KR102445366B1

KR102445366B1 - 배터리

Info

Publication number: KR102445366B1
Application number: KR1020177002723A
Authority: KR
Inventors: 닐스 배커
Original assignee: 배터리 리서치 테크놀로지 리미티드
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2022-09-20
Also published as: EP3167503A4; JP2022088590A; CN112038508A; CN106575774B; US11296330B2; BR112017000260A2; WO2016004843A1; HK1231631A1; US20170170488A1; AU2022205210A1; CA2954389C; US20200403251A1; CA3193274A1; EP3167503B1; HK1231632A1; US10141580B2; BR112017000260B1; CA2954389A1; US20180351180A1; JP7056975B2

Abstract

케이싱, 전도성 표면, 투과성 분리막 시트, 전도성 막대 및 개구를 포함하는 배터리로서, 상기 케이싱은 전해질이 내부에 배치된 챔버를 정의하는 내부 표면을 구비하고; 상기 전도성 표면은 상기 케이싱의 상기 내부 표면과 인접하도록 상기 챔버 내부에 위치하여 상기 배터리의 애노드 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되고; 상기 투과성 분리막 시트는 상기 케이싱 낸부에 위치하여 상기 전도성 표면으로부터 상기 전해질을 전기적으로 격리시키도록 구성되고; 상기 전도성 막대는 상기 배터리의 캐소드 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 말단부와, 상기 전해질과 전기적으로 연결되도록 구성되는 제2 말단부를 구비하며; 상기 개구는 상기 케이싱에 배치되는 배터리에 있어서, 상기 케이싱은 이동이 가능하게 서로 부착된 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 및 제2 부분들은 적어도 제1 부착 위치와 제2 부착 위치 사이에서 상대 이동이 가능하며, 상기 제1 부착 위치에서는 상기 케이싱으로 상기 개구를 통해 액체가 진입하는 것이 실질적으로 차단되고, 상기 제2 부착 위치에서는 상기 개구가 실질적으로 개방되어 액체의 진입이 허용됨에 다라 액체가 상기 개구를 통해 상기 챔버 내의 전해질과 접촉함으로써, 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화되는 것을 특징으로 하는 배터리.

Description

배터리{BATTERY}

본 발명은 재사용이 가능한 배터리들 분야에 관한 것으로, 특히 물과 같은 액체의 첨가에 의해 활성화되는 배터리들의 분야에 관한 것이다.

종래의 기성 유형의 AA 및 AAA 배터리들은 보관하는 중에 시간이 지남에 따라 성능이 저하되는 경향이 있다. 이는 배터리들의 성능에 대한 신뢰성이 매우 중요한 경우에 - 예를 들어, 배터리들이 긴급 상황에서 손전등, 라디오, 휴대 전화, 또는 잠재적으로 생명을 구할 수 있는 기타 전자 제품들에 전원을 공급해야 하는 경우 - 심각한 문제를 야기할 수 있다.

이런 문제를 해결하기 위해, 나중에 배터리가 물의 첨가에 의해 활성화되었을 때 배터리의 성능이 실질적으로 저하되지 않으면서, 비활성화 상태(즉, 물이 아직 전해질 분말 혼합물과 배터리 내에서 혼합되지 않아 전해질 분말 혼합물이 활성화되지 않은 상태)에서 상대적으로 장기간 동안 보관될 수 있도록 하는 주액 전지들이 개발되어 왔다.

그러나 기존의 주액 전지들은 이러한 배터리의 구조 및 재료 조합이 여전히 대량 생산함에 있어 과도하게 복잡하고 고가인 것으로 여겨진다는 문제를 안고 있다. 기존의 주액 전지는 또한 배터리의 일부가 실수로 손실되어, 배터리를사용할 수 없게 될 수 있는 구조로 되어 있다. 이것이 특히 긴급 상황에서 바람직하지 않음은 물론이다.

또한, 배터리들의 생산 중에, 배터리 케이싱(casing)에 전해질 분말을 충전할 때 문제들이 발생하는 경향이 있다. 특히, 전해질이 배터리 케이싱에 주입될 때, 보급 경로(delivery channel)가 전해질에 의해 막히는 경향이 있기 때문에 잦은 청소가 필요하다. 튜브의 막힘에 관한 이 문제는 배터리의 생산에 있어서 용납할 수 없는 지연 및 비효율을 초래하며, 생산 비용에 전반적으로 영향을 미친다.

본 발명은 종래기술과 관련하여 전술된 문제들 중 적어도 하나를 완화하고자 한다.

