KR102332828B1 - 쌍극성 배터리 조립체에 유용한 배터리 플레이트 및 제조 방법 - Google Patents

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애덤 브이. 카데나
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Abstract

본원 발명에 따른 배터리 플레이트는 대향 표면 및 하나 이상의 비평면 구조를 가진 기판과, 대향 표면 중 적어도 하나 상에 배치된 하나 이상의 활물질을 가지며, 상기 배터리 플레이트는, i) 활물질 내에 배치되지만 활물질을 넘어 연장되지 않는 하나 이상의 돌출부; ii) 활물질을 넘어서 돌출하고 활물질 또는 활물질로부터 형성된 먼지가 실질적으로 없는 하나 이상의 돌출부; 및/또는 iii) 활물질을 넘어 돌출하고 활물질 또는 활물질로부터 형성된 먼지가 실질적으로 없는 기판의 주변 주위의 프레임 중 하나 이상을 특징으로 하며, 상기 배터리 플레이트는 배터리 조립체에서 하나 이상의 전기화학 전지의 일부를 형성하도록 구성된다. .

Description

쌍극성 배터리 조립체에 유용한 배터리 플레이트 및 제조 방법
본 발명은 일반적으로 쌍극성 배터리 조립체에 유용한 배터리 플레이트 및 이러한 조립체의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 비평면 구조를 갖는 배터리 플레이트의 제조에 특히 사용될 수 있다.
쌍극성 배터리는 당 업계에 공지되어 있으며, 그 전문이 본원에 참조로 포함된 Tatematsu의 US 2009/0042099를 참조할 수 있다. 쌍극성 배터리는 확장성, 상대적으로 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도 및 설계 유연성과 같이, 다른 배터리 설계보다 장점을 제공한다. 쌍극성 배터리는 다수의 쌍극성 플레이트 및 2 개의 단극성 엔드 플레이트를 포함한다. 쌍극성 및 단극성 플레이트는 기판의 대향 표면 중 하나 또는 둘 모두에 활물질이 도포되어 형성된다. 쌍극성 플레이트는 기판의 일면에 양성 활물질(PAM)로 종종 불리는 캐소드 물질을, 그리고, 기판의 반대면에 종종 음성 활물질(NAM)로 불리는 애노드 물질을 도포함으로써 형성된다. 단극성 플레이트는 양성 활물질 또는 음성 활물질인 활물질을 기판의 일 면에 도포하여 캐소드 전극 또는 애노드 전극을 각각 형성함으로써 형성된다. 전도성 시트는 기판과 애노드 재료 또는 캐소드 재료 사이에 배치될 수 있다. 쌍극성 플레이트는 하나의 플레이트의 애노드 재료가 다음 플레이트의 캐소드 재료를 향하도록 스택 형태로 배열된다. 대부분의 조립체에서, 인접한 판 사이에 배터리 분리막이 있으며, 이는 전해질이 애노드 재료에서 캐소드 재료로 흐르게 한다. 플레이트들 사이의 공간에는 전해질이 있으며, 이는 애노드 재료와 캐소드 재료 사이에 전자와 이온이 흐를 수 있게 하는 물질이다. 분리막 및 플레이트 사이에 배치된 전해질을 갖는 쌍극성 플레이트의 인접 표면은 전기-화학 전지를 형성하고, 여기서 전자와 이온은 애노드 재료와 캐소드 재료 사이에서 교환된다. 배터리의 구조는 쌍극성 플레이트에 의해 형성된 각각의 전지가 전지 밖으로 전해질의 흐름을 방지하도록 밀봉되도록 배열된다. 각각의 전기화학 전지를 밀봉하는데 사용되는 구조는 기판 상에 애노드 또는 캐소드 재료를 갖지 않는 플레이트의 부분과 접촉한다. 또한, 배터리 분리막은 전지의 밀봉을 돕기 위해 애노드 및 캐소드 재료를 위에 배치하는 기판 부분 너머로 연장될 수 있다. 각각의 전지는 전지로부터, 전자를 부하(본질적으로 전기 형태로 전자를 이용하는 다른 시스템)로 전달하는 하나 이상의 단자로 전자를 전송하기 위해 전지에 연결된 전류 전도체를 갖는다. 종래의 설계에서, 배터리 플레이트의 스택은 케이스 내에 배치되며, 이 케이스는 플레이트의 스택 주위에 밀봉되고, 배터리의 외부에 위치한 하나 이상의 쌍의 양극 및 음극 단자를 갖는다. 각각의 쌍은 본 명세서에 기술된 바와 같이 하나 이상의 전지에 또한 연결된 전류 도체에 연결된다.
쌍극성 배터리의 성능에 결정적인 것은 쌍극성 또는 단극성 플레이트의 기판상의 페이스트 중량 및 페이스트 두께의 제어이다. 전통적으로, 활성 페이스트는 적절한 금속 그리드가 벨트에 의해 지지되는 아래로 통과될 때 오리피스를 통해 페이스트를 펌핑하는 페이스트 장비를 사용하여 납 합금 그리드에 도포된다. 공정은 페이스트 두께와 무게를 제어하기 위해 그리드 두께에 페이스트를 도포하도록 설계되었다. 벨트 페이스팅 장비를 사용하여 쌍극성 플레이트에 활성 페이스트를 붙여 넣을 수 있다. 일반적으로 쌍극성 플레이트는 평판형으로 설계된다. 평평한 쌍극성 플레이트는 페이스트 높이를 제어하기 위해 신발이 설치된 페이스트 상자 아래로 통과될 수 있다. 전형적으로, 양성 활물질을 먼저 도포한 다음, 쌍극성 플레이트를 뒤집어 제 2 페이스트 라인 아래로 통과시켜 음성 활물질을 침착시킨다. 페이스트 프레임이 있는 쌍극성 플레이트가 벨트 페이스팅 장비를 이용하여 페이스팅될 수 있다. 페이스트 프레임이 있는 단극성 플레이트는 벨트 페이스팅 장비를 사용하여 페이스팅될 수 있다. 페이스트는 페이스트 박스 아래를 통과할 때 쌍극성 및/또는 단극성 플레이트의 프레임에 의해 형성된 포켓에 침착된다. 페이스트가 쌍극성 플레이트 상에 고압으로 펌핑될 때 페이스트 박스 아래를 통과함에 따라 쌍극성 플레이트의 굴곡을 최소화하기 위해 포켓의 바닥에 심(shim)이 추가될 필요가 있을 수 있다. 쌍극성 플레이트를 뒤집을 수 있고 페이스트를 플레이트의 음성 측면의 포켓에 도포할 수 있다. 배터리 플레이트가 박스 아래를 통과함에 따라, 쌍극성 플레이트 프레임의 선단 및 후단은 페이스트의 얇은 층으로 코팅된 후, 작동 중에 형성된 배터리가 단락될 가능성을 최소화하기 위해 제거되어야 한다. 일부 그룹은 그리드를 페이스팅하였으며, 이는 때로는 쌍극성 플레이트에 딱맞는 크기의 플라스틱으로 만들어진다. 이렇게할 때 앞뒤 프레임 에지를 세정하지 않아도 된다. 그러나 단점은 비용 증가 및 에너지 밀도 감소이다. 이들 공정에 유용한 결과적인 쌍극성 플레이트의 설계는 돌출부가 없는 평면 표면이고, 또한 임의의 평면 형상은 페이스트 두께와 일치한다. 따라서, 쌍극성 플레이트의 밀봉 또는 쌍극성 플레이트로부터 형성된 배터리의 작동을 방해할 수 있는 페이스트 먼지 또는 필름이 존재하지 않도록 2 차 세정 작업이 필요하다. 이들 공정은 또한 배터리 플레이트 스택의 끝에 배치된 단극성 플레이트의 제조에 대해 유사한 문제를 나타낸다.
쌍극성 및 단극성 플레이트를 제조할 수 있는 공정에 대한 목표에 따르면, 배터리 플레이트가 비평면일 수 있고, 즉, 곡면 또는 부분적으로 만곡된 표면을 포함하고, 페이스트 및 먼지가 실질적으로 없는, 페이스트를 넘어 돌출하는 돌출부를 가지며, 기판에 대한 페이스트의 결합을 향상시키도록, 플레이트에 매립된 돌출부를 갖는다. 그러한 배터리 플레이트의 제조를 용이하게 하는 프로세스가 필요하다.
본 발명은 a) 제 2 표면에 대향하는 제 1 표면 및 하나 이상의 비평면 구조를 갖는 기판; b) 제 1 표면, 제 2 표면, 또는 제 1 표면 및 제 2 표면 모두에 배치된 하나 이상의 활물질을 포함하는 배터리 플레이트에 관한 것으로서, 배터리 플레이트는 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는다: i) 기판의 제 1 표면, 제 2 표면, 또는 제 1 표면 및 제 2 표면 모두로부터 연장되어, 활물질 내에 배치되고 활물질을 넘어 연장되지 않는 하나 이상의 돌출부; ii) 기판으로부터 연장되어 활물질을 넘어 돌출하는 하나 이상의 돌출부로서, 활물질을 넘어선 하나 이상의 돌출부의 표면에는 활물질 또는 활물질로부터 형성된 먼지가 실질적으로 없음; 및/또는 iii) 기판 주변부 주위의 프레임으로서, 활물질이 증착되는 하나 이상의 표면에 횡 방향으로, 프레임 또는 그 일부가 활물질을 넘어 돌출하고, 활물질 또는 활물질로부터 형성된 먼지가 실질적으로 없으며,상기 배터리 플레이트는 배터리 조립체 내 하나 이상의 전기화학 전지의 일부를 형성하도록 구성됨.
본 개시에서 또한 언급되는 배터리 조립체는, 복수의 배터리 플레이트의 하나 이상의 스택을 포함하고, a) 기판을 포함하는 하나 이상의 쌍극성 플레이트: i) 제 1 표면 상에 배치되고, 제 1 표면 반대편에서 제 1 전사 시트와 접합되어, 애노드로서 기능하는 제 1 활물질, 및 ii) 제 2 표면 상에 배치되고, 제 2 표면 반대편에서 제 2 전사 시트와 접합되어 캐소드로서 기능하는 제 2 활물질을 포함하며, b) 대향하는 제 2 표면이 활물질을 실질적으로 갖지 않으면서 제 1 표면 맞은편에 제 1 전사 시트가 접합된, 애노드로서 기능하도록 제 1 표면 상에 배치된 제 1 활물질을 가진 기판을 포함하는 제 1 단극성 플레이트; c) 제 2 표면 맞은편에 제 2 전사 시트가 접합된, 캐소드로서 기능하도록 제 2 표면 상에 배치된 제 2 활물질 및 활물질이 실질적으로 없는 제 1 표면을 가진 기판을 포함하는 제 2 단극성 플레이트; d) 인접한 각 쌍의 배터리 플레이트 사이에 배치되는 액체 전해질 - 상기 액체 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 상기 각 쌍의 배터리 플레이트 사이의 공간에 위치하는 캐소드 및 애노드로 기능함 - 을 포함하며, 상기 복수의 배터리 플레이트는 위에 캐소드가 배치된 기판의 표면이 위에 애노드가 증착된 다른 배터리 플레이트의 표면을 향하도록 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 단극성 플레이트는 각각의 배터리 플레이트 스택의 대향 단부에 위치하며, 그리고, 각각의 전사 시트는 액체 전해질이 전사 시트를 통과하지만 활물질이 전사 시트의 세공을 관통하는 것은 방지하도록 구성된 다공성 재료를 포함한다.
본 개시는 배터리 플레이트를 조립하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, a) 전극 몰드 내 가동 플레이트 상에 전사 시트를 배치하는 단계 - 상기 가동 플레이트는 전극 몰드 내 개구부의 반대편에 배치되고, 전극 몰드 내 개구부의 방향으로 상기 개구부를 통해 이동가능함 - b) 상기 활물질이 적어도 가동 플레이트에 의해 형성된 형상의 층을 형성하도록 상기 가동 플레이트 상의 전사 시트에 페이스트 형태의 활물질을 주입하는 단계; c) 활물질이 배치되고자 하는 기판의 표면들 중 하나의 영역이 몰드 내 활물질과 정렬되도록 몰드의 개구부에 걸쳐 기판을 배치하는 단계; d) 활물질이 기판과 접촉하여 기판에 접합될 때까지 몰드의 개구부를 통해 가동 플레이트를 연장하는 단계; 및 e) 활물질이 기판 플레이트의 표면들 중 하나에 접합된 상태로 유지되고 전사 시트가 기판의 표면들 중 하나에 접합된 활물질의 표면 맞은 편에 활물질의 표면에 접합된 상태로 유지되도록, 가동 플레이트를 기판으로부터 멀리 몰드 내로 다시 후퇴시키는 단계를 포함한다.
여기서 개시되는 배터리 플레이트는 전기 저장을 위한 배터리 조립체에 유용하며, 다양한 환경에서 사용하기 위한 전기를 발생시키는데도 유용하다. 개시되는 배터리 조립체는 낮은 요건 부피 및 중량으로 높은 전력 입력을 제공하여, 높은 전력 밀도를 제공한다. 배터리 조립체는 품목에 액체 전해질이 수용되도록 물품의 외부 표면에 부적절한 손상없이 동작 중 생성되는 열 및 압력을 처리하도록 설계된다. 개시되는 배터리 플레이트 및 조립체는 종래의 재료, 공정을 이용하여 조립될 수 있고, 가용 패키징 공간에 기초하여 상이한 형상의 공간에 적응될 수 있으며, 가변적인 레벨의 에너지를 전달하기 위해 크기의 확장성을 갖는다. 장치는 중력 방향으로 아래를 향한다는 요건과 관련하여, 명시된 상부 및 하부의 배향 요건을 가지지 않는다. 개시되는 배터리 플레이트 및 방법은 기판의 하나 이상의 비평면 구조와 접촉하는 활물질(가령, 페이스트) 또는 활물질로부터의 먼지없이, 배터리 플레이트를 제조할 수 있다. 개시되는 배터리 플레이트 및 방법은 사이에 활물질없이 하나 이상의 다른 비평면 구조로 밀봉부를 형성할 수 있도록 활물질이 없는 비평면 구조를 가진다는 점에서 유리하다. 비평면 구조 사이에 활물질이 없기 때문에, 액체 전해질 및/또는 가스의 누설 경로 가능성이 방지되며, 따라서, 배터리 조립체의 회로 단락 가능성을 회피할 수 있다. 이 방법은 운영에 적은 자본이 필요하고 높은 처리량이 가능하다. 특히, 표면에 페이스트를 도포하기 위한 사이클 시간이 약 2초 이상, 약 15초 이하, 약 10초 이하, 또는 심지어 약 6초 이하이다.
도 1은 배터리 플레이트의 사시도이다.
도 2는 배터리 플레이트의 사시도이다.
도 3은 쌍극성 플레이트의 단면을 도시한다.
도 4는 쌍극성 플레이트의 단면을 도시한다.
도 5는 전사 시트 상에 페이스트를 전사하기 위한 몰드의 평면도를 도시한다.
도 6은 몰드의 가동 트레이 상에 위치된 페이스트가 도포된 전사 시트의 단면도를 도시한다.
도 7은 몰드를 갖는 배터리 플레이트를 제조하는 프로세스를 도시한다.
도 8a는 가동 플레이트를 갖는 몰드를 도시한다.
도 8b는 몰드 내에 위치된 전사 시트에 페이스트를 도포하는 것을 도시한다.
도 8c는 배터리 시트를 형성하기 위해 전사 시트 및 페이스트를 기판에 도포하는 것을 도시한다.
도 9는 배터리 플레이트 스택의 부분 분해도이다.
도 10은 배터리 플레이트 스택의 사시도이다.
도 11은 배터리 조립체의 단면도를 도시한다.
도 12는 엔드 플레이트를 갖는 배터리 조립체의 단부를 도시한다.
도 13은 막의 도포를 예시한다.
도 14는 배터리 조립체의 사시도이다.
도 15는 분리막의 평면도이다.
도 16은 배터리 조립체의 사시도이다.
도 17은 배터리 조립체의 평면도이다.
도 18은 도 17의 A-A 섹션을 따른 배터리 조립체의 단면도이다.
도 19는 도 17의 B-B 섹션을 따른 배터리 조립체의 단면도이다.
도 20은 도 17의 C-C 섹션을 따른 배터리 조립체의 단면도이다.
도 21은 배터리 조립체의 평면도이다.
도 22는 도 21의 E-E 섹션을 따른 배터리 조립체의 단면도이다.
도 23은 도 21의 섹션 F-F를 따른 배터리 조립체의 단면도이다.
도 24a는 분리막의 평면도이다.
도 24b는 도 24a의 분리막의 인서트의 확대도이다.
본 명세서에 제시된 설명 및 예시는 당업자에게 본 교시, 그 원리 및 실제 도포를 알기 위한 것이다. 제시된 본 교시의 특정 실시예는 본 교시를 철저하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 교시의 범위는 첨부된 청구 범위를 참조하여 그러한 청구 범위가 부여되는 등가물의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다. 특허 출원 및 공보를 포함한 모든 논문 및 참고 문헌의 개시는 모든 목적을 위해 참고로 포함된다. 다음의 청구 범위로부터 얻을 수 있는 다른 조합도 가능하며, 이는 또한 본 명세서에 참고로 포함된다.
배터리 플레이트(들)
본 발명은 쌍극성 플레이트, 단극성 플레이트, 이중극 플레이트(dual polar plate4s), 등 또는 이들의 임의의 조합으로 사용되기 유용한 배터리 플레이트에 관한 것이다. 배터리 플레이트는 하나 이상의 전극으로서 기능하고, 하나 이상의 전기 활물질을 포함하고, 전기화학 전지의 일부이거나, 하나 이상의 밀봉 구조물의 일부를 형성하거나, 또는 이들의 임의의 조합을 형성할 수 있다. 복수의 배터리 플레이트는 배터리 조립체 내에서 전류(즉, 이온 및 전자의 흐름)를 전도하는 기능을 할 수 있다. 복수의 배터리 플레이트는 하나 이상의 전기화학 전지를 형성할 수 있다. 예를 들어, 분리막 및/또는 전해질을 사이에 둘 수 있는 한 쌍의 배터리 플레이트가 전기화학 전지를 형성할 수 있다. 존재하는 배터리 플레이트의 수는 배터리의 원하는 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 배터리 조립체 설계는 생산할 수 있는 전압에 유연성을 제공한다. 복수의 배터리 플레이트는 임의의 원하는 단면 형상을 가질 수 있고, 단면 형상은 사용 환경에서 이용 가능한 패키징 공간에 맞도록 설계될 수 있다. 단면 형상은 시트의 면의 관점에서 플레이트의 형상을 지칭할 수 있다. 유연한 단면 형상 및 크기는 배터리가 사용되는 시스템의 전압 및 크기 요구를 수용하도록 개시된 조립체의 제조를 허용한다. 대향하는 엔드 플레이트는 그들 사이에 복수의 배터리 플레이트를 개재할 수 있다. 하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 비평면 구조를 포함할 수 있다.
