KR101941655B1 - 전도성 매트릭스를 포함하는 전기 화학 전지 - Google Patents

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Abstract

전기 화학 전지가 제공된다. 이 전지는, 체적을 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징, 및 하우징 체적 내에 배치되는 세장형 세퍼레이터를 포함한다. 세장형 세퍼레이터는 전지의 축을 한정한다. 세퍼레이터는 내표면과 외표면을 갖는다. 세퍼레이터의 내표면은 제1 격실을 한정한다. 세퍼레이터의 외표면과 하우징의 내부 표면은 체적을 갖는 제2 격실을 한정한다. 전지는, 상기 제2 격실의 체적의 적어도 일부분 내에, 상기 세퍼레이터의 외표면과 상기 하우징의 내부 표면 사이의 갭을 점유하도록, 배치되는 전도성 매트릭스를 더 포함한다. 제2 격실 내의 갭은, 상기 전지의 축에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다.

Description

전도성 매트릭스를 포함하는 전기 화학 전지{ELECTROCHEMICAL CELLS INCLUDING A CONDUCTIVE MATRIX}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 여기에 참조로 통합되는, 2011년 9월 30일자로 출원된 "전도성 매트릭스를 포함하는 전기 화학 전지"로 명칭이 부여된 미국 특허 출원 제13/250,680호의 부분 연속 출원이다.
본 개시는 개괄적으로 전기 화학 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 전도성 매트릭스를 포함하는 고온 전기 화학 전지에 관한 것이다.
전형적인 전기 화학 전지/배터리들은, 음 전극, 양 전극 및 전해질 물질을 포함한다. 전지 내에 용융 금속 음 전극(통상 애노드로 지칭됨)과 베타-알루미나 고체 전해질을 포함하는, 고온 용융염 재충전식 배터리들(예를 들어, 나트륨 금속 할로겐화물 배터리들)이, 에너지 저장 용도로 상당한 관심을 받고 있다. 애노드 에 부가하여, 전지들은, 배터리의 충전/방전 도중에 전자를 공급하는/받아들이는 양 전극(통상 캐소드로 지칭됨)을 포함한다. 고체 전해질은 전형적으로, 전지의 내부 공간을 애노드와 캐소드로 분리하도록 케이싱 내에 배치되며, 그리고 애노드와 캐소드 사이의 맴브레인 또는 "세퍼레이터"로서 기능한다.
나트륨 금속 염화물 배터리에 대한 현재의 개발은, 성능 및 수명의 개선에 집중되고 있다. 이러한 배터리들이 모바일 및 유틸리티 적용들에 채택될 때, 배터리들은 여러 번의 충전 및 방전 사이클에 종속될 수 있을 것이다. 이러한 배터리들의 방전 도중에, 열이 발생된다. 열의 대부분은, 줄 발열(Joule heating) 및 화학 반응으로 인해, 코어에서, 즉 전지의 캐소드에서 생성된다. 전지는 전형적으로, 그의 케이싱의 외벽들을 통해 공기 냉각된다. 완충된 배터리는 전형적으로, 용융 금속(예, 나트륨)이 약 절반만 채워진 애노드를 가지며, 그로 인해 애노드 내에 빈 공간(예, 공기 갭)을 남긴다. 공기 갭 뿐만 아니라 용융 금속은 전형적으로, 열을 전도하지 않는다. 따라서, 코어, 즉 전지의 캐소드는, 캐소드로부터 케이싱으로 열을 전달하는 것에 대한 비효율성(비효과적)으로 인해, 케이싱보다 높은 온도로 유지된다. 예를 들어, 소수의 충전/방전 사이클(예, 10 사이클) 이후에, 나트륨 금속 할로겐화물 전지의 코어에서의 온도는, 외부 케이싱의 온도보다 대략 50도 더 높다. 더욱이, 배터리가 방전됨에 따라, 애노드 내의 용융 금속의 양이 감소하게 되며, 이는 공기 갭의 높이를 증가시킨다. 이러한 공기 갭은, 전지/배터리의 열 냉각 능력을 더욱 제한하며, 그리고 방전 도중에 전자들에 대한 이동 거리를 또한 증가시킨다(즉, 캐소드와 케이싱 사이의 전기 전도를 감소시킨다).
배터리의 성능 및 수명에 대한 오래된 문제점에 대한 개선된 해법에 대한 당업계에서의 요구가 계속적으로 커지고 있다. 따라서, 전지의 코어(즉, 캐소드)와 케이싱 사이에 효과적인 열 전도 및 전기 전도를 제공하기 위한 전지 설계를 개발하는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예의 전기 화학 전지가 제공된다. 전지는, 체적을 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징, 및 하우징 체적 내에 배치되는 세장형 세퍼레이터를 포함한다. 세장형 세퍼레이터는 전지의 축을 한정한다. 세퍼레이터는 내표면과 외표면을 갖는다. 세퍼레이터의 내표면은 제1 격실을 한정한다. 세퍼레이터의 외표면 및 하우징의 내부 표면은, 체적을 갖는 제2 격실을 한정한다. 전지는, 상기 제2 격실 체적의 적어도 일부분 내에, 상기 세퍼레이터의 외표면과 상기 하우징의 내부 표면 사이의 갭을 점유하도록, 배치되는 전도성 매트릭스를 더 포함한다. 제2 격실 내의 갭은, 전지의 축에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다.
다른 실시예에서, 전기 화학 전지가, 체적을 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징, 및 전지의 축을 한정하도록 상기 체적 내에 배치되는 세장형 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 내표면과 외표면을 갖는다. 상기 내표면은, 캐소드 물질을 포함하는 제1 격실을 한정한다. 세퍼레이터의 외표면과 하우징의 내부 표면은, 체적을 갖는 제2 격실을 한정한다. 전지는, 상기 제2 격실 내에 배치되는 전도성 박막 시트(conductive thin sheet)를 포함한다. 전도성 박막 시트는, 채널이 전도성 박막 시트와 세퍼레이터의 외표면 사이에 형성되도록, 상기 세퍼레이터의 외표면에 의해 한정되는 형상에 실질적으로 일치한다. 전도성 매트릭스가, 전도성 박막 시트의 외표면과 하우징의 내부 표면 사이의 갭을 점유하도록, 상기 제2 격실 체적의 일부분 내에 추가로 배치되며, 상기 갭은, 전기 화학 전지의 축에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다. 전도성 매트릭스는, 전도성 박막 시트의 외표면과 하우징의 내부 표면 양자 모두와, 실질적으로 연속적인 방식으로, 직접적인 접촉 상태에 놓인다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지의 일부분에 대한 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지의 일부분에 대한 개략적인 수평 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지의 일부분에 대한 개략적인 수직 단면도이다.
도 4는 본 개시의 다른 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지의 일부분에 대한 개략적인 수직 단면도이다.