본 발명은 몇 가지 개괄적 형태들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 설명된 여러 개괄적 형태들 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

제1 개괄적 형태에서, 본 발명은:

배터리로서,

전해질이 내부에 배치된 챔버를 정의하는 내부 표면을 구비하는 케이싱(casing)과;

상기 케이싱의 상기 내부 표면과 인접하도록 상기 챔버 내부에 위치하는 전도성 표면으로, 상기 배터리의 애노드(anode) 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 전도성 표면과;

상기 케이싱 내부에 위치하여 상기 전도성 표면으로부터 상기 전해질을 전기적으로 격리시키도록 구성되는 투과성 분리 시트와;

상기 배터리의 캐소드(cathode) 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 말단부와, 상기 전해질과 전기적으로 연결되도록 구성되는 제2 말단부를 구비하는 전도성 막대와; 그리고

상기 케이싱에 배치된 개구(opening);를 포함하는 배터리에 있어서,

상기 케이싱은 이동이 가능하게 서로 부착된 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 및 제2 부분들은 적어도 제1 부착 위치와 제2 부착 위치 사이에서 상대 이동이 가능하며, 상기 제1 부착 위치에서는 상기 케이싱으로 상기 개구를 통해 액체가 진입하는 것이 실질적으로 차단되고, 상기 제2 부착 위치에서는 상기 개구가 실질적으로 개방되어 액체의 진입이 허용됨에 따라 액체가 상기 개구를 통해 상기 챔버 내의 전해질과 접촉함으로써, 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화되는 배터리를 제공한다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2 부분들은 슬라이딩, 회전, 선회, 트위스트, 밀고 당김 동작들 중 적어도 하나에 의해 서로에 대하여 상대 이동 할 수 있다.

일반적으로, 상기 케이싱의 상기 제1 및 제2 부분들은 상기 챔버로 액체가 진입하는 것을 제어 가능하도록 하는 케이싱의 밸브 부분들을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 케이싱은 플라스틱 재료를 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 플라스틱은 재활용 가능한 플라스틱 재료를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전도성 표면은 상기 케이싱의 전도성 라이닝을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전도성 표면은 아연 재료를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전도성 표면은 실질적으로 상기 전도성 표면의 긴 축을 따라 연장하는 제거부, 슬롯 및 일련의 개구부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제거부, 슬롯 및 일련의 개구부 중 적어도 하나는 상기 전도성 표면의 절개부로 형성될 수 있다.

바람직하게는 상기 애노드 단자는 상기 케이싱의 제1 말단부에 배치될 수 있고, 상기 제1 말단부는 플라스틱 재료와 금속 재료의 조합을 포함한다. 바람직하게는, 상기 플라스틱 영역은 상기 금속 재료로 형성된 코어를 동심으로 둘러쌀 수 있다.

바람직하게는, 본 발명은 상기 케이싱 내부에 위치되어 상기 케이싱의 상기 전도성 표면과 상기 애노드 단자 사이의 전기적 연결을 제공하도록 구성되는 스프링을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전해질은 직경이 대략 0.2-0.8mm 범위에 속하는 실질적으로 구형인 입자들을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전해질은 밀도가 대략 1.71-1.75g/cm³ 범위에 속하는 입자들을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 입자들은 대략 3% 이하의 수분 함유량을 포함할 수 있다.

제2 개괄적 형태에서, 본 발명은:

배터리로서,

전해질이 내부에 배치된 챔버를 정의하는 내부 표면을 구비하는 플라스틱 케이싱과;

상기 케이싱의 상기 내부 표면과 인접하도록 상기 챔버 내부에 위치하는 전도성 표면으로, 상기 배터리의 애노드 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 전도성 표면과;

상기 배터리의 캐소드 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 말단부와, 상기 전해질과 전기적으로 연결되도록 구성되는 제2 말단부를 구비하는 전도성 막대와; 그리고

액체의 진입이 허용됨에 따라 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화되도록 상기 케이싱에 배치되는 개구부;를 포함하는 배터리를 제공한다.

바람직하게는, 상기 플라스틱은 재활용 가능한 플라스틱 재료를 포함할 수 있다.

일반적으로, 상기 전도성 표면은 상기 케이싱의 전도성 라이닝을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 애노드 단자는 상기 케이싱의 제1 말단부에 배치될 수 있고, 상기 제1 말단부는 플라스틱 재료와 금속 재료의 조합을 포함한다.

바람직하게는, 상기 플라스틱 영역은 상기 금속 재료로 형성된 코어를 동심으로 둘러쌀 수 있다.

바람직하게는, 본 발명은 상기 케이싱 내부에 위치되어 상기 케이싱의 전도성 표면과 상기 애노드 단자 사이의 전기적 연결을 제공하도록 구성되는 스프링을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 케이싱은 이동이 가능하게 서로 부착된 적어도 제1 및 제2 부분을 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 부분들은 적어도 제1 부착 위치와 제2 부착 위치 사이에서 상대 이동이 가능하며, 상기 제1 부착 위치에서는 상기 케이싱으로 상기 개구를 통해 액체가 진입하는 것이 실질적으로 차단되고, 상기 제2 부착 위치에서는 상기 개구가 실질적으로 개방되어 액체의 진입이 허용됨에 따라 액체가 상기 개구를 통해 상기 챔버 내의 전해질과 접촉함으로써, 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화된다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2 부분들은 슬라이딩, 회전, 선회, 트위스트, 밀고 당김 동작들 중 적어도 하나에 의해 서로에 대하여 상대 이동할 수 있다.

바람직하게는, 상기 케이싱의 제1 및 제2 부분들은 상기 챔버로 액체가 진입하는 것을 제어 가능하도록 하는 케이싱의 밸브 부분들을 포함할 수 있다.

