KR102646957B1

KR102646957B1 - 전기화학 유닛 셀을 제조하기 위한 고-처리량 제조 공정 및 이를 사용하여 제조된 전기화학 유닛 셀

Info

Publication number: KR102646957B1
Application number: KR1020187032247A
Authority: KR
Inventors: 커티스 워링턴; 토마스 에이치. 매든; 스리바트사바 푸라남
Original assignee: 록히드 마틴 에너지, 엘엘씨
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2024-03-14
Also published as: US10381674B2; SA518400188B1; CA3020092C; US11165085B2; US20190319292A1; CN109075359A; CN109075359B; JP6734932B2; CA3020092A1; EP3443609A4; EP3443609A1; JP2019511822A; AU2016401681A1; WO2017176294A1; AU2016401681B2; KR20180133467A; US20170294672A1; MX2018012226A; EP3443609B1

Abstract

유동 배터리는 복수의 전기화학 유닛 셀들을 셀 스택에서 서로 함께 결합함으로써 구성될 수 있다. 전기화학 유닛 셀을 제조하기 위한 고-처리량 공정은 소프트 제품 조립체 및 하드 제품 조립체를 형성하기 위해 롤상 원료로부터 물질을 제공하는 단계, 상기 물질을 생산 라인에 공급하는 단계, 및 분리막의 양면에 배치된 이극판을 갖는 전기화학 유닛 셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 전기화학 유닛 셀은 이극판이 셀 스택에서 인접한 전기화학 유닛 셀들 사이에 공유되도록 하거나, 인접한 전기화학 유닛 셀들 사이의 이극판이 셀 스택에서 서로 함께 인접되도록 하는 구성을 가질 수 있다.

Description

전기화학 유닛 셀을 제조하기 위한 고-처리량 제조 공정 및 이를 사용하여 제조된 전기화학 유닛 셀

관련 출원의 상호 참조

적용 가능하지 않음.

연방 지원 연구 또는 개발에 관한 소명

적용 가능하지 않음.

기술분야

본 발명은 일반적으로 전기화학 유닛 셀(electrochemical unit cell)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 유동 배터리(flow battery) 및 다른 전기화학 시스템에 사용하기 위한 전기화학 유닛 셀의 고-처리량(high-throughput) 제조 공정에 관한 것이다.

배터리, 수퍼커패시터 등과 같은 전기화학적 에너지 저장 시스템이 대규모 에너지 저장 적용을 위해 광범위하게 제안되어 왔다. 유동 배터리를 포함하는 다양한 배터리 설계들이 이러한 목적을 위해 고려되었다. 다른 유형의 전기화학적 에너지 저장 시스템에 비해, 전력 밀도 및 에너지 밀도의 파라미터를 서로 분리하는 능력으로 인해, 특히 대규모 적용을 위해서는 유동 배터리(flow battery)가 유리할 수 있다.

유동 배터리는 일반적으로 상응하는 전해액 중에 음극 활물질과 양극 활물질을 포함하며, 이들은 음극(negative electrode)과 양극(positive electrode)을 함유하는 전기화학 셀 내의 멤브레인(membrane) 또는 분리막(separator)의 양면을 가로질러 개별적으로 유동한다. 유동 배터리는 2개의 반쪽-셀(half-cell) 내부에서 발생하는 활물질들의 전기화학적 반응을 통해 충전되거나 방전된다. 본원에서 사용된 용어 "활물질(active material)", "전기활물질(electroactive material)", "산화환원 활물질(redox-active material)" 또는 이들의 변이체는, 동의어로, 유동 배터리 또는 유사한 전기화학적 에너지 저장 시스템의 작동 과정에서(즉, 충전 또는 방전 과정에서) 산화 상태에서 변화되는 물질을 지칭할 것이다. 완전(full) 전기화학 셀은 분리막 물질에 의해 분리되는 2개의 반쪽-셀(즉, 양의 반쪽-셀 및 음의 반쪽-셀)을 함유한다.

유동 배터리에 의해 저장 및 방출될 수 있는 에너지의 양을 증가시키기 위해, 복수의 개별 전기화학 셀들이 서로 전기 접속하도록 배치될 수 있다. 개별적인 전기화학 셀들을 서로 전기 접속하도록 배치하면, 전형적으로 개별 전기화학 셀을 인접한 전기화학 셀들 사이에 전기 접속을 확립하는 이극판(bipolar plate)과 함께 "셀 스택(cell stack)" 또는 "전기화학 스택(electrochemical stack)"에 위치시킴을 포함한다.

개별 전기화학 셀의 설계 및 제조는 전형적으로 다양한 "하드 제품" 및 "소프트 제품"을 서로 함께 결합하는 것을 포함한다. 소프트 제품은 분리막 물질, 전극, 및 전기화학 셀 내의 목적하는 영역에 전해액을 함유하도록 사용되는 밀봉부(seal)를 포함한다. 하드 제품은 이극판, 및 소프트 제품을 함유하도록 사용되는 임의의 프레이밍(framing) 물질을 포함할 수 있다. 전기화학 셀의 통상적인 제조 공정은 종종 개별 셀에 대한 하드 제품을 성형하고/하거나 기계 가공한 다음, 소프트 제품을 수동으로 또는 반자동 픽-앤-플레이스(pick-and-place) 공정으로 위치시킴으로써 셀 조립체를 완성한다. 전기화학 셀을 조립하는 이러한 수동 및 반자동 회분식 공정은 주로 높은 처리량을 생산할 수 없는 속도-제한 제조 단계를 나타낸다. 매우 많은 수의 개별 전기화학 셀들의 구성이 필요하면, 심지어 하드 제품의 성형 및 기계 가공 공정도 문제가 될 수 있다. 또한, 전술한 유형의 배치 제조 공정은 작업자 실수로 인해 결함이 있는 셀이 생산되는데 매우 민감할 수 있다. 따라서, 전기화학 셀 및 셀 스택을 제조하기 위한 제조 공정은 힘들고 시간 소모적이며 고가이다.

상기한 바를 고려하여, 고-처리량 제조 공정과 양립할 수 있는 전기화학 셀 설계가 당업계에서 매우 바람직할 것이다. 본 발명은 상기한 필요성을 충족시키고 관련된 장점 또한 제공한다.

일부 양태에서, 본 발명의 전기화학 유닛 셀은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 분리막으로서, 제1 전극 및 제2 전극은 제1 및 제2 전극과 접촉하지 않는 제1 및 제2 주변(perimeter) 영역이 분리막의 양면에 존재하도록 치수화되고 배치되는, 분리막; 제1 전극과 접촉하는 제1 이극판; 제2 전극과 접촉하는 제2 이극판; 제1 주변 영역 중의 분리막 상에 배치된 제1 압축성 밀봉부; 제2 주변 영역 중의 분리막 상에 배치된 제2 압축성 밀봉부; 제1 압축성 밀봉부 및 제2 압축성 밀봉부의 외부 주변(outer perimeter) 주위에 한정된 제1 프레임 층 및 제2 프레임 층; 제1 압축성 밀봉부 및 제1 프레임 층과 접촉하는 제3 프레임 층; 제2 압축성 밀봉부 및 제2 프레임 층과 접촉하는 제4 프레임 층; 제3 프레임 층에 인접한 제5 프레임 층; 및 제4 프레임 층에 인접한 제6 프레임 층; 제5 프레임 층에 인접한 제7 프레임 층으로서, 제1 이극판은 제7 프레임 층에 부착되고 내부의 윈도우를 폐쇄하는, 제7 프레임 층; 및 제6 프레임 층에 인접한 제8 프레임 층으로서, 제2 이극판은 제8 프레임 층에 부착되고 내부의 윈도우를 폐쇄하는, 제8 프레임 층을 포함하며, 상기 프레임 층은 각각 비전도성 물질을 함유한다.

다른 다양한 양태에서, 본 발명의 전기화학 유닛 셀은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 분리막으로서, 제1 전극 및 제2 전극은 제1 및 제2 전극과 접촉하지 않는 제1 및 제2 주변 영역이 분리막의 양면에 존재하도록 치수화되고 배치되는, 분리막; 제1 전극과 접촉하는 제1 이극판; 제2 전극과 접촉하는 제2 이극판; 제1 주변 영역 중의 분리막에 적층된 제1 프레임 층; 제2 주변 영역 중의 분리막에 적층된 제2 프레임 층; 제1 프레임 층에 인접하는 제3 프레임 층; 제2 프레임 층에 인접하는 제4 프레임 층; 제3 프레임 층에 인접한 제5 프레임 층; 제4 프레임 층에 인접한 제6 프레임 층; 제5 프레임 층에 인접한 제7 프레임 층으로서, 제1 이극판은 제7 프레임 층에 부착되고 내부의 윈도우를 폐쇄하는, 제7 프레임 층; 및 제6 프레임 층에 인접한 제8 프레임 층으로서, 제2 이극판은 제8 프레임 층에 부착되고 내부의 윈도우를 폐쇄하는, 제8 프레임 층을 포함하며, 상기 프레임 층은 각각 비전도성 물질을 함유한다.

전기화학 스택은 서로 함께 인접된 복수의 전기화학 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀은 공통 이극판 및 공통 이극판에 부착된 공통 프레임 층을 공유한다. 일부 양태에서, 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀은 제2 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판과 함께 인접된 제1 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판을 갖는다.

또 다른 다양한 양태에서, 전기화학 셀을 제조하는 방법은 다음을 포함할 수 있다: 분리막 물질, 캐소드 물질 및 애노드 물질의 롤을 생산 라인으로 공급하는 단계; 캐소드 물질 및 애노드 물질을 생산 라인의 제1 위치에서 분리막 물질의 양면에 부착시켜 소프트 제품 조립체를 형성하는 단계; 제1 절연재(insulator material) 및 제2 절연재를 생산 라인에 공급하는 단계; 생산 라인에서 제1 절연재 및 제2 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 생산 라인에서 소프트 제품 조립체의 양면에 제1 절연재를 포함하는 제1 및 제2 프레임 층을 부착시키고, 생산 라인에서 제1 프레임 층 상에 제3 프레임 층을 부착시키고 제2 프레임 층 상에 제4 프레임 층을 부착시키는 단계로서, 제3 프레임 층 및 제4 프레임 층이 제2 절연재를 포함하는, 단계; 생산 라인에 제3 절연재의 롤을 공급하는 단계; 생산 라인에서 제3 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 생산 라인에서 제3 프레임 층 상에 제5 프레임 층을 부착시키고 제4 프레임 층 상에 제6 프레임 층을 부착시키는 단계로서, 제5 프레임 층 및 제6 프레임 층이 제3 절연재를 포함하는, 단계; 생산 라인에 제4 절연재 및 이극판 물질의 롤을 공급하는 단계; 및 생산 라인에서 제4 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 제4 절연재 내의 윈도우가 이극판 물질에 의해 폐쇄되도록 생산 라인에서 제4 절연재에 이극판 물질을 부착시키고, 생산 라인에서 제5 프레임 층에 제7 프레임 층을 부착시키고 제6 프레임 층에 제8 프레임 층을 부착시켜 전기화학 유닛 셀을 형성하는 단계로서, 제7 프레임 층 및 제8 프레임 층이 제4 절연재를 포함하는, 단계, 여기서, 상기 제1 절연재, 제2 절연재 및 제3 절연재 내의 윈도우는 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 프레임 층으로 배치될 때 서로 중첩되고, 이극판 물질은 소프트 제품 조립체의 양면 상의 캐소드 물질 및 애노드 물질과 접촉한다.

또 다른 양태에서, 본 발명의 방법은 다음을 포함할 수 있다: 생산 라인에 제1 절연재의 롤을 공급하는 단계; 생산 라인에서 제1 절연재 내의 윈도우를 한정하는 단계; 이극판 물질의 롤을 생산 라인에 공급하는 단계; 제1 절연재 내의 윈도우가 이극판 물질에 의해 폐쇄되도록 이극판 물질을 생산 라인 중의 제1 절연재에 부착시키는 단계; 생산 라인에 제2 절연재의 롤을 공급하는 단계; 생산 라인에서 제2 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 제2 절연재를 제1 절연재의 양면 상에 부착시키는 단계; 생산 라인에 제3 절연재의 롤을 공급하는 단계; 생산 라인에서 제3 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 제3 절연재를 제1 절연재의 양면 상의 제2 절연재에 부착시키는 단계; 생산 라인에 제4 절연재의 롤을 공급하는 단계; 및 생산 라인에서 제4 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 제4 절연재를 제1 절연재의 양면 상의 제3 절연재에 부착시키는 단계.

