KR20140121439A - 다목적 폼 팩터를 갖는 납 축전지 디자인 - Google Patents

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KR20140121439A
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수바쉬 다르
윌리엄 코에팅
콱 탐
프랭클린 마틴
조지 에스피넬
미카엘 닐슨
파비오 알바노
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에너지 파워 시스템즈 엘엘씨
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Abstract

전기 화학 저장 장치는 복수의 층 전극들을 포함하며, 각각의 층 전극은 제 1 하전 섹터 및 제 2 하전 섹터를 포함하며, 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 1 하전 섹터와 비교하여 반대로 하전되며, 상기 복수의 층 전극들은 상기 복수의 층 전극들의 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터가 상기 제 1 플레이트 바로 위에 위치되는 복수의 층 전극들의 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 아래에 위치되도록 서로에 대해 조립되며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 1 하전 섹터들의 하전은 제 1 사인(sign)을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 2 하전 섹터들의 하전들은 상기 제 1 사인과는 반대의 제 2 사인을 가지며, 또한 상기 저장 장치는 상기 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 사이에 위치되어 그들 사이에 이온성 하전 교환을 부여하는 분리기 섹터를 포함한다.

Description

다목적 폼 팩터를 갖는 납 축전지 디자인{LEAD-ACID BATTERY DESIGN HAVING VERSATILE FORM FACTOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2012년 9월 25일자로 출원된 발명의 명칭이 "다목적 폼 팩터를 갖는 납 축전지 디자인"인 출원번호 제13/626426호의 일부 연속 출원이며, 또한 2012년 1월 13일자로 출원된 발명의 명칭이 "다목적 폼 팩터를 갖는 납 축전지 디자인"인 출원번호 제13/350,686호의 일부 연속 출원이고, 또한 현재 계류 중인 발명의 명칭이 "전기 화학 셀의 전극을 위한 개선된 기판"인 미국 출원번호 제13/350,505호의 전체 내용을 합체하고 있다. 본 출원은 참고를 위해 상술된 출원 모두의 내용 전체를 포함하고 있다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 전기 화학 셀들에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예들은 납 전기 화학 축전지의 디자인에 관한 것이다.
납 전기 화학 축전지는 일백년 이상 동안 파워 셀로서 충분히 상업화되어 왔다. 예를 들어, 납 축전지는 자동차 산업에서 시동, 조명 및 점화(SLI) 용례로서 폭넓게 사용된다.
납 축전지의 대안으로서, 니켈-수소("Ni-MH") 전지 및 리튬-이온("Li-ion") 전지가 하이브리드 및 전기 차량 용례로서 사용되어 왔다. 그들의 높은 비용에도 불구하고, 상기 Ni-MH 및 Li-ion 전기 화학분야는 납 축전지들과 비교할 때 높은 비에너지 및 에너지 밀도로 인해 하이브리드 및 전기 차량 용례를 위한 납 전기 화학 축전지 이상으로 선호되어 왔다.
납 축전지, Ni-MH 전지, 및 Li-ion 전지들이 각각 종래 산업적으로는 성공하였으나, 이들 3가지 유형의 화학적 성질은 각각 특정 용례에 제한되어 왔다. 도 18은 자동차 용례에서 사용되는 다양한 유형의 전기 화학 셀들에 대한 라곤 도표(Ragone plot)로서, 다른 기술들과 비교한 각각의 비출력 및 비에너지를 나타낸다.
납 축전지 기술은 비용이 저렴하고 신뢰할 수 있으며 상대적으로 안전하다. 차량들의 완전 또는 부분 전화(electrification) 및 예비 전력 용례와 같은, 특정 용례들은 전통적인 SLI 납 축전지 전달자보다 높은 비에너지를 필요로 한다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 납 축전지들은 구성 요소들의 중량으로 인해 낮은 비에너지를 겪게 된다. 따라서, 특정 자동 및 예비 전력 용례들을 포함하는, 높은 비에너지를 필요로 하는 다양한 용례들을 위한, 저렴하고, 신뢰할 수 있으며 또한 상대적으로 안전한 전기 화학 셀들에 대한 요구가 존재한다.