제3 개괄적 형태에서, 본 발명은:

배터리로서,

전해질이 내부에 배치된 챔버를 정의하는 내부 표면을 구비하는 케이싱과;

상기 케이싱 내부에 위치되어 상기 전도성 표면으로부터 상기 전해질을 전기적으로 격리시키도록 구성되는 투과성 분리 시트와;

액체의 진입이 허용됨에 따라 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화되도록 상기 케이싱에 배치되는 개구부;를 포함하는 배터리에 있어서,

상기 전도성 표면은 실질적으로 상기 전도성 표면의 긴 축을 따라 연장하는 제거부, 슬롯 및 일련의 개구부 중 적어도 하나를 포함하는 배터리를 제공한다.

제4 개괄적 유형에서, 본 발명은:

배터리로서,

상기 애노드 단자는 상기 케이싱의 제1 말단부에 배치되고, 상기 제1 말단부는 플라스틱 재료와 금속 재료의 조합을 포함하는 배터리를 포함한다.

바람직하게는, 상기 전도성 표면은 실질적으로 상기 전도성의 긴 축을 따라 연장하는 제거부, 슬롯 및 일련의 개구부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제5 개괄적 형태에서, 본 발명은:

배터리 케이싱에 전해질 분말을 충전하는 방법으로서,

(i) 직경이 대략 0.2-0.8mm 범위에 속하는 실질적으로 구형인 입자들로 상기 전해질 분말을 형성하는 단계와; 그리고

(ii) 상기 실질적으로 구형인 입자들을 상기 배터리 케이싱에 주입(channelling)하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 실질적으로 구형인 입자들의 밀도가 대략 1.71-1.75g/cm³ 범위에 속할 수 있다.

바람직하게는, 상기 실질적으로 구형인 입자들은 대략 3% 이하의 수분 함유량을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 배터리 케이싱에 입자들을 주입하는 단계는 상기입자들을 깔때기를 통해 상기 배터리 케이싱에 주입하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 제6 일반적 유형에서, 본 발명은 전해질 분말이 상기 제5 일반적 유형의 방법에 따라 케이싱 내부에 배치되는 배터리 케이싱을 포함하는 배터리를 제공한다.

추가적인 개괄적 형태에서, 본 발명은:

배터리로서,

상기 배터리의 캐소드 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 말단부와, 상기 전해질과 전기적으로 연결되도록 구성되는 제2 말단부를 구비하는 전도성 막대와;

상기 케이싱에 배치된 개구;를 포함하는 배터리에 있어서,

상기 케이싱은 제1 배열(configuration) 및 제2 배열 중 적어도 하나 사이에서 구성가능하며, 상기 제1 배열에서는 상기 케이싱으로 상기 개구를 통해 액체가 진입하는 것이 실질적으로 차단되고, 상기 제2 배열에서는 상기 개구가 실질적으로 개방되어 액체의 진입이 허용됨에 따라 액체가 상기 개구를 통해 상기 챔버 내의 전해질과 접촉함으로써, 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화되는 배터리를 제공한다.

바람직하게는, 상기 케이싱은 이동이 가능하게 서로 부착된 제1 및 제2 부분들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 부분들은 적어도 제1 부착 위치와 제2 부착 위치 사이에서 상대 이동이 가능하며, 상기 제1 부착 위치에서는 상기 케이싱으로 상기 개구를 통해 액체가 진입하는 것이 실질적으로 차단되고, 상기 제2 부착 위치에서는 상기 개구가 실질적으로 개방되어 액체의 진입이 허용됨에 따라 액체가 상기 개구를 통해 상기 챔버 내의 전해질과 접촉함으로써, 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화 된다.

첨부된 도면과 관련하여 기재된 본 발명이 바람직한 실시예에 대한 자세한 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있다. 다만, 본 발명이 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른, 제1 실시예의 배터리의 측면 단면도이다.
도 2는 제1 실시예의 배터리의 제1 단부의 확대된 측면 단면도이며, 케이싱으로의 물의 진입을 제어 가능하게 하기 위해 케이싱의 원통형 부분에 제1 단부가 이동 가능하게 부착될 수 있는 하나의 방법을 설명하고 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른, 케이싱의 내부 표면을 라이닝(lining) 하기 위해 구성된 전도성 라이닝을 도시한다.
도 4는 원통 형태로 말기 전 시트 형태의 전도성 라이닝을 도시한다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 4를 참조하여 설명한다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예들은, 액체가 배터리 케이싱의 개구를 통하여 배터리 챔버에 유입되고, 이 액체가 챔버 안의 전해질 분말(104)과 접촉하는 것을 제어 가능함으로 인해 활성화될 수 있는 배터리를 포함한다. 이러한 실시예들은 기성 유형의 AA 및 AAA 배터리의 표준 형태 및 치수 요건을 준수하도록 적절하게 구성되고, 기성 유형의 AA 및 AAA 배터리와 비교될 만한 전기 출력을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리의 측면 단면도이다. 이 배터리는 생분해성 플라스틱 재료로 만들어진 케이싱(101A, 101B, 101C)을 포함하고, 이 케이싱은 제1 및 제2 단부(101B, 101C) 사이에 배치된 원통 부분(101A) 포함하며, 상기 제1 및 제2 단부는 이 원통 부분의 서로 마주보는 끝단 부에 부착되어 있다.

