KR20010032592A - 복합 배터리 및 그 제조 방법 - Google Patents

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야민헤르젤
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Abstract

본 발명은 복합 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 복합 배터리는 1차 화학전지 및 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지를 포함한다. 2차 화학전지는 1차 화학전지에 전기적으로 병렬 연결된다. 2차 전지가 완전히 충전되는 경우, 1차 화학전지의 개방 회로 전압은 2차 전지의 개방 회로 전압보다 낮다. 2차 화학전지가 1차 화학전지에 전기적으로 병렬 연결된 후, 2차 전지의 자가 방전율은 예정된 자가 방전율보다 낮다.

Description

복합 배터리 및 그 제조 방법 {A COMPOSITE BATTERY AND METHODS OF FORMING SAME}
Li/SOCl2(리튬/티오닐 클로라이드) 또는 Li/SO2Cl2(리튬/설푸릴 클로라이드)와 같은 리튬/옥시할라이드 화학전지 시스템은 고에너지 밀도 및 상대적으로 긴 동작 수명을 가지는 1차 화학전지이다. 이러한 시스템의 실용화 가능한 용도중 하나는 자동 계기 판독 시스템과 같이 긴 배터리 수명이 요구되는 제품에서의 동력원으로 사용되는 것이다. 통상적으로, 이러한 시스템의 전류 소모량은 수 마이크로암페어로 지속되는 낮은 암전류(sustained low background current) 및 수십 내지 수백 밀리암페어의 진폭 및 밀리초 범위의 지속시간(duration)을 가지는 간헐성 단락 전류 펄스를 포함한다.
불행하게도, 개방 회로 조건 또는 낮은 암전류 하에서 저장되는 동안, 리튬/옥시할라이드 전지 시스템의 리튬 양극은 배터리의 동작 전압을 실질적으로 감소시키는 필름에 의하여 부동화(passivated) 된다. 이리하여, 고전류 펄스 동안 전지의 전압은 낮은 레벨로 떨어지게 된다. 이러한 낮은 전압의 문제는 부동화 필름을 변형시킴으로써 그 전도율을 증가시키기 위하여 폴리비닐 클로라이드와 같은 유기 화합물 또는 SO3와 같은 무기 화합물을 전지 용액에 첨가하여 부분적으로 극복할 수 있다. 그러나, 이러한 첨가제는 전체 전지의 수명에 대한 부동화 문제를 완전히 해결해 주지 못하며, 몇 달 후에 전지의 전압을 낮추는 유사한 부동화 현상이 나타난다.
가능한 다른 해결 방법은 전지 전극의 표면적을 증가시키는 것이다. 예를 들면, 표면적이 작은 보빈 타입의 디자인은 전극의 표면적이 큰 "젤리 롤" 타입의 디자인으로 대체될 수 있다. 불행하게도, 젤리 롤 타입의 디자인을 가지는 1년 내지 2년 된 전지는 유사한 부동화 문제 및 낮은 전압 문제를 발생시키기 때문에, 이러한 접근법 또한 상기 문제에 대한 부분적인 해결책만을 제공할 뿐이다.
젤리 롤 디자인의 옥시할라이드 배터리의 다른 단점은 단락, 압축 또는 네일 페네트레이션(nail penetration)과 같은 임의의 조건하에서 전지가 폭발할 수 있다는 것이다.
종래에는 축전기를 Li/옥시할라이드 전지와 같은 1차 화학전지와 병렬 연결시킴으로써 도 1에 도시된 회로를 만들 수 있었다. 도 1은 축전기(6)와 병렬 연결된 1차 화학전지(4)를 포함하는 종래 전기 회로(2)의 개략도이다. 이러한 배열은 회로(2)로부터 전류가 공급될 때에 전압 강하는 다소 감소시킬 수 있다. 통상적으로, 축전기(6)는 축전기(6)에 걸리는 전압이 1차 화학전지(4)에 걸리는 전압과 같아질 때까지 1차 화학전지(4)에 의하여 충전된다. 화학전지(4)는 축전기의 누전을 보충하는데 요구되는 적은 양의 전류를 공급하는데 필요할 것이다. 회로(2)가 단자(8 및 9)에 연결된 로드(도시되지 않음)에 걸리는 큰 전류 펄스를 공급하는데 요구되는 경우, 초기에는 전류의 일부가 축전기(6)에 의하여 공급되어 화학전지(4)로부터 공급되는 전류의 양을 감소시키고 이는 초기 화학전지(4)의 전압 강하를 감소시킨다.