전술한 내용은 하기 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징을 다소 광범위하게 설명하였다. 본 발명의 추가의 특징 및 이점이 이하 기재된다. 이들 및 다른 이점 및 특징은 하기 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

본 발명 및 이의 이점을 보다 완전하기 이해하기 위해, 본 발명의 특정 양태를 기재하는 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 참조한다.
도 1은 단일 전기화학 유닛 셀을 포함하는 예시적인 유동 배터리의 개략도를 도시한다.
도 2는 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는 예시적인 전기화학 유닛 셀 구성의 전개도를 도시한다.
도 3a는 도 2의 전기화학 유닛 셀의 캐소드 측면의 상세도를 도시한다.
도 3b는 도 2의 전기화학 유닛 셀의 애노드 측면의 상세도를 도시한다.
도 4는 서로 함께 완전히 인접된 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 2의 전기화학 유닛 셀의 단면도를 도시한다.
도 5는 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는 또 다른 예시적인 전기화학 유닛 셀 구성의 전개도를 도시한다.
도 6은 서로 함께 완전히 인접된 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 5의 전기화학 유닛 셀의 단면도를 도시한다.
도 7은 인접한 전기화학 셀로부터의 이극판이 서로 인접된 예시적인 전기화학 스택의 개략도이다.
도 8은 인접한 전기화학 셀이 공통 이극판을 공유하는 예시적인 전기화학 스택의 개략도이다.
도 9는 전기화학 유닛 셀의 소프트 제품을 연속적인 방식으로 결합할 수 있는 예시적인 생산 라인의 개략도를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 도 9의 생산 라인에 의해 제조된 소프트 제품 조립체의 예시적인 상면도 및 측면도를 도시한다.
도 10c는 명료화를 위해 생략되는 후면층(backing layer)을 갖는 도 10b의 간략화도를 도시한다.
도 11은 전기화학 유닛 셀의 하드 제품을 연속적인 방식으로 결합할 수 있는 예시적인 생산 라인의 개략도를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 도 11의 생산 라인에 의해 제조된 하드 제품 조립체의 예시적인 상면도 및 측면도를 도시한다.
도 12c는 명료화를 위해 감압성 접착제 층이 생략된 도 12b의 구성의 간략화도를 도시한다.
도 13은 도 10a 내지 도 10c의 소프트 제품 조립체 및 도 13a 내지 도 13c의 하드 제품 조립체가 교호 방식으로 적층된 예시적인 3-셀 전기화학 스택의 개략도를 도시한다.
도 14는 전기화학 유닛 셀을 연속적인 방식으로 생성할 수 있는 예시적인 생산 라인의 개략도를 도시한다.

본 발명은, 부분적으로는, 고-처리량 제조 공정에 적합한 전기화학 유닛 셀 및 전기화학 셀 스택에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 부분적으로는, 물질이 롤상 원료(rolled source)로부터 생산 라인에 공급되는 전기화학 유닛 셀 및 전기화학 셀 스택의 제조 공정에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 부분적으로는, 전기화학 유닛 셀 및 전기화학 셀 스택을 제조하기 위한 생산 라인 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 모두가 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면 및 실시예와 관련하여 취해진 다음의 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다. 본 발명은 특정 제품에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 본원에 기재되고/되거나 도시된 특정 생성물, 방법, 조건 또는 파라미터에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어는 특정 양태를 단지 예로써 기술하기 위한 것이고, 달리 특정되지 않는 한 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 유사하게, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 조성물에 관한 본원의 임의의 설명은 조성물을 함유하는 용액 및 전해질을 포함하는 조성물의 고체 및 액체 버전 둘 다, 및 전기화학 셀, 유동 배터리, 및 이러한 용액 및 전해질을 함유하는 다른 에너지 저장 시스템을 지칭하고자 한다. 또한, 본원의 개시내용이 전기화학 셀, 유동 배터리 또는 다른 에너지 저장 시스템을 기재하는 경우, 전기화학 셀, 유동 배터리 또는 다른 에너지 저장 시스템을 작동시키기 위한 방법들 또한 암시적으로 기재된다는 것이 인식되어야 한다.

또한, 본 발명의 특정한 특징은 명료화를 위해 별도의 양태의 맥락에서 본원에 기재될 수 있지만, 단일 양태에서 서로 조합하여 제공될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 명백하게 호환 불가능하거나 또는 구체적으로 배제되지 않는 한, 각각의 개별 양태는 임의의 다른 양태(들)와 결합가능한 것으로 간주되고, 상기 조합은 다른 별개의 양태를 나타내는 것으로 간주된다. 역으로, 간결함을 위해 단일 양태의 맥락에서 기재된 본 발명의 다양한 특징들이 또한 개별적으로 또는 임의의 하위조합으로 제공될 수 있다. 마지막으로, 특정 양태가 일련의 단계의 일부 또는 더 일반적인 구조의 일부로서 기재될 수 있고, 각 단계 또는 하위-구조는 또한 그 자체로 독립적인 양태로서 간주될 수 있다.

달리 언급되지 않는 한, 리스트 내의 각각의 개별 요소 및 해당 리스트 내의 개별 요소의 모든 조합은 별개의 양태로서 해석되어야 하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, "A, B 또는 C"로 제시된 양태의 리스트는 양태 "A", "B", "C", "A 또는 B", "A 또는 C", "B 또는 C" 또는 "A, B 또는 C"를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에서, 관사 "a", "an" 및 "the"의 단수 형태는 또한 상응하는 복수의 지시대상을 포함하고, 특정 수치 값에 대한 참조는 문맥상 명백히 다르게 지시되지 않는 한 적어도 그 특정 값을 포함한다. 따라서, 예를 들면 "물질"에 대한 참조는 이러한 물질 및 이의 등가물 중 적어도 하나에 대한 참조이다.

일반적으로, 용어 "약"의 사용은 개시된 주제에 의해 수득될 수 있는 목적하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사값을 나타내고, 기능성에 기초하는 문맥 의존 방식으로 해석되어야 한다. 따라서, 당업자는 상황에 따라 분산 정도를 해석할 수 있을 것이다. 일부 경우에, 특정 값을 표현할 때 사용되는 유효 숫자의 수는 용어 "약"에 의해 허용되는 분산을 결정하는 대표적인 기술일 수 있다. 다른 경우에, 일련의 값의 계조를 사용하여 용어 "약"에 의해 허용되는 분산의 범위를 결정할 수 있다. 또한, 본 발명에서 모든 범위는 포괄적이며 조합가능하고, 범위 내에 기재된 값의 참조는 그 범위 내의 모든 값을 포함한다.

전술된 바와 같이, 고효율 값을 유지하면서 대규모로 작동가능한 에너지 저장 시스템이 매우 바람직할 수 있다. 이와 관련하여 유동 배터리가 상당히 관심을 끌고 있지만, 실제로 상업적으로 실현 가능한 유동 배터리 기술은 아직 개발되지 않았다. 유동 배터리, 특히 유동 배터리의 개별 전기화학 유닛 셀 및 이러한 전기화학 유닛 셀의 전기화학 스택의 고-처리량 제조 공정의 일반적인 부족은 이들의 성공적인 상업적 개발을 방해하는 하나의 문제이다. 예시적인 유동 배터리, 이의 용도 및 작동 특성의 예시적 설명은 이하에 제공된다.

본 발명자들은 고-처리량 제조 기술과 용이하게 적합한 전기화학 유닛 셀에 대한 다양한 설계들을 개발하였다. 본 발명의 개별 전기화학 유닛 셀은 또한 유동 배터리에 의해 저장 및 방출되는 에너지의 양을 증가시키기 위해 전기화학 스택에서 서로 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명자들은 롤상 원료로부터 생산 라인으로 공급된 물질로 완전히 또는 실질적으로 제조하여 개별 전기화학 유닛 셀의 대량 생산을 가능하게 하는 전기화학 셀 설계를 개발했다. 전기화학 유닛 셀 설계 및 이들의 제조를 위한 제조 공정을 추가로 논의하기 전에, 유동 배터리 및 이들의 다양한 구성요소들의 간략한 개요가 먼저 제공될 것이다.

도 1은 단일 전기화학 유닛 셀을 포함하는 예시적인 유동 배터리의 개략도를 도시한다. 활물질 및 다른 구성요소가 단일 조립체에 수용된 전형적인 배터리 기술(예를 들면 Li-이온, Ni-금속 수소화물, 납-산 등)과는 달리, 유동 배터리는 전기화학 스택을 통해 저장 탱크로부터 산화환원 활성 에너지 저장 물질을 (예를 들면 펌핑을 통해) 전달한다. 이러한 설계 특징은 에너지 저장 용량으로부터 전기 에너지 저장 시스템 전력을 분리하고, 이에 의해 상당한 설계 유연성 및 비용 최적화를 가능하게 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유동 배터리 시스템(1)은 전기화학 셀의 2개 전극(10 및 10')을 분리하는 분리막(20)(예를 들면 멤브레인)을 특징으로 하는 전기화학 셀을 포함한다. 전극(10 및 10')은 금속, 탄소, 흑연 등과 같은 적절한 전도성 물질로 형성된다. 탱크(50)는 산화 상태와 환원 상태 사이에서 순환될 수 있는 제1 활물질(30)을 포함한다.

펌프(60)는 탱크(50)로부터 전기화학 셀로의 제1 활물질(30)의 전달에 영향을 미친다. 또한, 유동 배터리는 제2 활물질(40)을 포함하는 제2 탱크(50')를 적절하게 포함한다. 제2 활물질(40)는 활물질(30)과 동일한 물질일 수 있거나, 이는 상이할 수 있다. 제2 펌프(60')는 전기화학 셀로의 제2 활물질(40)의 전달에 영향을 미칠 수 있다. 펌프를 또한 사용하여 전기화학 셀로부터 탱크(50 및 50')(도 1에 도시되지 않음)로의 활물질의 역 전달에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 사이펀(siphon)과 같은 유체 전달에 영향을 미치는 다른 방법은 또한 제1 및 제2 활물질(30 및 40)을 전기화학 셀 내부 및 외부로 적절하게 전달할 수 있다. 전기화학 셀의 회로를 완성하고, 사용자가 이의 작동 동안 전기를 수집하거나 저장하도록 하는 전력원 또는 부하(70)가 도 1에 도시되어 있다.

도 1은 유동 배터리의 특정한 비제한적인 구성을 도시한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 취지에 부합하는 유동 배터리 및 전기화학 셀은 도 1의 구성과 관련하여 여러 측면에서 상이하다. 일례로서, 유동 배터리 시스템은 고체 및/또는 기체 및/또는 액체 용해된 기체인 하나 이상의 활물질을 포함할 수 있다. 활물질은 탱크 내에 또는 대기에 개방된 용기에 저장되거나, 대기로 간단히 배기될 수 있다.

본원에서 사용된 용어 "분리막" 및 "멤브레인"은 전기화학 셀의 양극 및 음극 사이(즉, 음의 반쪽-셀과 양의 반쪽-셀 사이)에 배치된 이온 전도성이고 전기 절연성인 물질을 지칭할 것이다. 분리막은 일부 양태에서는 다공성 멤브레인일 수 있고/있거나 다른 다양한 양태에서는 이오노머 멤브레인일 수 있다. 일부 양태에서, 분리막은 이온 전도성 중합체로부터 형성될 수 있다.

중합체 멤브레인은 음이온-전도성 또는 양이온-전도성 전해질일 수 있다. "이오노머"로서 기재된 경우, 상기 용어는 전기적 중성 반복 단위 및 이온화 반복 단위를 모두 함유하는 중합체 멤브레인을 의미하며, 여기서 이온화 반복 단위는 펜던트(pendant)이고, 중합체 골격에 공유 결합된다. 일반적으로, 이온화 반복 단위의 분획은 약 1mol% 내지 약 90mol%의 범위일 수 있다. 이오노머의 이온화 반복 단위는 설포네이트, 카복실레이트 등과 같은 음이온성 작용성 그룹을 포함할 수 있다. 이러한 작용성 그룹은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 같은 1가, 2가 또는 고가 양이온에 의해 전하 균형될 수 있다. 이오노머는 부착되거나 매립된 4급 암모늄, 설포늄, 포스파제늄 및 구아니디늄 잔기 또는 염을 함유하는 중합체 조성물을 또한 포함할 수 있다. 적합한 예는 당업자에게 친숙할 것이다.

일부 양태에서, 분리막으로서 유용한 중합체는 고도로 플루오르화된 또는 퍼플루오르화된 중합체 골격을 포함할 수 있다. 본 발명에 유용한 특정 중합체는 DuPont으로부터 NAFION™ 퍼플루오르화 중합체 전해질로서 시판되는 하나 이상의 플루오르화된 산-작용성 공단량체와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체를 포함한다. 다른 유용한 퍼플루오르화 중합체는 테트라플루오로에틸렌의 공중합체 및 FSO₂-CF₂CF₂CF₂CF₂-O-CF=CF₂, FLEMION™ 및 SELEMION™을 포함할 수 있다.

또한, 설폰산 그룹(또는 양이온 교환된 설포네이트 그룹)으로 변형된 실질적으로 비플루오르화된 멤브레인이 사용될 수도 있다. 이러한 멤브레인은, 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리페닐렌, 비페닐렌 설폰(BPSH), 또는 폴리에테르케톤 및 폴리에테르설폰과 같은 열가소성 물질과 같은 실질적으로 방향족 골격을 갖는 것들을 포함할 수 있다.

배터리-분리막 스타일의 다공성 멤브레인 또한 분리막으로서 사용될 수 있다. 이들은 고유의 이온 전도 능력을 포함하지 않기 때문에, 통상 이러한 멤브레인은 기능하기 위해 첨가제로 함침된다. 이러한 멤브레인은 전형적으로 중합체 및 무기 충전제의 혼합물, 및 개방 다공도를 함유한다. 적합한 중합체는, 예를 들면, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 포함할 수 있다. 적합한 무기 충전제는 탄화규소 매트릭스 물질, 이산화티탄, 이산화규소, 인화아연 및 세리아를 포함할 수 있다.

분리막은 또한 폴리에스테르, 폴리에테르케톤, 폴리(비닐 클로라이드), 비닐 중합체 및 치환된 비닐 중합체로 형성될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 임의의 이전에 기재된 중합체와 조합하여 사용될 수 있다.