케이싱의 제1 단부(101B)는 케이싱의 원통 부분(101A)에 이동 가능하게 부착되도록 구성되어, 적어도 케이싱에 배치된 개구를 통해 물의 진입이 가능한 제1 부착위치와, 케이싱의 개구를 통한 물의 진입이 차단되는 제2 부착 위치 사이에서 이동 가능하다. 제1 및 제2 부착 위치 중 어느 한쪽에 배치되었을 때, 배터리의 통상적인 사용 시에, 케이싱의 제1 단부(101B)가 케이싱의 원통 부분(101A)으로부터 떨어지거나 분리되지 않도록 구성된다. 반면, 기존의 주액 전지 중 어떤 것은 케이싱 끝 부분의 개구를 통해 케이싱에 물을 채울 수 있도록 하기 위해, 단부 캡(end cap)이 케이싱으로부터 떨어지거나 분리될 수 있는(예를 들어, 나사를 풀어 단부 캡을 케이싱으로부터 분리할 수 있다) 배터리 케이싱으로 구성된다. 하지만, 단부 캡이 케이싱으로부터 떨어지거나 분리될 때, 이러한 기존의 주액 전지의 단부 캡을 쉽게 잃어버리거나 제자리에 두지 않아 찾지 못하게 될 수 있다. 그런 이유로, 이러한 문제는 본 발명의 실시예들에 의해 완화될 수 있다.

도 2는 케이싱의 제1 단부(101B)가 케이싱의 원통 부분(101A)에 회전 가능하도록 부착된 예시적 실시예를 도시한다. 이 예시적 실시예에서, 케이싱의 제1 단부(101B)는 제1 단부(101B)의 원주 둘레로 연장하는 립(lip)(202)을 포함하며, 배터리의 조립 중에 제1 단부(101B)가 원통 부분(101A)의 안쪽으로 가압될 때, 립(202)은 이와 상응하는, 케이싱의 원통 부분(101A)의 내부 표면을 둘레로 연장하는 리세스(recess)(201)와 탄성적으로 체결된다. 상기 리세스(201) 내부로 상기 탄성 립(202)이 수용되면, 제1 단부(101B)는 제1 단부(101B)에 배치된 개구부(200C)와 케이싱의 원통 부분(101A)의 개구부가 정렬되도록 구성되는 적어도 제1 부착 위치 사이에서 케이싱의 원통 부분(101A)에 대해 동축으로 회전될 수 있다. 이 제1 부착 위치에 배열되었을 때, 배터리를 물에 넣음으로 인하여 정렬된 개구들을 통해 케이싱으로의 물의 진입이 가능하다. 반대로, 케이싱의 제1 단부(101B) 및 케이싱의 원통 부분(101A)이 제2 부착 위치로 회전되었을 때, 제1 단부(101B)에 배치된 개구(200C)와 케이싱의 원통 부분(101A)에 배치된 개구는 더 이상 정렬되지 않으며 케이싱으로의 물의 진입 또한 더 이상 불가능하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 배터리의 통상적인 사용 중에 케이싱의 제1 단부(101B) 및 케이싱의 원통 부분(101A)을 서로 분리시키거나 떨어뜨리지 않고 이들을 다른 방식들로 서로 이동이 가능하게 부착되어 케이싱으로 물이 진입할 수 있게 제어 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 케이싱의 제1 단부(101B) 및 원통 부분(101A)은 슬라이드 가능하도록 부착되고, 다양한 부착 위치들 사이에서 상대 이동할 수 있도록 부착되어 케이싱으로 물이 진입할 수 있도록 제어 가능하게 할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 케이싱의 제1 단부(101B)는 케이싱의 원통 부분(101A)의 제1 말단부로부터 바깥쪽으로 당겨져 제1 부착 위치가 될 때, 제1 단부(101B)의 개구 및 원통 부분(101A)의 개구가 정렬되어 케이싱으로 물이 진입할 수 있다. 반대로, 제1 단부(101B)가 케이싱의 제1 말단부의 내측으로 밀어지면, 개구들은 더 이상 정렬되지 않을 수 있으며 이는 케이싱으로의 물의 진입을 방지한다. 또는, 제1 단부(101B)는 케이싱의 원통 부분(101A)에 힌지 방식으로 부착될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 제1 단부(101B)가 케이싱의 원통 부분(101A)에 반드시 이동 가능하게 부착될 필요 없다. 케이싱의 다른 부분들이 다른 방식으로 서로에 대해 이동 가능하게 부착되도록 구성되어 케이싱으로 물이 진입할 수 있게 제어 가능하도록 할 수도 있다. 예시로써, 케이싱의 제1 및 제2 단부(101B, 101C)는 케이싱의 원통 부분(101A)의 제1 및 제2 말단부에 각각 고정되어 전혀 움직이지 않게 구성될 수 있다. 대신에, 케이싱으로의 개구가 원통 부분(101A)을 따라 중간 부분에 배치되고, 원통 부분(101A)은 이 개구를 통해 케이싱으로 물이 진입하는 것을 제어 가능하도록 하기 위해 이동 가능하게 부착된 제1 및 제2 부품들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들의 제조 및 작동을 용이하게 하기 위해, 예컨대 "트위스트 유형 밸브(twist type valve)"와 같은 적절한 형태 및 수치의 기성 형태 밸브 메커니즘이 배터리의 케이싱에 결합되어 케이싱으로의 물의 진입을 제어 가능하게 할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 케이싱의 제1 단부(101B)는 배터리의 애노드(anode) 단자(200A)를 형성한다. 여느 다른 주액 전지와는 다르게, 제1 단부(101B)는 전부가 금속으로 만들어진 것이 아니라, 생분해성 플라스틱과 금속의 새로운 조합으로 형성된다. 본 발명의 실시예들에서 금속(200A)과 생분해성의 플라스틱(200B)을 포함하는 제1 단부(101B)의 새로운 조합은 생산 비용을 감소시키고(금속을 더 적게 사용했기 때문임), 그뿐만 아니라 전체적인 무게를 감소시킨다는 측면에서 기존의 배터리보다 유리하다. 금속 재료는 제1 단부의 일 측에서 타측으로 연장되며, 플라스틱 재료(200B)로 동심원으로 둘러싸이는 코어(200A)를 형성한다. 제1 단부(101B)가 케이싱의 원통 부분(101A)에 부착될 때, 제1 단부(101B)의 플라스틱 주변부(200B) 및 케이싱의 원통 부분(101A)의 플라스틱 재료가 어느 정도 서로 변형이 가능하게 결합하도록 구성될 수 있으며, 이는 기존의 주액 전지와 비교하여 보다 양호한 기밀 밀봉을 제공할 수 있게 된다. 즉, 금속의 단부 캡과 금속 케이싱을 포함하는 기존의 어느 주액 전지에서, 금속과 금속의 결합은 불량한 밀봉을 형성하는 경향이 있다. 오링(o-ring)을 사용한다 하더라도(이는 기존의 배터리의 비용 및 복잡성을 증가시킴), 본 발명의 실시예들에서 만큼 기밀 밀폐가 효과적이지 않을 수 있다.

