KR20000076022A - 급속 재시동 시스템 및 전지충전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 목표 전지의 전압보다 훨씬 높은 과전압과 그에 따른 고전류를 송출할 수 있는 작고 가벼우며 일회용인 에너지원을 사용하여 목표 전지를 효과적으로 충전할 수 있는 방법과 장치를 제공한다. 본 발명이 고려하는 가장 일상적인 용도는 자동차 전지이다. 목표 전지는 판이 전해질에 담겨 있는 2차 전지이다. 목표 전지가 방전됨에 따라 비활성 물질이 목표 전지의 판에 형성된다. 본 발명의 에너지원으로 목표 전지를 충전하려면 에너지원을 목표 전지와 전기적으로 연결한다. 에너지원의 과전압은 목표 전지의 전압보다 훨씬 높다. 고전류와 과전압이 목표 전지로 전달되면, 목표 전지의 판에 있는 황산납은 신속하게 황산으로 바뀌어서 주위의 전해질로 확산된다.

Description

급속 재시동 시스템 및 전지 충전방법{JUMP-START SYSTEM AND BATTERY CHARGING METHOD}

전기 저장 셀 또는 전지 내에서 화학 에너지가 전기적 에너지로 변환된다. 엄밀히 말하자면, "전지”라는 말은 여러 셀들의 집합을 말하는 것이지만, 오늘날에는 개개의 단위들 또는 셀들을 일컫는 말로 사용되고 있다. 전지는 셀 내에 존재하는 요소들간의 전위차를 이용해서 작동된다. 두 개의 서로 상이한 요소들을 전해질 용액 속에 담그면 기전력(Electro-motive force: emf)이 존재하여 양전성이 높은 캐소드으로부터 애노드으로 셀내로 전류가 흐르게 된다. 전지의 이 두 극, 즉 전극들은 연결점을 형성하는데, 그곳을 통해 회부 회로가 전지로 연결될 수 있다. 그러한 외부 회로가 폐쇄 회로이면 전류는 전지의 애노드, 즉 애노드로부터 흘러나와 외부 회로를 거쳐 캐소드, 즉 캐소드에서 전지로 다시 흘러 들어간다.

전지에는 1차 전지와 2차 전지의 두 종류가 있다. 1차 전지에서는 화학 반응을 일으키는 부분들을 사용 후 교환해 주어야 하는 반면, 반면 2차 전지에서 일어나는 전기화학 반응은 고효율의 가역 반응이기 때문에 화학 반응을 일으키는 부분들이 부분적으로 또는 완전히 방전이 된 후에 전지를 통과하는 전류의 방향을 역전시킴으로써 그러한 화학 반응 물질들을 재생시킬 수 있다. 자동차 전지는 이러한 2차 전지의 일종이다.

전지의 emf란 개방 회로상의 전극간에 존재하는 총 전위차를 말한다. 전류가 흐를 때, 셀 내의 저항 감소와 분극 작용 때문에 단자 전반의 전위차가 감소한다. 분극 작용이 일어나는 원인은 전지내에 전류가 흐를 때 전지들 내에서 일어나는 화학 반응의 결과로 수소와 같은 물질이 캐소드에 침적되기 때문이다. 이러한 침적 물질은 2가지 효과를 내는데, 그 2가지 모두 잘 알려진 바 있으며, 그 결과 전지의 단자 전압을 감소시키게 된다.

A. 1차 전지

산화 구리, 아연, 가성 소다 전지가 1차 전지로서 가장 흔히 사용되는데, 그 이유는 이러한 배터리가 개방 회로 및 폐쇄 회로 모두에 사용이 적합하기 때문이다. 이러한 배터리는 여러 가지 형태로 만들어지는데, 이하 그 중에 2가지를 설명한다. 이러한 1차 전지 중의 1가지는 여러 개의 평평한 극판을 사용하고, 다른 1가지는 여러 개의 동심원을 그린 형태의 원통형 극판을 사용한다. 2가지 경우 모두 애노드은, 그 표면이 금속성 구리를 감소시키고, 외부는 감극으로서 기능하는 산화제이구리를 사용한다. 캐소드은 아연을, 그리고 전해질로는 부식성이 높은 가성 소다 용액(NaOH)를 사용한다. 배터리 표면은 증발을 최소화하기 위해 미네랄유를 바른다. 이러한 배터리는 주로 철도 서비스에서 많이 사용되고, 250∼1000 amp hours(Ah) 정도의 에너지를 공급한다.

루벤 셀 전지(Ruben Cell Battery)는 이전에 사용되던 배터리보다 높은 전류 밀도에서 ampere-hour 용량 대 셀 용적의 비율이 더 높아야만 하는 기기에서 사용하기 위해 개발되었다. 이러한 배터리에서는 애노드으로 아연 합금을, 캐소드으로는 전기 저항성을 줄이기 위해 흑연을 섞은 산화 수은을 사용한다. 전해질 용액으로는 아연화칼륨(Potassium Zincoid)을 함유한 수산화칼륨(KOH) 용액을 사용한다. 셀은 2가지 형태로 만드는 바, 하나는 0.002∼0.005 정도 두께의 물결 모양으로 된 아연 가닥을 나선상으로 감은 것을 애노드으로 사용하는데, 이 아연판은 조립 후 융합된다. 알칼리 저항성의 흡수성 높은 가느다란 종이 2가닥을 이 아연판과 함께 감아서 위쪽 끝에는 아연 가닥이 돌출되게 하고, 아래쪽에는 종이가 돌출되게 한다. 애노드가 폴리에틸렌 스리브에 의해 철로 된 용기로부터 절연된다. 알칼리 저항성을 가진 종이로 막을 형성하여 캐소드의 감극 물질을 애노드과 분리시킨다. 셀의 윗부분은 구리이고, 아연 가닥과 접촉하여 셀의 네가티브 단자를 형성한다. 셀은 일종의 합성고무인 네오프렌의 패킹부분으로 채워 넣음으로써 밀폐된다. 셀 구성 물질에 대해 화학 반응을 일으키지 않는 셀 용기는 애노드을 형성한다.