납 축전지들은 많은 장점들을 갖는다. 먼저 납 축전지는 세계 어디에서도 제조될 수 있는 저비용 기술이다. 따라서, 납 축전지의 생산은 용이하게 확대될 수 있다. 납 축전지들은 다양한 크기 및 디자인들로 대량으로 이용할 수 있다. 또한, 그들은 양호한 고속 성능 및 적절한 양호한 저온 및 고온 성능을 제공한다. 납 축전지들은 75 내지 80%의 턴어라운드 효율(turnaround efficiency)을 가짐으로써 전기 효율적이며, 양호한 "플로트(float)" 서비스를 제공하며(이때 하전은 세류 충전(trickle charging)에 의해 전체 하전 레벨 근방에서 지속된다), 양호한 하전 보유를 나타낸다. 또한, 비록 납이 유독성을 갖는다 할지라도, 납 축전지 구성 요소들은 용이하게 재활용된다. 일반적으로 극단적으로 높은 비율(약 95% 초과)의 납 축전지 구성 요소들이 재활용된다.
납 축전지들은 또한 특정 단점들을 겪는다. 그들은 특히 딥 방전(deep-discharge) 용례에 있어서 상대적으로 낮은 수명을 갖는다. 납 성분들 및 플레이트들을 보강하기 위해 필요한 다른 구조적 성분들의 무게로 인하여, 납 축전지들은 일반적으로 제한된 에너지 밀도를 갖는다. 만약 납 축전지들이 방전 상태에서 장기간 동안 저장된다면, 전극들의 황산화가 발생하여, 전지를 훼손시키고 그의 성능을 손상시킨다. 또한, 일부 디자인에서 수소가 방출될 수 있다.
납 축전지들과는 대조적으로, Ni-MH 전지들은 수산화니켈과 같은 종래의 양성 전극과 함께 활성 음극 재료로서 금속 수소화물을 사용한다. Ni-MH 전지들은 특히 상대적으로 낮은 깊이의 방전 하에서 상대적으로 긴 수명을 특징으로 한다. 상기 Ni-MH 전지들의 비에너지 및 에너지 밀도는 납 축전지들의 경우보다 높다. 또한, Ni-MH 전지들은 다양한 용례들을 위한 소형의 각기둥 및 원통형 셀들로 제조되며, 하이브리드 전기 차량들에 광범위하게 채용되어 왔다. 큰 사이즈의 Ni-MH 셀들은 전기 차량에서 사용이 제한되는 것을 알 수 있다.
Ni-MH 전기 화학 셀들의 주요 단점은 그들의 높은 비용에 있다. Li-ion 전지들은 이와 같은 단점들을 공유한다. 또한, Li-ion 디자인들의 에너지 밀도 및 비에너지에 있어서의 개선은 최근 몇년 사이 Ni-MH 디자인을 앞지르는 발전을 가져왔다. 따라서, 비록 니켈 수소 전지들이 대체로 10년 전의 디자인들보다 더욱 강력해졌다 할지라도, 본질적으로 높은 작동 전압을 갖는, Li-ion 전지들의 향상은, 다른 경우 Ni-MH 전지들을 채용하게 될, 많은 하이브리드 용례들에 대해 기술적으로 더욱 경쟁력 있게 만든다.
Li-ion 전지들은 2차 소비자 전지 시장의 최종 점유율 뿐만 아니라, 또한 OEM 하이브리드 전지, 차량 및 전기 차량 용례의 큰 점유율을 차지했다. Li-ion 전지들은 높은 에너지 밀도 및 높은 비에너지 뿐만 아니라 긴 수명을 제공한다. 예를 들어, Li-ion 전지들은 80%의 방전량에서 1,000 사이클 초과를 제공할 수 있다.
Li-ion 전지들은 특정 장점들을 갖는다. 그들은 폭넓은 다양한 형상들 및 크기들로 이용될 수 있으며, (비에너지 및 에너지 밀도 모두의) 비교 가능한 에너지 용량을 갖는 다른 이차 전지들보다 훨씬 밝다. 또한, 그들은 높은 개회로 전압(일반적으로 납 축전지들에 대해 ~3.5 V 대 2 V)을 갖는다. Ni-Cd와 대조적으로, 그리고 보다 적게, Ni-MH 전지들, Li-ion 전지들은 어떠한 "메모리 효과"도 겪지 않으며, Ni-MH 전지들(월당 20% 이하)과 비교할 때 훨씬 낮은 자체 방전률(월당 약 5%)을 갖는다.
