KR101823873B1 - 무금속 수성 전해질 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

하우징 및 하우징 내 전기화학 셀들의 스택을 포함하는 전기화학 장치. 각 전기화학 셀은 애노드 전극, 캐소드 전극, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터 및 전해질을 포함한다. 전기화학 장치는 또한 이웃한 전기화학 셀들 사이에 위치된 집전체, 스택 내 전기화학 셀들의 애노드들에 동작 가능하게 연결된 애노드 버스, 및 스택 내 전기화학 셀들의 캐소드들에 동작 가능하게 연결된 캐소드 버스를 포함한다. 하우징, 애노드 전극, 캐소드 전극, 세퍼레이터, 애노드 버스 및 캐소드 버스는 비금속이다.

Description

무금속 수성 전해질 에너지 저장장치{METAL-FREE AQUEOUS ELECTROLYTE ENERGY STORAGE DEVICE}
관련출원들
이 출원은 2011년 3월 9일에 출원된 미국특허출원 61/450,774, 및 2011년 3월 9일에 출원된 미국특허출원 13/043,787의 우선권을 주장한다. 출원들 61/450,774 및 13/043,787 전체를 참조문헌으로 본원에 포함시킨다.
본 발명은 수성 배터리들 및 하이브리드 에너지 저장장치들에 관한 것으로, 특히 수성 전해질과 접촉하는 금속 부분들이 없는 전기화학 저장장치들에 관한 것이다.
소형 재생가능 에너지 수확(harvesting) 및 발전(power generation) 기술들(이를테면 태양 어레이들, 풍력 터빈들, 마이크로 스털링 엔진들, 및 고체 산화물 연료셀들)이 급증하고 있고, 중간 크기의 2차(재충전가능) 에너지 저장 능력에 대한 상응하는 강한 필요성이 존재한다. 이들 고정형 응용들을 위한 배터리들은 전형적으로 1 내지 50kWh의 에너지(응용에 따라)를 저장하며 전통적으로 납-산(Pb-acid) 화합물에 기반하였다. 딥-사이클(deep-cycle) 납-산 셀 뱅크들이 분산 발전 지점들에서 조립되며 전형적인 듀티 사이클에 따라 1 내지 10년간 지속되는 것으로 알려져 있다. 이들 셀들이 이 응용을 지원하기에 충분히 기능하지만, 환경적으로 청정하지 않은 납 및 산들(Pb-산 기술은 미국에서만 매년 환경에 100,000톤 이상의 Pb 방출을 차지하는 것으로 추정된다)의 심한 사용, 중간 상태의 충전에 유지된 경우 혹은 일상적으로 방전의 깊은 수준까지 사이클된 경우 성능의 현저한 저하, 성능을 유지하게 기능하는 루틴에 대한 필요성, 및 필수적 리사이클 프로그램의 구현을 포함하여, 이들 셀들의 사용에 연관된 다수의 문제들이 있다. 자동차 산업에 의해 사용되는 것과 같은 Pb-산 화합물을 대체할 강한 요망이 존재한다. 불행히도 대안적 터리 화합물들의 경제효과로 인해 이것은 현재까지도 매우 효과없는 선택지가 되었다.
배터리 기술들에 모든 최근의 진보에도 불구하고, Pb-산 화합물에 대한 저렴한 청정한 대안들이 여전히 없다. 이것은 Pb-산 배터리들이 다른 화합물들($200/kWh)에 비해 현저히 저렴하다는 사실에 대부분 기인하며, 현재 운송 응용(Pb-산 배터리들보다 본질적으로 현저히 더 비싼)을 위한 고-에너지 시스템들을 개발하는데 역점을 두고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기화학 장치는 하우징; 상기 하우징에 축 방향으로 적층된 전기화학 셀들의 스택으로서, 각 전기화학 셀은: 애노드 경계 영역들에 의해 분리된 개별 애노드 전극 부재들을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 경계 영역들에 의해 분리된 개별 캐소드 전극 부재들을 포함하는 캐소드 전극; 상기 애노드 전극 부재들 및 상기 캐소드 전극 부재들 사이에 배치되며 상기 애노드 경계 영역 및 상기 캐소드 경계 영역을 가로질러 연속적으로 연장되는 세퍼레이터 시트; 및 세퍼레이터에 배치된 전해질을 포함하는 전기화학 셀들의 스택; 인접한 셀들의 상기 애노드 전극 부재들에 각각 전기적으로 접촉하는 애노드 집전체들; 및 인접한 셀들의 상기 캐소드 전극 부재들에 각각 전기적으로 접촉하는 캐소드 집전체들을 포함한다.
실시예는 하우징; 및 하우징 내 전기화학 셀들의 스택을 포함하는 전기화학 장치에 관한 것이다. 각 전기화학 셀은 애노드 전극; 캐소드 전극; 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 및 전해질을 포함한다. 전기화학 장치는 또한 이웃한 전기화학 셀들 사이에 위치된 집전체; 스택 내 전기화학 셀들의 애노드들에 동작 가능하게 연결된 애노드 버스; 및 스택 내 전기화학 셀들의 캐소드들에 동작 가능하게 연결된 캐소드 버스를 포함한다. 하우징, 애노드 전극, 캐소드 전극, 세퍼레이터, 애노드 버스 및 캐소드 버스는 비금속이다. 이 특허출원의 맥락에서 "비금속"은 순수 금속 또는 금속 합금들로 만들어지지 않는 전기적 도전성 물질들을 의미한다. 비-금속 물질들의 예들은 전기적 도전성 금속 산화물들 또는 탄소를 포함하나, 이들로 제한되지 않는다.
또 다른 실시예는 전기화학 장치를 만드는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 비금속 애노드 전극을 적층하는 단계; 애노드 전극 상에 제1 비금속 세퍼레이터를 적층하는 단계; 세퍼레이터 상에 제1 비금속 캐소드 전극을 적층하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 애노드 전극을 비금속 애노드 버스에 동작 가능하게 연결하는 단계; 및 제1 캐소드 전극을 비금속 캐소드 버스에 동작 가능하게 연결하는 단계를 포함한다.
실시예는 하우징; 및 하우징 내 전기화학 셀들의 스택을 포함하는 전기화학 장치에 관한 것이다. 각 전기화학 셀은 애노드 전극; 캐소드 전극; 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 및 전해질을 포함한다. 장치는 또한 이웃한 전기화학 셀들 사이에 교번하여 위치된, 복수의 탄소 캐소드 및 애노드 집전체들; 및 전기적 버스에 연결하게 구성되고, 복수의 탄소 캐소드 및 애노드 집전체들에 동작 가능하게 연결된, 복수의 탭들을 포함한다. 제1 전기화학 셀의 캐소드 전극은 제1 캐소드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제2 전기화학 셀의 캐소드 전극은 제1 캐소드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제2 전기화학 셀은 스택 내 제1 전기화학 셀의 제1 측에 이웃하여 위치된다. 제1 전기화학 셀의 애노드 전극은 제2 애노드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제 3 전기화학 셀의 애노드 전극은 제2 애노드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제 3 전기화학 셀은 스택 내 제1 전기화학 셀의 제2 측에 이웃하여 위치된다.
또 다른 실시예는 하우징; 및 하우징 내 전기화학 셀들의 스택을 포함하는 전기화학 장치에 관한 것이다. 각 전기화학 셀은 압축된 과립 애노드 전극; 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 및 전해질을 포함한다. 전기화학 장치는 또한 이웃한 전기화학 셀들 사이에 교번하여 위치된, 복수의 캐소드 및 애노드 집전체들을 포함한다. 제1 전기화학 셀의 캐소드 전극은 제1 캐소드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제2 전기화학 셀의 캐소드 전극은 제1 캐소드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제2 전기화학 셀은 스택 내 제1 전기화학 셀의 제1 측에 이웃하여 위치된다. 제1 전기화학 셀의 애노드 전극은 제2 애노드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제 3 전기화학 셀의 애노드 전극은 제2 애노드 집전체에 전기적으로 접촉한다. 제 3 전기화학 셀은 스택 내 제1 전기화학 셀의 제2 측에 이웃하여 위치된다.
또 다른 실시예는 하우징; 및 하우징 내 나란히 배열된 전기화학 셀들의 복수의 스택들을 포함하는 전기화학 장치에 관한 것이다. 각 전기화학 셀은 애노드 전극; 캐소드 전극; 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 및 전해질을 포함한다. 장치는 또한 스택들 각각 내에 이웃한 전기화학 셀들 사이에 위치된 집전체를 포함한다. 적어도 한 셀의 세퍼레이터는 복수의 스택들중 적어도 둘 사이에 연속하여 확장하는 세퍼레이터 시트를 포함한다.
실시예는 하우징; 및 하우징 내 전기화학 셀들의 스택을 포함하는 전기화학 장치에 관한 것이다. 각 전기화학 셀은 애노드 전극; 캐소드 전극; 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 및 전해질을 포함한다. 전기화학 장치는 또한 스택 내 이웃한 전기화학 셀들 사이에 위치된 그래파이트 시트를 포함한다. 그래파이트 시트는 이웃한 전기화학 셀들을 위한 집전체이다.