비평면 구조는 배터리 플레이트의 표면의 형상이 플레이트가 기능할 수 있는 임의의 형상 일 수 있음을 의미할 수 있다. 비평면 구조는 배터리 플레이트의 평면 부분으로부터 돌출되거나 및/또는 배터리 플레이트 내로 움푹 들어가는 임의의 특징부일 수 있다. 비평면 구조는 배터리 플레이트가 비평면 배터리 플레이트 일 수 있음을 의미할 수 있다. 비평면 구조는 플레이트를 통과하는 임의의 평면에 대해 하나 이상의 만입 표면 및/또는 돌출 표면을 포함할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 규칙적이거나 불규칙적 인 형상 일 수 있다. 형상은 하나 이상의 오목하거나 볼록한 표면을 포함할 수 있다. 비평면 구조에는 직사각형, 원통, 반구, 피라미드, 톱니 등이 포함된다. 하나 이상의 비평면 구조는 하나 이상의 인서트, 보스(boss), 프레임, 돌출부, 개구부, 리브, 주름진 구조 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 하나 이상의 밀봉부, 채널 또는 둘 모두를 형성하도록 기능할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 일부일 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판, 배터리 플레이트 또는 둘 모두의 전체 표면적을 증가시키는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 주름진 표면을 갖는 기판은 비교적 평면인 표면을 갖는 기판보다 더 큰 표면적을 가질 수 있다. 표면적이 클수록 전압, 전류 또는 둘 다 증가할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 배터리 플레이트의 임의의 부분 내에 있을 수 있다. 배터리 플레이트의 스택 내에서, 배터리 플레이트의 평면 및/또는 비평면 구조는 이들이 형성을 돕는 전기화학 전지의 효율적인 기능을 제공하기 위해 동일할 수 있다. 복수의 배터리 플레이트는 하나 이상의 단극성 플레이트, 하나 이상의 쌍극성 플레이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 쌍극성 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 쌍극성 플레이트는 단일 또는 복수의 쌍극성 플레이트를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 복수는 플레이트가 하나보다 많음을 의미한다. 쌍극성 플레이트는 기판을 포함한다. 기판은 2 개의 대향면을 갖는 시트 형태 일 수 있다. 마주 보는면에는 캐소드와 애노드가 있다. 캐소드 및 애노드는 기판 상에 도포된 페이스트 형태 일 수 있다. 캐소드, 애노드 또는 둘 모두는 전사 시트를 포함할 수 있다. 쌍극성 플레이트는 하나의 스택으로 하나 이상의 스택으로 배터리 조립체 내에 배치될 수 있어, 하나의 쌍극성 플레이트의 캐소드는 다른 쌍극성 플레이트 또는 단극성 플레이트의 애노드와 대면하고, 각각의 쌍극성 플레이트의 애노드는 쌍극성 또는 단극성 플레이트의 캐소드와 대면한다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 단극성 플레이트 일 수 있다. 하나 이상의 단극성 플레이트는 단일 또는 복수의 단극성 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 단극성 플레이트는 복수의 배터리 플레이트의 각각의 대향 단부에 위치된 단극성 플레이트를 포함할 수 있다. 대향하는 단극성 플레이트는 그들 사이에 위치된 하나 이상의 쌍극성 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 단극성 플레이트는 하나 이상의 엔드 플레이트에 인접하여 위치될 수 있거나, 일부일 수 있거나, 또는 하나 이상의 엔드 플레이트 일 수 있다. 예를 들어, 각각의 단극성 플레이트는 인접한 엔드 플레이트와 인접한 쌍극성 플레이트 사이에 위치될 수 있다. 하나 이상의 단극성 플레이트가 하나 이상의 엔드 플레이트에 부착될 수 있다. 하나 이상의 단극성 엔드 플레이트는 미국 특허 제8,357,469호, 제9,553,329호, 및 미국특허출원 공보 제2017/0077545호 중 임의의 문헌에 교시된 바와 같이 엔드 플레이트게 고정될 수 있고, 그 전문이 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다. 하나 이상의 단극성 엔드 플레이트는 미국 특허 출원 공보 제2017/0077545호에 개시된 바와 같은 하나 이상의 보강 구조물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 단극성 플레이트는 하나 이상의 쌍극성 플레이트에 사용된 동일한 기판, 애노드 및 캐소드로부터 제조될 수 있다. 배터리 조립체의 하나의 단극성 플레이트는 캐소드가 배치된 기판을 가질 수 있다. 배터리 조립체의 하나의 단극성 플레이트는 애노드가 배치된 기판을 가질 수 있다. 캐소드, 애노드 또는 둘 모두는 기판 상에 도포된 페이스트의 형태 일 수 있다. 캐소드, 애노드 또는 둘 모두는 전사 시트를 포함할 수 있다. 애노드 또는 캐소드에 대향하는, 및/또는 엔드 플레이트를 향하는, 단극성 플레이트의 표면 또는 측면은 기판의 노출된 표면 일 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 이중극 플레이트를 포함할 수 있다. 이중극 배터리 플레이트는 하나 이상의 배터리 플레이트 스택을 하나 이상의 다른 배터리 플레이트 스택과 전기적으로 연결하는 것을 용이하게 하거나, 둘 이상의 스택의 제조 및 조립을 단순화시키며, 또는 둘 다를 수행하는 기능을 할 수 있다. 2 개 이상의 배터리 플레이트 스택을 전기적으로 연결하기 위해 이중극 플레이트 스택을 사용하는 경우, 배터리 플레이트의 개별 스택이 표준 크기(예를 들어, 다수의 플레이트 및/또는 전기화학 전지)로서 형성되어, 쌍극성 배터리 조립체를 형성하도록 조립될 수 있고, 쌍극성 배터리 조립체에 의해 발생된 전력을 증가 또는 감소시키기 위해 배터리 플레이트의 개별 스택의 수를 쉽게 변경시킬 수 있으며; 또는 둘다에 해당할 수 있다. 이중극 플레이트는 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판은 단일 기판 또는 복수의 기판을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판은 하나 이상의 전도성 기판, 하나 이상의 비전도성 기판, 또는이 둘의 조합을 포함할 수 있다. 복수의 전도성 기판은 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이중극 플레이트는 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판과 함께, 그 사이에 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 이중극 플레이트는 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 이중극 플레이트는 단일 전도성 기판을 포함할 수 있다. 이중극 플레이트의 하나 이상의 기판은 대향 표면을 포함한다. 대향 표면은 증착되거나 표면의 일부분과 접촉하도록, 애노드, 캐소드, 전류 전도체, 집전체 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 이중극 플레이트의 전도성 기판은 일 표면 또는 양 대향 표면 상에 증착된 애노드 또는 캐소드를 가질 수 있다. 대향 표면 상에 동일한 애노드 또는 캐소드를 갖는 것은 하나 이상의 스택의 다른 전류 전도체(예를 들어, 양 또는 음의 전류 도체 또는 단극성 플레이트의 단자)에 대한 단 하나의 전기적 연결(가령, 양의 또는 음의 전류 전도체를 통해)만을 요함으로써 제조과정을 단순화시킬 수 있다. 이중극 플레이트의 기판은 대향 표면 중 하나 또는 둘 모두에 배치된 집전체를 가질 수 있다. 집전체는 캐소드 또는 애노드와 기판의 표면 사이에 배치될 수 있다. 예시적인 이중극 플레이트 및 배터리 조립체로의 통합은 미국 특허 제9,685,677호, 제9,825,336호 및 미국 특허 출원 공보 제2018/0053926호에 개시되어 있고, 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 기판을 포함한다. 하나 이상의 기판은 캐소드 및/또는 애노드에 구조적 지지를 제공하도록 기능할 수 있고; 인접한 전기화학 전지 사이의 전해질의 흐름을 방지하기 위한 전지 구획으로서; 배터리의 외부 표면 상에 있을 수 있는 배터리 플레이트 에지 주위에 전해질 기밀 밀봉을 형성하기 위해 다른 배터리 구성 요소와 협력하며, 그리고 일부 구체 예에서, 전자를 일 표면에서 다른 표면으로 전달하는 기능을 한다. 기판은 기능 또는 배터리 화학에 따라 다양한 재료로 형성될 수 있다. 기판은 원하는 배터리 플레이트의 백본을 제공하기에 충분히 구조적으로 견고한 재료로 형성될 수 있으며, 배터리 구성에 사용된 임의의 전도성 재료의 융점을 초과하는 온도를 견딜 수 있고, 전해질(예를 들어, 황산 용액)과의 접촉 동안 높은 화학적 안정성을 가져서, 전해질과의 접촉시 기판이 분해되지 않게 된다. 기판은 적합한 재료로 형성될 수 있고/있거나, 기판의 한 표면으로부터 반대쪽 기판 표면으로 전기의 전달을 허용하는 방식으로 구성된다. 기판은 전기 전도성 재료, 예를 들어 금속 재료로 형성될 수 있고, 또는, 전기 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 예시적인 비전도성 재료는 열경화성 중합체, 탄성 중합체, 또는 열가소성 중합체와 같은 중합체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 중합체를 포함할 수 있다. 기판은 일반적으로 비-전도성 기판(예를 들어, 유전체 기판)을 포함할 수 있다. 비전도성 기판은 그 위에 또는 그 위에 구성된 전기 전도성 특징부를 가질 수 있다. 사용될 수 있는 중합체 재료의 예는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리에틸렌(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 고밀도 폴리에틸렌 및 저밀도 폴리에틸렌 포함), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 바이오계 플라스틱/바이오폴리머(예를 들어, 폴리락트산), 실리콘, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 또는 이들의 임의의 조합, 예컨대 PC/ABS(폴리 카보네이트 및 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌의 블렌드)를 포함한다. 복합 기판이 이용될 수 있다. 복합재는 당 업계에 통상적으로 알려진 섬유 또는 충전제와 같은 강화 물질; 열경화성 중합체의 주변부 주위로 열가소성 쉘 또는 열가소성 에지 및 열가소성 코어와 같은 2가지 종류의 중합체 재료; 또는 비전도성 중합체에 배치된 전도성 재료를 지닐 수 있다. 기판은 플레이트의 에지에 접착성, 바람직하게는 용융 접착성인 열가소성 물질을 포함하거나 가질 수 있다. 하나 이상의 기판은 하나 이상의 비평면 구조를 가질 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판과 일체형이거나 기판에 부착될 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 일부로서 성형될 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 하나 이상의 융기된 에지, 프레임, 인서트, 돌출부(protrusions), 돌출물(projections), 개구부 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 기판은 배터리 플레이트의 적층 및 전기화학 전지의 형성을 용이하게 하기 위해 주변에 대해 융기된 에지를 가질 수 있다. 이와 관련하여 사용된 융기 에지는 플레이트의 2 개의 대향 표면 중 적어도 하나 상에 융기된 에지를 의미한다. 융기된 에지는 다른 기판 재료 주위에 형성된 열가소성 에지부를 포함할 수 있다. 융기된 에지는 본원에 기술된 바와 같이 분리 판으로서 기능할 수 있다. 기판 또는 기판의 주변은 비전도성 재료 일 수 있고 열가소성 재료일 수 있다. 하나 이상의 기판은 프레임을 포함할 수 있다. 프레임은 융기 에지를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 기판 주위에 또는 기판 상에 통합된 프레임은 열가소성 재료와 같은 비전도성 재료로 구성될 수 있다. 비전도성 재료를 사용하면 배터리 스택 외부의 밀봉이 향상된다. 프레임은 그 안에 형성된 하나 이상의 조립 보조제를 포함할 수 있다. 조립 보조제는 전지 조립체를 형성하기 위해 적층하는 동안 하나 이상의 기판, 분리막 또는 둘 모두를 제자리에 정렬 및 유지시키는 기능을 할 수 있다. 조립 보조제는 하나 이상의 돌출부, 만입부 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프레임의 한 표면으로부터의 하나 이상의 수형 돌출부는 인접한 기판 및/또는 분리막의 프레임의 하나 이상의 암형 우물 내에 정렬되어 위치할 수 있다. 프레임의 하나 이상의 암형 우물은 하나 이상의 수형 돌출부로서 프레임의 반대면에 위치될 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 캐소드를 포함할 수 있다. 캐소드는 배터리에서 캐소드로서 기능할 수 있는 임의의 재료 일 수 있고 배터리에 일반적으로 사용되는 임의의 형태 일 수 있다. 쌍극성 플레이트는 애노드가 증착된 표면에 대향하는 표면 상에 캐소드를 포함할 수 있고, 이러한 캐소드는 다른 쌍극성 플레이트 또는 단극성 플레이트의 애노드에 대향하는 표면에 대향할 수 있다. 단극성 플레이트는 캐소드 또는 애노드 중 하나의 벗겨진 표면과 대향하는 표면, 또는, 엔드 플레이트에 인접한 표면에 대향하는 표면, 또는, 둘 모두에 증착되는 캐소드를 가질 수 있다. 캐소드는 또한 양성 활물질(PAM)로 지칭된다. 양성 활물질은 리튬 이온, 니켈 금속 수소화물 또는 납 산 이차 전지에 일반적으로 사용되는 전이 금속, 또는, 탄소, 납, 리튬의 복합 산화물, 설페이트 화합물, 또는 포스페이트 화합물을 포함할 수 있다. 복합 산화물의 예는 LiCoO2와 같은 Li/Co 계 복합 산화물, LiNiO2와 같은 Li/Ni 계 복합 산화물, 스피넬 LiMn2O4와 같은 Li/Mn 계 복합 산화물 및 LiFeO2와 같은 Li/Fe 계 복합 재료를 포함한다. 전이 금속 및 리튬의 예시적인 포스페이트 및 황 화합물은 LiFePO4, V2O5, MnO2, TiS2, MoS2, MoO3, PbO2, AgO, NiOOH 등을 포함한다. 캐소드 물질은 전기화학 전지에서 캐소드 물질이 캐소드로서 기능하게 하는 임의의 형태 일 수 있다. 예시적인 형태는 페이스트 형태로, 미리 제조된 시트 또는 필름으로 형성된 부분들을 포함한다. 배터리의 납산의 경우, 바람직한 캐소드 재료는 이산화 납(PbO2)이다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 애노드를 포함할 수 있다. 애노드는 배터리에서 애노드로서 기능할 수 있는 임의의 물질 일 수 있고, 배터리에 일반적으로 사용되는 임의의 형태 일 수 있다. 쌍극성 플레이트는 캐소드를 증착한 표면에 대향하는, 그리고, 쌍극성 플레이트 또는 단극성 플레이트의 캐소드와 대향하는, 표면을 갖는 애노드를 포함할 수 있다. 단극성 플레이트는 캐소드 또는 애노드가 없는 표면에 대향하는, 또는, 엔드 플레이트에 인접한 표면에 대향하는, 또는 둘 모두의 표면에 증착된 애노드를 가질 수 있다. 애노드는 또한 음성 활물질(NAM)로 지칭된다. 애노드 재료는 납산, 니켈 금속 수소화물 및 리튬 이온 배터리를 포함하여 이차 배터리에 사용되는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 애노드를 구성하는데 유용한 예시적인 재료는 납, 탄소 또는 리튬 및 전이 금속의 복합 산화물(예를 들어, 티타늄 산화물 또는 티타늄 및 리튬의 복합 산화물) 등을 포함한다. 납산 축전지 용 애노드 재료는 스폰지 납일 수 있다. 캐소드 물질은 전기화학 전지에서 캐소드 물질이 캐소드로서 기능하게 하는 임의의 형태 일 수 있다. 예시적인 형태는 페이스트 형태로, 미리 제조된 시트 또는 필름으로 형성된 부품을 포함한다. 페이스트 조성물은 특히 음성 활물질을 위한 탄소같은 전도성 첨가제 및 페이스트 안정성을 위한 다양한 리가노-유기 화합물, 강화를 위한 플록(floc) 또는 유리 섬유를 포함한 다수의 유리한 첨가제를 포함할 수 있다. 납산 배터리의 경우, 애노드 물질의 바람직한 형태는 스펀지 납이다. 애노드 및 캐소드는 전지를 포함하는 회로가 형성되면 전기화학 전지로서 기능하도록 함께 작동하도록 선택된다.
애노드 및/또는 캐소드는 임의의 원하는 형상 또는 두께 일 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드는 애노드 및/또는 캐소드가 배치된 기판, 전사 시트, 또는 둘 모두에 매칭, 비 매칭, 레시프로컬(reicprocal) 및/또는 논-레시프로컬 형상을 가질 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드는 기판, 전사 시트 또는 둘 다와 유사하게 형성된 비평면 구조를 가질 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드는 기판과 상이한 형상을 가질 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드는 애노드 및/또는 캐소드가 배치된 기판, 전사 시트 또는 이들 모두의 조합의, 하나 이상의 만입부, 돌출물, 개구부, 리브, 주름진 구조, 또는 그 조합들과 매칭 및 정렬되는 하나 이상의 만입부, 돌출부, 돌출물, 개구부, 리브, 주름진 구조, 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드의 한 표면은 대향 표면이 논레시프로컬(nonreciprocal)인 동안 기판, 전사 시트, 또는 둘 모두와 레시프로컬일 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드의 하나의 표면은 기판, 전사 시트, 또는 둘 모두와 레시프로컬일 수 있는 반면, 애노드 및/또는 캐소드의 대향 표면은 다른 전사 시트, 기판, 또는 둘 모두와 레시프로컬일 수 있다. 예를 들어, 기판 상에 배치된 애노드 및/또는 캐소드의 표면은 표면 기판과 레시프로컬일 수 있는 반면, 전사 시트 상에 배치된 동일 및/또는 캐소드의 표면은 전사 시트의 표면과 레시프로컬일 수 있다.
애노드 및/또는 캐소드는 각각에 걸쳐 동일한 두께를 가질 수 있거나 두께가 변할 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드는 약 0.3 mm 이상, 약 0.5 mm 이상, 또는 심지어 약 1 mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드는 약 3 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 심지어 약 1.5 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 기판의 한 표면과 전사 시트의 표면 사이에 배치된 음성 활물질 또는 양성 활물질 층의 두께는 균일하거나 특정 배터리 조립체에 대해 원하는 바에 따라 달라질 수 있다. 음성 활물질, 양성 활물질, 또는 둘 모두의 층에 걸친 두께는 약 0 % 이상, 약 25 % 이상, 또는 심지어 약 50 % 이상 변할 수 있다. 음성 활물질, 양성 활물질, 또는 둘 모두의 층에 걸친 두께는 약 90 % 이하, 약 80 % 이하, 또는 심지어 약 75 % 이하로 변할 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 전사 시트를 포함할 수 있다. 전사 시트는 예를 들어 몰드에 형성될 때와 같은 음성 활물질(예를 들어, 애노드) 또는 양성 활물질(예를 들어, 캐소드)의 하나의 표면을 한정하는 기능을 할 수 있어서, 몰드로부터 기판의 표면으로 음성 활물질 또는 양성 활물질 또는 둘 모두의 전사를 용이하게할 수 있다. 상기 음성 활물질 또는 양성 활물질의 표면에는 전사 시트가 배치될 수 있다. 전사 시트는 기판과 접촉하는 표면에 대향하는 음성 활물질 또는 양성 활물질의 표면 상에 배치될 수 있다. 전사 시트는 실질적으로 음성 활물질 또는 양성 활물질의 표면을 덮을 수 있다. 전사 시트 반대편의 음성 활물질 또는 양성 활물질의 표면은 기판과 접촉할 수 있다. 전사 시트는 몰드, 기판, 양성 활물질, 음성 활물질 또는 이들의 조합과 협력하기 위한 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 전사 시트는 평면, 비평면 또는 둘 다일 수 있다. 전사 시트는 하나 이상의 비평면 구조를 포함할 수 있다. 비평면 구조는 돌출부, 돌출물, 만입부, 개구, 리브, 주름진 구조 또는 이들의 조합 일 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 구조와 레시프로컬 또는 논-레시프로컬일 수 있다. 전사 시트는 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구부는 기판의 하나 이상의 개구부와 정렬될 수 있다. 개구부는 기판과 관련하여 설명된 것과 동일한 특징 중 하나 이상을 공유할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 구조와 논-레시프로컬일 수 있다. 예를 들어, 전사 시트는 주름진 구조를 가질 수 있지만 기판은 일반적으로 평면이다. 주름진 구조는 전사 시트 상에 도포된 양성 활물질 또는 음성 활물질의 표면이, 왕복 주름진 구조를 가지도록하는 반면, 반대 표면은 실질적으로 평면이고 기판과 등각을 이룬다. 몰드에 형성된 형상의 음성 활물질 또는 양성 활물질이 기판으로 전사될 때, 음성 활물질 또는 양성 활물질은 일면에서 기판으로 그리고 대향면에서 전사 시트로 접합된다. 음성 활물질 층 또는 양성 활물질 층은 기판의 한 표면과 전사 시트의 표면 사이에서 비교적 얇은 층일 수 있다. 따라서, 이러한 층의 에지는 비교적 얇고, 형성된 구조에 의해 보호될 수 있다. 예를 들어, 음성 활물질, 양성 활물질, 전사 시트 또는 이들의 임의의 조합의 에지는 배터리 플레이트, 기판 또는 둘 모두의 프레임에 의해 보호될 수 있다.
전사 시트는 하나 이상의 재료로부터 제조될 수 있다. 하나 이상의 재료는 부식에 저항하여, 양극으로부터 음극으로 및/또는 그 반대로, 똔느 이들의 임의의 조합으로, 이온의 전달을 가능하게 하는 기능을 할 수 있다. 전사 시트는 전해질의 존재 하에서 분해되지 않을 수 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 황산과 같은 전해질은 부식성이 있을 수 있다. 전사 시트는 다공성 일 수 있다. 다공성 물질은 이온을 함유하는 전해질이 전사 시트를 통과하게 하는 데 유리할 수 있다. 전해질이 통과하게함으로써, 전사 시트는 전기화학 전지의 일부로서 협력하여, 애노드 및 캐소드가 집합적으로 전자를 생성하는 기능을 하게 한다. 세공(pores)은 전사 페이스트가 전사 시트를 통과하지 않도록 적절한 크기를 가질 수 있다. 전사 시트는 전해질에 대한 노출을 견딜 수 있는 임의의 물질; 몰드베이스로부터 방출되어 음성 활물질 및 양성 활물질에 결합될 수 있는 물질; 양성 활물질 및 음성 활물질의 통과를 방지하는 물질; 및 원하는 세공을 형성할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 전사 시트의 세공은 원하는 세공 크기를 제공하는 임의의 수단에 의해 형성될 수 있다. 원하는 세공 크기는 미크론 범위 일 수 있다. 전사 시트의 세공의 세공 크기는 약 35 미크론 이상, 약 150 미크론 이상, 약 250 미크론 이상, 또는 심지어 약 500 미크론 이상일 수 있다. 전사 시트의 세공의 세공 크기는 약 2,000 미크론 이하, 약 1,500 미크론 이하, 약 1,000 미크론 이하, 또는 심지어 약 800 미크론 이하일 수 있다. 전사 시트는 직포(woven) 및 부직포(non-woven) 구조로 형성될 수 있다. 전사 시트는 세공을 도입하도록 가공된 적합한 재료의 시트로 형성될 수 있다. 세공을 도입하는 공정은 화학적 세공 형성제, 펀칭, 드릴링 등을 포함할 수 있다. 이러한 구조의 예에는 흡수성 유리 매트, 스크림(scrim), 페이스트 지(pasting papers), 전지룰로오스 등이 포함된다. 전사 시트는 유리 또는 중합체 재료로 제조될 수 있다. 유용한 중합체 재료는 폴리 에스테르, 폴리올레핀, 천연 또는 합성 고무, 천연 전지룰로오스, 합성 전지룰로오스 등일 수 있다. 전사 시트가 제조될 수 있는 예시적인 재료는 폴리에틸렌 분리막, 다공성 고무 분리막, 또는 둘 모두를 포함한다. 적합한 폴리에틸렌 분리막은 Entek의 RhinoHide 및 다양한 Daramic 재료를 포함할 수 있다. 적합한 다공성 고무 분리막은 Amerace, AGM, Hollingworth & Vose 등의 것일 수 있다. 전사 시트는 활물질을 적소에 유지시키는 기능을 하는 두께, 몰드로부터 기판으로의 전사를 허용하는 두께, 전해질 및 이온을 통한 전해질의 관통 전달을 가능하게 하는 두께, 또는 이들의 임의의 조합을 허용하는 임의의 두께를 가질 수 있다. 전사 시트의 두께는 약 10 ㎛ 이상, 약 250 ㎛ 이상, 또는 심지어 약 500 ㎛ 이상일 수 있다. 전사 시트의 두께는 약 4 mm 이하, 약 2 mm 이하, 또는 심지어 약 1 mm 이하일 수 있다.