제2 단부(101C)는 원통 부분(101A)의 제2 말단부에 견고하게 고정되어, 제2 단부와 케이싱의 원통 부분(101A)의 제2 말단부 사이의 기밀 밀봉을 형성한다. 어떤 실시예들에서, 제2 단부(101C)는 단품의 생분해성 플라스틱으로 케이싱의 원통 부분(101A)과 일체로 성형될 수 있다. 제2 단부(101C)의 중심에 직경이 약 4-6mm인 작은 개구가 배치될 수 있으며, 제2 단부(101C)는 전도성 캐소드 단자(101C')가 제2 단부(101C)를 통해 돌출될 수 있도록 구성된다. 이 실시예에서 캐소드 단자(101C')는 스테인리스 강 캡(101C')을 포함하며, 이 캡은 상기 작은 개구 내에 꼭 맞게 끼워져 배터리 챔버 내에 기밀 밀봉 또한 제공한다. 탄소 막대(103)가 배터리 케이스의 안쪽으로 연장되며, 이 탄소 막대(103)의 한쪽 끝은 상기 스테인리스 강 캡(101C')에 고정되어 전기적으로 연결되고, 탄소 막대(103)의 다른 한쪽 끝은 케이싱의 안으로 연장되어 케이싱이 전해질(104)로 채워지면 케이싱 내에서 전해질(104)과 전기적으로 연결될 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형 전도성 라이닝(102)이 케이싱의 원통 부분(101A) 내에 위치되며, 전도성 라이닝(102)은 케이싱의 원통 부분(101A)의 내부 표면상에 또는 내부 표면과 인접하게 놓여 케이싱의 내부 표면을 케이싱의 내부 표면을 꼭 맞게 보완한다. 전도성 라이닝(102)은 서로 이격되어 있는 6개의 절개 슬롯들을 포함하며, 각각의 슬롯은 전도성 라이닝(102)의 긴 축을 따라서 실질적으로 서로 평행하게 연장된다. 이 실시예의 배터리를 제조하는 동안에, 케이싱의 제1 단부가 케이싱의 원통 부분(101A)의 제1 말단부에 이동 가능하게 부착되기 전에, 상기 전도성 라이닝(102)이 원통 부분(101A)의 개방된 제1 말단부를 통해 케이싱의 챔버로 삽입된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 원통 형태의 전도성 라이닝(102)은 대략 두께가 0.5mm, 길이가 45mm, 그리고 폭이 35.5mm인 아연 시트를 말아서 만들어진다. 절개 슬롯들(102A) 각각은 약 길이가 35mm, 폭이 약 2mm이다. 상기 아연 시트가 원통으로 말아질 때, 아연 라이닝의 직경은 약 11.3mm이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 슬롯 대신에 일련의 홀(hole) 또는 제거부(abatement)가 전도성 라이닝의 긴 길이를 따라 연장할 수 있다. 이 실시예에서는 슬롯들이 아연 시트 내에서 절개부로 형성되었으나, 몰딩 기법을 사용하여 슬롯들이 아연 시트와 일체로 형성될 수도 있다. 또는, 전도성 라이닝에 배치된 슬롯들, 제거부 또는 일련의 개구를 구비하는 전도성 라이닝의 전체적인 모양 및 구성은 임의의 적합한 기법을 사용하여 두 개 이상의 상이한 아연 시트들을 접합하는 또는 함께하는 복합체로서 형성될 수 있다. 전도성 라이닝(102)을 구비하는 플라스틱 케이싱의 새로운 구성은 배터리의 성능을 떨어뜨리지 않으면서, 생산 비용을 감소할 뿐만 아니라 배터리의 전체 무게 또한 감소한다는 면에서, 전체가 금속인 케이싱을 포함하는 기존의 배터리들보다 유리하다.