도 5는 본 개시의 또 다른 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지의 일부분에 대한 개략적인 수평 단면도이다.
도 6은 본 개시의 또 다른 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지의 일부분에 대한 개략적인 수직 단면도이다.
도 7은 155 W 출력에서의 방전 시간 대 사이클 수를 도시하는 도면이다.
도 8은 다양한 사이클에서 15분 방전의 종료시의 전지 전압을 도시하는 도면이다.
도 9는 특정 방전 사이클에서 22Ah에서 측정되는 전지 저항을 도시하는 도면이다.
도 10은 다양한 출력에서 완충 상태로부터 1.8V까지의 방전 시간을 도시하는 도면이다.
명세서와 청구범위 전체에 걸쳐 여기에서 사용되는 바와 같은 근사 표현은, 자체에 관련되는 기본 기능의 변화를 초래하지 않고, 허용 가능하게 변화할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약"과 같은 용어 또는 용어들에 의해 수정되는 값이, 특정되는 정확한 값으로 제한되지 않는다. 일부 경우에, 근사 표현은, 그 값을 측정하기 위한 도구의 정확성에 대응할 수 있다. 뒤따르는 명세서 및 청구범위에서, 관사와 같은 단수 형태는, 내용이 분명하게 달리 언급되지 않는 한, 복수의 대상물을 포함한다.
여기 사용되는 바와 같은, (모두 상호 교환 가능하게 사용될 수 있는) "캐소드" 또는 "캐소드 물질" 또는 "양 전극 물질"은, 충전 도중에 전자를 공급하며 그리고 산화 환원 반응의 일부로서 제시된다. (모두 상호 교환 가능하게 사용될 수 있는) "애노드" 또는 "애노드 물질" 또는 "음 전극 물질"은, 충전 도중에 전자를 받아들이며 그리고 산화 환원 반응의 일부로서 제시된다.
전해질은, 디바이스/전지의 양 전극과 음 전극 간의 이온 운반 메커니즘을 제공하는 매체이며, 그리고 양 전극 물질의 산화된 형태를 위한 용매로서 작용할 수 있다. 1차 산화 환원 프로세스를 가능하게 하지만 그 자체가 1차 산화 환원 프로세스를 제공하지는 않는 첨가제들은, 전해질 자체와 구별된다.
아래에 상세히 논의되는 바와 같이, 본 개시의 일부 실시예는 전기 화학 전지를, 예컨대 전도성 매트릭스를 포함하는 고온 용융염 배터리를 제공한다. 일부 실시예에서, 전기 화학 전지는, 체적을 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징, 및 하우징 체적 내에 배치되는 세장형 세퍼레이터를 포함한다. 세장형 세퍼레이터는, 전지의 축을 한정한다. 세퍼레이터는 내표면과 외표면을 갖는다. 세퍼레이터의 내표면은 제1 격실을 한정하며, 그리고 세퍼레이터의 외표면 및 하우징의 내부 표면은 체적을 갖는 제2 격실을 한정한다. 전도성 매트릭스가, 상기 세퍼레이터의 외표면과 상기 하우징의 내부 표면 사이의 갭을 점유하도록, 상기 제2 격실의 체적의 적어도 일부분 내에 배치되며, 상기 갭은, 전기 화학 전지의 축에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다.
본 개시의 전도성 매트릭스는, 열적 접촉 또는 전기적 접촉 중 적어도 하나가 제1 격실(즉, 전지 코어)과 하우징 사이에서 유지되도록, 제2 격실의 전체 또는 일부분을 점유하도록 구성된다. 제2 격실 내에 배치되는 전도성 매트릭스는, 전지 내에서의, 개선된 열 전달, 감소된 내부 저항, 증가된 출력, 개선된 세퍼레이터 지지, 및 세퍼레이터와 애노드 물질 사이의 증가된 접촉 면적 중의 하나 이상을 허용한다.
여기 사용되는 바와 같은, 용어 "고온"은 일반적으로, 달리 지시되지 않는 한, 250 ℃를 초과하는 온도를 지칭한다. 본 개시의 일부 실시예에서 설명되는 바와 같은, 전기 화학 전지는, 특정 온도 범위 이내에서 최적으로 기능한다. 용융염 배터리들은, 약 250 ℃ 내지 약 700 ℃의 범위 이내의 온도에서 작동한다. 일부 실시예에서, 전기 화학 전지는, 약 250 ℃ 내지 약 350 ℃ 사이에서 작동한다. 일부 다른 실시예에서, 전기 화학 전지는, 약 400 ℃ 내지 약 700 ℃ 사이에서 작동한다. 예를 들면, 나트륨 금속 할로겐화물(예를 들어, 나트륨 니켈 염화물)의 최적 작동 온도는 약 300 ℃일 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 배터리의 온도는, 약 280 ℃ 내지 330 ℃ 사이에서 유지된다.
도 1은 일부 실시예에 따른 전기 화학 전지(10)의 개략도를 예시한다. 보다 구체적으로, 전지(10)의 수직 단면도가 도시된다. 전기 화학 전지(10)는, 체적을 한정하는 내부 표면(14)을 갖는 하우징(12)을 포함한다. 전지의 하우징(12)은 또한, 전지 케이싱으로도 지칭될 수 있다. 전지(10)의 하우징(12)은 예컨대, 다각형, 타원형 또는 원형과 같은 임의의 적절한 단면 윤곽을 갖도록, 크기 결정되고 성형될 수 있을 것이다. 하우징은, 금속, 세라믹, 복합재료, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 적절한 금속이, 니켈, 철, 몰리브덴, 또는 이들의 합금, 예를 들어 강을 포함할 수 있다.
예시된 바와 같이, 세장형 세퍼레이터(18)가, 하우징 체적 내에 배치된다. 세퍼레이터(18)는 통상적으로, 전지(10)의 축(20)을 한정하도록 하기 위해, 하우징(12)의 베이스(16)에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다. (세퍼레이터 뿐만 아니라 하우징의 특정 방향은 다소 변할 수 있다). 세퍼레이터(18)는, 폐쇄 단부(17)와 개방 단부(19)를 갖는, 원통형, 튜브형 또는 컵형일 수 있을 것이다. 세퍼레이터의 개방 단부(19)는, 밀봉 가능하며, 그리고 제조 공정 도중에 세퍼레이터(18)를 물질로 채우기 위한 구멍(22)을 한정한다. 일례로, 구멍(22)은, 캐소드 물질을 부가하는데 유용할 수 있다. 세퍼레이터(18)의 폐쇄 단부(17)는, 전지의 무결성 및 튼튼함을 증가시키기 위해 사전 밀봉될 수 있다.