다공성 분리막은 전해질로 충전된 개방 채널을 통해 두 전극 사이의 전하 전달을 가능하게 하는 비전도성 멤브레인이다. 다공성 분리막의 기공 크기 분포는 2개의 전해액 사이의 활물질의 크로스오버(crossover)를 실질적으로 방지하기에 충분할 수 있다. 적합한 다공성 멤브레인은 약 0.001nm 내지 20㎛, 보다 전형적으로 약 0.001nm 내지 100nm의 평균 기공 크기 분포를 가질 수 있다. 다공성 멤브레인의 기공의 크기 분포는 광범위할 수 있다. 즉, 다공성 멤브레인은 매우 작은 직경(약 1nm 미만)을 갖는 제1 복수의 기공 및 매우 큰 직경(약 10㎛ 초과)을 갖는 제2 복수의 기공을 함유할 수 있다. 보다 큰 기공 크기는 더 많은 양의 활물질 크로스오버를 초래할 수 있다. 다공성 멤브레인이 활물질의 크로스오버를 실질적으로 방지하는 능력은 평균 기공 크기 및 활물질 사이의 크기의 상대적 차이에 의존할 수 있다. 예를 들면, 활물질이 배위 착물 내의 금속 중심일 때, 배위 착물의 평균 직경은 다공성 멤브레인의 평균 기공 크기보다 약 50% 더 클 수 있다. 한편, 다공성 멤브레인이 실질적으로 균일한 기공 크기를 갖는 경우, 배위 착물의 평균 직경은 다공성 멤브레인의 평균 기공 크기보다 약 20% 더 클 수 있다. 마찬가지로, 배위 착물의 평균 직경은 적어도 하나의 물 분자와 추가로 배위될 때 증가된다. 적어도 하나의 물 분자의 배위 착물의 직경은 일반적으로 유체역학적 직경인 것으로 간주된다. 이러한 양태에서, 유체역학적 직경은 일반적으로 평균 기공 크기보다 적어도 약 35% 더 크다. 평균 기공 크기가 실질적으로 균일할 때, 유체역학적 반경은 평균 기공 크기보다 약 10% 더 클 수 있다.

일부 양태에서, 분리막은 또한 더 큰 안정성을 위한 보강 물질을 포함할 수 있다. 적합한 보강 물질은 예를 들면 나일론, 면, 폴리에스테르, 결정성 실리카, 결정성 티타니아, 무정형 실리카, 무정형 티타니아, 고무, 석면, 목재 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다른 적합한 보강 물질이 당업자에 의해 예상될 수 있다.

내부의 분리막은 약 500㎛ 미만, 또는 약 300㎛ 미만, 또는 약 250㎛ 미만, 또는 약 200㎛ 미만, 또는 약 100㎛ 미만, 또는 약 75㎛ 미만, 또는 약 50㎛ 미만, 또는 약 30㎛ 미만, 또는 약 25㎛ 미만, 또는 약 20㎛ 미만, 또는 약 15㎛ 미만, 또는 약 10㎛ 미만의 멤브레인 두께를 가질 수 있다. 적합한 분리막은 분리막이 100㎛의 두께를 가질 때 유동 배터리가 100mA/㎠의 전류 밀도에 의해 약 85% 초과의 전류 효율로 작동할 수 있는 것들을 포함할 수 있다. 추가의 양태에서, 유동 배터리는 분리막이 약 50㎛ 미만의 두께를 갖는 경우 99.5% 초과의 전류 효율, 분리막이 약 25㎛ 미만의 두께를 갖는 경우 99% 초과의 전류 효율, 분리막이 약 10㎛ 미만의 두께를 갖는 경우 98% 초과의 전류 효율에서 작동할 수 있다. 따라서, 적합한 분리막은 유동 배터리가 100mA/㎠의 전류 밀도에 의해 60% 초과의 전압 효율에서 작동할 수 있는 것들을 포함한다. 추가의 양태에서, 적합한 분리막은 유동 배터리가 70% 초과, 80% 초과 또는 심지어 90% 초과의 전압 효율에서 작동할 수 있는 것들을 포함할 수 있다.

유동 배터리는 또한 제1 및 제2 전극과 전기 연통하는 외부 전기 회로를 포함할 수 있다. 회로는 작동 과정에서 유동 배터리를 충전 및 방전시킬 수 있다. 제1 활물질, 제2 활물질, 또는 둘 다의 순 이온 전하의 부호의 참조는 유동 배터리의 작동 조건하에 산화환원-활물질의 산화 및 환원 형태의 순 이온 전하의 부호에 관한 것이다. 유동 배터리의 추가의 예시적 양태는 (a) 제1 활물질은 관련된 순 양 또는 음전하(net positive or negative charge)를 가지며, 생성되는 제1 활물질의 산화 또는 환원 형태가 제1 활물질과 동일한 전하 부호(양성 또는 음성)를 갖고, 이오노머 멤브레인이 동일한 부호의 순 이온 전하를 또한 갖도록, 시스템의 음성 작동 전위 범위 내의 전기적 전위에 걸쳐 산화 또는 환원 형태를 제공할 수 있고; (b) 제2 활물질은 관련된 순 양 또는 음전하를 가지며, 생성되는 제2 활물질의 산화 또는 환원 형태가 제2 활물질과 동일한 전하 부호(양성 또는 음성)를 갖고, 이오노머 멤브레인이 동일한 부호의 순 이온 전하를 또한 갖도록, 시스템의 양성 작동 전위 범위 내의 전기적 전위에 걸쳐 산화 또는 환원 형태를 제공할 수 있거나, (a) 및 (b) 둘 다를 제공한다. 제1 및/또는 제2 활물질 및 이오노머 멤브레인의 정합 전하(matching charge)는 높은 선택도를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 전하 정합은 제1 또는 제2 활물질에 기인하는 이오노머 멤브레인을 통과하는 이온의 몰 유동의 약 3% 미만, 약 2% 미만, 약 1% 미만, 약 0.5% 미만, 약 0.2% 미만, 또는 약 0.1% 미만을 제공할 수 있다. 용어 "이온의 몰 유동(molar flux of ions)"은 외부 전기/전자의 유동과 관련된 전하를 균형화하는 이오노머 멤브레인을 통과하는 이온의 양을 지칭할 것이다.

특정 전극 물질은 탄소 및 다양한 금속들을 포함할 수 있다. 비전도성 플라스틱 물질은 또한 전극 물질의 일부를 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 전극은 그 위에 침착된 촉매를 가질 수 있다. 다른 타입의 층들 또한 전극 물질 상에 존재할 수 있다. 임의의 층의 기능은, 예를 들면, 셀 조립체를 보조하고/하거나 접촉 저항을 개선시키고/시키거나 분리막에 대한 보호를 제공함을 포함한다.

이제, 일반화된 유동 배터리 시스템이 기재되어 묘사되고, 본 발명의 다양한 양태는 도면을 참조하여 보다 상세하게 기재된다. 도 2 내지 도 6은 고-처리량 제조 기술을 이용하여 제조될 수 있는 단일 전기화학 유닛 셀의 예시적인 구성을 도시한다. 도 7 및 도 8은 도 2의 복수의 전기화학 유닛 셀들을 도입하는 전기화학 셀 스택의 예시적인 구성을 도시한다. 이러한 도면의 추가의 설명은 이후에 계속된다. 이러한 전기화학 유닛 셀 및 전기화학 셀 스택을 제조하기 위한 고처리량 제조 기술 또한 이하에 보다 상세하게 설명된다.

도 2는 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는 예시적인 전기화학 유닛 셀 구성의 전개도를 도시한다. 실제로, 다양한 셀 구성요소들은 예를 들면 도 4에 도시된 바와 같이 서로 접촉한다. 전기화학 유닛 셀(100)은 중앙에 배치된 분리막(102)을 포함한다. 캐소드(104) 및 애노드(106)는 분리막(102)의 양면에 인접한다. 캐소드(104) 및 애노드(106)는 분리막(102)보다 작고, 비-접촉 주변 영역(108 및 108)이 양 측면 상의 분리막(102)의 주변부 둘레에 확립되도록 위치된다(비접촉 주변 영역(108')은 도 2에 도시되지 않음). 압축성 밀봉부(110 및 110')는 각각 비접촉 주변 영역(108 및 108') 및 접촉 분리막(102)(압축성 밀봉부(110')는 도 2에 도시되지 않음) 내에 배치된다. 도 3a는 비접촉 주변 영역(108) 및 이의 상응하는 압축성 밀봉부(110)의 배치를 보다 명백하게 볼 수 있는 전기화학 유닛 셀(102)의 캐소드 측면의 상세도를 도시한다. 도 3b는 애노드 측면의 상응하는 도면을 도시한다. 이하 보다 상세하게 논의된 바와 같이, 밑받침(underlayment)이 분리막(102)과 압축성 밀봉부(110 및 110') 사이에 존재할 수 있다. 밑받침은 강성을 제공하고, 후기 조립 공정 동안 정렬을 보조하고, 압축성 밀봉부(110 및 110')의 압축을 제어하고, 이종 물질 사이의 결합을 촉진한다. 분리막(102), 캐소드(104), 애노드(106), 및 압축성 밀봉부(110 및 110')는 전기화학 유닛 셀(100)의 "소프트 제품" 또는 "소프트 제품 조립체"를 구성한다.

전기화학 유닛 셀(100)의 "하드 제품"은 이제 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 추가로 기재된다. 프레임 층(120 및 120')은 각각의 윈도우(122 및 122')를 포함한다. 윈도우(122 및 122')는 프레임 층(120 및 120')이 도 3a 및 도 3b에 보다 상세히 도시된 바와 같이 압축성 밀봉부(110 및 110')의 외부 주변 주위에 적합하도록 치수화된다. 프레임 층(120 및 120')의 두께는 압축성 밀봉부(110 및 110')가 이후 논의된 바와 같이 추가의 층을 첨가시 압축되는 정도를 나타낼 수 있다. 도 3a 및 도 3b가 각각 압축성 밀봉부(110 및 110')와 접촉되는 프레임 층(120 및 120')을 도시하지만, 일부 개방 공간이 윈도우(122 및 122')의 크기에 따라 둘 사이에 존재할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 개방 공간은 또한 압축시 얼마나 많은 압축성 밀봉부(110 및 110')가 외측으로 팽창될 수 있는지를 나타낼 수 있다.

도 2를 계속 참조하면, 프레임 층(130 및 130')은 또한 각각 압축성 밀봉부(110 및 110')와 접촉하면서 각각 프레임 층(120 및 120')과 접촉한다. 윈도우(132 및 132')는 각각 프레임 층(130 및 130')에 한정된다. 윈도우(132 및 132')는 윈도우(122 및 122')보다 크기가 더 작아 프레임 층(130 및 130')이 압축성 밀봉부(110 및 110')에 접촉하는 것을 가능하게 한다. 압축성 밀봉부(110 및 110')가 압축될 수 있는 정도를 나타내는 것 이외에, 프레임 층(120 및 120')은 프레임 층(130 및 130')이 압축력을 제공할 수 있는 안정한 구조를 제공한다. 프레임 층(140 및 140')은 각각 프레임 층(130 및 130')과 접촉하고, 또한 내부에 각각 한정된 윈도우(142 및 142')를 갖는다. 또한, 프레임 층(140 및 140')은 윈도우(142 및 142')에 의해 한정된 내부 공간으로 연장되는 내부에 각각 한정된 유동 분배 채널(144 및 144')을 함유한다. 유동 분배 채널(144 및 144')은 전해액이 전기화학 유닛 셀(100)의 2개의 반쪽-셀에 독립적으로 (예를 들면, 유체 분배 매니폴드로부터) 제공될 수 있게 한다. 도 2에 도시되어 있지 않지만, 유사한 유동 분배 채널이 프레임 층(I50 및 150')에 존재할 수 있다. 또한, 추가적인 프레임 층이 또한 존재할 수 있고, 압축성 밀봉부(110 및 110')와 접촉하지 않는 임의의 추가의 프레임 층은 프레임 층(140 및 140')에 나타낸 것들과 유사한 유동 분배 채널을 함유할 수 있다.

전해액은 각각의 프레임 층(120, 120', 130, 130', 140, 140', 150 및 150') 내에 배치된 복수의 개구부로부터 유동 분배 채널(144 및 144')에 제공할 수 있다. 개구부는 전기화학 유닛 셀(100)을 통해 연장되는 연속 유동 경로를 한정한다. 보다 특히, 개구부는 전기화학 유닛 셀(100)의 유체 분배 매니폴드에 접속시 상응하는 반쪽-셀로의 그리고 반쪽-셀로부터의 전해액의 도입 및 배출 위치를 제공한다. 프레임 층(120, 120', 130, 130', 140, 140', 150 및 150')의 양면 상의 개구부는 각 전해액만이 단일 반쪽-셀로 진입하도록 쌍을 이룬다. 도 2는 형상이 실질적으로 원형인 복수의 개구부를 도시하지만, 다른 형상 또한 가능하다는 것이 인식되어야 한다.

도 2를 다시 참조하면, 전기화학 유닛 셀(100)은 또한 내부에 각각 정의된 윈도우(152 및 152')를 갖는 프레임 층(150 및 150')을 포함한다. 이극판(160 및 160')은 상응하는 프레임 층(150 및 150')의 윈도우(152 및 152')를 충전한다. 이극판(160 및 160')은, 예를 들면, 접착제 결합, 레이저 용접, 초음파 용접, 핫 플레이트 용접, 열간 압연(hot rolling) 또는 감압성 접착제 또는 열 결합 필름에 의한 적층과 같은 기술에 의해 프레임 층(150 및 150')에 부착된다. 각각의 프레임 층(150 및 150')에 이극판(160 및 160')을 부착시키는 것은 완성된 셀에서 이극판(160 및 160') 주위의 전해액 누출을 배제한다. 이극판(160)은 또한 윈도우(122, 132 및 142)를 통해 연장되며, 캐소드(104)와 접촉한다. 유사하게, 이극판(160')은 윈도우(122', 132' 및 142')를 통해 추가로 연장되고, 애노드(106)와 접촉한다. 이극판(160 및 160')의 두께는 전기화학 유닛 셀(100) 및 이의 다양한 층의 전체 두께를 고려하여 선택되고 조정될 수 있다. 대안적으로, 캐소드(104) 및 애노드(104')의 두께는 전기화학 유닛 셀(100)의 전체 두께를 고려하여 유사하게 선택되고 조정될 수 있다.

