KR20120083394A - 니켈 아연 전지용 분리막의 열 밀봉법 - Google Patents

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제임스 후
토드 에프. 타타르
브라이언 엠. 슈로에터
제프리 필립스
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파워지닉스 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

분리막을 선택적으로 밀봉하는 방법 및 이러한 방법을 사용하여 제조된 젤리롤 전극 어셈블리 및 전지에 관한 구체 예를 개시한다. 더욱 상세하게는, 젤리롤 어셈블리를 갖는 니켈-아연 이차 전지를 위한 두 개의 전극 중 하나를 캡슐화하기 위하여 분리막을 선택적으로 열 밀봉하는 방법이 개시된다. 선택적 열 밀봉은 젤리롤의 각 끝단에서 두 전극 중 하나를 선택적으로 밀봉하기 위하여 젤리롤 전극 어셈블리의 양쪽 끝단에 적용될 수 있다.

Description

니켈 아연 전지용 분리막의 열 밀봉법{Heat Sealing Separators for Nickel Zinc Cells}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 일련번호61/240,600(2009.9.8. 출원)의 이익 및 이에 대한 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 그 전체가 모든 목적을 위하여 본 명세서에 참고문헌으로 수록된다.
본 발명은 일반적으로 이차 배터리(rechargeable battery) 및 구체적으로는 이차 니켈-아연 배터리에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 이차 니켈-아연 배터리에서 사용되는 전극 어셈블리 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전동 공구와 같은 무선 휴대용 장치의 유행은 고 전력을 또한 전달할 수 있는 고 에너지 밀도 이차 배터리에 대한 수요 및 요구를 증가시켰다. 전력 및 에너지 밀도 요구가 증가함에 따라, 긴 사이클 수명 이차 전극에 대한 수요 또한 증가한다. 알칼리 아연 전극은 고 전압, 저 당량 및 저 비용으로 알려져 있다. 충전 및 방전 과정과 관련된 빠른 전기화학적 속도론은 아연 전극이 고 전력 및 고 에너지 밀도 둘 모두를 전달할 수 있게 한다. 니켈-아연 배터리는 예를 들면 전기 자동차 (EV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV), 가전제품 및 또 다른 응용분야에 대하여 적절한 배터리에서의 고 전력 및 고 에너지 밀도에 대한 수요를 만족시킬 수 있다.
특히 중요한 것은 이차 배터리의 수명 주기이다. 니켈-아연 배터리는 예를 들면 음극(아연 전극)으로부터 양극(니켈 전극)으로의 덴드라이트(dendrite) 형성으로 인한 전기적 단락(short)을 겪을 수 있다. 이러한 문제에 대한 이전의 접근법은 예를 들면 단락에 대한 경향성을 감소시키기 위한 전극의 화학적 변형을 포함하지만, 고속 방전 및 배터리 용량을 위한 전형적인 최적의 화학은 없다. 전극 가장자리의 코팅 또는 테이핑은 생산 규모상에서 실행하기 어렵고 전형적으로 높은 효율성을 갖지 않는다.
덴드라이트가 전극들 사이의 단락을 발생시키는 것을 방지하기 위하여 분리막이 전형적으로 사용되지만, 분리막이 전극들을 봉하도록 밀봉되지 않는 한 덴드라이트는 분리막 주위로 이동할 수 있다. 개별 전극들을 봉하기 위해 분리막을 밀봉하는 것은 전극들 사이의 덴드라이트 성장(또는 또 다른 입자 이동)을 효율적으로 방지하며, 이는 배터리 수명을 연장시킨다. 각형 전지에 있어서, 개별 전극들은 전극 스택의 어셈블리 이전에 봉해지게 된다.
권취형 전극(wound electrode)에 있어서, 권취(winding) 이전에 개별 전극들을 봉하는 것은 주름(wrinkling), 결합(binding) 및 분리막 물질의 물리적 특성에 영향을 줄 수 있는 그 밖의 다른 어려움 때문에 문제가 되며 또한 많은 층들이 젤리롤(jellyroll) 내에 함께 권취 된다는 사실 때문에 문제가 된다. 권취-후 분리막 열 밀봉법(heat sealing separator post-winding)이 공지되어 있으나, 이러한 방법은 단지 권취된 젤리롤 전극 어셈블리의 한쪽 끝단에서 두 전극을 밀봉하는 것을 해결한다. 이러한 방법은 이차 니켈 아연 전지에 대한 여러 용도에서 종종 중요한 내부 전지 설계의 가변성을 허용하지 못한다.
개요
본 발명은 가장 일반적으로 분리막을 밀봉하는 선택적인 방법 및 이러한 방법을 사용하여 제조된 젤리롤 전극 어셈블리에 대하여 기술한다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 젤리롤 어셈블리를 갖는 니켈-아연 이차 전지의 두 전극 중 어느 하나에서 분리막을 선택적으로 열 밀봉하는 방법에 대하여 기술한다. 선택적 밀봉은 젤리롤 어셈블리의 한쪽 또는 양쪽 끝단에서 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 한 양상은 두 전극을 포함하는 젤리롤 어셈블리의 양쪽 측면에 배치되고 상기 젤리롤 어셈블리의 제1 전극의 가장자리를 지나서 연장된 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 한편, 제1 전극의 가장자리와 평행하고 이에 근접하는, 제2 전극의 양쪽 측면에 배치되고 상기 제2 전극의 가장자리를 지나서 연장된 분리막 층의 제2 세트는 밀봉하지 않으며, 여기서 두 가장자리는 모두 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 배치되며, 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단은 열 공급원에 노출되는 방법이다. 상기 방법은 본 명세서에 기재된 구체 예에 따라 다양한 방식으로 실현될 수 있다.
한 구체 예에서, 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉(selectively sealing)하는 것은 i) 열 공급원이 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 인가될 때, 분리막 층의 제1 세트가 밀봉되어 제1 전극을 봉할 수 있으나, 분리막 층의 제2 세트는 제2 전극을 밀봉 및 봉하는 것이 물리적으로 제한되도록, 제2 전극의 집전 기판을 구성하는 단계; 및 ii) 열 공급원을 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 인가하는 단계를 포함한다. 특정 구체 예에서, 제2 전극의 집전 기판을 구성하는 단계는 제2 전극의 집전 기판을 제1 전극의 집전 기판의 실질적으로 위로, 그러나 접촉하지 않도록 접어서, 실질적으로 밀폐된 공간이 형성되도록 하는 단계를 포함하며, 여기서 분리막 층의 제1 세트 및 분리막 층의 제2 세트로부터 유래된 인접하는 분리막 층은 실질적으로 밀폐된 공간 내에 배치된다.
또 다른 구체 예에서, 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 것은 i) 열 공급원이 인가될 때 밀봉되어 제1 전극을 봉할 수 있는 층을 분리막 층의 제1 세트가 포함하지만, 열 공급원이 인가될 때 제2 전극을 밀봉하여 봉할 수 없는 층을 분리막 층의 제2 세트가 포함하도록, 젤리롤 어셈블리를 구성하는 단계; 및 ii) 열 공급원을 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 인가하는 단계를 포함한다.
한 구체 예에서, 전술한 구체 예에 적용될 때, 분리막 층의 제1 세트와 분리막 층의 제2 세트는 각각 서로 다른 용융점을 가진다. 또 다른 구체 예에서, 전술한 구체 예에 적용될 때, 분리막 층의 제1 세트는 폴리프로필렌 층이고 분리막 층의 제2 세트는 셀룰로오스계 층이다. 한 구체 예에서, 셀룰로오스계 층은 폴리비닐 알코올(PVA)로 침적(impregnate) 및/또는 코팅된 셀룰로오스이다.
한 구체 예에서, 열 공급원은 대류성 열 공급원, 유도성 열 공급원, 전도성 열 공급원 및 복사 열 공급원 중 적어도 하나를 포함한다. 또 다른 구체 예에서, 열 공급원은 전도성 열 공급원이다. 또 다른 구체 예에서, 전도성 열 공급원은 가열된 판이다. 한 구체 예에서, 분리막의 제1 세트의 밀봉을 통하여 제1 전극이 선택적으로 봉해지는, 가열된 젤리롤의 끝단은, 가열된 판과 약 1초 내지 약 30초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 130℃ 내지 600℃이다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 가열된 판과 약 3초 내지 약 10초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 300℃ 내지 600℃이다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 가열된 판과 약 5초 내지 약 25초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 450℃ 내지 550℃이다.
일부 구체 예에서, 가열된 판과 접촉하는 동안, 젤리롤은 약 0.5 kg/cm2 내지 약 5 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 약 1 kg/cm2 내지 약 3 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 약 1 kg/cm2 내지 약 2 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 약 1.5 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다.
본 발명의 방법은 전극 어셈블리를 구성하는 어떠한 젤리롤에 대하여 구현될 수 있으며, 특히 아연 전극으로부터의 덴드라이트 형성이 전극을 단락(short)시킬 수 있는 니켈 아연 전지용으로 유용하다.
따라서, 본 발명의 또 다른 양상은 젤리롤 전극 어셈블리인데, 상기 젤리롤 전극 어셈블리는 i) 분리막 층의 제1 세트 사이에 배치된 제1 전극; 및 ii) 분리막 층의 제2 세트 사이에 배치된 제2 전극을 포함하며, 상기 젤리롤 전극 어셈블리의 동일 끝단에서, 제1 전극 및 제2 전극 중 하나가 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지고 나머지 전극은 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지지 않는다. 한 구체 예에서, 제1 전극은 아연 전극이고 제2 전극은 니켈 전극이다. 또 다른 구체 예에서, 분리막 층의 제1 세트는 폴리프로필렌 층을 포함한다. 또 다른 구체 예에서, 분리막 층의 제2 세트는 폴리비닐 알코올 침적된 셀룰로오스를 포함한다. 본 명세서에 기재된 젤리롤 전극 어셈블리를 포함하는 배터리가 본 발명의 또 다른 양상이다.
이러한 특징 및 또 다른 특징 그리고 장점들을 관련 도면을 참고하여 이하에서 더욱 상세하게 기술한다.
도면의 간단한 설명
도 1A, 1B 및 1C는 본 발명의 원통형 니켈 아연 전력 전지(power cell)의 주요 구성성분을 도식적으로 제시한다.
도 2A는 젤리롤로 권취(winding)되기 이전의 전극 및 분리막 층의 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
도 2B는 도 2A의 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2C는 본 발명의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2D는 집전 기판을 특정한 형태가 되도록 접고 젤리롤의 한쪽 끝단에서 선택적 열 밀봉을 한 이후의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2E는 역 극성 배터리(reverse polarity battery)에 포함된 도 2D의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2F는 젤리롤의 반대쪽 끝단이 선택적 열 밀봉을 거친 이후의 도 2D와 관련하여 기재된 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2G는 도 2F와 관련하여 기재된 젤리롤로부터 밀봉된 분리막의 횡단면도이다.
도 2H는 역 극성 배터리에 포함된 도 2F의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2I는 전극-분리막 스택의 횡단면도이다.
도 2J는 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2K는 젤리롤의 한쪽 끝단에서 열 밀봉 이후의 도 2J의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2L은 정상 극성 배터리(normal polarity battery)에 포함된 도 2K의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2M은 젤리롤의 반대쪽 끝단이 선택적 열 밀봉을 거친 이후의 도 2K와 관련하여 기재된 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 2N은 정상 극성 배터리에 포함된 도 2M의 젤리롤 어셈블리의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 열 밀봉 방법을 사용하여 제조된 니켈 아연 배터리와 열 밀봉 방법을 사용하지 않고 제조된 니켈 아연 배터리에 대한 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
상세한 설명
A. 정의
본 명세서에 사용된 일부 용어는 해당 업계에서 통상적으로 사용되는 것이 아니다. 또 다른 용어는 해당 업계에서 여러 의미를 가질 수 있다. 그러므로, 이하의 정의는 본 발명의 설명을 이해하는 것을 돕기 위하여 제공된다. 청구범위에 제시된 발명은 이러한 정의에 제한되어서는 안 된다.
"가열된 판"은 예컨대 가열된 재물대, 핫플레이트 또는 작업물을 열에 노출시키기 위해 작업물이 놓여질 수 있는 또 다른 고온 표면을 의미한다.