불행하게도, 이러한 방법에서 연장된 지속시간 동안 수용 가능한 전압 레벨을 유지하는데는 회로(2)에 매우 큰 커패시턴스 값을 가지는 축전기(6)가 요구되기 때문에 매우 제한적으로 적용된다. 통상적으로, 이렇게 큰 축전기는 다양한 유형의 제품에 대하여 지나칠 정도로 부피가 크고 고가일 것이다. 또한, 축전기(6)가 커질수록 축전기(6)의 전하 누전율도 커져서 화학전지(4)의 방전율을 증가시키게 되는데 이는 바람직하지 못하다.
축전기(6)로 "슈퍼-축전기", 예를 들면 모델 FEOH474Z 슈퍼 축전기(NEC사 제품, 일본)를 사용한다 하더라도, 이런 슈퍼 축전기는 축전기에 의하여 공급될 수 있는 순간 전류의 크기를 제한하는 매우 높은 임피던스 값을 가지기 때문에 상기 문제를 해결하지 못한다. 또한, 이런 슈퍼 축전기는 화학전지의 방전율을 바람직하지 못하게 증가시키는 비교적 높은 누출 전류를 가진다.
본 발명은 일반적인 전기 배터리 분야, 특히 복합 배터리 분야에 관한 것이다.
본 명세서는 동일한 구성요소는 동일한 부재 번호로 표시한 첨부 도면을 참고하여 예시적으로 본 발명을 설명한다.
도 1은 축전기와 병렬 연결된 화학전지를 포함하는 종래의 전기 회로의 개략도.
도 2는 2차 화학전지와 병렬 연결된 1차 화학전지를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 복합 배터리의 전기 회로를 도시한 개략도.
도 3은 도 2의 복합 배터리를 개략적으로 도시한 등척도(isometric view).
도 4는 복합 배터리의 조립에 유용한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 리튬/옥시할라이드 1차 화학전지의 개략적인 단면도.
도 5는 복합 배터리의 조립에 유용한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 리튬 이온 2차 화학전지의 개략적인 단면도.
도 6은 도 5의 변형된 리튬 이온 2차 화학전지 및 도 4의 리튬/옥시할라이드 1차 화학전지로 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 복합 배터리를 개략적으로 도시한 단면도.
도 7은 인쇄 회로 기판 상의 전기 커넥터를 통해 전기적으로 병렬 연결되어 복합 배터리를 형성하는 본 발명의 바람직 실시예에 따르는 1차 화학전지 및 2차 화학전지를 포함하는 인쇄 회로 기판을 개략적으로 도시한 등척도.
본 발명의 목적은 연장된 수명을 가지며 간헐성 고전류 펄스를 제공할 수 있는 복합 배터리를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 1차 화학전지 및 상기 1차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결되고 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지를 포함하는 복합 전기 배터리를 제공한다. 2차 전지가 완전히 충전되는 경우, 1차 화학전지의 개방 회로 전압은 2차 전지의 개방 회로 전압보다 상당히 낮다. 2차 화학전지가 1차 화학전지에 전기적으로 연결된 후의 2차 화학전지의 자가 방전율은 소정의 자가 방전율보다 낮을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 1차 화학전지를 2차 화학전지와 연결한 다음, 복합 배터리의 개방 회로 전압이 1차 화학전지의 개방 회로 전압과 대체로 유사한 전압으로 안정화될 때까지 1차 화학전지로 2차 화학전지를 충전시킨다.
또한, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 복합 전기 배터리를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 1차 화학전지를 제공하는 단계, 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지를 제공하는 단계, 및 1차 화학전지를 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결하여 복합 전기 배터리를 제조하는 단계를 포함한다. 2차 전지가 완전히 충전되는 경우, 1차 화학전지의 개방 회로 전압은 2차 전지의 개방 회로 전압보다 현저하게 낮다. 전기적으로 연결되는 단계 후 2차 화학전지의 자가 방전율은 소정의 자가 방전율보다 낮다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 상기 방법은 전기적으로 연결하는 단계 다음에 복합 배터리의 개방 회로 전압이 1차 화학전지의 개방 회로 전압과 대체로 유사한 전압으로 안정화될 때까지 1차 화학전지로 2차 화학전지를 충전시키는 단계를 추가로 포함한다.