B. 2차 전지

충전용 전지 제품에서는 전해질 작용이 고효율의 가역 반응이어야 한다. 충전용 전지에는 여러 종류가 있지만 이 중 3가지만 들자면 납-산형, 니켈-철-알칼라인형, 그리고 니켈-카드뮴-알카로이드(nicad)형이 있다.

자동차 등 기계류 제품에서 흔히 사용되는 납-산형 셀 배터리를 제조하는데에는 일반적으로 2가지 종류의 극판 또는 전극이 사용된다. 이 중 Leclanche형 전극에서는 순수한 은에 흐르는 전류의 방향을 여러번 역전시킴으로써 전기적으로 활성 물질을 형성한다. 반면 Faure형 또는 페이스트 전극형에서는 주로 산화납(PbO2, Pb2O4)으로 만들어진 풀과 같은 페이스트 물질을 납-안티몬 지지 격자에 갖다 붙임으로써 애노드과 캐소드판을 형성한다. 약한 황산에 양 전극이 담겨지면, 애노드판은 애노드로 연결되고, 캐소드판은 캐소드으로서 연결되어 전류가 이 전극판들로 통하게 된다. 애노드판에 붙은 페이스트 물질은 납 과산화물로 변환되고 캐소드판에 붙은 페이스트 물질은 스폰지와 같은 납으로 바뀌게 된다.

단위 무게당 전하량을 높이기 위해서는 극판면에서 산의 작용에 노출되는 면적이 가능한 한 넓어야 한다. 이렇게 하기 위해 Leclanche형 극판에서는 날카로운 철제 디스크로 표면을 밭 갈듯이 갈고 물결 모양의 나선형 물질을 활성 애노드 물질로서 삽입한다. 반면, 페이스트형 극판에서는 극 물질의 넓은 면적이 반드시 산의 작용에 노출되게 되어 있다.

어떤 형의 전지이든 전지의 완전 충전과 방전이라는 애노드단 사이에 납과 황산염으로 된 여러 복잡한 합성물질이 생성되게 된다. 배터리에서 전하가 완전히 고갈되면, 단단하고 녹지 않는 황산염이 전극에 형성되는데, 이 황산염은 천천히 배터리를 재충전해야만 거의 완전히 제거할 수 있다.

자동차의 시동 및 점등을 위한 휴대용 배터리, 비행기, 산업용 트럭, 전동차, 기차의 실내 조명, 모터 보트 및 기타 레저용 탈것에서는 Faure형 페이스트형 전극을 사용한다. 이는 이러한 전극판이 단위 무게 및 크기 당 방출 전하량이 높기 때문이다. 두 전극 사이에 놓인 분리체는 화학 처리한 홈이 있는 목재, 구멍 뚫린 단단한 고무, 유리-양모 매트, 구멍 뚫린 고무, 홈이 있는 목재, 이랑진 무늬가 있는 미소 다공성 고무, 또는 유사 물질로 만들어진다. 예컨대, 값싸고 수명이 짧은 자동차용 전지에는 분리체로 홈이 있는 목재만이 사용되는 반면, 고가의 자동차용 전지에는 이러한 목재에 더 보강하여 구멍 뚫린 단단한 고무도 사용된다. 자동차 등의 시동용 배터리의 용기는 보통 아스팔트 화합물이나 고무로 만든다.

2차 전지를 충전하는 데에는 현재 두 가지 방법이 흔히 사용되고 있다. 정전류법과 정위법이 그것이다. 정전류로 충전하는 데 흔히 사용되는 방법은 낮은 전압의 직류(DC) 전원을 공급하는 것이다. 그 후, 저항이 직렬로 연결되는데 이 저항을 조절함으로써 원하는 전류값을 얻을 수 있다. 이 보다 더 많이 쓰이는 방법은 산화 구리나 실리콘 정류기와 함께 교류(AC) 전원을 사용하는 것인데, 이 방법이 더 인기 있는 이유는 직류 전원보다는 교류 전원이 실제 더 흔히 사용되기 때문이다.

전지를 충전하는 목적은 배터리 방전과 함께 전극에 형성된 납 황산염을 전극에서 떼어내고, 이를 산으로 전환시켜 전해질 용액 속으로 돌려보내는 것이다. 그렇게 하기 위해서는 직류를 방전 때와 반대 방향으로 셀로 흘려 보냄으로써 산을 전극으로부터 떼어내야 한다. 이렇게 해서 산이 전극으로부터 떨어져 나오면 전해질 속의 산 농도가 점점 높아지게 되고, 전극이 완전히 충전이 될 때, 전해질 용액 속의 산 농도가 최대로 된다.

전지 사용 도중에는 활성 물질 표면의 기공과 가까운 곳에 있는 전해질 밀도가 높아지기 때문에 전지의 전압이 증가한다. 그 이후의 전압 증가는 전극판으로부터 산이 형성되는 속도와 그러한 산이 셀의 전해질 속으로 확산되는 속도에 의해 결정된다. 상기한 충전 방법 모두에 있어서 문제가 되는 것은 충전용 전지에서 산이 전지의 전극에서 떨어져 나와 전해질 속으로 농축되는데 상당한 시간이 걸린다는 것으로, 즉 충전 시간이 너무 길다는 것이다.