표면에 음성 활물질 또는 양성 활물질을 갖는 쌍극성 플레이트 또는 단극성 플레이트는 활물질에 접합된 전사 시트를 가질 수 있다. 활물질은 전기 활물질, 캐소드, 애노드, 캐소드 또는 애노드에 결합된 전사 시트, 또는 이들의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 배터리 플레이트 및 배터리 조립체의 조립 전에, 전사 시트는 활물질을 보호하고, 활물질을 몰드로부터 기판으로 전달하는 것을 지지하고, 하나 이상의 비평면 구조가 활물질 내에 형성되도록 기능할 수 있거나, 이들의 조합으로 기능하도록 조합될 수 있다. 배터리 플레이트가 배터리 조립체의 일부로서 조립되면, 하나 이상의 전사 시트가 하나 이상의 전기화학 전지 내에 존재할 수 있다. 하나 이상의 전사 시트는 분리막과 함께 또는 분리막 대신에 기능하여 분리막의 기능을 수행할 수 있다.
배터리 조립체
배터리 조립체는 하나 이상의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 대향 양극 및 음극 쌍을 사이에 둔한 쌍의 대향 배터리 플레이트에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 전기화학 전지가 밀봉될 수 있다. 전기화학 전지의 공간(즉, 대향 애노드와 캐소드 쌍 사이)은 하나 이상의 분리막, 전사 시트, 전해질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지의 공간은 2 개의 전사 시트, 그 사이의 분리막 및 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지의 공간은 별개의 분리막이 없는 2 개의 전사 시트 및 전해질을 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 하나 이상의 채널 주위에 형성된 하나 이상의 밀봉부를 통해 밀봉될 수 있고; 배터리 플레이트의 하나 이상의 프레임 및/또는 에지, 분리막 또는 둘 모두; 및/또는 이들의 조합이 폐쇄된 전기화학 전지를 형성할 수 있다. 폐쇄된 전기화학 전지는 전지의 누설 및 단락을 방지하기 위해 환경으로부터 밀봉될 수 있다.
배터리 조립체는 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 전자와 이온이 애노드와 캐소드 사이를 흐르게할 수 있다. 전해질은 전기화학 전지 내에 위치될 수 있다. 하나 이상의 전기화학 전지가 밀봉될 수 있으므로, 전해질은 액체 전해질 일 수 있다. 전해질은 사용된 애노드 및 캐소드와의 전기화학적 반응을 용이하게 하는 임의의 액체 전해질 일 수 있다. 전해질은 수계 또는 유기계 일 수 있다. 본원에서 유용한 유기계 전해질은 유기 용매에 용해된 전해질 염을 포함한다. 리튬 이온 이차 전지에서, 리튬은 전해질 염에 함유되어야 한다. 리튬 함유 전해질 염의 경우, 예를 들어 LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiSO3CF3 및 LiN(CF3SO2)2가 사용될 수 있다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2 종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 유기 용매는 분리막, 전사 시트, 캐소드 및 애노드 및 전해질 염과 양립성이어야 한다. 고전압이 인가 되어도 분해되지 않는 유기 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트와 같은 카보네이트; 테트라 하이드로 푸란(THF) 및 2-메틸 테트라 하이드로 푸란과 같은 사이 클릭 에테르; 시 클릭 에스테르, 예컨대 1,3- 디옥솔란 및 4-메틸 디옥솔란; γ- 부티로 락톤과 같은 락톤; 설포란; 3- 메틸 설포란; 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 에톡시 메톡시 메탄 및 에틸디글림을 이용하는 것이 바람직하다. 이들 용매는 단독으로 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 액체 전해질에서 전해질의 농도는 바람직하게는 0.3 내지 5 mol/l이어야 한다. 일반적으로 전해질은 1 mol/l 부근에서 가장 높은 전도성을 나타낸다. 액체 전해질은 바람직하게는 전해질의 30 내지 70 중량 %, 특히 40 내지 60 중량 %를 차지해야 한다. 수성 전해질은 전지의 기능을 향상시키는 수성 산 또는 염을 포함한다. 바람직한 염 및 산은 황산, 황산나트륨 또는 황산 칼륨 염을 포함한다. 염 또는 산은 전지의 작동을 촉진하기에 충분한 양으로 존재한다. 농도는 전해질의 중량을 기준으로 약 0.5 중량 % 이상, 약 1.0 이상 또는 약 1.5 중량 % 이상일 수 있다. 납산 배터리에서 바람직한 전해질은 물 중의 황산이다. 전해질은 전기화학 전지의 하나 이상의 분리막, 전사 시트 또는 둘 다를 통과할 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 분리막을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 하나 이상의 분리막은 전기화학 전지를 분획(partition)(즉, 전기화학 전지의 캐소드를 전기화학 전지의 애노드로부터 분리 함)하도록 기능하고; 덴드라이트 형성으로 인한 전지의 단락을 방지하도록 기능하며; 액체 전해질, 이온, 전자 또는 이들 요소의 임의의 조합이 통과되도록 기능하고; 또는 이들의 임의의 조합이 가능하도록 기능한다. 언급된 기능들 중 하나 이상을 수행하는 임의의 공지된 배터리 분리막이 본 발명의 배터리 조립체에 이용될 수 있다. 하나 이상의 분리막이 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이에 위치될 수 있다. 하나 이상의 분리막은 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트 사이에 위치될 수 있으며, 이는 쌍극성 플레이트 사이 또는 쌍극성 플레이트와 단극성 플레이트 사이를 포함할 수 있다. 분리막은 다공성 중합체 필름, 유리 매트, 다공성 고무, 이온 전도성 겔 또는 목재와 같은 천연 물질 등과 같은 비전도성 물질로부터 제조될 수 있다. 분리막은 분리막을 통한 세공 또는 구불 구불한 경로를 함유할 수 있으며, 이는 전해질, 이온, 전자 또는 이들의 조합이 분리막을 통과하게 한다. 세공은 전사 시트의 세공 크기와 관련하여 본원에 기술된 바와 같이 크기가 정해질 수 있다. 분리막로서 유용한 예시적인 재료 중에는 흡수성 유리 매트 및 다공성 초고 분자량 폴리올레핀 막 등이 있다. 분리막은 하나 이상의 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 다른 분리막의 내부에, 및/또는 주변부에, 또는 이들의 임의의 조합으로, 부착될 수 있다. 분리막은 이를 통해 하나 이상의 포스트를 수용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 엔드 플레이트, 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 분리막의 스택을 통해 연장되는 하나 이상의 포스트는 복수의 배터리 플레이트의 스택 및 하나 이상의 분리막을 함께 보유할 수 있다. 분리막은 인접한 캐소드 및 애노드의 면적보다 큰 단면적 또는 표면적을 가질 수 있다. 더 큰 면적은 동일한 전기화학 전지의 캐소드로부터 애노드를 격리시킬 수 있게 한다. 분리막은 전지의 캐소드 부분을 전지의 애노드 부분으로부터 완전히 분리할 수 있다. 분리막의 에지는 인접한 배터리 플레이트의 주변 에지와 접촉할 수 있다. 전지의 애노드 부분을 전지의 캐소드 부분으로부터 완전히 분리시키기 위해, 분리막, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 에지는 그 위에 배치된 애노드 또는 캐소드를 갖지 않을 수 있다. 활물질을 전사 시트에 도포한 다음, 전사 시트를 기판에 도포하는 것은 분리막 및 배터리 플레이트의 에지에 활물질이 없은 것을 보장하는데 특히 유리할 수 있다. 전기화학 전지 내에 하나 이상의 전사 시트를 사용하면, 원하는 경우 전기화학 전지에 분리막이 없게할 수 있다.
하나 이상의 분리막은 프레임을 포함할 수 있다. 프레임은 인접한 배터리 플레이트의 에지 또는 프레임과 일치하도록 기능하고, 전기화학 전지와 배터리 외부 사이에 밀봉부를 형성할 수 있다. 프레임은 분리막에 부착되거나 분리막과 일체일 수 있다. 프레임은 분리막을 프레임에 결합시키고 전해질 용액에 대한 노출을 견딜 수 있는 임의의 수단을 사용하여 분리막을 형성하는 시트의 주변에 대해 분리막에 부착될 수 있다. 예를 들어, 프레임은 분리막의 주변에 대해 접착제 결합, 용융 결합 또는 프레임 성형에 의해 부착될 수 있다. 프레임은 공지된 성형 기술, 예를 들어 열 성형, 사출 성형, 로토 성형, 블로우 성형, 압축 성형 등에 의해 제자리에서 성형될 수 있다. 프레임은 사출 성형에 의해 분리막 시트 주위에 형성될 수 있다. 프레임은 배터리 플레이트용 기판의 주변에 배치된 융기 에지와 일치하도록 구성된 융기 에지를 포함할 수 있다. 분리막의 프레임 및 배터리 플레이트 기판 중 하나 또는 둘 모두에서 융기된 에지는 배터리 스택을 위한 공통 에지를 형성하고 전기화학 전지와 배터리 외부 사이의 밀봉을 향상시키기 위해 매칭될 수 있다. 전기화학 전지로부터 전해질 및 방출된 가스의 누출을 방지하기 위해 복수의 배터리 플레이트 및 하나 이상의 분리막의 에지를 밀봉하고, 단락을 방지하기 위해 전기화학 전지를 격리시키기 위해, 물품은 공동 소유의 미국 특허 공보 제2010/0183920, 2014/0349147, 2015/0140376 및 2016/0197373호에 개시된 바와 같은 엔도 또는 외골격 밀봉 시스템을 사용하여 밀봉될 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 인서트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 복수의 인서트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 다른 인서트와 맞물 리거나, 스택을 통과하는 하나 이상의 채널의 일부를 구획하거나, 하나 이상의 채널을 따라 누출 방지 밀봉부를 형성하고, 하나 이상의 밸브와 협력하거나, 또는 이들의 임의의 조합으로 작용할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 분리막 또는 이들의 임의의 조합의 일부일 수 있다. 하나 이상의 인서트는 활물질, 전사 시트 또는 둘 모두가 없을 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트, 엔드 플레이트, 분리막 또는 이들의 조합의 하나 이상의 인서트와 맞물리도록, 채널의 일부를 형성하고, 하나 이상의 채널을 따라 누출 방지 밀봉부를 형성하고, 하나 이상의 밸브 또는 이들의 임의의 조합과 협력하도록, 또는 이들의 조합으로 기능하도록, 임의의 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트는 엔드 플레이트, 배터리 플레이트의 기판, 분리막 또는 이들의 조합에 형성되거나 부착될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트, 분리막, 엔드 플레이트 또는 이들의 조합의 주변 내에 위치될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 기판, 분리막, 엔드 플레이트 또는 이들의 조합의 표면으로부터 돌출되어 하나 이상의 융기된 인서트를 형성할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트의 기판, 분리막의 중앙 부분, 또는 둘 모두로부터 돌출될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 기판, 분리막, 엔드 플레이트 또는 이들의 조합의 표면으로부터 실질적으로 직교하거나 비스듬히 돌출될 수 있다. 하나 이상의 인서트가 배터리 플레이트, 분리막, 엔드 플레이트의 일부분 또는 이들의 조합에 부착되거나 일체화될 수 있다. 표면과 일체형이고 표면으로부터 돌출된 인서트는 보스(boss)로 정의될 수 있다. 인서트가 그로부터 돌출하는 대향 표면은 보스의 형성을 허용하기 위해 레시프로컬 오목부를 가질 수 있다. 레시프로컬 오목부는 그 안에 다른 인서트를 수용할 수 있고, 따라서 채널의 형성을 허용한다. 하나 이상의 인서트는 관통하는 하나 이상의 개구부를 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트는 동심이며 하나 이상의 개구부 주위에 형성될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 개구부의 길이를 연장할 수 있다. 밀봉 표면은 하나 이상의 개구부의 외경과 하나 이상의 인서트의 내부 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판, 엔드 플레이트 및/또는 분리막의 표면은 인서트와 개구부 사이에 위치된 배터리 조립체의 종축에 실질적으로 수직 일 수 있고 밀봉 표면 일 수 있다. 하나 이상의 인서트는 인접한 배터리 플레이트, 분리막 및/또는 엔드 플레이트의 하나 이상의 인서트와 연동하여 채널 주위에 누출 방지 밀봉부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 배터리 플레이트는 분리막, 배터리 플레이트 및/또는 엔드 플레이트의 보스, 인서트, 슬리브 또는 부싱을 위해 인서트와 반대면에 매칭되는 오목부를 포함하도록 가공되거나 형성될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 활물질, 전사 시트 또는 둘 다의 하나 이상의 비평면 구조를 통과할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 인서트는 활물질 및 전사 시트의 개구부(예를 들어, 공극)를 통과하여 인접한 인서트와의 맞물림을 허용할 수 있다. 하나 이상의 적합한 인서트는 미국 특허 번호 8,357,469; 9,553,329; 및 미국 특허 출원 공개 번호 2017/0077545에 개시된 것일 수 있고, 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 통기구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리막의 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 통기구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 통기구는 하나 이상의 전기화학 전지로부터 하나 이상의 채널로 선택된 유체의 연통을 허용할 수 있다. 전기화학 전지 각각은 독립적으로 전기화학적으로 형성될 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구부는 복수의 개구부를 포함할 수 있다. 개구부는 하나 이상의 채널을 형성하도록; 하나 이상의 밀봉부를 수용하도록; 하나 이상의 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 분리막 또는 이들의 조합을 서로 부착하도록; 기능할 수 있고, 또는 이들의 임의의 조합으로 기능할 수 있다. 하나 이상의 개구부는 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 분리막, 활물질, 전사 시트 중 하나 이상으로 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있다. 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 분리막, 활물질, 전사 시트 또는 이들의 조합의 하나 이상의 개구부는 하나 이상의 다른 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 분리막, 활물질, 전사 시트, 또는 이들의 임의의 조합의 하나 이상의 개구부와 정렬될 수 있다(즉, 실질적으로 동심 일 수 있음). 하나 이상의 개구부는 배터리 조립체의 길이를 가로 질러 횡방향으로 정렬될 수 있다. 횡 방향은 물품의 종축에 실질적으로 평행할 수 있다. 횡 방향은 캐소드 및/또는 애노드가 증착될 수 있는 기판의 대향 표면에 실질적으로 수직 일 수 있다. 개구부는 기계 가공(예를 들어, 밀링)되거나, 기판의 제조 동안(예를 들어, 성형 또는 성형 작업에 의해) 형성되거나, 그렇지 않으면 달리 제조될 수 있다. 페이스트의 개구부는 페이스트 도포 프로세스 동안 형성될 수 있다. 개구부는 직선형 및/또는 매끄러운 내부 벽 또는 표면을 가질 수 있다. 기판에 형성된 개구부의 크기 및 빈도는 배터리의 저항률에 영향을 줄 수 있다. 하나 이상의 개구부는 관통 포스트를 수용할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 활물질 및/또는 전사 시트의 하나 이상의 개구부는 포스트, 인서트 또는 둘 모두를 수용할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 개구부는 약 0.2 mm 이상, 약 1 mm 이상, 약 2 mm 이상, 또는 심지어 약 5 mm 이상의 직경을 가질 수 있다. 개구부는 약 30 mm 이하, 약 25 mm 이하, 또는 심지어 약 20 mm 이하의 직경을 가질 수 있다. 전사 시트 및/또는 활물질(예를 들어, 페이스트)의 하나 이상의 개구부는 분리막, 기판, 배터리 플레이트, 엔드 플레이트 또는 이들의 조합의 개구부 및/또는 인서트의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 배터리 플레이트 및/또는 기판의 하나 이상의 개구부는 동일한 배터리 플레이트 및/또는 기판의 하나 이상의 다른 개구보다 큰 직경을 가질 수 있다. 개구부는 다른 개구부보다 약 1.5 배 이상, 약 2 배 이상, 또는 심지어 약 2.5 배 이상 더 클 수 있다. 개구부는 다른 개구부보다 약 4 배 이하, 약 3.5 배 이하, 또는 심지어 약 3 배 이하일 수 있다. 개구부는 cm2 당 약 0.02 이상의 개구부의 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 개구부는 cm2 당 약 4 개 미만의 개구의 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 개구는 cm2 당 약 2.0 개구 내지 cm2 당 약 2.8 개구의 밀도를 갖도록 형성될 수 있다.