세퍼레이터(18)는, 예컨대, 원형, 계란형 또는 타원형, 다각형, 십자 형상, 별 형상, 또는 클로버잎 형상과 같은, 임의의 적절한 단면 윤곽을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 세퍼레이터(18)는, 약 1:10보다 큰 (축(20)을 따르는) 길이 대 (축(20)에 수직인) 폭 비율을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 세퍼레이터의 길이 대 폭 비율은, 약 1:10 내지 약 1.5의 범위 이내이지만, 미국 특허 공개 US20120219843 A1에 기술된 바와 같은 다른 상대적인 치수도 가능하다. 나아가, 세퍼레이터(18)는, 선택된 두께 및 선택된 이온 전도성의 적어도 하나의 벽을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터 벽의 두께는, 약 5 mm 미만일 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 세퍼레이터(18)는, 제1 격실(26)을 한정하는 내표면(24) 및, 외표면(28)과 하우징(12)의 내부 표면(14) 사이에, 제2 격실(30)을 한정하는 외표면(28)을 포함한다. 제1 격실(26)은, 세퍼레이터(18)를 통한 제2 격실(30)과의 이온 소통 상태에 놓인다. 여기 사용되는 바와 같은 문구 "이온 교환"은, 세퍼레이터(18)를 통한 제1 격실(26)과 제2 격실(30) 사이에서의 이온들의 횡단을 지칭한다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터(18)는, 제1 격실과 제2 격실 사이에서 알칼리 금속 이온들을 운반할 수 있다. 적절한 알칼리 금속 이온들은, 나트륨, 리튬 및 칼륨 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 알칼리 금속 이온들은, 나트륨을 포함한다.
일 실시예에서, 제1 격실(26)은, 양 전극 조성물(또는 캐소드 물질)(27)을 포함하며, 그리고 캐소드 또는 캐소드 격실로 지칭된다. 일부 실시예에서, 캐소드 물질(27)은, 전기 활성 금속, 알칼리 금속 할로겐화물, 전해질 염을 포함한다. 전기 활성 금속들의 적절한 예들은, 니켈, 철, 구리, 아연, 코발트, 크롬, 또는 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시예에서, 전기 활성 금속은 니켈을 포함한다. 적절한 알칼리 금속 할로겐화물은, 나트륨, 칼륨 또는 리튬 중의 적어도 하나의 할로겐화물을 포함한다. 일부 실시예에서, 알칼리 금속 할로겐화물은, 염화나트륨을 포함한다.
전해질 염은 일반적으로 용융된 형태로 존재한다. 용융된 전해질은, 고체 세퍼레이터로부터 캐소드 물질로 그리고 그 반대로, 알칼리 금속 이온들을 운반한다. 일부 실시예에서, 용융된 전해질은, 알칼리 금속 할로겐화물 및 알루미늄 할로겐화물을 포함한다. 일 실시예에서, 용융된 전해질은, 나트륨 테트라클로로알루미네이트(NaAlCl4)이다. 하나의 특정 실시예에서, 캐소드 물질은, 니켈, 염화나트륨, 및 테트라클로로알루미네이트(NaAlCl4)를 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드 물질은, 탄소, 황 또는 이들의 조합과 같은 부가적인 원소를 더 포함할 수 있다. 첨가물이 또한, 당업계에 알려진 바와 같이, 전지의 성능을 개선하기 위해 부가될 수 있다. 첨가물은 약 5 중량% 미만의 양으로 부가될 수 있다. 일부 예들이, 요오드화 나트륨, 브롬화 나트륨, 탄화 텅스텐, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일부 실시예에서, 제2 격실(30)은, 음 전극 조성물 또는 애노드 물질(도시 생략)을 포함하며, 그리고 애노드 또는 애노드 격실로 지칭된다. 애노드 격실(30)은, 격실(30)의 길이(L)에 의해 한정되는 체적(즉, 애노드 격실 체적) 및 세퍼레이터(18)의 외표면(28)과 하우징(12)의 내부 표면(14) 사이의 갭(34)을 갖는다. 길이(L)는, 전지(10)의 축(20)과 실질적으로 평행하다. 여기에서 사용되는 바와 같은 문구 "실질적으로 평행한"은, 애노드 격실(30)의 길이(L)가 축(20)에 대해 약 5 도 미만의 각도만큼 편향될 수 있는 방향으로 연장되는 것을 의미한다.
전형적으로, 애노드 격실(30)은, 전지(10)의 기저 상태(비 충전 상태)에서 비어 있다. 전지(10)의 작동 도중에, 애노드 격실 체적의 일부분이, 세퍼레이터(18)를 통해 캐소드 격실(26)로부터 애노드 격실(30)로 이동하는, (알칼리 금속 할로겐화물의 환원에 의해 형성되는) 알칼리 금속으로 채워진다. 이러한 알칼리 금속은 또한 "애노드 물질"로도 지칭될 수 있다. 애노드 격실(30)은, 일부 실시예에서, 애노드 물질의 저장부를 수용 및 보관할 수 있다. 예를 들면, 완전 충전된 전지에서, 애노드 물질은, 애노드 격실 체적의 약 50까지 채운다. 일 실시예에서, 애노드 물질은, 애노드 격실 체적의 약 40 내지 50%를 채운다. 애노드 물질의 비제한적인 예들이, 리튬, 나트륨 또는 칼륨을 포함할 수 있다. 애노드 물질은 통상적으로, 사용 도중에 용융된다. 일부 특정 실시예에서, 애노드 물질은, 용융된 나트륨 금속이다.
일부 실시예에서, 애노드 물질은, 하나 이상의 첨가물을 더 포함할 수 있다. 애노드 물질에서의 사용을 위해 적합한 첨가물들은, 금속성 산소 스캐빈저(scavenger)를 포함할 수 있다. 적합한 금속성 산소 스캐빈저는, 망간, 바나듐, 지르코늄, 알루미늄, 또는 티타늄 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 유용한 첨가물들이, 용융된 애노드 물질에 의한 세퍼레이터 외표면(28)의 젖음성(wetting)을 증가시키는 물질들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 세퍼레이터(18)는, 알칼리 금속 이온 도체 고체 전해질이다. 세퍼레이터(18)는, 제1 격실(26)와 제2 격실(30) 사이에서 알칼리 금속 이온들을 운반할 수 있다. 고체 세퍼레이터(18)를 위해 적합한 물질들은, 알칼리-금속-베타-알루미나, 알칼리-금속-베타"-알루미나, 알칼리-금속-베타'-갈레이트(gallate), 또는 알칼리-금속-베타"-갈레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고체 세퍼레이터(18)는, 베타-알루미나, 베타"-알루미나, 감마 알루미나 또는, 예컨대 보로실리케이트; 장석(feldspar) 또는 준장석(feldspathoid)와 같은 텍토실리케이트와 같은, 미세 분자 여과체(sieve)를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 세퍼레이터 물질들은, 제올라이트, 예를 들어 제올라이트 3A, 4A, 13X, ZSM-5와 같은 합성 제올라이트; 희토류 실리코포스페이트; 실리콘 질화물; 또는 실리코포스페이트(NASICON: Na3Zr2Si2PO12)를 포함한다.