현재 전지의 충전에 사용되는 방법은 낮은 전압에서 높은 암페어의 전류를 사용하여 충전하는 것이다. 엔진이 꺼졌을 때, 다른 자동차의 힘을 빌어 차 엔진을 시동하는 경우를 그 예로 들 수 있다. 이 때 문제가 되는 것은 다른 자동차나 또는 높은 암페어의 전류를 사용하는 유사한 전원이 있어야만 한다는 것이다. 따라서, 무게가 가볍고, 부피가 작으면서도 고전압 고에너지를 내는 장치를 사용해서 부분적으로 방전된 배터리를 충전할 수 있다면 상당히 유용한 제품이 될 것이다. 더 구체적으로 자동차의 전기 시스템에 쉽게 연결하여 자동차에 시동이 다시 걸릴 수 있도록 단시간에 차 배터리에 고전류를 흘려보낼 수 있는, 고전위를 내는 경량 소형의 고전압 고에너지 장치가 현재 필요하다. 본 발명은 상기한 모든 이점을 가지고 있다.

본 발명은 일반적으로 외부 에너지원을 사용하여 전하를 전기 저장 셀에 전달하는 것으로, 특히 전기 저장 셀이 설치된 기기에 에너지를 적절히 공급할 수 없을 정도로 에너지를 다 써버린 저장 셀 - 예컨대 자동차 전지 - 로 에너지를 전달하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 1실시예를 외부 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 1실시예에서 에너지원으로 사용된 전지 셀의 모형,

도 3은 도 2;에 도시된 것과 같은 본 발명의 1실시예에서 사용된 다중 전지 셀의 일례의 구성을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 1실시예에서 사용된 전지의 단면도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 1실시예에서 사용된 전지의 다른 실시예의 단면도로서, 도 5b는 양 전극의 구성에 대한 상세한 구성을 나타내 도면,

도 6a 및 도 6b는 종래 기술과 본 발명에 대한 전압 강하 대 시간 관계를 나타낸 그래프,

도 7a 및 도 7b는 종래 기술과 본 발명에 대한 전류 강하 대 시간 관계를 나타낸 그래프이다.

넓게 말하자면, 본 발명은 목표 전지로 전하를 효율적으로 공급하는 방법과 장치에 관한 것이다. 그러한 방법과 장치는 소형 경량의 1회용 전하 전달 시스템에 대한 필요를 만족시킨다. 본 발명이 의도하고 있는 응용 제품 중 가장 보편적인 것은 자동차용 전지이다.

목표 전지의 전압보다 훨씬 높은 과전압(over-voltage)을 낼 수 있는 경량의 휴대용 에너지원을 사용하여 전하를 공급한다. 그러한 에너지원은 짧은 시간내에 높은 전류를 발생시켜 목표 전지에 공급할 수 있다. 목표 전지란 이러한 휴대용 에너지원으로부터 나온 전하가 공급되는 전지를 말한다. 본 발명의 실용 사례 중의 하나에서 목표 전지는 전극들이 전해질 용액 속에 잠겨 있는 2차 전지이다. 이러한 전지는 흔히 에너지 저장 장치로 사용되고, 전해질 용액과 전극 사이의 상호 작용을 통해 에너지를 전달한다. 목표 전지가 방전이 되어 가면서 이 목표 전지의 전극에 비활성화 물질(passivation substance)이 형성된다.

가벼운 휴대용 에너지원으로부터 전하를 목표 전지로 공급하기 위해서는 이 에너지원이 목표 배터리에 전기적으로 연결되어 있어야 한다. 이 에너지원은 과전압, 즉 목표 전지의 전압보다 훨씬 높은 전압을 낸다. 예컨대, 목표 전지가 자동차용 배터리와 유사한 12볼트짜리 전지라면, 이 에너지원에서 발생되는 과전압은 12볼트보다 훨씬 높아야 한다. 최소한 18볼트 이상은 되어야 바람직하다. 최적의 결과를 내기 위해서 본 발명의 한 응용 사례에서는 36볼트를 사용한다. 이러한 과전압이 목표 전지로 전달될 때 고전류가 발생하고, 목표 전지의 전극 주변에 있는 전해질이 신속하게 전극 표면에 있는 기공 속으로 격리되어 들어간다. 전극 표면은 방전 때에 전해질과 반응할 수 있는 표면적을 극대화하기 위해 기공이 있게 만들어진다. 그러한 과전압으로 인해서 상당한 고전류가 흐르게 되고, 목표 전지의 전압보다 별로 높지 않은 전압이 흘렀을 때에 비해 존재하는 전해질의 양이 증가한다. 충전이 빨리 되면 목표 전지의 전극에 형성되는 비활성화 물질도 급속히 감소한다. 비활성화 물질은 목표 전지가 방전될 때 일어나는 화학 작용의 부산물로서 형성된다. 본 발명에서는 과전압을 사용하기 때문에 그러한 화학 작용을 역전시켜, 과전압보다 낮은 전압을 사용해서 전지를 충전할 때 일어나는 비활성화 물질의 감소율보다 훨씬 빠른 속도로 비활성화 물질이 감소하게 된다. 이렇게 과전압과 고전류가 전달됨으로써 전극으로부터 비활성화 물질이 떨어지고 전해질 용액과 결합하는 속도가 빨라지는 것은 사용자들에게 많은 이득을 준다. 일반적으로 본 발명은 목표 전지의 전극과 전해질의 접합면에서 전극판들을 가열한다. 이와 같이 전극판들이 가열되면 저온에서의 배터리 성능이 향상된다. 그 이유는 일반적으로 전지는 주변 온도보다 높은 온도로 유지될 때 성능이 더 좋기 때문이다. 예컨대, 한 자동차의 전지가 화씨 72도에서 시동이 걸릴 만큼의 충분한 에너지를 자동차 시동 장치에 전달할 수 있어도 주위 온도가 화씨 0도인 경우는 시동 장치에 시동이 걸릴 만큼의 에너지를 공급하지 못할 수도 있다. 이것은 전지 안에서 일어나는 화학 반응의 속도가 저온에서는 감소하기 때문이다. 이렇게 화학 반응 속도가 느려지게 되면 화학 에너지의 전기적 에너지로의 변환도 감소하게 된다. 전해질 용액 속 전극의 접합면 부분에서 전극이 가열되면 전류를 발생시키는 화학 반응도 증가하게 된다. 화학 반응이 증가하면 전지는 주변 온도 화씨 0도에서도 엔진에 시동이 걸리기에 충분한 양의 에너지를 차의 시동 장치에 전달해 줄 수 있게 된다. 뿐만 아니라 전극 판 표면에서 비활성화 물질을 제거함으로써 전기 저항을 감소시키고 잠재적으로 화학 반응을 일으킬 수 있는 전극의 면적을 넓힘으로써 목표 전지 전류 생성 능력을 한층 더 높일 수 있다.