"전도성 열 공급원"은 작업물과의 직접적인 접촉을 통해 열이 상기 열 공급원으로부터 가열되는 작업물로 직접적으로 전도됨으로써 작업물에 열을 전달하는 장치를 의미한다. 전도성 열 공급원의 예는 가열된 판이며, 여기서 작업물은 상기 가열된 판과 접촉한다.
"대류성 열 공급원"은 한 영역으로부터 다른 영역으로 대류의 순환에 의해 기체 또는 액체를 통하여 작업물에 열을 전달하는 장치를 의미한다. 대류성 열 공급원의 예는 가열 총(heat gun)이며 이는 고온의 공기를 작업물에 분무시켜 작업물을 가열시킨다.
"유도성 열 공급원"은 전기 코일에 의해 생성된 자기장(전형적으로 관통하는 교대 전류를 사용)에 노출시킴으로써 작업물에 전기 맴돌이 전류의 유도를 통하여 작업물에 열을 전달하는 장치를 의미한다. 열은 물질 내 저항(줄 열) 또는 자기 히스테리시스 손실(magnetic hysteresis losses)에 의해 작업물 내에 생성된다. 유도성 열 공급원의 예는 자기 유도 용접기이다. 예를 들면, 플라스틱은, 이것이 강자성 세라믹(이 경우 입자의 자기 히스테리시스가 열을 제공함) 또는 금속성 입자(이 경우 금속 입자 내 전기적 저항이 열을 제공함)로 도핑되는 경우, 유도(induction)에 의해 용접될 수 있다.
"복사 열 공급원"은 작업물에 복사된 에너지를 통하여 작업물에 열을 전달하는 장치를 의미하는데, 일단 작업물에 충돌하면, 에너지는 작업물의 분자로 전달되고, 이에 따라 분자를 여기시켜서(exciting) 분자 움직임을 증가시키고 이러한 분자 움직임 및/또는 마찰로 인하여 작업물을 가열한다. 복사 열 공급원의 예는 레이저, 마이크로웨이브 발생기, 적외선 복사 발생기 등이다.
"봉하다(envelop)"는, 일단 분리막 층이 밀봉되면, 이들이 젤리롤 전극 어셈블리의 전극의 끝단 또는 가장자리에 대한 연속적 피복(wrapping) 또는 덮개(covering )로서의 역할을 한다는 것을 의미한다. "봉하다"는 종래 본 용어의 의미처럼 전체 전극을 캡슐화(encapsulating)하는 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 따라서 "봉하다"는 예를 들면, 분리막 층이 일단 함께 밀봉되면, 전극이 분리막 물질의 주머니(pouch) 내에 주재하거나 또는 분리막 물질의 두겹(bifold) 내에 주재하는 것을 의미한다. "봉하다"는 또한 예를 들면, 폐쇄(closing), 예컨대 분리막 물질의 두 가장자리 부분을 다른 방식으로 노출된 전극에 대하여 함께 열 밀봉하는 것을 의미할 수 있다.
"밀봉(seal)"은, 분리막 층을 함께 융합(fuse) 또는 용융시켜 결합시키는 것을 의미하는데, 예를 들면 분리막 층 또는 분리막 층의 구성성분의 용융점에서, 그 근처에서, 또는 그 이상에서 층에 열을 가하여 층을 함께 융합시키는 것을 의미한다. 전형적으로, 그러나 필수적인 것은 아니나, 밀봉은, 층이 겹쳐지거나 인접하지만 아직 부착되지는 않은 층의 가장자리 근처에서 이루어진다. 한 예에서, 층은 폴리프로필렌이며 층은 실질적으로 함께-연장된 가장자리 영역을 따라 가열되어서 이에 따라 층이 함께 녹아서 연속 층을 형성하며 이를 함께 "밀봉된다"라고 한다.
B. 개요
구체 예는 가장 일반적으로 분리막을 선택적으로 밀봉하는 방법 및 이러한 방법을 사용하여 제조된 젤리롤 전극 어셈블리에 대하여 기술한다. 더욱 구체적으로, 젤리롤 어셈블리의 끝단에서 두 전극 중 단지 하나를 봉하기 위하여 분리막을 선택적으로 열 밀봉하는 방법을 기술한다. 이러한 방법은 젤리롤의 한쪽 또는 양쪽 끝단에 적용될 수 있다. 특정 구체 예에서, 젤리롤 어셈블리는 니켈-아연 이차 전지용으로 사용된다.
개별 전극 층 어셈블리는 분리막 물질의 하나 또는 그 이상의 층 사이에 샌드위치 된다. 샌드위치 된 전극 어셈블리는 적층되고 그 후 권취되어 젤리롤 어셈블리가 된다. 분리막 및 전극 층 물질은, 일단 젤리롤 어셈블리의 한쪽 끝단이 열 밀봉되면, 분리막 층이 밀봉되어 샌드위치 된 전극 어셈블리의 단지 하나를 선택적으로 봉하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 하나의 전극 어셈블리를 선택적으로 봉하는 것은, 예컨대 두 전극 어셈블리를 봉하기 위해 불필요하게 사용되는 추가 분리막 물질의 사용을 방지하고, 이에 따라 비용을 감소시키며 내부 전지 설계의 더 큰 가변성을 가능하게 한다. 본 명세서에 기재된 열 밀봉된 분리막, 및 열 밀봉 방법은 더 긴 수명 주기를 갖는 전지를 생산한다.
이하에서 본 발명과 관련된 니켈 아연 배터리 화학의 간단한 설명을 기술하며, 후속하여 본 발명의 구체적인 특징에 초점을 맞춘 배터리 설계에 대한 더욱 상세한 설명을 기술한다.
니켈 아연 배터리의 전기화학적 반응
알칼리 전기화학 전지에서의 니켈 수산화물 양극에 대한 충전 과정은 다음 반응식에 따라 수행된다:
Figure pct00001
알칼리 전해질은 Zn 전극내에서 이온 캐리어로서 작용한다. 이차 Zn 전극에서, 출발 활물질은 ZnO 분말 또는 아연과 아연 산화물 분말의 혼합물이다. ZnO 분말은 반응식 (2)와 같이 KOH 용액에 용해되어 아연산염(zincate) (Zn(OH)4 2-)을 형성하고, 상기 아연산염은 반응식 (3)과 같이 충전 과정 동안 아연 금속으로 환원된다. Zn 전극에서의 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure pct00002
및
Figure pct00003
따라서, 음극 알짜 전극은 다음과 같다:
Figure pct00004
따라서, 전체 Ni/Zn 배터리 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure pct00005
아연 전극의 방전 과정에서, 아연 금속은 전자를 제공(donate)하여 아연산염을 형성하다. 동시에, KOH 용액에서의 아연산염의 농도가 증가한다.
재충전되면, 반응 (1) - (5)가 반복된다. 니켈 아연 배터리의 수명 동안, 이러한 충전-방전 주기가 수많이 반복된다. 본 발명은 아연 음극의 효율을 해결하는데, 예를 들면 본 발명의 열 밀봉된 분리막을 사용하는 배터리 전지는 매우 더 많은 충전-방전 주기를 가능하게 한다.
C. 구체 예
전극 및 구성성분의 설명을 비롯하여 니켈 아연 배터리의 더욱 상세한 설명, 특히 분리막의 선택적 밀봉 방법 및 선택적으로 밀봉된 분리막을 포함하는 젤리롤 어셈블리에 관한 구체 예를 이하에서 설명한다.
니켈-아연 배터리 및 배터리 구성성분
도 1A 및 1B는 한 구체 예에 따르는 원통형 전력 전지(power cell)의 주요 구성성분의 도식적인 제시이며, 도 1A는 전지의 분해도를 나타낸다. 교대로 있는 전극 및 전해질 층이 원통형 어셈블리(101) (또한 "젤리롤"이라 불림) 내에 제공된다. 원통형 어셈블리 또는 젤리롤(101)은 캔(113) 또는 또 다른 보관 용기 안쪽에 위치한다. 이러한 캔은 전기 전도도를 증가시키기 위해 예를 들면 주석에 의해 그 내부가 도금될 수 있다. 음성 컬렉터 디스크(103)(예컨대, 선택적으로 예를 들어 주석으로 도금된 구리)와 양성 컬렉터 디스크(105)(예컨대, 예를 들어 발포체 형태의 니켈)가 원통형 어셈블리(101)의 양 반대쪽 끝단에 부착된다. 음성 및 양성 컬렉터 디스크는 내부 단자로서 역할을 하는데, 음성 컬렉터 디스크는 음극에 전기적으로 연결되고 양성 컬렉터 디스크는 양극에 전기적으로 연결된다. 캡(109)과 캔(113)이 외부 단자로서의 역할을 한다. 도시된 구체 예에서, 음성 컬렉터 디스크(103)는 음성 컬렉터 디스크(103)를 캡(109)에 연결하기 위한 탭(107)을 포함한다. 양성 컬렉터 디스크(105)는 캔(113)에 용접되거나 또는 또 다른 방법으로 전기적으로 연결된다. 또 다른 구체 예에서, 음성 컬렉터 디스크는 캔에 연결되고 양성 컬렉터 디스크는 캡에 연결된다.
천공을 갖는 음성 컬렉터 디스크(103) 및 양성 컬렉터 디스크(105)가 제시되며, 이는 젤리톨과의 결합 및/또는 전지의 한 부분에서 다른 부분으로의 전해질의 이동을 촉진하기 위하여 사용될 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 디스크는 슬롯(방사형 또는 주변장치용), 그루부(groove), 또는 결합 및/또는 전해질 분배를 촉진하기 위한 또 다른 구조물을 사용할 수 있다. 음성 컬렉터 디스크는 전형적으로 선택적으로 주석으로 코팅된 구리이며, 양성 컬렉터 디스크는 전형적으로 니켈이거나 또는 그 조성물 내에 적어도 니켈을 포함한다.
유연성(flexible) 개스킷(111)이 캔(113)의 상단 부분에서 주변부를 따라 제공된 원주 비드(circumferential bead)(115) 위에 놓이고, 캡(109)에 들어맞는다. 개스킷(111)은 캡(109)을 캔(113)으로부터 전기적으로 격리시키는 역할을 한다. 일부 구체 예에서, 그 위에 개스킷(111)이 놓인 비드(115)는 폴리머 코팅으로 코팅된다. 개스킷은 캡을 캔으로부터 전기적으로 격리시키는 임의 물질로 제조될 수 있다. 바람직하게는 상기 물질은 고온에서 인지가능할 정도로 비틀리지 않으며; 이러한 한 가지 물질은 나일론이다. 또 다른 구체 예에서, 알칼리 전해질을 이동시켜서 결국 봉합부분 또는 또 다른 가능한 누출점에서 전지로부터 누출되도록 하는 추진력을 감소시키는 비교적 소수성인 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 덜 습윤성(wettable) 물질의 예는 폴리프로필렌이다.
캔 또는 또 다른 누출억제 용기를 전해질로 채운 이후에, 비드(115) 상부의 캔의 일부분을 사용하여 이러한 캔(113)의 환상 부분을 개스킷(111)의 상단 영역 위로 그리고 안쪽으로 클램핑하는 클램핑 공정을 사용하여 상기 용기를 밀봉함으로써 전극 및 전해질을 주위환경으로부터 격리시킨다. 일부 구체 예에서, 밀봉제(sealing agent)를 사용하여 누출을 방지한다. 적절한 밀봉제의 예에는 역청질 밀봉제, 타르 및 Cognis of Cincinnati, OH사에서 시판되는 VERSAMIDTM가 포함된다.
배터리 캔(113)은 최종 전지의 외부 하우징 또는 케이스로 작용하는 용기이다. 종래 전지에서, 캔이 음성 단자인 경우, 상기 캔은 전형적으로 니켈-도금된 강(steel)이다. 지적한 바와 같이, 일부 구체 예에서, 캔은 음성 또는 양성 단자일 수 있다. 캔이 음성인 구체 예에서, 물질이 아연 전극의 전위와 상응할 수 있는 또 다른 물질로 코팅되는 한, 캔 물질은 종래 니켈 카드뮴 배터리에서 사용된 것과 유사한 조성, 예컨대 강(steel)일 수 있다. 예를 들면, 음성 캔은 부식을 방지하기 위하여 구리와 같은 물질로 코팅될 수 있다.