또 다른 실시예는 애노드 경계 영역들에 의해 분리된 복수의 개별 애노드 전극 부재들을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 경계 영역들에 의해 분리된 복수의 개별 캐소드 전극 부재들을 포함하는 캐소드 전극을 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다. 전기화학 셀은 또한 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 및 전해질을 포함한다. 전해질은 세퍼레이터 내에 그리고 애노드 전극 및 캐소드 전극 경계 영역들 내에 위치된다. 또한, 애노드 경계 영역들의 적어도 50%는 세퍼레이터에 걸쳐 각각의 캐소드 경계 영역들과 정렬되지 않는다.
또 다른 실시예는 전기화학 셀들의 스택을 가진 전기화학 장치를 만드는 방법에 관한 것이다. 방법은 스택 전기화학 셀들을 형성하는 단계; 및 전기화학 셀들의 스택 주위에 전기적 절연 폴리머를 부어 고체 절연 쉘을 형성하거나, 미리 형성된 고체 절연 쉘을 전기화학 셀들의 스택 주위에 제공하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예는 전기화학 장치를 만드는 방법에 관한 것이다. 방법은 애노드 경계 영역들에 의해 분리된 복수의 개별 애노드 전극 부재들을 포함하는 애노드 전극을 적층하는 단계; 애노드 전극 상에 세퍼레이터를 적층하는 단계; 및 캐소드 경계 영역들에 의해 분리된 복수의 개별 캐소드 전극 부재들을 포함하는 캐소드 전극을 세퍼레이터 상에 적층하는 단계를 포함한다. 애노드 경계 영역들의 적어도 50%는 세퍼레이터에 걸쳐 각각의 캐소드 경계 영역들과 정렬되지 않고, 복수의 애노드 전극 부재들 및 복수의 캐소드 전극 부재들은 행들 및 열들의 어레이로 배열된다.
또 다른 실시예는 2차 하이브리드 수성 에너지 저장장치에 관한 것이다. 2차 하이브리드 수성 에너지 저장장치는 하우징; 및 하우징 내 전기화학 셀들의 스택을 포함한다. 각 전기화학 셀은 애노드 전극; 캐소드 전극; 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치된 세퍼레이터; 전해질, 및 이웃한 전기화학 셀들 사이에 위치된 그래파이트 시트를 포함한다. 애노드 및 캐소드 전극들은 0.05 내지 1cm의 두께이다.
도 1은 실시예에 따라 전기화학 셀들의 프리즘형 스택의 개요도이다.
도 2는 실시예에 따라 샌드위치된 집전체의 상세의 개요도이다.
도 3는 실시예에 따라 전기화학 셀들의 복수의 프리즘형 스택들을 가진 전기화학 장치의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 또 다른 사시도이다.
도 5는 실시예에 따라 전기화학 셀들의 단일의 프리즘형 스택을 가진 전기화학 장치의 사시도이다.
도 6은 명확성을 위해 전기화학 셀들이 제거된 도 5의 실시예의 사시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 실시예의 부분의 상세를 도시한 개요적 측단면도이다.
도 8은 실시예의 셀 용량 대 셀 전위의 플롯이다.
도 9는 발명의 실시예에 따라 전기화학 셀의 개요도이다. 전기화학 셀은 바이폴라 또는 프리즘형 스택 구성으로 적층될 수 있다.
도 10은 실시예에 따라 애노드 전극이 개별 애노드 전극 부재들로 구성되고 캐소드 전극이 개별 캐소드 전극 부재들로 구성된 전기화학 셀의 단면도이다. 전기화학 셀은 바이폴라 또는 프리즘형 스택 구성으로 적층될 수 있다.
도 11은 발명의 실시예에 따라 전기화학 셀들의 바이폴라 스택을 포함하는 전기화학 장치의 개요도이다.
도 12(a)는 30 사이클들에 걸쳐 충전 및 방전 조건들 하에서 축적 용량 대 셀 전위의 플롯이다. 도 12(b)는 사이클의 함수로서 셀 충전 및 방전 용량 및 효율의 플롯이다.
발명의 실시예들은 1차 및 2차 배터리들과 같은 전기화학 에너지 저장 시스템들, 및 이하 기술되는 하이브리드 에너지 저장 시스템들에 관계된다. 이하 기술되는 2차 하이브리드 수성 에너지 저장 시스템들이 발명의 바람직한 실시예들이지만, 발명은 수성 및 비-수성 전해질 함유 배터리들(예를 들면, Li-이온 배터리들, 등을 포함해서, 전해질로부터 이온들을 인터컬레이트(intercalate)하는 애노드들 및 캐소드들을 가진) 또는 전해질 캐패시터들(예를 들면, 알칼리 이온들을 인터컬레이트함에 의해서가 아니라 전극 (이중층) 및/또는 의사캐패시턴스의 표면 상에 양이온들의 가역 비-패러데이 반응을 통해 전하를 저장하는 캐패시터 또는 의사캐패시터 애노드 및 캐소드 전극들을 가진)과 같은 임의의 적합한 전기화학 에너지 저장 시스템들에도 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예들의 하이브리드 전기화학 에너지 저장 시스템들은 이중층 캐패시터 또는 활성 전극(예를 들면, 캐소드)에 결합된 의사캐패시터 전극(예를 들면, 애노드)을 포함한다. 이들 시스템들에서, 캐패시터 또는 의사캐패시터 전극은 전극(이중층) 및/또는 의사캐패시턴스의 표면 상에 알칼리 양이온들의 가역 비-패러데이 반응을 통해 전하를 저장하는 반면, 활성 전극은 배터리와 유사하게 알칼리 양이온들을 인터컬레이트 및 디인터컬레이트하는 천이 금속 산화물에서 가역 패러데이 반응이 일어난다.
Na-기반 시스템의 예는 스피넬 구조 LiMn204 배터리 전극, 활성 탄소 캐패시터 전극, 및 수성 Na2S04 전해질을 이용하는, 전체를 참조문헌으로 본원에 포함시키는 4/3/09에 출원된 미국특허출원번호 12/385,277에 기술되어 있다. 이 시스템에서, 음 애노드 전극은 활성 탄소 전극의 표면 상에 Na-이온의 가역 비-패러데이 반응을 통해 전하를 저장한다. 양 캐소드 전극은 스피넬 람다-Mn02에서 Na-이온 인터컬레이트/디인터컬레이트의 가역 패러데이 반응을 이용한다.
대안적 시스템에서, 캐소드 전극은 비-인터컬레이트(예를 들면, 비-알칼리 이온 인터컬레이트) Mn02 상(phase)을 포함할 수 있다. 이산화망간의 비-인터컬레이트 상들의 예는 전해질 이산화망간(EMD), 알파 상 및 감마 상을 포함한다.
도 1은 실시예에 따라 전기화학 셀들(102)의 프리즘형 스택(100P)을 도시한 것이다. 이 실시예에서, 프리즘형 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102) 각각은 애노드 전극(104), 캐소드 전극(106), 및 애노드 전극(104)과 캐소드 전극(106) 사이에 위치된 세퍼레이터(108)를 포함한다. 또한, 전기화학 셀들(102)은 애노드 전극(104)과 캐소드 전극(106)사이에 위치된(즉, 세퍼레이터 및/또는 전극들에 함침된) 전해질을 포함한다. 프리즘형 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102) 각각은 프레임(112) 내에 장착될 수 있다(도 9 ~ 도 10 참조). 또한, 이 대신에 혹은 이에 더하여 프리즘형 스택(100P)은 하우징(116) 내에 엔클로즈될 수도 있다(도 3 ~ 도 6 참조). 하우징(116)의 추가의 특징들은 도 3 ~ 도 6에 도시된 실시예들에 관련하여 이하 더 상세히 제공된다. 전기화학 셀들(102)의 또 다른 실시예들은 도 9와 도 10에 도시되었고 이하 더 상세히 논의된다. 프리즘형 스택(100P)은 또한 이웃한 전기화학 셀들(102) 사이에 번갈에 위치된 복수의 탄소 캐소드 집전체(110a) 및 탄소 애노드 집전체(110c)을 포함한다. 집전체들은 박리 그래파이트, 탄소 섬유 종이, 혹은 탄소 물질이 코팅된 불활성 기판과 같은 임의의 적합한 형태의 전기적 도전성의 탄소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 집전체들은 0.6g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 그래파이트를 포함한다.
실시예에서, 프리즘형 스택(100P)은 복수의 탄소 캐소드 및 애노드 집전체들(110a, 110c)에 동작 가능하게 연결된 복수의 전기적 도전성 콘택들(예를 들면, 탭들)(120)을 포함한다. 전기적 도전성 콘택들(120)은 캐소드 및 애노드 집전체들(110a, 110c)의 일측에 고정될 수 있다. 대안적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기적 도전성 콘택들(120)은 2개의 탄소 집전체들(110a) 혹은(110c) 사이에 위치되어 샌드위치 구조(110s)를 만들 수 있다. 바람직하게, 프리즘형 스택(100P)은 또한 2개의 전기적 버스들(122a, 122c)을 포함한다. 한 전기적 버스(122a)는 프리즘형 스택(100P) 내 애노드 집전체들(110a)에 전기적으로 연결되고 한 전기적 버스(122c)는 프리즘형 스택(100P) 내 캐소드 집전체들(110c)에 전기적으로 연결된다. 실시예에서, 애노드 및 캐소드 집전체들(110a, 110c)에서 전기적 버스들(122a, 122c)로의 전기적 연결은 전기적 도전성 콘택들(120)을 통해서 있다. 이러한 식으로, 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102)은 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
실시예에서, 양 캐소드 버스(122c)는 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102)의 캐소드 전극들(106)을 스택의 양(positive) 전기적 출력에 병렬로 전기적으로 연결하며, 음 애노드 버스(122a)는 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102)의 애노드 전극들(104)을 스택(100P)의 음 전기적 출력에 병렬로 전기적으로 연결한다.