나아가서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 2차 화학전지가 1차 화학전지 내에 배열되거나, 1차 화학전지가 2차 화학전지 내에 위치하게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 1차 화학전지는 인쇄 회로 기판에 포함되는 전기 커넥터에 의하여 2차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 1차 화학전지는 리튬/옥시할라이드 화학전지이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 리튬/옥시할라이드 클로라이드 화학전지는 리튬/티오닐 클로라이드 화학전지 및 리튬/설푸릴 클로라이드 화학전지를 포함하는 그룹중 하나이거나, 설푸릴 클로라이드 및 티오닐 클로라이드의 혼합물을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 2차 화학전지는 리튬 이온 2차 전지 또는 리튬 폴리머 이차 전지이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 2차 화학전지를 1차 화학전지에 전기적으로 연결한 후의 2차 화학전지의 단위 년당 자가 방전율은 25℃의 온도에서 복합 배터리의 초기 전하량의 30% 이하이다.
리튬 2차 화학전지 시스템은 당 기술 분야에 공지되어 있다. 통상적으로, 이러한 시스템은 탄소 또는 흑연 양극 및 LiCoO2, LiNiO2, 및 스피넬 LiMn2O4와 같은 음극 물질을 포함한다. 최근에는 LiCoO2음극으로 이루어지는 2차 전지가 다양한 휴대용 전자 장치의 동력원으로 사용되고 있다.
리튬 이온 2차 전지와 같은 몇몇 2차 전지는 완전히 충전되는 경우에 상대적으로 높은 자가-방전율을 가진다. 따라서, 이렇게 완전히 충전된 2차 전지의 자체적인 용량 손실 기대값은 상대적으로 높다.
그러나, 동일한 2차 전지가 부분적으로 또는 거의 완전히 방전된 상태인 경우에는 상대적으로 낮은 자가 방전율을 갖게된다. 예를 들면, 최대 전하량의 10%까지 방전된 리튬 이온 및 리튬 폴리머 2차 전지에서 단위 년당 자가 방전율은 통상적으로 +20℃에서 전하량의 1 내지 3%에 불과하다. 따라서, 이러한 2차 전지가 부분적으로 또는 완전히 방전된 상태인 경우, 이들을 도 1의 축전기(6) 대신 사용하면 1차 화학전지(4)의 전류 전달 용량을 개선시킬 수 있다. 축전기 대신에 이렇게 완전히 또는 부분적으로 방전된 2차 전지를 사용하면 2차 전지가 상당히 높은 에너지 밀도를 저장하게 되고 대부분의 시판 축전기보다 단위 중량당 큰 전하를 전달할 수 있으므로 유용하다. 또한, 상기에서 언급된 대부분의 슈퍼-축전기와는 반대로, 이러한 2차 전지는 특히 간헐성 고전류 펄스에 초 범위의 펄스 지속시간을 제공하도록 하는 비교적 낮은 임피던스 및 낮은 자가 방전율을 가진다.
도 2 및 도 3은 참조하여 설명한다. 도 2는 2차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결된 1차 화학전지를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 복합 배터리의 전기회로를 도시한 개략도이다. 도 3은 도 2의 복합 배터리를 개략적으로 도시한 등척도이다.
본 발명의 복합 배터리(12)는 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지(14)와 전기적으로 병렬 연결된 1차 화학전지를 포함한다. 예를 들면, 1차 화학전지(4)는 Li/SOCl2전지일 수 있다. 2차 화학전지(14)는 완전 또는 부분 방전된 리튬 이온 2차 전지일 수 있다.
표 1은 2가지 유형의 리튬/옥시할라이드 1차 전지 및 2가지 유형의 리튬 2차 전지의 통상적인 개방 회로 전압값을 포함한다. 표 1의 개방 회로 전압값은 단지 근사값으로서 달라질 수 있음을 주의한다.
또한, 표 1의 리튬 2차 전지에 관한 개방 회로 전압값은 완전히 충전된 전지에 대한 것이다.
〈표 1〉
전지 유형 전지 이름 개방 회로 전압(V)
1차 전지 Li/SOCl2 3.65 - 3.75
Li/SO2Cl2 3.90 - 3.94
2차 전지 리튬 폴리머 4.05 - 4.15
리튬 이온 4.05 - 4.15
표 1의 개방 회로 전압으로부터 도 4의 Li/SOCl21차 전지(4)의 개방 회로 전압이 대략 3.7V임을 알 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 완전히 방전된 리튬 이온 2차 전지(14)가 Li/SOCl21차 전지(4)에 병렬로 연결되는 경우, 1차 Li/SOCl2전지(4)는 리튬 이온 2차 전지(14)를 3.7 볼트로 충전시킬 것이다. 완전히 충전된 리튬 이온 2차 전지(14)는 약 4.1 볼트의 전압을 가지기 때문에, Li/SOCl21차 전지(4)는 리튬 2차 전지(14)를 단지 전체 전하량의 90 내지 95%까지 충전시킬 것이다.
