어서, 상기 압력 균등화 밸브는, 밀봉제(sealant) 및 그래파이트 탄소 섬유 번들(graphitic carbon fiber bundle)을 포함하는 것인, 바이폴라 배터리.
  13. 제12항에 있어서, 상기 그래파이트 탄소 섬유 번들을 따라 인접하는 전해질 층들 사이에서 기체 분자가 화학적으로 이동되는 것인, 바이폴라 배터리.
  14. 제12항에 있어서, 확산력은 과압력화된(over pressurize) 전해질 층으로부터의 수소 분자가 상기 그래파이트 탄소 섬유 번들의 표면을 따라 이동하도록 허용하는 것인, 바이폴라 배터리.
  15. 제12항에 있어서, 상기 압력 균등화 밸브에 의하여, 인접하는 전해질 층들 사이에 전해질이 통과하는 것이 방지되는 것인, 바이폴라 배터리.
  16. 바이폴라 배터리에 있어서,
    포지티브 모노폴라 전극 유닛;
    네거티브 모노폴라 전극 유닛;
    상기 포지티브 모노폴라 전극 유닛과 상기 네거티브 모노폴라 전극 유닛 사이에 적층되고, 파열판 밸브(rupture disk valve)를 포함하는 적어도 하나의 바이폴라 전극 유닛;
    각각의 인접하는 전극 유닛들의 쌍 사이에 제공된 전해질 층; 및
    상기 전해질 층들 각각 주위에 위치된 개스킷을 포함하고,
    상기 전해질 층들 각각은 상기 전해질 층들 각각의 개스킷 및 상기 전해질 층들 각각의 인접하는 전극 유닛들의 쌍에 의해 밀봉되는 것인,
    바이폴라 배터리.
  17. 제16항에 있어서, 적층형 바이폴라 배터리가 돔형 상단부(domed top)를 갖는 것인, 바이폴라 배터리.
  18. 제17항에 있어서, 상기 배터리의 배향은 상기 돔형 상단부에 의해 유지되며, 이에 의해 상기 파열판 밸브의 파열시, 인접하는 전해질 층들 사이에 전해질이 통과하는 것을 방지하는 것인, 바이폴라 배터리.
  19. 제16항에 있어서, 상기 파열판 밸브는 화학적 부식에 대하여 저항성이 있는 것인, 바이폴라 배터리.
  20. 제16항에 있어서, 상기 파열판 밸브는 디스크 형상으로 된 것인, 바이폴라 배터리.
  21. 제16항에 있어서, 상기 각각의 인접하는 전극 유닛들의 쌍 사이의 압력은 파열판 밸브 개방에 의해 등화되는 것인, 바이폴라 배터리.
  22. 적층형 바이폴라 배터리를 형성하는 방법에 있어서,
    제1 불투과성의 전도성 기판 및 상기 제1 불투과성의 전도성 기판 상에 코팅된 제1 포지티브 활성 물질 전극 층을 포함하는 포지티브 모노폴라 전극 유닛(MPU; mono-polar electrode unit) ― 상기 MPU, 상기 제1 불투과성의 전도성 기판 및 상기 제1 포지티브 활성 물질 전극 층 각각은 접시 형상임 ― 을 제공하는 단계;
    상기 제1 불투과성의 전도성 기판 상에 제1 개스킷 ― 상기 제1 개스킷의 내부 측벽들 사이에 있는 상기 MPU의 부분들과 상기 내부 측벽들 사이의 공간은 제1 공간을 포함함 ― 을 제공하는 단계;
    상기 제1 공간 내에 제1 세퍼레이터와 제1 전해질 ― 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제1 전해질은 제1 전해질 층을 포함함 ― 을 제공하는 단계;
    상기 제1 개스킷 상에 적층된 복수의 바이폴라 전극 유닛(BPU; bi-polar electrode unit)들 ― 상기 복수의 BPU들 각각은 접시 형상이고, 상기 복수의 BPU들 각각은 불투과성의 전도성 기판, 압력 균등화 밸브, 포지티브 전극 층, 상기 포지티브 전극 층의 반대면 상에 코팅된 네거티브 전극 층을 포함함 - 을 제공하는 단계;
    말단(terminal) BPU 상에 말단 개스킷 ― 상기 말단 개스킷의 내부 측벽들 사이에 있는 상기 말단 BPU의 부분들과 상기 내부 측벽들 사이의 공간은 말단 공간을 포함함 ― 을 제공하는 단계;
    상기 말단 공간 내에 말단 세퍼레이터와 말단 전해질 ― 상기 말단 세퍼레이터와 상기 말단 전해질은 말단 전해질 층을 포함함 ― 을 제공하는 단계; 및
    상기 말단 BPU의 상단 상에 적층되고, 불투과성의 전도성 말단 기판과 상기 불투과성의 전도성 말단 기판 상에 코팅된 네거티브 활성 물질 말단 전극 층을 포함하는 네거티브 MPU를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 네거티브 MPU, 상기 불투과성의 전도성 말단 기판, 및 상기 네거티브 활성 물질 말단 전극 층 각각은 접시 형상으로 되어있는 것인,
    적층형 바이폴라 배터리의 형성 방법.
  23. 삭제
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