캔이 양성이고 캡이 음성인 구체 예에서, 캔은 종래 니켈-카드뮴 전지에서 사용된 것과 유사한 조성물, 전형적으로 니켈-도금 강일 수 있다. 일부 구체 예에서, 양성 극성의 내부는 수소 재결합을 보조하는 물질로 코팅될 수 있다. 수소 재결합을 촉진시키는 어떠한 물질도 사용될 수 있다. 이러한 물질의 예는 은 산화물이다. 또 다른 구체 예에서, 음성 컬렉터 디스크는 수소 발생 저항 물질, 예컨대 금속, 합금 및 폴리머 중 적어도 하나로 코팅된 금속 디스크이다. 음성 디스크는 예를 들면 주석, 은, 비스무스, 황동, 아연 및 납 중 적어도 하나로 코팅된 강, 황동 또는 구리 디스크일 수 있다. 한 실시예에서 디스크는 주석 및/또는 은으로 코팅된 황동 또는 구리이다. 한 구체 예에서, 디스크의 적어도 일부분은 폴리머, 예컨대 테플론(Teflon™ 폴리테트라플루오로에틸렌에 대한, Wilmington Delaware에 위치한 E.I. Dupont de Nemours and Company사의 상표명임)으로 코팅된다.
도 1C는 젤리롤 니켈 아연 전지의 더욱 구체적인 구성을 도시한다. 이러한 전지는 젤리롤 전극 어셈블리(101), 캔(113), 캡(109), 유연성 개스킷(111), 등을 포함하는 점에서 도 1A 및 1B에 도시된 것과 유사하지만, 본 실시예에서, 음성 컬렉터 디스크(103a)가 삽입되고, 젤리롤(101) 상단에서 권취된(wound) 음성 전류 컬렉터에 대한 전기적 연결을 형성하기 위한 수직(하강) 탭, 즉 에너지 유도부(108)가 존재한다. 탭(108)이 음성 전류 컬렉터에 대하여 압착되고 음성 전류 컬렉터 디스크(103a)의 최상단 부분이 캡(109)에 대하여 압착되어 음성 전류 컬렉터와 캡(109) 사이의 전기적 연결을 형성함으로써, 상기 전지가 조립된다. 한 구체 예에서, 탭(108)은 음성 전류 컬렉터를 찢거나 파열시키지 않도록 구성된다(도시된 바와 같이, 탭(108)은 곡선 부분, 예를 들면 도시된 도면에서 스키와 같은 부분을 가지며, 이는 음성 전류 컬렉터에 안착한다). 음성 전류 컬렉터 디스크(103a)는 또한 전해질을 젤리롤로 유도하기 위한 중앙 홀(hole)을 가진다. 양성 전류 컬렉터 디스크는 또한 디스크(103a) 처럼 구성될 수 있는데, 여기서 중앙 홀이 전해질 흐름을 촉진하기 위해 사용되는데, 예를 들어 전해질 저장소가 젤리롤의 하단과 캔의 하단 사이에서 전지의 하부 영역에 유지된다. 그렇지만 이러한 구체 예에서, 양성 전류 컬렉터 디스크(105a)가 도 1A의 디스크(105)에 대하여 도시된 바와 같이 천공될 수 있으나, 디스크(105a)는 또한 젤리롤(101)의 하단에서 권취된 양성 전류 컬렉터와의 전기적 접촉을 형성하는 돌출부(112)를 포함할 수 있다. 한 구체 예에서, 권취된 양성 전류 컬렉터는 젤리롤(101)의 하단에 대하여 접히게 되고, 접힌 상기 양성 전류 컬렉터를 돌출부(112)가 뚫어서 전기적 접촉을 달성하게 된다.
일부 구체 예에서, 전지는 전해질 "부족(starved)" 상태에서 작동하도록 구성된다. 또한, 일부 구체 예에서, 본 발명의 니켈-아연 전지는 부족한 전해질 양상(starved electrolyte format)을 사용한다. 이러한 전지는 활성 전극 물질의 양에 비하여 비교적 적은 양의 전해질을 가진다. 이들은 전지의 내부 영역에 자유 액체 전해질을 갖는 침수형 전지(flooded cell)와는 쉽게 구별될 수 있다. 부족형 양상의 전지(Starved format cell)는 미국 특허 출원 일련번호 11/116,113(2005.04.26. 출원), 발명의 명칭 "Nickel Zinc Battery Design"(US 2006-0240317 A1으로 공개됨)에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 모든 목적을 위하여본 명세서에 참고문헌으로 수록된다. 다양한 이유 때문에, 부족 상태(starved condition)에서 전지를 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 부족형 전지(starved cell)는 일반적으로 전지 전극 스택 내 전체 공극 부피가 전해질에 의해 완전하게 채워지지 않은 것을 의미하는 것으로 이해된다. 전형적인 예에서, 전해질이 채워진 이후의 부족형 전지의 공극 부피는 채워지기 전의 전체 공극 부피의 최소 약 10%일 수 있다.
본 명세서에 기재된 배터리 전지(battery cell)는 많은 서로 다른 모양 및 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 원통형 전지는 종래의 AAA 전지, AA 전지, D 전지, C 전지 등의 지름 및 길이를 가질 수 있다. 종래의 전지 설계가 일부 응용에서 적절하다. 특정 구체 예에서, 전지 크기는 22mm 지름 및 43mm 길이의 서브-C 전지 크기이다. 본 발명은 또한 비교적 소규모의 전지 양상, 뿐만 아니라 다양한 비-휴대용 응용분야에서 사용되는 여러 더 큰 양상의 전지에서 사용될 수도 있다. 예를 들어 전동 공구 또는 잔디용 공구용 배터리 팩의 특징이 종종 배터리 전지의 크기 및 모양을 규정한다. 한 구체 예는 본 명세서에 기재된 선택적으로 밀봉된 분리막을 갖는 젤리롤을 포함하는 니켈 아연 전지이다. 한 구체 예는 본 명세서에 기재된 하나 또는 그 이상의 니켈-아연 배터리 전지 및 전기 장치에서 충전과 방전을 가능하게 하는 적절한 케이스, 접촉부, 및 전도성 배선을 포함하는 배터리 팩이다.
도 1A, 1B 및 1C에 제시된 구체 예는 종래 상업용 전지, 예컨대 상업용 니켈-카드뮴 전지에서의 극성 역전(polarity reverse)을 가지는데, 즉 캡이 음성이고 캔이 양성임에 주목하라. 종래 전력 전지에서, 전지의 극성은 캡이 양성이고 캔 또는 용기가 음성이다. 환언하면, 내부적으로, 전지 어셈블리의 양극은 캡과 전기적으로 연결되고, 전지 어셈블리의 음극은 전지 어셈블리를 지지하는 캔과 전기적으로 연결된다. 일부 구체 예에서, 도 1A, 1B 및 1C에 도시된 것을 포함하여, 전지의 극성은 종래 전지의 극성과 반대이다. 따라서, 음극은 캡과 전기적으로 연결되며 양극은 캔과 전기적으로 연결된다. 본 발명의 구체 예에서, 극성이 양성 캡을 갖는 종래 설계와 동일하게 유지됨을 이해하여야 한다. 본 구체 예의 적어도 한 실시예를 이하에서 설명한다.
구체적인 "정상" 및 "역" 극성 전지의 더욱 상세한 설명뿐만 아니라 누출 캡, 양극, 분리막, 전해질 및 음극의 특성을 후술한다.
누출 캡
일반적으로 전지가 주변환경으로부터 밀봉되지만, 전지에 있어서, 충전 및 방전 동안 발생하는 기체를 배터리로부터 누출시키도록 하는 것이 가능하다. 따라서 예를 들어, 도 1A를 참고하면, 캡(109)은 총칭적으로 미-누출 캡으로 제시되지만, 전형적으로 누출 캡이다. 전형적인 니켈 카드뮴 전지는 약 200 파운드/제곱인치(psi)의 압력에서 기체를 누출시킨다. 일부 구체 예에서, 니켈 아연 전지는 상기 압력 및 심지어 더 높은 압력(예를 들면 최대 약 300 psi)에서, 누출 필요 없이, 작동하도록 설계된다. 이는 전지 내에서 발생한 산소와 수소의 재결합을 촉진할 수도 있다. 일부 구체 예에서, 전지는 최대 약 450 psi 및 심지어 최대 약 600 psi의 내부 압력을 유지하도록 구성된다. 또 다른 구체 예에서, 니켈 아연 전지는 비교적 낮은 압력에서 기체를 누출하도록 설계된다. 이는 전지 내에서의 수소와 산소의 재결합 없이 수소 및/또는 산소 기체의 제어된 방출을 도모하는 설계의 경우 적절할 수 있다.
누출 캡 및 디스크, 뿐만 아니라 캐리어 기판 자체의 구조에 대한 일부 상세한 사항은 다음 특허출원에 기재되어 있다: PCT/US2006/015807 (2006.04.25. 출원), 및 PCT/US2004/026859 (2004.08.17. 출원) (공개공보 WO 2005/020353 A3), 이들은 모두 참고문헌으로 본 명세서에 수록된다.
양극
니켈 수산화물 전극이 고 전력 및 고 에너지 니켈-금속 하이드라이드 배터리, 니켈-카드뮴 배터리 및 니켈-아연 배터리에서의 양극으로서 사용되어왔다. 니켈 양극은 일반적으로 전기화학적 활성 니켈 산화물 또는 수산화물 또는 옥시수산화물 및 제조, 전자 수송, 습윤, 기계적 물성 들을 촉진하기 위한 1종 이상의 첨가제를 포함한다. 예를 들면, 양극 제제는 니켈 수산화물 입자, 아연 산화물, 코발트 산화물 (CoO), 코발트 금속, 니켈 금속, 및 및 요변제(thixotropic agent) 예컨대 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 포함할 수 있다. 금속성 니켈 및 코발트가 화학적으로 순수한 금속 또는 이들의 합금으로서 제공될 수 있음에 주목하라. 양극은 이들 물질 및 결합제 예컨대 폴리머성 플루오로카본(예를 들면, Teflon™)을 함유하는 페이스트로부터 제조될 수 있다.
일부 구체 예에서, 니켈 수산화물 전극은 니켈 수산화물(및/또는 니켈 옥시수산화물), 코발트/코발트 화합물 분말, 니켈 분말 및 결합제 물질을 포함한다. 코발트 화합물은 니켈 전극의 전도도를 증가시키기 위해 포함된다. 한 구체 예에서, 니켈 양극은 코발트 산화물, 코발트 수산화물, 및/또는 코발트 옥시수산화물 중 적어도 하나를 포함하며, 이들은 선택사항으로서 니켈 수산화물(또는 옥시수산화물) 입자에 코팅된 것이다.
니켈 발포체 매트릭스는 전자-활성 니켈 산화물(예를 들면, Ni(OH)2) 전극 물질을 지지하기 위하여 사용될 수 있다. 발포체 기판 두께는 15 내지 60 mils일 수 있다. 전기화학적 활성 전극물질 및 또 다른 전극 물질로 채워진 니켈 발포체를 포함하는 양극의 두께는 약 16 - 24 mils, 바람직하게는 약 20 mils 두께이다. 한 구체 예에서, 약 350 g/m2의 밀도 및 약 16 - 18 mils 두께의 니켈 발포체가 사용된다.
일부 구체 예에서, 배터리는 비-니켈 양극(예를 들면, 은 또는 공기 전극)을 포함한다. 은-아연 시스템은 양극으로서 은-산화물을 사용하는 반면, 아연-공기 시스템은 산소 환원-생성을 위한 촉매를 함유하는 기체-확산 전극을 사용한다.
분리막
전형적으로, 분리막은 작은 공극을 가질 것이다. 일부 구체 예에서 분리막은 다중 층을 포함한다. 공극 및/또는 라미네이트 구조는 아연 덴드라이트(zinc dendrite)에 대하여 뒤틀린(tortuous) 경로를 제공하며 그에 따라 덴드라이트에 의한 침투 및 단락을 효과적으로 방지한다. 바람직하게는, 다공성 분리막은 약 1.5 내지 10, 더욱 바람직하게는 약 2 내지 5의 만곡도를 갖는다. 평균 공극 지름은 바람직하게는 최대 약 0.2 마이크론(micron)이며, 더욱 바람직하게는 약 0.02 내지 0.1 마이크론이다. 또한, 공극 크기는 바람직하게는 분리막 내에서 상당히 균일하다. 특정 구체 예에서, 분리막은 약 35 내지 55%의 공극도를 가지며 바람직한 물질은 45% 공극도 및 0.1 마이크론의 공극 크기를 갖는다.
