KR102595720B1 - 바이폴라 배터리 조립체 - Google Patents

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에드워드 오. 2세 쉐퍼
도날드 호브데이
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어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨
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Abstract

바이폴라 배터리 조립체
바이폴라 배터리로서, a) 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택, b) 배터리 플레이트들 사이에 배치되어 전기화학적 전지를 형성하기 위한 액체 전해질, c) 복수의 분리막 - 각각의 개별 분리막이 각각의 전기화학적 전지 내에 위치함, d) 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 사이에 배치되는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트 - 상기 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 (i) 하나의 표면 상에 위치하는 제1 애노드 또는 캐소드, (ii) 대향하는 표면 상에 위치하는 제2 애노드 또는 캐소드, 및 (iii) 제1 애노드 또는 캐소드와 제2 애노드 또는 캐소드 사이의 하나 이상의 전류 전도체를 포함함 - , 및 e) 하나 이상의 전류 전도체를 하나 이상의 배터리 단자로 직접 또는 간접적으로 연결하는 하나 이상의 전류 도관을 포함한다.

Description

바이폴라 배터리 조립체{BIPOLAR BATTERY ASSEMBLY}
관련 출원과의 상호 참조
이 출원은 2011년 10월 24일에 출원된 미국 가출원 61/550,657을 우선권 주장하는 2012년 04월 16일에 출원된 특허 협력 조약 출원 PCT/US2012/033744의 미국내 단계 출원인 2014년 03월 17일에 출원된 미국 출원 번호 14/345,321의 일부 계속 출원인 2016년 03월 15일에 출원된 미국 출원 번호 15/070,117의 계속 출원인 2017년 05월 08일에 출원된 함께 계류 중인 미국 출원 번호 15/589,201의 일부 계속 출원이며, 이들 모두 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
분야
본 발명은 일반적으로 바이폴라 배터리 조립체, 이러한 조립체의 제조 방법, 및 이러한 조립체를 이용하는 방법과 관련된다.
바이폴라 배터리가 공지되어 있으며, 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되는 Tatematsu의 US 2009/0042099를 참조할 수 있다. 바이폴라 배터리가 그 밖의 다른 배터리 설계에 비해 이점, 가령, 확장성, 상대적으로 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도 및 설계 유연성을 제공한다. 바이폴라 배터리는 복수의 바이폴라 플레이트 및 두 개의 모노폴라 단부 플레이트를 포함한다. 바이폴라 플레이트는 하나의 표면에 양의 활성 물질(PAM)이라고 종종 지칭되는 캐소드 물질을 갖고 반대 측에 음의 활물질(NAM)이라고 종종 지칭되는 애노드 물질을 갖는 양면 시트의 형태로 된 기판을 포함한다. 전도성 시트가 기판과 애노드 물질 또는 캐소드 물질 사이에 배치될 수 있다. 바이폴라 플레이트는 하나의 플레이트의 애노드 물질이 다음 플레이트의 캐소드 물질과 대면하는 스택으로 배열된다. 대부분의 어셈블리에서, 전해질이 캐소드 물질에서 애노드 물질로 흐르는 것을 허용하는 배터리 분리막이 인접 플레이트들 간에 존재한다. 플레이트들 간 공간에, 애노드 물질과 캐소드 물질 간에 전자와 이온이 흐를 수 있게 하는 물질인 전해질이 배치된다. 플레이트들 사이에 배치되는 분리막과 전해질과 함께 바이폴라 플레이트의 인접 표면이, 애노드 물질과 캐소드 물질 간에 전자 및 이온이 교환되는 전기화학적 전지를 형성한다. 배터리의 구조는 바이폴라 플레이트에 의해 형성되는 각각의 전지가 밀봉되어 전해질이 전지 밖으로 흐르는 것을 막을 수 있도록 배열된다. 각각의 전기-화학적 전지를 밀봉하도록 사용되는 구조는 기판 상에 애노드 또는 캐소드 물질을 갖지 않는 플레이트의 일부분과 접촉한다. 덧붙여, 배터리 분리막은 기판 상에 배치되는 애노드 및 캐소드 물질을 갖는 기판의 일부분 너머까지 확장되어, 전지를 밀봉하는 데 도움이 될 수 있다. 각각의 전지는 전지에 연결되는 전류 전도체를 가짐으로써 전지로부터 하나 이상의 단자로 전자를 이동시키고 상기 하나 이상의 단자로부터 전자가 전기의 형태로 전자를 이용하는 또 다른 핵심 시스템 내 부하로 전송된다. 일부 실시예에서, 전지 내 전류 전도체가 배터리의 단자로 전자를 전송하는 추가 전류 전도체와 접촉하는 전도성 시트이다. 스택의 각각의 단부에 하나의 면 상에 배치되는 애노드 물질 또는 캐소드 물질을 갖는 모노폴라 플레이트가 위치한다. 모노폴라 플레이트의 면 상의 물질이 스택의 단부에서 바이폴라 플레이트의 대향하는 면을 갖는 전지를 형성하도록 선택된다. 특히, 모노폴라 플레이트를 대면하는 바이폴라 플레이트가 플레이트의 면 상에 캐소드 물질을 갖는 경우 모노폴라 플레이트는 자신의 면 상에 애노드 물질을 가지며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 종래의 설계에서, 배터리 플레이트의 스택(들)이 플레이트의 스택을 중심으로 밀봉되는 케이스 내에 배치되며 배터리의 외부 상에 위치하는 양 단자와 음 단자의 하나 이상의 쌍을 가지며, 각각의 쌍은 전류 전도체 연결되고 본 명세서에 기재된 바와 같이 더 많은 전지 중 하나로 더 연결된다.
바이폴라 배터리 조립체의 이점에도 불구하고, 바이폴라 배터리 조립체의 단점이 이들이 상용화되는 것을 막는다. 바이폴라 배터리는 동작 동안 애노드 및 캐소드 물질의 팽창과 수축, 전기화학적 프로세스 동안의 기체 발생, 및 발열로 인해 상당한 내부 압력을 발생시킨다. 바이폴라 배터리는 확장 가능하기 때문에, 전지에서 더 높은 압력이 발생될 수 있다. 또한, 발생된 열이 발생된 압력을 악화시키고 배터리의 구성 물질에 손상을 입히는 열 레벨을 발생시킬 수 있고 배터리를 작동 불능으로 만드는 폭주 반응을 초래할 수 있다. 압력에 의해 전기화학적 전지 중심의 밀봉부가 파열되고 전지 및 배터리가 작동 불능이 된다. 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되는 공동 소유의 특허 출원 발명의 명칭 BIPOLAR 배터리 조립체, Shaffer II외 다수, US 2010/0183920가 개선된 에지 밀봉 조립체 및 바이폴라 플레이트 설계를 통한 이러한 문제에 대한 해결책을 개시한다.
바이폴라 배터리가 상용화되고 이 기법의 완전한 가능성이 달성될 수 있기 전에 해결될 필요성이 존재한다. 특히, 동작 중에 발생하는 열 및 압력을 개선된 방식으로 핸들링하는 바이폴라 배터리 설계가 필요하다. 배터리의 현재 및 미래의 사용자가 종종 배터리를 위해 이용 가능한 제한된 패키징 공간을 가지며 이용 가능한 패키징 공간에 적응될 수 있는 배터리가 필요하다. 배터리를 이용하는 대부분의 시스템은 더 경량의 배터리를 원하며 더 가벼운 무게를 보이는 바이폴라 배터리가 바람직하다. 부품 및 복잡도를 감소시키는 바이폴라 배터리 설계, 가령, 전기 전지 및 개별 케이스의 밀봉을 위해 사용되는 특수 부품이 바람직하다. 배터리 스택을 대량 생산할 수 있는 능력 및 전력 출력을 증가시키기 위해 배터리 스택을 전기적으로 연결할 수 있는 능력이 유익할 것이다. 또한 증가된 전력 출력을 갖는 바이폴라 배터리의 구성을 변화시킬 수 있도록 가변 개수의 유사하게 생산된 배터리 스택(가령, 동일한 개수의 바이폴라 플레이트를 갖는 2개의 스택, 3개의 스택, 4개의 스택)을 전기적으로 연결할 수 있는 능력이 바람직할 것이다. 부피가 최소화되고 전력 출력이 증가된 배터리, 즉, 향상된 전력 밀도를 갖는 배터리가 바람직하다. 더 단순한 배터리 조립체를 위해 종래의 제조 기법을 이용하여 앞서 언급된 목표를 달성하는 방법이 필요하다. 사용자 수요에 들어맞도록 확장될 수 있는 배터리가 요구된다.
본 발명은 바이폴라 배터리와 관련되며, 상기 바이폴라 배터리는 a) 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 - 상기 스택은 (i) 하나의 표면 상에 애노드를 갖고 대향하는 표면 상에 캐소드를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트, (ii) 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택의 대향하는 단부에 배치된 두 개의 모노폴라 플레이트 - 각각의 모노폴라 플레이트는 하나의 표면 상에 증착되는 캐소드 또는 애노드를 가짐 - 을 포함하고, 각각의 배터리 플레이트의 한 면이 타 배터리 플레이트의 한 면을 대면하며, 이들 사이에 공간을 형성하도록 배터리 플레이트가 배열됨 - , b) 캐소드와 애노드 사이 공간 내에 배치되어 복수의 전기화학적 전지를 형성하는 액체 전해질, c) 복수의 분리막 - 각각의 개별 분리막은 개별 전기화학적 전지의 애노드와 캐소드 사이에 위치함 - , d) 상기 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 중 두 개의 스택 사이에 배치되는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트 - 상기 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 (i) 하나의 표면 상에 위치하는 제1 애노드 또는 제1 캐소드, (ii) 대향하는 표면 상에 위치하는 제2 애노드 또는 제2 캐소드, (ii) 제1 애노드 또는 제1 캐소드와 제2 애노드 또는 제2 캐소드 사이에 위치하는 하나 이상의 전류 전도체를 포함하고, 상기 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 애노드를 갖는 하나의 표면이 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트 또는 캐소드가 증착된 표면을 갖는 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면과 대면하거나, 제1 캐소드를 갖는 표면이 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트 또는 애노드들 중 한 애노드가 증착된 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 대면하도록, 배열되며, 상기 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 제2 애노드를 갖는 대향하는 표면이 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트, 또는 캐소드를 중 하나의 캐소드가 증착된 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 대면하거나, 제2 캐소드를 갖는 대향하는 표면이 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트 또는 캐소드가 증착된 표면을 갖는 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면과 대면하도록, 배열됨 - , 및 e) 하나 이상의 전류 전도체를 하나 이상의 배터리 단자로 직접 또는 간접적으로 연결하는 하나 이상의 전류 도관을 포함한다.
바이폴라 배터리는 다음의 특징 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 제1 애노드 및 제2 애노드 또는 둘 모두 또는 제1 캐소드와 제2 캐소드 모두를 포함할 수 있고; 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 및 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 병렬, 직렬, 또는 병렬과 직렬의 조합으로 전기적으로 연결될 수 있으며; 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 및 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트가 병렬로 전기적으로 연결될 수 있고; 하나 이상의 바이폴라 플레이트가 각각 하나의 표면 상에 애노드 및 대향하는 표면 상에 캐소드를 갖는 기판을 포함할 수 있으며; 기판(가령, 바이폴라 플레이트 및/또는 듀얼 폴라 플레이트의 기판)이 하나의 표면에서 대향하는 표면으로 전류를 전도하도록 전도성일 수 있으며; 두 개의 모노폴라 플레이트 각각이 하나씩의 기판을 포함할 수 있고; 집전기가 두 개의 모노폴라 플레이트 중 하나 또는 각각의 캐소드 또는 애노드와 접촉할 수 있으며; 두 개의 모노폴라 플레이트의 각각의 모노폴라 플레이트가 개별 모노폴라 플레이트의 애노드 또는 캐소드와 접촉하는 집전기를 가질 수 있고; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 제1 애노드 또는 제1 캐소드를 그 상에 갖는 제1 전도성 기판, 제2 애노드 또는 제2 캐소드를 그 상에 갖는 제2 전도성 기판, 및 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 사이에 배치되는 비-전도성 기판을 포함할 수 있고; 하나 이상의 듀얼 배터리 플레이트가 애노드 또는 캐소드를 그 상에 갖는 제1 및/또는 제2 전도성 기판을 포함할 수 있으며; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 비-전도성 기판을 포함할 수 있고; 비-전도성 기판은 둘 이상의 전도성 기판 사이에 배치될 수 있으며; 하나 이상의 전류 전도체는 하나 또는 두 개의 전류 전도체를 포함할 수 있고; 하나 이상의 전류 전도체는 제1 전류 전도체 및 제2 전류 전도체를 포함할 수 있으며; 제1 전도성 기판은 제1 애노드 또는 제1 캐소드와 대향하는 표면의 일부분과 접촉하는 제1 전류 전도체를 포함할 수 있고; 제2 전도성 기판은 제2 애노드와 대향하는 표면의 일부분과 접촉하는 제2 전류 전도체를 포함할 수 있으며; 제1 전류 전도체 및 제2 전류 전도체는 하나 이상의 전류 도관 중 하나를 통해 동일한 배터리 단자로 연결될 수 있고; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 하나 이상의 전류 전도체는 바이폴라 배터리의 하나 이상의 단자 중 하나일 수 있으며; 하나 이상의 전류 전도체는 바이폴라 배터리의 양 단자 또는 음 단자일 수 있고; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 하나의 표면 상에 제1 애노드 또는 제1 캐소드를 갖고 대향하는 표면 상에 제2 애노드 또는 제2 캐소드를 갖는 전도성 기판을 포함할 수 있으며; 하나 이상의 전류 전도체는 전도성 기판에 연결되는 단일 전류 전도체일 수 있으며; 단일 전류 전도체는 제1 애노드 및 제2 애노드 모두 또는 제1 캐소드 및 제2 캐소드 모두와 전기 통신할 수 있고; 복수의 분리막의 각각의 개별 분리막은 시트의 주변부에 부착되는 일체화된 프레임(integrated frame)을 갖는 시트를 포함할 수 있으며; 일체화된 프레임은 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 주변부에 인접하게 위치하도록 구성될 수 있고; 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트 각각은 이의 주변부 둘레에 상승된 에지(raised edge)를 갖는 하나 이상의 기판을 포함할 수 있으며; 상승된 에지는 분리막의 일체화된 프레임에 인접하게 배치되도록 구성될 수 있으며; 일체화된 프레임 및 상승된 에지는 전지화학적 전지와 바이폴라 배터리의 외부 표면 간 밀봉부를 형성할 수 있고; 바이폴라 플레이트 각각의 기판은 폴리머 기판을 관통하며 폴리머 기판의 양 표면 모두와 통신하는 하나 이상의 개구부를 갖는 폴리머 기판일 수 있으며; 하나 이상의 개구부는 매끄러운 표면을 가질 수 있으며 폴리머 기판의 열적 열화 온도 미만의 온도에서 상 변태를 겪는 전도성 물질로 채워질 수 있고; 폴리머를 포함하는 멤브레인이 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 주변부 주위를 포함하여 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택의 전체 주변부 주위에 배치되어, 배터리 플레이트의 에지 주위에, 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 외부로 액체 전해질이 흐르지 못하게 막는 밀봉부를 형성할 수 있으며; 하나 이상의 바이폴라 플레이트, 두 개의 모노폴라 플레이트, 복수의 분리막, 및 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있고; 하나 이상의 개구부는 일체화된 채널을 형성하도록 정렬될 수 있으며; 일체화된 채널은 배터리 플레이트와 분리막의 평면을 가로지를 수 있고; 하나 이상의 개구부가 자신 내에 위치하는 인서트를 포함하며; 인서트는 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 내에 일체화된 채널을 형성하기 위해 짝결합하도록 구성될 수 있으며; 일체화된 채널은 액체 전해질을 통과할 수 있고; 인서트는 일체화된 채널과 전기화학적 전지 간 연통할 수 있는 배기구(vent 홀)를 포함할 수 있고; 인서트는 배터리 플레이트에 본딩되거나 이와 일체 구성되어 분리막과 배터리 플레이트 간 접합부에서 밀봉부를 형성할 수 있으며; 하나 이상의 배터리 단자는 양 단자와 음 단자를 포함할 수 있고; 양 단자와 음 단자는 멤브레인을 통해 돌출될 수 있고, 하나 이상의 또는 심지어 모든 전류 전도체가 상기 멤브레인에 의해 덮일 수 있으며; 하나 이상의 배터리 단자 중 하나인 하나 또는 전류 전도체가 멤브레인을 통해 돌출될 수 있다.
본원 개시 물품은 전기의 저장을 위한 배터리로서 유용하며 다양한 환경에서 사용될 전기를 생성하기에 유용하다. 개시된 물품은 낮은 필요 부피 및 중량으로 높은 전력 입력을 제공함으로써 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다. 물품은 물품의 외부 표면을 지나치게 손상하지 않고 그리고 액체 전해질이 물품 내에 유지되면서, 동작 중에 발생되는 압력 및 열을 핸들링하도록 설계된다. 본원 개시 물품은 종래의 물질 및 공정을 이용해 조립될 수 있다. 본원 개시 물품은 복잡한 밀봉 구조가 필요 없이 언급된 이점을 달성할 수 있다. 본원 개시 물품은 사용자의 패키징 공간을 수용하기 위한 상이한 형태의 공간에 적응될 수 있다. 본원 개시 물품의 설계에 의해 다양한 에너지 수용을 사용자에게 전달하도록 크기를 변환하는 것을 가능하게 한다. 본원 개시 물품의 조립은 해당 분야에 공지된 물품의 조립보다 효율적이다. 본원 개시 물품은 단부 플레이트를 손상하지 않고 구조물의 단부 플레이트 상에서의 최대 약 10 psi, 바람직하게는 최대 약 50 psi, 그리고 가장 바람직하게는 최대 약 100 psi의 압력을 견딜 수 있다. 최종 조립체가 최종 사용 및 이용 가능한 패키징 공간에 적합한 임의의 방식으로 배향될 수 있도록 전기화학적 전지가 밀봉된다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트에 의해 유사하게 크기가 정해진 배터리 스택(가령, 동일한 개수의 바이폴라 플레이트)이 다양한 스택 구성으로(가령, 복수의 스택)으로 연결될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트에 의해 각각의 배터리 스택에 대해 표준 스택 크기를 이용하면서, 바이폴라 배터리의 대량 생산 및 가변 전력 출력을 갖는 바이 폴라 배터리의 가변 구성이 가능할 수 있다. 장치는 특정된 상부 부분 및 하부 부분이 중력 방향으로 상부가 위로 배향되고 하부가 아래로 배향되는 배향을 요구하는 배향을 요구하지 않는다.
도 1은 본원 개시 조립체의 측방도이다.
도 2는 횡방향 채널에서 볼트 위에 단부 플레이트를 갖는 본원 개시 조립체의 측방도이다.
도 3은 멤브레인이 바이폴라 플레이트의 스택 주위에 배치되는 조립체의 측방도이다.
도 4는 매니폴드 및 체크 밸브를 갖는 본원 개시 조립체를 도시한다.
도 5는 본원 개시 분리막 시트를 도시한다.
도 6은 포스트가 횡방향 채널로 사출 몰딩되는 본원 개시 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 7 및 8은 배터리 플레이트 및 분리막 플레이트의 스택을 도시한다.
도 9는 본원 개시 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 10은 평면 A-A를 따르는 횡방향 채널의 쌍을 통한 도 9의 조립체의 절단도이다.
도 11은 라인 B-B를 따르는 배기구를 보여주는 스택의 단부의 부분 절단도이다.
도 12는 평면 C-C를 따르는 전기화학적 전지로의 배기구를 통한 도 9의 조립체의 절단도이다.
도 13은 조립체의 단부 플레이트에서의 밸브를 갖는 본원 개시 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 14는 평면 E-E를 따르는 전기화학적 전지로의 배기구와 연통하는 일체화된 채널을 통한 도 13의 조립체의 절단도이다.
도 15는 평면 D-D를 따르는 전기화학적 전지로의 배기구와 연통하는 일체화된 채널을 통한 도 13의 조립체의 절단도이다.
도 16은 인서트 내 벤트 노치(배기구)를 갖는 도 5 및 7에서 나타난 흡수성 유리 매트를 갖는 분리막을 도시한다.
도 17은 홀과 흡수성 유리 매트 간에 연통하는 벤트를 형성하는 인서트 내 노치를 갖는 인서트를 갖는 분리막으로부터 절단된 측방도를 도시한다.