본 발명의 또 다른 이점은 방전된 목표 전지의 전압을 짧은 시간 안에 높일 수 있다는 점이다. 예컨대, 어느 자동차의 전지가 시동용 모터를 반복하여 돌림으로써 완전히 방전되었다고 가정해 보자. 배터리에 충전된 전하가 고갈되어 엔진 시동을 걸 수 있을 만큼 충분한 에너지를 더 이상 공급할 수 없을 지경에 이르렀을 때, 본 발명은 이러한 목표 전지에 연결할 수 있다. 본 발명과 같은 휴대용 에너지원에 의해 발생된 과전압으로 인해 충분한 양의 전하가 신속하게 몇 분 안에 배터리로 전달되어 이 목표 전지가 자동차의 모터를 돌릴 수 있을 만큼의 충분한 에너지를 시동 장치에 공급하게 된다.

본 발명의 또 하나의 이점은 발명이 최대한의 효과를 내면서 동시에 무게가 가볍고 부피가 작으며 일회용이라는 점이다. 본 발명품은 크기가 작아 손바닥 안에 쏙 들어가며 자동차 실내의 사물함에 간편하게 보관할 수 있다. 실시예에 따르면, 본 발명은 자동차의 담배 라이터에 끼울 수 있는 커넥터를 통해서 목표 전지에 쉽게 연결할 수 있다. 즉, 차의 담배 라이터는 자동차의 전기 시스템과 연결되어 있어서 간접적으로나마 목표 전지와 전기적으로 연결되어 있기 때문이다.

일반적으로 본 발명은 목표 전지의 전압보다 훨씬 높은 과전압을 발생시켜 신속하게 목표 전지로 높은 전류를 흘려 보낼 수 있는 소형 경량의 휴대용 에너지원에 대한 필요를 만족시켜 준다. 과전압의 공급은, 경량 소형의 외부 에너지원으로부터 목표 전지로 전하를 신속하게 전달함으로써, 방전되어 버리긴 했지만 사용은 아직 가능한 목표 전지를 다시 작동할 수 있도록 해 준다.

본 발명의 1측면은, 부분적으로 방전된 배터리에 과전압을 주어 충분한 전류를 효율적으로 공급하는 작고 가벼운 장치라는 점이다. 이러한 장치의 일례가 도 1에 다양한 하드웨어 구성요소 및 상호연결과 함께 나타나 있다. 도 1에서 장치의 외부 구성이 참조부호 100으로 나타나 있다. 얇은 외부 쉘을 갖춘 용기(102)는 전지 셀(104)을 에워쌈과 더불어 밀폐한다. 이러한 설명을 명확하게 하기 위해 별다른 설명이 없는 한, 하나의 전지만이 앞으로 용기(102)와 관련한 본 발명을 설명하는데 이용하기로 한다.

용기(102)에는 하나 이상의 전지를 수용할 수 있음을 알 수 있다. 방전시 전지 셀(104)이 상당한 열을 발생시키고 팽창되기 때문에, "pillow-pack design" 의 용기(102)가 바람직하다. 용기(102)는 주변 모서리를 따라서 전지(104)와 접촉됨으로써 전지에서 방전시 방출되는 열이 용기(102)로 전달되는 경향을 최소화한다. 이와 같이 용기로 열이 전달되는 것을 감소시킴으로써 용기(102)의 "pillow-pack design"은 사용자가 전지에서 방전시 방출되는 열로 뜨거워진 전지의 용기를 만져서 깜짝 놀라게 되는 일이 없도록 한다.

pillow-pack design의 또 다른 장점은 전지(104)의 팽창에 기인하는 용기 (102)의 외형 변화가 없다는 것이다. 뿐만 아니라 용기의 모양이 보기 좋고 크기가 작아서 좁은 공간에도 놓아둘 수 있을 뿐 아니라 튼튼하고 생산 비용이 저렴하다. 전지 셀(104) 상에 도시된 콘택트(114)는 단자 끝(304) 쪽을 향해 위치하고 있다. 이 콘택트(114)는 애노드 콘택트로서 도시되어 있다. 제2콘택트(도시되지 않았음)는 전지 셀(104)의 반대 방향에 위치한다. 2개의 전기적 연결소자(106,108) - 소자(106)는 애노드-코넥터(114)로부터 연장되고, 소자(108)는 도시되지 않은 캐소드-코넥터로부터 연장되어 있음 - 는 용기(102)를 빠져나가 코넥터(116)와 전기적으로 부착된다. 전기적 코넥터(106)는 절연용 슬리브내에 놓여질 수 있다. 애노드-코넥터(114)로부터 연장되는 전기적 코넥터(106)는 코넥터(116)의 팁(112)에 전기적으로 연결되어 있다. 캐소드-콘택트로부터 연장되는 전기적 연결 소자(118)는 코넥터(116)의 암(110)에 전기적으로 연결된다. .