일부 구체 예에서, 분리막은 최소 두 개의 층(바람직하게는 정확하게 두 개의 층)을 포함하는데, 아연 침투를 방지하는 장벽층 및 전해질로 전지를 습윤하게 유지하여 이온 전류가 흐르는 것을 허용하는 습윤층(wetting layer)이다. 이는 일반적으로 이웃하는 전극 층 사이에 단지 단일 분리막 물질을 사용하는 니켈 카드뮴 전지의 경우는 아니다.
전지의 성능은 양극을 습윤하게 유지하고 음극을 비교적 건조하게 유지함으로써 향상될 수 있다. 따라서, 일부 구체 예에서, 장벽층은 음극에 인접하여 위치하고, 습윤층은 양극에 인접하여 위치한다. 이러한 배치는 전해질을 양극과 밀접하게 접촉하여 유지시킴으로써 전지의 성능을 향상시킨다.
또 다른 구체 예에서, 습윤층은 음극과 인접하여 위치하고 장벽층은 양극과 인접하여 위치한다. 이러한 배치는 전해질을 통하여 음극으로의 산소 전달을 촉진함으로써 음극에서의 산소의 재결합을 촉진한다.
장벽층은 전형적으로 미세다공성 막(microporous membrane)이다. 이온 전도성인 임의 미세다공성 막이 사용될 수 있다. 종종 약 30 내지 80%의 공극도와 약 0.005 내지 0.3 마이크론의 평균 공극 크기를 갖는 폴리올레핀이 적절할 것이다. 바람직한 구체 예에서, 장벽층은 미세다공성 폴리프로필렌이다. 장벽층은 전형적으로 약 0.5 - 4 mils 두께이며, 더욱 바람직하게는 약 1.5 내지 4 mils 두께이다.
습윤(또는 흡습)층은 임의의 적절한 습윤가능 분리막 물질로 제조될 수 있다. 전형적으로 습윤층은 비교적 큰 공극도, 예를 들면 약 50 내지 85% 공극도를 갖는다. 그 예에는 폴리아마이드 물질 예컨대 나일론계뿐만 아니라 습윤가능 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 셀룰로오스계 물질이 포함된다. 한 가지 특정 물질은 폴리비닐알코올로 침적 및/또는 코팅된 셀룰로오스이다. 일부 구체 예에서, 습윤층은 약 1 내지 10 mils 두께, 더욱 바람직하게는 약 3 내지 6 mils 두께이다. 습윤 물질로서 사용될 수 있는 분리 물질의 예는 NKK VL100 (NKK Corporation, Tokyo, Japan), Freudenberg FS2213E, Scimat 650/45 (SciMAT Limited, Swindon, UK), 및 Vilene FV4365를 포함한다.
해당 업계에 공지된 또 다른 분리막 물질을 사용할 수도 있다. 지적한 바와 같이, 나일론계 물질 및 미세다공성 폴리올레핀(예를 들면 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌)이 매우 적절하다. 구체 예는 직접적으로 분리막을 선택적으로 밀봉하는 것에 관한 것이다. 실제로 본 명세서에 기재된 열 공급원 중 어느 하나의 적용에 의해 밀봉될 수 있는 한, 이러한 임의 분리막 물질이 사용될 것이다. 일부 구체 예에서, 서로 다른 용융점을 갖는 분리막 물질이 사용되며, 또 다른 구체 예에서, 밀봉되는 분리막은 젤리롤의 한쪽 또는 양쪽 끝단이 노출되는 조건 하에서 밀봉되지 않는 것과 함께 사용된다.
전극/분리막 설계에서 또 다른 고려 사항은 전극 및 전류 컬렉터 시트와 대략 동일한 폭의 단순 시트로서 분리막을 제공할 것인가, 아니면 하나 또는 둘 모두의 전극을 분리막 층에 넣을 것인가를 결정하는 것이다. 후자의 예에서, 분리막은 전극 층을 효과적으로 캡슐화하는, 전극 시트 중 하나를 위한 "봉지(bag)"로서의 역할을 한다. 일부 구체 예에서, 음극을 분리막 층 내에 봉하는 것은 덴드라이트 형성을 방지하는 것을 도울 것이다. 특정한 열 밀봉 구체 예가 "전극 및 분리막 어셈블리 - 젤리롤" 제목 부분과 관련하여 이하에서 더욱 상세하게 기재된다.
전해질
니켈-아연 전지에 관한 일부 구체 예에서, 전해질 조성물은 아연 전극 내 덴드라이트 형성 및 또 다른 형태의 물질 재분배를 제한한다. 적절한 전해질의 예는 M. Eisenberg의 미국 특허 5,215,836 (1993.06.01. 공고)에 개시되어 있으며, 참고문헌으로 본 명세서에 수록된다. 일부 경우, 전해질은 (1) 알칼리 또는 알칼리토 수산화물, (2) 용해성 알칼리 또는 알칼리토 불화물, 및 (3) 보레이트, 아세네이트(arsenate), 및/또는 포스페이트 염(예를 들면, 포타슘 보레이트, 포타슘 메타보레이트, 소듐 보레이트, 소듐 메타보레이트, 및/또는 소듐 또는 포타슘 포스페이트)을 포함한다. 한 특정 구체 예에서, 전해질은 약 4.5 내지 10 당량/리터의 수산화 포타슘, 약 2 내지 6 당량/리터의 붕산 또는 소듐 메타보레이트 및 약 0.01 내지 1 당량의 포타슘 플루오라이드를 포함한다. 고비율(high rate) 응용을 위한 특정하게 바람직한 전해질은 약 8.5 당량/리터의 수산화물, 약 4.5 당량의 붕산 및 약 0.2 당량의 포타슘 플루오라이드를 포함한다.
구체 예는 Eisenberg 특허에서 제시된 전해질 조성물에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 관심 응용분야에 대하여 특화된 조건을 만족하는 임의 전해질 조성물이면 족하다. 고전력 응용이 요구된다면, 전해질은 매우 우수한 전도도를 가져야 한다. 장기간의 사이클 수명이 요구된다면, 전해질은 수지상 형성을 방지하여야 한다. 본 발명에 있어서, KOH 전해질을 함유하는 보레이트 및/또는 플루오라이드와 함께 적절한 분리막 층을 사용하여 수지상의 형성을 감소시키고 이에 따라 더욱 강하고 긴-수명의 전력 전지를 달성한다.
특정 구체 예에서, 전해질 조성물은 과량인 약 3 내지 5 당량/리터 수산화물(예를 들면, KOH, NaOH, 및/또는 LiOH)을 포함한다. 이는 음극이 아연 산화물계 전극임을 가정한 것이다. 칼슘 아연산염 음극에 대하여, 또 다른 전해질 제제가 적절할 수 있다. 한 예에서, 칼슘 아연산염에 대한 적절한 전해질은 다음의 조성을 갖는다: 약 15 내지 25 중량% KOH, 약 0.5 내지 5.0 중량% LiOH.
여러 구체 예에 따르면, 전해질은 액체 및 겔(gel)을 포함할 수 있다. 겔 전해질은 Noveon of Cleveland, OH사로부터 구입 가능한 CARBOPOLTM과 같은 증점제를 포함할 수 있다. 바람직한 구체 예에서, 활성 전해질 물질의 일부분이 겔 형태이다. 특정 구체 예에서, 약 5-25 중량%의 전해질이 겔로서 공급되며 겔 성분은 약 1-2 중량% CARBOPOLTM 을 포함한다.
일부 경우, 전해질은 J.Phillips 및 S. Mohanta의 미국 특허 7,550,230, 발명의 명칭 "Electrolyte Composition for Nickel Zinc Batteries"(2006.2.1. 출원)에 개시된 바와 같이 비교적 높은 농도의 포스페이트를 함유할 수 있으며, 상기 문헌은 모든 목적을 위하여 참고문헌으로 수록된다.
음극
니켈-아연 전지에 적용될 때, 음극은 계면활성제가 코팅된 입자, 부식 방지제, 습윤제와 같은 1종 이상의 추가적인 물질과 선택적으로 결합된 아연 또는 아연산염 이온의 1종 이상의 전기활성 공급원을 포함한다. 전극이 제조될 때, 전극은 쿨롬 용량, 활성 아연의 화학적 조성, 공극도, 만곡도(tortuosity) 등과 같은 특정한 물리적, 화학적 및 모폴로지 특성에 의해 특징 지워진다.
일부 구체 예에서, 전기화학적 활성 아연 공급원은 다음 성분 중 1종 이상을 포함할 수 있다: 아연 산화물, 칼슘 아연산염, 아연 금속, 및 다양한 아연 합금. 이러한 물질 중 임의 것이 제조 과정 동안 제공되거나 및/또는 정상 전지 사이클링 동안 생성될 수 있다. 특정 실시예로서, 칼슘 아연산염을 고려하면, 칼슘 아연산염은 예를 들면 칼슘 산화물 및 아연 산화물을 함유하는 페이스트 또는 슬러리로부터 생성될 수 있다.
이차 아연 알칼리 전기화학 전지의 음극용 활물질은 아연 금속(또는 아연 합금) 입자를 포함할 수 있다. 아연 합금이 사용되는 경우, 일부 구체 예에서 상기 아연 합금은 비스무스 및/또는 인듐을 포함한다. 일부 구체 예에서, 상기 아연 합금은 최대 약 20 ppm 납을 포함할 수도 있다. 이러한 조성 조건을 만족하는 상업적으로 구입가능한 아연 합금 공급원은 Noranda Corporation of Canada 사에 의해 공급되는 PG101이다. 한 구체 예에서, 니켈 아연 전지의 전기화학적 활성 아연 금속 구성성분은 약 0.05중량% 미만의 납을 함유한다. 주석이 또한 아연 음극 내에서 사용될 수 있다.
일부 구체 예에서, 아연 금속 입자를 주석 및/또는 납으로 코팅할 수 있다. 납과 주석 염을 아연 입자, 증점제 및 물을 함유하는 혼합물에 첨가하여 아연 입자를 코팅할 수 있다. 아연 금속을 아연 산화물 및 전극의 또 다른 구성성분의 존재 하에서 코팅할 수 있다. 납 또는 주석이 코팅된 아연 입자를 함유하는 아연 전극은 일반적으로 코발트가 전해질에 존재할 때 기체발생 경향이 더 적다. 아연 전도성 매트릭스가 완전하게 잔류하며 보존 방전이 감소하기 때문에, 전지의 사이클 수명 및 보존 수명이 증가된다. 본 발명의 음극에 적절한 대표적인 활물질 조성물이 J. Phillips et.al.의 미국 특허 출원 일련번호 12/467,993, 명칭 "Pasted Zin Electrode for Rechargeable Nikel-Zinc batteries"(2009.5.18. 출원)에 기재되어 있으며, 상기 문헌은 전체 목적을 위하여 참고문헌으로 수록된다.
아연 활물질은 분말, 과립 조성물, 섬유 등의 형태로 존재할 수 있다. 바람직하게는, 아연 전극 페이스트 제제에 사용되는 각 구성성분은 비교적 작은 입자 크기를 갖는다. 이는 입자가 양극과 음극 사이의 분리막을 관통하거나 또는 또 다른 방법으로 손상을 가하는 경향을 감소시킨다.
특히 전기화학적 활성 아연 구성성분(및 또 다른 미립자 전극 구성성분)을 고려하면, 이러한 구성성분들은 바람직하게는 약 40 또는 50 마이크로미터 이하의 입자 크기를 가진다. 한 구체 예에서 입자 크기는 약 40 마이크론 미만이며, 즉 평균 지름이 약 40 마이크론 미만이다. 이러한 크기 양상은 납 코팅된 아연 또는 아연 산화물 입자를 포함한다. 일부 구체 예에서, 물질은 약 50 마이크로미터 초과의 주요 치수(예를 들면, 지름 또는 주축)을 갖는 자신의 입자를 약 1% 이하로 갖는 것에 의해 특징 지워질 수 있다. 이러한 조성물은 예를 들면 더 큰 입자를 제거하기 위하여 아연 입자를 체질(sieve)하거나 또는 또 다르게 처리함으로써 생성될 수 있다. 여기서 인용된 입자 크기 양상은 아연 산화물 및 아연 합금뿐만 아니라 아연 금속 분말에 적용됨에 주목하라.