도 4는 서로 함께 완전히 인접된 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 2의 전기화학 유닛 셀의 단면도를 도시한다. 프레임 층(120, 130, 140, 150)은 그룹으로 서로 부착될 수 있고, 프레임 층(120, 130', 140' 및 150')은 다양한 구성요소가 도 4 의 구성에서 함께 인접될 때 그룹으로서 서로 부착될 수 있다. 프레임 층(120 및 120')은 서로에 대해 간단히 인접되고, 도 4의 구성에서 압축력(compressive force)에 의해 제자리에 유지된다. 도 6에서 이하 도시된 바와 같이, 프레임 층(120 및 120')은 또한 서로 부착되어 각각의 프레임 층을 단일 그룹으로 함께 집합적으로 부착할 수 있다. 다양한 층의 서로에 대한 부착은 전해액이 순환될 수 있는 분리막(102)의 양면 상의 챔버를 한정한다. 즉, 프레임 층(120, 130 및 140)은 분리막(102), 압축성 밀봉부(110) 및 이극판(160)과 함께 제1 전해액이 캐소드(104) 주위를 유동할 수 있는 폐쇄된 챔버를 집합적으로 한정한다. 유사하게, 프레임 층(120', 130', 140'), 분리막(102), 압축성 밀봉부(110) 및 이극판(160)은 제2 전해액이 애노드(106) 주위를 유동할 수 있는 폐쇄된 챔버를 한정한다. 압축성 밀봉부(110 및 110')는 제1 전해액 및 제2 전해액을 별도로 수용하는 폐쇄된 챔버 사이에서 오버보드(overboard) 유체 누출 및 바람직하지 않은 유체 전달을 배제한다. 각 챔버의 용적은, 예를 들면, 다양한 프레임 층의 두께 및 상응하는 윈도우의 크기에 의해 결정된다. 이하 추가로 기재되는 바와 같이, 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시된 것들과 유사한 전기화학 셀은 각각의 구성요소가 롤상 원료로부터 제공되고 이에 의해 고-처리량 제조 공정에 의한 제조가 일어나게 하는 물질로부터 제조될 수 있다.

도 2 및 4의 전기화학 유닛 셀 구성에서, 압축성 밀봉부(110 및 110')는 분리막(102)의 양면에 부착된다. 이러한 도면에 도시된 셀 구성에 대한 대안에서, 압축성 밀봉부가 하드 제품 조립체 상에 제공될 수 있다. 일부 양태에서, 압축성 밀봉부(110 및 110')는 제1 프레임 층(120) 및 제2 프레임 층(120')의 윈도우(122 및 122')의 주변 둘레를 한정할 수 있다. 다른 양태에서, 압축성 밀봉부(110 및 110')는 이극판(160 및 160')의 표면에서, 구체적으로 이극판(160 및 160')의 외부 주변 주위에 한정될 수 있다. 이들 대안적인 밀봉 위치는 각각의 반쪽-셀 내의 각각의 전해액을 함유하는데 있어서 유사하게 기능할 수 있다.

보다 특별한 양태에서, 본 발명의 전기화학 유닛 셀(100) 및 다른 전기화학 유닛 셀 및 전기화학 셀 스택의 각각의 구성요소는 롤상 형태(rolled form)로 제공된 물질로부터 형성될 수 있다. 즉, 일부 양태에서, 각각의 물질은 전기화학 셀 및 관련 전기화학 셀 스택을 제조하기 위한 릴-투-릴(reel-to-reel) 제조 공정에 공급될 수 있다. 전기화학 유닛 셀 및 전기화학 셀 스택의 예시적인 제조 공정에 관한 추가의 개시는 이하에 이어진다. 이미 기재되지 않은 경우, 전기화학 유닛 셀의 다양한 구성요소에 적합한 물질은 이하 보다 상세하게 기재된다.

각각의 프레임 층(120, 120', 130, 130', 140, 140', 150 및 150')은 비전도성 물질(예를 들면 절연체), 특히 필름 또는 시트와 같은 롤상 형태로 공급될 수 있는 물질로부터 형성될 수 있다. 보다 특별한 양태에서, 각각의 프레임 층은 폴리에틸렌 또는 다른 폴리올레핀 물질과 같은 열가소성 물질로부터 형성될 수 있다. 추가의 적합한 폴리올레핀 물질은, 예를 들면, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 폴리아미드(예를 들면 나일론), 폴리에스테르, 폴리에테르이미드(예를 들면 ULTEM), 폴리이미드(예를 들면 KAPTON), 폴리에테르케톤, 폴리설폰 등과 같은 비올레핀계 중합체 또한 적절히 사용할 수 있다. 다양한 프레임 층을 형성하기 위한 다른 적합한 물질은 당업자에 의해 유사하게 예상될 수 있다. 프레임 층(120, 120', 130, 130', 140, 140', 150 및 150')을 형성하기 위한 특정 물질의 선택은 의도된 작동 환경 및 프레임 층과 접촉하는 특정 전해액의 화학적 상용성(chemical compatibility)과 관련된 문제에 의해 좌우될 수 있다.

분리막(102)을 형성하기 위한 적합한 물질은 일반적으로 위에서 논의된 것들을 포함할 수 있다. 이러한 분리막 물질은, 예를 들면 DuPont, Gore, Solvay 및 3M과 같은 다수의 공급자에 의해 롤상 형태로 공급될 수 있다. 다공성 분리막 및 이온 교환(이오노머) 멤브레인은 모두 이러한 포맷으로 이용가능하다.

캐소드(104) 및 애노드(106)에 적합한 물질은 일반적으로 유동 배터리 및 다른 전기화학 시스템에서 이러한 목적을 위해 통상 사용되는 임의의 전도성 물질을 포함할 수 있다. 전극을 형성하기 위한 적합한 물질의 특정 예가 상기 논의된다. 본원에 개시된 전기화학 유닛 셀의 다른 구성요소와 같이, 캐소드(104) 및 애노드(106)에 대한 물질은 마찬가지로 롤상 형태로 공급될 수 있다. 더욱 특정의 양태에서, 캐소드(104) 및 애노드(106) 중 적어도 하나는 카본 펠트, 특히 코팅되지 않은 카본 펠트로 제조될 수 있다. 다른 보다 특정의 양태에서, 캐소드(104) 및 애노드(106)는 직포, 메쉬(mesh) 또는 스크린(screen); 부직포지; 필름; 호일; 또는 롤상 형태로 공급될 수 있는 시트의 형태로 임의의 전도성 물질로 제조될 수 있다. 특정 전극 물질은 탄소 및 롤상 형태로 공급되는 다양한 금속을 포함할 수 있다. 비전도성 플라스틱 물질은 또한 롤상 형태로 공급되는 전극 물질의 일부를 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 캐소드(104) 및 애노드(106) 중 적어도 하나는 위에 침착된 촉매를 가질 수 있다. 촉매는, 존재하는 경우, 전기화학 셀이 제조될 때 전극 물질 상에 (예를 들면, 롤상 형태로) 공급될 수 있다. 다른 층은 또한 임의로 캐소드(104) 및/또는 애노드(106) 상에 존재할 수 있다. 임의의 층의 기능은, 예를 들면, 셀 조립을 보조하고/하거나 접촉 저항을 향상시키고/시키거나 분리막(102)에 대한 보호를 제공함을 포함할 수 있다. 캐소드(104) 및/또는 애노드(106)를 형성하는 물질 상에 임의의 추가의 층의 침착은, 예를 들면, 분무 코팅(spray coating), 스크린 인쇄(screen printing), 롤러 코팅(roller coating), 그라비어 코팅(gravure coating), 딥 코팅(dip coating), 슬롯 다이 코팅(slot die coating) 등과 같은 임의의 다양한 침착 기술에 의해 발생할 수 있다. 코팅은 공급된 전도성 물질 상에 이미 존재할 수 있거나, 이는 전기화학 유닛 셀의 제조 동안 연속 공정으로 도입될 수 있다.

전술된 바와 같이, 압축성 밀봉부(110 및 110')는 제1 및 제2 전해액이 개별적으로 유동할 수 있는 코히어런트 챔버(coherent chamber)를 확립하는 것을 돕는다. 즉, 압축성 밀봉부(110 및 110')의 기능은 오버보드 누출을 방지하고 분리막(102) 주위에 제1 및 제2 전해액의 유체 전달을 방지함을 포함할 수 있다. 대신, 본 발명의 전기화학 유닛 셀(100) 및 다른 전기화학 셀 및 셀 스택에서의 물질 전달은 분리막(102)을 가로지르는 이온 전도를 통해 발생한다.

보다 특정의 양태에서, 압축성 밀봉부(110 및 110')는 탄성 물질로부터 형성될 수 있다. 압축성 밀봉부(110 및 110')를 형성하기 위한 적합한 탄성 물질의 예는 당업자에게 친숙할 것이고, 예를 들면, 전해액과 화학적 적합성 및/또는 전기화학 유닛 셀의 작동 조건과 환경적 적합성을 갖도록 선택될 수 있다. 적합한 탄성 물질은, 예를 들면, 실리콘 중합체, 플루오로엘라스토머, 에틸렌 프로필렌 디엔 공중합체(EPDM), 폴리테트라플루오로에틸렌, 천연 고무, 합성 고무 등을 포함할 수 있다. 적합한 탄성 물질은 또한 롤상 형태로 제공될 수 있다. 보다 특정의 양태에서, 열가소성 밑받침(도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시되지 않음)은 분리막(102)과 압축성 밀봉부(110 및 110') 사이에 적용될 수 있다. 압축성 밀봉부(110 및 110')와 같이, 열가소성 밑받침 또한 분리막(102)의 어느 하나의 측면 위의 비접촉 주변 영역(108 및 108') 내에 놓인다. 더욱 특정의 양태에서, 압축성 밀봉부(110 및 110'), 상응하는 열가소성 밑받침 및 분리막(102)은, 예를 들면, 소프트 제품 조립체를 형성하는 접착제 결합을 통해 서로 부착될 수 있다. 접착제 결합은 전기화학 유닛 셀의 제조 중에 일어날 수 있다. 이와 관련하여 사용될 수 있는 적합한 접착제 결합 기술 및 조성물은, 예를 들면, 감압성 접착제, UV 경화성 접착제, 열 결합 필름, 에폭시, 용매-결합 접착제, 및 핫-프레스(hot-press) 또는 핫-적층(hot-lamination) 기술을 포함한다. 일부 양태에서, 압축성 밀봉부(110 및 110') 중 적어도 하나는 탄성 비드 밀봉부 형태로 제공될 수 있다. 일부 또는 다른 양태에서, 압축성 밀봉부(110 및 110') 중 적어도 하나는 평평한 탄성 가스켓의 형태로 제공될 수 있다.

이극판(160 및 160')은 임의의 적합한 전기 전도성 및 실질적으로 비투과성 물질로 형성될 수 있다. 보다 특정의 양태에서, 이극판(160 및 160') 중 적어도 하나는 가요성 흑연 호일, 팽창된 흑연, 또는 금속 필름, 호일 또는 시트로 형성될 수 있다. 이러한 물질은 일부 양태에서 롤상 형태로 공급될 수 있다. 일부 양태에서, 이극판(160 및 160') 중 적어도 하나는 전기화학 유닛 셀(100) 또는 유사한 전기화학 유닛 셀의 반쪽-셀 중 하나 또는 둘 다 내의 전해액의 유동 분포를 변경하는 기능을 하는 위에 한정된 표면 특징을 가질 수 있다. 예를 들면, 이러한 표면 특징은 캐소드(104) 및/또는 애노드(106)의 표면에 전해액을 균일하게 분배하는 것을 도울 수 있다. 예시적인 양태에서, 표면 특징은 압출(extrusion), 스탬핑(stamping), 밀링(milling), 삭마(ablation) 또는 롤러 엠보싱(roller embossing)과 같은 부가 및 삭감 생산 방법 둘 다에 의해 형성될 수 있는 상호맞물린(interdigitated) 또는 준-상호맞물린(quasi-interdigitated) 유동 채널을 포함할 수 있다.

전술된 바와 같이, 이극판(160 및 160')은 각각의 전기화학 유닛 셀이 전기화학 스택에서 서로 결합될 수 있도록 윈도우(152 및 152')를 통해 연장된다. 전해액이 누출 없이 유동할 수 있는 완전한 챔버를 제공하기 위해, 이극판(160 및 160')은 프레임 층(150 및 150')에 부착되어 각각 내부의 윈도우(152 및 152')를 폐쇄할 수 있다. 또한, 이극판(160 및 160')은 전기화학 유닛 셀(100)에서 나머지 프레임 층(160)을 통해 연장되고, 각각 캐소드(104) 및 애노드(106)와 접촉할 수 있다.

전기화학 유닛 셀(100) 또는 유사한 전기화학 유닛 셀의 제조 동안, 임의의 프레임 층(120, 130, 140, 150, 120', 130', 140' 및 150')은 적합한 롤상 물질(rolled material)로부터 공급될 수 있고, 내부의 다양한 특징(예를 들면 윈도우, 유동 분배 채널, 헤더(header), 플레넘(plenum), 유체 매니폴드, 정렬 특징 등)은 적합한 제조 기술에 의해 한정될 수 있다. 프레임 층 내의 특징을 한정하기 위한 적합한 제조 기술은 예를 들면 다이-절단(die-cutting), 레이저 절단(laser cutting), 스탬핑(stamping) 등을 포함할 수 있다.