그러나, Li-ion 전지들은 또한 특정 단점들을 갖는다. 그들은 고가이다. 낮은 온도에서 상기 1C의 하전률 및 방전률은 리튬 확산이 느리고 또한 이온들이 충분히 신속하게 이동하도록 허용하지 않기 때문에 저항적이다. 또한, Li-ion 전지들은 훨씬 빠른 확산 속도를 허용하기 위해 액체 전해물질들을 사용함으로써, 음성 전극에서 수지상 침전물들의 형성이 초래되고, 하드 쇼트(hard short)가 야기되고, 잠재적 위험 상태를 초래한다. 액체 전해물질들은 또한 전자 전달을 억제할 수 있는 전해물질/전극 인터페이스에서 (SEI층으로 언급되는) 침전물들을 형성하여, 시간이 지남에 따라 셀 속도의 능력과 역량을 간접적으로 감소시키게 된다. 이와 같은 문제점들은 높은 하전 레벨과 상승 온도에 의해 악화될 수 있다. Li-ion 셀들은 플로트 상태에서 작동될 경우 용량을 회복 불능 상태로 잃을 수 있다. 열악한 냉각 및 증가된 내부 저항은 셀 내부의 온도 증가를 야기하며, 전지 수명을 추가적으로 감소시킨다. 그러나, 가장 중요한 Li-ion 전지들은 만약 과열, 과충전 또는 과방전될 경우 열 폭주(thermal runaway)를 겪을 수 있다. 이는 셀의 파열을 유발시킬 수 있으며, 활성 재료를 대기 중으로 노출시킨다. 극단적인 경우, 이는 전지가 소실되는 원인이 될 수 있다. 딥 방전은 Li-ion 셀을 단락시킬 수 있으며, 불안정한 재충전을 야기할 수 있다.
이와 같은 위험들을 관리하기 위해, Li-ion 전지들은 일반적으로 고가의 복소 전력 및 열 관리 시스템으로 제조된다. 하이브리드 차량에 대한 대표적인 Li-ion 용례에 있어서, 전지 모듈 용적의 2/3가 열관리 및 전력 전자 및 전지 관리를 위한 이차적 장비로 사용될 수 있으며, 이 경우 전지 시스템의 전반적인 크기 및 중량 뿐만 아니라 그의 비용도 크게 증가한다.
납 축전지, Ni-MH 전지 및 Li-ion 전지들의 다양한 장점들 및 단점들에 더하여, 이들 3개의 전기 화학적 성질인 비에너지, 에너지 밀도, 비출력 및 출력 밀도는 실질적으로 변화한다. HEV-유형 용례에서 사용되는 시스템들에 대한 대표값들은 아래 표 1에 제공된다.
전기 화학 유형 비에너지(Whr/kg) 에너지 밀도(Whr/l) 비출력(W/kg)
납산(lead acid)1 30-50 Whr/kg 60-75 Whr/l 100-250 W/kg
니켈 금속
수소화물(Ni-MH)2 		65-100 Whr/kg 150-250 Whr/l 250-550 W/kg
리튬-이온(Li-ion)3 131 Whr/kg 이하 250 Whr/l 2,400 W/kg 이하
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Lead_acid__battery, accessed Jan. 11, 2012.
2. Linden, David, ed., Handbook of Batteries, 3rd Ed. (2002).
3. http://info.al23systems.com/data-sheet-20ah-prismatic-pouch-cell, accessed Jan. 11, 2012.