암(110)은 코넥터(116)로부터 연장되고, 압력이 암(110)의 외측에 전달될 때 코넥터(116)내로 들어가게 된다. 예컨대, 코넥터(116)를 자동차의 담배 라이터용 콘센트에 꼽으면, 암(110)은 코넥터(116)가 담배 라이터용 콘센트에 꼽히면서 그 콘센트 안의 벽에 의해 눌리게 된다. 마찬가지로, 코넥터가 자동차의 담배 라이터 콘센트에 꼽힐 때, 팁(112)이 코넥터(116)안으로 접혀 들어간다. 암(110)은 담배 라이터의 캐소드측과 연결하는데 사용되고,팁(112)은 라이터의 애노드측에 연결하는데 사용한다. 또 담배 라이터는 자동차의 전기적 시스템을 통해 목표 전지와 전기적으로 연결된다.

도 1에는 담배 라이터 커넥터가 도시되어 있지만, 다양한 종류의 코넥터가 사용될 수 있다. 예컨대, 악어 이빨 모양의 집게(alligator clips), 전선 묶음, 스크류 등 종류에 상관없이 도전성이 있는 조임 장치이면,전기적 연결소자(106, 108)를 목표 전지의 애노드 및 네가티브 단자에 각각 연결시키는데 이용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 1실시예에서 이용되는 전형적인 전지를 나타낸다. 설명을 용이하게 하기 위해, 도 3이 아연 산화 망간 일차적 셀 전지라고 가정하는 바, 그렇지만 실시예는 이것 뿐이라는 것은 아니다. 발명이 최대의 효과를 내는 조건에서 전지(200)는 높이 4인치 미만, 너비 4인치, 두께 0.5인치이다. 높이, 너비, 깊이를 측정한 방향이 도 2에서 높이를 H로, 너비를 W로, 두께를 T로 각각 나타내고 있다. 그러나 도시된 것보다 크기가 큰 전지일지라도 경량이고 극판 면적이 넓은 한 사용할 수 있다.

전지(200)는 얇은 절연층(204)으로 둘러싸여 있다. 전지의 캐소드쪽에 구멍(206)이 나타날 수 있고, 이를 도 2에서 네가티브("-")로 표시했다. 전지의 애노드측으로부터 연장되는 탭(202)이 또한 도시되어 있다. 이 탭(202)은 절연층 (204)을 통해 연장되고, 도시된 바와 같이 수직 방향으로 위치할 수도 있고, 어떤 식으로 놓여도 전지(200)와 다른 전지 또는 목표 전지의 연결을 용이하게 한다. 하나 이상의 전지가 사용되는 경우, 본 발명 전체의 전압과 전류 발생 용량을 증가시키기 위해 전지들을 직렬로 연결할 수 있다.

본 발명이 구현된 구조를 나타낸 예가 도 3에 도시되어 있다. 도 2에 나타나 있는 6개의 전지가 직렬로 연결되어 있다. 전지(302)의 탭(303)은 뒤로 접혀 전지(200)의 애노드측과 평행하게 뻗어서 절연층(307) 윗부분에 놓일 수 있다. 전지(302)를 다른 전지들과 직렬로 놓기 위해, 전지(302)는 제2전지(202) 바로 다음에 놓여졌다. 그 결과, 탭(303)이 인접 전지의 개방면(206)에 접촉하게 된다. 이러한 방법으로 몇 개든 상관없이 전지가 인접 전지에 연결될 수 있다. 탭(303)이 인접 전지(200)의 애노드측에서 분리되는 것을 방지하기 위해 유지수단이 전지를 함께 누르도록 이용된다.

전지들을 함께 누르기 위한 하나의 수단이 도 3에 도시된 바와 같이 전지들 주위를 플라스틱 끈(308)으로 두르는 것이다. 테이프, 실, 또는 단단히 묶어두기 위한 여러 재료와 같은 다른 수단이 사용될 수 있다. 플라스틱 끈(308)은 전지들을 다 합친 전체의 주변을 둘러싸고 전지들의 단자 끝(304) 근처에 놓여져 있다. 이와 같이 유지수단을 전지들의 단자 끝(304)쪽에 둠으로써 전지들이 방전시 팽창할 때 말단부(306)가 부채살처럼 펴지게 할 수 있다. 본질적으로 전지들은 방전 중 단자 끝(304)쪽으로 놓은 유지수단을 축으로 움직이게 된다. 말단부(304)에서 전지들이 이처럼 부채살 모양으로 퍼짐(fanning-out)에 따라 인접 전지가 탭(303)에 가하는 압력이 증가하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 콘택트(114)는 전기적 연결소자(106)를 코넥터( 116)의 암(110)에 연결하기 위해 사용된다. 마찬가지로, 캐소드 콘택트(도시되지 않았음)는 전기적 연결소자(108)에 의해 코넥터(116)의 팁(112)에 연결된다. 이 전기적 연결소자를 애노드 및 네가티브 단자에 연결하는데에는 전선을 서로 모아 꼰다거나, 납땜하거나, 테이프로 붙이기 및 기타 전기적 연결 방법을 사용할 수 있다. 본 발명이 최대의 효과를 내는 조건에서는 그러한 요소들을 단자에 연결하는 데 3M-1245형 엠보싱 구리 테이프와 같은 도전성이 있는 접착 테이프를 사용한다.