프리즘형 스택(100P)에서, 캐소드 집전체(110c)는 이웃한 전기화학 셀들(102) 사이에 위치될 수 있다. 즉, 다수 쌍들의 전기화학 셀들(102)은 "프론트-투-프론트" 및 "백-투-백"으로 구성된다. 예로서, 제1 전기화학 셀(102)이 스택(100P)의 중앙에 있는 프리즘형 스택(100P)을 고찰한다. 제1의 한쌍의 셀들(102)에서, 제1 캐소드 집전체(110c)는 제1 전기화학 셀(102)의 캐소드 전극(106)이 제1 캐소드 집전체(110c)에 전기적으로 접촉하고 제2 전기화학 셀(102)의 캐소드 전극(106)도 제1 캐소드 집전체(110c)에 전기적으로 접촉하게 위치된다. 제2 전기화학 셀(102)은 프리즘형 스택(100P) 내 제1 전기화학 셀의 제1 (캐소드) 측에 이웃하게 위치된다.
제 3 전기화학 셀(102)은 프리즘형 스택(100P) 내 제1 전기화학 셀(102)의 제2 (애노드) 측에 이웃하게 위치된다. 제1 전기화학 셀(102)의 애노드 전극(104)은 제1 애노드 집전체(110a)에 전기적으로 접촉하며 제 3 전기화학 셀(102)의 애노드 전극(104)은 제1 애노드 집전체(110a)에 전기적으로 접촉한다. 스택은 이러한 식으로 계속할 수 있다. 그러므로, 결과적인 프리즘형 스택(100P)은 이웃한 애노드 전극들(104) 및 이웃한 캐소드 전극들(106)을 교번하여, 프론트-투-프론트 및 백-투-백으로 쌍들로 적층되는 복수의 전기화학 셀들(102)을 포함할 수 있다.
프리즘형 스택(100P)은 축선 방향에 관하여 기술될 수 있다. 도 1에 도시된 스택(100P)에 있어서, 축선 방향은 버스들(122a, 122c)에 평행하다. 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102)은 스택(100P)의 축선을 따라 축선 방향으로 적층된다. 스택 내 홀수 또는 짝수 전기화학 셀들(120) 각각은 스택(100P)의 축선의 제1 단부에 면하는 캐소드 전극(106) 및 스택(100P)의 축선의 반대되는 제2 단부에 면하는 애노드 전극(104)을 갖는다. 스택(100P) 내 짝수 또는 홀수 전기화학 셀들(102)의 다른 것들 각각은 스택(100P)의 축선의 제2 단부에 면하는 캐소드 전극(106) 및 스택(100P)의 축선의 반대되는 제2 단부에 면하는 애노드 전극(104)을 갖는다.
실시예에서, 프리즘형 스택(100P)은 애노드 전극(104) 및/또는 캐소드 전극(106)이 가압된 과립 펠릿들로 만들어지는 전기화학 셀들(102)을 포함한다. 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)은 0.05 내지 1cm 사이일 수 있다. 대안적으로, 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)은 0.05 내지 0.15cm 사이의 두께이다. 가압된 과립 펠릿들 사이에 경계 영역들은 이하 더 상세히 기술되는 바와 같이, 전해질을 위한 저류부들을 제공할 수 있다.
실시예에서, 전기화학 셀들(102)은 2차 하이브리드 수성 에너지 저장장치들이다. 실시예에서, 동작에서 캐소드 전극(106)은 알칼리 금속 양이온들을 가역적으로 인터컬레이트한다. 애노드 전극(104)은 애노드 전극(104)의 표면 상에 알칼리 금속 양이온들의 가역 비-패러데이 반응을 통해 전하를 저장하는 용량성 전극 혹은 애노드 전극(104)의 표면 상에 알칼리 금속 양이온들과의 부분적 전하 이동 표면 상호 작용이 일어나는 의사 용량성 전극을 포함할 수 있다. 실시예에서, 애노드는 일반적인 수소 전극(NHE)에 비해 -1.3V 미만까지 전기적으로 안정한 의사 용량성 또는 전기화학 이중층 용량성 물질이다. 실시예에서, 캐소드 전극(106)은 도핑된 혹은 도핑되지 않은 입방 스피넬 λ-Mn02-형 물질 혹은 Na4Mn9O18 터널 구조의 사방정계 물질을 포함할 수 있고 애노드 전극(104)은 활성 탄소를 포함할 수 있다. 대안적으로, 캐소드 전극은 전해질 이산화망간(EMD), 알파 또는 감마 상과 같은 비-인터컬레이트 MnO2 상을 포함할 수 있다.
발명의 또 다른 실시예가 도 3 및 도 4에 도시되었다. 이 실시예에서, 전기화학 장치(300)는 2x4 어레이로 전기화학 셀들(102)의 8 스택들(100P)을 포함한다. 그러나, 임의의 수의 스택들(100P)이 포함될 수 있다. 예를 들면, 전기화학 장치(300)는 1x2 어레이로 2개의 스택들(100P), 1x3 어레이로 3개의 스택들(100P), 3x4 어레이로 12개의 스택들(100P), 혹은 5x5 어레이로 25개의 스택들(100P)을 포함할 수 있다. 최종 사용자의 요구 또는 파워 요구에 따라 정확한 수의 스택들(100P)이 선택될 수 있다.
전기화학 장치(300)는 바람직하게 하우징(116)을 포함한다. 이 실시예에서, 하우징(116)은 기부(116b) 및 복수의 측벽 부재들(116a)을 포함한다. 실시예에서, 복수의 스택들(100P) 각각 내에 전기화학 셀들(102)의 애노드 전극들(104) 및 캐소드 전극들(106)은 이들의 끝부분들을 따라 노출되지만 하우징(116)에 의해 제약된다. 바람직하게, 하우징(116)은 각 스택(100P)을 통해 압력을 제공하며, 그럼으로써 전기화학 장치(300)의 스택들(100P)을 안전하게 한다. 대안적 실시예에서, 복수의 스택들(100P) 각각 내에 전기화학 셀들(102)의 애노드 전극들(104) 및 캐소드 전극들(106)은 이들의 끝부분들을 따라 부분적으로 혹은 완전히 덮여지고 제약된다. 이것은, 예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 각 셀(102)의 애노드 전극들(104) 및 캐소드 전극들(106)을 프레임(112) 내에 장착함으로써 달성될 수 있다. 그외 다른 하우징 구성들이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 하우징(116)은 벨 자(bell jar)와 유사하게, 기부(116b) 및 단일의 한개의 측벽 부재(116a)를 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 적어도 한 전기화학 셀(102)의 세퍼레이터(108) 및/또는 애노드 집전체(110a) 및/또는 캐소드 집전체(110c)는 복수의 스택들(100P)의 적어도 2개 사이에서 연속적으로 확장한다. 바람직하게, 세퍼레이터(108), 애노드 집전체(110a) 및 캐소드 집전체(110c)는 전기화학 장치(300) 내 모든 스택들(100P) 사이에서 연속적으로 확장한다. 이러한 식으로, 전기화학 장치(300)는 쉽고 저렴하게 제조될 수 있다. 그러나, 바람직하게 셀들의 스택들(100P) 내 각 셀(102)의 캐소드 전극(106) 및 애노드 전극(104)은 스택들(100P)의 또 다른 것 내 또 다른 셀(102)로 연속적으로 확장하지 않는다. 실시예에서, 이웃한 스택들(100P)의 전극들(104, 106) 사이의 공간들은 전해질 저류부를 함유한다.
실시예에서, 전기화학 장치(300)는 복수의 스택들의 모든 양(positive) 출력들을 전기적으로 연결하는 조합된 양 버스 및 제1 단부 판(122c) 및 복수의 스택들(100P)의 모든 음 출력들을 전기적으로 연결하는 조합된 음 버스 및 제2 단부 판(122a)을 더 포함한다. 또한, 기부(116b)는 전기화학 장치(300)가 부하에 신속하게 쉽게 부착될 수 있게 하는 외부 전기적 콘택들(124)을 포함할 수 있다.