도 18은 사이에 배치된 분리막의 일부분을 갖는 두 개의 바이폴라 플레이트로서 인서트가 배기/충전 채널을 형성하기 위해 정렬된 부분을 도시한다.
도 19는 전자 또는 이온의 애노드와 캐소드 간 이송을 허용하지 않고 배터리의 외부로 전기 연통을 제공하는 듀얼 폴라 플레이트의 구성을 도시한다.
도 20은 두 개의 배터리 스택이 병렬 연결된 듀얼 폴라 플레이트에 의해 분리되는 배터리의 두 개의 스택을 도시한다.
도 21은 스택이 직렬 연결된 두 개의 듀얼 폴라 플레이트에 의해 분리된 배터리 플레이트의 세 개의 스택을 도시한다.
도 22는 두 개의 듀얼 폴라 플레이트에 의해 분리되고 병렬 연결된 배터리 플레이트의 세 개의 스택을 도시한다.
도 23은 두 개의 듀얼 폴라 플레이트에 의해 분리되고 병렬로 연결된 배터리 플레이트의 세 개의 스택을 도시한다.
도 24는 듀얼 폴라 플레이트에 의해 분리되고 병렬 연결된 배터리 플레이트의 두 개의 스택을 도시한다.
본 명세서에서 제공되는 설명 및 예시가 해당 분야의 통상의 기술자가 본 발명, 이의 원리, 및 실시 응용을 익히도록 의도된다. 본 발명의 특정 실시예가 본 발명을 총 망라하거나 제한하는 의도가 아니다. 본 발명의 범위는 이하의 청구항과, 이러한 청구항의 균등물의 전체 범위를 함께 참조하여 결정되어야 한다. 특허 출원 및 간행물을 포함해 모든 논문 및 참조문헌의 개시가 모든 목적으로 참조로서 포함된다. 이하의 청구항으로부터 얻어질 바와 같이, 그 밖의 다른 조합이 또한 가능하며, 이 역시 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 개시내용은 복수의 바이폴라 플레이트의 둘 이상의 스택, 바이폴라 플레이트의 둘 이상의 스택의 각각의 단부에 위치하는 두 개의 모노폴라 플레이트, 바이폴라 플레이트들 사이에 배치되는 액체 전해질; 둘 이상의 스택 중 두 스택들 사이에 배치되는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트를 포함하는 배터리로서 사용 가능한 물품과 관련된다. 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트 각각이 하나의 표면 상에 위치하는 제1 애노드 또는 캐소드, 대향하는 표면 상에 위치하는 제2 애노드 또는 캐소드, 및 제1 애노드 또는 캐소드와 제2 애노드 또는 캐소드 사이에 위치하는 하나 이상의 전류 전도체를 포함할 수 있다. 각각의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 애노드를 갖는 하나의 표면이 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나 또는 여기에 증착된 캐소드 중 하나를 갖는 또 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 마주보거나, 제1 캐소드를 갖는 표면이 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나 또는 여기에 증착된 애노드 중 하나를 갖는 또 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 마주보도록 배열될 수 있다. 각각의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 제2 애노드를 갖는 대향하는 표면이 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나 또는 여기에 증착된 캐소드 중 하나를 갖는 또 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 마주보거나, 제2 캐소드를 갖는 대향하는 표면은 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나 또는 여기에 증착되는 캐소드 중 하나를 갖는 또 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 마주보도록 배열될 수 있다. 하나 이상의 전류 도관은 하나 이상의 전류 전도체를 하나 이상의 배터리 단자로 직접 또는 간접적으로 연결할 수 있다. 배터리 플레이트의 셋 이상의 스택이 존재하는 경우 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 배터리 플레이트의 스택의 각각의 쌍 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 배터리 플레이트의 세 개의 스택이 존재하는 경우, 두 개의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 존재할 수 있으며, 이때 배터리 플레이의 각각의 개별 스택이 듀얼 폴라 배터리 플레이트 중 하나의 애노드 및/또는 캐소드에 인접한다. 배터리 플레이트는 배터리 스택의 단부 캐소드 또는 애노드에 인접한 모노폴라 플레이트를 가져, 전기화학적 전지를 형성할 수 있다. 모노폴라 플레이트 각각이 애노드 또는 캐소드로부터 멀리 배치된 모노폴라 플레이트의 전도성 기판의 일부분과 접촉하는 전류 전도체를 포함할 수 있다. 모노폴라 전류 전도체가 전도성 기판과 단부 플레이트 또는 조립체 주변의 케이스 사이에 배치될 수 있다. 이들 전류 전도체는 케이스 또는 멤브레인을 통해 돌출될 수 있다. 이들 전류 전도체가 케이스 또는 멤브레인을 통해 돌출되지 않는 경우, 전도성 도관이 양 단자 또는 음 단자로 연결하도록 제공될 수 있다.
본 발명의 물품 및 프로세스가 이하에서 나열된 특징 중 하나 이상을 임의의 조합으로, 가령, 이 출원에서 개시된 선호 및 대안적 실시예로 더 포함할 수 있다: 바이폴라 배터리가 다음의 특징 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 제1 애노드 및 제2 애노드 또는 둘 모두 또는 제1 캐소드와 제2 캐소드 모두를 포함할 수 있고; 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 및 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 병렬, 직렬, 또는 병렬과 직렬의 조합으로 전기적으로 연결될 수 있으며; 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 및 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트가 병렬로 전기적으로 연결될 수 있고; 하나 이상의 바이폴라 플레이트가 각각 하나의 표면 상에 애노드 및 대향하는 표면 상에 캐소드를 갖는 기판을 포함할 수 있으며; 기판(가령, 바이폴라 플레이트 및/또는 듀얼 폴라 플레이트의 기판)이 하나의 표면에서 대향하는 표면으로 전류를 전도하도록 전도성일 수 있으며; 두 개의 모노폴라 플레이트 각각이 하나씩의 기판을 포함할 수 있고; 집전기가 두 개의 모노폴라 플레이트 중 하나 또는 각각의 캐소드 또는 애노드와 접촉할 수 있으며; 두 개의 모노폴라 플레이트의 각각의 모노폴라 플레이트가 개별 모노폴라 플레이트의 애노드 또는 캐소드와 접촉하는 집전기를 가질 수 있고; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 제1 애노드 또는 제1 캐소드를 그 상에 갖는 제1 전도성 기판, 제2 애노드 또는 제2 캐소드를 그 상에 갖는 제2 전도성 기판, 및 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 사이에 배치되는 비-전도성 기판을 포함할 수 있고; 하나 이상의 듀얼 배터리 플레이트가 애노드 또는 캐소드를 그 상에 갖는 제1 및/또는 제2 전도성 기판을 포함할 수 있으며; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 비-전도성 기판을 포함할 수 있고; 비-전도성 기판은 둘 이상의 전도성 기판 사이에 배치될 수 있으며; 하나 이상의 전류 전도체는 하나 또는 두 개의 전류 전도체를 포함할 수 있고; 하나 이상의 전류 전도체는 제1 전류 전도체 및 제2 전류 전도체를 포함할 수 있으며; 제1 전도성 기판은 제1 애노드 또는 제1 캐소드와 대향하는 표면의 일부분과 접촉하는 제1 전류 전도체를 포함할 수 있고; 제2 전도성 기판은 제2 애노드와 대향하는 표면의 일부분과 접촉하는 제2 전류 전도체를 포함할 수 있으며; 제1 전류 전도체 및 제2 전류 전도체는 하나 이상의 전류 도관 중 하나를 통해 동일한 배터리 단자로 연결될 수 있고; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 하나 이상의 전류 전도체는 바이폴라 배터리의 하나 이상의 단자 중 하나일 수 있으며; 하나 이상의 전류 전도체는 바이폴라 배터리의 양 단자 또는 음 단자일 수 있고; 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 하나의 표면 상에 제1 애노드 또는 제1 캐소드를 갖고 대향하는 표면 상에 제2 애노드 또는 제2 캐소드를 갖는 전도성 기판을 포함할 수 있으며; 하나 이상의 전류 전도체는 전도성 기판에 연결되는 단일 전류 전도체일 수 있으며; 단일 전류 전도체는 제1 애노드 및 제2 애노드 모두 또는 제1 캐소드 및 제2 캐소드 모두와 전기 통신할 수 있고; 복수의 분리막의 각각의 개별 분리막은 시트의 주변부에 부착되는 일체화된 프레임(integrated frame)을 갖는 시트를 포함할 수 있으며; 일체화된 프레임은 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 주변부에 인접하게 위치하도록 구성될 수 있고; 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트 각각은 이의 주변부 둘레에 상승된 에지(raised edge)를 갖는 하나 이상의 기판을 포함할 수 있으며; 상승된 에지는 분리막의 일체화된 프레임에 인접하게 배치되도록 구성될 수 있으며; 일체화된 프레임 및 상승된 에지는 전지화학적 전지와 바이폴라 배터리의 외부 표면 간 밀봉부를 형성할 수 있고; 바이폴라 플레이트 각각의 기판은 폴리머 기판을 관통하며 폴리머 기판의 양 표면 모두와 통신하는 하나 이상의 개구부를 갖는 폴리머 기판일 수 있으며; 하나 이상의 개구부는 매끄러운 표면을 가질 수 있으며 폴리머 기판의 열적 열화 온도 미만의 온도에서 상 변태를 겪는 전도성 물질로 채워질 수 있고; 폴리머를 포함하는 멤브레인이 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 주변부 주위를 포함하여 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택의 전체 주변부 주위에 배치되어, 배터리 플레이트의 에지 주위에, 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 외부로 액체 전해질이 흐르지 못하게 막는 밀봉부를 형성할 수 있으며; 하나 이상의 바이폴라 플레이트, 두 개의 모노폴라 플레이트, 복수의 분리막, 및 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있고; 하나 이상의 개구부는 일체화된 채널을 형성하도록 정렬될 수 있으며; 일체화된 채널은 배터리 플레이트와 분리막의 평면을 가로지를 수 있고; 하나 이상의 개구부가 자신 내에 위치하는 인서트를 포함하며; 인서트는 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 내에 일체화된 채널을 형성하기 위해 짝결합하도록 구성될 수 있으며; 일체화된 채널은 액체 전해질을 통과할 수 있고; 인서트는 일체화된 채널과 전기화학적 전지 간 연통할 수 있는 배기구(vent 홀)를 포함할 수 있고; 인서트는 배터리 플레이트에 본딩되거나 이와 일체 구성되어 분리막과 배터리 플레이트 간 접합부에서 밀봉부를 형성할 수 있으며; 하나 이상의 배터리 단자는 양 단자와 음 단자를 포함할 수 있고; 양 단자와 음 단자는 멤브레인을 통해 돌출될 수 있고, 하나 이상의 또는 심지어 모든 전류 전도체가 상기 멤브레인에 의해 덮일 수 있으며; 하나 이상의 배터리 단자 중 하나일 수도 있는 하나 또는 전류 전도체가 멤브레인을 통해 돌출될 수 있고; 바이폴라 플레이트는 기판의 양 표면 모두와 연통하도록 기판을 관통하는 복수의 개구부를 갖는 폴리머 기판을 포함할 수 있으며, 여기서 개구부들 중 하나 이상은 직선형이고 매끄러운 표면을 가지며 폴리머 기판의 열적 열화 온도 미만인 온도에서 상 변태를 겪는 전도성 물질로 채워지며; 폴리머를 포함하는 멤브레인은 둘 이상의 배터리 스택의 플레이트의 스택의 전체 주변부 주위에 배치되어 플레이트 에지 주위에, 액체 전해질이 플레이트의 스택 밖으로 흐르지 못하게 막는 밀봉부를 형성할 수 있고; 멤브레인은 선단 에지와 후단 에지를 가질 수 있으며 멤브레인의 선단 에지와 후단 에지는 서로 융해 본딩되어 멤브레인이 플레이트의 하나 이상의 스택의 주변부 주위에 밀봉부를 형성함으로써, 전해질이 스택의 내부에서 멤브레인의 외부로 통과하지 않도록 할 수 있고; 하나 이상의 분리막은 시트의 주변부에 부착되는 일체화된 프레임을 갖는 시트를 포함할 수 있으며, 여기서 일체화된 프레임은 배터리 플레이트의 기판의 주변부에 인접하게 배치되도록 구성되며; 배터리 플레이트를 위한 기판은 분리막의 일체화된 프레임에 인접하게 배치되도록 구성된 이들의 주변부 주위에서 상승된 표면을 가질 수 있고; 일체화된 채널은 분리막 및 배터리 플레이트 내에, 배터리 플레이트 및 분리막의 평면을 가로지르는 하나 이상의 밀봉된 채널을 형성하도록 정렬된 홀 또는 슬롯을 포함할 수 있고 채널은 전기화학적 전지와 연통하는 배기구를 포함하며, 여기서 분리막 및 배터리 플레이트 내 홀은 자신 내에 위치하는 인서트, 보스, 또는 슬리브를 포함할 수 있고; 인서트는 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 내에 일체화된 채널을 형성하기 위해 짝결합되도록 구성될 수 있으며; 채널은 배터리 플레이트 및 분리막에 몰딩되는 인서트에 의해 형성될 수 있고; 채널은 배터리 플레이트와 분리막 사이에 위치하는 슬리브 또는 부싱에 의해 형성될 수 있으며; 배터리 플레이트는 슬리브 및/또는 부싱이 끼워 맞춤되도록 구성된 압입부를 가지며; 슬리브 및/또는 부싱은 배터리 플레이트 및/또는 분리막으로 삽입되는 단부를 가질 수 있고; 슬리브 또는 부싱은 배터리 플레이트 및/또는 분리막에 본딩되어, 접합부에 밀봉부를 형성할 수 있으며; 채널은 일련의 매칭된 인서트 또는 보스를 포함하고; 분리막과 접촉하는 인서트, 보스 또는 슬리브는 일체화된 채널과 전기화학적 전지 사이에 연통하는 배기구를 포함할 수 있으며, 상기 배기구는 인서트, 보스 또는 슬리브 내 노치에 의해 형성될 수 있고, 물품은 압력이 물품의 손상이 일어날 수 있는 압력 미만인 지정 압력 레벨에 도달할 때 바이폴라 플레이트의 밀봉된 스택 내 압력을 완화하도록 구성된 하나 이상의 밸브를 더 포함할 수 있으며; 밸브는 일체화된 채널에 연결될 수 있고; 배터리 플레이트의 하나 또는 둘 이상의 스택이 캐소드 및/또는 애노드가 증착된 플레이트의 일부분을 횡방향으로 통과하는 복수의 채널을 가질 수 있으며; 채널의 주변부 주위의 하나 이상의 밀봉부가 채널로의 액체 전해질의 누수를 방지할 수 있으며; 포스트가 각각의 단부 상에 횡방향 채널을 위한 홀에 인접한 모노폴라 플레이트의 외부에서 채널 및 밀봉 표면을 덮는 겹치는 부분을 가지면서 하나 이상의 채널 내에 위치할 수 있고 모노폴라 플레이트의 밀봉 표면 상에 압력을 가할 수 있으며, 여기서 압력은 배터리 플레이트의 스택에 의해 만들어진 전기화학적 전지의 조립 및 동작 동안 만들어진 압력을 견디기에 충분할 수 있고; 포스트는 각각의 단부 상에 횡방향 채널을 위한 홀에 인접한 모노폴라 플레이트의 외부에서 채널 및 밀봉 표면을 덮는 부분을 가지면서 하나 이상의 채널 내에 위치할 수 있고 모노폴라 플레이트의 밀봉 표면 상에 압력을 가하며, 여기서 압력은 배터리 플레이트의 스택에 의해 만들어지는 전기화학적 전지의 조립 및 동작 동안 생성되는 압력을 견디기에 충분하고 포스트는 전해질에의 노출을 견딜 수 있는 물질로 제작되고 전해질이 채널로 들어가지 못하게 막으며; 물품은 캐소드 및/또는 애노드가 증착된 플레이트의 일부분을 통해 횡방향으로 통과하는 횡방향 채널의 주변부 주위에서 밀봉부를 포함하고; 밀봉부는 배터리 플레이트 및 분리막에 몰딩된 인서트에 의해 형성되고; 밀봉부는 배터리 플레이트와 분리막 사이에 위치하는 슬리브 또는 부싱에 의해 형성되며; 배터리 플레이트는 슬리브 및/또는 부싱이 끼워 맞춤되도록 구성된 압입부를 가질 수 있고; 슬리브 및/또는 부싱은 배터리 플레이트로 삽입되는 단부를 가지며; 슬리브 또는 부싱은 배터리 플레이트로 본딩되어 접합부에 밀봉부를 형성할 수 있고; 밀봉부는 일련의 매칭된 인서트 또는 보스를 포함할 수 있으며; 물품은 횡방향 채널의 주변부 주위에서 밀봉부를 포함하지 않을 수 있고 포스트가 전해질에 노출될 때 자신의 구조적 무결성을 유지하는 물질을 포함할 수 있으며, 비전도성이고, 횡방향 채널을 밀봉하여 전해질이 채널로 들어오지 못하게 막을 수 있고; 포스트는 세라믹 물질 또는 ABS, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀, 열가소성 수지 화합물 또는 폴리카보네이트의 폴리머 물질을 포함할 수 있고; 포스트는 사전-몰딩되고 억지 끼워 맞춤에 의해 채널 내에 배치되는 비전도성 폴리머를 포함하며; 포스트는 ABS를 포함하고; 모노폴 플레이트의 캐소드 및 캐소드 및 애노드 집전기를 갖는 내부 플레이트의 캐소드가 독립적인 양 단자로 연결될 수 있으며; 모노폴 플레이트의 애노드 및 캐소드 및 애노드 전류 전도체를 갖는 내부 플레이트의 애노드가 독립적인 음 단자로 연결될 수 있고; 전지의 내부 세트가 독립적으로 전기화학적으로 형성되고; 양의 전류 전도체가 연결될 수 있고 음의 전류 전도체가 병렬로 연결될 수 있거나; 배터리 스택이 직렬로 연결될 수 있으며; 각각의 듀얼 폴라 플레이트에 대해 전도성 도관을 통해 하나 이상의(가령, 하나 또는 두 개의) 전류 전도체를 연결함으로써 배터리 스택이 직렬로 연결될 수 있으며; 배터리 스택은 양의 전류 전도체, 전도성 기판을 통해 캐소드로 연결되는 것, 하나 이상의 전도성 도관을 통해 양 단자로 직접 또는 간접적으로 연결하고, 음의 전류 전도체, 전도성 기판을 통해 애노드로 연결되는 것, 하나 이상의 전도성 도관을 통해 음 단자로 직접 또는 간접적으로 연결함으로써, 병렬로 연결될 수 있고; 전류 전도체는 하나 또는 둘 모두의 모노폴라 플레이트와 접촉하여 배치될 수 있으며; 전류 전도체는 배터리 조립체 주위의 단부 플레이트 또는 멤브레인과 모노폴라 플레이트의 전도성 기판 사이에 배치될 수 있으며; 배터리 조립체의 전류 전도체 단자는 배터리 조립체 주위의 케이스 또는 멤브레인을 통해 돌출되고 배터리 단자로서 기능하거나 배터리 단자로 연결될 수 있고; 양의 전류 전도체 단자가 캐소드를 갖는 모노폴라 단부 플레이트와 접촉할 수 있으며; 음의 전류 전도체 단자가 애노드를 갖는 모노폴라 단부 플레이트와 접촉할 수 있다.