리튬 이온 2차 전지(14)의 부분적인 충전은 2가지 중요한 장점을 가진다. 첫 번째 장점은 리튬 이온 2차 전지(14)의 자가 방전율이 완전히 충전된 상태에서의 그들의 자가 방전율보다 현저하게 낮다는 것이다. 두 번째 장점은 이들의 전체 전하량의 90 내지 95%와 같이 부분적으로 방전된 상태에서 리튬 이온 2차 전지는 완전히 충전된 상태에서보다 상당히 덜 위험하다는 것이다. 상기에 기재된 부분적으로 충전된 상태의 리튬 이온 2차 전지는 단락, 네일 페네트레이션 및 압축과 같은 조건하에서 폭발 위험성이 상당히 낮다.
리튬 이온 2차 전지(14)가 부분적으로 또는 완전히 방전된 상태인 경우에 한하여 Li/SOCl21차 전지(4)는 도 2의 리튬 이온 2차 전지(14)와 병렬로 연결되어야 한다. 리튬 이온 2차 전지(14)가 완전히 충전된 경우에 리튬 이온 2차 전지(14)를 Li/SOCl21차 전지(4)에 병렬로 연결하면, 리튬 이온 2차 전지(14)의 대략 4.1V의 높은 전압은 전류가 Li/SOCl21차 전지(4)를 따라 흐르도록 하여 Li/SOCl21차 전지(4)의 폭발 또는 1차 전지(4) 내에서 SOCl2의 분해를 초래할 것이다.
따라서, 리튬 이온 2차 전지(14)를 Li/SOCl21차 전지(4)와 병렬로 연결하여 본 발명의 복합 배터리를 제조하는 경우에는, 리튬 이온 2차 전지(14)가 적어도 부분적으로 방전되도록 하여 이들의 개방 회로 전압이 연결되는 Li/SOCl21차 전지(4)의 개방 회로 전압과 동일하거나 그 값보다 낮게 해야한다는 점에 주의를 기울여야 한다.
실시예 1
AA 타입의 Li/SOCl2전지 모델 TL5903 사이즈 14500(본 발명의 양수인인 TADIRAN BATTERIES Ltd.의 제품, 이스라엘)을 완전히 방전된 모델 TL-8103 AA 사이즈(사이즈 14500) 리튬 이온 LixCoO2전지(TADIRAN BATTERIES Ltd. 제품)에 병렬로 연결하였다. 전지가 연결되자마자, Li/SOCl21차 전지는 리튬 이온 전지를 충전시키기 시작한다. 복합 배터리가 약 3.7 볼트의 Li/SOCl2전지의 개방 회로 전압에 도달되고 약 2주 후에 충전을 종료하였다.
실시예 2
6개월 된 TADIRAN AA 사이즈 Li/SOCl2전지 및 실시예 1에 기재된 유형의 완전 방전된 AA 사이즈 리튬 이온 2차 전지를 병렬로 연결하여 복합 배터리를 제조하였다. 얻어진 복합 배터리의 전압은 전지를 연결한 뒤 약 5분 후에 3.5 볼트이었고 전지를 연결한 뒤 약 1개월 후에 3.7 볼트로 증가하였다. 500 mA의 펄스 전류를 복합 배터리에 가한 경우, 상기 펄스 하에서 최소 전압은 3.67 볼트였다.
실시예 3
TADIRAN 모델 TL5903 AA 사이즈(14500) Li/SOCl2전지 하나를 실시예 2와 동일한 방법으로 펄스를 가하여 1차 전지만의 성능과 실시예 2에 기재된 복합 배터리의 성능을 비교하였다. 펄스 동안, 전지는 1.7 볼트 이하의 전압을 가졌다.
실시예 4
TADIRAN 모델 TL5903 AA 사이즈(14500) Li/SOCl2전지를 실시예 2에 기재된 유형의 완전히 방전된 리튬 이온 전지에 실시예 2와 같이 연결하여 복합 배터리를 제조하였다. 전지를 연결한 뒤 2주 후, 펄스 지속시간은 1초이고 펄스간 간격이 100초인 일련의 500 mA 17,000 전류 펄스를 복합 배터리에 가하였다. 복합 배터리는 그들의 전압이 3.0 볼트로 떨어지기 전에 2.35 암페어/시를 전달하였다.