실시예에서, 전기화학 장치(300)는 위에 기술된 하이브리드 전기화학 장치이다. 바람직하게 이 실시예에서, 전기화학 셀들(102)의 스택들(100P)의 모든 전기화학 셀들(102)은 하이브리드 전기화학 셀들이다. 위에 논의된 실시예들에서와 같이, 하이브리드 전기화학 셀(102)은 도핑된 또는 도핑되지 않은 입방 스피넬 λ-MnO2-형 물질 또는 Na4Mn9O18 터널 구조의 사방정계 물질을 포함하는 캐소드 전극(106), 및 활성 탄소를 포함하는 애노드 전극(104)을 포함할 수 있고 전해질은 나트륨 이온들을 함유하는 수성 전해질을 포함한다. 이하 논의되는 바와 같이, 다른 캐소드 및 애노드 물질들이 사용될 수 있다. 장치는 대안적 실시예에서 Li-이온 또는 Na-이온 배터리와 같은 2차 배터리를 포함할 수 있다.
발명의 또 다른 실시예가 도 5 및 도 6에 도시되었다. 이 실시예에서, 도시된 바와 같이 전기화학 장치(500)는 전기화학 셀들(102)의 단일 프리즘형 스택(100P)을 포함한다. 하나 이상의 스택이 사용될 수도 있다. 전기화학 셀들(102)의 단일 프리즘형 스택(100P)은 하우징(116) 내에 위치된다. 전기화학 장치(500)는 애노드 버스(122a) 및 캐소드 버스(122c)를 포함한다. 프리즘형 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102) 내에 애노드들(104) 각각은 애노드 집전체들(110a)를 통해 애노드 버스(122a)에 전기적으로 연결된다. 이 실시예에서, 애노드들(104)은 병렬로 연결된다. 유사하게, 프리즘형 스택(100P) 내 전기화학 셀들(102) 내 캐소드들(106) 각각은 캐소드 집전체들(110c)을 통해 캐소드 버스(122c)에 전기적으로 연결된다. 이 실시예에서, 캐소드들(106)은 병렬로 연결된다. 바람직하게, 애노드 집전체들(110a) 및 캐소드 집전체들(110c)은 이들의 각각의 애노드 버스(122a) 및 캐소드 버스(122c)에 도전성 탭들(120)로 연결된다. 집전체들(110a, 110c)은 압력/마찰 끼워맞춤; 도전성의 전기화학적으로 불활성인 경화된 페인트; 혹은 도전성의 전기화학적으로 불활성인 경화된 에폭시로 각각의 탭들(120) 및/또는 애노드 및 캐소드 버스들(122a, 122c)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 또한, 전기화학 장치(500)는 전기화학 장치(500)에서 외부 장치 혹은 회로에 전기를 제공하기 위해 외부 전기적 콘택들(124)을 포함한다. 실시예에서, 외부 전기적 콘택들(124)은 애노드 버스(122a) 및 캐소드 버스(122c) 위에 위치된다. 대안적으로, 콘택들은 버스들의 하부 또는 측들 상에 위치될 수도 있다. 콘택들은 장치의 동일한 혹은 서로 다른 측들 상에 위치될 수도 있다.
실시예에서, 전형적으로 전해질(즉, 애노드(104), 캐소드(106), 세퍼레이터(108), 집전체들(110), 버스들(122), 탭들(120), 및 하우징(116))과 접촉하게 되는 전기화학 장치(500)의 모든 성분들은 비-금속 물질들로 만들어진다. 실시예에서, 집전체들(110), 버스들(122) 및 탭들(120)은 임의의 적합한 전기적 도전성 형태의 탄소로 만들어질 수 있다. 버스들 및 탭들은 그래파이트, 탄소 섬유, 혹은 탄소 기반의 도전성 합성물(예를 들면, 탄소 섬유 혹은 필러(filler) 물질을 함유하는 폴리머 매트릭스)로 만들어질 수 있다. 하우징(116)은 전기화학적으로 불활성이고 전기적으로 절연인 폴리머로 만들어질 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다. 이에 따라, 전기화학 장치(500)는 내부식성이다. 버스들(122)이 전해질(즉, 탭들은 시일링 물질을 통해 외부 버스들까지 확장한다)에 접촉하지 않는다면, 버스들은 금속으로 만들어질 수 있다. 외부 전기적 콘택들(124)은 금속 물질로 만들어질 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서, 버스들(122)은 버스들(122)의 상부 및 전기화학 셀들(102)의 프리즘형 스택(100P)의 상부와 콘택들(124) 사이에 위치된 기밀 시일링(114)에 의해 둘러싸인다. 시일링은 폴리-기반 에폭시, 글루, 코크(calk) 또는 용융 시일링 폴리머와 같이, 전해질 및 산소를 통과시키지 않는 폴리머 또는 에폭시 물질을 포함할 수 있다. 버스들(122)은 납땜, 볼트들, 클램프들, 및/또는 시일링 물질에 의해 제공된 압력에 의해 콘택들(124)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 외부 전기적 콘택들(124)은 전해질로부터 격리될 수 있고, 그럼으로써 외부 전기적 콘택들(124)을 구리와 같은 금속 물질로 만들어질 수 있게 한다. 이렇게 하여, 금속 콘택들 또는 상호연결들(124)만이 하우징(116)의 시일링(114) 영역으로부터 돌출한다.
도 8은 전기화학 장치(500)의 실시예의 셀 전위 대 셀 용량의 플롯이다. 플롯에서 볼 수 있는 바와 같이, 이를테면 0.5V 이하의 전압에 대해 1200mAh보다 큰, 고 셀 용량이 달성될 수 있다.
도 9는 전기화학 셀(102)의 실시예를 도시한 것이다. 전기화학 셀(102)은 애노드 전극(104), 캐소드 전극(106), 및 애노드 전극(104)과 캐소드 전극(106) 사이에 세퍼레이터(108)를 포함한다. 또한, 전기화학 셀(102)은 애노드 전극(104)과 캐소드 전극(106) 사이에 위치된 전해질을 포함한다. 실시예에서, 세퍼레이터(108)는 전해질이 구멍들 내 위치되는 다공성일 수 있다. 전해질은 수성 또는 비-수성일 수 있다. 또한, 전기화학 셀(102)은 전기화학 셀(102)을 위한 집전체로서 작용하는 그래파이트 시트(110)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 그래파이트 시트(110)는 밀도를 높인다. 실시예에서, 그래파이트 시트(110)의 밀도는 0.6g/cm3보다 크다. 그래파이트 시트(110)는 예를 들면, 박리 그래파이트로부터 만들어질 수 있다. 실시예에서, 그래파이트 시트(110)는 하나 이상의 포일(foil) 층들을 포함할 수 있다. 애노드 전극(104), 캐소드 전극(106), 세퍼레이터(108) 및 전해질을 위한 적합한 물질들이 이하 더 상세히 논의된다.
애노드 전극(104), 캐소드 전극(106), 세퍼레이터(108) 및 그래파이트 시트 집전체(110)는 각 개개의 셀을 시일링하는 프레임(112) 내에 장착될 수 있다. 프레임(112)은 바람직하게 전기적 절연 물질, 예를 들면, 전기적 절연 플라스틱 또는 에폭시로 만들어진다. 프레임(112)은 미리 형성된 링들, 부어진 에폭시 혹은 이들 둘의 조합으로부터 만들어질 수 있다. 실시예에서, 프레임(112)은 별도의 애노드 및 캐소드 프레임들을 포함할 수 있다. 실시예에서, 그래파이트 시트 집전체(110)는 프레임(112)에 시일링(114)으로서 작용하게 구성될 수 있다. 즉, 그래파이트 시트 집전체(110)는 시일링(114)으로서 작용하게 프레임(112) 내 홈 안으로 확장할 수 있다. 이 실시예에서, 시일링(114)은 전해질이 한 전기화학 셀(102)에서 이웃 전기화학 셀(102)로 흐르는 것을 방지한다. 대안적 실시예들에서, 그래파이트 시트 집전체가 시일링으로서 수행하지 않게 와셔 또는 가스켓과 같은 별도의 시일링(114)이 제공될 수도 있다.
실시예에서, 전기화학 셀은 하이브리드 전기화학 셀이다. 즉, 동작에서 캐소드 전극(106)은 알칼리 금속 양이온들을 가역적으로 인터컬레이트하며, 애노드 전극(104)은 (1) 애노드 전극의 표면 상에 알칼리 금속 양이온들의 가역 비-패러데이 반응을 통해서, 혹은 (2) 애노드 전극의 표면 상에 알칼리 금속 양이온들과의 부분적 전하 이동 표면 상호 작용이 일어나는 의사 용량성 전극을 통해 전하를 저장하는 용량성 전극을 포함한다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 전기화학 셀들(102)의 바이폴라 스택(100B)을 도시한 것이다. 별도의 애노드 측 및 캐소드 측 집전체들을 포함하는 전기화학 셀들의 통상적인 스택들과는 대조적으로, 바이폴라 스택(100B)은 한 전기화학 셀(102)의 캐소드 전극(106)과 이웃 전기화학 셀(102)의 애노드 전극(104) 사이에 위치된 단일 그래파이트 시트 집전체(110)로 동작한다. 이에 따라, 바이폴라 스택(100B)은 전기화학 셀들의 통상적인 스택만큼 많은 집전체들의 반만을 사용한다.