비록 Ni-MH 및 Li-ion 전지 모두의 화학적 성질이 하이브리드 및 전기 차량에서 상당한 역할을 요구한다 할지라도, 양쪽의 화학적 성질의 경우 실질적으로 차량의 추진력 도움을 위해 납 축전지들보다 고비용을 요한다. 본 발명자들은 본 발명의 실시예들이 모든 유형의 하이브리드 및 전기 차량 용례에 있어서 Ni-MH 및 Li-ion 전기 화학의 대안으로서 가변적이고 저 비용을 제공하기 위해 납 축전지의 용량을 크게 개선시킬 수 있다는 사실을 확신한다.
특히, 특정 용례들은, 특정 자동 및 대기 전력 용례와 같이, Ni-MH 및 Li-ion 전지들에 대하여 어려운 것으로 판명되었다. 대기 전력 용례 요구 조건들은 점차로 증가되어 왔다. 오늘날 대기 전지는 정확한 유지보수로부터 자유로워야 하며, 저 비용, 긴 수명, 낮은 자체 방전을 가져야만 하고, 극단적인 온도에서 작동 가능해야 하며, 마지막으로 높은 비에너지 및 높은 비출력을 가져야만 한다. 에너지 효율을 개선시키기 위한 신생 스마트 그리드(smart grid) 용례들은 고 출력, 긴 수명 및 시장에서의 연속 성장을 위한 저비용을 요하게 된다.
자동차 제조자들은, 내연 기관("ICE")에 의해 동력화되는 종래의 자동차에 대한 전기 차량들 및 하이브리드 차량들의 비용 증가로 인해, 상기 전기 차량들 및 하이브리드 차량들의 조기 출시에 있어서 실질적인 소비자들의 저항에 직면했다. 환경적 및 에너지 독립성 차원에서 제조자로 하여금 내연 기관 동력 차량에 대한 가격 효율적인 대안을 제공하고자 하는 큰 압박을 제공했다. 비록 하이브리드 및 전기 차량들이 그와 같은 요구에 직면할 수 있을지라도, 그들은 일반적으로 에너지 저장 시스템들의 높은 비용을 부담하기 위한 보조금에 의존한다.
아래의 표 2는 다양한 전지식 전기 화학 및 내연 기관(ICE)의 용례 및 특정 자동차 용례에 있어서의 현재 역할들을 비교한 것이다. 표 2에서 사용된 바와 같이, "SLI"는 시동, 조명, 점화를 의미하는 것이다; "HEV"는 하이브리드 전기 차량을 의미한다; "PHEV"는 플러그-인 하이브리드 전기 차량을 의미한다; "EREV"는 확장된 범위의 전기 차량을 의미한다; 그리고 "EV"는 전기 차량을 의미한다.
SLI 시동/정지 동력
보조		 재생 마일드
하이브리드		 HEV PHEV EREV EV
Pb-산 √
Ni-MH √ √ √ √
Li-ion √ √ √ √ √ √ √
ICE √ √ √ √ √ √ √ √
표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, Ni-MH 및 Li-ion 전지들을 사용하는 하이브리드 및 전기 차량들과 관련하여 동일 수준이면서 추가 비용 없는, 차량의 부분적인 전기화가 환경적 및 에너지 효율적 장점들을 제공하게 되는 특정 용례들에 대한 욕구가 남아 있다. 특히, 시동/정지 자동차 용례 영역에서 저 비용, 에너지 효율 전지에 대한 욕구가 존재한다.
내연 기관의 튜티 사이클에 있어서 특정 지점들은 다른 지점들보다 훨씬 큰 비효율성을 수반한다. 내연 기관은 오직 상대적으로 좁은 크랭크축 속도 범위 하에서만 효율적으로 작동한다. 예를 들어, 차량이 정지 시 유휴 상태에 있을 때, 연료는 어떠한 유용한 작업을 수행하는 일 없이 소모된다. 유휴 차량 운행 시간, 정지/출발 사건, 파워 스티어링, 공기 조화, 또는 다른 전력 전자 요소 작동은 신속한 가속 사건 발생 시 연료 경제 관점에서 대체로 비효율을 수반한다. 또한, "출발-정지" 상태에서 차량으로부터의 환경 오염이 운행 중인 차량으로부터의 오염보다 훨씬 악화된다. 이와 같이 더 극단적인 작동 상태와 관련된 차량의 부분적인 전화는, 출발/정지 전화를 포함하여, "마이크로" 또는 "마일드" 하이브리드 용례로서 언급된다. 마이크로- 및 마일드-하이브리드 기술들은 전체 하이브리드 또는 전기 차량만큼 내연 기관에 의해 부여되는 동력을 대신할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 그들은 전체 하이브리드 또는 전체 전기 차량 용례들과 관련된 실질적인 자본 지출 없이 대체로 비용 효율적인 방식으로 연료 효율을 증가시킬 수 있다.