개시된 물품은 하나 이상의 바이폴라 전극 플레이트, 바람직하게는, 복수의 바이폴라 플레이트를 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때 복수는 플레이트가 둘 이상 있음을 의미한다. 바이폴라 플레이트는 두 개의 대향하는 면을 갖는 시트 형태로 된 기판을 포함한다. 캐소드와 애노드가 대향하는 면에 위치한다. 일부 실시예에서, 바이폴라 플레이트가 물품에 스택으로 배열되며, 여기서, 하나의 바이폴라 플레이트의 캐소드가 또 다른 바이폴라 플레이트 또는 애노드를 갖는 모노폴라 플레이트의 애노드를 대면하고 각각의 바이폴라 플레이트의 애노드가 바이폴라 또는 모노폴라 플레이트의 캐소드를 대면한다. 물품에서 인접한 애노드와 캐소드 사이에 공간이 형성되고, 여기서, 공간은 애노드 및 캐소드 쌍과 작동하여 전기화학적 전지를 형성하는 전해질을 포함한다. 물품의 구성은 전지의 누수 및 단락을 방지하기 위해 주위로부터 밀봉된 폐쇄 전지를 도출한다. 존재하는 플레이트의 개수는 배터리의 희망 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 바이폴라 배터리 설계는 생성될 수 있는 전압의 유연성을 제공한다. 바이폴라 플레이트는 임의의 희망 단면 형태를 가질 수 있고 단면 형태는 사용자 환경에서 이용 가능한 패키징 공간에 맞도록 설계될 수 있다. 단면 형태는 시트의 면의 관점에서의 플레이트의 형태를 지칭한다. 유연한 단면 형태 및 크기가 배터리가 사용되는 시스템의 전압 및 크기 수요를 수용하기 위한 개시된 물품의 제작을 가능하게 한다. 모노폴라 플레이트가 플레이트의 스택의 단부 상에 배치되어 플레이트의 스택의 단부 전지를 형성할 수 있다. 모노폴라 플레이트는 바이폴라 플레이트에서 사용되는 것과 동일한 기판 및 애노드 및 캐소드로부터 제작될 수 있다. 애노드 또는 캐소드에 대향하는 모노폴라 플레이트의 측부는, 또 다른 케이스가 사용될 때 또는 스택을 보호하는 데 유용한 커버링을 포함할 수 있을 때, 베어 기판(bare substrate)일 수 있다. 모노폴라 플레이트는 단부 전지로부터 외부로 플레이트를 통과하거나 모노폴라 플레이트의 평면에 실질적으로 평행인 조립체 주위의 케이스의 측부 또는 멤브레인을 통과하는 하나 이상의 단자를 가질 수 있다. 단자는 모노폴라 플레이트의 애노드 또는 캐소드의 극성과 매칭된다. 단자는 전기화학적 전지에서 생성되는 전자를 생성된 전자를 전기의 형태로 이용하는 시스템으로 전송하는 기능을 한다. 모노폴 플레이트의 캐소드 및 캐소드 집전기를 갖는 하나 이상의 내부 플레이트의 캐소드가 독립적인 양 단자로 연결될 수 있다. 모노폴 플레이트의 애노드 및 애노드 집전기를 갖는 하나 이상의 내부 플레이트의 애노드가 독립적인 음 단자로 연결될 수 있다. 캐소드 집전기와 애노드 집전기는 병렬로 연결될 수 있다. 멤브레인에서 한쪽 연결된 양 단자 및 한쪽 연결된 음 단자만 노출된 채 개별 단자가 덮일 수 있다.
배터리 플레이트의 기판이 캐소드 및/또는 애노드에 대한 구조적 지지를 제공하도록 기능하며; 인접한 전지들 간 전해질의 흐름을 막도록 전지가 파티셔닝되며; 타 배터리 구성요소와 협업하여 배터리의 외부 표면 상에 있을 수 있는 바이폴라 플레이트 에지 주위에 전해질-타이트 밀봉부를 형성할 수 있고; 하나의 표면에서 다른 표면으로 전자를 송신할 수 있다. 기능 또는 배터리 화학에 따라 기판이 다양한 물질로부터 형성될 수 있다. 기판은 희망 바이폴라 전극 플레이트의 백본을 제공하기에 충분히 구조적으로 강건하며, 배터리 구성에서 사용되는 임의의 전도성 물질의 녹는점을 초과하는 온도를 견디고, 기판이 전해질과 접촉할 때 열화되지 않도록 전해질(가령, 황산 용액)과의 접촉 동안 높은 화학적 안정성을 갖는 물질로부터 형성될 수 있다. 기판은 적합한 물질로부터 형성될 수 있거나 및/또는 기판의 하나의 표면에서 대향하는 기판 표면으로의 전기의 전송을 가능하게 하는 방식으로 구성된다. 기판 플레이트는 전기 전도성 물질, 가령, 금속 물질로 형성되거나, 전기적 비-전도성 물질로부터 형성될 수 있다. 예시적 비-전도성 물질은 폴리머; 가령, 열경화성 폴리머, 탄성 폴리머 또는 열가소성 폴리머 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 비-전도성 기판은 그 내에 또는 그 상에 구성된 전기 전도성 특징을 가질 수 있다. 채용될 수 있는 폴리머 물질의 예시는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리에틸렌(가령, 폴리에틸레 테레프탈레이트, 고밀도 폴리에틸렌 및 저밀도 폴리에틸렌), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 생체 기반 플라스틱/생체폴리머(가령, 폴리락틱 산), 실리콘류, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 또는 이들이 임의의 조합, 가령, PC/ABS(폴리카보네이트와 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌의 혼합물)를 포함한다. 복합 기판이 사용될 수 있고, 복합물이 보강 물질, 가령, 해당 분야에서 흔히 알려진 섬유 또는 필러(filler), 두 개의 상이한 폴리머 물질, 가령, 열경화성 코어 및 열경화성 폴리머의 주변부 주위의 열가소성 껍질 또는 열가소성 에지, 또는 비-전도성 폴리머에 배치되는 전도성 물질을 함유할 수 있다. 기판은 플레이트의 에지에, 본딩 가능한, 바람직하게는 융해 본딩 가능한 열가소성 물질을 포함 또는 가질 수 있다. 기판은 주변부 주위에 상승된 에지를 가짐으로써 바이폴라 플레이트의 적층 및 전기화학적 전지의 형성을 촉진시킬 수 있다. 이 맥락에서 사용되는 상승된 에지는 플레이트의 두 개의 대향하는 표면 중 적어도 하나 상에 상승된 에지를 의미한다. 상승된 에지는 또 다른 기판 물질 주위에 형성되는 열가소성 에지 부분을 포함할 수 있다. 상승된 에지는 본 명세서에 기재된 바와 같이 분리막 플레이트로서 기능할 수 있다. 기판 또는 기판의 주변부의 비-전도성 물질은 열가소성 물질일 수 있다. 기판 주위의 또는 기판 상에 일체화되는 프레임이 비-전도성 물질, 가령, 열가소성 물질로 구성될 수 있다. 비-전도성 물질의 사용이 배터리 스택의 외부의 밀봉을 향상시킨다.
기판은 그 내부에 형성되는 하나 이상의 개구부를 포함하는 일반적으로 비-전기 전도성 기판(가령, 유전체 기판)을 포함한다. 개구부는 기계 가공(가령, 밀링)되거나, 기판의 제작 동안 (가령, 몰딩 또는 성형 작업에 의해) 형성되거나, 그 밖의 다른 방식으로 제작될 수 있다. 개구부는 직선형 및/또는 매끄러운 내부 벽 또는 표면을 가질 수 있다. 기판 내에 형성되는 개구부의 크기 및 빈도가 배터리의 저항에 영향을 미칠 수 있다. 적어도 약 0.2 ㎜의 지름을 갖는 개구부가 형성될 수 있다. 약 5 ㎜ 이하의 지름을 갖는 개구부가 형성될 수 있다. 약 1.4 ㎜ 내지 약 1.8 ㎜의 지름을 갖는 개구부가 형성될 수 있다. 적어도 약 0.02 개구부/㎠(openings per ㎠)의 밀도를 갖는 개구부가 형성될 수 있다. 약 4 개구부/㎠ 미만의 밀도를 갖는 개구부가 형성될 수 있다. 약 2.0 개구부/㎠ 내지 약 2.8 개구부/㎠의 밀도를 갖는 개구부가 형성될 수 있다. 개구부는 전기 전도성 물질, 가령, 금속-함유 물질로 채워질 수 있다. 상 변태 온도 미만의 배터리 조립체의 동작 온도에서, 유전체 기판이 기판의 제1 표면과 제2 표면 간 물질 혼합을 통한 전기 전도성 경로를 갖도록, 전기 전도성 물질은 기판의 열적 열화 온도 미만의 온도에서 상 변태를 겪는 물질일 수 있다. 또한, 상 변태 온도를 초과하는 온도에서, 전기 전도성 물질 혼합이 전기 전도성 경로를 통해 전기 전도성을 비활성화하는 상 변태를 겪는다. 예를 들어, 전기 전도성 물질이 솔더 물질, 가령, 납, 주석, 니켈, 아연, 리튬, 안티모니, 구리, 비스무스, 인듐 또는 은 중 적어도 하나 또는 임의의 두 개의 혼합물이거나 이를 포함할 수 있다. 전기 전도성 물질은 실질적으로 납을 포함하지 않거나(즉, 기껏해야 미량의 납을 포함), 기능적으로 작동하는 양의 납을 포함할 수 있다. 물질은 납과 주석의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물질은 다수부 주석과 소수부 납(가령, 약 55 내지 약 65 중량부 주석 및 약 35 내지 약 45 중량부 납)을 포함할 수 있다. 물질은 약 240℃ 미만, 약 230℃ 미만, 약 220℃ 미만, 210℃ 미만 또는 약 200℃ 미만(가령, 약 180 내지 약 190℃의 범위)의 녹는점을 보일 수 있다. 물질은 공융혼합물을 포함할 수 있다. 개구부를 채우기 위해 전기 전도성 물질로서 솔더를 이용하는 특징이, 사용되는 솔더의 유형에 따라 조절될 수 있는 솔더가 지정된 녹는점을 가짐으로써, 계속되는 배터리 동작에 대해 안전하지 않을 수 있는 온도에서 융해되도록 할 수 있다는 것이다. 솔더가 융해되면, 융해된 솔더를 포함하는 기판 개구부가 더는 전기적으로 전도성이 아니게 되며 전극 플레이트 내에 개방 회로가 도출된다. 개방 회로가 바이폴라 배터리 내 저항을 급격히 증가시켜, 추가 전기 흐름을 중단시키고 배터리 내 안전하지 않은 반응을 셧다운하도록 동작할 수 있다. 따라서 개구부를 채우도록 선택된 전기 전도성 물질의 유형이 배터리 내에 이러한 내부 셧다운 메커니즘을 포함시키는 것이 바람직한지 여부에 따라, 그리고 바람직한 경우 이러한 내부 셧다운을 개시하기에 바람직한 온도에 따라 달라질 수 있다. 기판은 지정 조건을 초과하는 동작 조건의 경우, 기판이 기판을 통한 전기 전도성을 교란시킴으로써 배터리의 동작을 비활성화하도록 기능하도록 구성될 것이다. 예를 들어, 기판을 가로지르는 전기 전도성이 교란되도록 유전체 기판에서 홀을 채우는 전기 전도성 물질이 상 변태를 겪을 것이다(가령, 융해될 것이다). 교란의 범위는 기판을 통한 전기 전도 기능을 부분적으로 또는 심지어 전부 비활성화시키는 것일 수 있다.
바이폴라 플레이트의 하나의 표면 및 일부 모노폴라 플레이트 상에 하나 이상의 캐소드가 배치된다. 상기 캐소드는 배터리 내 캐소드로서 기능할 수 있는 임의의 물질로 되어 있을 수 있고, 배터리에서 흔히 사용되는 임의의 형태를 가질 수 있다. 캐소드는 또한 양의 활물질이라고 지칭된다. 양의 활물질은 리튬 이온, 니켈 금속 수소화물 또는 납 산 이차 배터리에서 일반적으로 사용되는 리튬, 납, 탄소 또는 전이 금속의 복합 옥사이드, 설페이트 화합물 또는 포스페이트 화합물을 포함할 수 있다. 복합 옥사이드의 예시로는 Li/Co계 복합 옥사이드, 가령, LiCoO2, Li/Ni계 복합 옥사이드, 가령, LiNiO2, Li/Mn계 복합 옥사이드, 가령, 스피넬 LiMn2O4, 및 Li/Fe계 복합물, 가령, LiFeO2을 포함한다. 전이 금속 및 리튬의 예시적 포스페이트 및 황 화합물로는 LiFePO4, V2O5, MnO2, TiS2, MoS2, MoO3, PbO2, AgO, NiOOH 등이 있다. 캐소드 물질은 캐소드 물질이 전기화학적 전지에서 캐소드로서 기능하게 하는 임의의 형태를 가질 수 있다. 예시적 형태로는 페이스트 형태, 사전-제조된 시트 또는 필름으로 형성된 부분이 있다. 납 산 배터리의 경우, 선호되는 캐소드 물질이 납 디옥사이드(PbO2)이다. 바이폴라 플레이트의 대향하는 표면 및 그 외 다른 모노폴라 플레이트 상에 애노드가 배치된다. 애노드는 또한 음의 활물질로 지칭된다. 임의의 애노드 및 애노드 물질이 개시된 조립체에서 사용될 수 있다. 애노드 물질은 이차 배터리에서 사용되는 임의의 물질, 가령, 납 산, 니켈 금속 수소화물 및 리튬 이온 배터리에서 사용되는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 애노드를 구성하는 데 유용한 예시적 물질은 납, 탄소 또는 리튬 및 전이 금속의 복합 옥사이드(가령, 티타늄 옥사이드 또는 티타늄 및 리튬의 복합 옥사이드) 등을 포함한다. 납 산 배터리를 위한 애노드 물질이 스폰지 납(sponge lead)일 수 있다. 캐소드 물질은 캐소드 물질이 전기화학적 전지에서 캐소드로서 기능할 수 있게 하는 임의의 형태를 가질 수 있다. 예시적 형태로는 페이스트 형태, 사전-제조된 시트 또는 필름으로 형성된 부분이 있다. 페이스트 조성은 복수의 이로운 첨가제, 가령, 보강을 위한 플록(floc) 또는 유리 섬유, 페이스트 안정성을 위한 다양한 리가노-유기 화학물, 및 특히 음의 활물질을 위한 전도성 첨가제, 가령, 탄소를 함유할 수 있다. 납 산 배터리의 경우, 애노드 물질의 선호되는 형태가 스폰지 납이다. 애노드 및 캐소드는, 전지를 포함하는 회로가 형성될 때 함께 동작하여 전기화학적 전지로서 기능하도록 선택된다.
조립체는 분리막을 더 포함한다. 분리막은 전기화학적 전지 내 애노드와 캐소드 사이에 위치하며, 더 구체적으로는, 분리막이 바이폴라 플레이트들 간에 위치하거나 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 간에 위치한다. 분리막은 인접한 캐소드와 애노드의 면적보다 큰 면적을 갖는 것이 바람직하다. 분리막은 전지의 애노드 부분으로부터 전지의 캐소드 부분을 완벽히 분리할 수 있다. 분리막의 에지는 이들 상에 배치되는 애노드 또는 캐소드를 갖지 않는 바이폴라 및 모노폴라 플레이트의 주변 에지와 접촉하여, 전지의 캐소드 부분으로부터 전지의 애노드 부분을 완벽히 분리할 수 있다. 배터리 분리막은 전기화학적 전지를 파티셔닝하고; 덴드라이트 형성으로 인한 전지의 단락을 방지하며; 액체 전해질, 이온, 전자 또는 이들 요소의 임의의 조합이 통과할 수 있도록 기능한다. 언급된 기능들 중 하나 이상을 수행하는 임의의 알려진 배터리 분리막이 본 발명의 조립체에서 사용될 수 있다. 분리막은 비-전도성 물질, 가령, 다공성 폴리머 필름, 유리 매트, 다공성 고무, 이온 전도성 겔 또는 자연 물질, 가령, 나무 등으로부터 제조될 수 있다. 상기 분리막은 전해질, 이온, 전자 또는 이들의 조합이 분리막을 통과하게 하는 공극 또는 자신을 통과하는 구불구불한 경로를 포함할 수 있다. 분리막으로서 유용한 예시적인 재료 중에는 흡수성 유리 매트 및 다공성 초고 분자량 폴리올레핀 멤브레인 등이있다.
분리막은 일체화된 프레임을 가질 수 있다. 프레임은 인접한 배터리 플레이트의 에지와 매칭하고 전기화학적 전지와 배터리의 외부 간 밀봉부를 형성하도록 기능한다. 프레임은 분리막을 프레임에 본딩하고 전해질 용액에의 노출을 견딜 수 있는 임의의 수단을 이용해, 가령, 프레임을 분리막의 주변부 주위에 접착 본딩, 융해 본딩 또는 몰딩함으로써, 시트의 주변부 주위에서 분리막에 부착될 수 있다. 상기 프레임은 임의의 알려진 몰딩 기법에 의해, 가령, 열 몰딩, 사출 몰딩, 로토 몰딩, 블로우 몰딩, 압착 몰딩 등에 의해 제 위치에 몰딩될 수 있다. 프레임은 사출 몰딩에 의해 분리막 시트 주위에 형성될 수 있다. 프레임은 배터리 플레이를 위한 기판의 주변부 주위에 배치되는 상승된 에지와 매칭되도록 구성된 상승된 에지를 포함할 수 있다. 배터리 플레이트 기판과 분리막의 프레임 중 하나 또는 둘 모두에서의 상승된 에지가 배터리 스택을 위한 공통 에지를 형성하고 전기화학적 전지와 배터리의 외부 간 밀봉을 향상하도록 매칭될 수 있다. 분리막은 분리막으로 일체화되는 인서트를 가질 수 있으며, 여기서 인서트는 스택을 통과하는 횡방향 채널을 형성하도록 기능한다. 인서트는 임의의 알려진 수단에 의해 형성될 수 있고 제 위치에서 몰딩, 바람직하게는 사출 몰딩되는 것이 바람직하다. 분리막이 인서트와 프레임 모두를 갖는 경우 두 부분 모두 하나의 단계에서, 가령, 사출 몰딩에 의해, 몰딩될 수 있다. 인서트는 전기화학적 전지에서 횡방향 채널로의 선택된 유체의 연통을 가능하게 하도록 배기구를 포함할 수 있다. 각각의 전기화학적 전지가 전기화학적으로 독립적으로 형성될 수 있다.
물품은 전기화학적 전지에서 흐르는 전자를 분산시키는 것을 촉진시키며 기판으로의 활물질의 전기적 연결을 보장할 수 있고 전류 전도체 및/또는 집전기로서 기능할 수 있는 형태로 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예시적 전도성 물질이 금속 시트, 포일(foil), 체(screen) 또는 하나의 공통 평면으로 배열된 복수의 금속 와이어를 포함한다. 배터리 플레이트는 배터리 플레이트의 스택과 배터리 음 단자 및 양 단자 간에 전자를 전송하는 하나 이상의 전도성 도관을 포함하거나 여기에 부착될 수 있다. 하나 이상의 전류 전도체 및/또는 집전기가 하나 이상의 전도성 도관에 연결될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 하나 이상의 기판의 하나 이상의 측부의 적어도 일부분 상에 배치되는 하나 이상의 전류 전도체를 포함할 수 있다. 하나 이상의 전류 전도체가 기판과 직접적 또는 간접적으로 접촉할 수 있다. 하나 이상의 전류 전도체는 하나 이상의 집전기와 접촉할 수 있다. 하나 이상의 전류 전도체는 하나 이상의 음의 전류 전도체, 하나 이상의 양의 전류 전도체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 양의 전류 전도체 또는 음의 전류 전도체, 두 개의 양의 전류 전도체, 두 개의 음의 전류 전도체, 또는 양의 전류 전도체 및 음의 전류 전도체 중 단 하나만 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트에서, 음의 전류 전도체는 전도성 기판의 애노드가 배치된 표면에 대향하는 측부 상에 배치될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트에서, 음의 전류 전도체가 두 대향하는 표면들 상에 애노드가 배치되는 기판과 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 음의 전류 전도체가 전도성 기판, 비전도성 기판, 또는 둘 모두와 직접 또는 간접적으로 접촉하여 배치될 수 있다. 음의 전류 전도체는 배터리 스택으로부터 돌출하여 음의 돌출 부분을 형성할 수 있다. 음의 전류 전도체의 음의 돌출 부분이 음의 전류 전도체와 음 단자, 동일한 또는 다른 배터리 플레이트의 또 다른 음의 전류 전도체, 또는 동일한 또는 다른 배터리 플레이트의 양의 전류 전도체 간에 전류를 전송할 수 있는 전도성 도관과 접촉될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트에서, 양의 전류 전도체는 전도성 기판의 캐소드가 배치되는 표면에 대향하는 측부 상에 배치될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트에서, 양의 전류 전도체가 두 대향하는 표면 모두 상에 캐소드가 배치되는 기판과 직접 또는 간접적으로 접촉할 수 있다. 양의 전류 전도체는 전도성 기판, 비전도성 기판, 또는 둘 모두와 직접 또는 간접적으로 접촉하여 배치될 수 있다. 양의 전류 전도체는 배터리 스택으로부터 돌출되어 양의 돌출 부분을 형성할 수 있다. 양의 돌출 부분은 양의 전류 전도체와 양 단자, 동일하거나 다른 배터리 플레이트의 또 다른 양의 전류 전도체, 또는 동일하거나 상이한 배터리 플레이트의 음의 전류 전도체 간 전류를 전달하는 전도성 도관과 접촉할 수 있다. 음의 전류 전도체와 양의 전류 전도체 중 적어도 하나 각각은 배터리 조립체 주위의 커버, 가령, 멤브레인을 통해 배터리 조립체 밖으로 돌출될 수 있다. 음 및 양의 전류 전도체 단부가 배터리 조립체 밖으로 돌출될 수 있으며 각각 음 단자 및 양 단자로 연결되거나 이들로서 기능할 수 있다. 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트, 모노폴라 배터리 플레이트, 또는 두 유형 모두의 플레이트가 여기에 연결되는 양 및/또는 음의 전류 전도체를 가질 수 있다. 멤브레인 또는 배터리 케이스를 통해 돌출되는 양 및 음의 전류 전도체가 듀얼 폴라 배터리 플레이트 또는 모노폴라 배터리 플레이트와 직접 또는 간접적으로 접촉할 수 있다.