투과성 분리 시트(105) 또한 배터리 내에서 전도성 라이닝에 인접하게 배치되며, 이에 따라 전도성 라이닝(102)이 투과성 분리 시트(105)와 케이싱의 내부 표면의 사이에 위치된다. 이 투과성 분리 시트(105)는, 배터리의 제조 과정에서 제1 단부(101B)가 케이싱의 제1 말단부에 아직 부착되지 않았을 때 케이싱의 챔버 내의 위치에 밀어 넣어질 수 있도록, 이중의 0.08mm의 크라프트 지를 원통 형태로 말아서 만들어진다. 다른 실시예들에서, 합성 또는 천연 고분자 재료가 사용될 수 있다. 투과성 분리 시트(105)의 케이싱 제2 말단부와 인접하게 위치되는 부분은 투과성 분리 시트(105)가 전해질(104) 입자들을 저장하는 엔빌로프(envelope)를 형성하도록 접혀지고, 전해질(104) 입자들은 케이싱이 제1 단부(101B)에 의해 밀봉되기 전에 케이싱의 제1 말단부로부터 케이싱의 원통 부분(101A)의 제1 말단부를 통해 배터리의 케이싱으로 주입된다.

이 전해질(104)은 이산화망간, 산화철, 또는 결정형 산화은과 같은 금속 산화물을 포함한다. 이 실시예에서, 전해질은 전해질의 중량 백분율로 대략적으로 염화암모늄 입자 3%, 염화아연 입자 16%, 이산화망간 입자 68%, 아세틸렌 카본 블랙 입자 12.4%, 그리고 산화아연 입자 0.6%를 포함한다.

전해질(104)은 회전식 또는 유성 볼밀 그리고 마노(카넬리안 수정)와 같은 세라믹 볼을 사용하여 볼밀링된다. 시험하는 동안, 500ml 부피의 실험실 볼밀링 머신 및 무게가 110g이고 직경이 22.4mm인 세라믹 밀링 볼, 또는 무게가 190g이고 직경이 10.0mm인 작은 사이즈의 볼이 사용되었다. 또한, 실험 중에 모든 경우에서 150g의 전해질이 밀링되었다. 전해질의 볼밀링은 훨씬 더 큰 생산을 수용하기 위해 산업적인 규모까지 적절하게 확장될 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 볼 밀링의 결과로 생성된 전해질 입자들은 직경이 약 0.2-0.8mm, 밀도가 약 1.71-1.75g/cm³, 그리고 수분 함유량이 약 3% 이하인 실질적으로 구 형태의 외형을 갖는다. 본 발명의 실시예들은 습기가 의도치 않게 전해질(104)을 활성화시키는 위험을 줄이기 위해 일반적으로 "건조실(dry room)"로 지칭되는 습도가 제어되는 환경에서 조립된다.

전해질(104) 입자들이 전술한 공정에 따라 적절하게 형성되면, 전해질(104) 입자들은, 제1 단부가 원통 부분(101A)에 아직 부착되지 않았을 때 깔때기를 통하여 배터리의 케이싱 내에 투과성 분리 시트로 만들어진 엔빌로프에 주입된다. 배터리 케이싱에 전해질 분말을 주입하는데에 특정한 기존의 장비 및 공정들이 사용되기도 하였지만, 그러한 기존의 장비 및 공정들과는 달리, 본 명세서에 설명된 것과 같이 전해질 입자들을 활용하는 본 발명의 실시예들은 입자들에 의해 깔때기가 막히는 것을 방지하고, 그리하여 이러한 배터리 생산 중 지연이 발생하는 것을 방지하는 경향이 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 형상 및 치수를 갖는 전해질 입자들은 다른 기존의 주액 전지보다 더 순조롭게 케이싱 내의 전해질 본체를 통해 물이 침투할 수 있도록 하는 경향이 있는 것으로 밝혀졌다.

투과성 분리 시트(105) 엔빌로프에 전해질(104) 입자들을 주입하는 동안 또는 주입한 후에, 케이싱을 흔들거나 진동시켜, 전해질(104) 입자들이 투과성 분리 시트(105) 엔빌로프 안에 자리잡는(settling) 것과 케이싱 내에 저장되는 전해질(104) 입자들의 양을 최대화하는 것을 돕는다. 또한, 전해질(104) 입자들을 케이싱 내로 더 압박하는 것을 돕기 위해 플런저(plunger)를 사용할 수 있으나, 배터리의 케이싱 내에 적절한 양의 전해질(104) 입자들이 전달되도록 하기 위해서 이 단계는 필수적인 것은 아닐 수 있다. 전해질(104) 입자들이 투과성 분리 시트(105)로 형성된 엔빌로프에 주입될 때, 캐소드 단자(101C')로부터 케이싱의 안쪽 방향으로 그리고 엔빌로프 안으로 연장되는 탄소 막대(103)는 전해질(104) 입자들로 둘러싸여 있어 전해질(104)과 전기적으로 소통한다.