일부 실시예에서, 세퍼레이터(18)는, 소량의 불순물(dopant)의 첨가에 의해 안정화될 수 있다. 불순물은, 산화리튬, 산화마그네슘, 산화아연 및 산화이트륨으로부터 선택되는 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 이러한 안정화제들은, 단독 또는 조합으로, 또는 다른 물질들과 함께 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 양이온 촉진제 물질이, 세퍼레이터의 적어도 하나의 표면 상에 배치될 수 있다. 양이온 촉진제 물질은, 예컨대, 미국 특허 공개 제2010/0086834호에서 논의되는 바와 같은, 셀레늄을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 세퍼레이터는, 베타 알루미나를 포함한다. 일 실시예에서, 세퍼레이터의 일부분이 알파 알루미나이며, 그리고 세퍼레이터의 다른 일부분이 베타 알루미나이다. 일부 실시예에서, 알파 알루미나 부분(비 이온 도체)은, 전지의 밀봉 및/또는 제조를 도울 수 있다. 특정 실시예에서, 세퍼레이터(18)는, 베타 알루미나 세퍼레이터 전해질(BASE)을 포함하며, 그리고 일종 이상의 불순물을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 양 전극 조성물에서의 알칼리 금속들 중의 적어도 하나는 나트륨일 수 있으며, 그리고 세퍼레이터는 베타-알루미나일 수 있다. 다른 실시예에서, 알칼리 금속은 칼륨 또는 리튬일 수 있는 가운데, 세퍼레이터는 이때 이것과 적합하도록 선택될 수 있을 것이다. 예를 들면, 이온들이 칼륨, 은, 스트론튬, 및 바륨 양이온들을 포함하는 실시예에서, 세퍼레이터 물질은 베타 알루미나를 포함할 수 있다. 리튬 양이온들이 사용되는 특정의 다른 실시예에서, 리튬화 보로포스페이트(BPO4-Li2O)가, 세퍼레이터 물질로서 채택될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 전지(10)는, 애노드 격실 체적(32)의 적어도 일부분에 배치되는 전도성 매트릭스(40)를 더 포함한다. 전도성 매트릭스(40)는, 도 1에 예시된 바와 같이, 전도성 매트릭스(40)가 세퍼레이터(18)의 외표면(28)과 하우징(12)의 내부 표면(14) 사이의 갭(34)을 점유하도록, 애노드 격실 체적(32) 내에 배치된다. 여기에서 사용되는 용어 "갭"은, 세퍼레이터(18)의 외표면(28)과 하우징(12)의 내부 표면(14) 사이에서 연장되며 그리고 전지(10)의 축(20)에 실질적으로 수직인 수평 거리 또는 평면 영역을 지칭한다. 갭(34)은, 폭(d)에 의해 한정될 수 있다. 일 실시예에서, 갭(34)의 폭(d)(즉, 갭 폭)은, 적어도 약 1 mm이다. 일 실시예에서, 갭(34)은, 약 1 mm 내지 약 10 mm의 범위 이내의 갭 폭(d)을 가질 수 있다. 여기에서 사용되는 문구 "실질적으로 수직인"은, 갭(34)이 축(20)에 대해 약 85 도 내지 약 95 도의 범위 이내의 각도일 수 있는 방향으로 연장되는 것을 의미한다.
나아가, 갭(34)은 일부 실시예에서 일정한 폭일 수 있으며, 또는 폭은 세퍼레이터(18) 및 하우징(12)의 형상 및 크기에 의존하여 세퍼레이터(18)의 전체 외표면(28) 둘레에서 변할 수 있다. 언급된 바와 같이, 세퍼레이터(18)는, 축(20)에 수직인 단면 윤곽을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터(18)는, 도 2(아래에 설명됨)에 도시되는 바와 같이, 주름 형상의 단면 윤곽을 가질 수 있다. 그러한 형상은 통상적으로, 교호 반복적인 방식의, 복수의 오목 섹션 및 볼록 섹션(또한 "돌출 부분" 및 "계곡 부분"으로 지칭됨)을 포함한다. 클로버 잎 형상을 제공할 수 있는 주름은, 주어진 체적에 대한 세퍼레이터의 전체 유효 표면적을 증가시킬 수 있다.
도 2는, 일부 실시예에서의, 전지(10)의 수평(축(20)에 수직인) 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(18)는, 4개의 돌출 부분(36)과 4개의 상응하는 계곡 부분(38)을 갖는, 클로버 잎 형상의 단면 윤곽을 갖는다. 세퍼레이터(18)는, 하우징(12)에 대해 축 방향 대칭으로 위치하게 될 수 있는 가운데, 세퍼레이터의 각각의 돌출 부분(36)은, 하우징(12)의 코너 영역들(11) 중 하나와 정렬되며, 그리고 하우징(12)의 코너 영역들(11) 중 하나를 향해 돌출한다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터의 돌출 부분들(36)의 개수는, 하우징(12)의 둘레방향으로 이격되는 코너 영역들(11)의 개수에 대응한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 한 쌍의 돌출 부분(36)이, 돌출 부분들(36) 중의 하나에 의해 한정되는 갭(34)의 폭[폭(b)]과 비교할 때, 하우징(12)의 내부 표면(14)과 세퍼레이터(18)의 외표면(28) 사이에서 더 큰 갭(34)[폭(a)]에 걸쳐 이어지는, 계곡 부분(38)를 한정한다. 따라서, 도 2에서, 특정 위치에서의 갭(34)의 폭(a)은, 다른 위치에서의 갭(34)의 폭(b)보다 더 크다. 나아가, 도 2로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 그러한 세퍼레이터 윤곽에서, 갭 폭은 위치별로 변할 수 있다. 그러므로, 일부 실시예에서, 갭(34)(즉, 폭)은 세퍼레이터(18)의 전체 외표면(28) 둘레에서 변할 수 있다.
갭(34)은, 전도성 매트릭스(40)에 의해 완전히 점유된다. 여기에서 사용되는 문구 "갭을 점유하다"는, 전도성 매트릭스가 갭 폭의 약 90%를 초과하는 부분을 점유한다는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 갭 폭의 약 95%를 초과하는 부분이, 전도성 매트릭스에 의해 점유된다. 도 1 및 도 2를 계속 참조하면, 여기에서 예시된 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 세퍼레이터(18)의 외표면(28) 및 하우징(12)의 내부 표면(14)과, 연속적인 방식으로, 직접적인 접촉 상태에 놓인다. 다시 말해, 전도성 매트릭스(40)는, 세퍼레이터(18)의 전체 외주 둘레에서 외표면(28)과 연속적으로 직접적인 접촉 상태에 놓인다. 전도성 박막 시트(45)가 세퍼레이터(18)와 하우징(12) 사이에 배치되는 일부 다른 실시예(후술됨)에서, 전도성 매트릭스(40)는, 전도성 매트릭스(40)가 전도성 박막 시트(45)의 외표면(48) 및 하우징(12)의 내부 표면(14)과, 연속적인 방식으로, 직접적인 접촉 상태에 놓이도록, 갭(34)을 점유한다(도 4 내지 도 6).