본 발명의 복합 배터리는 임의로 선택되는 1차 전지 및 2차 전지의 쌍으로 이루어질 수는 없다. 오히려, 1차 전지의 개방 회로 전압은 2차 전지가 최대로 충전된 상태일 때에 선택된 유형의 2차 전지에 의하여 도달 가능한 개방 회로 전압보다 낮아야 한다. 또한, 2차 전지의 과도한 자가 방전 및 이로 인한 1차 전지로부터의 바람직하지 못한 누전을 방지하기 위하여 2차 전지가 선택된 1차 전지에 의하여 1차 전지의 개방 회로 전압과 동일한 전압으로 충전될 때에 선택된 유형의 충전식 배터리의 자가 방전율이 수용 가능할 정도로 낮아야 한다.
또한, 도 3에는 1차 전지(4) 및 2차 전지(14)가 전기적으로 병렬 연결된 개별적인 전지인 간단한 복합 배터리가 도시되어 있지만, 본 발명의 복합 배터리는 그밖에 다르게 실시될 수 있다. 예를 들면, 충전식 배터리는 1차 전지 내에 배열될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 복합 배터리를 제조하는데 유용한 종래의 1차 리튬/옥시할라이드 화학전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4의 전형적인 1차 화학전지(20)는 TADIRAN 모델 TL-5930 D-사이즈(33500) Li/SOCl2화학전지이다. 1차 화학전지(20)는 니켈 도금된 냉간압연 강(nickel plated cold rolled steel)으로 이루어지는 캔(36)을 포함한다. 니켈 도금된 냉간압연 강으로 이루어진 전지 커버(23)를 캔(36)에 용접하여 기밀 용접된 시임(24)을 만든다. 전지 커버(23)는 유리-금속 씰(26)에 의하여 전지 커버(23)에 전기적으로는 분리되게 부착된 양극(22)을 포함한다. 또한, 전지 커버(23)는 티오닐 클로라이드 전해질이 충전되기 위한 충전홀(27)을 포함한다. 티오닐 클로라이드 전해질이 충전된 후, 충전 홀(27)은 금속구(29)를 전지 커버(23)에 용접함으로써 기밀 밀봉된다.
1차 화학전지(20)는 또한 전류 콜렉터(28)를 포함한다. 전류 콜렉터(28)는 그 내부에 용매 공간(37)을 가진다. 전류 콜렉터(28)는 니켈 스트립(25)에 의하여 양극(22)에 전기적으로 연결된다. 1차 화학전지(20)는 또한 세퍼레이터(32) 및 탄소 음극(30)을 포함한다. 탄소 음극(30)은 전류 콜렉터(28)와 세퍼레이터(32) 사이에 접촉되게 배열된다. 1차 화학전지(20)는 캔(36)과 세퍼레이터(32) 사이에 위치하는 리튬 양극(34)을 추가로 포함한다. 세퍼레이터(32)와 탄소 양극(30)은 유리-섬유 하부 세퍼레이터(35)에 의하여 캔(36)의 아래 부분과 분리된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 복합 배터리를 제조하는데 유용한 종래의 리튬 이온 2차 화학전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5의 리튬 이온 2차 전지(40)의 대표적인 예로는 TADIRAN 모델 TL-8103 AA-사이즈(14500) LixCoO22차 전지가 있다. 전지(40)는 니켈 도금된 냉간압연 강으로 이루어진 캔(43)을 포함한다. 2차 전지(40)는 또한 캔(43)에 용접되어 기밀 밀봉된 용접 시임(46)을 형성하는 니켈 도금된 냉간압연 강으로 만들어진 전지 커버(51)를 포함한다. 또한, 전지 커버(51)는 유리-금속 씰(52)에 의하여 전지 커버와 전지적으로 분리되게 부착된 양극(44)을 포함한다. 2차 전지(40)는 "젤리-롤" 형태로 권취되어 있는 구리 호일(도시되어 있지 않음) 상의 탄소 양극, 폴리에틸렌 세퍼레이터(도시되어 있지 않음), 및 알루미늄 호일(도시되어 있지 않음) 상의 리튬/코발트 산화물 음극으로 형성되는 코어 어셈블리(49)를 추가로 포함한다. 음극(42)은 캔(43)에 용접되고 전도성 니켈 스트립(47)은 양극(44)에 용접된다. 코어 어셈블리(49) 내의 공간(45)은 에틸렌 카보네이트로 이루어진 용액 내의 LiPF6용액으로 채워진다. 캔(43)은 폴리비닐 클로라이드(PVC) 슬리브(48)로 씌워진다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 도 5의 리튬 이온 2차 화학전지(40) 및 PVC 슬리브(48)가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 슬리브(55)로 대체된 도 4의 리튬/옥시할라이드 1차 전지(20)로 구성되는 복합 배터리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6의 복합 배터리(50)는 PVC 슬리브(48)를 PTFE 슬리브(55)로 대체한 후, 전지 커버(23)를 캔(36)에 용접하기 전에 완전히 방전되고 기밀 밀봉된 도 5의 리튬 이온 2차 전지(40)를 도 4의 1차 화학전지의 내부에 삽입하여 만든다. 음극(42)은 캔(36)에 용접된 니켈 탭(tab; 53)에 의하여 캔(36)을 통해 리튬 양극(34)과 전기적으로 연결된다. 양극(44)은 전도성 니켈 스트립(47)을 1차 전지(20)의 양극(22)에 용접하여 1차 전지(20)의 전류 콜렉터(28)에 전기적으로 연결된다.