필요한 양의 전해질이 케이싱에 투입되면, 투과성 분리 시트(105)는 전해질(104) 입자들 위로 접어져서 전해질 분말(104)이 봉투 내에서 실질적으로 둘러싸여지도록 한다. 도 1은, 그러고 나서 케이싱에 삽입되는 테이퍼형 코일 스프링(106)을 나타내며, 도 2에서 도시된 바와 같이 코일 스프링(106)의 베이스(106A)는 전해질(104)이 담겨진 투과성 분리 시트(105)의 접혀진 부분에 안착되며, 코일 스프링(106)의 베이스(106A)는 케이싱의 원통 부분(101A) 내에서 전도성 라이닝(102)과 전기적으로 연결될 수 있을 만큼 충분히 넓다. 코일 스프링(106)의 테이퍼진 단부(106B)는 제1 단부(101B)가 케이싱의 제1말단부에 부착되었을 때 제1 단부(101B)의 금속 코어(200A)와 전기적으로 연결되도록 구성된다. 편리하게도, 코일 스프링(106)의 존재는 투과성 분리 시트(105)가 전해질 위로 접혀져 있도록 유지하는 것을 도울 뿐만 아니라, 코일 스프링(106)은 케이싱의 제1 단부(101B)에 배치된 메탈 코어(200A)에 의해 제공되는 애노드 단자(200A)와 전도성 라이닝(102)의 직접적인 전기적 연결을 제공하도록 구성된다. 이는 배터리 내에 투과성 분리 시트가 접혀져 있도록 유지하기 위해 "멤브레인(membrane)" 또는 "유지 부재(retaining member)"를 사용하는 일부 다른 주액 전지들이, 케이싱 내의 전도성 표면과 배터리의 애노드 단자 간의 직접적인 전기적 연결을 제공하지는 않는다는 점에서 주목할 만한 개선점을 제공한다.

조립된 배터리의 실시예들은, 전술된 배터리의 작동에 따라 케이싱 내로 물이 진입하기까지는 비활성 상태이다. 편리하게도, 전도성 라이닝(102)에 제공된 긴 절개 슬롯들(102A)은 케이싱에 전달되는 물이 케이싱의 원통 부분(101A)의 길이를 따라 상대적으로 자유롭고 균일하게 유동하도록 하여, 물이 절개 슬롯들(102A)에서부터 투과성 분리 시트(105)를 통과하여 전해질(104)과 접촉했을 때, 전해질(104)과 물의 전체적인 접촉 표면적을 향상시킨다. 투과성 분리 시트(105)는 전도성 라이닝의 절개 슬롯들(102A)의 길이를 따른 영역으로부터 물의 위킹(wicking)을 가능하게 하여 투과성 분리 시트(105)를 통해 전해질(104)과 접촉하도록 한다. 예를 들어 물결모양의 도랑을 통해 배터리 케이싱을 따라 물을 나르기 위해 케이싱 내에 물결모양의 금속 시트를 활용하는 특정한 기존의 주액 전지들과는 대조적으로, 본 발명의 실시예들에서 전도성 라이닝(102)의 절개 슬롯들(102)의 사용은 케이싱 내에 전해질을 저장하는 체적의 손실을 완화 시키는 것과 동시에 케이싱 내에서 적어도 필적하는 물의 유동을 제공하는 경향이 있다. 또한, 전도성 라이닝(102)의 절개 슬롯들(102A)의 사용은(기존의 배터리들이 물결 모양의 전도성 시트를 사용하는 것과는 대조적으로) 결과적으로 전체적인 금속의 사용을 감소시킬 수 있으며, 본 발명의 실시예들에 따라 제조 단위당 전체 비용 및 배터리들의 전체 중량을 감소시킨다.

일단 케이싱에서 물이 전해질과 적절하게 접촉하게 되면, 활성화된 전해질(104)이 투과성 시트(105)를 통해 전도성 라이닝(102)과 화학적으로 반응하여, 전기적으로 격리된 전도성 막대(103)와 전도성 라이닝(102) 사이에 전위차가 발생한다. 전도성 라이닝(102)과 전도성 막대(103) 사이에 배치된 투과성 분리 시트(105)가 전도성 라이닝(102)과 전도성 막대(103)를 서로에게서 물리적 및 전기적으로 격리시키는 반면, 화학 반응의 결과로 생성된 양이온들이 전도성 라이닝(102)에서부터 투과성 분리 시트(105)를 통해 전도성 막대(103)를 향하는 방향으로 자유롭게 유동하도록 하여 계속해서 전위차를 발생 및 유지한다. 따라서, 전자가 배터리로부터 부하 장치를 통해 흐를 수 있도록 하여 로드 장치에 전력을 공급할 수 있다.