하나 이상의 개구부는 전기 전도성 재료, 예를 들어 금속 함유 재료로 채워질 수 있다. 전기 전도성 재료는 기판의 열 분해 온도 미만의 온도에서 상 변환을 겪는 재료 일 수 있어서, 상 변환 온도보다 낮은 배터리 조립체의 작동 온도에서, 유전체 기판은 전기적으로 기판의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 물질 혼합물을 통한 전기 전도성 경로를 가진다. 또한, 상 변환 온도보다 높은 온도에서, 전기 전도성 재료 혼합물은 전기 전도성 경로를 통한 전기 전도성을 불가능하게 하는 상 변환을 겪는다. 예를 들어, 전기 전도성 재료는 땜납 재료 일 수 있거나 이를 포함할 수 있고, 예를 들어 납, 주석, 니켈, 아연, 리튬, 안티몬, 구리, 비스무트, 인듐 또는 은 중 적어도 하나 또는 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함한다. 전기 전도성 물질은 실질적으로 임의의 납이 없거나(즉, 기껏해야 사소한 양의 납을 함유) 기능적으로 작동하는 양의 납을 포함할 수 있다. 재료는 납과 주석의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주요 부분 주석 및 소량의 납(예를 들어, 주석 약 55 내지 약 65 중량비 및 납 약 35 내지 약 45 중량비)을 포함할 수 있다. 재료는 약 240 ℃ 미만, 약 230 ℃ 미만, 약 220 ℃ 미만, 210 ℃ 미만 또는 심지어 약 200 ℃ 미만(예를 들어, 약 180 내지 약 190 ℃)의 용융 온도를 나타낼 수 있다. 재료는 공융 혼합물을 포함할 수 있다. 개구부를 충전하기 위한 전기 전도성 재료로서 땜납을 사용하는 특징은, 땜납이 사용된 땜납의 유형에 따라, 연속적인 배터리 작동을 위해 안전하지 않을 수 있는 온도에서 용융되도록 조정될 수 있는 정의된 용융 온도를 갖는다는 것이다. 일단 땜납이 녹으면, 용융된 땜납을 포함하는 기판 개구부는 더 이상 전기 전도성이 아니며 개방 회로가 배터리 플레이트 내에서 발생한다. 개방 회로는 쌍극성 배터리 내의 저항을 극적으로 증가시켜 추가의 전기 흐름을 멈추고 배터리 내의 안전하지 않은 반응을 차단하도록 동작할 수 있다. 따라서, 개구부를 채우도록 선택된 전기 전도성 물질의 유형은 배터리 내에 이러한 내부 셧다운 메커니즘을 포함시키는 것이 바람직한 지 여부 및 만약 그렇다면 어떤 온도에서 그러한 내부 셧다운을 수행하는 것이 바람직한 지에 따라 변할 수 있다. 기판은, 소정의 조건을 초과하는 동작 조건의 경우에, 기판을 통한 전기 전도도를 방해함으로써 배터리의 동작을 디스에이블하도록 기능할 것이다. 예를 들어, 유전체 기판의 전기 전도성 물질 충전 홀은 기판을 가로 지르는 전기 전도성이 파괴되도록 상 변환(예를 들어, 용융될 것)을 겪을 것이다. 붕괴 정도는 기판을 통한 전기 전도 기능을 부분적으로 또는 심지어 완전히 불가능하게 하는 것일 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 배기, 충전 및/또는 냉각 채널로서 기능할 수 있으며; 하나 이상의 포스트를 수용할 수 있으며; 배터리 조립체의 내부에 하나 이상의 포스트를 분배하고; 액체 전해질이 하나 이상의 포스트 또는 다른 구성 요소와 접촉하는 것을 방지하고; 또는 이들의 임의의 조합으로 기능할 수 있다. 하나 이상의 채널은 정렬된 하나 이상의 엔드 플레이트, 배터리 플레이트 및/또는 분리막의 하나 이상의 개구부에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 활물질 개구부, 전사 시트 또는 둘 다를 통해 연장될 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 통합 채널로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 전기화학 전지를 통과할 수 있다. 하나 이상의 채널은 액체 전해질을 통과할 수 있다. 채널은 작동 중에 발생된 전해질 및 가스가 채널로 유입되는 것을 방지하기 위해 밀봉될 수 있다. 이 목적을 달성하는 임의의 밀봉 방법이 이용될 수 있다. 하나 이상의 엔드 플레이트, 배터리 플레이트 및 분리막의 인서트와 같은 하나 이상의 밀봉부는 액체 전해질이 하나 이상의 채널로 누출되는 것을 방지하기 위해 하나 이상의 채널을 인터로킹하고 둘러 쌀 수 있다. 하나 이상의 채널은 횡 방향으로 배터리 조립체를 통과하여 하나 이상의 횡 방향 채널을 형성할 수 있다. 채널의 크기 및 모양은 하나 이상의 포스트를 수용할 수 있는 임의의 크기 또는 모양 일 수 있다. 채널의 형상은 정사각형, 직사각형, 육각형 등과 같은 다각형, 원형, 또는 타원형일 수 있다. 하나 이상의 포스트를 수용하는 채널의 크기는 사용된 포스트를 수용하도록 선택된다. 채널의 직경은 하나 이상의 채널을 형성하도록 정렬되는 개구부의 직경과 동일할 수 있다. 하나 이상의 채널은 배치된 구성 요소에 일련의 개구부를 포함하여, 형성된 채널에 포스트가 배치될 수 있고, 따라서 유체는 냉각을 위해 및/또는 배기 및 충전을 위해 채널을 통해 전달될 수 있다. 채널의 수는 엔드 플레이트와 엔드 플레이트, 배터리 플레이트 및 분리막의 에지를 지지하도록 선택되어, 작동 중에 발생하는 전해질 및 가스의 누출을 방지하고, 작동 중에 발생하는 압축력이 개별 전기화학 전지의 구성 요소와 밀봉재의 손상을 방지할 수 있다. 작동 중에 발생된 압축력을 확산시키기 위해 복수의 채널이 존재할 수 있다. 채널의 수와 디자인은 밀봉부의 피로 강도를 초과하는 에지 응력(edge-stress forces)을 최소화하기에 충분하다. 복수의 채널의 위치는 작동 중에 발생된 압축력을 확산 시키도록 선택된다. 응력을 더 잘 처리하기 위해 채널이 스택을 통해 고르게 퍼질 수 있다. 복수의 채널은 약 2 mm 이상, 약 4 mm 이상 또는 약 6 mm 이상의 단면 크기를 가질 수 있다. 채널의 단면 크기의 상한은 실용적이다. 크기가 너무 크면 조립체 효율성이 떨어진다. 채널은 약 30 mm 이하, 약 25 mm 이하, 또는 심지어 약 20 mm 이하의 단면 크기를 가질 수 있다. 활물질의 비평면 표면은 보상 또는 개선된 효율을 허용하는 한편 채널은 더 큰 단면 크기를 갖는다. 예를 들어, 주름진 형태의 활물질은 증가된 표면적을 허용하여 배터리 조립체의 효율을 향상시킬 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 채널과 하나 이상의 포스트 사이의 밀봉부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 밀봉부가 채널 내, 채널 외부 및/또는 포스트 주위로 위치될 수 있다. 밀봉부는 작동 중에 발생된 전해질 및 가스가 전기화학 전지로부터 누출되는 것을 방지하는 임의의 재료 또는 형태를 포함할 수 있다. 밀봉부는 엔드 플레이트, 배터리 플레이트 및/또는 분리막 내의 막, 슬리브 또는 일련의 일치하는 인서트일 수 있고, 또는 채널 내에 삽입될 수 있다. 막은 엘라스토머일 수 있다. 채널은 플레이트 및/또는 분리막에 삽입되거나 통합된 일련의 슬리브, 부싱, 인서트 및/또는 보스에 의해 형성될 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 압축 가능하거나 서로 연동하여 채널을 따라 누출 방지 밀봉부를 형성할 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 제 자리에 몰딩되는 것과 같이, 배터리 플레이트 및/또는 분리막 내에 제자리에 형성될 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 사출 성형에 의해 제자리에서 성형될 수 있다. 밀봉부는 전해질에의 노출, 전기화학 전지의 작동 조건 및 포스트에 또는 포스트에 의해 채널에 가해지는 힘을 견딜 수 있는 임의의 재료로부터 제조될 수 있다. 포스트 및 기판에 유용한 것으로 기술된 바람직한 중합체 재료. 밀봉부는 쌍극성 플레이트와 단극성 플레이트 사이에 배치된 슬리브, 인서트 또는 부싱에 의해 형성될 수 있다. 슬리브 또는 인서트는 비교적 단단할 수 있으며 부싱은 일반적으로 탄성이 있다. 인서트, 보스, 슬리브 및/또는 부싱은 쌍극성 및 단극성 플레이트 및/또는 분리막의 오목부 내에 맞도록, 또는 하나 이상의 채널을 생성하는 플레이트의 개구부에 삽입되는 단부를 갖도록, 구성될 수 있다. 이중극, 쌍극 및 단극 플레이트는 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱에 대해 일치하는 오목부를 포함하도록 형성되거나 가공될 수 있다. 보스, 인서트, 슬리브 또는 부싱과 플레이트 스택을 조립하면 효과적으로 채널을 밀봉하기 위해 간섭 맞춤(interference fits)이 생성될 수 있다. 대안으로서, 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 접합부의 밀봉 부를 형성하도록 플레이트에 용융 결합되거나 접착 결합될 수 있다. 대안으로서, 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 채널을 밀봉하는 기능을 하는 코팅으로 내부에 코팅될 수 있다. 전술한 바와 같이, 포스트는 채널을 밀봉하도록 기능할 수 있다. 이들 밀봉 용액의 조합은 단일 채널 또는 상이한 채널에서 이용될 수 있는 것으로 고려된다. 이중극성, 단극성 플레이트 및 쌍극성 플레이트를 포함하는 플레이트 스택의 구성 요소는 동일한 형상 및 공통 에지를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 에지의 밀봉을 용이하게 한다. 분리막이 존재하는 경우, 이들은 일반적으로 횡채널의 형성 또는 생성을 수용하기 위해 배터리 플레이트와 유사한 구조를 갖는다. 밀봉부는 볼트와 횡 채널 사이에 주입된 에폭시, 폴리 우레탄 또는 아크릴 중합체와 같은 열경화성 중합체 일 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 분리막 내 개구부에 결합되고/되거나 개구부에 일체화된 인서트, 보스, 슬리브 및/또는 부싱에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널 내의 하나 이상의 포스트는 밀봉된 통로를 형성하기 위해 인서트, 홀, 보스, 슬리브 및/또는 부싱을 고정시키기에 충분한 압력을 가할 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 배터리 플레이트 및 하나 이상의 분리막에 결합 및/또는 통합된 인서트 및/또는 보스로부터 형성될 수 있다. 하나 이상의 포스트는 접착제 결합 또는 열가소성 중합체의 융합 또는 둘 다에 의해 배터리의 하나 이상의 인서트, 보스 및/또는 기판에 결합될 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 접착제에 의해 제자리에 끼워 맞춤되거나 접착되어 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 분리막에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 분리막 내의 인서트 및/또는 보스는 하나 이상의 전기화학 전지와 하나 이상의 채널 사이의 연통을 허용할 수 있는 하나 이상의 통기구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 통기구는 하나 이상의 전기화학 전지로부터 하나 이상의 채널로 가스의 전달을 허용하고 하나 이상의 전기화학 전지에서 하나 이상의 채널로의 하나 이상의 액체(즉, 전해질)의 전달을 방지할 수 있다.
배터리 조립체는 막을 포함할 수 있다. 막은 하나 이상의 엔드 플레이트, 복수의 배터리 플레이트, 하나 이상의 분리막, 하나 이상의 전사 시트, 하나 이상의 채널 또는 이들의 임의의 조합의 에지 주위를 밀봉하는 기능을 할 수 있다. 막은 엔드 플레이트, 배터리 플레이트 및 분리막의 에지를 밀봉하고 하나 또는 그 이상의 전기화학 전지를 격리시키는 임의의 수단에 의해 하나 이상의 엔드 플레이트, 복수의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 분리막의 에지에 결합될 수 있다. 예시적인 본딩 방법은 특히 접착제 본딩, 용융 본딩, 진동 용접, RF 용접 및 마이크로파 용접을 포함한다. 막은 재료가 엔드 플레이트, 단극성 플레이트 및 쌍극성 플레이트의 에지를 밀봉할 수 있고 전해질에 대한 노출 및 배터리가 내부 및 외부에 노출되는 조건을 견딜 수 있는 중합체 재료의 시트 일 수 있다. 배터리 플레이트의 기판에 유용한 동일한 재료가 막에 사용될 수 있다. 막은 단극성 및 쌍극성 플레이트의 기판 주위에서 용융 결합, 진동 용접 또는 성형될 수 있는 열가소성 중합체 일 수 있다. 단극성 및 쌍극성 기판 및 막에 동일한 열가소성 중합체가 사용될 수 있다. 예시적인 재료는 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌, ABS 및 폴리 에스테르이며, ABS가 가장 바람직하다. 막은 이들이 결합되는 스택의 측면의 크기 일 수 있고 막은 스택의 각 측면에 결합된다. 인접한 막의 에지는 밀봉될 수 있다. 에지는 접착제, 용융 결합 또는 성형 공정을 사용하여 밀봉할 수 있다. 막은 스택의 전체 주변을 감싸는 단일의 일체형 시트를 포함할 수 있다. 막은 선단 및 후단을 가질 수 있다. 선단은 스택과의 제 1 에지 접촉 일 수 있다. 후단은 스택에 도포된 막의 끝 또는 마지막 부분 일 수 있다. 선단 및 후단은 스택에 대해 막의 밀봉을 완료하기 위해 스택에, 서로에, 또는 둘 다에 결합될 수 있다. 이는 접착제를 사용하여, 용융 결합 또는 성형 공정에 의해 수행될 수 있다. 용융 결합에서, 막의 표면 및/또는 스택의 에지는 하나 또는 둘 모두의 표면이 용융되는 조건에 노출된 다음, 표면이 용융되는 동안 막 및 스택의 에지가 접촉된다. 표면으로서의 스택 본드의 막 및 에지는 구성 요소들을 함께 밀봉할 수 있는 본드를 형성하여 동결된다. 막은 연속적인 막 재료 시트로부터 취하여 원하는 길이로 절단될 수 있다. 막의 폭은 단극성 플레이트 및 쌍극성 플레이트의 스택 높이와 일치할 수 있다. 막은 단극 및 양극 시트의 스택의 에지를 밀봉하여 전지를 격리하기에 충분한 두께를 갖는다. 막은 또한 스택의 에지를 둘러싸는 보호 케이스로서 기능할 수 있다. 막은 약 1 mm 이상, 약 1.6 mm 이상 또는 약 2 mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 막은 약 5 mm 이하, 4 mm 이하 또는 약 2.5 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 막이 스택의 에지에 결합될 때, 전해질에 대한 노출 및 전지의 작동 조건을 견딜 수 있는 임의의 접착제가 사용될 수 있다. 예시적인 접착제는 플라스틱 시멘트, 에폭시, 시아노 아크릴 레이트 접착제 또는 아크릴 레이트 수지이다. 대안으로서, 막은 배터리 플레이트 스택의 일부 또는 전부에 대해 열가소성 또는 열경화성 물질을 성형함으로써 형성될 수 있다. 열 성형, 반응 사출 성형, 사출 성형, 로토 성형, 블로우 성형, 압축 성형 등을 포함하는 임의의 공지된 성형 방법이 사용될 수 있다. 막은 배터리 플레이트 스택의 일부 또는 전부에 대해 막을 사출 성형함으로써 형성될 수 있다. 막이 플레이트 스택의 일부 주위에 형성되는 경우, 배터리 플레이트 또는 배터리 플레이트 및 분리막의 에지 주위에 형성될 수 있다.
밀봉된 배터리 조립체는 형성된 배터리를 보호하기 위해 케이스에 배치될 수 있다. 대안으로서, 스택의 단부에서 단극성 플레이트 위의 보호 커버링과 함께 막이 배터리의 케이스로서 사용될 수 있다. 단극성 플레이트는 애노드 또는 캐소드의 반대면에 부착되거나 결합된 적절한 보호 커버를 가질 수 있다. 커버는 막과 동일한 물질일 수 있고, 또는 막에 접착 결합 또는 용융 결합될 수 있고 막에 대해 언급된 범위 내의 두께를 가질 수 있는 물질일 수 있다. 플레이트의 단부에 부착되면, 커버는 중첩 부분을 갖는 포스트를 포함하는 임의의 기계적 부착물로 고정될 수 있다. 케이스는 배터리 플레이트의 스택 및/또는 단극성 플레이트의 반대면에 대해 막을 성형함으로써 형성될 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 포스트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 포스트는 스택의 구성요소들의 가장지리 사이의 밀봉부의 파괴 또는 구성요소들에 대한 손상이 방지되도록하는 방식으로 구성요도들의 스택을 함께 보지하는 기능을 하고, 분리막 재료에 걸친 균일한 압축을 보장하는 기능을 하며, 분리막 재료의 균일한 두께를 보장하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 포스트는 각각의 단부 플레이트의 밀봉 표면과 같은 대향 단부 플레이트의 외부 표면과 맞 물리는 중첩 부분을 각각의 단부에 가질 수 있다. 중첩 부분은 스택의 구성 요소의 에지들 사이에서 밀봉부의 파손 또는 구성 요소의 손상을 방지하고, 배터리 동작 중 스택의 팽창 또는 다른 변위를 방지하도록 하는 방식으로, 대향하는 엔드 프레인트의 외부 표면 상에 압력을 가하도록 기능할 수 있다. 중첩 부분은 엔드 플레이트의 밀봉 표면과 접촉할 수 있다. 스택은 단극성 엔드 플레이트 위에 별도의 구조적 또는 보호형 엔드 피스를 가질 수 있고, 중첩 부분은 구조적 또는 보호형 엔드 피스의 외부 표면과 접촉할 것이다. 중첩 부분은 포스트와 연계하여 스택 구성 요소의 에지 사이에서 밀봉부의 파손 또는 구성요소의 손상을 방지하는 임의의 구조일 수 있다. 예시적인 중첩 부분은 볼트 헤드, 너트, 성형 헤드, 브래드(brads), 코터 핀(cotter pins), 샤프트 칼라(shaft collars) 등을 포함한다. 포스트는 전체 스택을 통과하는 길이이지만 이러한 길이는 원하는 배터리 용량에 따라 달라진다. 포스트는 채널을 채우도록 하는 단면 형상 및 크기를 나타낼 수 있다. 포스트는 하나 이상의 채널의 단면 크기보다 큰 단면 크기를 가질 수 있어서, 포스트는 하나 이상의 채널에 맞는 간섭 맞춤을 형성한다. 포스트의 수는 작동 중에 발생하는 전해질 및 가스의 누출을 방지하고 작동 중 발생하는 압축력이 개별 전기화학 전지의 구성 요소 및 밀봉 부를 손상시키는 것을 방지하고 밀봉부의 피로 강도를 넘는 에지-응력을 최소화시키기 위해, 기판의 에지 및 엔드 플레이트를 지지하도록 선택된다. 복수의 포스트는 작동 중에 발생된 압축력을 확산시키기 위해 존재할 수 있다. 하나 이상의 채널이 냉각 채널 또는 통기/충전 채널로 사용되는 경우 채널보다 포스트가 적을 수 있다. 예를 들어, 포스트가 위치된 3 개의 채널을 갖는 4 개의 채널이 있을 수 있고, 1 개의 채널이 냉각, 통기 및/또는 충전 채널로서 사용될 수 있다. 포스트는 필요한 기능을 수행하는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 포스트가 채널을 밀봉하기 위해 사용되는 경우, 사용된 재료는 전지의 작동 조건을 견딜 수 있도록 선택되어 전해질에 노출될 때 부식되지 않으며 전지의 작동 중에 발생하는 온도 및 압력을 견딜 수 있다. 포스트가 밀봉 기능을 수행하는 경우, 포스트는 언급된 조건을 견딜 수 있는 중합체 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 재료는 전지의 단락을 방지하기 위해 비-전도성이어야 한다. 포스트는 열경화성 중합체 또는 열가소성 재료와 같은 중합체 재료를 포함할 수 있다. 포스트는 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 열가소성 물질은 ABS(아크릴로 니트릴-부타디엔-스티렌 공중 합체), 폴리 프로필렌, 폴리 에스테르, 열가소성 폴리 우레탄, 폴리올레핀, 배합 열가소성 수지, 폴리 카보네이트 등을 포함한다. ABS가 가장 바람직하다. 채널이 개별적으로 밀봉되는 경우, 포스트는 원하는 기능을 수행하기 위해 구조적 일체성을 갖는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 상기 언급된 중합체 재료 중, 세라믹 및 금속이 사용될 수 있다. 적합한 금속은 강철, 황동 알루미늄, 구리 등일 수 있다. 포스트는 성형 포스트, 스레드 포스트 또는 하나 이상의 단부 부착물을 갖는 포스트를 포함할 수 있다. 포스트는 스택의 일부, 예를 들어 채널 내의 기판, 채널 내의 인서트 또는 보스 등에 결합될 수 있다. 결합은 열가소성 물질과 같은 중합체 물질의 접착제 또는 융합으로부터 형성될 수 있다. 하나 이상의 개구부는 나사 표면을 가질 수 있다. 나사산이 있는 경우, 하나 이상의 포스트가 나사산이 있는 개구부와 맞물 리도록 나사산이 형성될 수도 있다. 포스트는 너트, 브래드 용 홀, 코터 핀 등 또는 이들의 조합에 대향하는 일 단부의 헤드 또는 너트를 포함할 수 있다. 이것은 일반적으로 성형되지 않은 포스트의 경우이다. 포스트는 단축을 허용하지만 연장시키지는 않는 일방 래칭 장치(a one way ratcheting device)가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 포스트는 제 위치에 놓이고 스택이 압축될 때 포스트가 짧아 져서 스택의 압력을 유지한다. 이 실시예에서 포스트는 포스트가 짚 타이 유사 구조의 한 부분으로서 기능하도록 래칫을 용이하게 하는 융기부를 가질 수 있다. 매칭 너트 및/또는 와셔는 제 위치에 있을 때 인접한 플레이트를 압축하기 위해 포스트와 함께 사용될 수 있다. 너트 및/또는 와셔는 포스트 위로 편도를 지나고, 너트 및/또는 와셔가 포스트를 따라 다른 방향으로 이동하는 것을 방지하기 위해 융기부(ridges)가 존재할 수 있다. 사용시, 포스트의 홀은 인용된 기능을 수행하기 위해 적절한 브래드, 코터 핀 등을 가질 것이다. 포스트가 성형되면 별도로 또는 제자리에서 성형될 수 있다. 제자리에서 성형된 경우, 녹은 플라스틱을 제자리에 고정하기 위해 채널에 밀봉부가 존재해야 한다. 밀봉부는 인터 로킹 인서트, 또는, 그 내부의 개별 밀봉부 또는 둘 다에 의해 형성될 수 있다. 나사산을 가진 비전도성 포스트가 사용될 수 있고 필요한 밀봉을 제공할 수 있다. 대안으로서, 사전 성형된 비전도성 중합체 포스트는 채널을 밀봉하는 방식으로 채널에 간섭 끼워 맞춤을 형성하도록 설계될 수 있다. 포스트는 사출 성형과 같은 성형에 의해 제자리에 형성될 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 배터리 조립체의 내부로부터 진공을 끌어 당기고, 배터리 조립체를 전해질로 채우고, 및/또는 작동 중에 배터리 조립체를 통기시키는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 압력 해제 밸브, 체크 밸브, 충전 밸브, 팝 밸브 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 엔드 플레이트, 배터리 플레이트, 분리막 또는 이들의 임의의 조합의 하나 이상의 개구부에 의해 형성된 하나 이상의 채널에 연결 및/또는 연통할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 포스트를 통해 또는 포스트가없는 채널과 같은 채널과 연통될 수 있다. 물품은 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된 미국 특허 출원 공개 번호 2014/0349147에 기재된 바와 같은 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 전지가 위험한 내부 압력에 도달하면 하나 이상의 전지가 압력을 해제하기 위한 압력 해제 밸브를 포함할 수 있다. 압력 해제 밸브는 배터리와 함께 사용되는 시스템을 손상시키는 방식으로 치명적인 고장을 방지하도록 설계되었다. 압력 해제 밸브가 해제되면 배터리가 더 이상 작동하지 않는다. 개시된 조립체는 위험한 압력에 도달하거나 도달하기 전에 전체 조립체로부터 압력을 방출하는 단일 체크 밸브를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 적합한 밸브는 미국 특허 번호 8,357,469; 9,553,329; 9,685,677; 9,825,336; 및 미국 특허 출원 공개 번호: 2018/0053926에 개시되어 있으며, 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
물품은 하나 이상의 단자를 포함할 수 있다. 조립체는 하나 이상의 전도성 단자 쌍을 포함할 수 있으며, 각 쌍은 양극 및 음극 단자에 연결된다. 하나 이상의 단자는 전기화학 전지에서 생성된 전자를, 생성된 전자를 전기 형태로 이용하는 시스템으로 전달하는 기능을 할 수 있다. 단자는 각각의 배터리 스택을 부하에, 본질적으로 전지에서 생성된 전기를 이용하는 시스템에, 연결하도록되어있다. 하나 이상의 단자는 하나 이상의 엔드 플레이트, 하나 이상의 배터리 플레이트, 막, 및/또는 케이스를 통과할 수 있다. 하나 이상의 단자는 엔드 플레이트로부터 외부로 배터리 플레이트를 통과하거나, 또는 엔드 플레이트의 평면에 실질적으로 평행한 조립체 주위의 케이스 또는 막의 측면을 통과할 수 있다. 단자는 단극성 플레이트, 이중극 플레이트, 쌍극성 플레이트 또는 이들의 조합의 애노드 또는 캐소드의 극성과 일치한다. 단자는 조립체의 전도성 도관과 접촉한다. 캐소드 집전체를 갖는 단극성 플레이트의 캐소드 및 하나 이상의 쌍극성 플레이트의 캐소드는 독립적 인 양극 단자에 연결될 수 있다. 애노드 집전체를 갖는 단극성 플레이트의 애노드 및 하나 이상의 쌍극성 플레이트의 애노드는 독립적인 음극 단자에 연결될 수 있다. 캐소드 집전체가 연결될 수 있고, 애노드 집전체가 병렬로 연결될 수 있다. 개별 단자는 단일 연결된 양 단자 및 단일 연결된 음 단자만 노출된 상태로 막으로 덮일 수 있다. 일부 예시적인 적합한 단자 조립체는 미국 특허 번호 8,357,469; 9,553,329; 9,685,677; 9,825,336; 및 미국 특허 출원 공개 번호: 2018/0053926에 개시되어 있고, 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
배터리 조립체는 하나 이상의 전도성 도관을 포함할 수 있다. 전도성 도관은 캐소드와 접촉하는 집전체로부터 전자를 하나 이상의 양 단자로 전달하는 기능을 할 수 있다. 전형적인 쌍극성 배터리는 기판을 통해 전자를 전지에서 전지로 흐르게 한다. 기판은 전도성 물질을 적어도 부분적으로 포함하거나 기판을 통한 전도성 경로를 포함한다. 전지를 포함하는 회로가 닫힐 때 전자는 전지 간에 기판을 통해 양극 단자로 흐른다. 조립체는 기판 및 전지를 통해, 집전체를 통해 전류 전도체로, 또는 둘 모두로 전자를 흐르게할 수 있는 것으로 고려된다. 2 개 이상의 스택을 갖는 본 명세서에 개시된 배터리에서, 각각의 스택은 양 단자를 이용하여 캐소드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 전류 전도체 및/또는 전도 도관과, 음 단자를 이용하여 애노드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 전류 전도체 및/또는 전도 도관을 가진다. 2 개 이상의 스택으로부터의 전도성 도관은 병렬 또는 직렬로 배열될 수 있다. 병렬 회로는 서로 연결되지 않은 둘 이상의 회로를 포함한다. 직렬 회로는 전자가 회로를 통해 순차적으로 흐르도록 배열된 둘 이상의 회로를 포함한다. 전도성 도관이 직렬 구성으로 배열될 때, 배터리는 단지 하나의 음 단자 및 하나의 양 단자를 가질 수 있다. 전도성 도관이 병렬 방식으로 배열될 때, 배터리는 각각의 회로가 각각의 음 단자 또는 양 단자와 연결되는 단일 양 단자 및 음 단자를 가질 수 있다. 대안으로서, 각각의 회로는 별도의 음 단자 및 양 단자를 가질 수 있다. 단자는 일반적으로 배터리에 저장된 전기를 이용하는 부하에 연결될 수 있다. 병렬 배열로 캐소드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 각각의 전류 도체 및/또는 전류 도관은 별도의 양 단자와 접촉될 수 있다. 병렬 배열에서 애노드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 각각의 전류 도체 및/또는 전류 도관은 별도의 음의 단자와 접촉될 수 있다.