음극 캔(43)은 1차 전지(20)의 SOCl2용액과 상용 가능한 PTFE 슬리브(55)에 의하여 1차 전지(20)의 포지티브 전류 콜렉터(28)로부터 전기적으로 분리된다.
그런 다음, 전지 커버(23)를 캔(36) 상에 적당하게 올려놓고 캔(36)에 용접하여 기밀 용접된 시임(24)을 만든다. 개구를 통해 티오닐 클로라이드 용액을 복합 배터리(50)에 주입한 후, 금속구(29)를 전지 커버(23)에 저항 용접하여 충전홀(27)을 밀폐시키고 복합 배터리(50)를 기밀 밀봉함으로써 복합 배터리(50)를 밀봉한다.
실시예 5
상기 기재된 방법으로 도 6에 도시된 복합 배터리를 조립하였다. 상기 복합 배터리의 개방 회로 전압은 전해질을 충전한 뒤 몇 분 후에 약 3.5 볼트에서 전해질을 충전한 뒤 약 7일 후에 3.7 볼트로 증가하였다. 500 mA의 1초 전류 펄스를 복합 배터리에 가하였다. 배터리의 전압은 3.70 볼트로 출발하여 펄스의 마지막에서는 3.68 볼트로 감소되었다.
실시예 6
TADIRAN 모델 TL-5930 D-사이즈(33500) Li/SOCl21차 화학전지는 전해질을 충전한 뒤 5 분 후에 3.63 볼트의 개방 회로 전압을 가졌다. 전해질을 충전한 뒤 4시간 후에 측정할 때, 전지의 개방 회로 전압은 3.7 볼트로 증가되었다. 전지는 2주 동안 3.7 볼트 레벨을 유지하였다. 1초의 지속 시간을 가지는 500 mA 전류 펄스를 1차 전지에 가한 경우 측정된 전지의 전압은 2.0 볼트에서 출발하여 펄스의 마지막에는 2.5 볼트로 증가되었다.
따라서, 실시예 5의 복합 배터리는 실시예 6의 단일 Li/SOCl2전지보다 우수한 전류 전달 성능을 나타내었다.
원하는 1차 전지의 크기가 시판되는 가장 큰 1차 전지보다 클 경우, 원하는 복합 배터리(도시되어 있지 않음)는 전기적으로 병렬 연결된 다수의 1차 전지 및 다수의 1차 전지와 전기적으로 병렬 연결된 하나 이상의 2차 전지를 포함할 수 있다.
실시예 7
각각 2.40 암페어/시(AH)의 표시 전하를 가지는 2개의 TADIRAN 모델 TL-5903 AA 사이즈(14500) Li/SOCl21차 전지 및 완전히 방전된 TADIRAN 모델 TL-8103 AA 사이즈 (14500) Lix/CoO22차 전지를 전기적으로 병렬 연결하여 복합 배터리를 제조하였다. 이들 전지를 병렬로 연결한 뒤 2주일 후, 펄스 사이의 간격이 50초로 길어진 것을 제외하고는 상기 실시예 4에 기재된 것과 동일한 전류 펄스를 복합 배터리에 가하였다. 상기 복합 배터리는 자체 전압이 3.0 볼트로 떨어지기 전에 4.7 AH(4.8 AH 이하)를 전달하였다.