배터리 플레이트의 둘 이상의 스택이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 배터리 스택이 병렬로 연결될 때, 하나 이상의 음의 전류 전도체가 음의 전도성 도관에 의해 음 단자 또는 역시 음 단자로서 기능하는 또 다른 음의 전류 전도체에 연결될 수 있다. 음의 전류 전도체는 동일한 또는 또 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트, 모노폴라 플레이트, 또는 이들의 조합의 일부일 수 있다. 배터리 스택이 병렬로 연결될 때, 하나 이상의 양의 전류 전도체가 양의 전도성 도관에 의해 양 단자 또는 역시 양 단자로서 기능하는 또 다른 양의 전류 전도체로 연결될 수 있다. 양의 전류 전도체는 동일하거나 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트, 모노폴라 플레이트 또는 이들의 조합의 일부일 수 있다. 배터리 스택이 직렬로 연결될 때, 전도성 도관이 각각의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 양의 전류 전도체를 동일한 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 음의 전류 전도체에 연결될 수 있다.
전도성 도관은 전류를 전송하는 임의의 전도성 물질을 포함하며, 전류의 전송을 촉진시키는 임의의 형태 구성을 가질 수 있다. 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어가 임의의 전도성 금속으로부터 제작될 수 있다. 예시적 전도성 금속이 은, 주석, 구리, 납 또는 이들 중 둘 이상의 혼합이다. 금속의 선택은 애노드 및 캐소드 물질에 의해 영향받는다. 납-산 배터리에서, 납 시트 또는 포일이 사용될 수 있다. 집전기로서 유용한 금속 포일, 체, 시트 또는 와이어가 애노드 또는 캐소드와 기판 사이에 위치할 수 있다. 금속 시트, 스크린, 포일 또는 와이어가 기판에 부착될 수 있다. 전지의 주위에서 금속 시트, 스크린, 포일 또는 와이어를 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어를 기판에 고정하는 기판에 부착하는 임의의 방법이 이용될 수 있는데, 가령, 용접 또는 접착 본딩이 있다. 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어가 기판에 접착 본딩될 수 있다. 이러한 본딩을 위해 유용한 예시적 접착제로는, 에폭시, 고무 시멘트, 페놀 수지, 니트릴 고무 화합물 또는 시아노아크릴레이트 글루가 있다. 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어가 애노드 또는 캐소드의 전체 표면과 기판 사이에 위치할 수 있다. 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어가 기판의 전체 표면을 덮을 수 있다. 집전기는 금속 시트 또는 포일일 수 있다. 애노드 또는 캐소드가 페이스트 형태인 경우, 페이스트가 금속 포일 또는 시트에 도포되거나 기판에 본딩된 금속 체 또는 와이어에 걸쳐 도포될 수 있다. 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어가 하나 이상의 전류 전도체를 접촉하여 전류 전도체로 전자를 전송할 수 있다. 금속 시트, 체, 와이어 또는 포일이 전지 및 전자를 수집하고 이를 전지의 전류 전도체로 전송하기에 적합한 곳을 통해 흐르는 전자를 분산시키기에 충분히 두껍도록 선택된다. 금속 시트, 체, 와이어 또는 포일이 전류 전도체로서 기능할 수 있다. 금속 시트, 체, 와이어 또는 포일이 약 0.75 ㎜ 이하, 약 0.2 ㎜ 이하 또는 약 0.1 ㎜ 이하의 두께를 가질 수 있다. 금속 시트, 체, 포일 또는 와이어가 약 0.025 ㎜ 이상, 약 0.050 ㎜ 이상 또는 약 0.075 ㎜ 이상의 두께를 가질 수 있다.
바이폴라 배터리 조립체는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트를 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 배터리 플레이트의 하나 이상의 스택을 배터리 플레이트의 하나 이상의 스택과 전기적으로 연결하는 것, 둘 이상의 스택을 단순하게 제작하고 조립하는 것, 또는 둘 모두를 촉진하도록 기능할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트 스택을 이용하여 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택을 전기적으로 연결함으로써, 배터리 플레이트의 개별 스택이 표준 크기(가령, 플레이트 및/또는 전기화학적 전지의 개수)로 형성될 수 있고 조립되어 바이폴라 배터리 조립체를 형성할 수 있거나; 배터리 플레이트의 개별 스택의 개수를 쉽게 변화시켜 바이폴라 배터리 조립체에 의해 생성되는 전력을 증가 또는 감소시키거나; 둘 모두일 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 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 비-전도성 기판, 또는 둘의 조합을 포함할 수 있다. 복수의 전도성 기판은 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판 및 이들 사이에 위치하는 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 또 다른 예로는, 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 단일 전도성 기판을 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 하나 이상의 기판은 대향하는 표면을 포함한다. 대향하는 표면은 표면의 일부분 상에 증착되거나 및/또는 이와 접촉하는 애노드, 캐소드, 전류 전도체, 집전기 또는 이의 임의의 조합을 가질 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 전도성 기판은 한 표면 또는 대향하는 두 표면 모두 상에 증착된 애노드 또는 캐소드를 가질 수 있다. 대향하는 표면들 상에 동일한 애노드 또는 캐소드를 갖는 것은, 하나 이상의 스택의 다른 전류 전도체(가령, 모노폴라 플레이트의 양의 또는 음의 전류 전도체 또는 단자)에 (가령, 양 또는 음의 전류 전도체를 통해) 단 하나의 전기 연결만 필요로 함으로써 제조를 단순화시킬 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 기판은 하나 또는 둘 모두의 대향하는 표면 상에 배치되는 집전기를 가질 수 있다. 집전기는 캐소드 또는 애노드와 기판의 표면 사이에 배치될 수 있다.
듀얼 폴라 배터리 플레이트는 하나 이상의 전도성 기판을 포함할 수 있다. 전도성 기판은 애노드 또는 캐소드가 증착되는 동일한 또는 대향하는 표면과 접촉하는 전류 전도체를 갖거나 기판으로부터 외측으로 돌출되는 전류 전도체를 가질 수 있다. 전류 전도체는 전도성 기판과 직접 접촉할 수 있다. 제1 전도성 기판은 두 개의 대향하는 표면을 가질 수 있으며, 이때 하나의 표면 상에 애노드 또는 캐소드가 증착되고 대향하는 표면의 일부분과 제1 전류 전도체가 접촉한다. 제2 전도성 기판은 두 개의 대향하는 표면을 가질 수 있으며, 이때 하나의 표면 상에 애노드 또는 캐소드가 증착되고 대향하는 표면과 제2 전류 전도체가 접촉한다. 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 각각은 여기에 증착되는 애노드 또는 캐소드를 가질 수 있고, 제1 전도성 기판이 여기에 증착되는 애노드를 갖고 제2 전도성 기판이 여기에 증착되는 캐소드를 가질 수 있거나, 제1 전도성 기판이 여기에 증착되는 캐소드를 가질 수 있고 제2 전도성 기판이 여기에 증착되는 애노드를 가질 수 있다. 비-전도성 기판은 듀얼 폴라 플레이트의 전도성 기판들 사이에, 또는 인접한 배터리 스택의 바이폴라 배터리 플레이트들 사이에, 또는 둘 모두에 배치될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 둘 이상의 배터리 스택 중 두 개의 배터리 스택 사이에 배열될 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 애노드가 표면에 증착되는 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면들 중 하나 이상이 표면 상에 캐소드가 증착되는 제1 배터리 스택 내 또 다른 배터리 플레이트의 표면을 대면하거나; 표면에 캐소드가 증착되는 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 하나 이상의 표면은 표면 상에 애노드가 증착되는 제2 배터리 스택 내 또 다른 배터리 플레이트의 표면을 대면하거나; 둘 모두이도록 배열될 수 있다. 대향하는 두 표면 모두 상에 애노드가 위치하는 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트의 캐소드와 대면하고 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트의 캐소드와 대면한다. 대향하는 두 표면 상에 캐소드가 위치하는 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트의 애노드와 대면하고 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트의 애노드와 대면할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리의 전도성 애노드, 캐소드, 전도성 기판 및 전류 전도체는 본 명세서에 기재된 바와 같다.
듀얼 폴라 배터리 플레이트는 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 상기 비전도성 기판은 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 사이, 배터리 플레이트의 제1 및 제1 스택의 바이폴라 플레이트의 제1 애노드 또는 제1 캐소드와 제2 애노드 또는 제2 캐소드 사이에 배치되거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 비전도성 기판은 본 명세서에 개시된 바와 같이 임의의 비전도성 물질로부터 제작될 수 있다. 상기 비전도성 기판은 제1 전도성 기판과 제1 전류 전도체 간; 제2 전도성 기판과 제2 전류 전도체 간; 및/또는 여기에 증착되는 대향하는 애노드(들) 또는 캐소드(들) 간에 절연하기 위해 충분한 면적 및 단면 두께를 가져야 한다. 비-전도성 기판은 전도성 기판 및/또는 비전도성 기판 상의 캐소드 또는 애노드의 면적보다 큰 면적을 가질 수 있다. 비-전도성 기판은 약 0.1 ㎜ 이상 또는 약 0.5 ㎜ 이상의 두께를 가질 수 있다. 비-전도성 기판은 약 1.5 ㎜ 이하 또는 약 1.0 ㎜ 이하의 두께를 가질 수 있다. 두께는 일반적으로 배터리 플레이트의 하나 이상의 스택의 종축을 따라 평행으로(가령, 일반적으로 비-전도성 기판의 대향하는 표면에 수직으로) 측정될 수 있다. 상기 비전도성 기판은 제1 및 제2 전류 전도체가 서로 접촉하게 되지 못하도록 막도록 배열될 수 있다. 제1 및 제2 전류 전도체는 반대 또는 동일한 극성을 가질 수 있다. 비-전도성 기판은 앞서 기재된 기판에 대해 유용한 비-전도성 물질 중 임의의 것으로부터 제작될 수 있다. 비전도성 기판은 이들의 주변부 주위에 프레임을 가질 수 있으며, 여기서 프레임은 전도성 기판과 분리막에 대해 개시된다. 프레임은 비-전도성 기판과 일체 구성될 수 있다.
배터리 플레이트의 둘 이상의 스택(가령, 배터리 스택)은 병렬로, 직렬로 또는 둘 모두로 연결될 수 있다. 배터리 스택은, 각각의 듀얼 폴라 플레이트에 대한 하나 이상의(가령, 하나 또는 두 개의) 전류 전도체를 전도성 도관을 통해 연결함으로써 직렬로 연결될 수 있다. 배터리 스택은, 양의 전류 전도체, 전도성 기판을 통해 캐소드로 연결되는 것을 하나 이상의 전도성 도관을 통해 양 단자로 직접 또는 간접적으로 연결함으로써; 및/또는 음의 전류 전도체, 전도성 기판을 통해 애노드로 연결되는 것을 하나 이상의 전도성 도관을 통해 음 단자로 직접 또는 간접적으로 연결함으로써, 병렬로 연결될 수 있다. 전류 전도체는 모노폴라 플레이트들 중 하나 또는 둘 모두와 접촉하여 배치될 수 있다. 전류 전도체는 단부 플레이트 또는 배터리 조립체 주위의 멤브레인과 모노폴라 플레이트의 전도성 기판 사이에 배치될 수 있다. 이들은 배터리 조립체의 전류 전도체 단자이며 배터리 조립체 주위의 케이스 또는 멤브레인을 통해 도출할 수 있고 배터리 단자로서 기능하거나 배터리 단자로 연결될 수 있다. 양의 전류 전도체 단자는 캐소드를 갖는 모노폴라 단부 플레이트와 접촉한다. 음의 전류 전도체 단자가 애노드를 갖는 모노폴라 단부 플레이트와 접촉한다.
조립체 내 구성요소들의 스택이 상기 구성요소들을 통과하는 횡방향 채널 및 전지가 또한 액체 전해질을 포함하는 전기화학적 전지를 위해 형성된 영역을 포함할 수 있다. 스택은 바이폴라 플레이트, 모노폴라 플레이트, 분리막, 애노드, 캐소드를 포함하며, 선택사항으로서 집전기(금속 시트, 체, 와이어 또는 포일), 듀얼 폴라 배터리 플레이트, 및 사용될 수 있는 스택의 그 밖의 다른 임의의 구성요소를 포함한다. 횡방향 채널은 포스트를 하우징하도록 기능하며, 채널 중 일부가 채워지지 않은 채 남겨져서 횡방향 냉각 채널 또는 배기/충전 채널로서 기능할 수 있다. 채널은 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 전지를 통과한다. 상기 채널은 전해질 및 동작 동안 형성된 기체가 채널에 들어가지 못하도록 밀봉될 수 있다. 이러한 목적을 이루기 위한 임의의 밀봉 방법이 사용될 수 있다. 채널의 크기 및 형태는 포스트를 하우징하기 위한 임의의 크기 또는 형태일 수 있으며 포스트는 전해질 및 동작 동안 형성되는 기체의 누수를 막고 동작 동안 발생되는 압축 력이 개별 전기화학적 전지에 대한 구성요소 및 밀봉부를 손상하지 못하게 막거나 냉각 채널 또는 배기 채널로서 기능하도록 단부 플레이트 및 기판의 에지를 지지하기 위한 것일 수 있다. 채널의 형태는 원형, 타원형 또는 다각형, 가령, 정사각형, 직사각형, 육각형 등일 수 있다. 포스트를 하우징하는 채널의 크기는 사용되는 포스트를 수용하도록 선택된다. 채널은 포스트가 형성된 채널 내에 위치하도록, 또는 유체가 냉각 또는 배기 또는 충전을 위해 채널을 통해 전송될 수 있도록 구성요소 내 일련의 홀을 포함한다. 채널의 개수가 전해질 및 동작 동안 형성된 기체의 누수를 막고 동작 동안 발생된 압축력이 구성요소 및 개별 전기화학적 전지를 위한 밀봉부를 손상하지 못하게 막기 위해 기판의 단부 플레이트 및 에지를 지지하도록 선택된다. 동작 동안 생성된 압축력을 확산시키도록 복수의 채널이 제공될 수 있다. 채널의 개수 및 설계는 밀봉부의 피로 강도를 초과하는 에지-응력을 최소화하기에 충분하다. 채널의 위치가 동작 동안 발생된 압축력을 확산시키도록 선택된다. 채널은 스택을 통해 고르게 확산되어 응력을 더 잘 핸들링할 수 있다. 채널은 약 2 ㎜ 이상, 약 4 ㎜ 이상 또는 약 6 ㎜ 이상의 단면 크기를 가질 수 있다. 채널의 단면 크기의 상한이 실용적이며, 크기가 지나치게 큰 경우 조립체의 효율이 감소된다. 채널은 약 12 ㎜ 이하 또는 약 10 ㎜ 이하의 단면 크기를 가질 수 있다.
채널의 적어도 일부에 다음의 기능 중 적어도 하나를 수행하는 포스트가 위치한다: 구성요소들의 스택을 구성요소들의 손상 또는 스택의 구성요소들의 에지들 간 밀봉의 파괴가 방지되는 방식으로 고정하는 기능, 분리막 물질에 걸친 균일한 압력을 보장하는 기능, 및 분리막 물질의 균일한 두께를 보장하는 기능. 포스트는 각각의 단부 상에서 모노폴라 단부 플레이트의 외부 표면과 체결되는 겹치는 부분을 가질 수 있다. 구성요소의 손상 또는 스택의 구성요소들의 에지들 간 밀봉의 파괴를 방지하고, 배터리 동작 동안의 스택의 팽윤 또는 그 밖의 다른 위치이탈을 방지하도록 이 겹치는 부분이 모노폴라 단부 플레이트의 외부 표면 상에 압력을 가한다. 겹치는 부분은 밀봉 표면과 접촉하고, 단부 플레이트의 일부분이 상기 겹치는 부분과 접촉한다. 스택은 모노폴라 단부플레이트 위에 개별 구조적 또는 보호성 엔드-피스(end-piece)를 가질 수 있으며 겹치는 부분은 상기 구조적 또는 보호성 엔드-피스의 외부 표면과 접촉할 것이다. 겹치는 부분은 포스트와 함께 구성요소의 손상 또는 스택의 구성요소들의 에지들 간 밀봉부의 파괴를 막는 임의의 구조일 수 있다. 예시적 겹치는 부분은 볼트 헤드, 너트, 몰딩된 헤드, 브래드(brad), 코터 핀(cotter pin), 샤프트 칼라(shaft collar) 등을 포함한다. 포스트는 전체 스택을 통과하는 길이를 가지며 이러한 길이는 배터리의 희망 용량을 기초로 변한다. 포스트는 채널을 채우기 위한 단면 형태 및 크기를 보일 수 있다. 포스트가 채널 내에서 억지 끼워 맞춤을 형성하도록 포스트는 채널의 단면 크기보다 큰 단면 크기를 가질 수 있다. 전해질 및 동작 동안 발생된 기체의 누수를 막고 동작 동안 발생된 압축력이 개별 전기화학적 전지에 대한 구성요소 및 밀봉부를 손상하지 못하도록 막기 위해, 그리고 밀봉부의 피로 강도를 초과하는 에지-응력을 최소화하기 위해 포스트의 개수는 기판의 단부 플레이트 및 에지를 지지하도록 선택된다. 복수의 포스트가 동작 동안 생성된 압축력을 확산시키도록 존재할 수 있다. 채널보다 더 적은 포스트가 존재할 수 있으며, 여기서 하나 이상의 채널이 냉각 채널 또는 배기/충전 채널로서 사용된다. 포스트는 필수 기능을 수행하는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 채널을 밀봉하도록 포스트가 사용되는 경우, 사용되는 물질은 전지의 동작 상태를 견디며, 전해질에 노출될 때 부식되지 않고, 전지의 동작 동안 발생되는 온도 및 압력을 견딜 수 있도록 선택된다. 포스트가 밀봉 기능을 수행할 때, 포스트는 언급된 상태를 견딜 수 있는 폴리머 또는 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 물질은 전지의 단락을 방지하도록 비-전도성이어야 한다. 포스트는 폴리머 물질, 가령, 열경화성 폴리머 또는 열가소성 물질을 포함할 수 있다. 포스트는 열가소성 물질을 포함할 수 있다. 예시적 열가소성 물질은 ABS (아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머), 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀, 열가소성 수지 화합물, 폴리카보네이트 등을 포함한다. ABS가 가장 선호된다. 채널이 개별적으로 밀봉되는 경우 포스트는 원하는 기능을 수행하는 데 구조적 무결성을 갖는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 앞서 언급된 폴리머 물질, 세라믹 및 금속이 사용될 수 있다. 적합한 금속이 강, 황동 알루미늄, 구리 등일 수 ldT다 포스트는 몰딩된 포스트, 나사산 포스트 또는 하나 이상의 단부 부착재를 갖는 포스트를 포함할 수 있다. 포스트는 스택의 일부, 가령, 기판, 채널 내 인서트 또는 보스 등에 본딩될 수 있다. 본드는 폴리머 물질, 가령, 열가소성 물질의 접착 또는 융합으로부터 형성될 수 있다. 부분이 나사산인 경우 스택의 구조적 부분이 나사산 포스트를 수용하도록 나사산이다. 포스트는 하나의 단부 상에 헤드를 갖고 다른 하나의 단부 상에 브래드 또는 코너 핀을 위한 너트, 홀을 가질 수 있거나, 양 단부 모두에 브래드 또는 코터 핀을 위한 너트, 홀을 가질 수 있다. 이는 일반적으로, 비-몰딩형 포스트의 경우에 그렇다. 포스트는 단축은 가능하지만 연장은 가능하게 하지 않는 단방향 래칫 장치이도록 구성될 수 있다. 이러한 포스트는 제 위치에 놓일 것이며, 스택이 압축될 때, 포스트는 스택에 가해지는 압력을 유지하도록 단축된다. 이 실시예에서 포스트는 릿지(릿지)를 가짐으로써, 포스트가 짚 타이(zip tie)형 구조물의 일부로서 기능할 수 있게 한다. 매칭되는 너트 및/또는 와셔가 포스트와 함께 사용되어 제 위치에 놓일 때 인접한 플레이트를 압축할 수 있다. 너트 및/또는 와셔는 포스트에서 한 방향으로 진행하며 릿지가 제공되어 너트 및/또는 와셔가 포스트를 따라 다른 방향으로 이동하지 못하게 막을 수 있다. 사용 중에 포스트 내 홀이 적절한 브래드, 코터 핀 등을 가져 언급된 기능을 수행할 수 있다. 포스트가 몰딩되는 경우 개별적으로 또는 제 위치에서 몰딩될 수 있다. 제 위치에서 몰딩되는 경우, 몰딩된 플라스틱을 제위치로 고정하기 위해 채널에 밀봉부가 존재할 필요가 있다. 나사산인 비전도성 포스트가 사용될 수 있고 필요한 밀봉을 제공할 수 있다. 대안으로 사전-몰딩된 비전도성 폴리머 포스트가 설계되어 채널을 밀봉하는 방식으로 채널에서 억지 끼워 맞춤을 형성하도록 설계될 수 있다. 포스트는 몰딩, 가령, 사출 몰딩에 의해 제 위치에서 형성될 수 있다.