실시예에서, 바이폴라 스택(100B)은 바깥 하우징(116) 내에 엔클로즈되고 바이폴라 스택(100B)의 상부 및 하부 상에 도전성 헤더들(118)이 제공된다. 헤더들(118)은 바람직하게 알루미늄, 니켈, 티타늄 및 스테인리스강을 포함하는 -그러나 이들로 제한되지 않는다- 내부식성 집전체 금속을 포함한다. 바람직하게, 조립되었을 때 바이폴라 스택(100B)에 압력이 가해진다. 압력은 전해질의 누출을 방지하기 위해 양호한 시일링들을 제공하는데 도움을 준다.
실시예에서, 전기화학 셀(102)은 2차 하이브리드 수성 에너지 저장장치이다. 이 실시예에서, 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)은 0.05 내지 0.15cm 두께와 같이 0.05 내지 1cm일 수 있다.
도 10은 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 애노드 전극(104)은 애노드 경계 영역들(104b)에 의해 분리된 개별 애노드 전극 부재들(104a)을 포함할 수 있다. 또한, 캐소드 전극(106)은 캐소드 경계 영역들(106b)에 의해 분리된 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 애노드 전극(104)은 2개의 개별 애노드 전극 부재들(104a)을 포함하며 캐소드 전극(106)은 3개의 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 포함한다. 그러나, 이것은 단지 예시를 위한 것이다. 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)은 각각 임의의 수의 개별 애노드 전극 부재들(104a) 및 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에서, 애노드 경계 영역들(104b) 및 캐소드 경계 영역들(106b)은 전해질로 채워진 보이드들을 포함할 수 있다.
또한, 도 10은 일차원으로 단면만을 도시한 것이다. 직교 방향으로 단면도는 개별 애노드 전극 부재들(104a) 및 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 가진 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)을 도시한다. 즉, 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)은 2차원 체커보드 패턴을 포함할 수 있다. 즉, 개별 애노드 전극 부재들(104a) 및 개별 캐소드 전극 부재들(106a)은 행들 및 열들의 어레이로 배열될 수 있다. 개개의 개별 애노드 전극 부재들(104a) 및 개별 캐소드 전극 부재들(106a)은 예를 들면, 형상이 정방형이거나 장방형일 수 있다. 실시예에서, 발명자들은 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)에 다른 수의 개별 애노드 전극 부재들(104a) 및 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 제공하는 것은 전기화학 셀들(102)의 구조상에 무결성을 개선함을 발견하였다. 이 실시예에서, 애노드 행들 및 열들은 캐소드 행들 및 열들로부터 오프셋된다. 실시예에서, 애노드 경계 영역들(104b)의 75 ~ 95%을 포함해서 50 ~ 100%와 같은 적어도 50%는 세퍼레이터(108)에 걸쳐 각각의 캐소드 경계 영역들(106b)과 정렬하지 않는다. 대안적으로, 애노드 전극(104) 및 캐소드 전극(106)은 동일한 개수의 개별 애노드 전극 부재들(104a)과 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 포함할 수도 있다. 대안적 실시예에서, 애노드 전극(104) 또는 캐소드 전극(106)은 단일의 하나의 시트를 포함할 수 있고 반면 다른 전극은 체커보드 패턴의 개별 부재들을 포함한다.
실시예에서, 애노드 전극 부재들(104a) 및 캐소드 전극 부재들(106a)은 각각 활성 탄소 및 산화망간의 롤(roll) 시트 또는 가압 펠릿들로부터 만들어진다. 또 다른 실시예은 (1) 애노드 경계 영역들(104b)에 의해 분리된 복수의 개별 애노드 전극 부재들(104a)을 포함하는 애노드 전극(104)을 적층하는 단계, (2) 애노드 전극(104) 상에 세퍼레이터(108)를 적층하는 단계; (3) 세퍼레이터(108) 상에 캐소드 경계 영역들(106b)에 의해 분리되는 복수의 개별 캐소드 전극 부재들(106a)을 포함하는 캐소드 전극(106)을 적층하는 단계를 포함하는 도 10의 전기화학 장치를 만드는 방법에 관계된다. 일 측면에서, 애노드 경계 영역들(104b)의 적어도 50%는 세퍼레이터(108)에 걸쳐 각각의 캐소드 경계 영역들(106b)과 정렬되지 않는다. 방법은 또한 캐소드 전극(106) 상에 그래파이트 시트 집전체(110)를 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 애노드 전극 부재들(104a) 및/또는 캐소드 전극 부재들(106b)은 애노드 또는 캐소드 물질의 롤 시트로부터 부재들(104a, 106a)을 절단함으로써, 혹은 애노드 또는 캐소드 물질의 펠릿을 가압함으로써 형성될 수 있다.
발명의 또 다른 실시예는 전기화학 셀들(102)의 스택(100B, 100P)을 만드는 방법에 관계된다. 방법은 스택 전기화학 셀들을 형성하는 단계 및 전기적 절연 폴리머를 전기화학 셀들(102)의 스택(100B, 100P) 주위에 붓는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 고체 절연 쉘 또는 프레임(112)을 형성하기 위해 폴리머를 고형화하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법은 미리 형성된 고체 절연 쉘(112)을 전기화학 셀들(102)의 스택 주위에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 폴리머는 에폭시 또는 아크릴일 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다.
방법은 또한 도 11에 도시된 도전성 단부 판 헤더들(118)을 스택(110)의 상부 및 하부에 부착하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 스택(110) 및 고체 절연 쉘 또는 프레임(112)은 중공 원통 쉘 또는 바깥 하우징(116) 내에 배치될 수 있다. 방법은 또한 그래파이트 시트 집전체(110)를 전기화학 셀들(102)의 스택(100B, 100P) 내 인접 전기화학 셀들(102) 사이에 배치하는 것을 포함한다. 실시예에서, 전기화학 셀들(102)의 스택(100B, 100P) 내 각 전기화학 셀(102)은 활성 애노드 영역을 갖는 애노드 전극(104) 및 활성 캐소드 영역을 갖는 캐소드 전극(106)을 포함한다. 그래파이트 시트 집전체(110)는 도 9에 도시된 바와 같은 시일링으로서 작용하기 위해 활성 애노드 영역 및 활성 캐소드 영역보다 큰 영역을 가질 수 있다.
장치 성분들
캐소드
천이 금속 산화물, 황화물, 인산염, 또는 불화물을 포함하는 몇몇 물질들이, 가역 Na-이온 인터컬레이트/디인터컬레이트 할 수 있는 활성 캐소드 물질들로서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 활성 캐소드 물질들로서 사용하는데 적합한 물질들은 바람직하게 활성 캐소드 물질들로서 사용에 앞서 나트륨, 리튬, 혹은 둘 다와 같은 알칼리 원자들을 함유한다. 활성 캐소드 물질이 Na 및/또는 Li을 형성되어진 상태에서(즉, 에너지 저장장치에서 사용하기에 앞서) 함유하는 것을 필요로 하지 않는다. 그러나, 전해질로부터 Na 양이온들은 에너지 저장장치의 동작 동안 인터컬레이트에 의해 활성 캐소드 물질 내에 혼합될 수 있어야 한다. 이에 따라, 본 발명에서 캐소드들로서 사용될 수 있는 물질들은 반드시 형성되어진 상태에서 Na를 함유하는 것은 아니지만 큰 과전위 손실없이 에너지 저장장치의 방전/충전 사이클들 동안 Na-이온들의 가역 인터컬레이트/디인터컬레이트 할 수 있는 물질들을 포함한다.
활성 캐소드 물질이 사용에 앞서 알칼리-원자들(바람직하게 Na 또는 Li)을 함유하는 실시예들에서, 이들 원자들의 일부 또는 전부는 제1 셀 충전 사이클 동안에 디인터컬레이트된다. 전해질(압도적으로 Na 양이온들)로부터의 알칼리 양이온들은 셀 방전 동안 재-인터컬레이트된다. 이것은 활성 탄소에 대향한 인터컬레이트 전극을 인출하는 거의 모든 하이브리드 캐패시터 시스템들과는 다르다. 대부분의 시스템들에서, 전해질로부터의 양이온들은 충전 사이클 동안에 애노드 상에 흡수된다. 동시에, 전해질 내에 수소 이온들과 같은 카운터-음이온들은 활성 캐소드 물질 내에 인터컬레이트하며, 이에 따라 전해질 용액 내에 전하 균형을 보존하지만 이온농도를 격감시킨다. 방전 동안에, 양이온들이 애노드로부터 방출되고, 음이온들이 캐소드로부터 방출되며, 이에 따라 전해질 용액 내에 전하 균형을 보존하지만 이온농도를 증가시킨다. 이것은 수소 이온들 또는 이외 다른 음이온들이 바람직하게 캐소드 활성 물질 내에 인터컬레이트되지 않는, 본 발명의 실시예들에서의 장치들과는 다른 동작 모드이다.
적합한 활성 캐소드 물질들은 사용 동안 다음의 일반 화학식을 가질 수 있다: AxMyOz, A는 Na이거나 Na와 Li, K, Be, Mg, 및 Ca 중 하나 이상과의 혼합물이며, x는 사용 전에는 0 내지 1을 포함하여 이 범위 내이며 사용 동안엔 0 내지 10을 포함하여 이 범위 내 이며; M은 임의의 하나 이상의 천이 금속을 포함하며; y는 1 내지 3을 포함하여 이 범위 내이며; 바람직하게 1.5 내지 2.5를 포함하여 이 범위 내이며; O은 산소이며, z은 2 내지 7을 포함하여 이 범위 내이며; 바람직하게 3.5 내지 4.5를 포함하여 이 범위 내이다.