전기화학 유닛 셀(100) 또는 유사한 전기화학 유닛 셀의 제조 후, 프레임 층(120, 130, 140 및 150)은 서로 집합적으로 부착될 수 있고, 프레임 층(120', 130', 140' 및 150') 또한 서로 집합적으로 부착될 수 있다. 다시, 이는 제1 및 제2 전해액이 2개의 반쪽-셀을 통해 유동할 수 있는 코히어런트 챔버를 한정하는 것을 돕는다. 프레임 층을 서로 부착시키기 위한 적합한 기술은 위에서 열거된 것들을 포함할 수 있다. 프레임 층을 부착시키기 위한 특히 적합한 기술은, 예를 들면, 감압성 접착제, 열-경화된 접착제, 및 에폭시와 같은 UV-경화된 접착제와 같은 접착제 결합 기술 및 조성물을 포함할 수 있다. 대안적인 양태에서, 레이저 용접(laser welding), 초음파 용접(ultrasonic welding), 핫 플레이트 용접(hot plate welding), 열간 압연, 교반-마찰 용접(stir-friction welding), 감압성 접착제(pressure-sensitive adhesive), 또는 열 결합 필름(thermal bonding film)과 같은 기술을 사용하여 프레임 층을 필요에 따라 서로 부착시킬 수 있다.

전기화학 유닛 셀(100)이 분리막(102)의 각 측면에 4개의 프레임 층(즉, 120, 130, 140 및 150, 및 120', 130', 140' 및 150')을 함유하지만, 본 발명의 다른 양태에서 추가의 프레임 층이 존재할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 추가의 프레임 층은 특정 설계 과제를 해결하고/하거나 전기화학 유닛 셀(100)의 전체 두께를 변경하기 위해 첨가될 수 있다. 일부 양태에서, 전기화학 유닛 셀(100)의 두께를 증가시키기 위해 첨가된 임의의 프레임 층은 이극판이 그를 통해 연장할 수 있도록 내부에 한정된 윈도우를 가질 수 있지만, 그렇지 않으면 이러한 프레임 층은 다른 구별되는 구조적 특징이 부족할 수 있다. 일부 또는 다른 양태에서, 추가의 프레임 층은 소정의 반쪽-셀 내의 특정 위치에 유체 도입을 가능하게 하는 유동 분배 특징 및 도관과 같은 특정 설계 고려사항의 필요성을 충족하기에 적합한 구조적 특징을 포함할 수 있다.

도 5는 자세히 보여주기 위해 다양한 셀 구성요소들이 서로 이격되어 있는 또 다른 예시적인 전기화학 유닛 셀 구성의 전개도를 도시한다. 도 5의 전기화학 유닛 셀(200)은 압축성 밀봉부(110 및 110')가 각각 비접촉 주변 영역(108 및 108')으로부터 생략된다는 점에서 주로 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4의 전기화학 유닛 셀(100)과는 상이하다. 그렇지 않으면, 도 5의 전기화학 유닛 셀 구성의 요소는 도 2의 것들과 유사하고, 유사한 참조 부호가 결과로서 사용될 것이다. 마찬가지로, 도 2와 도 5 사이의 공통적인 요소는 이들의 배치가 대안적인 셀 구성에 있어서 상이하지 않는 한, 다시 상세하게 기재되지 않을 것이다.

도 5의 셀 구성에서, 프레임 층(120 및 120')은 분리막(102)의 양면과 직접 접촉하고, 접착 결합을 통해 이에 부착된다. 이러한 유형의 직접 결합은 도 2의 셀 구성에서 압축성 밀봉부(110 및 110')에 의해 제공되는 것과 유사한 방식으로 밀봉을 촉진하도록 기능할 수 있다. 따라서, 도 5의 전기화학 유닛 셀 구성에서 압축성 밀봉부(110 및 110')가 생략될 수 있다. 도 2의 셀 구성과 도 5의 셀 구성 사이에서 생성되는 차이는 전지의 분해가 후자의 경우에 (예를 들면, 일정 기간 동안 셀을 작동시킨 후 분석 또는 검사를 수행하는 것이) 더 어려울 수 있다는 점이다. 특히, 도 5의 셀 구성은 분리막(102)에서 서로 결합된 2개의 반쪽-셀을 포함하는 반면, 도 2의 셀 구성은 압축성 밀봉부(110 및 110') 상에서 프레임 층(120 및 120')의 구속 압력을 완화시킴으로써 분해될 수 있다. 대안적인 구성에서, 도 6의 셀 구성은 도 2를 참조하여 전술된 것들과 유사한 압축성 밀봉부를 포함할 수 있다. 밀봉부가 존재하는 경우, 일부 경우에 밀봉부 밑받침이 존재할 수 있다. 대안적으로, 분리막(102)과 프레임 층(120 및 120') 사이에 조립체 보조재로서 밀봉부 밑받침이 제공될 수 있다. 도 6은 서로 함께 완전히 인접하는 다양한 셀 구성요소들을 갖는 도 5의 전기화학 유닛 셀의 단면도를 도시한다.

전술된 바와 같이, 복수의 전기화학 유닛 셀은 다양한 크기의 전기화학 스택을 생성하기 위해 서로 결합될 수 있다. 보다 특히, 복수의 전기화학 셀은 개별적 전기화학 유닛 셀이 개별적 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판, 캐소드, 분리막 및 애노드를 통해 한정된 축을 따라 함께 인접되도록 서로 위에 적층될 수 있다. 개별적 전기화학 유닛 셀 사이의 전기 접속은 각각의 전기화학 유닛 셀의 축 말단에 배치된 이극판을 통해 발생한다. 전기화학 유닛 셀이 제조되는 방법에 따라, 인접하는 전기화학 유닛 셀은 공통의 이극판과 이극판에 부착된 프레임 층을 공유할 수 있거나, 전기화학 스택 내의 인접하는 전기화학 셀로부터의 이극판은 (즉, 헤드-투-테일(head-to-tail) 방식으로) 서로에 대해 인접할 수 있다.

일부 양태에서, 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판은 서로 인접할 수 있다. 도 7은 인접한 전기화학 셀로부터의 이극판이 서로 인접하는 예시적인 전기화학 스택의 개략도를 도시한다. 도 7의 개별적인 전기화학 유닛 셀들은 도 4에 도시된 것과 유사한 셀 구성을 가지며, 다시 상세히 기재되지 않을 것이다. 도 6의 셀 구성은 유사하게 사용될 수 있다. 도 7은 예시적인 3-셀 전기화학 스택(300)을 도시한다. 전기화학 스택(300)은 서로에 대해 헤드-대-테일 위치된 전기화학 유닛 셀(302a, 302b 및 302c)을 함유한다. 즉, 인접한 전기화학 셀(302a 및 302b)에서, 이극판(310a' 및 310b)은 서로 인접하고, 이극판(310b' 및 310c)는 인접한 전기화학 셀(302b 및 302c)에서 서로 인접한다. 이극판(310a 및 310c')은 전기화학 스택(300)의 축 말단에 놓이고, 다른 이극판에 인접하지 않는다. 유사하게, 프레임 층(320a' 및 320b)은 프레임 층(320b' 및 320c)과 마찬가지로 서로 인접한다. 프레임 층(320a 및 320c')은 축 말단에 놓이고, 다른 프레임 층에 인접하지 않는다.

대안적인 양태에서, 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀은 공통 이극판을 공유할 수 있다. 도 8은 인접한 전기화학 셀이 공통 이극판을 공유하는 예시적인 전기화학 스택의 개략도를 도시한다. 다시, 도 8의 개별적인 전기화학 유닛 셀은 도 4에 도시된 것과 유사한 셀 구성을 갖고, 다시 상세하게 기재되지 않을 것이다. 도 6의 셀 구성은 유사하게 사용될 수 있다. 도 8은 예시적인 3-셀 전기화학 스택(400)을 도시한다. 전기화학 스택(400)은 공통 이극판 및 프레임 층은 인접한 전기화학 유닛 셀들 사이에 공유되는 전기화학 유닛 셀(402a, 402b 및 402c)을 함유한다. 궁극적으로, 전기화학 유닛 셀(402a-408c)은 제2 이극판 및 제2 이극판 주위의 상응하는 프레임 층의 결여를 제외하고 도 2 및 7에 도시된 것들과 동일하다. 따라서, 전기화학 스택(400) 내의 반복 유닛은 전기화학 스택(300)의 반복 유닛과는 상이하다. 도 8을 보다 특히 참조하면, 인접한 전기화학 유닛 셀(402a 및 402b)은 이극판(410b)을 공유하며, 인접한 전기화학 유닛 셀(402b 및 402c)은 이극판(410c)을 공유한다. 이극판(410a 및 410d) 및 프레임 층(420a 및 420d)은 전기화학 스택(400)의 축 말단에 놓이고, 다른 전기화학 유닛 셀과 공유되지 않는다. 유사하게, 프레임 층(420b)은 인접한 전기화학 유닛 셀(402a 및 402b)사이에 공유되고, 프레임 층(420c)은 인접한 전기화학 유닛 셀(402b 및 402c) 사이에 공유된다. 도 8에 도시된 것들과 유사한 전기화학 스택 구성은 본원에 개시된 제조 공정의 다운스트림 변형에 의해 제조될 수 있다.

도 7 및 도 8의 전기화학 스택(300,400)은 도 4에 도시된 특정 전기화학 유닛 셀 구성을 나타내지만, 도 6의 전기화학 유닛 셀 구성을 이용하여 유사한 전기화학 스택을 제조할 수 있음 또한 인식해야 한다. 또한, 다양한 작동상의 고려사항에 따라, 상이한 단위 셀 구성이 본 발명의 일부 양태에서 소정의 전기화학 스택에 존재할 수 있다. 또한, 일부 양태에서, 도 8의 전기화학 스택 구성은 심지어 더 큰 전기화학 스택을 생성하기 위해 반복적으로 적층될 수 있다. 예를 들면, 도 8에 도시된 것과 유사한 3-셀 스택 구성은 10회 반복 적층하여 30-셀 전기화학 적층체를 제조할 수 있다. 대안적으로, 도 7의 전기화학 스택으로부터 개별적인 전기화학 유닛 셀이 또한 도 8의 스택 구성을 함유하는 변형된 전기화학 스택에 도입될 수 있다. 따라서, 도 7 및 도 8에 도시된 전기화학 스택 구성은 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다.

마찬가지로, 도 7 및 8은 3-셀 전기화학 스택을 도시하였지만, 저장되는 목적하는 전력량 및 다른 작동상 고려사항에 따라 임의의 수의 개별적 전기화학 유닛 셀이 존재할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 도 7 및 8의 도시된 전기화학 스택 구성은 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. 다양한 양태에서,전기화학 스택은 약 30 내지 200개의 개별적 전기화학 유닛 셀, 또는 약 50 내지 약 100개의 개별적 전기화학 유닛 셀, 또는 약 100 내지 약 200개의 개별적 전기화학 유닛 셀을 함유할 수 있다. 전기화학 스택 내의 다양한 전기화학 유닛 셀의 상호접속은 본원에 기재된 임의의 부착 기술, 예를 들면 접착제 결합, 핫 프레싱, 적층, 레이저 용접, 초음파 용접 등을 통해 일어날 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 전기화학 유닛 셀은 다양한 고-처리량 제조 기술, 예를 들면, 릴-계 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 본 발명의 전기화학 유닛 셀의 예시적인 제조 기술은 이하 더 상세하게 기재된다.

궁극적으로, 단일 생산 라인을 따라 소프트 제품 및 하드 제품 둘 다를 동시에 가공 처리함으로써 "단일화(unitized)" 방식으로 본 발명의 전기화학 유닛 셀 및 관련 전기화학 셀 스택을 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 전기화학 유닛 셀은 또한 별개의 생산 라인에서 소프트 제품 및 하드 제품을 가공 처리한 다음, 하드 제품 및 소프트 제품을 함께 조합하여 완성된 전기화학 유닛 셀을 형성함으로써 제조될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. "단일화" 생산 공정의 보다 나은 이해를 용이하게 하기 위해, 소프트 제품 및 하드 제품의 별도의 제조 공정이 먼저 기재된다.

도 9는 연속적인 방식으로 전기화학 유닛 셀의 소프트 제품을 조합할 수 있는 예시적인 생산 라인의 개략도를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 소프트 제품을 형성하는 공급원 물질 각각은 롤상 원료로부터 공급된다. 이러한 공급원 물질은, 적절한 경우, 도 2 내지 도 8로부터 이들의 참조 문자로 지칭될 것이고, 도 9는 이러한 선행 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 릴(502)은 분리막(102)의 롤을 생산 라인(500)에 공급한다. 분리막(102)은 롤러(506)를 함유하는 스테이션(505)의 밑받침에 적층된다. 스테이션(505)에 도달하기 전에, 밑받침의 롤은 릴(508)로부터 공급하고, 감압성 접착제를 롤러(512)를 함유하는 스테이션(511)에서 밑받침의 양면 상에 적층시킨다. 감압성 접착제의 층은 릴(514)로부터 공급된다. 밑받침 및 감압성 접착제의 다이-절단 또는 유사한 변형은 다이(520)를 사용하여 스테이션(519)에서 발생한다. 다이-절단은 캐소드(104)와 애노드(106)가 밑받침에 부착시 분리막(102)과 접촉할 수 있는 개구부(윈도우)를 한정한다. 감압성 접착제 층 중 하나의 노출은 릴(522) 상에서 이의 후면 물질을 권취시킴으로서 발생한다.