조립될 때 구성요소, 가령, 바이폴라 및 모노폴라 플레이트의 스택이 밀봉된 전기화학적 전지를 형성한다. 밀봉된 전지 내에 액체 전해질이 위치한다. 상기 전해질은 사용되는 애노드 및 캐소드와의 전기화학적 반응을 촉진시키는 임의의 액체 전해질일 수 있다. 전해질에 의해 전자 및 이온이 애노드와 캐소드 사이에 흐를 수 있다. 전해질은 물 기반 또는 유기물 기반일 수 있다. 여기서 유용한 유기물 기반 전해질은 유기 용매 내에 용해된 전해질 염을 포함한다. 리튬 이온 이차 배터리에서, 리튬은 전해질 염 내에 포함될 필요가 있다. 리튬-함유 전해질 염의 경우, 예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiSO3CF3 및 LiN(CF3SO2)2이 사용될 수 있다. 이들 전해질 염은 홀로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 유기 용매는 분리막, 캐소드 및 애노드 및 전해질 염과 호환 가능해야 한다. 고전압이 인가될 때에도 분해되지 않는 유기 용매를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 카보네이트, 가령, 에틸렌 카보네이트 (EC), 프로필렌 카보네이트 (PC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 (DMC), 디에틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트; 고리형 에테르, 가령, 테트라히드로푸란 (THF) 및 2-메틸테트라히드로푸란; 고리형 에스테르, 가령, 1,3-디옥솔란 및 4-메틸디옥솔란; 락톤, 가령, γ-부티로락톤; 술포란; 3-메틸술포란; 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 에톡시메톡시메탄 및 에틸디글림을 이용하는 것이 바람직하다. 이들 용매는 홀로 또는 둘 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 액체 전해질 내 전해질의 농도는 0.3 내지 5 mol/l인 것이 바람직할 것이다. 일반적으로 전해질은 1 mol/l 인근에서 가장 높은 전도율을 보인다. 액체 전해질은 전해질의 30 내지 70 중량 퍼센트, 특히 40 내지 60 중량 퍼센트를 차지하는 것이 바람직할 것이다. 수성 전해질은 전지의 기능을 향상시키는 물 중 산 또는 염을 포함한다. 바람직한 염 및 산은 황산, 황산나트륨 또는 포타슘 설페이트 염을 포함한다. 염 또는 산은 전지의 동작을 촉진시키기에 충분한 양으로 존재한다. 농도는 전해질의 중량을 기초로 약 0.5 중량 퍼센트 이상, 약 1.0 이상 또는 약 1.5 중량 퍼센트 이상일 수 있다. 납 산 배터리에서 바람직한 전해질은 물 중 황산이다.
물품은 횡방향 채널과 포스트 간 밀봉부를 포함할 수 있다. 밀봉부는 채널 내, 또는 채널 외부 주위에, 또는 둘 모두에 위치할 수 있다. 밀봉부는 전해질 및 동작 동안 발생된 기체가 전기화학적 전지로부터 누수되지 못하게 막는 임의의 물질 또는 형태를 포함할 수 있다. 상기 밀봉부는 멤브레인, 슬리브 또는 플레이트 및/또는 분리막 내의 일련의 매칭된 인서트 및/또는 보스이거나 채널 내에 삽입될 수 있다. 멤브레인은 탄성중합체일 수 있다. 채널은 일련의 슬리브, 부싱, 인서트 및/또는 보스에 의해 형성되거나 플레이트 및/또는 분리막으로 삽입 또는 일체 구성될 수 있다. 인서트는 압출 가능하거나 서로 상호체결되어 채널을 따라 누수 방지 밀봉부를 형성할 수 있다. 인서트는 배터리 플레이트 및/또는 분리막 내에서 가령 이들을 제 위치에서 몰딩함으로써, 제 위치에 형성될 수 있다. 인서트는 사출 몰딩에 의해 제 위치에서 몰딩될 수 있다. 밀봉부는 전해질로의 노출, 전기화학적 전지의 동작 상태 및 포스트를 삽입함으로써 또는 포스트에 의해 채널에 가해지는 힘을 견딜 수 있는 임의의 물질로부터 제작될 수 있다. 포스트 및 기판에 유용한 것으로 기재된 폴리머 물질이 선호된다. 밀봉부는 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 사이에 배치된 슬리브, 인서트 또는 부싱에 의해 형성될 수 있다. 슬리브 또는 인서트는 비교적 강성일 수 있고 부싱은 일반적으로 탄성중합체(elastomeric)일 것이다. 인서트, 보스, 슬리브 및/또는 부싱은 바이폴라 및 모노폴라 플레이트 및/또는 분리막 내 압입부 내에 끼워 맞춰지거나 횡방향 채널을 생성하는 플레이트의 홀로 삽입되는 단부를 갖도록 구성될 수 있다. 듀얼 폴라, 바이폴라 및 모노폴라 플레이트는 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱을 위한 매칭되는 압입부를 포함하도록 형성되거나 기계 가공될 수 있다. 보스, 인서트, 슬리브 또는 부싱을 갖는 플레이트의 스택의 조립은 채널을 효과적으로 밀봉하기 위한 억지 끼워 맞춤을 생성할 수 있다. 대안으로, 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱이 플레이트에 융해 본딩 또는 접착 본딩되어 접합부에 밀봉부를 형성할 수 있다. 대안으로, 채널을 밀봉하는 기능을 하는 코팅에 의해, 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱이 내부에서 코팅될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 포스트는 채널을 밀봉하도록 기능할 수 있다. 이들 밀봉 솔루션의 조합이 단일 채널 또는 상이한 채널에서 사용될 수 있다. 플레이트의 스택의 구성요소, 가령, 듀얼 폴라, 모노폴라 플레이트 및 바이폴라 플레이트는, 동일한 형태 및 공통 에지를 갖는 것이 바람직하다. 이는 에지의 밀봉을 촉진시킨다. 분리막이 존재하는 경우 이들은 일반적으로 배터리 플레이트와 유사한 구조를 가짐으로써 횡방향 채널의 형성을 촉진시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 밀봉부는 볼트와 횡방향 채널 사이에 주입되는 열경화성 폴리머, 가령, 에폭시, 폴리우레탄 또는 아크릴 폴리머일 수 있다. 플레이트의 밀봉 표면은 압축이 포스트에 의해 가해질 때 밀봉을 개선하도록 변경될 수 있다. 밀봉 표면은 매끄럽게, 윤곽에 따르도록, 거칠게, 또는 표면 처리될 수 있다. 매끄러운 표면은 액체 흐름을 허용하는 흠 없이 전해질 밀봉부를 만드는 큰 접촉 영역을 가질 것이다. 윤곽, 가령, 동심원(들), 릿지(들) 또는 파동이 고압력 접촉의 영역 또는 "링(ring)"이 액체 전해질의 흐름에 저항할 수 있다. 릿지에 개스킷 물질, 가령, 변형 가능한 편평한 시트 또는 오-링(o-ring)이 채워져서, 액체 밀봉을 촉진할 수 있다. 변형 가능한 물질의 거친 밀봉 표면이 압축되어 신뢰할만한 액체 전해질 밀봉부를 형성할 수 있다. 액체 전해질에 의한 습윤에 호환되지 않도록 밀봉 표면을 표면 처리하는 것이 채널로의 액체 전해질 흐름을 막을 것이다. 친수성 전해질이 사용되는 경우 밀봉 표면은 소수성이 될 수 있다. 마찬가지로, 소수성 전해질이 사용되는 경우 밀봉 표면은 친수성이어야 한다. 채널은 배터리 플레이트 내 홀 및 분리막, 가령, 흡수성 유리 매트 내 홀에 일체 구성되는 인서트 내에 본딩하거나 위치하는 보스, 슬리브 또는 부싱에 의해 형성될 수 있으며, 배터리 플레이트 내 홀, 분리막의 홀 내 일체 구성된 인서트 및 보스, 슬리브 또는 부싱이 정렬되어 채널을 형성할 수 있다. 복수의 채널 내 포스트가 충분한 압력을 인가하여 인서트, 홀, 보스, 슬리브 및/또는 부싱을 제 위치에 고정하여 밀봉된 통로를 형성할 수 있다. 채널은 배터리 플레이트에 본딩된 보스 및 분리막에 일체 구성된 인서트로부터 형성될 수 있다. 포스트는 접착 본드에 의해 또는 열가소성 폴리머의 융합에 의해, 또는 둘 모두에 의해, 배터리의 인서트, 보스 및/또는 기판에 본딩될 수 있다. 인서트는 배터리 플레이트 또는 분리막에 억지 끼워 맞춤에 의해 삽입되거나 접착제에 의해 제 위치에 본딩될 수 있다. 분리막 내 인서트가 전기화학적 전지와 형성된 채널 사이의 연통을 가능하게 하는 배기구(vent hole)를 포함할 수 있다. 배기구에 의해 전기화학적 전지로부터 채널로의 기체의 투과를 가능하게 하며 전기화학적 전지로부터 채널로의 액체의 투과는 막을 수 있다.
배터리 플레이트 및 분리막 플레이트의 에지가 밀봉되어 전해질 및 형성된 기체의 전지로부터의 누수를 막고 개별 전지를 고립시켜 전지의 단락을 막을 수 있다. 에지는 임의의 알려진 배터리 밀봉 방법을 이용해 밀봉될 수 있다. 본 명세서에 참조로서 포함되는 동일 출원인의 특허 출원, Shaffer, II외. Bipolar Battery Assembly, US 23010/0183920 A1에 개시된 내골격 및 외골격 밀봉 시스템을 이용해 조립체의 에지가 밀봉될 수 있다. Shaffer, II외에 개시된 밀봉 시스템은 바이폴라 배터리 적층 구조를 위한 고유의 구조물, 가령, 앞서 기재된 구조물을 고려한다. 구조물은 상기 방법에 의한 것인지에 무관하게, 일반적으로 제1 분리막 프레임; 하나 이상의 에지 및 하나 이상의 음의 페이스팅 프레임 에지들 사이에 뻗어 있는 지지 격자 구조물을 갖는 음의 페이스팅 프레임 부재; 음의 집전기 포일; 그 내부에 형성되는 복수의 개구부를 갖는 기판; 양의 집전기 포일; 하나 이상의 에지 및 하나 이상의 양의 페이스팅 프레임 에지들 간에 뻗어 있는 지지 격자 구조물을 갖는 양의 페이스팅 프레임 부재 및 제2 분리막 프레임을 포함한다. 제1 분리막 프레임은 하나 이상의 에지를 포함할 수 있다. 음의 페이스팅 프레임 부재의 적어도 하나의 에지가 분리막 프레임의 적어도 하나의 에지와 평면 접촉(planar contact)하도록 음의 페이스팅 프레임 부재는 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 기판의 적어도 하나의 에지가 음의 페이스팅 프레임 부재의 적어도 하나의 에지와 평면 접촉하도록 기판은 하나 이상의 에지를 더 가질 수 있다. 양의 페이스팅 프레임 부재의 적어도 하나의 에지가 기판의 적어도 하나의 에지와 평면 접촉하도록 양의 페이스팅 프레임 부재는 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 분리막 프레임의 적어도 하나의 에지가 양의 페이스팅 프레임 부재의 적어도 하나의 에지와 평면 접촉하도록 제2 분리막 프레임은 하나 이상의 에지를 가질 수 있다. 분리막 프레임, 음 및 양의 페이스팅 프레임 부재 및 기판의 에지들의 평면 접촉이 배터리 상의 외부 밀봉부를 형성하여, 여기에 도입되는 전해질이 배터리 내로부터 누수되지 않을 것이다. 페이스팅 프레임 부재의 에지가 분리막 프레임의 에지 상에 위치하는 정렬 핀 또는 지지 부재를 수용하기 위한 개구부를 더 포함할 수 있다. 페이스팅 프레임 부재 상의 개구부 내에 정렬 핀을 위치시키는 것이 외부 밀봉의 형성을 추가로 촉진시킬 수 있다. 하나 이상의 분리막 프레임 및 하나 이상의 페이스팅 프레임이, 기판과 조합되어, 인접한 프레임 및/또는 기판과 평면 접촉하도록 놓여, 배터리 전지의 내부 구조가 어떠한 액체 또는 기체(공기)가 배터리를 빠져나오지 못하게 막는 외부 밀봉부가 생성되는 프레임 구조가 사용될 수 있음이 또한 고려된다. 페이스팅 프레임 부재의 에지는 분리막 프레임의 에지 상에 위치하는 정렬 핀 또는 지지 부재를 수용하기 위한 개구부를 더 포함할 수 있다. 페이스팅 프레임 부재 상의 개구부로 정렬 핀을 위치시키는 것이 외부 밀봉부의 형성을 더 촉진시킬 수 있다. 따라서 배터리 누수 및 이에 따른 배터리 고장의 위험 없이 배터리 내로 도입되는 임의의 전해질이 견고하게 유지될 것이다. 또한 어떠한 무거운 단부 플레이트 또는 외부 지지 구조물도 필요 없이 배터리를 효과적으로 밀봉할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 페이스팅 프레임 부재가 페이스팅 프레임 부재의 에지들 사이에 위치하는 지지 부재(가령, 핀)를 더 포함할 수 있다. 지지 부재의 사용이 배터리 내 압축 응력 및 최종적인 원치 않는 에지/박리 응력(peeling stress)의 문제를 해결하기 위한 유일한 방식이다. 이들 응력은 앞서 언급된 바람직하지 않은 배터리 누수를 초래할 수 있다. 따라서 본 명세서에 언급된 배터리 내에서 지지 핀을 이렇게 사용하는 것 및 최종적인 내부 방식이 내골격을 갖는 바이폴라 배터리를 구축하는 것으로 지칭될 수 있다. 배터리 내 압축 응력의 바람직하지 않은 효과를 해결하기 위해 (외골격 구축 방식을 이용하는 것에 비교하여) 내골격 구축 또는 구성 방식을 이용하는 것의 특징은 이는 부피 에너지 밀도의 감소를 야기하지 않는다. 덧붙여, 이는 활물질의 손실이 거의 없는 소수의 경량 핀만 이용하는 가벼운 방식이다. 또한 내골격 구축 방식은 에지 박리에 의해 초래되는 전통적인 바이폴라 배터리 고장 모드의 확률을 크게 낮춤이 발견되었다. 또한 경우에 따라 프레임 부재의 주변부 또는 에지 상에 핀이 추가되어 분리 프레임 부재를 정렬할 수 있으며, 이로써, 압축 동안 분리 프레임 부재가 상하로 또는 전후방으로 미끄러질 수 있다. 경우에 따라, 바이폴라 배터리는 내골격과 외골격 구축 방식의 조합을 이용해 구성될 수 있다. 예를 들어, 앞서 기재된 바와 같이 내부 지지 핀을 이용해 바이폴라 배터리가 구성될 수 있다. 이에 추가로, 프레임 구조가 또한 모노폴의 단자 측부 상에 배치될 수 있다. 이 외부 배터리 구성은 디자인적 박스의 일부인 최종 커버에 의해 보강될 수 있다. 이러한 구성에서의 내골격 및 외골격의 조합된 특징이 최대 에지 응력 및 위치이탈을 더 감소시킬 수 있다. 바이폴라 배터리는 실질적으로 어떠한 외골격 구조도 갖지 않을 수도 있다. 하나의 실시예에서, 배터리 플레이트를 위한 기판이 기판의 주변부 주위에, 서로에 대해 밀봉하고 사용될 때 외부 멤브레인에 대해 밀봉하도록 전해질 및 선택사항인 분리막을 담는 캐비티를 위한 페이스팅 프레임으로서 기능하는 상승된 에지를 가질 수 있다.
모노폴라 및 바이폴라 플레이트의 스택의 에지가 멤브레인에 부착될 수 있다. 상기 멤브레인은 플레이트의 에지를 밀봉하는 임의의 수단에 의해 플레이트의 에지에 본딩되어 전기화학적 전지를 고립시킬 수 있다. 예시적 본딩 방법은 부착 본딩, 융해 본딩, 진동 용접, RF 용접, 및 마이크로파 용접 등을 포함한다. 멤브레인은 물질이 모노폴라 및 바이폴라 플레이트를 밀봉하고 전해질에의 노출 및 배터리가 외부및 내부에서 노출되는 조건을 견딜 수 있는 폴리머 물질의 시트이다. 바이폴라 플레이트의 기판에 유용한 동일한 물질이 멤브레인에 대해 사용될 수 있다. 멤브레인은 모노폴라 및 바이폴라 플레이트의 기판 주위에 융해 본딩, 진동 용접 또는 몰딩될 수 있는 열가소성 폴리머일 수 일 수 있다. 동일한 열가소성 폴리머가 모노폴라 및 바이폴라 기판 및 멤브레인에 대해 사용될 수 있다. 예시적 물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS 및 폴리에스테르이며, ABS가 가장 선호된다. 멤브레인은 이들이 본딩되는 스택의 측부의 크기일 수 있으며 멤브레인은 스택의 각각의 측부에 본딩된다. 인접한 멤브레인의 에지가 밀봉될 수 있다. 에지는 접착제, 융해 본딩 또는 몰딩 공정을 이용해 밀봉될 수 있다. 멤브레인은 스택의 전체 주변부 주위에 감싸지는 하나의 단일 시트를 포함할 수 있다. 멤브레인의 선단 에지, 즉 스택과 접촉하는 제1 에지 및 스택의 후단 에지, 즉, 도포되는 멤브레인 시트의 단부가 서로 본딩되어 밀봉을 완성할 수 있다. 이는 접착제, 융해 본딩 또는 몰딩 공정에 의해 수행될 수 있다. 융해 본딩에서, 멤브레인의 표면 및/또는 스택의 에지는 이들 중 하나 또는 둘 모두의 표면이 융해되는 조건에 노출되고 그 후 표면이 융해되는 동안 멤브레인 및 스택의 에지가 접촉된다. 표면이 동결될 때 멤브레인 및 스택의 에지 본드가 구성요소들을 함께 밀봉할 수 있는 본드를 형성한다. 멤브레인은 멤브레인 물질의 연속 시트로부터 취해지고 원하는 길이로 절단될 수 있다. 멤브레인의 폭이 모노폴라 및 바이폴라 플레이트의 스택의 높이에 매칭될 수 있다. 멤브레인은 전지를 절연하기 위해 모노폴라 및 바이폴라 시트의 스택의 에지를 밀봉하기 위한 충분한 두께를 가진다. 상기 멤브레인은 또한 스택의 에지 주위에 보호 케이스로서 기능할 수 있다. 멤브레인은 약 1 ㎜ 이상, 약 1.6 ㎜ 이상 또는 약 2 ㎜ 이상의 두께를 가질 수 있다. 멤브레인은 약 5 ㎜ 이하, 4 ㎜ 이하 또는 약 2.5 ㎜ 이하의 두께를 가질 수 있다. 멤브레인이 스택의 에지에 본딩될 때, 전해질 및 전지의 동작 조건에의 노출을 견딜 수 있는 임의의 접착제가 사용될 수 있다. 에시적 접착제는 플라스틱 시멘트, 에폭시, 시아노아크릴레이트 글루 또는 아크릴레이트 수지이다. 대안으로, 멤브레인은 배터리 플레이트의 스택의 일부분 또는 전체 주위에 열가소성 또는 열경화성 물질을 몰딩함으로써 형성될 수 있다. 임의의 알려진 몰딩 방법, 가령, 열몰딩, 반응 사출 몰딩, 사출 몰딩, 로토 몰딩, 블로우 몰딩, 압착 몰딩 등이 사용될 수 있다. 멤브레인은 멤브레인을 배터리 플레이트의 스택의 일부분 또는 전체 주위에 사출 몰딩함으로써 형성될 수 있다. 멤브레인이 플레이트의 스택의 일부분 주위에 형성되는 경우 이는 배터리 플레이트의 에지 또는 배터리 플레이트와 분리막 주위에 형성될 수 있다.