일반 화학식 AxMyOz을 가진 몇몇 활성 캐소드 물질들에서, Na-이온들은 에너지 저장장치의 방전/충전 사이클 동안에 가역적으로 인터컬레이트/디인터컬레이트한다. 이에 따라, 장치가 사용중에 있는 동안 활성 캐소드 물질 화학식에서 x 량은 변한다.
일반 화학식 AxMyOz을 가진 몇몇 활성 캐소드 물질들에서, A는 선택적으로 Li와 조합하여, Na, K, Be, Mg, 또는 Ca 중 적어도 하나 이상의 적어도 50 at%을 포함하며; M은 임의의 하나 이상의 천이 금속을 포함하며; O는 산소이며; x는 사용 전에는 3.5 내지 4.5의 범위이며 사용 동안엔 1 내지 10의 범위이며; y는 8.5 내지 9.5의 범위이며 z은 17.5 내지 18.5의 범위이다. 이들 실시예들에서, A는 바람직하게 적어도 75 at% Na와 같이 적어도 51 at% Na, 및 0 내지 25 at%와 같이 0 내지 49 at%의 Li, K, Be, Mg, 또는 Ca를 포함하며; M은 Mn, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, V, 또는 Sc 중 하나 이상을 포함하며; x는 사용전에는 약 4이며 사용 동안엔 0 내지 10의 범위이며; y는 약 9이며; z는 약 18이다.
일반 화학식 AxMyOz을 가진 몇몇 활성 캐소드 물질들에서, A는 Na, 또는 적어도 80 원자 퍼센트 Na와 Li, K, Be, Mg, 및 Ca 중 하나 이상과의 혼합물을 포함한다. 이들 실시예들에서, x는 사용 전에는 바람직하게 약 1이며 사용 동안엔 0 내지 1.5의 범위이다. 몇몇 바람직한 활성 캐소드 물질들에서, M은 Mn, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, 및 V 중 하나 이상을 포함하며, Al, Mg, Ga, In, Cu, Zn, 및 Ni 중 하나 이상이 도핑될 수도 있다(이를테면 0.1 내지 10 at%과 같이 20 at% 미만; 예를 들면, 3 내지 6 at%).
적합한 활성 캐소드 물질들의 일반 부류들은 층상(layered)/사방정계 NaMO2(버네사이트), 입방 스피넬 기반 망간산염(예를 들면, MO2, 이를테면 λ-MnO2 기반 물질, M은 Mn, 예를 들면, 사용 전에는 LixM2O4 (1 ≤ x < 1.1)이며 사용시엔 NayMn2O4), Na2M3O7 시스템, NaMPO4 시스템, NaM2(PO4)3 시스템, Na2MPO4F 시스템, 및 모든 화학식에서 M은 적어도 하나의 천이 금속을 포함하는 것인 터널-구조의 Na0.44MO2을 포함한다(그러나 이들로 제한되지 않는다). 전형적인 천이 금속들은 전체적으로 혹은 부분적으로 Mn, Fe, 혹은 이들의 조합을 대체하기 위해 Co, Ni, Cr, V, Ti, Cu, Zr, Nb, W, Mo(무엇보다도), 혹은 이들의 조합들이 사용될 수 있을지라도, Mn 또는 Fe(비용 및 환경적 이유로)일 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, Mn은 바람직한 천이 금속이다. 일부 실시예들에서, 캐소드 전극들은 균질 혹은 거의 균질 혼합물이거나, 캐소드 전극 내에 층상의 복수의 활성 캐소드 물질들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 초기 활성 캐소드 물질은 선택적으로 Li 또는 Al와 같은 하나 이상의 금속들이 도핑된 NaMnO2(버네사이트 구조)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 초기 활성 캐소드 물질은 선택적으로 Li 또는 Al와 같은 하나 이상의 금속들이 도핑된, λ-MnO2(즉, 산화망간의 입방 동형물) 기반 물질을 포함한다.
이들 실시예들에서, 입방 스피넬 λ-MnO2는 먼저 리튬 망간산염(예를 들면, 입방 스피넬 LiMn2O4 또는 이의 비-화학량적 변형물들)와 같은 리튬 함유 산화망간을 형성함으로써 형성될 수 있다. 입방 스피넬 λ-MnO2 활성 캐소드 물질을 이용하는 실시예들에서, Li의 대부분 혹은 전부는 입방 스피넬 λ-MnO2 형 물질(즉, 1:2 Mn 대 O 비를 갖는, 및/또는 Mn이 또 다른 금속에 의해 치환될 수 있는, 및/또는 알칼리 금속도 함유하는, 및/또는 Mn 대 O 비가 정확히 1:2가 아닌, 물질)을 형성하기 위해 입방 스피넬 LiMn2O4로부터 전기화학적으로 또는 화학적으로 추출될 수 있다. 이 추출은 초기 장치 충전 사이클의 부분으로서 일어날 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, Li-이온들은 제1 충전 사이클 동안에 형성되어진 입방 스피넬 LiMn2O4로부터 디인터컬레이트된다. 방전시, 전해질로부터의 Na-이온들은 입방 스피넬 λ-MnO2 내에 인터컬레이트한다. 이러하기 때문에, 동작 동안 활성 캐소드 물질을 위한 화학식은 NayLixMn2O4(선택적으로 위에 기술된 바와 같은 하나 이상의 추가의 금속, 바람직하게 Al이 도핑된)이며, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 및 x + y ≤ 1.1이다. 바람직하게, 량 x + y는 충전/방전 사이클을 통해 약 0(완전히 충전)에서 약 1(완전히 방전)로 변한다. 그러나, 완전 방전 동안 1 이상의 값들이 사용될 수도 있다. 또한, 그외 어떤 다른 적합한 형성 방법이 사용될 수도 있다. 매 2 Mn 및 4 O 원자들에 대해 1 이상의 Li을 가진 비-화학량적 LixMn204 물질들은 초기 물질들로서 사용될 수 있고 이로부터 입방 스피넬 λ-MnO2이 형성될 수 있다(1 ≤ x < 1.1 예를 들면). 이에 따라, 입방 스피넬 λ-망간산염은 사용전에는 1 ≤ x < 1.1 및 0 ≤ z < 0.1인, 화학식 AlzLixMn2-z04, 및 사용시엔 0≤ x < 1.1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ x+y < 1.1, 및 0 ≤ z < 0.1인(그리고 Al은 또 다른 도펀트에 의해 치환될 수 있는) AlzLixNayMn204을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 초기 캐소드 물질은 선택적으로 Li 또는 Al와 같은 하나 이상의 금속들이 도핑된 Na2Mn307을 포함한다.
일부 실시예들에서, 초기 캐소드 물질은 선택적으로 Li 또는 Al와 같은 하나 이상의 금속들이 도핑된 Na2FeP04F을 포함한다.
일부 실시예들에서, 캐소드 물질은 선택적으로 Li 또는 Al와 같은 하나 이상의 금속들이 도핑된 Na0.44Mn02을 포함한다. 이 활성 캐소드 물질은 Na2CO3 및 Mn203을 완전히 적합한 분자 비들로 혼합하고 예를 들면 약 800℃에서 소성함으로써 만들어질 수 있다. 소성 동안에 이 물질 내 혼합되는 Na 함량 정도는 Mn의 산화 상태와 이것이 국부적으로 02과 얼마나 결합(bond)하는가를 결정한다. 이 물질은 비-수성 전해질 내에서 NaxMn02에 대해 0.33 < x < 0.66 사이에서 사이클 함이 실증되었다.
선택적으로, 캐소드 전극은 하나 이상의 활성 캐소드 물질들(예를 들면, 중량으로 2 ~ 10%와 같은 1 ~ 49%의 사방정계 터널 구조의 물질과 같은 소수 성분), 고 표면 영역 도전성 희석제(이를테면 도전성 급 그래파이트, 아세틸렌 블랙과 같은 탄소 블랙들, 비-반응성 금속들, 및/또는 도전성 폴리머들), 바인더, 가소제, 및/또는 필러를 포함하는 합성물 캐소드 형태일 수 있다. 대표적 바인더들은 폴리테트라플루오로에칠렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC)-기반 합성물(PVC-SiO2 합성물을 포함한다), 셀룰로오스-기반 물질들, 폴리비닐리덴 불화물(PVDF), 수화 버네사이트(활성 캐소드 물질이 또 다른 물질을 포함할 때), 이외 다른 비-반응성 비-부식성 폴리머 물질들, 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 합성물 캐소드는 하나 이상의 바람직한 활성 캐소드 물질들의 부분을 도전성 희석제, 및/또는 폴리머 바인더와 혼합하고, 혼합물을 펠릿이 되게 가압함으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 합성물 캐소드 전극은 약 50 내지 90 wt% 활성 캐소드 물질의 혼합물로부터 형성될 수 있고, 혼합물의 나머지는 희석제, 바인더, 가소제, 및/또는 필러 중 하나 이상의 조합을 포함한다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 합성물 캐소드 전극은 약 80 wt% 활성 캐소드 물질, 이를테면 탄소 블랙인 약 10 내지 15 wt% 희석제, 및 이를테면 PTFE인 약 5 내지 10 wt% 바인더로부터 형성될 수 있다.