스테이션(505)에서 분리막(102)에 밑받침 및 감압성 접착제의 적층 후, 감압성 접착제의 다른 층의 노출은 릴(524) 상에서 이의 후면 물질을 권취시킴으로 발생한다. 이후, 분리막(102) 및 부착된 밑받침은 압축성 밀봉부(110 및 110')에의 접착제 결합이 발생하는 스테이션(525)을 통과한다. 스테이션(525)은 감압성 접착제를 분리막(102)에 적층시켜 접착제 결합 공정을 완료하는 롤러(526)를 함유한다. 다른 결합 기술이 유사하게 사용될 수 있다.

스테이션(525)에 도달하기 전에, 압축성 밀봉부(110 및 110')를 형성하는 밀봉 물질의 롤을 릴(528)로부터 공급한다. 밀봉 물질의 다이-절단 또는 유사한 정의는 다이(530)를 이용하여 스테이션(529)에서 발생한다. 밑받침을 사용하는 경우와 같이, 다이-절단은 캐소드(104) 및 애노드(106)가 분리막(102)과 접촉할 수 있는 개구부(윈도우)를 한정한다. 스테이션(529)에서 한정된 개구부는 주변 배치된 압축성 밀봉부(110 및 110')가 실질적으로 동일한 횡방향 크기의 밑받침을 갖도록 스테이션(511)에서 한정된 것들과 실질적으로 동일한 크기이다.

스테이션(525)에서 방출 후, 분리막-압축성 밀봉부 적층체는 다이(530)가 분리막-압축성 밀봉부 적층체의 외부 주변을 절단하는 스테이션(529)을 통과한다. 이는, 이하 논의되는 바와 같이, 전기화학 셀, 특히 후속적으로 이에 부착되는 하드 제품의 최종 크기를 한정한다. 이어서, 다이-절단 분리막-압축성 밀봉부 적층체의 시트화는 전기화학 유닛 셀 또는 전기화학 유닛 셀 스택에서 추가로 조합하기 위한 스테이션(531)에서 발생한다. 도 10a 및 도 10b는 밑받침(542 및 542')이 각각 분리막과 압축성 밀봉부(110 및 110') 사이에 개입하는 도 9의 생산 라인에 의해 제조된 소프트 제품 조립체(540)의 예시적인 상부도 및 측면도를 도시한다. 감압성 접착제를 구성하는 추가의 층은 명료화를 위해 도 10a 및 도 10b에 도시되지 않는다. 도 10c는 명료화를 위해 밑받침(542 및 542')이 생략된 도 10b의 간략화도를 도시한다.

전술된 바와 같이, 캐소드(104) 및 애노드(106)는 일반적으로 전기화학 유닛 셀의 소프트 제품의 일부인 것으로 간주된다. 간략화를 위해, 캐소드(104) 및 애노드(106)의 배치 메커니즘은 도 9에 도시되지 않았다. 캐소드(104) 및 애노드(106)가 롤상 원료 물질로부터 도입될 수 있는 생산 라인(500)에서의 예시적인 위치는, 예를 들면, 스테이션(505) 또는 스테이션(525) 바로 앞에 포함한다. 도 10a 내지 도 10c에서, 생산 라인(500)에서 조립된 다른 구성요소에 대한 이들의 위치를 나타내기 위해 소프트 제품 조립체(540)에서 가상선으로 배치된 캐소드(104) 및 애노드(106)가 도시되어 있다. 전기화학 유닛 셀 내에 캐소드(104) 및 애노드(106)의 도입은 하드 제품 및 소프트 제품을 전기화학 유닛 셀로 함께 조립하기 위한 단일화 공정에서 이하 추가로 상세히 논의될 것이다.

이제 하드 제품(10)을 참조하면, 도 11은 전기화학 유닛 셀의 하드 제품을 연속 방식으로 조합할 수 있는 예시적인 생산 라인의 개략도를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 하드 제품을 형성하는 공급원 물질 각각은 롤상 원료로부터 공급된다. 다시, 공급원 물질은, 적절할 경우, 도 2 내지 도 8로부터 이들의 참조 문자에 의해 지칭될 것이고, 도 11은 이러한 선행 도면을 참조로 더 잘 이해될 수 있다.

보다 구체적으로, 릴(602)은 프레임 층(150)을 형성하는 물질의 롤을 생산 라인(600)에 제공한다. 프레임 층(150) 및 다른 프레임 층을 형성하는 적합한 물질이 상기 논의된다. 이어서, 프레임 층 물질은 다이(606)를 이용하여 스테이션(605)에서 다이-절단되거나 유사하게 한정되어 궁극적으로 이극판(160)으로 재충전되는 개구부를 형성한다. 이어서, 접착제는 욕(608) 및 롤러(609)로부터 스테이션(607)에 적용된다. 스테이션(607)이 그라비아 타입 인쇄 롤로서 도시되지만, 대안적인 양태에서, 접착제가 스크린 프린팅, 분무 코팅, 다이 코팅, 롤 코팅, 슬롯 다이 코팅 및 유사한 침착 기술에 의해 적용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 이어서, 접착제 코팅된 물질은 이극판(160)의 부착을 위해 스테이션(611)으로 통과된다.

이극판(160)을 형성하는 물질은 릴(614)로부터 공급되고, 롤러(612)를 함유하는 스테이션(611)으로 통과한다. 스테이션(611)에 도달시, 이극판 물질 및 접착제-코팅된 프레임 층 물질은 이극판 물질의 접착제-코팅된 프레임 층에의 부착을 유도하는 롤러(612)를 통과시킨다. 이극판 물질은 스테이션(605)에서 프레임 층 물질 내에 미리 한정된 개구부를 폐쇄한다. 다양한 결합 메커니즘이 스테이션(611)에서 적용될 수 있다. 예시적인 양태에서, 이극판 물질은 냉간 적층(cold lamination), 핫 적층, UV 경화, 열 경화, 레이저 용접, 초음파 용접 등에 의해 접착체 코팅된 프레임 층에 겹합될 수 있다. 열 경화는, 예를 들면, 이극판 물질 및 프레임 층 물질을 노(furnace), 가열 코일(heating coil), 고온 공기 블로워(hot air blower), 또는 유사 열 공급원(like thermal source)을 통과시킴으로써 적용될 수 있다. 접착제 결합을 촉진시키기 위한 적합한 기술의 선택은 스테이션(607)에서 적용된 선택된 접착제에 의존할 것이고, 이러한 고려 사항은 당업자의 이해력 내에 속하는 것으로 간주된다.

스테이션(611)에서 방출 후, 프레임 층 물질 및 이의 부착된 이극판 물질은 프레임 층(120, 120', 130, 130', 140 및 140')을 형성하는 물질이 프레임 층(150)을 형성하는 물질 상에 순차적으로 첨가되는 일련의 스테이션으로 진입한다. 구체적으로, 프레임 층(140 및 140)의 물질은 스테이션(621)에 적용되고, 프레임 층(130 및 130')의 물질은 스테이션(631)에 적용되고, 프레임 층(120 및 120')의 물질은 스테이션(641)에 적용된다. 스테이션(621, 631 및 641)에 적용된 프레임 층 각각의 물질은 이후 논의되는 바와 같이 각각 프레임 층 물질을 공급하는 데 있어서 유사하게 작동하는 공급 아암(620, 630 및 640)으로부터 제공된다. 스테이션(621, 631 및 641)은 각각 다양한 층의 적층 공정을 서로 용이하게 하는 롤러(624, 634 및 644)를 포함한다.

간단히, 공급 아암(620, 630 및 640)은 각각 프레임 층 물질 및 감압성 접착제를 롤상 형태로 공급하는 릴(650 및 652)을 함유한다. 프레임 층 물질 및 감압성 접착제가 롤러(654)를 함유하는 스테이션(653)에서 적층된다. 스테이션(653)으로부터 방출 후, 프레임 층-접착제 적층체는 다이 절단이 발생하여 각각의 프레임 층에서 개구부를 한정하는 다이(656)를 함유하는 스테이션(655)으로 이동한다. 이러한 개구부는 궁극적으로 완성된 전기화학 유닛 셀 내의 윈도우(122, 122', 132, 132', 142 및 142')가 된다. 감압성 접착제의 한쪽 측면으로부터 후면 물질은 또한 감압성 접착제의 외향 표면으로부터 스테이션(655)에서 제거되고, 롤러(658) 상에서 권취된다.

스테이션(641)에서 방출시, 감압성 접착제에 의해 제시된 임의의 층을 포함하지 않는 7-층 적층체가 존재한다(참조: 도 12a 및 도 12b). 이어서, 7-층 적층체의 외부 주변은 다이(662)를 사용하여 스테이션(661)에서 다이 절단된다. 스테이션(661)에서 다이-절단은 하드 제품이 생산 라인(500)과 제조된 소프트 제품과 크기가 상보성이도록 수행된다. 생산 라인(500)에서와 마찬가지로, 완성된 하드 제품 조립체의 시트화는 스테이션(671)에서 발생한다.

도 12a 및 도 12b는 도 11의 생산 라인에 의해 제조된 하드 제품 조립체(680)의 예시적인 상부도 및 측면도를 도시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 이극판(160)은 프레임 층(150)에 부착되고, 초기에 내부에 한정된 개구부(윈도우)를 폐쇄한다. 중첩 프레임 층(150)은 연속적인 프레임 층(140, 130 및 120, 및 140', 130' 및 120')이다(프레임 층(120)만이 도 12a에서 가시적임). 각 프레임 층(120, 120', 130, 130', 140 및 140')은 개방 개구부를 가져 이극판(160)을 노출된 채로 남긴다. 하드 제품 조립체(680)의 7-층 적층체 구조는 도 12b에서 보다 명확하게 볼 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 프레임 층(150)은 7-층 적층체의 중심에 배치되고, 프레임 층(150)의 양면에 부착된 이극판(160)(점선으로 도시됨)을 갖는다. 도 12b는 프레임 층(150) 내에 단독으로 존재하는 이극판(160)(점선으로)을 도시하지만, 이극판(160)은 또한 상기 논의된 바와 같이 프레임 층(120, 130, 140, 120', 130' 및 140')의 개방 개구부를 통해 연장할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 대안적으로, 캐소드(104) 및 애노드(106)는 개구부를 통해 연장하여 이극판(160)과 접촉할 수 있다. 또한, 프레임 층(150)의 양면 위에 프레임 층(140, 130 및 120, 및 140', 130' 및 120')이 연속적으로 배치된다. 각 프레임 층 사이에, 감압성 접착제 층(682)이 또한 존재한다. 다양한 프레임 층을 서로 부착시키는 대안적인 기술이 또한 사용될 수 있다. 도 12c는 명료화를 위해 감압성 접착제 층(682)이 생략된 도 12b의 구성의 간략화도를 도시한다.

전술된 바와 같이, 추가의 또는 더 적은 프레임 층이 다양한 작동적 필요성에 의해 지시된 바와 같이, 본 발명의 전기화학 유닛 셀에 포함될 수 있다. 본 발명의 이점을 감암하면, 당업자는 하드 제품 조립체 및 임의의 수의 적합한 프레임 층을 갖는 상응하는 전기화학 유닛 셀을 제조하기 위해 본원에 개시된 생산 공정을 용이하게 적합화할 수 있다.

소프트 제품 조립체(540) 및 하드 제품 조립체(680)를 교호 적층함으로써, 도 8에 도시된 것과 유사한 전기화학 스택이 제조될 수 있고, 여기서 이극판(160)과 프레임 층(150)이 인접한 전기화학 유닛 셀들 사이에 공유된다. 도 13은 도 10a 내지 도 10c의 소프트 제품 조립체 및 도 12a 내지 도 12c의 하드 제품 조립체가 교호 방식으로 적층된 예시적인 3-셀 전기화학 스택의 개략도를 도시한다. 보다 특히, 전기화학 스택(700)은 전기화학 유닛 셀(702a 내지 702c)를 한정하는 하드 제품 조립체(680a 내지 680d) 및 소프트 제품 조립체(540a 내지 530c)의 교호 배치를 포함한다. 전기화학 스택(700) 상부 및 하부 말단에서 전기화학 유닛 셀(702a 및 702c)은 이극판(410a 및 410d)이 전기화학 스택(700)을 종결하지 않는다는 점에서 도 8에 도시된 구성과는 약간 상이하다. 대신에, 하드 제품 조립체(680a 및 680d)로부터의 추가의 프레임 층은 전기화학 스택(700)을 종결시키고, 경우에 따라, 추가의 전기화학 셀을 정합시키기 위해 사용될 수 있다. 하드 제품 조립체(680a 및 680d) 내의 추가의 프레임 층은 후속 제조 단계에서 적절한 부분으로 종결될 수 있다. 대안적으로, 하드 제품 조립체(680a 및 680d)는 단면 위의 프레임 층만을 사용하여 별도로 제조될 수 있다.

단일 생산 라인에서 소프트 제품 조립체 및 하드 제품 조립체를 제조하고, 이들을 조합함으로써 전기화학 유닛 셀을 단일화 방식으로 직접 제조하는 공정은 이하 더욱 상세하게 기재된다. 이러한 전기화학 유닛 셀은 도 7에 도시된 구성과 같은 전기화학 스택에서 서로 인접하는 인접한 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판을 가질 수 있다. 인접된 이극판 사이의 접촉 압력은 인접한 전기화학 유닛 셀들 사이의 전기 전도도를 확립할 수 있다. 이후 기재된 조합된 생산 라인을 사용하여 전기화학 유닛 셀을 제조하는 특별한 이점은 소프트 제품 조립체가 제조 공정의 완료시 두 하드 제품 조립체 사이에 완전히 샌드위치되어 내부의 부서지기 쉬운 분리막을 손상으로부터 보호하는 것을 돕는다는 점이다.