일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 전지(10)의 애노드 물질과 친화적인, 열적 및 전기적 전도성 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 물질은, 애노드 환경에서, 화학적 및 전기 화학적으로 불활성이다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 애노드 물질(32)의 융점보다 더 높은 융점을 갖는 금속을 포함한다. 적합한 금속은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 구리, 철, 니켈, 아연, 주석, 또는 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스는, 전술한 금속들을 함유하는 그들의 복합재료 또는 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스는, FeCrAlY와 같은 철 합금을 포함한다. 다른 적합한 철 합금들은, 강 합금 또는 Kovar® 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스는, 황동 또는 청동과 같은, 구리 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스는, 탄소를 포함한다.
일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 다공형 형태로 존재한다. 적합한 다공형 형태들에 대한 비 한정적인 예들은, 발포체(foam), 섬유, 와이어, 입자, 울(wool), 상호 연결된 스트립들, 또는 입자 덩어리들(particle agglomerates)을 포함한다. 다공형 매체의 기공도는, 물질 내의 빈 공간(예를 들어, 기공)의 비율을 지칭하며, 여기서 빈 공간은 예컨대 공기를 수용할 수 있다. 다공형 매체의 나머지 부분은 고체 물질에 의해 점유된다. 일부 실시예에서, 다공형 전도성 매트릭스(40)는, 애노드 격실(30) 내의 애노드 물질에 의해 적어도 부분적으로 점유될 수 있는, 빈 공간을 제공한다. 그러므로, 다공질 전도성 매트릭스(40)의 빈 공간은, 애노드 물질을 채우기 위해 이용 가능한, 애노드 격실 체적(30)의 비어 있는 공간에 기여한다.
일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 적어도 약 20%의 기공도를 가지며, 즉 매트릭스(40)는 적어도 약 20%의 빈 공간을 갖는다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)의 기공도는, 약 20% 내지 약 90%의 범위 이내이다. 특정 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)의 기공도는, 약 50% 내지 약 80%의 범위 이내이다. 일 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는 금속 발포체 또는 울을, 예컨대, 알루미늄 발포체, 구리 울 및 이와 유사한 것을 포함한다. 금속성 발포체 또는 울은 통상적으로, 약 50%의 최소 기공도 및 입방 센티미터 당 1.2 그램의 밀도를 갖는다.
여기에서 사용되는 바와 같은 용어 "점유하다"는, 자체의 빈 공간을 포함하는 물질 또는 물체(예를 들어, 전도성 매트릭스(40))에 의해 점유되는, 면적 또는 체적과 관련하여 사용된다. 전도성 매트릭스에 의해 점유되는 체적 또는 체적의 일부분은, 빈 공간을 포함하는 전도성 매트릭스의 총 체적이다. 여기에서 사용되는 바와 같은 용어 "채우다"는, 물질 또는 물체(예를 들어, 전도성 매트릭스(40))의 고체 물질에 의해, 즉 전도성 매트릭스의 빈 공간을 배제함에 의해, 점유되는 체적 또는 체적의 일부분의 맥락에서 사용된다. 전도성 매트릭스에 의해 채워지는 체적 또는 체적의 일부분은, 빈 공간을 배제하는 전도성 매트릭스의 고체 물질의 총 체적이다.
전도성 매트릭스(40)는, 애노드 격실 체적(32)의 적어도 일부를 점유하도록, 애노드 격실(30)의 길이(L)를 따라 애노드 격실(30) 내에 배치될 수 있다. 애노드 격실(30)은, 길이(L)의 적어도 일부분(l)까지 전도성 매트릭스(40)에 의해 점유될 수 있다(도 1 참조). 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)에 의해 점유되는 애노드 격실 체적(32)의 부분은, 애노드 격실(30)의 길이(L)의 적어도 약 50%까지 연장된다. 일부 실시예에서, 애노드 격실(30)의 전체 길이(L)가, 전도성 매트릭스(40)에 의해 점유된다. 일부 실시예에서, 길이(l)는, 길이(L)의 약 60%로부터 약 90%까지 연장된다.
전도성 매트릭스(40)가 애노드 격실의 길이(l)의 적어도 일부까지 배치될 때, 전도성 매트릭스(40)는, 애노드 격실 체적(32)의 일정 비율을 채운다. 문구 "채워지는 애노드 격실 체적의 비율"은, 전도성 매트릭스(40)의 고체 물질에 의해 점유되는 애노드 격실 체적의 정량적 비율을 지칭한다. 전술한 바와 같이, 전도성 매트릭스(40)의 빈 공간은, 애노드 격실 체적의 비어 있는 공간 또는 비어 있는 비율에 기여한다.
앞서 시사된 바와 같이, 애노드 물질은, 전지가 완전 충전될 때, 애노드 격실 체적(32)의 약 50%까지의 부분을 채울 수 있다. 따라서, 전도성 매트릭스(40)의 기공도 및 애노드 격실 체적(32)의 일부분을 채우기 위한 애노드 물질을 위해 요구되는 비어 있는 공간에 의존하여, 전도성 매트릭스(40)는, 애노드 격실 체적(32)의 적어도 약 10%를 채우기 위해, 적어도 길이의 일부(l)까지 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 애노드 격실 체적(32)의 약 10% 내지 약 80%를 채운다. 일부 특정 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 애노드 격실 체적(32)의 약 20% 내지 약 50%를 채운다.
당업자에 의해 인식될 것으로서, 다공형 물질이 특정 체적을 점유하기 위해 격실 또는 용기의 특정 체적 내에 배치될 때, 다공형 물질은, 다공형 물질의 기공도에 기초하여, 격실 또는 용기의 상대적으로 더 적은 체적을 채운다. 일부 예시적인 실시예에서, 약 80%의 기공도를 갖는 전도성 매트릭스(예, 금속성 발포체 또는 울)가 애노드 격실(30) 내에 배치될 때, 전도성 매트릭스는 애노드 격실(30)의 전체 길이(L)까지 배치됨으로써, 채워지는 애노드 물질에 대해 약 80%의 빈 공간을 제공하도록 할 수 있다. 일부 다른 예시적인 실시예에서, 전도성 매트릭스가 약 50% 미만의 기공도를 가질 때, 전도성 매트릭스는, 애노드 격실(30)의 전체 길이(L)가 전도성 매트릭스(40)에 의해 점유되는 경우, 애노드 격실 체적(32) 내에 50% 미만의 빈 공간을 제공할 것이다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 50% 초과의 빈 공간을 제공하기 위해 전도성 매트릭스가 길이(L)의 약 50% 내지 약 80%를 점유하도록, 애노드 격실(30) 내에 배치된다.