전기화학적으로 활성인 아연 성분에 추가하여, 음극은 이온 전달, 전자 전달 (예를 들면, 전도도를 증가시킴), 습윤화, 공극도, 구조 집약도(예를 들면 결합), 기체발생, 활물질 용해도, 장벽 특성(예를 들면 전극을 떠나는 아연의 양 감소), 부식 방지 등과 같은 전극 내 특정 과정을 촉진하거나 또는 또 다른 방법으로 영향을 미치는 1종 이상의 추가적인 물질을 포함할 수 있다.
다양한 유기 물질이 결합, 분산의 목적을 위하여, 및/또는 분리막에 대한 대체물로서 음극에 첨가될 수 있다. 실시예는 하이드록실에틸 셀룰로오스(HEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 카르복시메틸 셀룰로오스(HCMC)의 유리산 형태, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리스티렌 설포네이트(PSS), 폴리비닐 알코올(PVA), 놉코스퍼스 분산제(nopcosperse dispersant)(일본 교토에 위치한 San Nopco Ltd.사로부터 구입 가능), 등을 포함한다.
일부 구체 예에서, PSS 및 PVA와 같은 폴리머성 물질을, 분리막에 손상을 가할 수 있는 예리하거나 큰 입자를 전극 내에 매립시킬 목적으로, 페이스트 형태(코팅과 대조적임)로 혼합할 수 있다.
본 명세서에서 전극 조성물을 정의할 때, 이러한 조성물은, 예컨대 휴대용 기기에 전력 공급하는 것과 같이 전지를 사용하면서, 조립 시점에 갓 생성된 조성물(예를 들면, 페이스트, 슬러리, 또는 건조 조립 제제의 조성물), 뿐만 아니라 형성(formation) 사이클 동안 또는 그 이후 또는 1회 이상의 충전-방전 사이클 동안 또는 그 이후 산출될 수 있는 조성물에 적용가능하다는 것이 이해된다.
본 발명의 범위 내의 다양한 음극 조성물들은 이하의 문헌에 기재되며, 이듦 문헌은 참고문헌으로 수록된다: PCT 공개공보WO 02/39517 (J. Phillips), PCT 공개공보 WO 02/039520 (J. Phillips), PCT 공개공보 WO 02/39521, PCT 공개공보 WO 02/039534 (J. Phillips), 및 US 특허 공보 2002182501. 상기 문헌들의 음극 첨가제는 실리카, 및 다양한 알칼리토 금속, 전이 금속, 중금속, 및 귀금속의 불화물을 포함한다.
마지막으로, 특정한 특성을 부여하기 위하여 많은 물질을 음극에 첨가할 수 있는 한편, 이러한 물질 또는 특성들 중 일부는 음극 이외의 배터리 구성성분을 통하여 도입될 수도 있음에 주목하라. 예를 들면, 전해질 중의 아연의 용해도를 감소시키기 위한 특정 물질을 전해질 또는 분리막(음극에 제공되거나 또는 제공되지 않음)에 제공할 수 있다. 이러한 물질의 예에는 포스페이트, 플루오라이드, 보레이트, 아연산염(zincate), 실리케이트, 스테아레이트 등이 있다. 전해질 및/또는 분리막에 제공될 수 있는 앞서 정의된 또 다른 전극 첨가제는 계면활성제, 그리고 인듐, 비스무스, 납, 주석, 칼슘 등의 이온을 포함한다.
예를 들면, 일부 구체 예에서, 음극은 비스무스 산화물, 인듐 산화물, 및/또는 알루미늄 산화물과 같은 산화물을 포함한다. 비스무스 산화물 및 인듐 산화물은 아연과 반응하여 전극에서의 기체발생을 감소시킨다. 비스무스 산화물은 건조 음극 제제의 약 1 내지 10 중량%의 농도로 제공될 수 있다. 이는 산소의 재결합을 촉진할 수 있다. 인듐 산화물은 건조 음극 제제의 약 0.05 내지 1 중량%의 농도로 존재할 수 있다. 알루미늄 산화물은 건조 음극 제제의 약 1 내지 5 중량%의 농도로 제공될 수 있다.
일부 구체 예에서, 1종 이상의 첨가제가 아연 전기활물질의 부식 내성 개선 및 그로 인한 장기간의 보관 기간을 촉진하기 위하여 포함될 수도 있다. 보관 기간은 배터리 전지의 상업적 성공 또는 실패에 대하여 결정적일 수 있다. 배터리가 본질적으로 화학적으로 불안정한 장치임을 고려하면, 음극을 비롯한 배터리 성분을 화학적으로 유용한 형태로 보존하는 단계가 필요하다. 전극 물질이 사용되지 않은 채 수 주 또는 수 개월에 걸쳐 상당한 정도로 부식되거나 또는 또 달리 품질저하된다면, 그 가치는 짧은 보관 기간에 의해 제한되게 된다.
전해질 중의 아연의 용해도를 감소시키기 위해 포함될 수 있는 음이온의 구체적인 예는 포스페이트, 플루오라이드, 보레이트, 아연산염(zincate), 실리케이트, 스테아레이트 등을 포함한다. 일반적으로, 이러한 음이온들은 건조 음극 제제의 최대 약 5 중량%의 농도로 음극 내에 존재할 수 있다. 전지 사이클링 동안 이들 음이온 중 최소한 일부가 용액 내로 들어가고 그에 따라 이들이 아연의 용해도를 감소시키는 것으로 여겨진다. 이러한 물질을 포함하는 전극 제제의 예는 다음의 특허 및 특허 출원에 포함되며, 이들 각각은 모든 목적을 위하여 본 명세서에 참고문헌으로 수록된다: Jeffrey Phillips의 미국 특허 6,797,433, 2004.09.28. 공고, 명칭 "Negative Electrode Formulation for a Low Toxicity Zinc Electrode Having Additives with Redox Potentials Negative to Zinc Potential"; Jeffrey Phillips의 미국 특허 6,835,499, 2004.12.28. 공고, 명칭 "Negative Electrode Formulation for a Low Toxicity Zinc Electrode Having Additives with Redox Potentials Positive to Zinc Potential"; Jeffrey Phillips의 미국 특허 6,818,350, 2004.11.16. 공고, 명칭 "Alkaline Cells Having Low Toxicity Rechargeable Zinc Electrodes"; 및 Hall et al에 의해 2002.03.15. 출원된 PCT/NZ02/00036 (공개 번호 WO 02/075830).
음극에 추가되는 전도성 섬유는 또한 전극을 관수 또는 습윤시키는 목적의 역할을 할 수 있다. 계면활성제가 코팅된 탄소 섬유가 이러한 물질의 한 예이다. 그렇지만, 또 다른 물질이 습윤을 촉진시키기 위하여 포함돌 수 있음을 이해하여야 한다. 이러한 물질의 예는 티타늄 산화물, 알루미나, 실리카, 알루미나 및 실리카 등을 포함한다. 일반적으로, 존재할 때, 이러한 물질은 건조 음극 제제의 최대 약 10중량%의 농도로 제공된다. 이러한 물질의 추가 논의는 Jeffrey Phillips의 미국 특허 6,811,926(2004.11.2. 공고), 명칭 "Formulation of Zinc Negative Electrode for Rechargeable Cells Having an Alkaline Electrolyte"에서 찾을 수 있으며, 본 문헌은 모든 목적을 위하여 참고문헌으로 수록된다.
아연 음극은, 아연 음극의 전기화학적 활성 성분과 니켈 양극 사이의 전도성 소통을 달성하는 물질을 함유한다. 모든 목적을 위하여 참고로서 본 명세서에 수록된, Jeffrey Phillips의 미국 특허 출원 일련번호 12/852,345(2010.08.06. 출원), 명칭 "Carbon Fiber Zinc Negative Electrode"에 기재된 바와 같이, 계면활성제가 코팅된 입자, 특히 계면활성제가 코팅된 탄소 입자를 음극에 도입하는 것이 전극의 전반적인 전류 이동 용량을 증가시킨다는 것을 본 발명의 발명자들이 밝혀냈다.
전술한 바와 같이, 적절한 점도를 가지며 아연 전극의 제조 동안 작업하기 용이한 슬러리/페이스트를 사용하여 아연 음극을 제조할 수 있다. 이러한 슬러리/페이스트는 납 및 주석 염을 아연 입자, 증점제 및 액체 예컨대 물을 함유하는 혼합물에 첨가하여 선택적으로 코팅된 아연 입자를 가진다. 아연 산화물(ZnO), 비스무스 산화물(Bi2O3), 분산제, 및 결합제 예컨대 테플론(Teflon)과 같은 구성성분이 또한 첨가된다. 이러한 양상에 적합한 결합제는 비제한적으로 P.T.F.E., 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber), 폴리스티렌, 및 HEC 등을 포함한다. 이러한 양상에 적합한 분산제는 비제한적으로 소우프(soap), 유기 분산제, 암모늄 염 분산제, 왁스 분산제를 포함한다. 본 발명의 이러한 양상에 따르는 시판중인 분산제의 예는 NopcosperseTM(Nopco Paper Technology Australia Pty. Ltd.사에 의해 시판중인 분산제인 액체 시리즈의 상표명)이다. 이러한 양상에 적합한 액체는 비제한적으로 물, 알코올, 에테르 및 이들의 혼합물을 포함한다.
전극 및 분리막 어셈블리 - 젤리롤
전술한 바와 같이, 본 발명은 분리막을 선택적으로 열 밀봉하여 젤리롤 어셈블리의 끝단에서 두 개의 전극 중 단지 하나를 봉하는 방법에 관하여 기술한다. 특정 구체 예에서, 젤리롤 어셈블리는 니켈-아연 이차 전지용으로 사용된다.
젤리롤을 제조하기 위하여, 개별 전극 층 어셈블리는 분리막 물질의 하나 이상의 층 사이에 샌드위치 된다. 샌드위치 된 전극 어셈블리는 적층되고 그 후 젤리롤로 권취된다. 본 명세서에 기재된 특정 일부 구체 예와 관련하여, 일단 젤리롤 어셈블리의 끝단이 열 밀봉되면, 분리막 층이 밀봉되어 상기 샌드위치된 전극 어셈블리의 단지 하나를 봉하도록, 분리막 및 전극 층 물질이 구성된다.
도 2A는 젤리롤로 권취(winding)되기 이전의 전극 및 분리막 층의 어셈블리를 보여주는 사시도이다. 도시된 예에서, 분리막(200 및 208)은 먼저, 권취 장치 내로 전극 시트와 함께 도입 또는 공급되지 이전에 전극의 평탄 표면을 따라, 음극(전기화학적 활성 층(206)으로 각 면이 코팅된 전도성 기판(204)) 및 양극(전기화학적 활성 층(212)으로 각 면이 코팅된 전도성 기판(210)) 각각을 덮으면서 접힌다. 본 구체 예에서, 각각의 분리막 시트는 두겹(bifold)인데, 여기서 각각의 전극은 실질적으로 접힌 자리(202)쪽으로 두겹 내로 (수평 화살표로 표시된 바와 같이) 삽입된다. 이러한 접근법에서 두 가지 분리막 공급원이 사용된다. 대체적인 구체 예에서, 각각의 전극 시트는 분리막 시트의 두 개의 별개 공급원에 의해 벌어져서 이에 따라 둘이 아닌 네 개의 분리막 공급원이 사용된다. 따라서, 초기에, 분리막 시트는 전극의 리딩 엣지(leading edge)로 접히지 않는다. 그렇지만, 결과적인 층상 구조는 동일하다. 그렇지만, 두겹 분리막은 권취 장치 내로 삽입될 때 스택의 삽입 및 제어를 더욱 용이하게 만든다. 상기 두 접근법 모두는 두 개의 분리막 층이 각각의 전극 층을 이웃하는 인접 전극 층으로부터 분리시키는 구조를 생성한다. 이는 일반적으로, 인접하는 전극 층들 사이에 단지 하나의 분리막 층을 사용하는 니켈 카드뮴 전지의 경우가 아니다. 니켈 아연 전지에 사용된 추가 층은, 흡습성 분리막이 사용될 때 아연 덴드라이트 형성으로부터 유발될 수 있는 단락을 방지하는 것을 도우며, 또한 관수(irrigation) 및 이온 전류 흐름을 돕는다.