용량을 증가하고 폴리머 바인더를 대체하기 위해 선택적으로 합성물 캐소드에 하나 이상의 추가의 기능 물질들이 추가될 수 있다. 이들 선택적 물질들은 Zn, Pb, 수화 NaMn02(버네사이트), 및 수화 Na0.44Mn02(사방정계 터널 구조)를 포함하나, 이들로 제한되지 않는다. 합성물 캐소드에 수화 NaMn02(버네사이트) 및/또는 수화 Na0.44Mn02(사방정계 터널 구조)이 추가되는 경우들에 있어서, 결과적인 장치는 2중 기능 물질 합성물 캐소드를 갖는다.
캐소드 전극은 일반적으로 약 40 내지 800㎛ 범위 내의 두께를 가질 것이다.
애노드:
애노드는 표면 흡착/탈착(전기화학 이중층 반응 및/또는 의사 용량성 반응(즉, 부분적 전하 이동 표면 상호 작용)을 통해)을 통해 Na-이온들을 가역적으로 저장할 수 있는 임의의 물질을 포함하며 요망되는 전압 범위에서 충분한 용량을 가질 수 있다. 이들 요건들을 충족하는 대표적 물질들은 다공성 활성 탄소, 그래파이트, 메조포러스 탄소, 탄소 나노튜브들, 무질서 탄소, Ti-산화물(이릍레면 티타니아) 물질들, V-산화물 물질들, 포스포-올리빈 물질들, 이외 적합한 메조포러스 세라믹 물질들, 및 이들의 조합을 포함한다. 바람직한 실시예들에서, 활성 탄소는 애노드 물질로서 사용된다.
선택적으로, 애노드 전극은 하나 이상의 애노드 물질들, 고 표면 영역 도전성 희석제(이를테면 도전성 급 그래파이트, 아세틸렌 블랙과 같은 탄소 블랙들, 비-반응성 금속들, 및/또는 도전성 폴리머들), PTFE와 같은 바인더, PVC-기반 합성물(PVC-SiO2 합성물을 포함하는), 셀룰로오스-기반 물질들, PVDF, 이외 비-반응성 비-부식성 폴리머 물질들, 또는 이들의 조합, 가소제, 및/또는 필러를 포함하는 합성물 애노드 형태일 수 있다. 합성물 애노드는 하나 이상의 바람직한 애노드 물질들의 부분을 도전성 희석제, 및/또는 폴리머 바인더와 혼합하고, 혼합물을 펠릿이 되게 가압함으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 합성물 애노드 전극은 약 50 내지 90 wt% 애노드 물질의 혼합물로부터 형성되고 혼합물의 나머지는 희석제, 바인더, 가소제, 및/또는 필러 중 하나 이상의 조합을 포함한다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 합성물 애노드 전극은 약 80 wt% 활성 탄소, 탄소 블랙과 같은 약 10 내지 15 wt% 희석제, 및 PTFE와 같은 약 5 내지 10 wt% 바인더로부터 형성될 수 있다.
용량을 증가시키고 폴리머 바인더를 대체하기 위해 선택적으로 합성물 애노드에 하나 이상의 추가의 기능 물질들이 추가될 수 있다. 이들 선택적 물질들은 Zn, Pb, 수화 NaMn02(버네사이트), 및 수화 Na0.44Mn02(사방정계 터널 구조)을 포함하나 이들로 제한되지 않는다.
애노드 전극은 일반적으로 약 80 내지 1600㎛ 범위 내 두께를 가질 것이다.
전해질:
본 발명의 실시예들에서 유용한 전해질들은 물에서 완전히 용해되는 염을 포함한다. 예를 들면, 전해질은 S04 2-, N03 -, ClO4 -, P04 3-, CO3 2-, Cl-, 및/또는 OH-로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 한 음이온의 0.1 M 내지 10 M 용액을 포함할 수 있다. 이에 따라, Na 양이온 함유 염들은 Na2S04, NaN03, NaCl04, Na3P04, Na2C03, NaCl, 및 NaOH, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다(그러나 이들로 제한되지 않는다).
일부 실시예들에서, 전해질 용액은 실질적으로 Na가 없을 수 있다. 이들 경우들에 있어서, 위에 열거된 음이온들의 염들에서 양이온들은 Na 이외의 알칼리(이를테면 K) 또는 알칼리 토류(이를테면 Ca, 또는 Mg) 양이온일 수 있다. 이에 따라, Na 양이온 함유 염들 이외의 알칼리는 K2S04, KN03, KCl04, K3P04, K2C03, KCl, 및 KOH를 포함할 수있다(그러나 이들로 제한되지 않는다. 대표적 알칼리 토류 양이온 함유 염들은 CaS04, Ca(N03)2, Ca(Cl04)2, CaC03, 및 Ca(OH)2, MgS04, Mg(N03)2, Mg(Cl04)2, MgC03, 및 Mg(OH)2을 포함할 수 있다. 실질적으로 Na가 없는 전해질 용액들은 이러한 염들의 임의의 조합에서 만들어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 전해질 용액은 Na 양이온 함유 염과 하나 이상의 비-Na 양이온 함유 염의 용액을 포함할 수 있다.
몰 농도들은 바람직하게 에너지 저장장치의 요망되는 수행 특징들, 및 더 큰 염 농도들에 연관된 열화/성능 제한 메커니즘에 따라 물에서 Na2S04에 대해 100℃에서 약 0.05 M 내지 3 M, 이를테면 약 0.1 내지 1 M의 범위이다. 이외 다른 염들에 대해 유사한 범위들이 바람직하다.
서로 다른 염들의 블렌드(이를테면 알칼리, 알칼리 토류, 란타나이드, 알루미늄 및 아연 염 중 하나 이상과 나트륨 함유 염의 블렌드)는 시스템이 최적화되게 할 수 있다. 이러한 블렌드는 알칼리(이를테면 K), 알칼리 토류(이를테면 Mg 및 Ca), 란타나이드, 알루미늄, 및 아연 양이온들로 구성된 그룹에서 선택된 나트륨 양이온들 및 하나 이상의 양이온들을 전해질에 제공할 수 있다.
선택적으로, 전해질 용액이 더 염기성(basic)이 되게 하기 위해 몇몇 추가적인 OH- 이온 종들을 추가함으로써, 예를 들면 NaOH 다른 OH-함유 염들을 추가함으로써, 혹은 그외 어떤 다른 OH- 농도에 영향을 미치는 복합물(전해질 용액이 더 산성이 되게 하기 위한 이를테면 H2SO4)을 추가함으로써, 전해질의 pH가 변경될 수 있다. 전해질의 pH는 셀의 전압 안정성 윈도우(기준 전극에 관하여)의 범위에 영향을 미치며, 활성 캐소드 물질의 안정성 및 열화에도 영향을 미칠 수 있고, 프로톤(H+) 인터컬레이트를 금지시킬 수 있는데, 이것은 활성 캐소드 물질 용량 손실 및 셀 열화에서 역할을 할 수 있다. 몇몇 경우들에 있어서, pH는 11에서 13까지 증가될 수 있고, 그럼으로써 서로 다른 활성 캐소드 물질들이 안정되게 할 수있다(중성 ph 7에서 안정되었던 것보다도). 일부 실시예들에서, pH는 약 3 내지 13의 범위 내, 이를테면 약 3 및 6 또는 약 8 내지 13일 수 있다.
선택적으로, 전해질 용액은 버네사이트 물질과 같은 활성 캐소드 물질의 열화를 완화시키기 위한 첨가물을 함유한다. 대표적 첨가물은 0.1 mM 내지 100 mM 범위의 농도를 확립하기에 충분한 량들로, Na2HP04일 수 있는데, 그러나 이것으로 제한되지 않는다.
세퍼레이터:
본 발명의 실시예들에서 사용하기 위한 세퍼레이터는 코튼(cotton) 시트, PVC(폴리비닐 클로라이드), PE(폴리에틸렌), 유리섬유, 이외 어떤 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다.
동작 특징들
위에 기술된 바와 같이, 사용에 앞서 활성 캐소드 물질이 알칼리-원자들(바람직하게 Na 또는 Li)을 함유하는 실시예들에서, 이들 원자들의 몇몇 또는 모두는 제1 셀 충전 사이클 동안 디인터컬레이트된다. 전해질(압도적으로 Na 양이온들)로부터 알칼리 양이온들은 셀 방전 동안 재-인터컬레이트된다. 이것은 활성 탄소에 대항한 인터컬레이트 전극을 인출하는 거의 모든 하이브리드 캐패시터 시스템들과는 다르다. 대부분의 시스템들에서, 전해질로부터 양이온들은 충전 사이클 동안 애노드 상에 흡수된다. 동시에, 전해질 내 카운터-음이온들은 활성 캐소드 물질에 인터컬레이트하며, 이에 따라 전해질 용액 내에서 전하 균형을 보존하지만 이온농도를 격감시킨다. 방전 동안, 양이온들은 애노드로부터 방출되고, 음이온들이 캐소드로부터 방출되며, 이에 따라 전해질 용액 내에 전하 균형을 보존하지만 이온농도를 증가시킨다. 이것은 본 발명의 실시예들에서 장치들과는 다른 동작 모드이다.