밀봉된 스택이 형성된 배터리를 보호하기 위한 케이스 내에 위치할 수 있다. 대안으로, 스택의 단부에서 모노폴라 플레이트 위에 위치하는 보호 커버와 함께 멤브레인이 배터리의 케이스로서 사용될 수 있다. 모노폴라 플레이트는 애노드 또는 캐소드에 대향하는 표면에 부착 또는 본딩되는 적절한 보호 커버를 가질 수 있다. 상기 커버는 멤브레인 또는 상기 멤브레인에 접착 본딩 또는 융해 본딩될 수 있는 물질과 동일한 물질일 수 있으며 멤브레인에 대하여 언급된 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 플레이트의 단부에 부착될 때 커버는 임의의 기계적 부착재, 가령, 겹치는 부분을 갖는 포스트에 의해 부착될 수 있다. 케이스는 배터리 플레이트의 스택 및/또는 모노폴라 플레이트의 대향하는 측부 주위에 멤브레인을 몰딩함으로써 형성될 수 있다.
조립체는 캐소드와 접촉하는 집전기로부터 하나 이상의 양 단자로 전자를 전송하도록 구성된 하나 이상의 전도성 도관을 더 포함할 수 있다. 일반적인 바이폴라 배터리는 기판을 통해 전지에서 전지로 전자를 흐르게 한다. 기판은 전도성 물질을 적어도 부분적으로 포함하거나 기판을 통과하는 전도성 경로를 포함한다. 회로가 폐쇄될 때, 전지 전하가 셀에서 셀로 기판을 통해 양 단자로 흐른다. 조립체가 기판 및 전지를 통해, 또는 전류 전도체로의 집전기를 통해, 또는 둘 모두로 전자를 흐르게 할 수 있음이 고려된다. 개시된 조립체는 애노드와 접촉하는 집전기 또는 전류 전도체를 음 단자로 접촉시키는 전도성 도관을 더 가진다. 둘 이상의 스택을 갖는 본 명세서에 개시된 배터리에서, 각각의 스택은 애노드와 접촉하는 집전기를 음 단자와 접촉시키는 전류 전도체 및/또는 전도성 도관 및/또는 캐소드와 접촉하는 집전기를 양 단자와 접촉시키는 전도성 도관을 가진다. 둘 이상의 스택으로부터의 전도성 도관은 병렬 또는 직렬로 배열될 수 있다. 병렬 회로는 서로 연결되지 않는 둘 이상의 회로를 포함한다. 직렬 회로는 전자가 회로를 순차적으로 통과하여 흐르도록 배열되는 둘 이상의 회로를 포함한다. 전도성 도관이 직렬 구성으로 배열될 때 배터리는 단 하나의 음 단자 및 하나의 양 단자를 가질 수 있다. 전도성 도관이 병렬 방식으로 배열될 때 배터리는 하나의 양 단자 및 음 단자를 가질 수 있으며, 이때 각각의 회로가 음 단자 또는 양 단자 각각과 연결된다. 대안으로, 각각의 회로는 개별적인 음 단자 및 양 단자를 가질 수 있다. 단자는 일반적으로 배터리에 저장된 전기를 이용하는 부하로 연결될 수 있다. 병렬 배열에서 캐소드와 접촉하는 집전기와 접촉하는 전류 전도체 및/또는 전도성 도관 각각은 개별적인 양 단자와 접촉할 수 있다. 병렬 배열에서 애노드와 접촉하는 집전기와 접촉하는 각각의 전류 전도체 및/또는 전도성 도관은 개별적인 음 단자와 접촉할 수 있다. 개별적인 단자가 한쪽 연결된 양 단자 및 음 단자만 노출되게 남겨 둔 멤브레인에 의해 덮일 수 있으며, 이때 덮인 음 단자가 노출된 음 단자와 연결되고 덮인 양 단자가 노출된 양 단자와 연결된다.
조립체가 전도성 단자의 하나 이상의 쌍을 포함할 수 있고, 각각의 쌍은 양 단자 및 음 단자로 연결된다. 실질적으로 전지에서 발생하는 전지를 이용하는 시스템에서, 단자는 각각의 배터리 스택을 부하로 연결하도록 구성된다. 단자는 조립체 내에서 전도성 도관과 접촉한다. 조립체는 하나 이상의 전지를 위한 압력 완화 밸브를 포함하여 전지가 위험한 내부 압력에 도달하는 경우 압력을 완화시킬 수 있다. 상기 압력 완화 밸브는 배터리가 사용되는 시스템을 손상시키는 방식으로의 재앙적 고장을 막도록 설계된다. 압력 완화 밸브가 해제되면, 배터리는 더 이상 작동하지 않는다. 본 명세서에 개시된 조립체는 위험한 압력에 도달할 때 또는 달하기 전에 전체 조립체로부터 압력을 완화시키는 하나의 체크 밸브를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 조립체는 부하에 부착되고 전지를 포함하는 회로가 형성된다. 전자가 단자 및 부하로 흐르며, 이때 시스템은 전기를 이용한다. 이 흐름은 전지가 전기를 생성할 수 있는 한 유지된다. 전지의 스택이 완전 방전되는 경우 배터리는 추가 사용되기 전에 충전 단계를 거칠 필요가 있다. 바이폴라 플레이트에 대한 기판이 전기 전도성 물질 혼합물을 포함하는 경우, 이의 상 변태 온도 미만인 배터리 조립체의 동작 온도에서, 기판은 기판의 제1 표면과 이에 대향하는 제2 표면 사이에 상기 물질 혼합물을 통한 전기 전도성 경로를 가지며, 전도성 물질 혼합물의 상 변태 온도를 초과하는 온도에서, 전기 전도성 물질 혼합물이 전기 전도성 경로를 통한 전기 전도를 비활성화하는 상 변태를 겪는다. 이로 인해, 예상치 못한 결과가 발생하기 전에 배터리의 비활성화가 가능해진다. 배터리가 방전되면, 이는 전자의 소스를 갖는 회로를 형성함으로써 재충전될 수 있다. 충전 동안 전극은 기능을 변경하며 방전 동안 애노드는 캐소드가 되고 방전 동안 캐소드는 애노드가 된다. 실질적으로 전기화학적 전지는 방전과 비교할 때 전자 및 이온을 반대 방향으로 흐르게 한다.
개시된 조립체는 다음의 단계에 의해 제작될 수 있다. 바이폴라 플레이트, 듀얼 폴라 플레이트 및 모노폴라 플레이트를 위한 기판이 형성되거나 형태에 따라 절단된다. 기판이 비전도성 물질을 포함하고 전통적인 바이폴라 배터리가 조립되는 경우, 기판은 복합 기판으로 변환될 필요가 있다. 이를 달성하기 위한 수단은 임의의 알려진 수단에 의해 기판을 관통하는 홀(hole)을 형성하는 것, 가령, 기판 내에 이들을 몰딩하거나 기판을 기계 가공하여 홀을 형성하는 것이 있다. 개구부가 전도성 물질, 바람직하게는, 본 명세서에 기재된 지정된 온도에서 융해되는 전도성 물질로 채워진다. 금속 시트, 체, 와이어 또는 포일이 사용되는 경우 이들은 기판의 하나의 면 또는 양면 모두에 부착된다. 앞서 기재된 접착제, 바람직하게는, 니트릴계 고무 시멘트를 이용해 금속 시트 또는 포일이 기판에 본딩되는 것이 바람직하다. 캐소드 및 애노드가 기판 또는 금속 시트, 체, 와이어 또는 포일에 부착된다. 임의의 표준 캐소드 또는 애노드 부착 방법을 이용해 부착이 촉진된다. 캐소드 및 애노드가 페이스트 형태로 사용되는 경우, 페이스트가 기판 또는 금속 시트, 체, 와이어 또는 포일에 도포된다. 페이스트는 건조될 수 있다. 횡방향 채널을 위한 홀이 기판, 금속 시트 또는 포일, 분리막, 애노드, 캐소드 및 그 밖의 다른 임의의 구성요소 내에 사전-형성되거나 기계 가공될 수 있다. 채널이 슬리브, 인서트, 또는 보스 등을 이용해 형성되는 경우, 이들은 배터리 플레이트 및/또는 분리막으로 삽입된다. 인서트가 제 위치에서 몰딩되는 경우, 알려진 몰딩 공정을 이용해 이들은 제 위치에서 몰딩된다. 그 후 각각의 플레이트에 대해 애노드가 또 다른 플레이트의 캐소드를 대면하도록 구성요소들이 적층된다. 바람직하게는, 기판의 에지가 그 밖의 다른 임의의 프레임 구성요소의 에지를 따라 정렬되도록 시트가 적층된다. 하나의 실시예에서, 둘 이상의 가이드 핀 또는 볼트를 갖는 플레이트가 스택을 지지하도록 사용된다. 본 명세서에 개시된 바와 일치하는 적절한 순서로 가이드 핀에 의해, 구성요소들은 플레이트 상에 적층된다. 둘 이상의 횡방향 채널이 정렬 핀 또는 볼트를 위해 사용될 수 있다. 스택이 완료되면, 탄성 중합체 멤브레인 또는 슬리브가 횡방향 채널로 삽입될 수 있다. 채널이 플레이트 내 홀들 사이에 위치하는 부싱, 인서트 또는 플라스틱 슬리브에 의해 밀봉되는 경우, 채널의 내부, 홀의 내부, 슬리브 인서트 및/또는 부싱에 코팅이 도포될 수 있다. 플레이트의 홀의 내부가 나사산 처리될 필요가 있는 경우, 이들은 알려진 기법을 이용해 조립 전 또는 조립 후에 나사산 처리된다. 그 후 포스트가 스택으로 삽입되고, 모노폴라 플레이트의 대향하는 측부의 밀봉 표면과 겹치는 부분에 의해 고정된다. 겹치는 부분이 기계 부착 구조물인 경우, 이러한 부착 구조물은 포스트에 고정된다. 포스트가 제 위치에서 사출 몰딩되는 경우, 융해된 열가소성 물질이 채널로 삽입되고 융해된 물질의 겹치는 부분이 양 단부에서 밀봉 표면 상에 형성된다. 채널의 표면은 가열되어 채널의 내부의 표면, 이 실시예에서, 주입된 열가소성 물질 본드에서 채널의 내부까지 융해시킬 수 있다. 열가소성 물질이 냉각될 수 있다. 또 다른 실시예에서 채널은 채널로 삽입되는 형태와 각각이 단부에서 겹치는 부분을 위한 형태를 가질 수 있다. 그 후 두 부분 열경화성 물질이 채널에 추가되고 경화되어 포스트를 형성할 수 있다. 포스트가 억지 끼워 맞춤에 의해 채널 내부에 끼워 맞춤되도록 설계되는 경우, 포스트는 적절한 힘으로 삽입된다. 포스트가 고정되고 안정되면, 스택은 가이드 핀으로부터 이동되고 포스트는 가이드 핀을 위해 사용되는 채널로 삽입될 수 있다.
멤브레인이 스택의 에지 표면에 도포되는 경우, 접착제가 멤브레인 또는 스택의 에지 중 어느 하나 또는 둘 모두에 도포되고 스택의 에지가 이들을 함께 본딩하도록 접촉된다. 알려진 기계적 수단에 의해, 접착제가 설정 또는 경화되는 동안 멤브레인이 제 위치에 고정될 수 있다. 멤브레인의 에지가 타 멤브레인 시트 또는 모노폴라 플레이트의 대향하는 표면 상의 멤브레인 또는 단부 플레이트의 비-밀봉 에지에 밀봉될 수 있다. 접착제에 의해 또는 융해 본딩에 의해 밀봉이 수행될 수 있다. 대안으로, 멤브레인은 융해 본딩에 의해 부착될 수 있다. 융해 본딩에서 본딩될 스택의 에지와 멤브레인의 표면 모두가, 멤브레인 또는 스택의 구조적 무결성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 표면이 융해되는 상태에 노출된다. 이는 각각을 고온 표면, 플래튼(platen), 고온 유체, 공기, 복사, 진동 등과 접촉시키고, 그 후 융해된 표면을 따라 멤브레인과 스택의 에지를 접촉시키고 융해된 표면이 냉각되고 서로 본딩되게 함으로써 이뤄질 수 있다. 멤브레인은 특정 에지에 맞도록 절단되거나 스택의 에지 주위에 감싸지는 연속 시트일 수 있다. 이 실시예에서, 멤브레인의 선단 에지와 후단 에지가 서로 만나는 곳에서, 바람직하게는 융해 본딩에 의해 함께 본딩된다. 멤브레인은 모노폴라 플레이트가 존재하는 경우 이의 외부 표면 상의 멤브레인 또는 단부플레이트에 밀봉될 수 있다. 케이스가 사용되는 경우 조립체는 케이스로 삽입될 수 있다. 바람직하게는 멤브레인이 케이스로서 기능한다. 융해 본딩 실시예에서, 스택의 멤브레인 및 에지가 각각의 표면이 융해되거나, 융해된 상태가 되는 온도 또는 조건에 각각의 표면이 융해되기에 충분한 시간 동안 노출된다. 선택된 온도는 멤브레인 및/또는 기판 및 그 밖의 다른 임의의 구조적 구성요소에서 사용되는 물질의 녹는점보다 높은 것이 바람직하다. 사용되는 온도는 약 200 ℃ 이상이 바람직하며, 약 220 ℃ 이상이 더 바람직하고 약 230 ℃ 이상이 가장 바람직하다. 사용되는 온도는 약 300 ℃ 이하가 바람직하며, 약 270 ℃ 이하가 더 바람직하고, 약 240 ℃ 이하가 가장 바람직하다.
프레임 및/또는 인서트가 다음의 단계를 이용해 분리막 또는 배터리 플레이트 기판 내로 또는 상으로 몰딩될 수 있다. 분리막 시트는 크기에 맞춰 절단된다(다이 펀치, 슬릿, 스탬프 등). 하나 이상의 시트가 적층되어 필요한 두께를 충족할 수 있다. 시트는 시트가 고정된 위치이도록 하는 몰드 내에 위치한다. 몰드는 필요에 따라 분리막 주위에 주변부 프레임을 형성하고 횡방향 채널 주위에 내부 특징부(가령, 부싱)를 형성한다. 또한 몰드는 분리막 물질을 과도하게 압축하지 않고 플라스틱이 분리막 물질을 손상시키지 못하게 막도록 설계된다. 플라스틱은 몰드 내로 주입되고 플라스틱이 냉각되면 부품이 취출된다.
멤브레인이 다음의 단계를 이용해 배터리 스택의 일부분 또는 전체 주위에 몰딩될 수 있다. 배터리의 구성요소가 적절한 순서로(단부 플레이트, 모노폴라 플레이트, 분리막, 바이폴라 플레이트 등) 적층된다. 각각의 적층된 구성요소의 횡방향 홀을 통과하는 가이드 봉을 이용함으로써 스택 정렬이 보장될 수 있다. 그 후 적층된 조립체가 양의 몰드 캐비티, 음의 몰드 캐비티, 배터리의 바디를 위한 인서트 몰드 캐비티(또는 사출 몰딩에서 일반적인 것처럼 슬라이드 도어가 사용될 수 있음) 및 음의 몰드 캐비티 또는 양의 몰드 캐비티 내에 위치하는 회수 가이드 핀으로 구성된 몰드 내로 이동된다. 적층된 조립체가 회수 가이드 핀 상으로 이동되어 정렬을 보장 및 유지할 수 있다. 그 후 상기 몰드는 폐쇄되어 조립체를 압착한다. 그 후 플라스틱이 주입되어 구성요소 및 단부 플레이트를 밀봉하는 배터리의 외부 멤브레인을 형성할 수 있다. 그 후 가이드 핀이 회수되며 두 번째 플라스틱 샷이 주입되어 횡방향 채널을 충전하고 주입된 플라스틱을 단부 플레이트에 고정한다. 냉각되면 배터리가 몰드로부터 취출된다.
조립체가 하나 이상의 전기화학적 전지로의 하나 이상의 배기구를 더 포함할 수 있다. 배기구에 의해 기체는 전기화학적 전지로부터 배출되고, 액체를 전지 내로 이동시키도록 가해지는 압력 또는 전해질을 배출기를 통해 전지로 빼내기 위해 전기화학적 전지에 가해지는 진공에 의해, 전해질은 전기화학적 전지로 도입된다. 전해질이 진공을 이용해 도입되는 실시예에서, 각각의 전지는 두 개의 배기구를 가질 수 있으며, 여기서 진공이 하나의 배기구에 인가되어 전해질이 다른 배기구로부터 전지로 빼내진다. 배기구는 매니폴드와 채널의 임의의 조합과 접촉할 수 있다. 배기구는 각각의 전기화학적 전지와 접촉할 수 있다. 배기구는 각각의 전지에 대한 배터리 분리막과 접촉할 수 있다. 조립체는 매니폴드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 배기구는 매니폴드와 접촉할 수 있고 매니폴드는 모든 배기구에 대한 공통 헤드 스페이스(head space)를 형성할 수 있다. 매니폴드는 자신 내부에 형성되는 하나 이상의 포트를 가지며, 여기서, 하나 이상의 밸브, 가령, 체크 밸브가 매니폴드 포트에 위치할 수 있다. 배터리는 충전 밸브(fill valve)를 더 포함할 수 있다. 상기 충전 밸브는 매니폴드 내에 위치하거나 횡방향 채널에 연결될 수 있다. 물품은 하나 이상의 일체 구성된 충전 및/또는 배기 채널을 더 포함할 수 있다. 이러한 채널은 배터리 스택의 중심 근처에 형성되며 캐소드와 애노드 사이의 분리막이 위치하는 영역과 연통하며, 상기 영역은 전해질이 상기 영역에 추가될 때 전기화학적 전지가 형성되는 영역이다. 채널은 조립 전에 홀 또는 슬롯을 분리막 및 배터리 플레이트 내에 형성하고 그 후 홀 또는 슬롯을 정렬함으로써 형성될 수 있다. 채널이 전기화학적 전지로서 이용되도록 구성된 영역과 연통하는 한, 인서트, 슬리브 또는 보스가 횡방향 채널과 관련하여 앞서 기재된 바와 같이 사용될 수 있다. 채널이 두 위치에서 배터리 스택의 외부와 연통하는 것이 바람직하다. 이는 전해질로 배터리를 충전하는 것을 촉진시킨다. 전해질로 전기화학적 전지를 충전한 후 개구부 중 하나가 충전되거나 폐쇄될 수 있다. 다른 개구부는 배터리 및 전기화학적 전지를 배기하는 데 사용된다. 충전 동안 진공 상태가 외부 홀 상으로 야기되며 전해질이 다른 홀을 통해 배출된다. 대안으로 단일 홀이 사용되며 전기화학적 전지가 본 명세서에 기재된 바와 같이 충전된다. 이 실시예에서, 밀봉된 배터리가 형성되면, 진공 상태가 단일 홀 또는 포트 상으로 야기되어 전지 내 저압 환경이 만들어진다. 전기화학적 전지 내 압력은 50 Torr 이하 또는 10 Torr일 수 있다. 그 후 진공이 중단되며 전해질의 소스가 홀 또는 포트로 연결되고 전지 내 저압으로 인해 전해질이 배터리를 빠르게 충전한다. 진공 장치 및 전해질의 소스가 스위칭 가능한 밸브를 통해 연결되어, 진공에서 전해질의 소스로의 전환이 효율적인 방식으로 수행될 수 있다. 이 시스템은 하나의 횡방향 채널이 전기화학적 전지와 접촉하는 배기구, 가령, 보스, 인서트 또는 슬리브 내 노치를 갖는 슬리브, 인서트 및/또는 보스로부터 형성되는 경우 이용될 수 있다. 이 시스템에 의해 전기화학적 전지를 신선한 전해질로 충전하는 것이 가능하다. 이들 조건 하에서의 충전은 약 600 초 이하 또는 약 300 초 이하 동안 발생할 수 있다. 충전 후 밸브, 가령, 체크 밸브, 팝 밸브, 압력 완화 밸브 등이 나머지 홀로 삽입될 수 있다. 채널은 스택의 조립 후 사전-나사선 처리 또는 탭처리될 수 있다.