종래의 납 축전지들로는 아직까지 이와 같은 역할을 충족시킬 수 없었다. 종래의 납 축전지들은 SLI 작동의 특정 용례들에 대해 설계 및 최적화되어 왔다. 마일드 하이브르드 용례의 요구 조건들도 상이하다. 마일드 하이브르드 용례로 발전 및 최적화되기 위해, 새로운 공정, 디자인, 및 생산 공정이 요구된다.
마일드 하이브리드 용례에 대한 하나의 요구 조건은 저중량의 전지를 들 수 있다. 종래의 납 축전지들은 상대적으로 무겁다. 그 이유는 전지가 납 요소들 및 플레이트들에 강성을 제공할 필요가 있는 다른 구조적 구성 요소들의 실제 중량으로 인한 낮은 비에너지를 갖기 때문이다. SLI 납 축전지들은 일반적으로 가느다란 플레이트들을 가지며, 이는 엔진을 시동걸기 위해 필요한 동력을 생성시키기 위해 필요한 증가된 표면적을 제공한다. 그러나, 그리드 두께는 주조 공정 및 그리드 현수 제작 기술로 인해 최소 유효 두께로 제한된다. 상기 최소 그리드 두께는 또한 부식 공정에 의해 양성 전극 상에서 결정된다. 양성 플레이트들은 생산 속도 하의 주조의 어려움으로 인해 페이스 와이어(face wire)들 상에서 0.08"(주 외측 프레임 와이어들) 미만 및 0.05" 미만으로 되며, 더 중요한 것은 열악한 사이클 수명 의제와 관련된다. 이와 같은 파라미터들은 동력을 제한한다. (지게차용 원동력과 같은) 심방전(deeper discharge) 용례들을 위해 설계된 납 축전지들은 일반적으로 상기 용례들에 있어서 심방전에 저항할 수 있게 하기 위해 더 무거운 플레이트들을 갖는다.
또한, 대표적인 납 축전지들에 있어서, 활성 재료는 일반적으로 합성 물질로서 플레이트를 형성하기 위해 그리드에 제공되는 페이스트(paste)로서 형성된다. 비록, 상기 페이스트가 자체적으로는 잘 부착될지라도, 그것은 페이스트 수축 문제때문에 상기 그리드 재료들에는 잘 부착되지 않는다. 따라서, 더 실질적이고 상기 활성 재료를 지지하도록 돕기 위한 추가의 구조적 요소들을 포함하고, 순차적으로 셀 상에 여분의 중량 부담을 제공하는 그리드들의 사용이 필요하게 된다.
또한, 종래의 납 축전지들을 제조하는 동안에, 상기 구성 요소들은 다수의 기계적 응력을 겪게 된다. 상기 그리드 위에 활성 재료를 페이스트함으로써 상기 그리드의 격자는 응력을 받을 수 있다. 팽창된 금속 그리드들은 주조 그리드들보다 경량이고, 또한, 팽창된 그리드 자체의 형성은 상기 팽창된 그리드의 노드들 각각에 응력을 제공한다. 전극 페이스트 작업, 처리 작업 및 셀 작업 동안 실제로 기계적 응력을 겪게 되는 그와 같이 다양한 구조적 재료들은, 특히 동력을 증가시키기 위해 얇은 플레이트들이 사용될 때, 활성화 후 전지의 산-산화성 환경에서 더 쉽게 부식되는 경향을 갖는다.
예를 들어, 주조 및 팽창된 금속 그리드들은, 납 금속을 PbO2로 전환시키는 몰 부피의 변화로 인해, 전지의 수명 동안 비균일한 응력을 갖는다. 이와 같은 부식 제품의 부피 변화는 주조 및 팽창된 금속들 내의 그리드 와이어들의 불규칙한 단면 형상들로 인해 비균일한 방식으로 그리드들 상에 거대한 응력을 가한다.