도 14는 연속적인 방식으로 전기화학 유닛 셀을 생성할 수 있는 예시적인 생산 라인의 개략도를 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 소프트 제품 및 하드 제품을 형성하는 공급원 물질 각각은 롤상 원료로부터 공급된다. 다시, 공급원 물질은, 적절한 경우, 도 2 내지 도 8로부터 이들의 참조 문자로 지칭될 것이고, 도 14는 이러한 선행 도면을 참조로 보다 잘 이해될 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 릴(802)은 분리막(102)의 롤을 생산 라인(800)에 공급한다. 릴(804 및 806)은 캐소드(104) 및 애노드(106)를 형성하는 물질의 롤을 유사하게 공급한다. 분리막(102)으로의 캐소드(104) 및 애노드(106)의 적층은 롤러(810)를 함유하는 스테이션(809)에서 발생한다. 스테이션(809)에서 적용될 수 있는 적합한 적층 기술은, 예를 들면, 핫 적층, 냉간 적층, 인쇄, 접착제 결합(예를 들면, 감압성 접착제를 사용하여)을 포함한다. 도 14에 도시되어 있지는 않지만, 캐소드(104) 및 애노드(106)를 형성하는 물질은 일부 방식으로 처리하여 이들의 분리막(102)에의 적층을 용이하게 할 수 있다. 예를 들면, 캐소드(104) 및 애노드(106)의 가장자리는 감압성 결합이 일어나기에 적합한 위치를 제공하기 위해 열가소성 물질로 함침될 수 있다. 도 9에 도시된 것과 유사한 메커니즘이 감압성 접착제를 적용하기 위해 사용될 수 있다. 생산 라인(800)은 도 7의 것과 유사한 전기화학 유닛 셀을 생성하기 때문에, 도 9의 생산 라인(500)에서 가공 처리된 것과 비교하여 생산 라인(800)에서 가공 처리된 소프트 제품에는 특정한 차이가 존재한다. 그러나, 당업자는 생산 라인(500)이 도 14와 일치하는 방식으로 소프트 제품을 처리하도록 어떻게 변형되는지를 용이하게 이해할 수 있다. 다이(814)를 함유하는 스테이션(813)에서 생성되는 적층체를 통과할 때, 외부 주변의 부분적 다이-절단(예를 들면 키스(kiss) 절단)이 거기에 하드 제품을 추가로 부착하기 위한 소프트 제품을 준비하기 위해 일어날 수 있다. 이어서, 다이-절단으로부터 스크랩 물질은 릴(818) 상에서 재권취될 수 있다.

이어서, 스테이션(813)을 이탈하는 생성되는 소프트 제품 조립체는 각각 공급 아암(840, 860 및 880)으로부터 수용된 물질을 사용하여 스테이션(841, 861 및 881)에 적용된 하드 제품 조립체의 다양한 층을 가질 수 있다. 이러한 적층 작업 각각은 이하 더욱 상세하게 기재된다.

공급 아암(840)은 릴(820)로부터 프레임 층(120 및 120')을 형성하기 위한 물질을 제공한다. 감압성 접착제는 릴(822)로부터 권취되고, 롤러(826)을 함유하는 스테이션(825)에서 프레임 층 물질에 적층된다. 생성되는 적층체는 다이(830)를 사용하는 다이-절단을 위한 스테이션(829)을 통과한다. 다이-절단은 궁극적으로 윈도우(122 및 122')가 되는 프레임 층 물질 내의 개구부를 한정한다. 이어서, 감압성 접착제의 노출된 후면 층을 제거하고, 릴(832) 상에서 재권취될 수 있다.

공급 아암(840)은 또한 릴(834)로부터 프레임 층(130 및 130')을 형성하기 위한 물질을 제공하고, 이 물질의 다이-절단이 후속적으로 다이(836)를 사용하여 스테이션(835)에서 발생한다. 다이-절단은 궁극적으로 윈도우(132 및 132')가 되는 개구부를 한정한다. 이어서, 프레임 층(120 및 120') 상의 노출된 감압성 접착제에 대한 프레임 층(130 및 130')의 다이-절단 물질의 적층은 롤러(838)를 포함하는 스테이션(837)에서 발생한다. 이어서, 생성되는 프레임 층(120, 120', 130 및 130')의 적층체는 스테이션(841)으로 진행하여 롤러(839)를 이용하여 소프트 제품 조립체에 적층된다. 대안적으로, 프레임 층(120 및 120')을 형성하기 위한 물질은 프레임 층(130 및 130')의 것으로부터 별도로 소프트 제품 조립체에 적층될 수 있고, 이 경우에 프레임 층(130 및 130')의 물질은 별도의 공급 아암으로부터 제공될 수 있다.

공급 아암(860)은 프레임 층(140 및 140')을 형성하기 위한 물질을 제공한다. 공급 아암(860)은 도 11의 공급 아암(630)의 것과 실질적으로 유사하며, 그 결과로서 간단히 기재된다. 즉, 공급 아암(860)은 각각 롤상 형태로 프레임 층 물질 및 감압성 접착제를 제공하는 릴(862 및 864)을 함유한다. 프레임 층 물질 및 감압성 접착제는 롤러(866)를 함유하는 스테이션(865)에서 적층된다. 스테이션(865)에서 방출 후, 생성되는 프레임 층 물질 및 감압성 접착제의 적층체는, 다이(868)를 사용하는 다이-절단이 궁극적으로 윈도우(142 및 142') 및 프레임 층(140 및 140') 내의 유동 채널(144 및 144')이 되는 개구부를 한정하는 스테이션(867)으로 이동한다. 이어서, 감압성 접착제에 대한 후면 층은 제거되고, 릴(870)에서 재권취될 수 있다. 이 후, 프레임 층 물질은 롤러(860)를 함유하는 스테이션(861)에서 프레임 층(130 및 130')에 적층된다.

공급 아암(880)은 프레임 층(150 및 150')과 이극판(160 및 160')을 형성하기 위한 물질을 제공한다. 즉, 공급 아암(880)은 각각 롤상 형태로 프레임 층 물질 및 감압성 접착제를 제공하는 릴(882 및 884)을 함유한다. 프레임 층 물질 및 감압성 접착제는 롤러(886)를 함유하는 스테이션(885)에서 적층된다. 스테이션(886)에서 방출 후, 생성되는 프레임 층 물질 및 감압성 접착제의 적층체는 다이(888)를 사용하는 다이-절단이 궁극적으로 프레임 층(150 및 150') 내의 윈도우(152 및 152')가 되는 개구부를 한정하는 스테이션(887)으로 이동한다. 이어서,접착제가 욕(890) 및 롤러(892)로부터 스테이션(891)에 적용된다. 도 11을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 또한 접착제는 또한 다른 방식으로 프레임 층 물질에 적용될 수 있다. 이어서, 접착제-코팅된 물질은 이극판(160 및 160')의 부착을 위해 스테이션(895)으로 통과된다.

이극판(160 및 160')을 형성하기 위한 물질은 릴(894)로부터 공급되고, 스테이션(895)으로 통과한다. 스테이션(895)에 도달하면, 이극판 물질 및 스테이션(891)으로부터의 접착제-코팅된 프레임 층 물질은 이극판 물질의 접착제-코팅된 프레임 층으로의 부착을 유도하는 롤러(898)를 통과한다. 이극판 물질은 스테이션(887)에서 프레임 층 물질 내에 미리 한정된 개구부(즉, 윈도우(152 및 152'))를 폐쇄한다. 도 11을 참조하여 위에서 논의된 것들과 같은 스테이션(895)에서 다양한 결합 기술이 적용될 수 있다.

이어서, 감압성 접착체의 후면 층은 제거되고, 릴(900)에서 재권취될 수 있다. 이 후, 생성되는 프레임 층 물질 및 접착제 결합된 이극판 물질의 적층체는 프레임 층(140 및 140')에의 적층을 위한 롤러(880)를 함유하는 스테이션(881)으로 진행한다. 다이-절단은 도 6에 도시된 것과 유사한 완성된 전기화학유닛 셀을 한정하기 위해 다이(904)를 이용하여 스테이션(903)에서 일어날 수 있다. 이어서, 완성된 전기화학 유닛 셀의 시트화는 스테이션(905)에서 발생할 수 있다.

도 14는 단일 전기화학 셀의 연속적인 생산을 도시하였지만, 하나 이상의 전기화학 유닛 셀을 갖는 전기화학 스택을 제조하기 위해 추가적인 소프트 제품 조립체 및 하드 제품 조립체가 단일 생산 라인에 도입될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들면, 다수의 생산 라인(800)이 동시에 작동할 수 있고, 각 생산 라인에서 방출되는 완성된 전기화학 유닛 셀은 자율적으로 서로 인접하여 전기화학 셀 스택을 형성할 수 있다. 대안적으로, 생산 라인(800)은 개별적 전기화학 유닛 셀을 다수의 생산 라인에 의존하지 않고 서로 적층시키도록 추가로 변형될 수 있다. 더욱 추가로 대안적으로, 다수의 전기화학 유닛 셀은 지속적인 생산 라인 환경 외부에서 개별적 전기화학 유닛 셀을 수동, 자동화 또는 반자동 방식으로 적층시켜 서로 적층시킬 수 있다. 인접한 전기화학 유닛 셀을 서로 부착시키기 위한 적합한 기술은, 예를 들면, 접착제 결합, 레이저 용접, 핫 프레싱, 초음파 용접, 기계적 고정(mechanical fastening) 등을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀은 함께 접착되지 않고 서로 압축될 수 있다.

본 발명의 전기화학 유닛 셀을 도입한 유동 배터리는 일부 양태에서 몇 시간 지속 기간의 지속된 충전 또는 방전 사이클에 적합하다. 이와 같이, 이들은 에너지 공급/수요 프로파일을 원활하게 하고 간헐적 발전 자산(예를 들면, 태양 및 풍력 에너지와 같은 재생가능한 에너지 공급원으로부터)을 안정화하기 위한 메커니즘을 제공하는데 사용될 수 있다. 이어서, 본 발명의 다양한 양태는 이러한 장기간 충전 또는 방전 기간이 바람직한 에너지 저장 적용을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 비제한적인 예에서, 유동 배터리는 전기 그리드(electrical grid)에 접속하여 재생가능한 통합(renewables integration), 피크 부하 시프팅(peak load shifting), 그리드 견고화(grid firming), 기초 하중 발전 및 소비(baseload power generation and comsumption), 에너지 중재(energy arbitrage), 전송 및 분배 자산 지연(transmission and distribution asset deferral), 약한 그리드 지지(weak grid support), 주파수 조절(frequency regulation), 또는 이들의 임의의 조합을 가능하게 할 수 있다. 전기 그리드에 접속되지 않을 때, 유동 배터리는 원격 캠프(remote camp), 전방 작동 기점(forward operating base), 오프-그리드 전기연통(off-grid telecommunication), 원격 센서(remote sensor) 등 및 이들의 임의의 조합을 위한 전력원으로서 사용될 수 있다. 또한, 유동 배터리 이외의 전기화학 에너지 저장 매체는 고정형 전해액을 이용하는 것을 포함하여 본원에 개시된 전기화학 유닛 셀을 도입할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

추가의 양태에서, 본 발명의 전기화학 유닛 셀, 전기화학 셀 스택 및 유동 배터리는 적합하게는 이러한 대형 유닛의 작동에 유용한 배관 및 제어를 포함하여 더 큰 에너지 저장 시스템에 통합될 수 있다. 이러한 시스템에 적합한 배관, 제어 및 다른 장비는 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들면, 충전 및 방전된 전해질을 유지하기 위한 셀 및 저장 탱크 내 및 외부로 전해액을 이동시키기 위한 각각의 챔버와 유체 연통하는 배관 및 펌프를 포함할 수 있다. 작동 관리 시스템 또한 존재할 수 있다. 작동 관리 시스템은 컴퓨터 또는 마이크로프로세서와 같은 임의의 적합한 제어기 장치일 수 있고, 다양한 밸브, 펌프, 순환 루프 등의 작동을 설정하는 논리 회로를 함유할 수 있다.

상기와 다르게 정의되거나 당업자에 의해 이해되는 경우, 다음 단락의 정의는 본 발명에 적용가능하다.

본원에서 사용된 용어 "에너지 밀도"는 활물질에 단위 용적 당 저장될 수 있는 에너지의 양을 지칭할 것이다. 에너지 밀도는 에너지 저장의 이론적인 에너지 밀도를 지칭하며 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 1]

에너지 밀도 = (26.8 A-h/mol) × OCV × [e^-1]

상기 식에서,

OCV는 50% 충전 상태에서의 개방 회로 전위(open circuit potential)이고,

(26.8 A-h/mol)은 패러데이 상수(Faraday's constant)이고,

[e^-1]는 99% 충전 상태에서 활물질에 저장된 전자의 농도이다.

활물질이 주로 양성 및 음성 전해질 모두를 위한 원자 또는 분자 화학종인 경우 [e^-1]는 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 2]

[e^-1] = [활물질] × N/2

상기 식에서,

[활물질]은 음성 또는 양성 전해질 중 낮은 쪽의 활물질의 몰 농도이고,

N은 활물질의 분자 당 전달되는 전자의 수이다.

관련 용어 "전하 밀도"는 각각의 전해질이 함유하는 총 전하량을 지칭할 것이다. 소정의 전해질에 대해, 전하 밀도는 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.

[수학식 3]

전하 밀도 = (26.8 A-h/mol) × [활물질] × N

상기 식에서,

[활물질] 및 N은 상기 정의된 바와 같다.