조립 후, 배기구는 필요에 따라 밀봉된 멤브레인을 통해 흡수성 유리 매트 분리막의 두께 방향으로 중앙에 위치하도록 각각의 전지로 드릴 가공될 수 있다. 그 후 매니폴드가 배기구 위에 공통 헤드 스페이스를 형성하면서 배터리 조립체의 상부에 부착된다. 매니폴드에서 단일 포트가 제작될 수 있다. 단일 매니폴드 포트가 진공 퍼지 포트 및 전해질 충전 포트로서 사용될 수 있다. 진공이 진공 펌프를 통해 매니폴드 포트로 저압, 가령, 약 29 인치 Hg까지 가해지고, 그 후 진공 소스 밸브가 꺼지며, 전해질 소스로 연결된 충전 밸브가 개방되어 전해질이 배터리의 모든 전지를 동시에 충전하게 할 수 있다. 프레임이 제작 또는 몰딩될 때 배기구는 분리막 주위의 프레임 내에 형성될 수 있다. 일체 구성된 배기 채널이 분리막의 프레임 또는 배터리 플레이트를 위해 사용되는 기판 내에 홀을 사전-드릴 가공 또는 형성함으로써 형성될 수 있다. 이들 홀이 정렬되어 채널을 형성할 수 있다. 이 채널은 전기화학적 전지와 연통하는 배기구와 연통할 수 있다. 일체 구성된 배기 채널이 횡방향 채널들 중 하나일 수 있으며, 여기서 횡방향 채널은 전기화학적 전지 각각과 연통하는 배기구를 가진다. 각각의 전기화학적 전지와 연통하는 배기구를 갖는 두 개의 일체화된 채널이 존재할 수 있다. 각각의 전기화학적 전지에 대한 배기구를 갖는 횡방향 채널 내에 멤브레인 또는 인서트를 제공함으로써, 일체화된 채널의 형성이 이뤄질 수 있다. 채널은 전기화학적 전지와 연통하는 배기구를 갖거나 배기구를 형성하는 인서트, 슬리브 또는 보스로부터 형성될 수 있다. 일체화된 채널은 전해질의 역류를 방지하도록 가압될 수 있다. 일체화된 채널은 조립체의 내부 압력을 제어하기 위한 밸브로 종결될 수 있다. 사용 전에 채널이 사용되어 전해질로 전기화학적 전지를 충전할 수 있다. 밸브는 단부 플레이트 중 하나 상에 위치할 수 있다. 밸브의 삽입을 위해 채널은 조립 후에 나사산 처리되거나 조립 전에 사전-나사산 처리될 수 있다. 상기 밸브는 임의의 알려진 삽입 및 유지 수단을 이용해 삽입 및 유지될 수 있다. 본 명세서에 개시된 물품에서 사용되는 구성요소들 중 일부가 개시된 그 밖의 다른 구성요소에 인접하게 위치될 수 있다. 그 밖의 다른 구성요소에 배치하도록 설계된 구성요소가 서로 적절한 관계로 부품을 유지하기 위해 종래에 알려진 구성요소 또는 기법을 가지거나 이용할 수 있다. 서로 적절한 관계로 구성요소들을 유지하는 데 사용되는 특정 구성요소 또는 기법은 본 발명의 조립체를 설계 또는 조립하는 해당 분야의 통상의 기술자의 구성요소, 관계 및 설계 선호에 따라 선택된다.
조립체는 내압으로 인한 누수 또는 변형 없이 10 psi 이상, 약 20 psi 이상, 약 50 psi 이상 및 약 100 psi 이하의 내압을 견딜 수 있다. 조립체는 약 6 내지 약 10 psi의 내압을 견딜 수 있다. 조립체는 약 34 와트시/킬로그램(watt hours per kilogram), 약 40 와트시/킬로그램 또는 약 50 와트시/킬로그램의 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 본 발명의 조립체는 임의의 바람직한 볼트, 가령, 6, 12, 24, 48 또는 96 볼트를 생성할 수 있다. 약 200 볼트가 실시 상한이지만 전압은 더 높을 수 있다.
다음의 도면은 본 발명의 일부 실시예를 도시한다. 도 1은 배터리 플레이트(10)의 스택의 측방도를 도시한다. 복수의 모노폴라 및 바이폴라 플레이트 기판(11)이 도시된다. 각각의 바이폴라 플레이트 기판(11)에 애노드(12) 및 캐소드(13)가 인접한다. 각각의 전지의 애노드(12)와 캐소드(13) 사이에, 전해질이 흡수된 흡수성 유리 매트를 포함하는 분리막(14)이 배치된다. 횡방향 채널(16)에서 배치된 고무 튜브를 포함하는 채널 밀봉부(15)가 또한 도시되어 있다. 횡방향 채널(16)에서 채널 밀봉부(15)의 고무 튜브 내부에 포스트(17)가 나사산 볼트의 형태로 존재한다. 포스트(17)의 단부에 겹치는 부분이 볼트 헤드(18) 및 너트(19)의 형태로 위치한다. 모노폴라 플레이트(43)와 바이폴라 플레이트(44)의 기판의 에지 주위에 프레임(20)이 위치한다.
도 2는 모노폴라 플레이트(43)의 기판(11)의 대향하는 표면의 단부 위에 배치되는 단부 플레이트(25)를 도시한다. 밀봉부(22)가 포스트(17) 상의 너트(19)와 모노폴라 플레이트 대향 표면(24) 상의 밀봉 표면(23) 사이에 위치한다.
도 3은 바이폴라 기판의 스택의 에지 주위에 멤브레인을 도포하는 것을 도시한다. 단부 플레이트(25)가 볼트(17)의 단부 상에서 이격되어 있는 네 개의 볼트 헤드(19)와 함께 도시된다. 단부 플레이트(25)가 스택의 각각의 단부 상에서 나타난다. 기판(11) 주위에 프레임(20)이 배치된다. 기판(20)의 프레임 사이에 분리막(34)을 위한 프레임이 위치한다. 멤브레인(27)이 열원(26)과 압력원(28)을 이용해 기판 프레임(20)과 분리막 프레임(34)에 도포되어, 멤브레인(27)을 기판 프레임(20) 및 분리막 프레임(34)의 스택의 에지에 밀봉할 수 있다.
도 4는 분리막 프레임(34)이 삽입되는 기판 프레임(20)을 갖는 배터리 플레이트(10)의 스택을 포함하는 바이폴라 배터리(29)를 도시한다. 네 개의 너트(19)가 이격되어 있는 단부 플레이트(25)가 도시된다. 전지로 드릴 가공된 배기구(30), 배기구(30)를 덮고 배기구(30)에 대한 공통 헤드 스페이스를 형성하도록 구성된 매니폴드(31)가 또한 도시된다. 도시되지는 않지만 공통 헤드 스페이스와 접촉하여 매니폴드(31) 상에 배치되는 체크 밸브(32)가 또한 도시된다. 바이폴라 배터리(29) 에 대한 음 단자 및 양 단자인 두 개의 단자 포스트(33)가 또한 도시된다.
도 5는 분리막(14), 몰딩된 일체화된 프레임(34) 및 네 개의 몰딩된 인서트(35)를 도시한다. 몰딩된 인서트(35)는 횡방향 채널(16)의 일부분을 형성하도록 구성된 몰딩된 인서트 홀(37) 주위에 위치한다. 프레임(34)은 흡수성 유리 매트(36) 주위에 배치된다.
도 6은 단부 플레이트(25) 상에 위치하는 몰딩된 포스트(38) 및 몰딩된 헤드(47)를 도시한다.
도 7 및 8은 배터리 플레이트 및 분리막 플레이트의 스택을 도시한다. 도 7은 배터리 플레이트 및 분리막의 부분 분해된 스택을 도시한다. 볼트 및 너트(19)의 형태로 된 단자 홀(42) 및 포스트(17)를 위한 홀(39)을 갖는 단부 플레이트(25)가 도시된다. 상승된 에지를 갖는 프레임(20)을 갖는 모노폴라 플레이트(43)가 엔드 피스에 인접하다. 모노폴라 플레이트(43)가 횡방향 채널(16)과 포스트(17)를 홀 내에 형성하는 데 사용되는 홀을 둘러싸는 상승된 인서트(41)를 가진다. 주변부 주위에 프레임(34) 및 중앙 부분을 포함하는 흡수성 유리 매트(36)를 갖는 분리막(14)이 모노폴라 플레이트(43) 주위에 위치한다. 횡방향 채널을 형성하기 위해 몰딩된 인서트 홀(37)를 둘러싸는 몰딩된 인서트(35)가 나타난다. 상승된 표면, 횡방향 채널(16)을 형성하도록 상승된 인서트(41)를 갖는 주변부 주위에 프레임(20)을 갖는 바이폴라 플레이트(44)가 분리막(14)에 인접하게 위치한다. 상승된 인서트(41)가 횡방향 채널에 대해 상승된 인서트 홀(40)을 형성한다. 도 8은 배터리 플레이트 및 분리막의 스택을 도시한다. 단부 플레이트(25), 배터리 플레이 기판 프레임(20), 분리막 프레임(34), 포스트(17), 상기 포스트(17) 주위의 너트(19)가 도시된다. 단부플레이트(25) 내 단자 홀(42)이 여기에 위치하는 배터리 단자(33)를 가진다.
도 9는 본 발명의 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다. 단부플레이트(25) 상의 포스트(17) 및 너트(19), 그 내부에 단자(33)가 위치하는 단자 홀(42) 및 매니폴드(31) 및 체크 밸브(32)가 도시되며 배터리의 주변부 주위에 멤브레인(27)이 배치된다.
도 10은 횡방향 채널을 통해 라인 A-A로 취해진 평면을 따르는 단면도를 도시한다. 기판(11) 및 기판(11)의 단부에 프레임(20)을 갖는 캐소드(13)를 갖는 모노폴라 플레이트(43)가 도시된다. 모노폴라 플레이트(43) 상의 캐소드(13)에 인접하여 각각의 단부에 프레임(34)을 갖는 분리막(14)이 위치한다. 애노드(12)를 갖는 바이폴라 플레이트(44)가 분리막(14)에 인접한다. 애노드(12)가 기판(11) 상에 배치되며 기판(11)의 대향하는 표면 상에 캐소드(13)가 위치하고 이 도시에서 단부에 프레임(20)이 위치한다. 이 도시에서, 기재된 바대로 배열된 복수의 바이폴라 플레이트(44)가 존재한다. 바이폴라 플레이트(44) 사이에 분리막(14)이 위치한다. 스택의 대향하는 단부에 기판(11)을 갖는 모노폴라 플레이트(43)가 위치하며, 이 도시에서 단부에 프레임(20)이 도시되고 애노드(12)가 인접한 분리막(14)을 대면한다. 배터리 플레이트 쌍이 분리막(14)이 전지 내에 위치하는 전기화학적 전지를 형성한다. 채널 밀봉부(15) 및 포스트(17)가 배치된 횡방향 채널(16) 및 포스트(17)의 단부에 위치하는 너트(19)가 도시된다.
도 11은 라인 B-B를 따르는 배기구를 보여주는 도 9의 조립체의 스택의 단부의 부분 절단도를 도시한다.
도 12는 도 9의 조립체의 절단도로서 평면 C-C를 따르는 전기화학적 전지로의 배기구(30)를 도시한다. 각각의 전기화학적 전지에 대한 배기구(30)가 도시된다.
도 13은 조립체의 단부 플레이트(25) 내 밸브(50)를 갖는 본 발명의 조립체의 또 다른 실시예를 도시한다. 밸브(50)는 일체화된 채널(46)과 연통한다. 일체화된 채널(46)은 배기구와 연통한다.
도 14는 평면 E-E를 따르는 도 13의 조립체의 절단도를 도시하며, 여기서 일체화된 채널(46)은 전기화학적 전지로의 배기구(45)와 연통한다. 일체화된 채널(46)은 스택의 단부에서 밸브(50)와 연통한다.
도 15는 평면 D-D를 따르는 도 13의 조립체의 절단도를 도시하며, 일체화된 채널(46)이 전기화학적 전지로의 배기구(30)와 연통한다.
도 16은 홀(37)을 갖는 인서트(35) 내에 몰딩되는 것 중 하나에서 벤트(배기구)(51)를 포함하는 도 5 및 7에 도시된 흡수성 유리 매트(36)를 갖는 분리막(14)을 도시한다. 벤트(51)는 홀(37)과 분리막의 흡수성 유리 매트(36) 간에 연통한다. 분리막(14) 주위에 프레임(34)이 또한 나타난다. 도 16의 절단된 부분이 홀(37) 및 벤트(51)를 갖는 인서트(35)의 폐쇄를 보여주면, 여기서 벤트(51)는 홀(37)과 분리막(14)의 흡수성 유리 매트(36) 간에 연통한다.
도 17은 인서트(35)를 갖는 분리막(14)으로부터 절단된 부분의 측방도를 도시하며, 이때 벤트(51)가 홀(37)과 흡수성 유리 매트(36) 사이에 연통한다.
도 18은 이들 사이에 배치되는 분리막(14)의 일부분과 함께 두 개의 배터리 플레이트(10)의 일부분을 보여준다. 배터리 플레이트 및 분리막(35) 내 인서트(47)가 정렬되어 이들 각자의 홀(40 및 37)이 정렬되어 배기/충전 채널(46)의 일부분을 형성할 수 있다. 배터리 플레이트(10)의 기판 플레이트(11), 애노드(12) 및 캐소드(13)가 또한 도시된다.
도 19는 전도성 기판 플레이트(11) 상에 배치되는 애노드(12) 및 캐소드(13)를 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)를 도시한다. 플레이트를 횡단하는 전자의 흐름을 막는 비전도성 기판(57)을 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트가 도시된다. 비전도성 기판(57)의 각각의 표면 상에, 각각 대향하는 면에 집전기(59)를 갖는 전도성 기판(60)이 위치하며, 집전기(59)는 전도성 기판(60) 상에 배치되는 애노드(12)와 캐소드(13) 사이에 배치된다. 양의 전류 전도체(56)가 비전도성 기판(57)과 캐소드(13)로 연결되는 전도성 기판(60) 사이에 배치된다. 음의 전류 전도체(55)가 비전도성 기판(57)과 애노드(12)에 연결된 전도성 기판(60) 사이에 배치된다. 집전기(59)가 전도성 기판(60)과 애노드(12)와 캐소드(13)사이에서 나타난다.
도 20은 바이폴라 배터리 플레이트(44)가 전도성 기판 플레이트(11) 상에 증착된 애노드(12) 및 캐소드(13)를 갖는, 배터리 플레이트(10)의 두 개의 스택을 갖는 을 갖는 바이폴라 배터리(62)를 도시한다. 도 19에서 기재된 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 배터리 플레이트(10)의 두 개의 스택 사이에 배치되는 것이 도시된다. 배터리 플레이트(10)의 스택이 본 명세서에 기재된 바와 같이 배터리 플레이트(44)를 포함한다. 배터리 스택(10)은 병렬로 배열된다. 음의 전류 전도체(55)가 음의 전도성 도관(58)에 의해 연결된다. 애노드 모노폴라 플레이트(43)에 연결되는 음의 전도체(56)가 배터리를 위한 음 단자로서도 기능한다. 양의 전류 전도체(56)가 전도성 도관(63)에 의해 연결된다. 캐소드 모노폴라 플레이트(43)에 연결되는 양의 전도체(56)가 또한 배터리를 위한 양 단자로서도 기능한다. 전도성 도관(63)이 음의 전류 전도체(55)를 연결한다. 이 도면은 또한 배터리 플레이트의 두 개의 스택의 각각의 단자에서의 모노폴라 플레이트(43) 및 배터리의 표면 주위에 배치되는 멤브레인(27)을 도시한다. 음의 전류 전도체(55) 및 양의 전류 전도체(56)가 멤브레인(27)을 통과한다. 이 도시에 나타나지 않지만, 분리막(14)과 연통하는 배기구(30)를 갖는 횡방향 채널(16)이 분리막(14)에 의해 정의되는 전기화학적 전지 내에 위치한다. 음의 전류 전도체(55) 및 양의 전류 전도체(56)가 멤브레인(27)을 통과한다.
도 21은 배터리 플레이트(10)의 세 개의 스택을 갖는 바이폴라 배터리(62)를 도시한다. 배터리 플레이트(10)의 스택 중 두 개는 모노폴라 배터리 플레이트(43)가 있는 각각의 단부에서 종료되는 바이폴라 배터리 플레이트(44)를 포함한다. 두 개의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 배터리 플레이트(10)의 스택 사이에 배치된다. 배터리 플레이트(10)의 스택이 직렬로 배열된다. 각각의 듀얼 폴라 플레이트(61)의 음의 전류 전도체(55)가 전도성 도관(63)에 의해 동일한 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)의 양의 전류 전도체(56)로 연결된다. 애노드(12)를 갖는 모노폴라 배터리 플레이트(43)와 접촉하는 음의 전도체(55)가 또한 배터리를 위한 음 단자로서 기능한다. 캐소드(13)를 갖는 모노폴라 배터리 플레이트(43)와 접촉하는 양의 전도체(56)가 또한 배터리를 위한 양 단자로서 기능한다.
도 22는 병렬로 연결되는 배터리 플레이트(10)의 세 개의 스택을 갖는 바이폴라 배터리(62)를 보여준다. 바이폴라 배터리(62)는 멤브레인(27)에 의해 봉해진다. 대향하는 단부에 위치하는 배터리 플레이트(10)의 두 개의 스택이 모노폴라 배터리 플레이트(43)로 하나의 단부가 종료되는 바이폴라 플레이트(44)의 스택을 포함한다. 배터리 플레이트(10)의 내부 스택은 바이폴라 배터리 플레이트(44)의 스택을 포함한다. 각각의 바이폴라 배터리 플레이트(44)는 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11)의 대향하는 측부 상에 위치하는 애노드(12)와 캐소드(13) 모두를 포함한다. 분리막(14)이 애노드(12)와 캐소드(13) 각각 사이에 위치한다. 하나의 모노폴라 배터리 플레이트(43)가 기판(11) 상에 애노드(12)를 포함하고 다른 모노폴라 배터리 플레이트(43)가 기판(11) 상에 캐소드(13)를 포함한다. 배터리 플레이트(10)의 스택 사이에 두 개의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 배치된다. 하나의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)의 양 측부 모두 상에 캐소드(13)를 포함한다. 또 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)의 양 측부 모두 상에 애노드(12)를 포함한다. 각각의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 두 개의 전도성 기판(60) 사이에 배치되는 비전도성 기판(57)을 포함한다. 두 표면 모두 상에 애노드(12)를 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 음의 전도체(55)를 포함한다. 애노드(12)를 갖는 기판(11)을 갖는 모노폴라 플레이트(43)는 또한 음의 전도체(55)를 포함한다. 음의 전도체(55)는 음의 전도성 도관(58)을 통해 연결된다. 양 표면 모두 상에 캐소드(13)를 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 양의 전도체(56)를 포함한다. 캐소드(13)를 갖는 기판(11)을 갖는 모노폴라 플레이트(43)는 양의 전도체(56)를 더 포함한다. 양의 전도체(56)는 양의 전도성 도관(59)을 통해 연결된다. 모노폴라 플레이트(43)의 양의 전도체(56) 및 음의 전도체(55)가 멤브레인(27)을 통해 돌출되어, 양의 전도체(56)가 양 단자를 형성하고 음의 전도체(55)가 음 단자를 형성할 수 있다.