실시예 3 및 실시예 6의 단일 화학전지는 본 발명에 따른 것이 아니며, 단지 본 발명의 바람직한 실시예의 특징과 이들의 특징을 비교하기 위하여 제시된 것이다.
또한, 상기에 기재된 복합 배터리의 바람직한 실시예는 사용되기 전에 1차 전지 및 2차 전지가 병렬 연결되는 미리-조립된 복합 배터리로 설명된 반면, 분리된 1차 전지 및 분리된 2차 전지를 사용하여 복합 배터리에 의하여 가동될 회로에 포함되는 미리 감겨진 전도성 구성요소에 의하여 1차 전지 및 2차 전지를 병렬 연결하여 복합 배터리를 조립할 수도 있다.
상기에 기재된 본 발명의 바람직한 복합 배터리 실시예는 Li/SOCl21차 전지 및 리튬 이온 2차 전지를 포함하는 반면, 본 발명의 복합 배터리는 상기에 상세히 기재된 바와 같이 다음의 화학전지 쌍을 전기적으로 병렬 연결하여 제조할 수도 있다: Li/SOCl21차 전지 및 리튬 폴리머 2차 전지, Li/SO2Cl21차 전지 및 리튬 이온 2차 전지, 및 1차 Li/SO2Cl2화학전지 및 리튬 폴리머 2차 전지.
도 7은 인쇄 회로 기판 상의 전기 커넥터를 통해 전기적으로 병렬 연결되어 복합 배터리를 형성하는 1차 전지 및 2차 전지를 포함하는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 따르는 인쇄 회로 기판을 개략적으로 도시한 등척도이다.
인쇄 회로 기판(60)은 1차 전지(64) 및 2차 전지(74)를 포함한다. 1차 전지(64) 및 2차 전지(74)는 인쇄 회로 기판(60)에 포함된 적당한 전지 커넥터(68 및 69)를 통해 전기적으로 병렬 연결된다. 인쇄 회로 기판(60)은 또한 1차 화학전지(64) 및 2차 화학전지(74)의 조합에 의하여 가동되는 전기 회로(도시되어 있지 않음)를 형성하는 전기적 구성요소(66)를 포함한다. 1차 화학전지(64) 및 2차 전지(74)의 사이를 흐르는 전류의 흐름이 인쇄 회로 기판(60)의 전기적 구성요소(66)에 의하여 차단되지 않도록 주의를 기울여야 한다.
본 발명의 복합 배터리는 Li/옥시할라이드 1차 전지 및 리튬 이온 2차 전지 또는 리튬 폴리머 전지와 함께 사용하기 위한 용도로 개조된 반면, 본 발명의 다른 복합 배터리는 1차 전지에 전기적으로 병렬 연결되어 충전되는 경우, 2차 전지가 수용 가능할 정도로 낮은 자가 방전율을 가지도록 하기 위하여 제공되는 본 발명의 범위 및 내용 내에 포함되는 기타 상이한 유형의 1차 전지 및 2차 전지를 사용하여 조립될 수도 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 2차 전지가 1차 전지 내부 또는 외부에 배열된 복합 배터리를 나타내는 반면, 본 발명의 범위 내에서 복합 배터리의 1차 전지 및 2차 전지의 기계적 배열을 다양하게 변화시키는 것도 가능하다. 예를 들면, 1차 전지가 2차 전지(도시되어 있지 않음) 내에 배열되거나, 1차 전지 및 2차 전지 둘 모두가 하우징(도시되어 있지 않음) 내에 배열될 수도 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 2차 전지의 크기가 1차 전지의 크기와 같거나 유사한 복합 배터리를 나타내는 반면, 전지의 크기는 본 발명의 범위 내에서 다르게 조합될 수 있다. 복합 배터리의 1차 전지 및 2차 전지의 크기는 특히 요구되는 전류, 전압, 및 커패시턴스와 같이 각각의 특정한 용도, 제품 및 제조시의 고려 사항에 의하여 요구되는 전류 펄스의 진폭 및 진동수에 따라 결정된다. 그러나, 일반적으로 2차 전지가 최대 전하를 충전하기 위해서 1차 전지는 2차 전지보다 과도하게 작을 수는 없다.
상기에 기재된 도 2, 3 및 7의 복합 배터리의 바람직한 실시예는 하나의 1차 화학전지 및 하나의 2차 화학전지를 포함하는 반면, 본 발명의 다른 많은 바람직한 실시예는 본 발명의 범위 내에서 전기적으로 병렬 연결된 하나 이상의 1차 전지 및/또는 하나 이상의 2차 전지를 포함할 수 있다.