덴드라이트는 금속 증착에서 골격 또는 나무형 성장 패턴("덴드라이트성 성장")을 갖는 결정형 구조이다. 실제로 덴드라이트는 전지의 수명 동안 전력 전지의 전도성 매질 내에서 형성되며 음극과 양극을 효과적으로 가교시켜 단락을 유발하며 후속하여 배터리 기능의 상실을 초래한다.
분리막 시트는 일반적으로 전극 시트의 전체 폭을 완전하게 덮지 않는다는 것에 주목하라. 구체적으로, 각 전극 시트의 한쪽 가장자리(전도성 기판)는 단자에 부착하기 위하여 노출되어 있다. 한 구체 예에서, 이러한 노출된 가장자리는 반대편 측면상에 있어서 일단 젤리롤이 권취되면, 양극 및 음극 각각이 배터리의 반대편 끝단에서 배터리 단자와 전기적 접촉을 이룰 것이다. 또 다른 구체 예에서, 노출된 가장자리는 동일 측면에 있어서 배터리 단자에 대한 전기적 연결이 젤리롤의 동일 끝단에서 이루어진다.
도 2B는 개별 전극들을 도 2A의 해당 분리막과 함께 적층하여 형성된 어셈블리의 횡단면도(도 2A의 절단면 A에 의해 제시됨)이다. 분리막(200)은 음극(기판(204) 및 전기화학적 활성 층(206))을 양극(기판(210) 및 전기화학적 활성 층(212))으로부터 기계적으로 그리고 전기적으로 분리시키지만 전극들 사이에서 이온 전류가 흐르는 것은 허용한다. 본 구체 예에서, 분리막(200)은 미세다공성 폴리프로필렌이지만, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같이, 아연 음극의 전기화학적 활성 층(206)은 전형적으로 전기화학적 활물질로서 아연 산화물 및/또는 아연 금속을 포함하며 전술한 바와 같이 계면활성제가 코팅된 입자를 함유할 수도 있다. 층(206)은 또한 또 다른 첨가제 또는 전기화학적 활성 화합물 예를 들면 칼슘 아연산염, 비스무스 산화물, 알루미늄 산화물, 인듐 산화물, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 및 분산제를 포함할 수 있다.
음극 기판(204)은 음극 물질(206)과 전기화학적으로 호환성(compatible)이어야 한다. 전술한 바와 같이, 전극 기판은 천공된 금속 시트, 연장된 금속, 금속 발포체, 또는 패턴화된 연속 금속 시트의 구조를 가질 수 있다. 일부 구체 예에서, 기판은 단순히 금속 층 예컨대 금속 포일이다.
음극 반대편의 분리막(200)의 나머지 측면에 양극 및 분리막(208)이 존재한다. 본 구체 예에서, 분리막(208)은 셀룰로오스계 물질이며, 더욱 구체적으로는 폴리비닐알코올로 침적 및/또는 코팅된 셀룰로오스이며, 본 발명에 여기에 제한되는 것은 아니다. 이러한 층은 흡습 층(wicking layer)(예컨대, NKK로부터 유래함, 상기 분리막 문단에서 더욱 상세하게 기술됨)이다. 양극은 또한 전기화학적 활성 층(212) 및 전극 기판(210)을 포함한다. 양극의 층(212)은 전기화학적 활물질로서 니켈 수산화물, 니켈 산화물, 및/또는 니켈 옥시수산화물 및 여러 첨가제를 포함할 수 있으며, 이들 모두는 본 명세서에 기재된다. 전극 기판(210)은 예를 들면 니켈 금속 발포체 매트릭스 또는 니켈 금속 시트일 수 있다. 니켈 발포체 매트릭스가 사용되는 경우, 층(212)은 하나의 연속 전극을 형성할 수 있는데, 왜냐하면 상기 층이 금속 발포체의 공극을 채우고 발포체를 관통할 수 있기 때문이라는 것에 주목하라. 층상 아연 음극 및 니켈 양극 구조는 도 1A, 1B 및 1C에 도시된 바와 같이 구조물(101)인 젤리롤로 권취된다.
도 2B에 도시된 바와 같이, 전도성 기판(204 및 210)은 측면으로 연장되어(offset), 일단 젤리롤이 권취되면, 각각의 전극은 젤리롤의 반대편 끝단에서 배터리 단자에 전기적으로 연결될 것이다.
권취 장치는 여러 시트를 동시에 도입시키고 이를 압연(roll)시켜 젤리롤 어셈블리를 만든다. 충분한 두께의 원통이 생성된 이후에, 장치는 분리막 및 전극의 층을 절단하여 도 1A에 도시된 바와 같은 최종 젤리롤 어셈블리(101)를 생성한다.
도 2C는 도 1A에 도시된 바와 같은 젤리롤(101)과 유사한 젤리롤(101a)의 횡단면도(도 1A의 절단면 B에 의해 도시됨)이며, 구체적으로는 젤리롤은 도 2B에 도시된 바와 같은 스택 구조물을 권취시켜 제조된다. 본 명세서에 도시된 젤리롤의 횡단면도는 본질적으로 "슬라이스(slice)"이며, 즉 일부 깊이 상세사항이 도면을 단순화시키기 위하여 생략된다. 젤리롤이 권취된 이후에 권취 기기의 심축(mandrel)이 제거될 때, 공극(201)이 형성된다. 공극(201)은 전해질 저장소로서의 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 한 구체 예는, 두 전극을 포함하는 젤리롤 어셈블리의 양쪽 측면에 배치되고 상기 젤리롤 어셈블리의 제1 전극의 가장자리를 지나서 연장된 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 한편, 제1 전극의 가장자리와 평행하고 이에 근접하는, 제2 전극의 양쪽 측면에 배치되고 상기 제2 전극의 가장자리를 지나서 연장된 분리막 층의 제2 세트는 밀봉하지 않으며, 여기서 두 가장자리는 모두 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 배치되며, 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단은 열 공급원에 노출되는 방법이다. 도 2C는 젤리롤(101a)의 횡단면도인데, 이는 도 2B와 관련하여 기재된 바와 같이 분리막-샌드위치 전극의 교대 층이 존재함을 나타낸다. 중요한 것은, 분리막 물질은 각 전극에서 전기화학적 활물질을 지나서 돌출되며, 각각의 전도성 기판은 한쪽 끝단에서, 젤리롤의 끝단으로부터 분리막 물질보다 더 멀리 돌출되며 이에 따라 전기적 연결이 배터리 단자에 대하여 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 역 극성 배터리용 젤리롤에서, 음성 집전 기판(204)은 젤리롤의 상단에서 전기활성 물질 및 분리막 물질을 지나서 돌출되며, 한편 양성 집전 기판(210)은 젤리롤의 하단에서 전기활성 물질 및 분리막 물질을 지나서 돌출된다. 배터리가 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이 조립될 때, 음성 컬렉터(204)는 누출 캡 단자에 연결될 것이며, 양성 컬렉터(210)는 배터리 캔에 연결될 것이다. 본 명세서에 기재된 방법은 젤리롤의 어느 한쪽 또는 양쪽 끝단에서 두 개의 전극 중 단지 하나의 전극만을 선택적으로 밀봉한다. 분리막, 본 실시예에서 폴리프로필렌 분리막(200)과 흡습성 분리막(208)은 젤리롤의 외부면 및 공극(201)의 내부를 제외하고는 인접함에 주목하라. 젤리롤의 하단에서 분리막(200)은 분리막(208)만큼 아래쪽으로 연장되지 않으며 - 두 분리막(200 및 208)이 음극을 덮으면서 밀봉되는 구체 예에서, 이러한 구성은 밀봉될 때 분리막(208)이 분리막(200)을 덮으면서 용융되거나 또는 분리막(200)과 결합되는 것을 충분히 가능하게 한다. 또한 젤리롤의 하단에서 더 긴 분리막(208)을 갖는 것은 전극 기판(210)이 더욱 아래쪽으로 연장되기 때문에 이루어지며, 이에 따라 밀봉이 완전하지 않는 경우, 전극 기판(210)은 분리막(208)에 의해 추가로 보호된다. 유사하게, 젤리롤의 상단에서 분리막(200)은 분리막(208)보다 더욱 위쪽으로 연장되는데, 왜냐하면 기판(204)이 기판(210)보다 더욱 연장되며 이에 따라 음성 컬렉터(204)는 분리막(200)에 의해 추가로 보호된다.
한 구체 예에서, 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 것은 i) 열 공급원이 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 인가될 때, 분리막 층의 제1 세트가 밀봉되어 제1 전극을 봉할 수 있으나, 분리막 층의 제2 세트는 제2 전극을 밀봉 및 봉하는 것이 물리적으로 제한되도록, 제2 전극의 집전 기판을 구성하는 단계; 및 ii) 열 공급원을 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 인가하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서, 열 밀봉은 집전 기판(210)이 분리막 층을 넘어 돌출되는 젤리롤의 하단에서 수행된다. 한 구체 예에서, 제2 전극의 집전 기판을 구성하는 단계는 제2 전극의 집전 기판을 제1 전극의 집전 기판의 실질적으로 위로, 그러나 접촉하지 않도록 접어서, 실질적으로 밀폐된 공간이 형성되도록 하는 단계를 포함하며, 여기서 분리막 층의 제1 세트 및 분리막 층의 제2 세트로부터 유래된 인접하는 분리막 층은 실질적으로 밀폐된 공간 내에 배치된다. 도 2D는 집전 기판(210)이 접히고 열이 젤리롤의 해당 끝단에 인가되어 음극(전류 컬렉터(204) 및 전기화학적 활물질(206) 포함)을 열 밀봉한 이후의 젤리롤(101a)의 횡단면도를 나타낸다. 접는 단계는 수동으로 또는 예컨대 젤리롤 어셈블리를 고정시키고 (본 실시예에서 젤리롤의 외부 가장자리로부터 내부 가장자리쪽으로) 롤러를 적용시켜 도시된 바와 같이 전류 컬렉터를 접는 압연 기계에 의해 수행될 수 있다.
도 2D를 참조하면, 컬렉터(210)가 접힌 이후에, 공간(211)이 형성되며(굵은 점선 원으로 표시됨) 여기서 어셈블리의 끝단에서 분리막 물질이 3면에서 양성 전류 컬렉터(210)에 의해 둘러싸이는데, 즉 수직 벽들과 컬렉터(210)의 구부러진 부분으로 둘러싸인다. 이런 식으로 구성될 때, 그리고 열이 전류 컬렉터(210)의 접힌 외부 표면에서 젤리롤의 하단 끝단으로 인가될 때(굵은 상향 화살표로 표시됨), 폴리프로필렌 분리막은 용융되고 융합되어 융합 포인트(200a)에서 표시된 바와 같은 연속 층을 형성한다. 전류 컬렉터(210)의 구성은 본 실시예에서 최소 3가지 목적의 역할을 한다. 접힘부(foldover)는 공간(211)(본질적으로 작은 오븐임)으로의 열 전달을 보조한다. 분리막 물질 너머의 전류 컬렉터(210)의 연장은 분리막 물질(208)이 전류 컬렉터(210) 너머로 밀봉되거나(만약 밀봉 가능한 경우, 구체 예는 열 밀봉 가능한 이중 분리막을 포함함), 또는 전류 컬렉터(210) 너머로 접히는 것을 물리적으로 방지한다. 마지막으로, 분리막을 지나는 연장은 또한 전류 컬렉터와 캔의 (예컨대, 전류 집전 디스크(105)를 통한) 전기적 소통을 가능하게 하며, 접힘부는 캔 또는 전류 컬렉터 디스크와의 전기적 접촉을 최소화 시킨다.
일단 이러한 밀봉이 형성되면, 작은 공간(203)이 형성될 수 있으며, 이는 접힘부와 함께 배터리 어셈블리 내에 중요한 공간을 보존하며 이에 따라 더 많은 전기활성 물질이 사용될 수 있다(효과적으로 전극이 더 클 수 있기 때문임). 본 실시예에서, 부호 (208a)로 표시된 바와 같이, 이웃한 가장 가까운 양성 권취로부터 흡습성 층은 융합되지 않는데 왜냐하면 이것은 셀룰로오스계 물질이며 (도시된 바와 같이 비록 변형될지라도) 용융되지 않기 때문이다. 본 명세서에 기재된 전지용 열 밀봉이 이러한 방식에 제한되는 것은 아니다. 일부 구체 예에서, 두 개의 분리막(또는 일부 구체 예에서 둘 이상의 분리막 층)은 융합(fuse)되어 전극들 중 하나에 대한 이중 밀봉을 형성할 수 있는 물질로 제조된다. 즉, 두 가지 서로 다른 분리막 물질이 용융되는 호환성인 경우 이들은 단일 층이지만 두 배의 두께인 융합된 끝단을 형성할 것이다. 두 가지 서로 다른 분리막 물질이 함께 용융되는 호환성이 아닌 경우, 이중층 밀봉이 형성된다. 본 구체 예에서, 전류 컬렉터는 밀봉 열이 인가될 때 전극들 중 단지 하나가 캡슐화될 수 있도록 구성되는데, 이는 나머지 전극, 본 실시예의 경우 양극이 분리막 하부에서 밀봉되는 것을 방지하는 물리적 장벽이 존재하기 때문이다(비록 공간(211)이 양극을 오염으로부터 보호할지라도).