본 발명의 1실시예에서 Leclanche 셀이 에너지원으로 사용된다. 도4 와 도 5는 본 발명에서 사용된 Leclanche 전지 셀의 하나의 구성을 나타낸다. 도 4에서 아연 애노드(408)가 캐소드(410)의 반대 방향에 위치한다. 캐소드로는 산화 망간 또는 기타 캐소드로 사용하기에 적절한 물질을 사용할 수 있다. 도시된 바와 같이, 애노드(408)와 캐소드(410)는 도시된 바와 같이 분리체(406)로 분리되어 있다. 절연막(420)이 애노드(408), 분리체(406), 캐소드(410)를 감싸고 있다. 네가티브 단자(404)는 절연층(420)안에 있는 구멍 하나에 의해 노출되어 있고, 포지티브 단자(402)는 절연층(420)내에 있는 구멍 한 개를 통해 노출되어 있다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, 도 2 및 도 3에 도시된 탭(202)은 전지(400)를 다른 전지와 전기적으로 연결하는 것을 용이하게 하기 위해 포지티브 단자(402)로부터 나올 수도 있다. 마찬가지로, 네가티브 단자(404)도 도 2에 도시된 바와 같이 구멍(206)과 같은 구멍일 수도 있다.

전지(400)를 둘러싸는 절연층(420)은 여러가지 이점을 제공한다. 그 중의 하나는 전지를 절연하여 배터리 내의 구성 물질 중 전해질 외에는 다른 요소들과 전혀 반응을 하지 않도록 한다는 것이다. 또 다른 이점으로는 애노드(408)나 캐소드(410)가 의도하지 않게 도전성을 띈 표면과 접촉하게 되어 전지에 전기 쇼트가 나는 것을 방지한다는 것이다. 또 다른 이점은 배터리 방전 도중에 배터리가 팽창할 수 있게 한다는 것이다. 그 외에도 이러한 절연막의 이점은 수도 없이 많지만 위의 몇 가지 언급만으로도 이 분야에 정통한 사람들은 쉽게 그 우수성을 이해할 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명에서 사용되는 다른 형태의 전지 셀을 나타낸 것이다. 도 5A는 산화 망간 캐소드(504)에 대한 아연 애노드(502)의 방향성을 나타낸다. 아연 애노드(502)는 전해질 용액을 스며들게 한 그물구조(508)에 의해 산화 망간 캐소드로부터 분리되어 있다. 캐소드(504)와 애노드(502) 모두 물에 녹인 라텍스 결합물질의 혼합물로서 도전성을 가지는 박판에 입힌 후 말린 것이다. 얇은 합성 그물 구조(508)는 젤화된 전해질이 스며들게 해서 양 전극을 서로 분리하고 전지 주변의 고온에 녹는 밀봉 혼합물에 대한 지지대 역할을 한다. 절연 쉘(512)은 전지 소자(500)를 둘러싼다. 이 절연 쉘에는 도 4에 도시된 바와 같은 구멍이 있을 수 있는데, 이는 해당 전지를 다른 전지와 연결하는 것을 용이하게 하기 위한 것이다. 도 5B는 양 전극의 단면을 상세히 나타내고 있다. 설명을 용이하게 하기 위해 지금까지 산화 망간-아연 배터리를 가지고 설명하였지만, 목표 전지와 비교하여 상대적으로 충분한 과전압를 생성할 수 있고 고전류 발생 용량이 있다면 어떠한 에너지원이 사용되어도 상관없다.

도 6a 및 도 6b는 각각 종래 기술과 본 발명에서, 충전원에서 목표 전지로 전압이 흐르는 것을 나타낸다. 종래 기술에서는 전압이 목표 전지에 연결되고 난 후 약간 감소했다가 오랜 시간 동안 일정하게 유지되는 형태를 보여 주는 반면, 본 발명에서는 목표 전지에 연결된 직후 전압이 상당히 떨어지고 단기간 동안 유지되는 것을 알 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 각각 종래 기술과 본 발명에서 충전원에서 목표 배터리로 전류가 흐르는 것을 보여 준다. 종래 기술에서는 전류가 약간 감소하고 오랜 동안 유지되는 것을 알 수 있는 반면, 본 발명에서는 목표 전지에 연결한 후 전류가 급속히 크게 감소하고 단시간에 걸쳐 전류가 공급됨을 알 수 있다.

여기서는 현재 본 발명이 최대의 효과를 낸다고 생각되는 실시예를 지금까지 설명했지만, 이 분야에 정통한 사람이라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않고도 특허 청구의 범위에 기재된 바와 같이, 다양한 변형과 개선이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예컨대, 전원으로 아연-공기 배터리, 연료셀, 또는 납-산 재충전 가능 전지 또는 전지들을 사용할 수 있다. 따라서, 상기한 본 발명에 대한 설명이 별첨한 특허 청구의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안될 것이다.