밀봉된 스택은 형성된 배터리를 보호하기 위해 케이스에 배치될 수 있다. 대안으로서, 스택의 단부에서 단극성 플레이트 위의 보호 커버링과 함께 막이 배터리의 케이스로서 사용될 수 있다. 단극성 플레이트는 애노드 또는 캐소드의 반대면에 부착되거나 결합된 적절한 보호 커버를 가질 수 있다. 커버는 막과 동일한 물질 또는 막에 접착 결합 또는 용융 결합될 수 있고 막에 대해 언급된 범위 내의 두께를 가질 수 있는 물질일 수도 있다. 플레이트의 단부에 부착되면, 커버는 중첩 부분을 갖는 포스트를 포함하는 임의의 기계적 부착물로 고정될 수 있다. 케이스는 단극성 플레이트의 대향 측부 및/또는 배터리 플레이트의 스택 주위로 막을 성형함으로써 형성될 수 있다.
배터리 조립체 사용
본 명세서에 개시된 배터리 조립체는 전기화학 전지를 포함하는, 부하에 부착하고 회로를 형성하는데 특히 유용하다. 전자는 단자에서 부하로, 부하에서 다시 단자로 흐를 수 있다. 부하는 전기를 사용하는 시스템 일 수 있다. 이 흐름은 전지가 전기를 생성할 수 있는 한 유지된다. 전지 스택이 완전히 방전되면 배터리는 추가 사용 전에 충전 단계를 거쳐야할 수 있다. 쌍극성 플레이트용 기판이 상 변형 온도 미만인 배터리 조립체의 작동 온도에서 전기 전도성 재료 혼합물을 함유하는 경우, 기판은 재료 혼합물을 통해 기판의 제 1 표면과, 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면 사이의 전기 전도성 경로를 가지며, 전도성 물질 혼합물의 상 변형 온도 이상의 온도에서, 전도성 물질 혼합물은 전기 전도성 경로를 통한 전기 전도성을 불가능하게 하는 상 변형을 겪는다. 이렇게 하면 예기치 않은 결과가 발생하기 전에 배터리가 비활성화될 수 있다. 배터리가 방전되면, 전자 공급원으로 회로를 형성함으로써 재충전될 수 있다. 충전하는 동안 전극이 기능을 변경하고 방전 중 애노드가 캐소드가 되고 방전 중 캐소드가 애노드가 된다. 본질적으로 전기화학 전지에서는 방전과 비교하여 전자와 이온이 반대 방향으로 흐른다.
배터리 플레이트 및 분리 플레이트의 에지는 전지로부터 전해질 및 방출된 기체의 누출을 방지하고 전지의 단락을 방지하기 위해 개별 전지를 격리시키기 위해 밀봉될 수 있다. 에지는 임의의 알려진 배터리 밀봉 방법을 사용하여 밀봉될 수 있다. 조립체의 에지는 공동 소유 특허 출원인 Shaffer, II, 외의 "Bipolar Battery Assembly", US 2010/0183920 A1호에 개시된 엔도 또는 엑소스켈레톤 밀봉 시스템을 사용하여 밀봉될 수 있고, 그 전문이 본원에 참조로 포함되었다. Shaffer, II, 외의 발명자에 의해 개시된 밀봉 시스템은 전술한 구조와 같은 쌍극성 배터리 라미네이트 구조를 위한 독특한 구조를 고려한다. 상기 방법으로부터의 여부에 관계없이, 구조는 일반적으로 제 1 분리막 프레임; 하나 이상의 에지와, 하나 이상의 음성 페이스트 프레임 에지 사이에서 연장되는 지지 그리드 구조 를 갖는 음성 페이스트 프레임 부재; 음성 집전 포일; 복수의 개구부가 형성된 기판; 양성 집전 포일; 하나 이상의 에지를 갖는 양성 페이스트 프레임 부재; 및 하나 이상의 양성 페이스트 프레임 에지와 제 2 분리막 프레임 사이에서 연장되는 지지 그리드 구조를 포함한다. 제 1 분리막 프레임은 하나 이상의 에지를 포함할 수 있다. 음성 페이스트 프레임 부재는 음성 페이스트 프레임 부재의 하나 이상의 에지가 분리막 프레임의 하나 이상의 에지와 평면 접촉하도록 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 기판은 또한 기판의 하나 이상의 에지가 음성 페이스트 프레임 부재의 하나 이상의 에지와 평면 접촉하도록 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 양성 페이스트 프레임 부재는 양성 페이스트 프레임 부재의 하나 이상의 에지가 기판의 하나 이상의 에지와 평면 접촉하도록 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 제 2 분리막 프레임은 분리막 프레임의 적어도 하나의 에지가 양성 페이스트 프레임 부재의 적어도 하나의 에지와 평면 접촉하도록 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 분리막 프레임, 음성 및 양성 페이스트 프레임 부재, 및 기판의 에지의 평면 접촉은 그 안에 도입된 전해질이 배터리 내에서 누출되지 않도록 배터리 상에 외부 밀봉부를 형성한다. 페이스트 프레임 부재의 에지는 분리막 프레임의 에지 상에 위치된 정렬 핀 또는 지지 부재를 수용하기 위한 개구부를 더 포함할 수 있다. 정렬 핀을 페이스트 프레임 부재상의 개구부 내로 위치시키는 것은 외부 밀봉부의 형성을 추가로 용이하게할 수 있다. 또한, 하나 이상의 분리막 프레임 및 하나 이상의 페이스트 프레임이 기판과 조합하여 각각의 인접한 프레임 및/또는 기판과 평면 접촉하여 프레임의 내부 구조가 되도록 프레임 구조가 사용될 수 있음이 예상되어, 배터리 전지는 액체 나 가스(공기)가 배터리를 빠져 나가지 못하도록 외부 밀봉을 생성한다. 페이스트 프레임 부재의 에지는 분리막 프레임의 에지 상에 위치된 정렬 핀 또는 지지 부재를 수용하기 위한 개구부를 더 포함할 수 있다. 정렬 핀을 페이스트 프레임 부재상의 개구부 내로 위치시키는 것은 외부 밀봉부의 형성을 추가로 용이하게할 수 있다. 따라서 배터리에 유입된 전해질은 배터리 누수 및 후속 배터리 고장의 위험없이 안전하게 유지된다. 또한, 배터리를 효과적으로 밀봉하기 위해 육중한 엔드 플레이트 또는 외부지지 구조물이 필요하지 않을 수 있다. 전술한 바와 같이, 페이스팅 프레임 부재는 페이스팅 프레임 부재의 에지 사이에 위치된 지지 부재(예를 들어, 핀)를 더 포함할 수 있다. 지지 부재의 사용은 배터리 내에서 압축 응력 및 그 결과 원치 않는 에지/필링 응력 문제를 해결하기 위한 하나의 접근법 일 뿐이다. 또한, 원하는 경우, 프레임 부재의 주변부 또는 에지에 핀을 추가하여 분리 프레임 부재를 정렬함으로써, 압축 동안 상하로 또는 전후로 활공할 수 있다. 원하는 경우, 쌍극성 배터리는 내골격 및 외골격 빌드 접근법의 조합을 사용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 쌍극성 배터리는 전술한 바와 같이 내부 지지 핀을 사용하여 구성될 수 있다. 이에 더하여, 프레임 구조는 모노폴의 단자 측에 배치될 수도 있다. 이러한 외부 배터리 구조는 심미적 인 박스의 일부로서 엔드 커버로 강화될 수 있다. 배터리 플레이트를 위한 기판은 서로에 대해 밀봉하기 위해 페이스팅 프레임으로 기능하는 기판의 주변에 대해 융기된 에지(예를 들어, 프레임)를 가질 수 있다. 융기된 에지는 또한 이용된다면 외부 막에 밀봉될 수 있다.
배터리 조립체는 내부 압력, 약 20psi 이상, 약 50psi 이상 및 약 100psi 이하로 인해 누출 또는 뒤틀림없이 10psi 이상의 내부 압력을 견딜 수 있다. 배터리 조립체는 약 6psi 내지 약 10psi의 내부 압력을 견딜 수 있다. 배터리 조립체는 킬로그램 당 약 34 와트 시간, 킬로그램 당 약 40 와트 시간, 또는 킬로그램 당 약 50 와트 시간의 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 본 교시의 배터리 조립체는 6, 12, 24, 48 또는 96 볼트와 같은 원하는 전압을 생성할 수 있다. 약 200V가 실제 상한이지만 전압은 더 높을 수 있다.
배터리 플레이트(들)를 제조하는 방법(들)
본원에 개시된 바와 같은 하나 이상의 배터리 플레이트, 배터리 조립체 또는 둘다는 다음 단계에 의해 제조될 수 있다.
쌍극성 플레이트, 이중극 플레이트, 단극성 플레이트 또는 이들의 조합에 유용한 기판은 성형되거나 절단될 수 있다. 기판이 비전도성 재료를 포함하면, 기판은 복합 기판으로 변환될 수 있다. 복합 기판은 전통적인 쌍극성 배터리 조립체에서 특히 유용할 수 있다. 기판을 복합 기판으로 변환하기 위해, 하나 이상의 홀(예를 들어, 개구)이 기판 내에 형성될 수 있다. 홀은 이들을 기판으로 몰딩하거나, 기판을 가공하여 홀, 임의의 다른 적절한 프로세스 또는 이들의 조합을 형성함으로써 형성될 수 있다. 개구부는 전도성 재료로 채워질 수 있다. 전도성 물질은 전술한 바와 같이 규정된 온도에서 용융되는 것일 수 있다. 이용되는 경우, 하나 이상의 전도체는 기판의 하나 이상의 면(예를 들어, 표면)에 부착될 수 있다. 하나 이상의 전도체는 하나 이상의 금속 시트, 스크린, 와이어, 포일 등 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다. 모든 목적을 위해 본 명세서에 전체적으로 포함된 미국 특허 제 9,553,329 호는 전기화학 전지 내에서 전자를 분산시키기 위한 이러한 전도체의 사용을 개시하고 있다. 금속 시트, 포일 또는 둘다는 접착제를 사용하여 기판에 결합될 수 있다. 예를 들어, 접착제는 니트릴 계 고무 시멘트 일 수 있다.
하나 이상의 활물질이 기판에 부착될 수 있다. 기판상의 활물질은 배터리 플레이트, 기판 또는 둘 모두가 전극 플레이트로서 기능하는 것을 가능하게 한다. 활물질은 기판의 하나 또는 양쪽 면(예를 들어, 표면)에 배치될 수 있다. 활물질은 기판에 직접 부착될 수 있거나, 기판 상에 위치된 도체(예를 들어, 금속 시트, 스크린, 와이어 및/또는 포일) 상에 부착될 수 있다. 활물질은 양성 활물질(예를 들어, 캐소드), 음성 활물질(예를 들어, 애노드) 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 단극성 플레이트의 한쪽면에만 활물질의 일 극성(예를 들어, 양성 또는 음성)만이 위치할 수 있다. 활물질의 상이한 극성은 쌍극성 플레이트의 대향 표면 상에 위치될 수 있다. 동일한 극성의 활물질이 이중극 플레이트의 대향 표면 상에 위치된다. 하나 이상의 활물질이 기판, 배터리 플레이트 또는 둘 다에 페이스트로서 도포될 수 있다. 활물질을 기판 상에 위치시키기 위해, 활물질의 페이스트 형태(예를 들어, 애노드, 캐소드)가 전사 시트에 도포될 수 있다. 전사 시트는 페이스트가 그 위에 도포될 때 몰드 내에 위치될 수 있다. 활물질을 몰드에 도포한 후, 페이스트가 위에 있는 전사 시트를 몰드로부터 이동시켜 기판, 그 위의 도체 또는 둘 다에 접촉시킬 수 있다. 기판, 도체 또는 둘 다와 접촉할 때, 활물질은 기판, 도체 또는 둘 다에 결합될 수 있다. 몰드는 전사 물질, 활물질 또는 둘 다에 추가 압력을 가하여 활물질을 기판, 도체 또는 둘 다에 접합시키는 것을 돕는다. 배터리 플레이트의 일부로서 활물질을 도포한 후, 전사 시트는 활물질에 결합된 상태로 유지되거나 제거될 수 있다. 전사 시트는 배터리 플레이트(예를 들어, 기판, 도체 또는 둘 다)에 결합된 활물질의 표면 반대편 표면상의 활물질(예를 들어, 페이스트) 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 쌍극성 플레이트의 경우, 전사 시트가 결합된 캐소드 페이스트가 기판의 한 표면에 도포되고, 전사 시트가 결합된 애노드 페이스트가 기판의 다른 대향 표면에 도포된다. 다른 예로서, 하나 이상의 단극성 플레이트의 경우, 전사 시트가 결합된 캐소드 페이스트 또는 애노드 페이스트가 기판의 한 표면에 도포되는 반면, 기판의 대향 표면에는 활물질이 없다. 다른 예를 들어, 하나 이상의 이중극 플레이트의 경우, 전사 시트가 결합된 캐소드 페이스트 또는 전사 시트가 결합된 애노드 페이스트가 기판의 표면에 결합되고, 동일한 극성(예를 들어, 양 또는 음)에 결합된다. 전사 시트가 결합된 동일 극성(가령, 양성 또는 음성)의 페이스트가 기판의 반대쪽 표면에 도포된다. 활물질을 기판에 부착하는 동안, 활물질 내의 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 하나 이상의 비평면 구조를 수용하거나, 이와 정렬되거나, 중첩되거나, 또는 이들의 임의의 조합으로 기능할 수 있다. 활물질 내에 형성된 하나 이상의 개구부는 기판의 하나 이상의 개구부, 인서트 또는 둘 모두와 정렬될 수 있다(예를 들어, 동심). 활물질 내에 형성된 하나 이상의 개구부는 관통하는 하나 이상의 인서트를 수용할 수 있다. 활물질 내에 형성된 하나 이상의 만입부(indentations), 웰(wells) 또는 둘다는 기판의 하나 이상의 돌출부(protrusions) 또는 돌출물(projections)을 수용할 수 있다. 기판의 하나 이상의 돌출부 또는 돌출물은 경화 동안 이에 결합된 활물질을 유지하는 것을 도울 수 있다. 활물질을 기판에 부착하는 동안, 활물질은 기판의 하나 이상의 비평면 구조를 등각으로 따를 수 있다. 예를 들어, 기판으로부터 돌출된 하나 이상의 돌출물은 활물질의 일부를 압축하거나, 변위하거나 또는 압축 및 변위할 수 있다. 돌출물 및/또는 만입부 중 일부는 활물질을 통과하지 못할 수 있으며, 활물질에 대한 기판, 배터리 플레이트 또는 둘 다의 결합을 향상시키는 기능을 할 수 있다. 활물질은 활물질의 도포 중 및/또는 후에 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 하나 이상의 부분과 접촉없이 유지될 수 있다. 활물질은 활물질의 하나 이상의 비평면 구조와 접촉하지 않는 상태로 유지될 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조와 접촉하지 않고 유지함으로써, 활물질은 배터리 조립체의 하나 이상의 구성 요소의 밀봉 또는 결합을 방해하지 않을 수 있다. 활물질은 기판의 하나 이상의 프레임, 융기된 에지, 돌출물, 인서트, 개구부, 또는 이들의 임의의 조합과 접촉하지 않을 수 있다. 전사 시트의 사용은 활물질이 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 하나 이상의 부분과 접촉하지 않도록 활물질을 기판 상에 배치하는 것을 제어할 수 있게 한다.
활물질 페이스트는 전사 시트에 도포된다. 페이스트는 몰드 내에 위치된 전사 시트에 도포될 수 있다. 이는 페이스트가 위에 있는 전사 시트가 나중에 하나 이상의 비평면 특징부가 형성된 기판, 또는 둘 모두에 용이하게 접착될 수 있게 한다. 몰드는 하나 이상의 가동 플레이트를 포함할 수 있다. 가동 플레이트는 전사 시트, 활물질 또는 둘 다를 이동시키는 기능을 할 수 있다. 가동 플레이트는 페이스트가 그 위에 도포되도록 페이스트 도포 위치(예를 들어, 노즐, 압출기) 아래로 전사 시트를 이동시킬 수 있다. 가동 플레이트는 전사 시트, 활물질, 또는 둘 모두를 기판을 향해, 또는, 몰드의 공동(예를 들어, 네스트)으로부터 멀어지도록, 또는 두 방향 모두를 따라 이동할 수 있다. 가동 플레이트는 하나 이상의 운반 요소에 의해 몰드 내에서 움직일 수 있다. 하나 이상의 운반 요소는 가동 플레이트 아래, 인접하게 또는 위에 위치될 수 있다. 하나 이상의 운반 요소는 전사 시트, 활물질 또는 둘 다가 가동 플레이트 상에 배치될 수 있도록 적절한 곳에 배치될 수 있으며; 가동 플레이트는 기판을 향해 이동될 수 있고; 가동 플레이트는 전사 시트, 활물질, 또는 둘 모두에 압력을 가하여 기판, 배터리 플레이트, 도체, 또는 이들의 조합에 결합될 수 있다. 하나 이상의 운반 요소는 하나 이상의 롤링 요소, 예를 들어, 하나 이상의 개별 볼 전달 유닛(즉, 드롭 인, 플랜지 마운트, 리세스, 스터드 마운트 등), 볼 전달 테이블, 볼 전달 레일, 하나 이상의 중력 롤러, 하나 이상의 자동화된 롤러, 롤러 컨베이어, 플랫 탑 컨베이어 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 가동 플레이트는 몰드의 반송 시스템 상에 위치될 수 있다. 운반 시스템은 가동 플레이트가 몰드의 압출 부(예를 들어, 노즐)를 향하도록, 또는 멀어지도록, 또는 둘 다에 해당하도록 이동될 수 있게 한다. 가동 플레이트는 하나 이상의 연장 요소에 의해 몰드 내에서 움직일 수 있다. 하나 이상의 연장 요소는 공동 내에서 가동 플레이트를 들어 올리는 기능을 할 수 있으며; 가동 플레이트를 공동 내로 후퇴시키고; 공동 외부에서 가동 플레이트를 들어 올리고; 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두를 향해 가동 플레이트를 들어 올리고; 가동 플레이트에 압력을 가하여 전사 시트 및/또는 활물질에 압력을 가하고; 또는 이들의 임의의 조합을 행하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 연장 요소는 공동의 외부에서 가동 플레이트를 들어 올리고, 가동 플레이트가 전사 시트 및 활물질을 배터리 플레이트 상으로 이동할 수 있게 하는데 적합한 곳에 위치할 수 있다. 하나 이상의 연장 요소가 가동 플레이트 아래에 위치될 수 있으며; 공동, 전사 시트, 활물질 아래 또는 이들의 조합으로 위치할 수 있다. 하나 이상의 연장 요소는 유압식, 기계식 및/또는 공압식 리프팅 메커니즘을 포함할 수 있다. 가동 플레이트는 몰드의 베이스 내에 위치될 수 있다. 가동 플레이트는 형성된 전극 페이스트를 몰드 밖으로 완전히 이동시켜 기판과 접촉하도록 충분히 멀리 이동할 수 있다. 기판은 몰드의 개구부의 반대편에 위치될 수 있다. 개구부는 몰드의 네스트의 개구부일 수 있다.