도 2E는 도 1A 및 1B에 도시된 것과 유사한 최종 배터리 어셈블리에 포함된 선택적으로 열 밀봉된 젤리롤 어셈블리(101a)를 도시한다. 전류 집전 디스크(105)는 개선된 전류 이동을 위하여 양성 전류 컬렉터(210)의 접힌 표면과의 접촉을 형성한다. 전류 컬렉터 기판(204)은 전류 컬렉터 디스크(103)와 접촉하고, 이에 따라 이와 전기적 소통을 한다. 이론에 제한됨이 없이, 집전 기판이 접히고 이에 따라, 본 실시예에서는, 양성 기판(210)이 음성 집전 기판(204)과 DLOS(direct line of sight) 상태에 있을 때, 입자 오염으로 인한 단락의 경향성이 커지는 것으로 여겨진다. 본 실시예에서 음극을 밀봉하는 것은 입자들이 전극들 사이의 단락을 야기하는 것을 방지한다. 음성 기판(204)이 음성 전류 컬렉터 디스크(103)와 전기적 접촉을 하는 젤리롤(101a)의 상단에서, 기판(204 및 210)은 DLOS(direct line of sight) 상태가 아니며 따라서 임의 덴드라이트 성장은, 단락을 야기하기 위하여, 전기화학적 활물질(206)로부터, 분리막 층(200 및 208)의 상부 및 그 이상으로, 그리고 다시 기판(210)을 향하여 아래쪽으로 이동하여야 한다. 따라서, 전극들이 서로 DLOS(direct line of sight) 상태가 아니고 전극들 사이의 높이 차이 C가 충분히 차이가 나서, 분리막과 결합되어, 젤리롤의 끝단에서 분리막을 밀봉할 필요성이 없게 되도록, 젤리롤 상단에서 전극들을 구성하는 것이 수행된다. 그렇지만, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다. 일부 구체 예에서, 예를 들어 젤리롤의 양쪽 끝단에서 양극 및 음극 사이의 상대적 거리를 최소화시키는 것이 바람직한 경우, 두 개의 전극들 중 하나의 선택적 밀봉이 젤리롤의 양쪽 끝단에서 수행되도록, 전극 및 분리막이 구성된다. 캔(113), 탭(107), 개스킷(111) 및 캡(109)은 도 1A 및 1B에 관하여 기술한 것과 유사하다.
도 2F는 도 2D에 도시된 바와 같은 젤리롤(101a)의 횡단면도를 나타내며, 여기서, 열이 젤리롤의 (도시된 도면의) 상단에 인가되었다. 여기서, 젤리롤의 양쪽 끝단에서 선택적 밀봉이 이루어졌다. (도시된 도면의) 하단은 도 2D에 대하여 기술된 것과 같이 밀봉된다. 젤리롤의 상단에서, 선택적 밀봉은 젤리롤의 이러한 끝단에 분리막과 전극을 배치함으로써 달성된다. 열이 적절하게 인가될 때, 예를 들어 젤리롤의 상단을 본 명세서에 기재된 핫플레이트에 압착시킬 때, 분리막(200)의 층은 음성 기판(204)의 이웃하는 층들 사이의 포인트(200b)에서 융합된다. 분리막 층(208)은 (앞쪽이) 융합되지 않고, 젤리롤의 적어도 내부 층 내의 융합부(200b)에 의해 캡슐화된다. 최외각 및 최내각 층에서, 분리막(200)은 용융되지만, 최외각 및 최내각 층에 있어서, 각각은 대응하는 융합부(200b)를 형성하기 위한 분리막(200)의 대응 층을 갖지 않는다. 한편, 젤리롤의 이러한 끝단에서 분리막(200)의 내부 층의 융합부는 양극을 캡슐화시킨다. 또한, 열에 대한 노출로 인하여 변형되는 분리막(200)의 최외각 및 최내각 층에 의하여, 젤리롤의 상단 끝단에서 최외각 및 최내각 양극의 적어도 일부 추가적인 보호(부분적인 밀폐)가 존재한다. 본질적으로, 분리막 층(200)은 상단 및 하단에서 개구 부분을 갖는 동심원 튜브 내에 형성된 분리막의 단일 시트로 융합된다. 도 2G는 분리막 층(200)을 도시하는데, 여기서 융합부(200a 및 200b)에 의하여 단일 분리막(200)으로 융합된다. 도 2G에서, 흡습성 분리막 층은 도시되지 않으며 전극들은 단지 연속적인 "+" 및 "-"로서 도시된다. 밀봉부인 융합부(200b 및 200a) 각각에 의하여, 양성 물질은 젤리롤의 (도면의) 상단 끝단에서 음성 물질로부터 보호되며, 음성 물질은 젤리롤의 하단에서 양성 물질로부터 보호된다. 따라서, 본 실시예에서, 젤리롤의 양쪽 끝단에서의 선택적 밀봉은 젤리롤의 한쪽 끝단에서 음극을 캡슐화시키고 젤리롤의 다른쪽 끝단에서 양극을 캡슐화시킨다. 권취 후 선택적 밀봉을 사용하는 것은 독특한 단일의 분리막 구조(200)의 형성을 가능하게 한다. 도 2H는 역 극성 배터리에 포함된 도 2F의 젤리롤을 도시하며, 여기서 예를 들면 음성 캡(109), 양성 전류 컬렉터(105) 등과 같은 구성성분들은 도 2E에 대하여 기재된 것들과 유사하다.
한 구체 예에서, 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 것은 i) 열 공급원이 인가될 때 밀봉되어 제1 전극을 봉할 수 있는 층을 분리막 층의 제1 세트가 포함하지만, 열 공급원이 인가될 때 제2 전극을 밀봉하여 봉할 수 없는 층을 분리막 층의 제2 세트가 포함하도록, 젤리롤 어셈블리를 구성하는 단계; 및 ii) 열 공급원을 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 인가하는 단계를 포함한다. 도 2F 및 2G (그리고 예를 들어 이하의 도 2M 및 2N)와 관련하여 기재된 실시예(여기에 제한되는 것은 아님)에 도시된 바와 같이, 한 구체 예에서, 상기 방법은 열 공급원이 젤리롤의 해당 끝단에 인가될 때 젤리롤의 나머지 끝단에서 제2 전극을 밀봉하여 봉할 수 있는 층을 분리막 층의 제1 세트가 포함하도록 젤리롤 어셈블리를 구성하는 단계, 및 열 공급원을 젤리롤의 상기 나머지 끝단에 인가하는 단계를 더욱 포함한다. 한 구체 예에서, 전술한 구체 예에 적용된 바와 같이, 분리막 층의 제1 세트와 분리막 층의 제2 세트는 각각 서로 다른 용융점(melting point)을 가진다. 또 다른 구체 예에서, 전술한 구체 예에 적용된 바와 같이, 분리막 층의 제1 세트는 밀봉 열이 인가될 때 용융되고 융합될 수 있는 물질로 제조되며 분리막 층의 제2 세트는 동일한 밀봉 열이 인가될 때 용융 및 융합될 수 없는 물질이다. 후자 구체 예의 예는 분리막 층의 제1 세트가 폴리프로필렌 층이고 분리막 층의 제2 세트가 셀룰로오스계 층인 경우이다. 한 구체 예에서, 셀룰로오스계 층은 폴리비닐 알코올 (PVA)로 침적된 셀룰로오스이다.
도 2I는, 분리막 물질 및 전극이 도 2B와는 달리 측면으로 연장된 것을 제외하고는, 도 2B에 도시된 것과 유사한 또 다른 스택 어셈블리를 나타낸다. 여기서, 양성 기판(210)은 분리막 물질을 너머 돌출하지 않으며, 한편 음성 기판(204)은 분리막 물질을 너머 돌출한다. 이러한 스택은 정상 극성 배터리용으로 사용되는 것의 한 실시예이다.
도 2J는 도 1A에 도시된 젤리롤(101)과 유사한 젤리롤(101b)의 횡단면도(도 1A에 제시된 절단면 B)이며, 구체적으로 도 2I에 도시된 스택 구조를 권취하여 제조된 젤리롤의 경우이다. 본 실시예에서 참조 번호는 분리막, 전극, 및 전기화학적 활물질에 대하여 사용된 것과 동일한 것이다. 젤리롤의 하단에서, 전극의 끝단 사이의 상대적 거리 C는 전술한 구체 예의 젤리롤의 상단에서의 이러한 것과 동일하다. 그렇지만, 본 실시예에서, 젤리롤의 상단에서 전극의 끝단 사이의 상대적 거리 D는 전술한 구체 예에서의 이러한 것만큼 크지 않다. 이러한 구조는 젤리롤(아래쪽)의 한쪽 또는 양쪽 끝단에서 선택적인 밀봉을 사용하기에 적합하다. 여기서 분리막(200 및 208)은 전술한 구체 예의 젤리롤(101a)의 상단에서의 이러한 것들과 일치되도록 젤리롤의 하단에서 엇갈리는 한편, 젤리롤의 상단에서의 분리막은 전술한 구체 예의 젤리롤(101a)의 하단에서의 이러한 것들과 일치되도록 엇갈린다. 한 실시예에서, 젤리롤(101b)의 (도면의) 상단에서 전극들 중 하나의 선택적 밀봉이 도 2K에 도시된다.
분리막 층(200)이 폴리프로필렌 층이고 분리막 층(208)이 셀룰로오스계 층이기 때문에, 열은 폴리프로필렌 분리막 층(200)을 용융하고 밀봉하기에 충분하지만 한편 분리막 층(208)은 밀봉되지 않도록 젤리롤(101b)의 상단에 인가된다. 따라서, 음극은 밀봉되지만, 양극은 밀봉되지 않는다. 대부분의 구체 예에서, 열이 신속하게 인가되기 때문에, 이러한 열 인가는 젤리롤의 끝단에 실질적으로 국지화되며, 여기서 열이 인가되고 이에 따라 전기화학적 활물질에 인접한 분리막에 대한 열 손상(예를 들면 분리막 공극 구조를 용융시켜 붕괴함)이 최소화된다. 도 2K는, 예컨대 폴리프로필렌 분리막 층(200)을 밀봉하기에 충분하지만 셀룰로오스계 층(208)은 밀봉되지 않도록 (굵은 하향 화살표로 제시된 젤리롤(101b)의 상단으로) 열을 인가한 것의 결과를 나타낸다. 열 밀봉된 젤리롤(101a)에 관하여 기술된 상대적 관계와 유사하게, 분리막 층(200)은 포인트(200a)에서 용융되어 융합되지만, 분리막 층(208)은 지점(208a)에 지시된 바와 같이 용융 및 융합되지 않는다.
젤리롤(101b)을 사용하는 한 구체 예에서, 탭(214)이 젤리롤(101b)의 상단 근처에서 양성 집전 기판(210)에 용접된다. 탭(214)은 열 처리 이전 또는 이후에 양성 기판에 용접될 수 있다. 한 구체 예에서, 탭(214)은 열 밀봉 이전에 부착된다. 이러한 구체 예에서, 탭(214)은 열 밀봉 동안 젤리롤의 끝단에 실질적으로 평행하게 접히며 이에 따라 젤리롤의 전반적인 끝단이 가열된다. 본 구체 예에서, 열은 탭(214)의 접힌 부분을 통하여, 접힌 탭(214) 아래의 분리막 물질로 전달된다. 열 밀봉 이후, 탭(214)은 도 2K에 도시된 바와 같이 펴지고, 이에 따라 탭(214)은 배터리 캡 또는 전류 컬렉터에 용접될 수 있다.