Claims (22)

1. 목표 전지가 전해질 용액에 잠겨져 있는 판을 갖추고, 에너지가 전해질 용액과 전극판의 상호 작용에 의해 목표 전지로 전달 및 목표 전지로부터 방출되며, 목표 전지가 방전됨에 따라 전극판상에 비활성화 물질이 형성되는 목표 전지 충전방법에 있어서,

   에너지원을 목표 전지에 연결하고, 전지가 목표 전지 전압을 갖추는 단계와;

   에너지원으로부터 목표 전지 전압보다 훨씬 높은 과전압을 전달하는 단계;

   목표 전지의 판을 둘러싸고 있는 전해질이 판 표면을 구성하는 기공 속으로 대량으로 신속하게 분리 흡수되도록 함으로써 기공 부근의 전해질 양이 증가하도록 하는 단계;

   판과 판 주위의 전해질을 가열시키는 단계;

   판에 있는 비활성 물질을 감소시키는 단계;

   목표 전지의 전압을 증가시키는 단계 및;

   목표 전지 내에 존재하는 기전력에 대한 판저항을 감소시키는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 목표 전지 충전방법.
2. 제1항에 있어서, 판에 존재하는 비활성 물질의 감소가 전해질에 반응할 수 있는 판 영역을 증가시키는 것을 특징으로 하는 목표 전지 충전방법.
3. 제1항에 있어서, 에너지원이 연료 전지인 것을 특징으로 하는 목표 전지 충전방법.
4. 제1항에 있어서, 에너지원이 전기적으로 직렬로 연결된 하나의 이상의 전지로 이루어지고, 목표 전지에 급속하게 전류를 전달하기에 충분한 최소 과전압을 발생시킴과 더불어 목표 전지는 최소 6볼트 전지인 것을 특징으로 하는 목표 전지 충전방법.
5. 제1항에 있어서, 에너지원이 저느기적으로 직렬로 연결된 하나 이상의 전지로 이루어지고, 전지가 36볼트의 최소 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 목표 전지 충전방법.
6. 제5항에 있어서, 목표 전지가 12볼트 전지인 것을 특징으로 하는 목표 전지 충전방법.
7. 전지가 전해질에 잠겨져 있는 판을 갖추고, 전해질 용액과 판의 상호 작용에 의해 에너지가 목표 전지로 전달됨과 더불어 전지로부터 방전되며, 전지가 방전됨에 따라 비활성 물질이 판에 형성되는 전지 처리방법에 있어서,

   에너지원을 전지 전압을 갖춘 전지에 연결하는 단계와;

   에너지원으로부터 목표 전지 전압보다 실질적으로 더 높은 과전압을 전달하는 단계;

   판에 인접함과 더불어 기공 부근의 전해질 양을 증가시키기 위해 목표 전지의 전해질이 판 표면을 구성하는 기공 속으로 대량으로 신속하게 분리 흡수되도록 야기시키는 단계;

   판과 판 주위의 인접하는 전해질 및 전해질을 가열시키는 단계 및;

   전지 내부에 존재하는 기전력에 대한 판 저항을 감소시키는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 처리방법.
8. 목표 전지가 전해질 용액에 잠겨 있는 판을 갖추고, 에너지가 전해질과 판의 상호작용에 의해 목표 전지로 전달됨과 더불어 목표 전지로부터 방전되며, 목표 전지가 방전됨에 따라 판에 비활성 물질이 형성되는 목표 전지 내의 전하 재생장치에 있어서,

   목표 전지의 전압보다 실질적으로 더 높은 과전압을 발생시킬 수 있는 경량의 휴대용 에너지원을 구비하여 구성되고;

   상기 과전압이,

   판 주변과 기공 내부의 전해질 양을 증가시키기 위해 급속히 충분하게 재생되어 판 표면을 구성하는 기공내로 주입되어지는 목표 전지의 판 주위를 에워싸는 전해질과;

   판의 가열;

   판 내부에 있는 비활성 물질을 판 주위의 전해질 용액으로의 변환;

   목표 전지 전압의 증가;

   목표 전지 내부에 존재하는 전자전력에 대한 판 저항의 감소 및;

   에너지원과 목표 전지를 연결하는 코넥터로 야기되는 것을 특징으로 하는 전하 재생장치.
9. 제8항에 있어서, 에너지원이 손바닥에 쏙 들어가고;

   패키지가,

   기본면과 인접면을 갖추고, 각 면이 제2모서리와 대향하는 제1모서리와, 근단에 대향하는 말단부를 포함하는 얇은 외부 쉘과;

   두 면 사이에 형성된 홈을 구비하여 이루어지고, 기본면의 제1모서리가 인접면의 제1모서리와 연결되고, 기본면의 제2모서리가 인접면의제2모서리에 연결되며, 두 면의 말단부와 인접단이 일단 또는 양단에서 밀폐되어 홈을 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 전하 재생장치.
10. 제8항에 있어서, 경량 휴대용 에너지원이 방전되지 않을 때의 폭 6인치, 높이 6인치, 두께 2인치 이하인 것을 특징으로 하는 전하 재생장치.
11. 상부측이 있는 덮개를 갖추고, 전압을 갖는 전지와;

    애노드와 캐소드전극을 포함하는 셀을 형성하도록 상호연결된 덮개내의 판;

    상부 커버를 통해 판으로부터 연장되는 애노드 및 캐소드 단자;

    전해질 용액과 판의 상호 작용에 의해 에너지가 목표 전지로 전달됨과 더불어 목표 전지로부터 방전되고, 목표 전지가 방전됨에 따라 판에 비활성 물질이 형성되는 판을 에워싸는 전해질 용액 및;

    하나 이상의 셀로 구성된 경량의 휴대용 에너지원을 구비하여 구성되고;

    각각의 셀이,

    애노드 소자와;

    애노드 소자와 대향하는 캐소드 소자;

    캐소드 소자로부터 애노드 소자를 분리하는 분리소자;

    소자들을 에워싸는 전해질 매체;

    내부와 외부를 갖추고, 내부가 전해질 매체를 에워싸는 덮개;