도 23은 병렬 연결되는 배터리 플레이트(10)의 세 개의 스택을 갖는 바이폴라 배터리(62)를 보여준다. 바이폴라 배터리(62)는 멤브레인(27)에 의해 봉해진다. 대향하는 단부에 위치하는 배터리 플레이트(10)의 두 개의 스택은 하나의 단부에서 모노폴라 배터리 플레이트(43)로 종료되는 바이폴라 플레이트(44)의 스택을 포함한다. 배터리 플레이트(10)의 내부 스택은 바이폴라 배터리 플레이트(44)의 스택을 포함한다. 각각의 바이폴라 배터리 플레이트(44)는 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11)의 대향하는 측부 상에 위치하는 애노드(12)와 캐소드(13) 모두를 포함한다. 분리막(14)이 애노드(12)와 캐소드(13) 각각 사이에 위치한다. 하나의 모노폴라 배터리 플레이트(43)는 기판(11) 상에 애노드(12)를 포함하고 다른 모노폴라 배터리 플레이트(43)는 기판(11) 상에 캐소드(13)를 포함한다. 배터리 플레이트(10)의 스택 사이에 두 개의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 배치된다. 하나의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)의 양 측부 모두 상에 캐소드(13)를 포함한다. 다른 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)의 양 측부 모두 상에 애노드(12)를 포함한다. 각각의 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 전도성 기판(60)을 포함한다. 두 표면 모두 상에 애노드(12)를 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)와 애노드(12)를 갖는 모노폴라 플레이트(43) 각각의 음의 전도체(55)를 포함한다. 음의 전도체(55)는 음의 전도성 도관(58)을 통해 연결된다. 두 표면 모두 상에 캐소드(13)를 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61) 및 캐소드(13)를 갖는 모노폴라 플레이트(43)는 각각 양의 전도체(56)를 포함한다. 양의 전도체(56)는 양의 전도성 도관(59)을 통해 연결된다. 모노폴라 플레이트(43)의 양의 전도체(56) 및 음의 전도체(55)가 멤브레인(27)을 통해 돌출되어, 양의 전도체(56)가 양 단자를 형성하고 음의 전도체(55)가 음 단자를 형성할 수 있다.
도 24는 병렬 연결된 배터리 플레이트(10)의 두 개의 스택을 갖는 바이폴라 배터리(62)를 도시한다. 바이폴라 배터리(62)는 멤브레인(27)에 의해 봉해진다. 배터리 플레이트(10)의 스택 각각은 하나의 단부에서 모노폴라 배터리 플레이트(43)로 종료되는 바이폴라 플레이트(44)의 스택을 포함한다. 각각의 바이폴라 배터리 플레이트(44)는 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11)의 대향하는 측부 상에 위치하는 애노드(12)와 캐소드(13) 모두를 포함한다. 애노드(12)와 캐소드(13) 각각 사이에 분리막(14)이 위치한다. 두 모노폴라 배터리 플레이트(43) 모두 기판(11) 상에 애노드(12)를 포함한다. 배터리 플레이트(10)의 스택 사이에 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 배치된다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)의 양 측부 상에 캐소드(13)를 포함한다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)는 전도성 기판(60)을 포함한다. 애노드(12)를 갖는 기판(11)을 갖는 두 모노폴라 플레이트(43) 모두 음의 전도체(55)를 포함한다. 음의 전도체(55)는 음의 전도성 도관(58)을 통해 연결된다. 음의 전도체(55) 중 하나가 멤브레인(27)으로부터 돌출되어 음 단자를 형성할 수 있다. 양 표면 모두 상에 캐소드(13)를 갖는 듀얼 폴라 배터리 플레이트(61)가 양의 전도체(56)를 포함한다. 양의 전도체(56)는 멤브레인(27)으로부터 도출되어 양 단자를 형성할 수 있다.
예시적 실시예
다음의 예시가 본 발명을 설명하기 위해 제공되지만 본 발명의 범위를 한정하려는 의도는 아니다. 모든 부분과 퍼센티지는 달리 지시하지 않는 한 중량 단위이다.
예시 1:
두 개의 모노폴 플레이트(양극 및 음극) 및 5개의 바이폴라 플레이트를 이용해 12V 바이폴라 배터리가 구축된다. 상기 플레이트는 본 명세서 및 동일 출원인의 특허 출원, 발명의 명칭 "BIPOLAR BATTERY ASSEMBLY", Shaffer II외, 미국 특허 번호 8357469에 개시된 방법을 이용해 제작된다. 플레이트가 음의 활물질 및 양의 활물질을 위한 납-산 활물질을 이용해 페이스팅된다. 본 명세서 및 동일 출원인의 특허 출원, 발명의 명칭 "BIPOLAR BATTERY ASSEMBLY", Shaffer II외, US2014/0349147에 기재된 방법을 이용해 배터리가 조립된다. 상기 배터리는 동일 출원인의 특허 출원, 발명의 명칭 "BIPOLAR BATTERY ASSEMBLY" US2014/0349147에 기재된 바와 같이, 각각의 전지 내 양의 활물질과 음의 활물질 사이에 배치되는 표준 흡수성 유리 매트 분리막 물질을 이용한다. 배터리는 동일 출원인의 특허 출원, 발명의 명칭 "BIPOLAR BATTERY ASSEMBLY" US2014/0349147에 기재된 공정을 이용해 1.305 g/cc 황산으로 채워진다. 배터리는 납 산 배터리를 위한 일반적인 포메이션 공정을 이용해 포밍된다. 포메이션이 종료되면, 배터리는 1.363 g/cc 황산으로 마무리되어 13.25V의 공칭 개방 전지 전압을 도출한다.
예시 2
이차 배터리가 예시 1과 동일한 공정 및 물질을 이용해 구축된다. 이 예시에서 배터리는 두 개의 모노폴라 플레이트(하나의 양극 및 하나의 음극 10개의 바이폴라 플레이트 및 하나의 듀얼 폴라 플레이트를 이용해 구축된다. 스택은 하나의 양극 모노폴라 플레이트, 다섯 개의 바이폴라 플레이트, 하나의 듀얼 폴라 플레이트, 다섯 개의 바이폴라 플레이트 및 하나의 음극 모노폴라 플레이트로 구성된다. 이때 배터리 내 활물질의 총량은 예시 1에서와 동일하다. 이 예시에서의 듀얼 폴라 플레이트는, 구리 탭을 바이폴라 전극의 음극 측부에 부착하고, 구리 탭을 제2 바이폴라 전극의 양극 측부에 부착하고, 두 개의 바이폴라 전극 사이에 위치하는 비전도성 층과 함께 두 개의 바이폴라 전극을 조립하고, 구리 탭이 비전도성 플레이트에 부착된 전극의 측부 상에 있도록 함으로써 조립된다. 탭 영역은 바이폴라 전극을 통과하여 전지의 외부에 연결될 수 있다. 양의 활물질이 듀얼 폴라 플레이트의 제1 바이폴라 전극의 양의 전도성 면 상으로 페이스팅되고 음의 활물질이 듀얼폴라 플레이트의 음의 전도성 면 상으로 페이스팅된다. 따라서 비전도성 플레이트의 존재로 인해 활물질이 서로 전기적으로 절연된다는 점을 제외하고 듀얼 폴라 플레이트는 표준 바이폴라 플레이트와 유사하게 어느 한 측부 상에 배치되는 양의 활물질과 음의 활물질을 모두 가진다. 또한 구리 탭을 바이폴라 배터리 너머까지 연장함으로써 둘 이상의 배터리 스택으로의 전기적 연통이 가능해진다. 예시 1에서와 같이 플레이트가 동일하지만, 이 예시에서 2X개의 플레이트가 존재하기 때문에 플레이트당 절반의 중량을 갖는 활물질 레시피로 페이스팅된다. 예시 1에서와 같이, 흡수성 유리 매트 물질이 각각의 전지 내 양극 활물질 사이에, 유사한 페이스트로 절반의 두께로 배치된다. 그 후 스택이 예시 1과 동일하게 조립된다. 예시 1과 동일한 절차를 이용해 모든 전지가 동시에 산 1.305 g/cc 황산으로 충전된다. 포메이션 공정이 동일하고 배터리는 1.363 g/cc 산으로 포메이션의 종료에서 마무리된다. 포메이션 후 양극 모노폴에 부착된 양 단자가 듀얼 폴라 플레이트의 양극 탭과 연결되고 음극 모노폴에 부착된 음 단자가 듀얼 폴라 플레이트의 음극 탭과 연결된다. 따라서 두 스택 모두에 대해 하나의 공통 밸브 포트를 갖고 두 개의 스택이 단일 배터리 케이스 내에서 병렬로 연결된다.
그 후 예시 1 및 2로부터의 두 개의 배터리가 측정 및 시험된다. 결과가 표 1에 나열된다. 두 배터리 모두 거의 동일한 크기를 가지며, 예시 2가 추가 비전도성 플레이트 및 탭/단자로 인해 약간 더 무겁다. 나타나다시피 20시간 레이트에서 두 배터리 모두 유사한 용량을 가진다. 그러나 예시 2의 배터리에 대한 전력이 거의 세 배 더 높다.
예시 1 예시 2
중량, g 4540 4950
OCV, V 13.23 13.21
20시간 용량, Ah 16.92 16.21
임피던스, mOhm 46 15
냉간 시동 암페어, A 120 360
예시 3은 배터리 국제 협의회(Battery Council International)에 의해 규정된 그룹 31 배터리의 특정된 성능을 획득하기 위한 종래의 바이폴라 배터리 구성을 이용해 모델링된다. 일반적인 그룹 31 배터리가 표 2에 나열된다. 전압 용량 및 냉간 시동 암페어(CCA)에 부합하도록 종래의 바이폴라 배터리 구성은 얇은 활물질 및 분리막과 함께 넓은 표면적 플레이트를 가질 것이다. 이는 그룹 31에 대해 BCI 특정 크기를 벗어나는 배터리를 초래하며 시장 수용을 제한한다.
예시 4는 배터리 국제 협의회에 의해 규정된 그룹 31 배터리의 특정된 성능을 획득하기 위해 본 특허 출원에서 기재된 바와 같은 듀얼 플레이트 바이폴라 배터리 구성을 이용해 모델링된다. 이 배터리의 전지 설계(가령, 페이스트 유형, 두께, agm 유형 두께, 산 유형 등)가 예시 3과 동일하다. 결과는 표 2에 나열된다. 나타나다시피, 본 명세서에 개시된 구조를 이용해 성능과 크기 모두에서 그룹 31 배터리 규격을 만족시키는 바이폴라 배터리를 구축하는 것이 가능하다. 이는 종래의 바이폴라 모노-블록을 이용해서는 달성되지 않는다.
설계 전압
V		 용량
Ah		 CCA
A		 치수, mm
(높이 x 폭 x 길이)		 중량
kg
프리즘 VRLA 12 100 700 240 x 173 x 330 31.5
종래의 바이폴라 12 100 800 460 x 58 x 460 23.2
듀얼 폴라 플레이트를 이용한 바이폴라 12 101 800 240 x 138 x 330 23.5
본 발명의 예시적 실시예가 개시되었다. 해당 분야의 통상의 기술자라면 수정이 본 출원의 설명 내에 속함을 알 것이다. 앞서 언급된 임의의 수치 값은, 임의의 하한값과 임의의 상한값 사이에 적어도 2개의 단위의 간격이 존재한다고 가정할 때 하한과 상한 내에서 임의의 단위로 증분되는 모든 값들을 포함한다. 열거된 최소값과 최대값 사이에 숫자 값의 모든 가능한 조합이 본 출원에서 명시적으로 언급된 것으로 간주된다. 달리 언급되지 않는 한, 모든 범위는 양 종점과 종점 사이의 모든 숫자를 포함한다. 범위와 관련하여 "약" 또는 "대략"의 사용이 범위의 양 종점 모두에 적용된다. 따라서 "약 20 내지 30"은 적어도 특정된 종점과 함께 "약 20 내지 약 30"을 포함한다. 조합을 서술하기 위한 용어 "실질적으로 구성된(consisting essentially of)"은 식별된 요소, 재료, 구성요소 또는 단계, 및 조합의 기본적이고 신규한 특징에 실질적으로 영향을 미치지 않는 이러한 그 밖의 다른 요소, 재료, 구성요소 또는 단계를 포함할 것이다. 본 명세서의 요소, 재료, 구성요소 또는 단계의 조합을 서술하기 위한 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하는(including)"이라는 용어의 사용은 또한 상기 요소, 재료, 구성요소 또는 단계로 실질적으로 구성된 실시예까지 고려한다. 복수의 요소, 재료, 구성요소 또는 단계는 하나의 일체화된 요소, 재료, 구성요소 또는 단계에 의해 제공될 수 있다. 대안으로, 하나의 일체화된 요소, 재료, 구성요소 또는 단계가 복수의 개별 요소, 개료, 구성요소 또는 단계로 분할될 수 있다. 요소, 재료, 구성요소 또는 단계를 기술하기 위한 "관사(a)" 또는 "하나의(one)"의 개시가 추가 요소, 재료, 구성요소 또는 단계를 배제하려는 의도가 아니다.

Claims (20)

  1. 바이폴라 배터리로서,
    a) 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 - 상기 스택은
    (i) 하나의 표면 상에 애노드를 갖고 대향하는 표면 상에 캐소드를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트,
    (ii) 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택의 대향하는 단부에 배치된 두 개의 모노폴라 플레이트 - 각각의 모노폴라 플레이트는 하나의 표면 상에 증착되는 캐소드 또는 애노드를 가짐 - 을 포함하고,
    각각의 배터리 플레이트의 한 면이 타 배터리 플레이트의 한 면을 대면하며, 이들 사이에 공간을 형성하도록 배터리 플레이트가 배열됨 - ,
    b) 캐소드와 애노드 사이 공간 내에 배치되어 복수의 전기화학적 전지를 형성하는 액체 전해질,
    c) 복수의 분리막 - 각각의 개별 분리막은 개별 전기화학적 전지의 애노드와 캐소드 사이에 위치함 - ,
    d) 상기 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 중 두 개의 스택 사이에 배치되는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트 - 상기 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는
    (i) 하나의 표면 상에 위치하는 제1 애노드 또는 제1 캐소드,
    (ii) 대향하는 표면 상에 위치하는 제2 애노드 또는 제2 캐소드,
    (ii) 제1 애노드 또는 제1 캐소드와 제2 애노드 또는 제2 캐소드 사이에 위치하는 하나 이상의 전류 전도체를 포함하고,
    상기 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 애노드를 갖는 하나의 표면이 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트 또는 캐소드가 증착된 표면을 갖는 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면과 대면하거나, 제1 캐소드를 갖는 표면이 제1 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트 또는 애노드들 중 한 애노드가 증착된 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 대면하도록, 배열되며,
    상기 듀얼 폴라 배터리 플레이트는, 제2 애노드를 갖는 대향하는 표면이 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트, 또는 캐소드를 중 하나의 캐소드가 증착된 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면을 대면하거나, 제2 캐소드를 갖는 대향하는 표면이 제2 배터리 스택 내 배터리 플레이트들 중 하나의 배터리 플레이트 또는 캐소드가 증착된 표면을 갖는 타 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 표면과 대면하도록, 배열됨 - , 및
    e) 하나 이상의 전류 전도체를 하나 이상의 배터리 단자로 직접 또는 간접적으로 연결하는 하나 이상의 전류 도관
    을 포함하는, 바이폴라 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 제1 애노드와 제2 애노드 모두, 또는 제1 캐소드와 제2 캐소드 모두를 포함하는, 바이폴라 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 및 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 전기적으로 병렬 연결되는, 바이폴라 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 바이폴라 플레이트 각각은 하나의 표면 상에 애노드가 있고 대향하는 표면 상에 캐소드가 있는 기판을 포함하며,
    상기 기판이 하나의 표면에서 대향하는 표면으로 전류를 전도하도록 상기 기판은 전도성인, 바이폴라 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 두 개의 모노폴라 플레이트 각각은 기판, 및
    두 개의 모노폴라 플레이트 각각의 캐소드 또는 애노드와 접촉하는 집전기를 포함하는, 바이폴라 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는
    제1 애노드 또는 제1 캐소드를 그 상에 갖는 제1 전도성 기판,
    제2 애노드 또는 제2 캐소드를 그 상에 갖는 제2 전도성 기판, 및
    제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 사이에 배치되는 비-전도성 기판을 포함하는, 바이폴라 배터리.
  7. 제6항에 있어서, 하나 이상의 전류 전도체는 제1 전류 전도체 및 제2 전류 전도체를 포함하며,
    제1 전도성 기판은 제1 애노드 또는 제1 캐소드와 대향하는 표면의 일부분과 접촉하는 제1 전류 전도체를 포함하고,
    제2 전도성 기판은 제2 애노드와 대향하는 표면의 일부분과 접촉하는 제2 전류 전도체를 포함하는, 바이폴라 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 제1 전류 전도체 및 제2 전류 전도체는 하나 이상의 전류 도관 중 하나를 통해 동일한 배터리 단자로 연결되는, 바이폴라 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 하나의 표면 상에 제1 애노드 또는 제1 캐소드를 갖고 대향하는 표면 상에 제2 애노드 또는 제2 캐소드를 갖는 전도성 기판을 포함하는, 바이폴라 배터리.
  10. 제9항에 있어서, 하나 이상의 전류 전도체는 전도성 기판에 연결되고 제1 애노드와 제2 애노드 또는 제1 캐소드와 제2 캐소드와 전기 연통하는 단일 전류 전도체를 포함하는, 바이폴라 배터리.
  11. 제1항에 있어서, 복수의 분리막의 각각의 개별 분리막은 시트의 주변부에 부착된 일체화된 프레임을 갖는 시트를 포함하고,
    일체화된 프레임은 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 주변부에 인접하게 배치되도록 구성된, 바이폴라 배터리.
  12. 제11항에 있어서, 배터리 플레이트 및 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트 각각은 분리막의 일체화된 프레임에 인접하게 배치되도록 구성된 주변부 주위에 상승된 에지를 갖는 하나 이상의 기판을 포함하는, 바이폴라 배터리.
  13. 제12항에 있어서, 일체화된 프레임 및 상승된 에지는 전기화학적 전지와 바이폴라 배터리의 외부 표면 사이에 밀봉부를 형성하는, 바이폴라 배터리.
  14. 제4항에 있어서, 각각의 바이폴라 플레이트의 기판은 폴리머 기판을 관통하며 폴리머 기판의 양 표면 모두와 연통하는 하나 이상의 개구부를 갖는 폴리머 기판이고,
    하나 이상의 개구부는 매끄러운 표면을 가지며 폴리머 기판의 열적 열화 온도 미만인 온도에서 상 변태를 일으키는 전도성 물질로 충전되는, 바이폴라 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 폴리머를 포함하는 멤브레인은 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트의 주변부 주위를 포함햄 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택의 전체 주변부 주위에 배치되어, 배터리 플레이트의 에지 주위에, 액체 전해질이 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택의 외부로 흐르지 못하게 막는 밀봉부를 형성하는, 바이폴라 배터리.
  16. 제1항에 있어서, 하나 이상의 바이폴라 플레이트, 두 개의 모노폴라 플레이트, 복수의 분리막, 및 하나 이상의 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 하나 이상의 개구부를 포함하고,
    하나 이상의 개구부는 일체화된 채널을 형성하도록 정렬되고,
    일체화된 채널은 배터리 플레이트 및 분리막의 평면을 가로지르는, 바이폴라 배터리.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 개구부는 내부에 위치하는 인서트를 포함하며,
    인서트는 배터리 플레이트의 둘 이상의 스택 내에 일체화된 채널을 형성하도록 짝결합되도록 구성되며,
    일체화된 채널은 액체 전해질을 관통하는, 바이폴라 배터리.
  18. 제17항에 있어서, 인서트는 일체화된 채널과 전기화학적 전지 사이에 연통하는 배기구를 포함하는, 바이폴라 배터리.
  19. 제17항에 있어서, 인서트는 배터리 플레이트에 본딩 또는 배터리 플레이트와 일체 구성됨으로써 분리막과 배터리 플레이트 사이 접합부에서 밀봉부를 형성하는, 바이폴라 배터리.
  20. 제15항에 있어서, 하나 이상의 배터리 단자는 하나 이상의 전류 전도체가 멤브레인에 의해 덮이는 동안 멤브레인을 통해 돌출되는 양 단자 및 음 단자를 포함하는, 바이폴라 배터리.
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