도 2L은 정상 극성 배터리 내에 포함된 젤리롤(101b)을 도시한다. 여기서, 탭(214)은 캡(109), 예컨대 전술한 누출 캡에 용접된다. 이러한 구성은 젤리롤(101b) 내 전극 어셈블리가 더 길어지도록 하며, 전류 컬렉터 디스크 없이 공간을 절약하며 배터리 내 더 많은 전기화학적 활물질을 제공하도록 한다. 대안적인 구체 예에서, 탭(214)은, 용접되거나 또는 예컨대 스프링 접촉 압력 하에서, 양성 전류 컬렉터 디스크(105)(도시되지 않음)와 전기적 소통을 한다. 캔(113) 및 개스킷(111)은 도 1A 및 1B에 대하여 기재된 것과 유사한다. 음성 집전 기판(204)은 여기서 캔(113)의 하단에서 음성 전류 컬렉터(103)와 전기적 소통을 한다.본 실시예에서, 캡(109)은 양성이다.
도 2M은 도 2K에 도시된 젤리롤(101b)의 횡단면도를 나타내는데, 여기서 열은 젤리롤의 (도면의) 하단에 인가되었다. 여기서, 젤리롤의 양쪽 끝단에 선택적 밀봉이 수행되었다. (도면의) 상단은 도 2K와 관련하여 기술된 바와 같이 밀봉된다. 젤리롤의 하단에서, 선택적 밀봉은 젤리롤의 이러한 끝단에 분리막과 전극을 배치함으로써 달성된다. 열이 적절하게 인가될 때, 예를 들어 젤리롤의 상단을 본 명세서에 기재된 핫플레이트에 압착시킬 때, 분리막(200)의 층은 음성 기판(204)의 이웃하는 층들 사이의 포인트(200b)에서 융합된다. 분리막 층(208)은 (앞쪽이) 융합되지 않고, 젤리롤의 적어도 내부 층 내의 융합부(200b)에 의해 캡슐화된다. 최외각 및 최내각 층에서, 분리막(200)은 용융되지만, 최외각 및 최내각 층에 있어서, 각각은 대응하는 융합부(200b)를 형성하기 위한 분리막(200)의 대응 층을 갖지 않는다. 젤리롤의 이러한 끝단에서 분리막(200)의 내부 층의 융합부는 양극을 캡슐화시키며, 이는 2F-G와 관련하여 기술된 젤리롤 및 공정과 유사하다. 도 2N은 정상 극성 배터리 내에 포함된 도 2M의 젤리롤을 도시하며, 여기서 예를 들어 양성 캡(109), 음성 전류 컬렉터(103) 등과 같은 구성성분은 도 2L과 관련하여 기술된 것들과 유사하다.
전술한 각각의 구체 예에서, 분리막을 밀봉하기 위하여 사용된 열 공급원은 대류성 열 공급원, 유도성 열 공급원, 전도성 열 공급원 및 복사 열 공급원 중 적어도 하나를 포함한다. 한 구체 예에서, 열 공급원은 전도성 열 공급원이다. 또 다른 구체 예에서 전도성 열 공급원은 가열된 판이다. 일부 구체 예에서, 비록 예컨대 약 5초가 폴리프로필렌 분리막을 밀봉하기에 충분할 수 있을 지라도, 추가적인 층 및/또는 (예컨대 셀룰로오스계 층을) 절연시킬 수 있는 층이 존재하는 경우 이들을 밀봉하기 위해 분리막의 끝단에 충분한 열을 전달하기 이해 더 긴 시간이 필요할 수 있다. 한 구체 예에서, 분리막의 제1 세트의 밀봉을 통하여 제1 전극이 선택적으로 봉해지는, 가열된 젤리롤의 끝단은, 가열된 판과 약 1초 내지 약 30초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 130℃ 내지 600℃이다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 가열된 판과 약 3초 내지 약 10초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 300℃ 내지 600℃이다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 가열된 판과 약 5초 내지 약 25초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 450℃ 내지 550℃이다.
일부 구체 예에서, 가열된 판과 접촉하는 동안, 젤리롤은 약 0.5 kg/cm2 내지 약 5 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 약 1 kg/cm2 내지 약 3 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 약 1 kg/cm2 내지 약 2 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 또 다른 구체 예에서, 젤리롤은 약 1.5 kg/cm2의 힘에 의해 상기 가열된 판과 접촉한다. 일부 구체 예에서, 예를 들면 젤리롤(101a 및 101b)과 관련하여 기재된 힘에 있어서, 이러한 힘은 선택적 열 밀봉이 일어하는 젤리롤의 끝단의 가열을 돕기 위하여 사용된다. 접힌 기판이 사용되는 구체 에에서, 인가된 힘은 또한 더욱 균일한 가열을 위하여 전도성 기판의 접힌 부분을 평탄하게 하는 역할을 한다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에 기재된 방법은 임의의 젤리롤이 구성된 전극 어셈블리에서 구형될 수 있으며, 특히 아연 전극으로부터 덴드라이트 형성이 전극을 단락시킬 수 있는 니켈 아연 전지를 위하여 사용된다.
따라서, 다양한 구체예의 상세한 설명을 고려하면, 본 발명의 또 다른 양상은 젤리롤 전극 어셈블리인데, 상기 젤리롤 전극 어셈블리는 i) 분리막 층의 제1 세트 사이에 배치된 제1 전극; 및 ii) 분리막 층의 제2 세트 사이에 배치된 제2 전극을 포함하며, 상기 젤리롤 전극 어셈블리의 동일 끝단에서, 제1 전극 및 제2 전극 중 하나가 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지고 나머지 전극은 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지지 않는다. 니켈 양극 또는 아연 음극 중 어느 하나가 선택적으로 밀봉되는 것일 수 있다. 한 구체 예에서, 제1 전극은 아연 전극이며 제2 전극은 니켈 전극이다. 또 다른 구체 예에서, 분리막 층의 제1 세트는 폴리프로필렌 층을 포함한다. 또 다른 구체 예에서, 분리막 층의 제2 세트는 폴리비닐 알코올 침적된 셀룰로오스를 포함한다. 본 명세서에 기재된 젤리롤 전극 어셈블리를 포함하는 배터리는 본 발명의 또 다른 양상이며, 전술한 바와 같이 정상 또는 역 극성 배터리일 수 있다.
실험
도 3은 (3) 시험 전지 대 (2) 대조군 전지 세트에서, 젤리롤(101a)과 관련하여 기재된 구체 예에 따르는 열-밀봉된 분리막을 포함하는 전지의 시험 결과를 나타내며, 상기 대조군에서는 열 밀봉이 수행되지 않으며, 여기서 양성 집전 기판(210)은, 젤리롤이 권취되고 그 후 젤리롤의 끝단이 전술한 시간, 온도 범위, 및 인가된 힘 하에서 핫플레이트에 노출된 이후에 접힌다. 셀을 5C 충전 비율 하에서 시험하였다. 이들 곡선들은 전지가 과충전 상태, 예컨대 최대 105% 과충전 또는 그 이상(Y-축에서, 0.9 = 90%, 1 = 100%, 1.1 = 110%, 등)이 되는 시점을 나타낸다. 곡선이 안정적인 증가를 가질 때, 이는 전지 내 단락을 나타낸다. 대조군 전지는 상승 곡선에 의해 제시된 바와 같이 단락 이전에 100 내지 250 순환을 지속한다. 본 명세서에 기재된 열 밀봉은 3 개의 시험 전지가 전지의 일반적인 붕괴가 일어나기 이전에 500 이상 내지 최대 650 순환을 작동하도록 한다(세 개 곡선 모두는 실질적으로 겹친다). 100개 전지 이상의 열-밀봉의 실행에서, 음성 이동 단락으로부터 실패한 전지는 없었다.
비록 전술한 본 발명이 이해를 촉진하기 위하여 일부 상세사항에서 기술되었으나, 상세한 구체 예는 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니라고 간주된다. 일부 변형 및 변화가 첨부된 청구 범위 이내에서 구현될 수 있음을 해당 업계의 통상의 기술자들은 이해할 것이다.

Claims (18)

  1. 두 전극을 포함하는 젤리롤 어셈블리의 양쪽 측면에 배치되고 상기 젤리롤 어셈블리의 제1 전극의 가장자리를 지나서 연장된 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 한편, 상기 제1 전극의 가장자리와 평행하고 이에 근접하는, 제2 전극의 양쪽 측면에 배치되고 상기 제2 전극의 가장자리를 지나서 연장된 분리막 층의 제2 세트는 밀봉하지 않으며, 여기서 두 가장자리는 모두 상기 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단에 배치되며, 상기 젤리롤 어셈블리의 동일 끝단은 열 공급원에 노출되는, 밀봉 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉(selectively sealing)하는 것은
    i) 열 공급원이 젤리롤 어셈블리의 상기 동일 끝단에 인가될 때, 상기 분리막 층의 제1 세트가 밀봉되어 상기 제1 전극을 봉할 수 있으나, 상기 분리막 층의 제2 세트는 상기 제2 전극을 밀봉 및 봉하는 것이 물리적으로 제한되도록, 상기 제2 전극의 집전 기판을 구성하는 단계; 및
    ii) 열 공급원을 젤리롤 어셈블리의 상기 동일 끝단에 인가하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 제2 전극의 집전 기판을 구성하는 단계는, 제2 전극의 집전 기판을 제1 전극의 집전 기판의 실질적으로 위로, 그러나 접촉하지 않도록 접어서, 실질적으로 밀폐된 공간이 형성되도록 하는 단계를 포함하며, 여기서 분리막 층의 제1 세트 및 분리막 층의 제2 세트로부터 유래된 인접하는 분리막 층은 실질적으로 밀폐된 공간 내에 배치됨을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 분리막 층의 제1 세트를 선택적으로 밀봉하는 것은
    i) 열 공급원이 인가될 때 밀봉되어 제1 전극을 봉할 수 있는 층을 분리막 층의 제1 세트가 포함하지만, 열 공급원이 인가될 때 제2 전극을 밀봉하여 봉할 수 없는 층을 분리막 층의 제2 세트가 포함하도록, 상기 젤리롤 어셈블리를 구성하는 단계; 및
    ii) 열 공급원을 젤리롤 어셈블리의 상기 동일 끝단에 인가하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 층의 제1 세트 및 상기 분리막 층의 제2 세트는 각각 서로 다른 용융점을 가짐을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 층의 제1 세트는 폴리프로필렌 층이며, 상기 분리막 층의 제2 세트는 셀룰로오스계 층임을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분리막 층의 제2 세트는 폴리비닐 알코올로 침적된 셀룰로오스임을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 열 공급원은 대류성 열 공급원, 유도성 열 공급원, 전도성 열 공급원 및 복사 열 공급원 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열 공급원은 전도성 열 공급원임을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전도성 열 공급원은 가열된 판임을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 젤리롤의 상기 동일 끝단은 상기 가열된 판과 약 3초 내지 약 10초 동안 접촉하며, 여기서 상기 판의 온도는 약 300℃ 내지 600℃임을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 젤리롤은 상기 가열된 판과 약 0.5 kg/cm2 내지 약 5 kg/cm2의 힘에 의해 접촉됨을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극은 아연 전극이며, 상기 제2 전극은 니켈 전극임을 특징으로 하는, 밀봉 방법.
  14. 젤리롤 전극 어셈블리에 있어서,
    i) 분리막 층의 제1 세트 사이에 배치된 제1 전극; 및
    ii) 분리막 층의 제2 세트 사이에 배치된 제2 전극
    을 포함하며,
    상기 젤리롤 전극 어셈블리의 동일 끝단에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나가 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지고 나머지 전극은 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지지 않음을 특징으로 하는, 젤리롤 전극 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 전극은 아연 전극이며, 상기 제2 전극은 니켈 전극임을 특징으로 하는, 젤리롤 전극 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 분리막 층의 제1 세트는 폴리프로필렌 층을 포함함을 특징으로 하는, 젤리롤 전극 어셈블리.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 분리막 층의 제2 세트는 폴리비닐 알코올 침적된 셀룰로오스를 포함함을 특징으로 하는, 젤리롤 전극 어셈블리.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 젤리롤 전극 어셈블리의 양쪽 끝단에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나가 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지고 나머지 전극은 분리막 층의 해당 세트에 의해 봉해지지 않음을 특징으로 하는, 젤리롤 전극 어셈블리.
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