마일드 하이브리드 용례에 대한 다른 요구 조건은 재충전 가능한 전지들이 각각의 사이클에서 0.001% 미만의 에너지 손실을 갖고 충전 및 방전될 수 있어야 한다는 점에 있다. 이는 디자인의 내부 저항 및 극복될 필요가 있는 과전압의 기능과 관련이 있다. 상기 반응은 에너지 효율적이고, 사이클 수명을 한정할 수 있는 전지에 대한 최소 물리적 변화를 포함해야 한다. 셀 구성 요소들을 악화시키고, 수명의 손실을 야기하고, 가스 부산물이나 또는 에너지 손실을 발생시킬 수 있는 사이드 화학적 반응은 최소화시키거나 없애야 한다. 또한, 재충전 가능한 전지는 바람직하게는 높은 비에너지, 낮은 저항, 및 넓은 온도 범위에 걸쳐 양호한 성능을 가져야만 하며, 격자 팽창에 의해 야기된 구조적 응력을 완화시킬 수 있어야 한다. 디자인이 최소 저항에 적합화될 때, 충전 및 방전 효율이 혁신적으로 개선될 것이다.
납 축전지들은 이와 같은 많은 특성들을 갖는다. 상기 충전-방전 공정은 반드시 높은 가역성을 가져야 한다. 납-산 시스템은 광범위하게 연구되어 왔고, 이차 화학 반응들이 관여되었다. 그들의 유해한 효과들은 촉매제 또는 엔지니어링적 접근방법을 사용하여 완화되었다. 비록 에너지 밀도 및 비에너지가 상대적으로 낮을지라도, 상기 납 축전지는 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 양호한 성능 및 양호한 사이클 수명으로 신뢰 가능하게 수행된다. 납 축전지의 주요 장점은 그들의 낮은 비용에 있다.
대표적인 납-산 전기 화학 셀은 양성 플레이트에서 활성 재료로서 이산화납을 사용하고 음성 플레이트에서 활성 재료로서 금속 납을 사용한다. 이와 같은 활성 재료들은 제 위치에 형성된다. 일반적으로, 하전된 양성 전극은 Pb02를 함유한다. 상기 전해질은 일반적으로 약 1.2의 비중 또는 37 중량%의 산을 갖는 황산 용액이다. 대표적인 사이클에서 상기 양성 및 음성 전극들에서의 기본 전극 공정은 용해-침전 기구를 통해 PbO2/Pb를 형성하는 공정을 포함하며, 상기 양성 전극 구조체들 내에 비균일한 응력을 발생시킨다. 방전-충전 기구에 있어서의 제 1 단계는 이중 황산염 형성 반응이다. 상기 전해질 내의 황산은 방전에 의해 소모되어, 생산물로서 물을 생성한다. 다른 많은 전기 화학 시스템들과는 달리, 납 축전지들에서는 전해질 자체가 활성 재료이며, 전해질은 용량이 제한될 수 있다.
종래의 납 축전지들에 있어서, 주 개시 물질은 고 정제의 납이다. 납은 먼저 페이스트로 전환하고, 종국적으로 이산화납 양성 활성 재료 및 스펀지 납 음성 활성 재료로 전환하기 위한 산화납의 생산을 위해 사용된다. 순수 납은, 매우 두꺼운 플레이트들 또는 나권형 전지들을 제외하고는, 일반적으로 너무 소프트해서 처리 문제 때문에 그리드 재료로서 사용될 수 없다. 납은 일반적으로 추가의 합금 요소들에 의해 경화된다. 이와 같은 합금 요소들 중 일부는 결정 성장 억제제 및 부식 억제제이나, 나머지는 일반적으로 그리드 생성이나 또는 전지 성능에 유해할 수 있다. 납/납 그리드들의 부식에 있어서 완화 요인들 중 하나는 납 상의 수소 방출을 위한 높은 수소 과전위(over-potential)이다. 대부분의 부식 반응이 캐소드 반응으로서 수소 방출이 수반되므로, 감소된 수소 방출은 또한 애노드 부식을 억제할 수 있다.