가동 플레이트는 활물질이 도포될 기판의 형상과 일치하는 형상을 가질 수 있다. 매칭은 기판의 형상과 실질적으로 레시프로컬인 형상을 갖는 것을 의미할 수 있다. 가동 플레이트는 기판의 구조와 실질적으로 일치하는 하나 이상의 비평면 구조를 형성할 수 있다. 가동 플레이트는 기판의 하나 이상의 유사한 특징 부와 일치하는 하나 이상의 돌출물, 만입부, 인서트, 프레임, 융기된 에지, 개구부 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 가동 플레이트는 기판의 단면적 이하의 단면적 및/또는 표면적을 가질 수 있다. 단면 및/또는 표면적은 기판, 전사 시트, 또는 둘 모두를 향하는 표면의 면적 일 수 있다. 가동 플레이트는 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 하나 이상의 프레임의 내부, 융기된 에지, 또는 둘 모두에 의해 정의된 단면적보다 작은 단면적을 가질 수 있다. 가동 플레이트는 활물질을 기판, 도체, 배터리 플레이트 또는 이들의 조합 상에 위치시킬 때, 하나 이상의 프레임, 융기된 모서리 또는 둘 다에 의해 정의된 영역 내에 끼워맞춰질 수 있다. 프레임, 융기된 에지 또는 둘 다에 의해 정의된 것보다 작은 단면적 또는 표면적을 가짐으로써, 가동 플레이트는 활물질 및 프레임, 융기된 에지 또는 둘 다 사이의 접촉을 방지할 수 있다. 가동 플레이트의 일부는 실질적으로 평평할 수 있다. 가동 플레이트는 하나 이상의 상이한 인서트를 수용하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 몰드의 공동 내로 연장될 수 있다.
몰드는 가동 플레이트가 상주하는 공동을 추가로 포함한다. 공동은 가동 플레이트, 인서트, 전사 시트, 활물질 또는 이들의 임의의 조합을 유지하는 기능을한다. 공동은 하나 이상의 벽에 의해 구획된다. 하나 이상의 벽은 공동을 귀획하기 위해 가동 플레이트의 주변을 둘러쌀 수 있다. 하나 이상의 벽은 가동 플레이트에 대해 실질적으로 수직이거나 오프셋될 수 있다. 벽의 각도는 전사 시트, 기판, 배터리 플레이트를 향해, 공동 내로 또는 이들의 임의의 조합으로 가동 플레이트의 표면에 대해 측정될 수 있다. 몰드의 벽은 본원에 기술된 배터리 플레이트의 형상과 일치하도록 원하는 임의의 형상의 전극을 형성할 수 있다. 충전 단계 동안 몰드가 이동하는 경우, 벽이 분배 노즐 아래에 있을 때 및전극 페이스트의 분배를 막을 만큼 충분히 두껍고, 노즐이 벽과 접촉하지 않을 때 페이스트가 몰드 내로 분배된다. 공동은 네스트로 정의될 수 있다. 네스트는 가동 플레이트, 전사 시트, 활물질 또는 이들의 조합을 유지하는데 특히 유용할 수 있다. 네스트는 활물질이 전사 시트 상에 위치되도록 활물질이 배치되는 영역 일 수 있다.
몰드는 하나 이상의 커버를 가질 수 있다. 커버는 몰드, 공동, 또는 둘 모두를 부분적으로 폐쇄할 수 있고; 공동, 가동 플레이트, 전사 시트, 활물질 또는 이들의 조합을 잔해 및 오염물로부터 보호하며; 몰드의 압출부와 협력하고; 이를 통해 활물질을 수용하며; 활물질의 분산을 안내하는 기능을 할 수 있고; 또는 이들의 임의의 조합을 구현할 수 있다. 각각의 공동은 각각의 커버를 갖거나 커버를 공유할 수 있다. 커버는 가동 플레이트의 반대편에 위치할 수 있다. 커버는 공동을 적어도 부분적으로 폐쇄할 수 있다. 커버는 공동 내의 활물질에 형상을 부여할 수 있다. 활물질은 활물질이 커버와 접촉하도록 공동을 채울 수 있다. 커버는 활물질이 도포될 기판, 배터리 플레이트 또는 둘 모두의 형상과 실질적으로 일치하는 형상을 가질 수 있다. 일치(매칭)는 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 형상과 실질적으로 역상(reciprocal)인 형상을 의미할 수 있다. 커버는 기판의 구조와 실질적으로 일치하는 하나 이상의 비평면 구조를 형성할 수 있다. 몰드의 하나 이상의 인서트가 커버와 접촉하거나 근접할 수 있다. 커버는 활물질 내에 하나 이상의 비평면 구조를 형성하기 위해 하나 이상의 인서트와 협력할 수 있다. 커버는 하나 이상의 오리피스를 포함할 수 있다. 하나 이상의 오리피스는 활물질을 수용하고, 몰드의 압출 부분과 협력하고, 활물질을 공동 내로 주입하거나, 또는 이들의 임의의 조합을 허용하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 오리피스의 형상 및 크기는 페이스트를 몰드에 도포하는 공정에 따라 조정될 수 있다. 충전하는 동안 몰드가 고정 상태이면, 오리피스의 수 및 오리피스의 크기는 이 공정을 위해 조정될 수 있다. 커버는 단일 오리피스 또는 복수의 오리피스를 포함할 수 있다. 복수의 오리피스가 커버를 가로 질러 균일하게 퍼져서 활물질이 공동으로 고르게 분포될 수 있게 한다. 충전하는 동안 몰드가 움직이면, 하나 이상의 오리피스가 길어질 수 있다. 연장된 오리피스는 이동 방향으로 몰드의 길이를 가로 질러 연장될 수 있다. 몰드는 전극의 설계 기준에 따라 균일한 두께 또는 다양한 두께의 활물질을 형성하도록 설계될 수 있다.
활물질(예를 들어, 액티브)을 배터리 플레이트의 한 표면에 도포하는 공정은 일반적으로: a) 몰드 내의 가동 플레이트 상에 전사 시트를 배치하는 단계; b) 몰드 위의 커버를 닫는 단계; 전기 활물질이 몰드 벽, 가동 플레이트 및 커버에 의해 형성된 형상의 층을 형성하도록, 커버의 하나 이상의 오리피스를 통해 전극을 형성할 수 있는 물질을 가동 플레이트상의 전사 시트에 주입하는 단계; 몰드 위에서 커버를 제거하는 단계; 전극 재료가 위치되기 원하는 기판의 표면 중 하나의 영역의 영역이 몰드의 활물질과 정렬되도록 몰드의 개구부 위에 전극 기판을 배치하는 단계; 활물질이 기판과 접촉하고 기판과의 결합을 형성할 때까지 몰드의 개구부를 통해 가동 플레이트를 이동시키는 단계; 및 활물질이 기판 플레이트의 표면들 중 하나에 결합된 상태로 유지되고 전사 시트가 기판 표면들 중 하나에 결합된 활물질의 표면의 반대편인 활물질 표면에 결합되도록, 가동 플레이트를 기판으로부터 몰드의 바닥으로 이동시키는 단계를 포함한다. 쌍극성 플레이트의 제조에서, 공정은 제 2 몰드의 제 2 가동 플레이트 상에 제 2 전사 시트를 배치하는 단계; 제 2 몰드의 커버를 제 2 몰드 위에 배치하는 단계; 상기 제 2 몰드의 커버의 하나 이상의 오리피스를 통해 상기 제 2 가동 플레이트 상의 상기 제 2 전사 시트에 전극을 형성할 수 있는 제 2 활물질을 주입하여, 상기 제 2 활물질이 상기 제 2 몰드의 커버, 제 2 가동 플레이트, 및 제 2 몰드 벽에 의해 형성되는 형상의 층을 형성하는 단계; 제 2 몰드 위에서 커버를 제거하는 단계; 전극 기판을 제 2 몰드의 개구부 위에 배치하여, 제 2 활물질이 위치하고자하는, 제 1 활물질이 결합되는 표면과 반대인 기판의 제 2 표면의 영역이 제 2 몰드 내 제 2 활물질과 정렬되는 단계; 상기 제 2 전극 재료가 상기 기판의 대향 표면과 접촉되어 기판의 대향 표면과 결합을 형성할 때까지 제 2 몰드의 개구부를 통해 제 2 가동 플레이트를 이동시키는 단계; 및 상기 가동 플레이트를 상기 기판으로부터 상기 몰드의 바닥으로 멀리 이동시켜, 상기 제 2 전극 재료가 상기 기판 플레이트의 대향 표면 중 하나에 결합된 상태로 유지되고, 상기 제 2 전사 시트가 기판의 대향 표면에 결합된 전극 재료의 표면에 대향된 제 2 전극 재료에 결합되는 단계를 더 포함한다. 페이스트를 표면에 도포하기 위한 사이클 시간은 약 2 초 이상, 약 15 초 이하, 약 10 초 이하, 또는 심지어 약 6 초 이하일 수 있다.
전사 시트는 페이스트가 가동 플레이트의 표면과 접촉하는 것을 방지하고 페이스트를 기판으로 완전히 전사할 수 있도록 전체 가동 플레이트를 덮을 수 있다. 전사 시트의 삽입 후 커버는 몰드 위로 닫힐 수 있다. 페이스트는 그 후 페이스트를 주입하기 위해 하나 이상의 주입 노즐을 사용하여 커버 내의 하나 이상의 오리피스를 통해 몰드 내로 주입될 수 있다. 하나 이상의 노즐은 몰드 내로의 페이스트의 흐름을 제어하기 위해 하나 이상의 오리피스 주위에 밀봉된다. 컨베이어 벨트상에서와 같이 몰드가 움직이면, 몰드는 사출 노즐 아래에서 움직일 수 있고 오리피스는 이동 방향으로 길어질 수 있다. 몰드는 주입된 페이스트를 배터리 플레이트와 함께 사용하기 위해 원하는 형상의 활물질로 성형할 수 있다. 하나 이상의 오리피스를 통해 활물질을 펌핑함으로써 몰드 내로의 압출을 시작할 수 있다. 펌핑 작업을 중지하여 몰드로의 압출을 중지할 수 있다. 활물질은 비교적 낮은 압력에서 몰드(예를 들어, 공동) 내로 주입될 수 있다. 활물질은 약 50psi 이하, 약 40psi 이하, 또는 심지어 약 30psi 이하의 압력으로 몰드에 주입될 수 있다(예를 들어, 몰드 라인을 통해). 활물질은 약 10psi 이상, 약 15psi 이상, 또는 심지어 약 20psi 이상의 압력으로 몰드 이송 플레이트에 주입될 수 있다. 활물질이 주입되고 활물질이 원하는 형상으로 형성된 후에, 커버는 몰드로부터 제거될 수 있다. 기판은 몰드 반대편에 배치되고, 페이스트가 기판 및/또는 기판 상에 배치된 전극과 접촉될 때까지 가동 플레이트가 기판의 방향으로 이동된다. 기판 및/또는 기판상의 전극은 페이스트의 본딩을 향상시키기 위해 기판의 표면 및/또는 기판상의 전극을 거칠게 만들도록 처리될 수 있다. 이들 표면을 거칠게 하는 임의의 공지된 방법이 이용될 수 있다. 기판은 활물질이 기판상의 원하는 위치에 놓이도록 가동 플레이트와 정렬될 수 있다. 가동 플레이트는 활물질과 기판 및/또는 배터리 플레이트 사이의 결합을 형성하기에 충분한 시간 동안 기판 및/또는 배터리 플레이트와 접촉하여 유지될 수 있다. 그 후, 가동 플레이트는 몰드(예를 들어, 공동) 내로 다시 수축되어, 활물질이 기판 및/또는 배터리 플레이트의 기판 상에 결합된 상태로 남게할 수 있다. 가동 플레이트를 배터리 플레이트으로부터 후퇴시킨 후, 전사 시트는 활물질에 결합된 상태로 유지될 수 있다. 배터리 플레이트, 기판 또는 둘다의 한 표면에 활물질이 도포되면 단극성 플레이트가 될 수 있다.
쌍극성 플레이트, 이중극 플레이트 또는 둘 다를 제조하기 위해; 활물질은 후속 몰드(예를 들어, 공동)에서 성형될 수 있다. 후속 몰드에서 제조된 활물질은 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 대향 표면에 배치된 활물질일 수 있다. 상이한 극성 또는 동일한 극성의 활물질이 제 2 또는 후속의 몰드(예를 들어 공동)에 주입될 수 있다. 쌍극성 플레이트를 형성하기 위해, 활물질은 그 위에 이미 도포된 활물질의 극성과 반대되는 극성 일 수 있다. 이중극 플레이트를 형성하기 위해, 활물질은 그 위에 이미 도포된 활물질의 것과 동일한 극성 일 수 있다. 캐소드 또는 애노드를 형성하는데 유용한 활물질의 극성은 제 1 몰드로부터 제 1 전극을 제조하는데 사용되고, 제 2 몰드는 애노드 또는 캐소드의 대향 전극을 형성하는데 사용된다. 통상적으로 캐소드가 먼저 도포될 수 있지만, 전극 중 어느 하나가 먼저 도포될 수 있다. 제 2 전극은 제 1 전극과 동일한 방식으로 형성된다. 전극들은 양쪽에서 동일한 두께 또는 형상을 가질 수 있다. 전극은 대향 측면에서 상이한 형상 또는 두께를 가질 수 있다. 제 2 전극을 형성한 후, 기판 및/또는 그 위에 활물질을 배치하지 않은 전극의 표면이 제 2 몰드와 반대되는 위치로 기판을 이동시킨다. 그 후, 제 2 전극은 배터리 플레이트의 제 2 표면 및/또는 전극과 접촉된다. 배터리 플레이트는 제 1 전극과 제 2 전극을 기판에 도포하는 사이에서 180도 회전될 수 있다.
배터리 플레이트 또는 프레임의 표면을 통한 돌출부, 오목부 또는 개구부는 성형 공정에 의해 이들을 형성할 때 구조물에 몰딩될 수 있고, 또는 그 후에 일반적인 성형 공정에 의해 첨가될 수 있다. 몰드의 하나 이상의 인서트는 전사 시트의 표면, 활물질, 또는 둘 모두를 기판의 표면과 실질적으로 역상이도록 성형하는데 사용될 수 있고, 기판의 하나 이상의 부분을 수용하도록 성형하는데 사용될 수 있으며, 두가지 모두일 수도 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 돌출부, 돌출물, 만입부, 개구, 리브, 주름진 구조 또는 기판의 임의의 조합에 해당할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 가동 플레이트의 일부, 몰드의 하나 이상의 벽, 커버의 일부, 몰드의 공동 내로의 임의의 다른 돌출부, 몰드의 공동으로부터의 임의의 만입부 또는 이들의 조합 일 수 있다. 가동 플레이트의 하나 이상의 인서트는 가동 플레이트로부터 몰드의 공동 또는 네스트 내로 돌출되거나, 몰드의 공동 또는 네스트로부터 가동 플레이트 내로 내향으로 만입될 수 있으며, 또는 둘 모두일 수 있다. 하나 이상의 인서트는 활물질(예를 들어, 페이스트) 내에 하나 이상의 비평면 구조를 형성하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 활물질 내에 하나 이상의 공극, 만입부, 돌출물, 리브, 주름진 구조 또는 이들의 임의의 조합을 생성하는 기능을 할 수 있다. 몰드의 하나 이상의 인서트는 활물질 내에 하나 이상의 만입부 또는 웰을 생성할 수 있다. 활물질 내의 하나 이상의 만입부 또는 웰은 기판, 배터리 플레이트 또는 둘 다로부터 하나 이상의 돌출물을 수용할 수 있다. 몰드의 하나 이상의 인서트는 전사 시트의 하나 이상의 공극(예를 들어, 개구부)을 통해 연장될 수 있고, 전사 시트에서 하나 이상의 공극을 생성하거나, 또는 둘 모두를 행할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 전사 시트에 대한 활물질(예를 들어, 페이스트)의 배치를 방지하거나 안내한다. 예를 들어, 전사 시트의 하나 이상의 개구부(예를 들어, 공극)를 통해 연장되는 몰드의 하나 이상의 인서트는 페이스트가 하나 이상의 개구부로 진입하는 것을 방지하여, 활물질 내에 개구부(예를 들어, 공극)를 형성한다. 이어서 활물질 영역의 개구부가 전사 시트와 정렬된다. 하나 이상의 공극은 기판, 배터리 플레이트 또는 둘 모두의 하나 이상의 인서트를 위한 공간을 형성하고 및/또는 이를 수용하는 기능을 할 수 있으며; 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 하나 이상의 인서트 사이에서 활물질과의 접촉을 방지하고; 하나 이상의 채널을 통해 연장되고; 또는 이들의 임의의 조합을 구현하는 기능을 할 수 있다. 즉, 제 1 몰드 또는 제 1 및 제 2 몰드는 몰드에 주입된 제 1 및/또는 제 2 활물질에 공극을 형성하는 기능을 하는 인서트를 포함한다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 다의 하나 이상의 개구부, 인서트, 또는 둘 다보다 작거나, 대략 같거나 또는 더 큰 직경으로 크기가 정해질 수 있다. 몰드의 하나 이상의 인서트는 기판의 인서트의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 더 큰 직경은 전기-활성 층에서 공극을 생성할 수 있으며, 이는 접촉을 최소화하거나 또는 접촉없이 인서트 및/또는 채널을 통과할 수 있다. 인서트는 전사 시트, 활물질 층(예를 들어, 캐소드 페이스트 층, 애노드 페이스트 층), 또는 이들의 임의의 조합의 두께보다 작거나 같거나 큰 높이를 가질 수 있다. 돌출부 중 일부는 페이스트를 통과할 수 있다. 돌출부와 일치하도록 활물질 내에 공극을 형성함으로써, 돌출부를 활물질과 접촉시키지 않고 배터리 플레이트를 배터리 내에 조립할 수 있고 활물질로 돌출부를 오염시키는 것을 피할 수 있다. 접촉을 피함으로써 비용이 많이 드는 세정 작업이 방지된다. 또한, 접촉을 피함으로써, 그러한 돌출부에 활물질의 존재로 인한 배터리 조립체의 작동에 부정적인 영향을 미칠 위험이 방지된다. 작동에 부정적인 영향을 미치면 배터리 조립체의 밀봉 불량 및 단락이 발생할 수 있다. 이러한 돌출부에는 실질적으로 활물질이 없을 수 있다. 실질적으로없는 것은 활물질을 넘어 연장되는 돌출부의 표면적의 약 5 % 이하, 약 1 % 이하 또는 심지어 약 0.1 % 이하를 의미할 수 있으며, 그 위에 활물질 또는 활물질의 먼지를 포함할 수 있다. 실질적으로 없는 것은 활물질을 넘어 연장되는 돌출부의 표면적의 약 0 % 이상, 약 0.01 % 이상, 또는 심지어 약 0.05 % 이상을 의미할 수 있으며, 그 위에 배치된 활물질 또는 활물질의 먼지를 포함할 수 있다.
배터리 조립체를 준비하는 방법(들)
본 발명은 또한 본 명세서에 개시된 바와 같이 복수의 배터리 플레이트를 사용하여 배터리 조립체를 제조하는 방법에 관한 것일 수 있다. 이 방법은 표면들 중 일 표면 상에 활물질 및 대향 표면상의 활물질을 갖는 복수의 기판의 스택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 기판 쌍 사이에 하나 이상의 분리막을 배치(예를 들어, 적층)하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리막의 하나 이상의 인서트, 개구부 또는 다른 비평면 구조는 하나 이상의 배터리 플레이트, 기판, 분리막, 활물질, 전사 시트 또는 이들의 임의의 조합의 하나 이상의 인서트, 개구부 또는 다른 비평면 구조와 정렬될 수 있다. 이 방법은 기판 쌍들 사이에 하나 이상의 분리막을 배치하지 않을 수 있다. 전사 시트가 활물질에 결합된 상태로 남아 있으면 기판 및/또는 배터리 플레이트들 사이에 분리막이 위치하지 않을 수 있고, 따라서, 활성 물질의 인접 쌍들 간에 하나 이상의 전사 시트가 위치하여 인접한 배터리 플레이트의 활물질과 일 배터리 플레이트의 활물질 간의 접촉을 방지할 수 있다. 상기 방법은 배터리 조립체 또는 배터리 플레이트 스택을 하나 이상의 활물질이 경화되는 조건에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 활물질은 약 15 ℃ 이상, 약 20 ℃ 이상, 약 30 ℃ 이상, 또는 심지어 약 40 ℃ 이상의 온도에 활물질을 노출시킴으로써 경화될 수 있다. 활물질은 약 95 ℃ 이하, 약 90 ℃ 이하, 약 80 ℃ 이하 또는 심지어 약 70 ℃의 온도에 활물질을 노출시킴으로써 경화될 수 있다. 예를 들어, 페이스트 형태의 활물질은 약 12 시간 내지 약 48 시간 동안 약 40 ℃ 내지 약 70 ℃의 제 1 온도에 노출되어 경화될 수 있다. 활물질을 제 2 온도에 노출시키고 건조시킴으로써 활물질을 경화시킬 수 있다. 활물질은 약 25 ℃ 이상, 약 30 ℃ 이상, 약 40 ℃ 이상, 또는 심지어 약 50 ℃ 이상의 온도에 활물질을 노출시킴으로써 건조될 수 있다. 활물질은 약 105 ℃ 이하, 약 100 ℃ 이하, 약 90 ℃ 이하, 또는 심지어 약 80 ℃의 온도에 활물질을 노출시킴으로써 건조될 수 있다. 예를 들어, 페이스트 형태의 활물질은 약 24 내지 약 72 시간 동안 약 50 ℃ 내지 약 80 ℃의 제 2 또는 그 이상의 온도에 노출되어 건조될 수 있다.
횡 방향 채널을 위한 홀은 기판, 금속 시트 또는 포일, 분리막, 애노드, 캐소드, 전사 시트 및 존재하는 임의의 다른 구성 요소로 미리 형성되거나 기계 가공될 수 있다. 홀은 전사 시트 상에 도포되는 동안 활물질 내에 공극을 형성함으로써 활물질 내에 형성될 수 있다. 활물질의 공극은 전사 시트의 하나 이상의 개구부와 정렬될 수 있다. 채널이 슬리브, 인서트, 보스 등을 사용하여 형성되는 경우, 배터리 플레이트 및/또는 분리막에 삽입될 수 있다. 인서트가 제자리에 성형되는 경우, 인서트는 공지된 성형 공정을 사용하여 배터리 플레이트 및/또는 분리막에 성형된다.