본 발명은 제한된 수의 실시예를 참고하여 설명되었으나, 당업자는 본 발명이 다양하게 변화, 변형, 및 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. a) 1차 화학전지; 및
    b) 상기 1차 화학전지에 전기적으로 병렬 연결된 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지
    ―여기서 상기 2차 전지가 완전히 충전되는 경우, 상기 1차 화학전지의 개방회로 전압은 상기 2차 전지의 개방 회로 전압보다 현저하게 낮으며, 상기 2차 화학전지가 상기 1차 화학전지에 전기적으로 연결된 후 상기 2차 화학전지의 자가 방전율은 예정된 자가 방전율보다 낮음―
    을 포함하는 복합 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 화학전지가 상기 2차 화학전지와 전기적으로 연결된 후, 상기 복합 배터리의 개방 회로 전압이 상기 1차 화학전지의 개방 회로 전압과 대체로 유사한 전압으로 안정화될 때까지 상기 1차 화학전지로 상기 2차 화학전지를 충전시키는 복합 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 화학전지가 상기 1차 화학전지 내에 배열되거나, 상기 1차 화학전지가 상기 2차 화학전지 내에 배열되는 복합 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 화학전지가 인쇄 회로 기판에 포함되는 전기 커넥터에 의하여 상기 2차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결되는 복합 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 1차 화학전지가 리튬/옥시할라이드 화학전지인 복합 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리튬/옥시할라이드 화학전지가 리튬/티오닐 클로라이드 화학전지 및 리튬/설푸릴 클로라이드 화학전지를 포함하는 그룹중 하나이거나 설푸릴 클로라이드 및 티오닐 클로라이드의 혼합물을 포함하는 복합 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 화학전지가 리튬 이온 2차 전지 또는 리튬 폴리머 2차 전지인 복합 배터리.
  8. a) 1차 화학전지를 제공하는 단계;
    b) 완전 또는 부분 방전된 2차 화학전지를 제공하는 단계; 및
    c) 상기 1차 화학전지를 부분 또는 완전 방전된 상기 2차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결하여 복합 배터리를 제조하는 단계
    ―여기서 상기 2차 전지가 완전히 충전되는 경우, 상기 1차 화학전지의 개방회로 전압은 상기 2차 전지의 개방 회로 전압보다 현저하게 낮으며, 상기 2차 화학전지가 상기 1차 화학전지에 전기적으로 연결된 후 상기 2차 화학전지의 자가 방전율은 예정된 자가 방전율보다 낮음―
    을 포함하는 복합 배터리 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기적으로 연결하는 단계 후에 상기 복합 배터리의 개방 회로 전압이 상기 1차 화학전지의 개방 회로 전압과 대체로 유사한 전압으로 안정화될 때까지 상기 1차 화학전지로 2차 화학전지를 충전하는 단계를 추가로 포함하는 복합 배터리 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 2차 화학전지가 상기 1차 화학전지 내에 배열되거나, 상기 1차 화학전지가 상기 2차 화학전지 내에 배열되는 복합 배터리 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 1차 화학전지가 인쇄 회로 기판에 포함되는 전기 커넥터에 의하여 상기 2차 화학전지와 전기적으로 병렬 연결되는 복합 배터리 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 1차 화학전지가 리튬/옥시할라이드 화학전지인 복합 배터리 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 리튬/옥시할라이드 화학전지가 리튬/티오닐 클로라이드 화학전지 및 리튬/설푸릴 클로라이드 화학전지를 포함하는 그룹중 하나이거나 설푸릴 클로라이드 및 티오닐 클로라이드의 혼합물을 포함하는 복합 배터리 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 2차 화학전지가 리튬 이온 2차 전지 또는 리튬 폴리머 2차 전지인 복합 배터리 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 2차 화학전지가 상기 1차 화학전지에 전기적으로 연결된 후 상기 2차 화학전지의 단위 년당 자가 방전율이 25℃의 온도에서 상기 복합 배터리의 초기 전하량의 30% 이하인 복합 배터리.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 2차 화학전지가 상기 1차 화학전지에 전기적으로 연결된 후 상기 2차 화학전지의 단위 년당 자가 방전율이 25℃의 온도에서 상기 복합 배터리의 초기 전하량의 30% 이하인 복합 배터리 제조 방법.
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