    캐소드 소자에 접촉되어 덮개 외부와 전기적 접촉을 제공하는 포지티브 단자;

    애노드 소자에 연결되어 덮개 외부와 전기적 접촉을 제공하는 네가티브 단자 및;

    에너지원이 목표 전지와 연결되면, 전극판에 있는 비활성 물질이 신속하고 충분하게 판으로부터 용해하여 전해질과 결합함으로써 전지 내부의 전자기력에 대한 판의 저항을 감소시키기에 충분한 과전압을 생성하도록 에너지원과 전극을 전기적으로 연결시키기 위한 코넥터를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 장치.
12. 제11항에 있어서, 코넥터는 몸체와 포지티브 콘택트 및 네가티브 콘택트를 갖추고, 포지티브 콘택트는 덮개 외부의 캐소드 콘택트와 전기적으로 연결됨과 더불어 네가티브 콘택트는 덮개 외부의 애노드 콘택트와 전기적으로 연결되며, 코넥터가 자동차 담배 라이터 또는 자동차 전지와 전기적 연속성이 있는 전기 콘택트에 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 장치.
13. 제12항에 있어서, 에너지원이 손바닥 크기 패키지에 수용되고;

    패키지가,

    기본면과 인접면을 갖추고, 각 면이 제2모서리와 대향하는 제1모서리와, 근단에 대향하는 말단부를 포함하는 얇은 외부 쉘과;

    두 면 사이에 형성된 홈을 구비하여 이루어지고, 기본면의 제1모서리가 인접면의 제1모서리와 연결되고, 기본면의 제2모서리가 인접면의제2모서리에 연결되며, 두 면의 말단부와 인접단이 일단 또는 양단에서 밀폐되어 홈을 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 방법.
14. 제12항에 있어서, 비활성 물질이 황산납인 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 방법.
15. 제12항에 있어서, 에너지원이 연료 전지인 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 방법.
16. 제12항에 있어서, 에너지원이 직렬로 연결된 하나 이상의 전지를 구비하여 구성되고, 전지가 36볼트의 최소 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 방법.
17. 제14항에 있어서, 목표 전지가 12볼트 전지인 것을 특징으로 하는 전지내의 전하를 급속히 충전시키기 위한 방법.
18. 목표 전지가 전해질 용액에 잠겨져 있는 판을 갖추고, 에너지가 전해질 용액과 전극판의 상호 작용에 의해 목표 전지로 전달됨과 더불어 목표 전지로부터 방전되며, 목표 전지가 방전됨에 따라 판상에 비활성화 물질이 형성되는 목표 전지 내에 함유된 판 표면과 인접하는 전해질을 가열하는 장치에 있어서,

    과전압과 연속적인 전류 흐름은 판으로부터 급속히 충분하게 용해하여 전해질로 확산시켜 판상에 비활성화 물질을 야기시키고, 목표 전지의 전압보다 실질적으로 더 높은 과전압을 발생시킬 수 있는 경량의 휴대용 에너지원과;

    전극판과 전해질 경계면에서의 판의 가열;

    목표 전지 내부에 존재하는 전자기력에 대한 판의 저항의 감소 및;

    목표 전지에 에너지원을 연결하기 위한 코넥터를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 목표 전지 내에 함유된 판 표면과 인접하는 전해질을 가열하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 코넥터는 몸체와 포지티브 콘택트 및 네가티브 콘택트를 갖추고, 포지티브 콘택트는 덮개 외부의 캐소드 콘택트와 전기적으로 연결됨과 더불어 네가티브 콘택트는 덮개 외부의 애노드 콘택트와 전기적으로 연결되며, 코넥터가 자동차의 담배 라이터에 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 목표 전지 내에 함유된 판 표면과 인접하는 전해질을 가열하는 장치.
20. 목표 전지가 전해질에 잠겨져 있는 판을 갖추고, 전해질 용액과 판의 상호 작용에 의해 에너지가 목표 전지로 전달됨과 더불어 목표 전지로부터 방전되며, 전지가 방전됨에 따라 비활성 물질이 판에 형성되는 목표 전지 처리방법에 있어서,

    연결수단을 이용하여 에너지원과 목표 전지 전압을 갖춘 목표전지를 연결하는 단계와;

    에너지원으로부터 목표 전지 전압보다 실질적으로 더 높은 과전압을 전달하는 단계 및;

    충분히 큰 전류를 목표 전지에 신속하게 충전하도록 과전압을 이용하는 단계를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 목표 전지 처리방법.
21. 제20항에 있어서, 코넥터 수단이,

    몸체와;

    몸체와 일체로 되는 포지티브 콘택트 및;

    에너지원과 코넥터를 전기적으로 연결하도록 몸체와 일체로 되는 네가티브 콘택트를 구비하여 이루어지고, 코넥터가 코넥터와 목표 전지를 전기적으로 연결하도록 자동차의 담배 라이터에 알맞게 삽입되는 것을 특징으로 하는 목표 전지 처리장치.
22. 제21항에 있어서, 에너지원이 손바닥 크기 패키지에 수용되고;

    패키지가,

    기본면과 인접면을 갖추고, 각 면이 제2모서리와 대향하는 제1모서리와, 근단에 대향하는 말단부를 포함하는 얇은 외부 쉘과;

    두 면 사이에 형성된 홈을 구비하여 이루어지고, 기본면의 제1모서리가 인접면의 제1모서리와 연결되고, 기본면의 제2모서리가 인접면의제2모서리에 연결되며, 두 면의 말단부와 인접단이 일단 또는 양단에서 밀폐되어 홈을 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 목표 전지 처리방법.