프레임 및/또는 인서트는 다음 단계를 사용하여 분리막 또는 배터리 플레이트 기판 내로 또는 성형될 수 있다. 분리막 시트는 소정의 크기로 절단될 수 있다(다이 펀치, 슬릿, 스탬프 등). 분리막의 필요한 두께를 충족시키기 위해 하나 이상의 시트가 적층될 수 있다. 시트는 시트를 고정된 위치에 배치하는 몰드에 배치될 수 있다. 몰드는 분리막 주위에 주변 프레임, 횡 방향 채널(예를 들어, 부싱, 인서트, 보스)에 대한 내부 특징부, 또는 둘 모두를 형성할 수 있다. 또한, 몰드는 분리막 재료를 과도하게 압축하지 않고 플라스틱이 분리막 재료를 손상시키지 않도록 설계된다. 플라스틱은 금형에 주입되며 일단 플라스틱이 냉각되면 부품이 배출된다.
이어서, 각 플레이트에 대해 애노드가 다른 플레이트의 캐소드를 향하도록 구성 요소가 적층된다. 바람직하게는, 시트는 기판의 에지가 임의의 다른 프레임 구성 요소의 에지와 정렬되도록 적층된다. 스택을지지하기 위해 2 개 이상의 가이드 핀 또는 볼트가 있는 플레이트를 사용할 수 있다. 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 조립 보조제는 조립 동안 스택을 지지하기 위해 인접한 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 보조 보조기와 정렬될 수 있다. 예를 들어, 프레임으로부터 돌출된 하나 이상의 포스트는 인접한 프레임의 하나 이상의 웰 내에 상주하며 해당 웰과서, 이 스냅(snap)될 수 있다. 구성 요소는 본 명세서의 개시 내용과 일치하는 적절한 순서로 가이드 핀과 함께 플레이트 상에 적층된다. 정렬 핀 또는 볼트에는 2 개 이상의 가로 채널이 사용될 수 있다. 스택이 완료되면, 엘라스토머 막 또는 슬리브가 횡 채널에 삽입될 수 있다. 채널이 플레이트의 홀 사이에 위치한 부싱, 인서트 또는 플라스틱 슬리브로 밀봉된 경우, 채널의 내부, 홀의 내부, 슬리브 인서트 및/또는 부싱에 코팅이 도포될 수 있다. 플레이트의 홀의 내부를 나사산 가공해야 하는 경우, 공지된 기술을 사용하여 조립 전 또는 조립 후에 나사산이 형성된다. 인접한 배터리 플레이트 및/또는 기판의 인서트가 인터 로킹되어 채널을 밀봉 및 형성하기 때문에, 채널은 그 내부에 위치된 추가 밀봉 부를 갖지 않을 수 있다.
하나 이상의 포스트가 스택에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 포스트는 중첩 부분에 의해 단극성 플레이트의 대향 측면의 밀봉 표면에 고정될 수 있다. 중첩 부분이 기계적 부착 구조인 경우, 이러한 부착 구조는 포스트에 고정된다. 포스트가 제자리에 사출 성형되는 경우, 용융 열가소성 재료가 채널 내로 삽입되고 용융 재료의 중첩 부분이 양 단부의 밀봉 표면 상에 형성된다. 채널의 표면은 채널 내부의 표면을 용융시키기 위해 가열될 수 있으며, 이 실시예에서 주입된 열가소성 물질은 채널의 내부에 잘 결합된다. 열가소성 물질을 냉각시킨다. 채널은 채널에 삽입되는 형태 및 각 단부에 형성된 부분의 중첩 부분을 위한 형태를 가질 수 있다. 이어서, 이러한 투-파트 열경화성 물질을 채널에 첨가하고 경화시켜 포스트를 형성시킨다. 포스트가 간섭 끼워 맞춤에 의해 채널에 맞도록 설계된 경우, 포스트는 적절한 힘으로 삽입된다. 포스트가 고정되고 안정되면, 스택은 가이드 핀에서 제거되고 포스트는 가이드 핀에 사용된 채널에 삽입될 수 있다.
배터리 조립체를 조립하는 방법은 막을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 스택의 에지 표면에 막이 도포되는 경우, 막 또는 스택의 에지 중 하나 또는 둘 모두에 접착제가 도포되고, 막과 스택의 에지가 서로 결합되도록 접촉된다. 공지된 기계적 수단을 사용하여 접착제가 세팅되거나 경화되는 동안 막이 제자리에 유지될 수 있다. 막의 에지는 단극성 플레이트의 반대면에서 다른 막 시트 또는 막 또는 엔드 플레이트의 밀봉되지 않은 에지로 밀봉될 수 있다. 밀봉은 접착제 또는 용융 결합에 의해 수행될 수 있다. 대안으로서, 막은 용융 결합에 의해 부착될 수 있다. 용융 결합에서, 스택의 에지 및 에지에 결합될 막의 표면 둘 모두는 막 또는 스택의 구조적 완전성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 표면이 녹는 조건에 노출된다. 이는 각각 뜨거운 표면, 플래튼(platen), 뜨거운 유체, 공기, 방사선, 진동 등과 접촉한 후, 용융된 표면을 따라 스택의 에지 및 막과 접촉하고, 용융된 표면이 냉각되고 서로 결합함으로써 달성될 수 있다. 막은 특정 에지에 맞도록 절단될 수 있거나 스택의 에지 주위에 감긴 연속 시트 일 수 있다. 막의 선단 및 후단은 이들이, 바람직하게는 용융 결합에 의해, 만나는 곳에서 함께 결합된다. 막은 존재하는 경우 단극성 플레이트의 외부 표면상의 막 또는 엔드 플레이트에 밀봉될 수 있다. 케이스가 사용되는 경우, 조립체는 케이스에 삽입될 수 있다. 바람직하게는 막은 경우로서 기능한다. 용융 결합 실시 양태에서, 스택의 에지 및 막은 각각의 표면을 용융시키기에 충분한 시간 동안 각각의 표면이 용융되어 용융 상태가 되는 온도 또는 조건에 노출된다. 선택된 온도는 바람직하게는 막 및/또는 기판 및 임의의 다른 구조적 구성 요소에 사용된 물질의 용융 온도보다 높다. 바람직하게는 사용되는 온도는 약 200 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 약 220 ℃ 이상, 가장 바람직하게는 약 230 ℃ 이상이다. 바람직하게는 사용된 온도는 약 300 ℃ 이하, 더욱 바람직하게는 약 270 ℃ 이하, 가장 바람직하게는 약 240 ℃ 이하이다.
조립체는 하나 이상의 전기화학 전지로 이어지는 하나 이상의 통기구를 추가로 포함할 수 있다. 통기구는 가스가 전기화학 전지로부터 배출되고 전해질 액체가 전기화학 전지로 도입되도록할 수 있다. 액체를 전지 내로 이동 시키거나 전기화학적 전지 상에 당겨진 진공에 전해질을 통기구를 통해 전지 내로 끌어 당기도록 압력이 가해질 수 있다. 진공을 사용하여 전해질을 도입하면, 각 전기화학 전지는 2 개의 통기구를 가질 수 있다. 하나의 통기구에 진공이 가해져 다른 통기구로부터 전해질을 전지 내로 끌어 당길 수 있다. 또는 전기화학 전지는 단일 통기구를 갖고 진공 챔버 내에 상주할 수 있다. 진공을 흡입한 후 전해질이 동일한 통기구를 통해 당겨질 수 있다. 통기구는 매니폴드 및 채널의 모든 조합과 접촉할 수 있다. 통기구는 각각의 전기화학 전지와 접촉할 수 있다. 통기구는 각 전지의 배터리 분리막과 접촉할 수 있다. 조립체는 매니폴드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 통기구는 매니폴드와 접촉할 수 있고 매니폴드는 모든 통기구에 대한 공통 헤드 공간을 형성할 수 있다. 매니폴드는, 체크 밸브와 같은 하나 이상의 밸브가 매니폴드 포트에 배치될 수 있도록, 하나 이상의 포트를 내부에 형성한다. 배터리는 충전 밸브를 더 포함할 수 있다. 충전 밸브는 매니폴드에 위치하거나 횡 채널에 연결될 수 있다. 물품은 하나 이상의 통합된 충전 및/또는 통기 채널을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 채널은 배터리 스택의 중앙 근처에 형성되며, 분리막이 위치한 캐소드와 애노드 사이의 영역과 연통하며; 이것은 전해질이 그 영역에 추가될 때 전기화학 전지를 형성하는 영역이다. 채널은 조립 전에 분리막 및 배터리 플레이트에 홀 또는 슬롯을 형성한 후 홀 또는 슬롯을 정렬함으로써 형성될 수 있다. 채널이 전기화학 전지로 사용하기에 적합한 영역과 연통하는 한, 횡 방향 채널과 관련하여 본원에 논의된 바와 같이 인서트, 슬리브 또는 보스가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 채널은 두 곳에서 배터리 스택의 외부와 통신한다. 이는 전해질로 배터리를 충전하는 것을 용이하게 한다. 전기화학 전지를 전해질로 충전한 후, 개구부 중 하나를 채우거나 닫을 수 있다. 다른 개구부는 배터리 및 전기화학 전지를 환기시키는 데 사용된다. 충전하는 동안, 하나의 외부 홀에서 진공을 끌어 당기고 다른 홀을 통해 전해질을 끌어들이다. 대안으로서, 단일 홀이 사용되고 전기화학 전지는 이후에 설명된 바와 같이 채워진다. 이 실시예에서, 밀봉된 배터리가 일단 형성되면, 단일 홀 또는 포트에서 진공이 당겨져서 전지 내에서 저압 환경을 생성한다. 전기화학 전지의 압력은 50 Torr 이하일 수 있거나 10 Torr 이하일 수 있다. 그런 다음 진공을 차단하고 전해질 공급원을 홀 또는 포트에 연결하고 전지의 저압으로 인해 전해질이 배터리를 빠르게 충전한다. 진공 장치 및 전해질 공급원은 스위칭 가능한 밸브를 통해 연결되어 진공으로부터 전해질 공급원으로의 스위칭이 효율적인 방식으로 수행될 수 있다. 이 시스템은 전기화학적 전지와 접촉하는 보스, 인서트 또는 슬리브의 노치와 같은, 통기구를 갖는 슬리브, 인서트 및/또는 보스로부터 하나의 횡 방향 채널이 형성되는 경우에 이용될 수 있다. 이 시스템은 전기화학 전지를 새로운 전해질로 고르게 채울 수 있다. 이러한 조건 하에서의 충전은 약 600 초 이하 또는 약 300 초 이하에서 일어날 수 있다. 체크 밸브, 팝 밸브, 압력 릴리프 밸브 등과 같은 밸브는 충전 후에 나머지 홀에 삽입될 수 있다. 스택 조립 후 채널을 미리 스레드(pre-threaded)하거나 탭(tapped)할 수 있다.
조립 후, 필요에 따라 통기구가 밀봉된 막을 통해 흡수성 유리 매트 분리막의 두께에 중앙에 위치한 각각의 전지 내로 천공될 수 있다. 그런 다음 매니폴드가 배터리 조립체의 상단에 부착되어 통기구 위에 공통 헤드 공간을 형성할 수 있다. 매니폴드에서, 단일 포트가 제조될 수 있다. 단일 매니폴드 포트는 진공 퍼지 포트 및 전해질 충전 포트로서 사용될 수 있다. 약 29 인치 Hg와 같은 저압으로 진공 펌프를 통해 매니폴드 포트에 진공을 가한 다음, 진공 소스 밸브를 끄고, 충전 밸브가 전해질 공급원에 연결되어 전해질이 동시에 배터리의 모든 전지를 충전시키도록 개방된다. 통기구는 프레임이 제조되거나 성형될 때 분리막 주위의 프레임에 형성될 수 있다. 통합된 통기 채널은 분리막의 프레임 및 배터리 플레이트에 사용되는 기판에 홀을 사전 드릴링 또는 형성함으로써 형성될 수 있다. 이 홀들은 채널을 형성하도록 정렬될 수 있다. 이 채널은 전기화학 전지와 통신하는 통기구와 통신할 수 있다. 통합된 통기 채널은 횡 채널 중 하나 일 수 있으며, 횡 채널은 각각의 전기화학 전지와 연통하는 통기구를 갖는다. 각 전기화학 전지와 통신하는 통기구가 있는 2 개의 통합 채널이 있을 수 있다. 통합된 채널의 형성은 횡 채널에 막 또는 인서트를 각각의 전기화학 전지를 위한 통기구로 제공함으로써 달성될 수 있다. 채널은 통기구를 갖거나 전기화학 전지와 연통하는 통기구를 형성하는 인서트, 슬리브 또는 보스로부터 형성될 수 있다. 통합된 채널은 전해질의 역류를 방지하기 위해 가압될 수 있다. 통합된 채널은 조립체의 내부 압력을 제어하기 위해 밸브로 종결될 수 있다. 사용하기 전에, 채널을 사용하여 전기화학 전지를 전해질로 채울 수 있다. 밸브는 엔드 플레이트 중 하나에 위치할 수 있다. 채널은 조립 후 나사산이되거나 밸브 삽입을 위해 조립 전에 나사산이될 수 있다. 밸브는 공지된 삽입 및 보유 수단을 사용하여 삽입 및 보유될 수 있다. 본 명세서에 개시된 물품에 사용된 일부 구성 요소는 개시된 다른 구성 요소에 인접하여 배치되도록 구성된다. 다른 구성 요소에 위치하도록 설계된 구성 요소는 서로 적절한 관계로 부품을 유지하기 위해 당 업계에 공지된 구성 요소 또는 기술을 갖거나 이용할 수 있다. 서로 관련하여 구성 요소를 유지하는데 사용되는 특정 구성 요소 또는 기술은 본 개시의 조립체를 설계 또는 조립하는 당업자의 구성 요소, 관계 및 설계 선호도에 기초하여 선택된다.
예시적인 실시예
이하의 도면의 설명은 본 명세서의 교시를 예시하기 위해 제공되지만, 그 범위를 제한하려는 것은 아니다. 하나의 도면에 도시된 하나 이상의 특징은 다른 도면의 하나 이상의 특징과 결합될 수 있다.
도 1 및 도 2는 모두 배터리 플레이트(10)를 도시한다. 배터리 플레이트(10)는 기판(11)을 포함한다. 기판(11)은 그 주변에 프레임(20)을 포함한다. 프레임(20)은 기판(11)으로부터 돌출한다. 기판(11)은 그로부터 돌출된 인서트(41)를 포함한다. 인서트(41)는 개구부(40)를 포함한다. 인서트(41)는 공극(128a, b)을 통해 돌출한다. 공극(128a, b)은 페이스트(105)와 전사 시트(103) 모두에 형성된다. 인서트(41)는 페이스트(105)와 전사 시트(103)를 넘어 돌출한다. 도 1에서, 전사 시트(103)는 실질적으로 평면 인 것으로 도시되어있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전사 시트(103)는 주름진 표면을 포함한다.
도 3 및 4는 모두 쌍극성 플레이트로서 구성된 배터리 플레이트(10)를 도시한다. 배터리 플레이트(10)는 기판(11)을 포함한다. 기판(11)은 그 에지에 위치된 프레임(20)을 포함한다. 예를 들어, 프레임(20)은 기판(11)의 주변을 둘러 쌀 수 있다. 프레임(20)은 융기된 에지와 같은 비평면 형상을 포함한다. 융기된 에지(20a, b)는 기판(11) 및 활물질(12, 13)로부터 멀어지게 연장된다. 융기된 에지(20a, b)는 배터리 플레이트(10)가 인접한 배터리 플레이트(도시되지 않음)와 적층되게 하는 데 유용할 수 있다. 활물질은 캐소드(13) 및 애노드(12)를 포함한다. 캐소드(13) 및 애노드(12)는 각각 페이스트(105)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 돌출물(114)은 기판(11)으로부터 연장된다. 돌출물(114)은 페이스트(105)의 표면 아래에 위치된다.
도 5는 전사 시트(103)(도시되지 않음) 상에 페이스트(105)(도시되지 않음)를 도포하기 위한 몰드(101)를 도시한다. 전사 시트(103)는 페이스트(105)가 그 위에 도포되도록 몰드(101)의 가동 플레이트(102)의 네스트(130)에 위치될 수 있다. 네스트(130)는 가동 플레이트(102) 내에 함몰부 또는 공동으로서 형성된다. 몰드(101)는 인서트(124)를 포함한다. 인서트(124)는 인서트(124)가 가동 플레이트(102)로부터 멀어지도록 네스트(130) 내에 위치된다. 인서트(124)는 네스트(130) 내에서 돌출하는 포스트와 유사할 수 있다. 몰드(101)는 압출 노즐(106)을 포함한다. 압출 노즐(106)은 램(120)을 포함한다. 램(120)은 페이스트 박스(122) 내에 상주하는 페이스트(105)(도시되지 않음)에 일정한 저압을 가한다. 페이스트(105)가 전사 시트(103)의 표면 상으로 도포되도록 압출 노즐(106)을 통해 몰드 영역(104) 내로 가압된다(105). 페이스트(105)가 도포됨에 따라, 가동 플레이트(102)은 위에 페이스트(105)를 갖는 전사 시트(103)를 압출 노즐(106)로부터 멀리 이동 방향(107)으로 이동시킨다. 복수의 이송 요소(132)는 이동 방향(107)으로 가동 플레이트(102)의 이동을 제공한다.
도 6은 (도 5에 도시된 바와 같이) 몰드(101)의 가동 플레이트(102)을 도시한다. 가동 플레이트(102)는 네스트(130)를 포함한다. 네스트(130) 내에 전사 시트(103)가 있다. 전사 시트(103) 상에 페이스트(105)가 위치된다. 예를 들어, 페이스트(105)가 압출 노즐(106)을 통해 전사 시트(103)에 도포된 후(도 5에 도시된 바와 같이). 몰드(101)는 인서트(124)를 포함한다. 인서트(124)는 네스트(130) 내로 그리고 가동 플레이트(102)로부터 멀리 돌출한다. 인서트(124)는 전사 시트(103)의 개구부(128a)를 통해 돌출한다. 개구부(128a)는 전사 시트(103)가 네스트(130)에 배치되기 전에 전사 시트(103)에 형성된다. 인서트(124)는 전사 시트(103)의 상부 표면(134) 너머로 돌출된다. 페이스트(105)가 전사 시트(103)의 상부 표면(134)에 도포될 때, 인서트(124)는 페이스트(105)가 개구부(128a)를 채우는 것을 방지하고, 개구부(128b)가 페이스트(105) 내에 형성되게 된다. 따라서 페이스트(105)의 개구부(128b)는 전사 시트(103)의 개구부(128a)와 정렬된다. 전사 시트(103) 및 페이스트(105)가 (도시된 바와 같이) 배터리 플레이트(10)에 조립될 때(도 1 또는 도 2 참조), 개구부(128a, b)는 다른 개구부와 정렬되어 하나 이상의 채널을 형성할 수 있다.
도 7은 몰드(101)를 갖는 배터리 플레이트(10)를 제조한 다음 배터리 플레이트(10)의 스택 내에서 조립하여 배터리 조립체를 형성하는 프로세스(200)를 도시한다. 배터리 플레이트(10)는 쌍극성 플레이트 일 수 있지만, 프로세스는 단극성 플레이트와 유사할 것이다. 제 1 단계(202)는 몰드(101) 내에 전사 시트(103)를 배치하는 단계를 포함한다. 전사 시트(103)는 양성 전사 시트 일 수 있다. 제 2 단계(204)는 페이스트(105)를 전사 시트(103)에 도포하는 단계를 포함한다. 페이스트(105)는 양성 활물질(PAM)이다. 전사 시트(103)는 양성 활물질(PAM) 인 페이스트(105)와 조합하여 캐소드(13)를 형성한다. 제 3 단계(206)는 몰드(101)로부터 전사 시트(103) 및 페이스트(105) 또는 캐소드(13)를 제거하고 기판(11)에 전달한다. 제 4 단계(208)는 몰드(101) 내에 전사 시트(103)를 배치하는 단계를 포함한다. 전사 시트(103)는 음성 전사 시트 일 수 있다. 제 5 단계(210)는 페이스트(105)를 전사 시트(103)에 도포하는 단계를 포함한다. 페이스트(105)는 음성 활물질(NAM)이다. 전사 시트(103)는 음성 활물질(PAM) 인 페이스트(105)와 조합하여 애노드(12)를 형성한다. 제 6 단계(212)는 전사 시트(103) 및 페이스트(105) 또는 애노드(13)를 몰드(101)로부터 제거하고 기판(11)에 전달한다. 애노드(12)는 캐소드(13)와는 기판(11)의 대향 표면 상에 위치된다. 제 1 단계(202) 내지 제 3 단계(206)는 제 4 단계(208) 내지 제 6 단계(212) 이전에, 후에, 또는 이와 병렬로, 수행될 수 있다. 배터리 플레이트(10)는 일단 애노드(12) 및 캐소드(13)가 위치되면 쌍극성 플레이트로서 조립된다. 제 7 단계(214)는 조립된 배터리 플레이트(10)를 배터리 플레이트의 스택으로 이송 및 추가하는 단계를 포함한다. 제 1 단계(202) 내지 제 7 단계(214)는 원하는 스택 크기에 도달할 때까지 원하는만큼 반복될 수 있다. 마지막 단계(218)는 조립된 배터리 플레이트의 스택을 경화시키는 단계를 포함한다. 스택은 예컨대 조립 라인 또는 스테이션에서 경화 영역으로 이동될 필요가 있을 수 있다.