일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 전도성 매트릭스(40)가 애노드 격실(30)의 전체 길이(L)까지 연장되도록 그리고 애노드 격실(30)의 적어도 약 10% 체적을 채우도록, 애노드 격실(30) 내에 배치된다. 일부 다른 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 전도성 매트릭스(40)가 길이(L)의 일정 부분[즉, 격실의 일부(l)]까지 연장되도록 그리고 애노드 격실 체적(32)의 적어도 약 10%를 채우도록, 애노드 격실(30) 내에 배치된다.
일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 도 3에 예시된 바와 같이, 전지(10)의 위쪽 부분(8) 내에 배치된다. 일부 실시예에서, 전지(10)의 바닥 부분(9)은 전도성 매트릭스(40)를 갖지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같은 용어 "위쪽 부분"은, 전지(10)의 축(20)을 따라 전지(10)의 상부로부터 측정되는 애노드 격실(30)의 일부분을 지칭하며, 그리고 용어 애노드 격실(30)의 "바닥 부분"은, 전지(10)의 축(20)을 따라 베이스(16)로부터 측정되는 일부분을 지칭한다. 도 3에 도시된 바와 같은 전도성 매트릭스(40)의 배열은, 전지의 작동 도중에 바닥 부분을 애노드 물질을 채우기 위해 이용 가능하도록 유지하는 가운에, 열적 및 전기적 연결성을 제공한다.
전술한 바와 같이, 코어에서, 즉 전지(10)의 캐소드 격실(26)에서 생성되는 열은, 캐소드 물질(26)로부터, 세퍼레이터(18)를 통해, (전도성 매트릭스(40) 포함하는) 애노드 격실(30)을 통해 그리고 하우징(12)까지 연장되는, 경로(도시 생략) 내에서 이동한다. 본 개시의 일부 실시예에서 설명되는 바와 같이, 전도성 매트릭스(40)는, 캐소드 격실(26)과 하우징(12) 사이의 열적 및 전기적 전달을 가능하게 한다. 따라서, 전기 화학 전지(10)는, 방전 도중에 생성되는 임의의 잉여 열을 전지(10)로부터 제거함에 의해, 그리고 하우징(12)과 캐소드 격실(26)의 요구되는 온도를 유지함에 의해, 그의 최적의 온도에서 작동하게 될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)는, 캐소드 격실(26)과 하우징(12) 사이의 온도차가 소정의 온도 범위 이내에서, 예를 들어 약 50 도의 범위까지로, 유지되도록, 캐소드 격실(26)로부터 하우징(12)으로 적어도 신속하거나 균일한 열의 전달을 가능하게 한다.
여기에서 제시되는 일부 실시예는, 애노드 물질과 세퍼레이터(18) 사이의 증가된 접촉 면적을 가능하게 할 수 있다. 전기 화학 전지(10)의 방전 출력은, 애노드 물질과 세퍼레이터(18) 사이의 접촉 면적에 의존한다. 증가된 접촉 면적은, 전지(10)에 의해 생성되는 출력의 양을 증가시킨다.
도 4 내지 도 6은, 전도성 박막 시트(45)의 부가를 동반하는, 도 1 내지 도 3에 예시된 바와 유사한 방식 및 구조의 전지(10)를 예시한다. 도 4 내지 도 6에 예시된 바와 같이, 전도성 박막 시트(45)는 제2 격실(30) 내에 배치된다. 전도성 박막 시트(45)는, 전도성 박막 시트(45)가 세퍼레이터(18)의 외표면(28)의 형상과 실질적으로 일치하도록, 세퍼레이터(18)에 매우 가깝게 배치된다. 전도성 박막 시트(45)는, 비록 이것이 항상 필요한 것은 아니지만, 세퍼레이터(18)의 전체 길이(또는 높이)까지 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 박막 시트의 형상과 윤곽은, 통상적으로 세퍼레이터(18)의 일반적인 형상 및 외관에 맞도록 하는 것이어서, 애노드 물질을 뽑아내기 위해 전도성 박막 시트(45)와 세퍼레이터(18)의 외표면(28) 사이에 통로(46)를 제공하도록 한다. 통로(46)는, 세퍼레이터(18)를 따르는 애노드 물질의 운반을 가능하게 하는 모세관 작용을 제공하며 그리고 애노드 물질의 세퍼레이터(18)와의 접촉 면적을 증가시킨다. 일부 실시예에서, 전도성 박막 시트(45)는, 전도성 박막 시트(45)와 세퍼레이터(18)의 외표면(28) 사이의 통로(46)가 대략적으로 약 0.5 mm 또는 그 미만이 되도록, 세퍼레이터(18) 둘레에 둘러싸이게 된다.
일부 실시예에서, 전도성 박막 시트(45)는, 세퍼레이터(18)의 외표면(28) 위에서 애노드 물질의 균일한 분배 및 접촉을 가능하게 한다. 증가된 접촉 면적은, 애노드 격실(30) 내에 애노드 물질이 거의 또는 전혀 없을 때, 전지(10)의 충전 프로세스의 초기 단계에서의 전하 전달의 증가를 가능하게 한다. 예를 들면, 애노드 격실(30) 내에 존재하는 매우 적은 양의 애노드 물질이, 충전의 초기 단계 도중에 전도성 박막 시트(45) 및 세퍼레이터(18) 사이의 통로(46)를 통해 세퍼레이터(18)의 외표면(28)을 따라 위로 운반된다.
일부 실시예에서, 전지(10)는, 세퍼레이터의 형상에 일치하도록 세퍼레이터(18)에 매우 가깝게 배열되는 하나 초과의 전도성 박막 시트(도시 생략)를 포함하며, 예컨대 하나의 전도성 박막 시트가 세퍼레이터(18)의 돌출 부분 및 계곡 부분 각각의 둘레에 둘러싸이게 된다(도 5). 전기 화학 전지 내에 배치되는 전도성 박막 시트의 형상, 크기, 특징들 및 기능들에 관한 다양한 세부사항들이, 미국 특허 공개 제2010/0178546A1호에 설명된다.
도 4 내지 도 6을 계속 참조하면, 전도성 매트릭스(40)는, 매트릭스(40)가 전도성 박막 시트(45)의 외표면(48) 및 하우징(12)의 내부 표면(14)과 연속적인 방식으로 직접적인 접촉 상태로 놓이도록, 즉 전도성 박막 시트(45)의 전체 외주 둘레에서 전도성 박막 시트(45)와 연속적으로 직접적인 접촉 상태에 놓이도록, 갭(44)을 점유하도록 애노드 격실(30) 내에 배치된다. 이러한 실시예에서, 전도성 매트릭스(40)에 의해 점유되는 갭(44)은, 전도성 박막 시트(45)와 하우징(12) 사이에 한정된다.