예
도 1a에 도시된 프리즘형/병렬 전기적 연결 및 도 5 ~ 도 7에 도시된 물리적 구조를 갖는 하이브리드 에너지 저장장치가 조립되었다. 포함하는 장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 확장된 그래파이트 시트 집전체(110a, 110c) 구조들(500 마이크론 두께)를 가진 애노드(104)/캐소드(106) 세트들(각각 2의) 및 부직 섬유 세퍼레이터 물질(108)로 된 3 레벨들이었다. 캐소드는 위에 기술된 바와 같이, λ-MnO2 상 활성 물질을 함유하였으며, 활성 물질, 탄소 블랙, 그래파이트 분말 및 PTFE을 압축한 과립으로부터 만들어졌다. 애노드는 탄소 블랙 및 PTFE와 혼합된 활성 탄소를 함유하였다. 장치를 위해 양 및 음 버스 바들로서 사용한 각각의 애노드 및 캐소드 그래파이트 버스 바들(122a)에 그래파이트 애노드 및 캐소드 집전체(110a, 110c) 각각을 접촉시키기 위해 압력이 사용되었다. 장치를 수용하기 위해 폴리프로필렌 엔클로저(116)가 사용되었으며, 그래파이트 버스 바들(122a, 122c)은 폴리프로필렌 엔클로저 내 적합한 크기의 구멍들을 통해 공급되었으며 이어 실리콘(silicone) 접착 물질로 폴리프로필렌에 대해 시일링되었다. 이어 엔클로저로부터 나오는 외부 (전해질에 닿지 않는) 버스 바들(124)에 가압을 통해 구리선들이 연결되었으며, 전체 외부 버스 바는 포팅(potting) 에폭시로 피복되었다.
이어서, 장치는 15 형성 사이클들이 취해졌으며 이어서 많은 사이클들을 통해 에너지 저장 용량 및 안정성에 대해 테스트되었다. 도 12는 이 테스트 결과들을 도시한 것이다. 도 12(a)는 30 사이클들에 걸쳐 충전 및 방전 조건들 하에서 축적 용량 대 장치 전위를 도시한 것이다. 사이클링은 C/6 전류 정격에서 수행되었으며, 장치는 근사적으로 1.1Ah의 용량을 가졌다. 데이터는 사이클마다 전압 프로파일들의 거의 완전한 중첩을 보여주며, 이는 극히 안정하고 용량에서 어떠한 손실도 나타내지 않으며 혹은 어떠한 내부 부식도 없는 시스템을 나타낸다. 도 12(b)는 사이클의 함수로서 셀 충전 및 방전 용량의 플롯이다. 적어도 60 사이클들을 통해 사이클의 함수로서 용량에 어떠한 손실도 없다. 다른 셀들로부터의 데이터는 이것이 수 천번의 사이클들을 통해 유지될 것임을 나타낸다. 또한, 콜럼(columbic) 효율은 이들 사이클들 동안 98 내지 100%인 것으로 발견되었다.
이 예는 배터리 케이스 내에 어떠한 금속의 사용도 없이 매우 안정된 수성 전해질 하이브리드 에너지 저장장치가 생성됨을 보여준다. 장치는 우수한 안정성을 나타내며, 다양한 에너지 저장 응용에서 장기간 사용을 위한 대단한 장래성을 보여준다.
전술한 바가 특정한 바람직한 실시예들을 언급할지라도, 발명은 이들로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 다양한 수정들이 개시된 실시예들에 행해질 수 있다는 것과 이러한 수정들은 발명의 범위 내에 있게 한 것임이 당업자들에게 일어날 것이다. 본원에서 인용되는 공보, 특허출원들 및 특허들 모두는 이들 전체가 참조문헌으로 본원에 포함된다.

Claims (32)

  1. 전기화학 장치에 있어서,
    하우징;
    상기 하우징에 축 방향으로 적층된 전기화학 셀들의 스택으로서, 각 전기화학 셀은:
    애노드 경계 영역들에 의해 분리된 개별 애노드 전극 부재들을 포함하는 애노드 전극;
    캐소드 경계 영역들에 의해 분리된 개별 캐소드 전극 부재들을 포함하는 캐소드 전극;
    상기 애노드 전극 부재들 및 상기 캐소드 전극 부재들 사이에 배치되며 상기 애노드 경계 영역 및 상기 캐소드 경계 영역을 가로질러 연속적으로 연장되는 세퍼레이터 시트; 및
    세퍼레이터에 배치된 전해질;
    을 포함하는 전기화학 셀들의 스택;
    인접한 셀들의 상기 애노드 전극 부재들에 각각 전기적으로 접촉하는 애노드 집전체들; 및
    인접한 셀들의 상기 캐소드 전극 부재들에 각각 전기적으로 접촉하는 캐소드 집전체들;
    을 포함하는 전기화학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 0.05 내지 1cm의 두께이고, 상기 캐소드 집전체들 및 상기 애노드 집전체들은 탄소 집전체들을 포함하는, 전기화학 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 캐소드 집전체들 및 상기 애노드 집전체들은 탄소 섬유 종이, 탄소 물질로 코팅된 불활성 기판(substrate), 혹은 0.6 g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 박리 그래파이트를 포함하는, 전기화학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 장치는 하이브리드 수성 전해질 에너지 저장장치인, 전기화학 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 캐소드 전극은 알칼리 이온 인터컬레이트(alkali ion intercalation) 물질을 포함하며, 각각의 애노드 전극은 NHE에 비해 -1.3V까지 전기화학적으로 안정한 의사 용량성 혹은 전기화학 이중층 용량성 물질인, 전기화학 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각각의 캐소드 전극은 도핑된 혹은 도핑되지 않은 입방 스피넬 λ-Mn02-형 물질 혹은 Na4Mn9O18 터널 구조의 사방정계 물질을 포함하며, 각각의 애노드 전극은 활성 탄소, 산화 티타늄 물질 혹은 포스포-올리빈 물질을 포함하고, 상기 전해질은 나트륨 이온들을 포함하는, 전기화학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전해질은 전하가 상기 캐소드 전극들에서 인터컬레이트를 통해서 그리고 상기 애노드 전극들에서 의사 용량성 비-패러데이(non-faradic) 표면 반응에 의해서 저장될 수도 있도록 애노드 전극들 및 캐소드 전극들의 둘 다 모두와 상호 작용할 수 있는 용해된 알칼리 이온들을 함유하는 수성 용액인, 전기화학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 집전체들에 동작 가능하게 연결된 제1 탭들; 및
    상기 애노드 집전체들에 동작 가능하게 연결된 제2 탭들;
    을 더 포함하는, 전기화학 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 탭들은 서로 접촉하게 구성되고, 상기 제2 탭들은 서로 접촉하게 구성되는, 전기화학 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 애노드 전극은 압축된 과립 애노드 전극을 포함하고,
    각각의 캐소드 전극은 압축된 과립 캐소드 전극을 포함하는, 전기화학 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 상기 하우징에 나란히 배열된 복수의 스택들을 포함하는, 전기화학 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 세퍼레이터 시트는 상기 복수의 스택들 중 제1 스택과 제2 스택 사이에서 연속적으로 연장되어, 각각의 세퍼레이터 시트가 상기 제1 스택의 이웃한 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 그리고 상기 제2 스택의 이웃한 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는, 전기화학 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    각각의 셀에서, 상기 애노드 경계 영역들의 적어도 50%는 상기 세퍼레이터 시트에 걸쳐 각각의 캐소드 경계 영역들과 정렬되지 않는, 전기화학 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    각각의 셀은 다른 수의 애노드 전극 부재들 및 캐소드 전극 부재들을 포함하는 전기화학 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    각각의 셀에서, 상기 전해질은 상기 캐소드 경계 영역들 및 상기 애노드 경계 영역들 중 적어도 하나에 배치되는 전기화학 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    각각의 스택은 상기 스택의 상기 셀들을 지지하도록 구성된 프레임을 추가로 포함하는 전기화학 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 집전체들은 프레임으로 연장되며 전해질 누출(電解質漏出)을 방지하기 위한 밀봉(seal)으로서 기능하는 전기화학 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극 부재들은 행들 및 열들의 배열로 상기 세퍼레이터 상에 배열되고,
    상기 캐소드 전극 부재들은 행들 및 열들의 배열로 상기 세퍼레이터 상에 배열되는 전기화학 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    각각의 셀에서:
    상기 세퍼레이터 시트는 상기 셀의 상기 애노드 경계 영역들의 위 또는 아래에 배치되고,
    상기 세퍼레이터 시트는 상기 셀의 상기 캐소드 경계 영역들의 위 또는 아래에 배치되는 전기화학 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    각각의 셀은 개별적인 세퍼레이터 시트를 포함하는 전기화학 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 기밀 시일링된, 전기화학적으로 불활성 폴리머 하우징을 포함하며, 전기화학 셀들의 상기 스택 내 상기 전기화학 셀들은 프리즘형 구성으로 적층되는, 전기화학 장치.
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