유리하게도, 본 발명의 배터리의 실시예들이 사용되기 전까지 비활성 상태로 유지되기 때문에, 이러한 배터리의 실시예들은 유사한 사용 목적을 갖는 종래의 기성 유형의 배터리들보다 보관 수명이 상당히 길다. 반면, 종래 유형의 배터리들은 제조 시점에서 전해질 분말 혼합물이 활성화되기 때문에 보관 시에 성능이 훨씬 빨리 저하되는 경향이 있다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예들은 긴 보관 수명 때문에 긴급 상황에 사용하기에 특히 적절하고 또 그런 의도로 만들어졌음에도 불구하고, 이러한 배터리의 실시예들의 실제 출력 성능은 특정 종래의 배터리들의 기대되는 전력 출력에 필적하거나 또는 더 우수할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리의 구조적인 설계 및 재료의 조성은 구성 부품들의 재사용 및 재활용의 용이성을 제공하는 것을 돕는다. 배터리의 여러 부품들은 자동화 설비의 사용으로 서로 신속하고 효율적으로 분리될 수 있다. 그 후에, 분리된 부품들은 부품들을 재활용하는 데에 시간, 비용 및 에너지를 들이는 대신에 새 배터리의 생산에 재사용되기 위해 공장으로 수집되어 반송될 수 있다. 이러한 재사용 가능한 구성 부품들을 수집하여 상대적으로 비용 효율적인 제조 관할 구역의 공장으로 대량으로 출하함으로써 더 많은 비용 절감을 할 수 있다.

통상의 기술자들이라면 본 명세서에 설명된 본 발명이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구체적으로 설명된 것 이외의 변형 및 수정이 될 수 있음을 인지할 것이다. 통상의 기술자에게 분명해지는 이러한 변형 및 수정은 모두 위에서 설명된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다. 본 발명은 이러한 변형 및 수정을 모두 포함하는 것으로 이해된다. 또한, 본 발명은 명세서에 개별적으로 또는 집합적으로 언급되거나 지시된 모든 단계들 및 특징들을 포함하며, 상기 단계들 또는 특징들 중 임의의 둘 또는 그 이상의 임의의 조합 및 모든 조합들을 포함한다.

본 명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 언급은, 그 선행기술이 보통의 일반적 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하거나 또는 어떠한 형태로 제안하는 것이 아니며 그렇게 받아들여져서는 안된다.

Claims

배터리로서,
전해질이 내부에 배치된 챔버를 정의하는 내부 표면을 구비하는 케이싱(casing)과;
상기 케이싱의 상기 내부 표면과 인접하도록 상기 챔버 내부에 위치하는 전도성 표면으로, 상기 배터리의 애노드(anode) 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 전도성 표면과;
상기 케이싱 내부에 위치하여 상기 전도성 표면으로부터 상기 전해질을 전기적으로 격리시키도록 구성되는 투과성 분리 시트와;
상기 배터리의 캐소드(cathode) 단자와 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 말단부와, 상기 전해질과 전기적으로 연결되도록 구성되는 제2 말단부를 구비하는 전도성 막대와; 그리고
상기 케이싱에 배치된 개구(opening);를 포함하는 배터리에 있어서,
상기 케이싱은 이동이 가능하게 서로 부착된 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 및 제2 부분들은 적어도 제1 부착 위치와 제2 부착 위치 사이에서 상대 이동이 가능하며, 상기 제1 부착 위치에서는 상기 케이싱으로 상기 개구를 통해 액체가 진입하는 것이 실질적으로 차단되고, 상기 제2 부착 위치에서는 상기 개구가 실질적으로 개방되어 액체의 진입이 허용됨에 따라 액체가 상기 개구를 통해 상기 챔버 내의 전해질과 접촉함으로써, 상기 전도성 표면과 상기 전도성 막대 사이에 전위차가 발생되어 상기 배터리가 활성화되는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에서 있어서,
상기 제1 및 제2 부분들은 슬라이딩, 회전, 선회, 트위스트, 밀고 당김 동작들 중 적어도 하나에 의해 서로에 대하여 상대 이동 가능한 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 케이싱의 상기 제1 및 제2 부분들은 상기 챔버로 액체가 진입하는 것을 제어가능하도록 하는 케이싱의 밸브 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에 있어서,
상기 케이싱은 플라스틱 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에 있어서,
상기 전도성 표면은 상기 케이싱의 전도성 라이닝을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제5항에 있어서,
상기 전도성 표면은 아연 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에 있어서,
상기 전도성 표면은 실질적으로 상기 전도성 표면의 긴(elongate) 축을 따라 연장하는 제거부(abatement), 슬롯(slot) 및 일련의 개구부(aperture) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제7항에 있어서,
상기 제거부, 슬롯, 및 일련의 개구부 중 적어도 하나는 상기 전도성 표면의 절개부(cut-out)로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에 있어서,
상기 애노드 단자는 상기 케이싱의 제1 말단부에 배치되고, 상기 제1 말단부는 플라스틱 재료와 금속 재료의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제9항에 있어서,
상기 플라스틱 영역은 상기 금속 재료로 형성된 코어를 동심으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에 있어서,
상기 케이싱 내부에 위치되어 상기 케이싱의 상기 전도성 표면과 상기 애노드 단자 사이의 전기적 연결을 제공하도록 구성되는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 직경이 0.2-0.8mm 범위에 속하는 실질적으로 구형(spherical)인 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제12항에 있어서,
상기 전해질은 밀도가 1.71-1.75g/cm³ 범위에 속하는 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 입자들은 3% 이하의 수분 함유량을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
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