전도성 박막 시트(45)의 두께는 변할 수 있지만, 통상적으로 약 0.01 mm 내지 약 1 mm의 범위 이내이다. 일부 실시예에서, 두께는 약 0.05 mm 내지 약 0.5 mm의 범위 이내이다. 일부 특정 실시예에서, 두께는, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm 범위 이내이다.
전도성 박막 시트(45)는, 전도성 매트릭스(40)의 물질과 동일하거나 또는 상이한, 열적 및 전기적 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 박막 시트(45)는 금속을 포함한다. 일 실시예에서, 전도성 박막 시트(45)는, 금속 포일(metal foil)이다. 전도성 박막 시트(45)를 위한 적합한 금속은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 또는 앞서 언급된 금속들의 합금을 포함한다. 적절한 예가 강을 포함한다.
다시 도 1 내지 도 6을 참조하면, 일부 실시예에서, 제1 격실(26)과 제2 격실(30) 중 적어도 하나는, 전기 화학 전지(10)에 의해 생성되는 전류를 수집하는 전류 컬렉터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 박막 시트(45)와 하우징(12) 중 적어도 하나는 애노드 격실(30) 내에서 전류를 수집하며, 그로 인해 전류 컬렉터로서 기능한다.
본 발명의 다른 실시예가 에너지 저장 배터리에 관련된다. 일부 실시예에서, 여기애 설명되는 바와 같은, 복수의 전기 화학 전지가, 에너지 저장 시스템으로, 예컨대 배터리로, 구성될 수 있다. 복수의 전지들이, 직렬 또는 병렬로, 또는 직렬 및 병렬의 조합으로, 전기적으로 연결될 수 있다. 편의상, 결합된 전지들의 그룹이, 모듈 또는 팩으로 지칭될 수 있을 것이다. 배터리 팩의 출력 및 에너지에 대한 정격은, 전지의 개수 및 팩 내의 접속 형태(connection topology)와 같은 인자들에 의존할 수 있다. 다른 인자들은, 최종 용도 적용 특정 기준에 기초하게 될 수 있다. 배터리 팩은, 당해 기술분야에 공지된 바와 같은, 냉각 조립체를 더 포함한다. 일 실시예에서, 배터리 팩은, 전기 화학 전지들의 하나 이상의 열 사이에 배치되는 냉각 핀을 포함한다. 냉각 핀으로의 냉각 매체가, 공통 공급부를 사용함에 의해, 제공될 수 있다.
여기에서 상세하게 설명되는 특정 예외들을 제외하고, 전기 화학 전지의 구성요소들은, 일반적으로, 전기 화학 전지가 본 개시에 따라 기능하는 것을 허용하는 당해 기술분야에서, 일반적으로 공지되는 재료들에 의해 그리고 일반적으로 공지되는 기술들을 사용하여 준비될 수 있다.
예들
아래에 제시되는 예들은, 단지 예시인 것으로 의도되며, 청구되는 발명의 범위에 대한 어떤 종류의 제한인 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1 또는 도 4의 전지와 유사한 5개의 전기 화학 전지가 조립되었으며, 그리고 도면[전지(10)]에 대한 참조가 이러한 설명을 돕기 위해 이루어질 것이다. 3개의 비교 전지(A, B, C)는, 애노드 격실(30) 내에 전도성 매트릭스 없이, 공지된 방법들 및 물질들에 따라 조립되었다. 나머지 2개의 실험 전지(D, E)는, (0.001 인치의 두께의) 박막 니켈 시트 및 구리 울(25 그램)이 실험 전지들(도 4)의 애노드 격실(30)(애노드 격실의 체적은 약 75 암페어-시간의 나트륨과 동등했음) 내에 배치되었다는 것을 제외하고, 상기 비교 전지들과 유사한 방식으로 조립되었다. 구리 울은, 애노드 격실의 대략 전체 길이까지 연장되도록 배치되었다. 모든 전지들이, 방전 상태로 조립되었다.
전지들의 테스팅
전지 테스팅이, 100A, 10V, 다중-채널 Digatron BTS600 배티리 테스팅 시스템을 사용하여, 참조된 미국 특허 공개 US20120219843A1에 설명되는 표준 프로토콜에 따라, 수행되었다. 테스팅 프로토콜은, 전류, 전압 및 온도 조절에 대한 대응하는 계획에 따라, 일련의 충전 및 방전 사이클(모두 약 225 사이클)을 수반했다.
다음의 프로토콜은 상이한 듀티 사이클들(duty cycle)을 나타내었다.
1. 80mA에서 시작하여 시간의 경과에 따라 5.5A까지 증가시켜, 330℃에 있는 동안, 2.67V까지 충전한 다음, 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
2. 온도를 300 ℃까지 감소시키고 -16A에서 1.8V로 또는 32Ah로 방전.
3. 10A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA로 낮춰 충전.
4, -16A에서 1.8V로 또는 32Ah로 방전.
5. 총 10 사이클 동안, 단계 3 및 단계 4를 반복.
6. 15A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
7. -60W에서 22Ah로 또는 1.8V로 방전.
8. 15A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
9. -120W에서 1.8V로 방전.
10. 15A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
11. -130W에서 22Ah로 또는 1.8V로 방전.
12. 15A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
13. -140W에서 22Ah로 또는 1.8V로 방전.
14. 15A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
15. -155W에서 22Ah로 또는 1.8V로 방전.
16. 15A에서 2.67V로, 이어서 2.67V에서 500mA의 전류로 충전.
17. -110W에서 1.8V로 또는 15분, 이어서 1.8V에서 15분까지 방전.
18. 단계 16 및 단계 17을 100회 반복
19. 총 225 사이클을 위해, 단계 6 내지 단계 18 단계를 한번 반복 반복하도록 단계 6으로 감.
도 7은 (전도성 매트릭스를 포함하지 않는) 비교 전기 화학 전지들(A, B, C)과 (박막 강 시트 및 구리 울을 포함하는) 실험 전기 화학 전지들(D, E)의 155W에서의 방전 시간의 비교를 도시하는 도면이다. 도 7에 예시된 바와 같이, 전도성 매트릭스를 포함하는 실험 전지들(D, E)은, 비교 전기 화학 전지들(A, B, C)과 비교될 때, 155W의 출력에서 더 긴 방전 시간을 견뎠다.
여기에서 사용되는 바와 같은 용어 "사이클"은, 완전 충전된 다음 사전 결정된 시간 동안 방전을 경험하는, 전기 화학 전지의 충전/방전 사이클의 수를 지칭한다.
도 8은 비교 전지들(A, B, C)과 실험 전지들(D, E)에 대한 110W의 방전 출력에서의 복수의 15분 방전 사이클의 종료시의 전압을 도시한다. (박막 강 시트 및 구리 울 포함하는) 실험 전지들(D, E)은, 비교 전지들(A, B, C)과 비교될 때, 각각의 방전 사이클의 종료시에 증가된 전압을 나타냈다.