도 8a-8c는 쌍극성 플레이트과 같은 배터리 플레이트(10)을 제조하기 위해 캐소드(13) 및 애노드(12)를 형성하기 위해 가동 플레이트(102)을 갖는 몰드(101)를 사용하는 일련의 단계를 도시한다. 도 8a는 가동 플레이트(102) 상에 배치된 전사 시트(103)를 갖는 몰드(101)를 도시한다. 전사 시트(103)는 몰드(101)의 몰드 영역(104) 내에 위치된다. 도 8b는 몰드 영역(104) 내로 주입되는 페이스트(105)를 도시한다. 페이스트(105)는 압출 노즐(106)을 통해 주입된다. 페이스트(105)는 저압 하에서 오리피스를 통해 가압되어 전사 시트(103)가 통과함에 따라 몰드 영역(104)을 채운다. 압출 노즐에 대한 몰드(101)의 이동 방향은 화살표(107)로 도시되어있다. 도 8c는 페이스트(105)가 기판(11)과 접촉하도록, 가동 플레이트(102)가 기판(11)을 향해 연장되는 것을 도시한다. 따라서 페이스트(105) 및 전사 시트(103)는 배터리 플레이트(10)의 일부를 형성하기 위해 기판(11)과 조립될 수 있다. 페이스트(105) 및 전사 시트(103)는 기판(11)의 프레임(20) 내에 위치될 수 있다.
도 9 및 10은 배터리 조립체(1)를 형성하는 배터리 플레이트(10) 및 분리막(14)의 스택을 도시한다. 도 9는 스택의 부분 분해도를 도시하고, 도 10은 스택의 사시도를 도시한다. 볼트 및 너트(19) 형태의 포스트(17)를 위한 단자 홀(42) 및 홀(39)을 갖는 단부 플레이트(25)가 도시되어있다. 단부 플레이트(25)에 인접하여 융기 에지를 지닌 프레임(20)을 갖는 단극성 플레이트(43)인 배터리 플레이트(10)가 있다. 단극성 플레이트(43)는 홀에 횡 방향 채널(16) 및 포스트(17)를 형성하기 위해 사용되는 홀(40)을 둘러싸는 융기 인서트(41)를 갖는다. 단극성 플레이트(43)에 인접하여 분리막(14)이 있다. 분리막(14)은 주변부 주위로 프레임(34)을 갖는다. 분리막(14)은 프레임(34) 내에 중앙 부분을 포함하는 흡착성 유리 매트(36)를 포함한다. 횡 채널(16)을 형성하기 위한 성형된 인서트 홀(37)을 둘러싸는 성형된 인서트(35)가 도시되어있다. 분리막(14)에는 쌍극성 플레이트(44)가 인접해 있다. 쌍극성 플레이트(44)는 주변부 주위로 프레임(20)을 포함한다. 프레임(20)은 상승된 표면이다. 상승된 인서트(41)는 횡 방향 채널(16)을 형성하도록 상승된다. 상승된 인서트(41)는 횡 방향 채널을 위한 상승된 삽입 홀(40)을 형성한다. 도 10은 배터리 플레이트(10) 및 분리막(14)의 스택을 도시한다. 엔드 플레이트(25), 배터리 플레이트 기판 프레임(20), 분리막 프레임(34), 포스트(17) 및 너트(19)가 포스트(17) 주위에 도시되어있다. 엔드 플레이트(25)의 단자 홀(42) 내부에는 배터리 단자(33)가 위치한다.
도 11은 배터리 조립체(1)를 형성하는 배터리 플레이트(10)의 스택의 측면도를 도시한다. 배터리 플레이트(10)는 배터리 플레이트(10)의 스택의 대향 단부에 단극성 플레이트(43)를 포함한다. 대향하는 단극성 플레이트(43) 사이에 복수의 쌍극성 플레이트(44)가 위치한다. 각각의 배터리 플레이트(10)는 기판(11)을 포함한다. 쌍극성 플레이트(44)의 각 기판(11)에 인접하여 애노드(12) 및 캐소드(13)가 있다. 각 쌍의 애노드(12)와 캐소드(13) 사이에 배치된 것은 분리막(14)이다. 분리막(14)은 액체 전해질을 흡수하는 흡수성 유리 매트로 도시된다. 전해질을 사이에 둔 각 쌍의 애노드(12) 및 캐소드는 전기화학 전지를 형성한다. 횡 채널(16)이 또한 도시되어있다. 채널 밀봉부(15)은 횡 채널(16) 내에 배치된다. 채널 밀봉부(15)은 고무 튜브로서 형성된다. 채널 밀봉부(15)의 내부에는 포스트(17)가 있다. 포스트(17)는 나사 볼트 형태이다. 포스트(17)의 끝에는 볼트 헤드(18)와 너트(19) 형태의 겹치는 부분이 있다. 단극성 플레이트(43)와 쌍극성 플레이트(44)의 기판(11)의 에지 주위로 프레임(20)이 있다.
도 12는 엔드 플레이트(25)를 도시한다. 엔드 플레이트(25)는 단극성 플레이트(43)의 기판(11) 위에 배치된다. 엔드 플레이트(25)는 단극성 플레이트(43)의 기판(11) 상에 배치된 애노드(12) 또는 캐소드(13)의 반대편에 위치된다. 너트(19)와 같은, 포스트(17)의 노출된 겹쳐진 부분에 엔드 플레이트(25)가 위치한다. 단극성 플레이트(43)와 포스트(17) 상의 너트(19) 사이에 밀봉부(22)가 배치된다. 밀봉부(22)는 밀봉부 표면(23)을 포함한다. 도 23은 단극성 플레이트(43)의 대향면(24)과 접촉하고 있다.
도 13은 배터리 조립체(1)의 일부로서 막(27)의 도포를 도시한다. 막(27)은 배터리 플레이트(10)의 스택의 에지 주위에 도포된다. 엔드 플레이트(25)는 포스트(17)의 단부에 이격된 4 개의 너트(19)와 함께 도시되어있다. 엔드 플레이트(25)는 배터리 플레이트(10)의 스택의 각 단부에 도시되어있다. 기판(11) 주위에 배치된 것은 프레임(20)이다. 기판(11)의 프레임(20) 사이에는 분리막(14)를 위한 프레임(34)이 있다. 막(27)은 열원(26) 및 압력(28)을 사용하여 기판 프레임(20) 및 분리막 프레임(34)에 도포되어, 배터리 플레이트(10)의 스택의 일부인 기판 프레임(20) 및 분리막 프레임(34)의 에지에 막(27)을 밀봉한다.
도 14는 배터리 조립체(1)를 도시한다. 배터리 조립체(1)는 배터리 플레이트(10)의 스택을 포함한다. 배터리 플레이트(10)의 스택은 분리막(14)의 프레임(34)과 산재된 기판(11)의 프레임(20)을 포함한다. 엔드 플레이트(25)가 도시되어있다. 하나의 엔드플레이트(25)는 서로 이격된 4개의 너트(19)를 보여준다. 통기구(30)이 또한 도시되어있다. 통기구(30)은 전기화학 전지 내로 천공된다. 매니폴드(31)는 통기구(30)을 덮도록 구성된다. 매니폴드(31)는 통기구(30)을 위한 공통 헤드 공간을 형성하도록 구성된다. 또한 체크 밸브(32)가 도시되어있다. 체크 밸브(32)는 공통 헤드 공간(도시되지 않음)과 접촉하도록 매니폴드(31) 상에 배치된다. 또한 2 개의 단자 포스트(33)가 도시되어있다. 단자 포스트(33)는 배터리 조립체(1)의 음성 및 양성 단자이다.
도 15는 분리막(14)을 도시한다. 분리막(14)은 프레임(34)을 포함한다. 프레임(34)은 분리막(14)의 일부로서 일체로 성형된다. 분리막(14)는 또한 4 개의 인서트(35)를 포함한다. 인서트(35)는 또한 분리막(14)의 일부로서 일체로 성형된다. 인서트(35)은 관통 홀(37)을 포함한다. 홀(27)은 복수의 횡 방향 채널(16)(도시되지 않음)의 일부를 형성하도록 구성된다. 프레임(34)은 흡수성 유리 매트(36) 주위에 배치된다.
도 16은 배터리 조립체(1)를 도시한다. 배터리 조립체(1)는 몰딩된 헤드(47)를 갖는 몰딩된 포스트(38)를 포함한다. 몰딩된 헤드(47)는 엔드 플레이트(25) 상에 위치된다.
도 17은 배터리 조립체(1)를 도시한다. 엔드 플레이트(25)에는 포스트(17)와 너트(19)가 도시되어있다. 엔드 플레이트(25)는 그 안에 단자(33)가 위치된 단자 홀(42)을 포함한다. 배터리 조립체는 매니폴드(31) 및 체크 밸브(32)를 포함한다. 배터리 플레이트(10) 스택(도시되지 않음)의 주변 주위에는 배터리 조립체(1)의 일부로서 막(27)이 배치되어있다.
도 18은 횡방향 채널(16)을 통과하는 도 17의 선 A-A로 도시된 평면을 따른 단면을 도시한다. 기판(11) 및 캐소드(13)를 가지며 기판(11)의 단부에 프레임(20)을 갖는 단극성 플레이트(43)가 도시되어있다. 단극성 플레이트(43)의 캐소드(13)에 인접한 것은 양쪽 끝에 프레임(34)을 가진 분리막(14)이다. 분리막(14)에는 애노드(12)를 갖는 쌍극성 플레이트(44)가 인접하여 위치한다. 애노드(12)는 기판(11) 상에 배치되고, 기판(11)의 대향 표면상에는 캐소드(13)이며, 이 관점에서 단부에는 프레임(20)이 배치된다. 이 관점에서, 설명된 바와 같이 배열된 다수의 쌍극성 플레이트(44)가 존재한다. 쌍극성 플레이트(44) 사이에는 분리막(14)이 있다. 스택의 반대쪽 단부에는 기판(11)을 갖는 단극성 플레이트(43)이 있으며, 이 도면에서 단부에 도시된 프레임(20)과 인접한 분리막(14)를 향하는 애노드(12)이 있다. 배터리 플레이트의 쌍들은 전지에 위치한 분리막(14)와 함께 전기화학 전지를 형성한다. 채널 밀봉부(15) 및 그 안에 배치된 포스트(17) 및 포스트(17)의 단부에 너트(19)를 갖는 횡 채널(16)이 또한 도시되어있다. 도 19는 도 17의 B-B 선을 따라 배터리 조립체(1)의 단부의 부분 절개도를 도시한다. 통기구(30)가 도시되어있다. 도 20은 섹션 C-C를 따라 도 17의 조립체의 단면도를 도시한다. 섹션 C-C는 통기구(30)을 통해 전기화학 전지로 취해진다. 배터리 조립체(1)의 각각의 전기화학 전지를 위한 통기구(30)가 도시되어있다.
도 21은 배터리 조립체(1)를 도시한다. 배터리 조립체(1)는 엔드 플레이트(25)에 밸브(50)를 포함한다. 밸브(50)는 통합 채널(46)(도시되지 않음)과 연통된다. 통합 채널(46)(도시되지 않음)은 복수의 통기구(30)(도시되지 않음)과 연통된다. 도 22는 섹션 E-E를 따라 도 21의 조립체의 단면도를 도시한다. 배터리 조립체(1)는 통합 채널(46)을 포함한다. 통합 채널(46)은 통기구(30)와 연통된다. 각각의 통기구(30)은 전기화학 전지와 연통된다. 통합 채널(46)은 배터리 조립체(1)의 배터리 플레이트 스택의 단부에서 밸브(50)와 통신한다. 도 23은 섹션 F-F를 따라 도 21의 조립체의 단면도를 도시한다. 섹션 F-F는 통합 채널(46)을 통과한다. 통합 채널(46)은 통기구(30)와 연통된다.
도 24a는 분리막(14)를 도시하고 있으며; 도 24b는 분리막(14)의 통기구(51)의 확대도를 도시한다. 분리막(14)은 흡수성 유리 매트(36)를 갖는다. 분리막(14)은 그 안에 성형된 복수의 인서트(35)를 포함한다. 각각의 인서트(35)는 관통 홀(37)을 포함한다. 인서트(35) 중 하나는 통기구(통기구)를 포함한다. 통기구(51)는 분리막의 홀(37)과 흡수 유리 매트(36) 사이에서 연통된다. 분리막(14) 주위의 프레임(34)이 또한 도시되어있다. 도 24b는 홀(37)과 통기구(51)를 갖는 인서트(35)의 확대도이다. 통기구(51)는 홀(37)과 분리막(14)의 흡수 유리 매트(36) 사이에서 연통된다.
본 출원에 인용된 임의의 수치는 임의의 더 낮은 값과 임의의 더 높은 값 사이에 적어도 2 개의 유닛의 분리가 존재하는한 하나의 단위의 증분으로 하한값에서 상한값까지의 모든 값을 포함한다. 이들은 구체적으로 의도된 것의 예일 뿐이며, 가장 낮은 값과 열거된 가장 높은 값 사이의 가능한 모든 수치 조합은 유사한 방식으로 본 출원에서 명시 적으로 언급되는 것으로 간주된다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 범위는 종점과 종점 사이의 모든 숫자를 포함한다. 조합을 설명하기 위해 "본질적으로 이루어진"이라는 용어는 식별된 요소, 성분, 성분 또는 단계, 및 조합의 기본 및 신규 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 다른 요소 성분, 성분 또는 단계를 포함해야 한다. 본 명세서에서 요소, 성분, 구성 요소 또는 단계의 조합을 설명하기 위해 "포함하는" 또는 "포함한다"라는 용어의 사용은 본질적으로 요소, 성분, 구성 요소 또는 단계로 구성된 실시예를 고려한다. 복수의 요소, 성분, 성분 또는 단계는 단일 통합 요소, 성분, 성분 또는 단계에 의해 제공될 수 있다. 대안으로서, 단일 통합 요소, 성분, 성분 또는 단계는 별도의 복수의 요소, 성분, 성분 또는 단계로 나뉘어질 수 있다. 요소, 성분, 성분 또는 단계를 설명하기 위한 "하나" 또는 "하나의"의 개시는 추가 요소, 성분, 성분 또는 단계를 배제하려는 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 배터리 플레이트에 있어서,
    a) 제2 표면과 대향하는 제1 표면 및 하나 이상의 비평면 구조를 갖는 기판으로서, 비-전도성 중합체로 구성되는 기판;
    b) 상기 제1 표면, 또는 제2 표면, 또는 제1 표면 및 제2 표면 상에 배치된 하나 이상의 활물질;
    c) 상기 활물질 내에 배치되고 활물질을 넘어 연장되지 않는, 기판의 제1 표면, 또는 제2 표면, 또는 제1 표면 및 제2 표면으로부터 연장되는, 하나 이상의 돌출부로서, 기판에 통합되는 하나 이상의 돌출부;를 포함하고,
    상기 배터리 플레이트는 배터리 조립체 내 하나 이상의 전기화학 전지의 일부분을 형성하도록 구성되고,
    상기 배터리 플레이트는,
    i) 상기 하나 이상의 활물질이 기판의 제1 표면에 도포되는 한편 제2 표면에는 하나 이상의 활물질이 없는 단극성 플레이트;
    ii) 상기 하나 이상의 활물질이 기판의 제1 표면과 기판의 제2 표면 둘 다 상에 배치되고, 제1 표면의 하나 이상의 활물질이 애노드로서 기능하고, 제2 표면의 하나 이상의 활물질이 캐소드로서 기능하는 쌍극성 플레이트; 또는
    iii) 상기 하나 이상의 활물질이 기판의 제1 표면 및 기판의 제2 표면 둘 다 상에 배치되고, 제1 표면 및 제2 표면 상의 하나 이상의 활물질이 애노드로서 기능하거나, 제1 표면 및 제2 표면 상의 하나 이상의 활물질이 캐소드로서 기능하는 이중극 플레이트; 중 하나인, 배터리 플레이트.
  2. 제1항에 있어서, 기판은 복수의 개구부를 포함하고; 그리고,
    하나 이상의 개구부는 기판의 제1 표면과 제2 표면 사이에 전기 전도성 경로를 제공하는 전기 전도성 재료로 채워진, 배터리 플레이트.
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 전사 시트는 상기 기판 반대편의 하나 이상의 활물질에 접합되는, 배터리 플레이트.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 전사 시트는 액체 전해질이 전사 시트를 통과하게 하면서 하나 이상의 활물질이 전사 시트의 세공을 관통하는 것을 방지하도록 구성된 다공성 재료를 각각 포함하고;
    다공성 재료의 복수의 세공의 크기가 35 미크론 이상 내지 2,000 미크론 이하이고,
    상기 하나 이상의 전사 시트는 유리와 중합체 중 적어도 하나로 제조된 시트를 포함하고, 상기 시트는 직포(woven) 및 부직포(non-woven), 압출(extruded) 방식 중 적어도 한가지로 구성되는, 배터리 플레이트.
  5. 제3항에 있어서, 상기 기판은 기판의 주변에 프레임을 갖고; 그리고,
    상기 하나 이상의 활물질 및 하나 이상의 전사 시트는 하나 이상의 활물질 및 하나 이상의 전사 시트가 프레임의 내부 안에 위치하도록 프레임의 내부의 단면적보다 작은 단면적을 갖는, 배터리 플레이트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 활물질이 배치되는 제1 표면, 또는 제2 표면, 또는 제1 표면 및 제2 표면 둘 모두는 하나 이상의 곡선 영역, 볼록 영역, 오목 영역, 관통하는 하나 이상의 개구부 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 플레이트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 활물질 내에 배치된 기판의 하나 이상의 돌출부는 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나에 대한 하나 이상의 활물질의 접착을 향상시키기 위한 형상을 갖는, 배터리 플레이트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배터리 플레이트는 하나 이상의 활물질을 넘어 돌출하는 상기 기판으로부터 연장되는 하나 이상의 연장 돌출부를 포함하고, 하나 이상의 활물질을 넘어서는 상기 하나 이상의 연장 돌출부의 표면은 실질적으로 하나 이상의 활물질이 없거나 상기 하나 이상의 활물질로부터 형성되는 먼지가 없는, 배터리 플레이트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기판의 하나 이상의 연장 돌출부 중 적어도 하나는 관통 연장되는 하나 이상의 개구부를 갖는 하나 이상의 인서트이고, 상기 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 활물질을 넘어 돌출된, 배터리 플레이트.
  10. 제8항에 있어서, 하나 이상의 전사 시트가 기판 반대편의 하나 이상의 활물질에 접합되고,
    상기 기판의 하나 이상의 연장 돌출부는 하나 이상의 활물질 및 하나 이상의 전사 시트에 형성된 하나 이상의 공극을 통해 연장되는 하나 이상의 인서트이고, 상기 공극은 하나 이상의 인서트의 외부 단면적보다 큰 단면적을 갖고,
    상기 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 활물질을 넘어 돌출하는, 배터리 플레이트.
  11. 제1항에 있어서, 상기 배터리 플레이트는 기판의 주변부 주위로 위치한 프레임을 포함하고, 하나 이상의 활물질이 증착되는 하나 이상의 표면에 가로지르는 방향으로, 상기 프레임 또는 프레임의 일부분은 하나 이상의 활물질을 넘어 돌출되고 실질적으로 하나 이상의 활물질이 없거나 하나 이상의 활물질로부터 형성되는 먼지가 없는, 배터리 플레이트.
  12. 제1항에 따른 복수의 배터리 플레이트로 형성된 배터리 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 배터리 조립체는 복수의 배터리 플레이트의 하나 이상의 스택을 포함하고,
    a) 기판을 포함하는 하나 이상의 쌍극성 플레이트:
    i) 제1 표면 상에 배치되고, 제1 표면 반대편에서 제1 전사 시트와 접합되어, 애노드로서 기능하는 제1 활물질, 및
    ii) 제2 표면 상에 배치되고, 제2 표면 반대편에서 제2 전사 시트와 접합되어 캐소드로서 기능하는 제2 활물질을 포함하며,
    b) 대향하는 제2 표면이 활물질을 갖지 않으면서 제1 표면 맞은편에 제1 전사 시트가 접합된, 상기 애노드로서 기능하도록 제1 표면 상에 배치된 제1 활물질을 가진 기판을 포함하는 제1 단극성 플레이트;
    c) 제2 표면 맞은편에 제2 전사 시트가 접합된, 캐소드로서 기능하도록 제2 표면 상에 배치된 제2 활물질 및 활물질이 없는 제1 표면을 가진 기판을 포함하는 제2 단극성 플레이트;
    d) 인접한 각 쌍의 배터리 플레이트 사이에 배치되는 액체 전해질 - 상기 액체 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 상기 각 쌍의 배터리 플레이트 사이의 공간에 위치하는 캐소드 및 애노드로 기능함 - 을 포함하며,
    상기 복수의 배터리 플레이트는 위에 캐소드가 배치된 기판의 표면이 위에 애노드가 증착된 다른 배터리 플레이트의 표면을 향하도록 배치되고, 상기 제1 및 제2 단극성 플레이트는 각각의 배터리 플레이트 스택의 대향 단부에 위치하는, 배터리 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 배터리 조립체는 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이에 위치된 분리막을 포함하는, 배터리 조립체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 기판의 하나 이상의 연장된 돌출부는 각각을 관통하여 연장되는 하나 이상의 개구부를 갖는 상기 기판 각각에 하나 이상의 인서트를 포함하고, 상기 하나 이상의 인서트는 상기 하나 이상의 활물질 및 전사 시트를 넘어 돌출하며, 그리고,
    상기 기판의 하나 이상의 인서트는 배터리 조립체에 통합된 하나 이상의 채널을 형성하기 위해 횡 방향으로 하나 이상의 다른 기판, 또는 분리막 중 적어도 하나의 하나 이상의 인서트와 정렬되고 인터로킹(interlock)되는, 배터리 조립체.
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