본원에 사용된 바와 같이, "전류 밀도"는 셀의 기하학적 면적으로 나누어진 전기화학 셀에 통과된 총 전류를 지칭할 것이며 통상 mA/㎠ 단위로 기록된다.

본원에 사용된 용어 "전류 효율"(I_eff)은 셀의 방전시 생성된 총 전하 대 충전 동안 통과된 총 전하의 비로서 기재될 수 있다. 전류 효율은 유동 배터리의 충전 상태의 함수일 수 있다. 일부 비제한적인 양태에서, 전류 효율은 약 35% 내지 약 60%의 충전 상태 범위에 대해 평가될 수 있다.

본원에 사용된 용어 "전압 효율"은 소정의 전류 밀도에서 관찰된 전극 전위대 해당 전극의 반쪽-셀 전위의 비(×100%)로서 기재될 수 있다. 전압 효율은 배터리 충전 단계, 방전 단계 또는 "왕복 전압 효율(round trip voltage efficiency)"에 대해 기재될 수 있다. 소정의 전류 밀도에서 "왕복 전압 효율(V_eff,RT)"은 수학식 4를 사용하여 방전시 셀 전압(V_방전) 및 충전시 셀 전압(V_충전)으로부터 계산될 수 있다.

[수학식 4]

V_eff _,RT = V_방전/V_충전 × 100%

본원에 사용된 용어 "음극" 및 "양극"은, 음극이 작동하거나, 충전 및 방전 사이클 모두에서 이들이 작동하는 실제 전위와 독립적으로, 양극보다 더 음성인 전위에서 작동하도록 설계되거나 의도되도록 (그리고 그 반대로 되도록) 서로에 대해 정의된 전극들이다. 음극은 가역적 수소 전극에 비해 음전위에서 실제로 작동하거나 작동하지 않을 수 있거나, 작동하도록 설계 또는 의도될 수 있거나 되지 않을 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 음극은 제1 전해액과 관련되고 양극은 제2 전해액과 관련된다. 음극 및 양극과 관련된 전해액은 각각 음극액(negolyte) 및 양극액(posolyte)으로서 기재될 수 있다.

본 발명은 개시된 양태를 참조로 기재되었지만, 당업자는 이들이 본 발명의 예시일 뿐임을 쉽게 이해할 것이다. 다양한 변형이 본 발명의 취지로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명은 지금까지 기재되지 않은 임의의 수의 변형, 변경, 치환 또는 등가의 배열을 포함하도록 변형될 수 있지만, 이는 본 발명의 취지 및 범위에 상응한다. 추가로, 본 발명의 다양한 양태가 기재되었지만, 본 발명의 측면은 기재된 양태의 일부만을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 상기한 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되지 않는다.

Claims

전기화학 유닛 셀(electrochemical unit cell)로서,
제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 분리막(separator);
상기 제1 전극과 접촉하는 제1 이극판(bipolar plate);
상기 제2 전극과 접촉하는 제2 이극판;
상기 분리막 상의 제1 주변(perimeter) 영역 내에 배치된 제1 압축성 밀봉부(compressible seal);
상기 분리막 상의 제2 주변 영역 내에 배치된 제2 압축성 밀봉부;
상기 제1 압축성 밀봉부 및 제2 압축성 밀봉부의 외부 주변(outer perimeter) 주위에 한정된 제1 프레임 층(frame layer) 및 제2 프레임 층;
상기 제1 압축성 밀봉부 및 상기 제1 프레임 층과 접촉하는 제3 프레임 층;
상기 제2 압축성 밀봉부 및 상기 제2 프레임 층과 접촉하는 제4 프레임 층;
상기 제3 프레임 층에 인접한 제5 프레임 층;
상기 제4 프레임 층에 인접한 제6 프레임 층;
상기 제5 프레임 층에 인접한 제7 프레임 층; 및
상기 제6 프레임 층에 인접한 제8 프레임 층
을 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 접촉하지 않는 제1 및 제2 주변 영역이 상기 분리막의 양면에 존재하도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 크기 및 위치가 설정되고,
상기 제1 프레임 층은 그 안에 한정된 제1 윈도우를 가지며, 상기 제2 프레임 층은 그 안에 한정된 제2 윈도우를 가지며, 상기 제3 프레임 층은 그 안에 한정된 제3 윈도우를 가지며, 상기 제4 프레임 층은 그 안에 한정된 제4 윈도우를 가지며,
상기 제3 프레임 층이 상기 제1 압축성 밀봉부와 접촉하고 상기 제4 프레임 층이 상기 제2 압축성 밀봉부와 접촉하도록, 상기 제3 윈도우가 상기 제1 윈도우보다 작고 상기 제4 윈도우가 상기 제2 윈도우보다 작으며,
상기 제1 이극판이 상기 제7 프레임 층에 부착되어 그 안의 윈도우를 폐쇄하고, 상기 제2 이극판이 상기 제8 프레임 층에 부착되어 그 안의 윈도우를 폐쇄하며,
각각의 상기 프레임 층들은 비전도성 물질을 포함하는, 전기화학 유닛 셀.
제1항에 있어서, 상기 제5 프레임 층 및 상기 제6 프레임 층 중 적어도 하나가 내부에 한정된 유동 분배 채널을 갖는, 전기화학 유닛 셀.
제1항에 있어서, 상기 제5 프레임 층이 상기 제3 프레임 층과 접촉하고, 상기 제6 프레임 층이 상기 제4 프레임 층과 접촉하고, 상기 제7 프레임 층이 상기 제5 프레임 층과 접촉하고, 상기 제8 프레임 층이 상기 제6 프레임 층과 접촉하는, 전기화학 유닛 셀.
제1항에 있어서, 상기 분리막, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 제1 이극판, 상기 제2 이극판, 상기 제1 압축성 밀봉부, 상기 제2 압축성 밀봉부 및 각각의 상기 프레임 층들이 롤상 원료 물질(rolled source material)로부터 제조되는, 전기화학 유닛 셀.
제1항에 있어서, 상기 제1, 제3, 제5 및 제7 프레임 층이 서로 집합적으로 부착되고, 상기 제2, 제4, 제6 및 제8 프레임 층이 서로 집합적으로 부착되는, 전기화학 유닛 셀.
서로 함께 인접된 복수의 제1항에 따른 전기화학 유닛 셀들을 포함하는 전기화학 스택(electrochemical stack).
제6항에 있어서, 상기 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀들이, 공통 이극판(common bipolar plate) 및 상기 공통 이극판에 부착된 공통 프레임 층(common frame layer)을 공유하는, 전기화학 스택.
제6항에 있어서, 상기 전기화학 스택 내의 모든 인접한 전기화학 유닛 셀들에서 이극판들이 서로 인접된 것인, 전기화학 스택.
전기화학 유닛 셀로서,
제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 분리막;
상기 제1 전극과 접촉하는 제1 이극판;
상기 제2 전극과 접촉하는 제2 이극판;
제1 주변(perimeter) 영역 내 상기 분리막에 직접 접착된 제1 프레임 층;
제2 주변 영역 내 상기 분리막에 직접 접착된 제2 프레임 층;
상기 제1 프레임 층에 인접한 제3 프레임 층;
상기 제2 프레임 층에 인접한 제4 프레임 층;
상기 제3 프레임 층에 인접한 제5 프레임 층;
상기 제4 프레임 층에 인접한 제6 프레임 층;
상기 제5 프레임 층에 인접한 제7 프레임 층; 및
상기 제6 프레임 층에 인접한 제8 프레임
을 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 접촉하지 않는 제1 및 제2 주변 영역이 상기 분리막의 양면에 존재하도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 크기 및 위치가 설정되고,
상기 제1 이극판이 상기 제7 프레임 층에 부착되어 그 안의 윈도우를 폐쇄하고, 상기 제2 이극판이 상기 제8 프레임 층에 부착되어 그 안의 윈도우를 폐쇄하고,
각각의 상기 프레임 층들은 비전도성 물질을 포함하는, 전기화학 유닛 셀.
제9항에 있어서, 상기 제5 프레임 층 및 상기 제6 프레임 층 중 적어도 하나가 내부에 한정된 유동 분배 채널을 갖는, 전기화학 유닛 셀.
제9항에 있어서, 상기 제3 프레임 층이 상기 제1 프레임 층과 접촉하고, 상기 제4 프레임 층이 상기 제2 프레임 층과 접촉하고, 상기 제5 프레임 층이 상기 제3 프레임 층과 접촉하고, 상기 제6 프레임 층이 상기 제4 프레임 층과 접촉하고, 상기 제7 프레임 층이 상기 제5 프레임 층과 접촉하고, 상기 제8 프레임 층이 상기 제6 프레임 층과 접촉하는, 전기화학 유닛 셀.
제9항에 있어서, 상기 분리막, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 제1 이극판, 상기 제2 이극판 및 각각의 상기 프레임 층들이 롤상 원료로부터 제조되는, 전기화학 유닛 셀.
제9항에 있어서, 각각의 상기 프레임 층들이 서로 집합적으로 부착되는, 전기화학 유닛 셀.
서로 함께 인접된 복수의 제9항에 따른 전기화학 유닛 셀들을 포함하는 전기화학 스택.
제14항에 있어서, 상기 전기화학 스택 내의 모든 인접한 전기화학 유닛 셀들에서 이극판들이 서로 인접된 것인, 전기화학 스택.
제14항에 있어서, 상기 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀들이, 공통 이극판 및 상기 공통 이극판에 부착된 공통 프레임 층을 공유하는, 전기화학 스택.
방법으로서,
분리막 물질, 캐소드 물질 및 애노드 물질의 롤(roll)을 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 캐소드 물질 및 상기 애노드 물질을 생산 라인 내의 제1 위치에서 상기 분리막 물질의 양면에 부착시켜 소프트 제품 조립체를 형성하는 단계;
제1 절연재(insulator material) 및 제2 절연재의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 생산 라인에서 상기 제1 절연재 및 상기 제2 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 상기 제1 절연재를 포함하는 제1 및 제2 프레임 층을 상기 생산 라인에서 상기 소프트 제품 조립체의 양면에 부착시키고, 상기 생산 라인에서 상기 제1 프레임 층 상에 제3 프레임 층을 부착시키고 상기 제2 프레임 층 상에 제4 프레임 층을 부착시키는 단계로서, 상기 제3 프레임 층 및 상기 제4 프레임 층이 상기 제2 절연재를 포함하는, 단계;
제3 절연재의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 생산 라인에서 상기 제3 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 상기 생산 라인에서 상기 제3 프레임 층 상에 제5 프레임 층을 부착시키고 상기 제4 프레임 층 상에 제6 프레임 층을 부착시키는 단계로서, 상기 제5 프레임 층 및 상기 제6 프레임 층이 상기 제3 절연재를 포함하는, 단계;
제4 절연재 및 이극판 물질의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계; 및
상기 생산 라인에서 상기 제4 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 상기 제4 절연재 중의 윈도우가 이극판 물질에 의해 폐쇄되도록 상기 생산 라인에서 상기 제4 절연재에 상기 이극판 물질을 부착시키고, 상기 생산 라인에서 상기 제5 프레임 층에 제7 프레임 층을 부착시키고 상기 제6 프레임 층에 제8 프레임 층을 부착시켜 전기화학 유닛 셀을 한정하는 단계로서, 상기 제7 프레임 층 및 상기 제8 프레임 층이 상기 제4 절연재를 포함하는, 단계
를 포함하고, 상기 제1 절연재, 상기 제2 절연재 및 제3 절연재 내의 윈도우는 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 프레임 층으로서 배치될 때 서로 중첩되고, 상기 이극판 물질은 상기 소프트 제품 조립체의 양면 위의 상기 캐소드 물질 및 상기 애노드 물질과 접촉하는, 방법.
제17항에 있어서, 상기 제1 프레임 층 및 상기 제2 프레임 층을 상기 소프트 제품 조립체 상에 부착시키기 전에, 상기 제1 절연재 및 상기 제2 절연재를 서로 부착시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제17항에 있어서, 상기 캐소드 물질 및 상기 애노드 물질이 감압성 접착제(pressure-sensitive adhesive)를 이용하여 상기 분리막 물질에 부착되는, 방법.
제17항에 있어서, 각각의 상기 프레임 층들이 서로 집합적으로 부착되는, 방법.
제17항에 있어서,
복수의 전기화학 유닛 셀들을 함께 서로 직렬로 연결하는 단계로서, 전기화학 스택 내의 인접한 전기화학 유닛 셀들이 제2 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판과 함께 인접된 제1 전기화학 유닛 셀로부터의 이극판을 갖는, 단계
를 추가로 포함하는, 방법.
방법으로서,
제1 절연재의 롤을 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 생산 라인에서 상기 제1 절연재 내의 윈도우를 한정하는 단계;
이극판 물질의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 제1 절연재 내의 상기 윈도우가 상기 이극판 물질에 의해 폐쇄되도록 상기 생산 라인에서 상기 이극판 물질을 상기 제1 절연재에 부착시키는 단계;
제2 절연재의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 생산 라인에서 상기 제2 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 상기 제1 절연재의 양면 위에 상기 제2 절연재를 부착시키는 단계;
제3 절연재의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계;
상기 생산 라인에서 상기 제3 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 상기 제1 절연재의 양면 위의 상기 제2 절연재에 상기 제3 절연재를 부착시키는 단계;
제4 절연재의 롤을 상기 생산 라인에 공급하는 단계; 및
상기 생산 라인에서 상기 제4 절연재 내의 윈도우를 한정하고, 상기 제4 절연재를 상기 제1 절연재의 양면 위의 상기 제3 절연재에 부착시키는 단계
를 포함하는, 방법.