도 9는 비교 전지들(A, B, C)과 실험 전지들(D, E)에 대한 10번째 방전 사이클에서의 22Ah의 방전에서의 저항을 도시한다. (박막 강 시트 및 구리 울 포함하는) 실험 전지들(D, E)은, 비교 전지들(A, B, C)과 비교될 때, 감소된 저항을 나타냈다.
도 10은 비교 전지들(A, B, C)과 실험 전지들(D, E)에 대한 상기한 출력들에 대한 샘플링시 완전 충전으로부터 1.8V까지의 방전 시간에 대한 도면을 도시한다. (박막 강 시트 및 구리 울 포함하는) 실험 전지들(D, E)은, 비교 전지들(A, B, C)과 비교될 때, 130W 초과의 출력 레벨들에 대해 증가된 방전 시간을 나타냈다.
단지 본 발명의 특정 특징들만 여기에서 예시되고 설명되었지만, 많은 수정 및 변경이 당업자에게 일어날 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는, 본 발명의 진정한 사상 이내에 속하는 것으로서 모든 그러한 수정 및 변경을 커버하고자 하는 것임을 알아야 한다.

Claims (20)

  1. 전기 화학 전지로서:
    체적을 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징;
    상기 하우징 체적 내에 배치되며 그리고 상기 전지의 축을 한정하는 세장형 세퍼레이터로서, 상기 세퍼레이터는 내표면과 외표면을 가지며, 상기 세퍼레이터의 상기 내표면은 제1 격실을 한정하고, 상기 세퍼레이터의 상기 외표면 및 상기 하우징의 내부 표면은 체적을 갖는 제2 격실을 한정하는 것인, 세장형 세퍼레이터; 및
    상기 제2 격실의 적어도 일부분 내에, 상기 세퍼레이터의 외표면과 상기 하우징의 내부 표면 사이의 갭을 점유하도록 배치되는 전도성 매트릭스로서, 상기 갭은 상기 전기 화학 전지의 축에 실질적으로 수직인 방향으로 연장되며, 그리고 상기 전도성 매트릭스는, 상기 세퍼레이터의 전체 외주 둘레에서 연속적인 방식으로 상기 하우징의 내부 표면과 직접적인 접촉 상태에 놓이는 것인, 전도성 매트릭스
    를 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 격실은 상기 전지의 축에 실질적으로 평행한 길이에 의해 추가로 한정되며, 그리고 상기 전도성 매트릭스에 의해 점유되는 상기 제2 격실 체적의 일부분은 상기 길이의 적어도 50%까지 연장되는 것인, 전기 화학 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스에 의해 점유되는 상기 제2 격실 체적의 일부분은, 상기 길이의 60% 내지 100%까지 연장되는 것인, 전기 화학 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는 열적 및 전기적 전도성 물질을 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는 적어도 20%의 기공도를 갖는 것인, 전기 화학 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스의 기공도는, 50% 내지 80%의 범위 이내인 것인, 전기 화학 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는, 발포체, 울, 섬유들, 와이어, 입자들, 입자 덩어리들, 또는 이들의 조합들의 형태인 것인, 전기 화학 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는 금속성 울을 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 갭의 폭이, 1 mm 내지 10 mm의 범위 이내이며, 그리고 상기 갭의 폭은 상기 전도성 매트릭스에 의해 완전히 점유되는 것인, 전기 화학 전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 적어도 하나의 오목 섹션 및 적어도 하나의 볼록 섹션을 포함하며, 상기 오목 섹션 및 볼록 섹션은 상기 하우징의 내부 표면과 마주보는 것인, 전기 화학 전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 갭의 폭이, 상기 세퍼레이터의 외표면을 따라 변화하는 것인, 전기 화학 전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는, 이 전도성 매트릭스가 추가로 상기 세퍼레이터의 전체 외주 둘레에서 실질적으로 연속적인 방식으로 상기 세퍼레이터의 외표면과 직접적인 접촉 상태에 놓이도록, 상기 제2 격실의 상기 일부분 내에 배치되는 것인, 전기 화학 전지.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 격실 내에 배치되는 전도성 박막 시트를 더 포함하고,
    상기 전도성 박막 시트는, 이 전도성 박막 시트와 상기 세퍼레이터의 외표면 사이에 통로가 형성되도록, 상기 세퍼레이터의 외표면에 의해 한정되는 형상에 실질적으로 일치하는 것인, 전기 화학 전지.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 통로는, 0.5 mm 미만의 치수를 갖는 것인, 전기 화학 전지.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 전도성 박막 시트는, 금속 포일인 것인, 전기 화학 전지.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는, 이 전도성 매트릭스가 추가로 상기 세퍼레이터의 전체 외주 둘레에서 실질적으로 연속적인 방식으로 상기 전도성 박막 시트의 외표면과 직접적인 접촉 상태에 놓이도록, 상기 제2 격실의 상기 일부분 내에 배치되는 것인, 전기 화학 전지.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 매트릭스는, 상기 제2 격실 체적의 10% 내지 80% 체적을 채우는 것인, 전기 화학 전지.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 격실 내에 배치되는 애노드 물질을 더 포함하고,
    상기 애노드 물질은, 리튬, 나트륨 및 칼륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 알칼리 금속을 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 격실은, 알칼리 금속 할로겐화물을 포함하는 캐소드 물질을 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
  20. 전기 화학 전지로서:
    체적을 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징;
    상기 전지의 축을 한정하고 상기 체적 내에 배치되는 세장형 세퍼레이터로서, 상기 세퍼레이터는 내표면과 외표면을 가지고, 상기 내표면은 캐소드 물질을 포함하는 제1 격실을 한정하며, 그리고 상기 세퍼레이터의 상기 외표면과 상기 하우징의 내부 표면은 체적을 갖는 제2 격실을 한정하는 것인, 세장형 세퍼레이터;
    상기 제2 격실 내에 배치되는 전도성 박막 시트로서, 상기 전도성 박막 시트는, 상기 전도성 박막 시트와 상기 세퍼레이터의 외표면 사이에 통로가 형성되도록, 상기 세퍼레이터의 외표면에 의해 한정되는 형상에 실질적으로 일치하는 것인, 전도성 박막 시트; 및
    상기 제2 격실의 일부분 내에, 상기 전도성 박막 시트의 외표면과 상기 하우징의 내부 표면 사이의 갭을 점유하도록 배치되는 전도성 매트릭스로서, 상기 갭은 상기 전기 화학 전지의 상기 축에 실질적으로 수직인 방향으로 연장되며, 그리고 상기 전도성 매트릭스는 상기 세퍼레이터의 전체 외주 둘레에서 상기 전도성 박막 시트의 외표면 및 상기 하우징의 내부 표면 양자 모두와 실질적으로 연속적인 방식으로 직접적인 접촉 상태에 놓이는 것인, 전도성 매트릭스
    를 포함하는 것인, 전기 화학 전지.
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