그리드의 목적은 상기 활성 재료들을 위한 지지 구조체를 형성하고 또한 활성 재료로부터 셀 단자들로 방전하는 동안 발생되는 전류를 수집 및 운반하기 위한 것이다. 기계적 지지부는 또한 폴리머, 세라믹, 및 다른 구성 요소들과 같은 비금속 요소들에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 이들 구성 요소들은 도전성이 아니다. 따라서, 그들은 셀의 비에너지에 기여하는 일 없이 중량을 추가한다.
산화납은 프레이트들을 형성하는 그리드들에 고정될 수 있는 반죽형 재료로 전환된다. 상기 페이스트가 그리드 내로 통합되는 공정은 페이스팅(pasting)이라 불려진다. 페이스팅은 "리본" 압출 가공 형태일 수 있다. 상기 페이스트는 휴대용 흙손 또는 기계에 의해 그리드 공극들로 프레스된다. 제공된 페이스트의 양은 그리드 위의 호퍼의 간격이나 또는 흙손의 유형에 의해 조절된다. 플레이트들이 페이스트됨에 따라, 물이 페이스트 밖으로 강제 추출된다.
SLI 납-산 플레이트들에 대한 대표적인 양생 공정은 양성 및 음성 플레이트들에 대해 다르다. 일반적으로 물은 상기 플레이트에 잔류하는 물의 양이 약 8 내지 20 중량% 사이가 될 때까지 기류 건조기에서 상기 플레이트로부터 축출된다. 상기 양성 플레이트는 낮은 온도(<55 C +/- 5C) 및 높은 습도에서 24 내지 72 시간 동안 하이드로 설정(hydro-set)된다. 상기 음성 플레이트는 동일한 온도 및 습도에서 5 내지 12 시간 동안 하이드로 설정된다. 상기 음성 플레이트는 8 내지 20% 범위의 하단부까지 건조될 수 있고, 상기 양성 플레이트는 상기 범위의 상단부까지 건조될 수 있다. 더욱 최근에, 제조자들은 온도와 습도가 더욱 정확하게 제어될 수 있는 양생 오븐을 사용한다. 종래의 처리 단계들에 있어서, 상기 "하이드로 설정 공정"은 "페이스트" 활성 재료의 수축을 야기하여, 순차적으로 상기 활성 재료를 비균일 방식으로 상기 그리드로부터 박리시킨다. 상기 노출된 그리드 금속은 우선적으로 침식되고, 그것이 상기 활성 재료와 국부적으로 접촉하지 않기 때문에, 저항 뿐만 아니라 형성, 및 수명 문제도 증가시킨다.
단순 셀은 하나의 양성 플레이트 및 하나의 음성 플레이트로 구성되며, 그들 사이에는 하나의 분리기가 위치된다. 대부분의 실질적인 납-산 전기 화학 셀들은 중간에 분리기들을 갖는 3 내지 30 사이의 플레이트들을 포함한다. 일반적으로는 리프형 분리기(leaf separator)가 사용되나, 엔벨로프형(envelope) 분리기도 또한 사용된다. 상기 분리기는 그의 최근접 대전극으로부터 각각의 플레이트를 전기적으로 절연하나, 플레이트들로 또는 플레이트들로부터 산의 운반을 충분히 허용할 수 있도록 다공성이어야 한다.
전지 케이스들을 밀봉하고 함께 커버하기 위해 사용되는 다양하고 상이한 공정들이 사용된다. 밀봉된 셀들은 산성 전해질과 관련된, 과충전으로 인해 발생되는 잠재적인 폭발성 가스 및 전기 쇼크와 같은, 안전상 위험들을 최소화할 필요가 있다. 대부분의 SLI 전지들은 케이스와 커버의 결합으로 밀봉되나, 일부 딥-사이클링(deep-cycling) 전지들은 가열 밀봉된다. 다양한 접착제, 클램프 및 패스너들이 또한 당업계에서 널리 공지되어 있다.
일반적으로, 전지가 완전히 조립된 후에 형성 과정이 시작된다. 형성 과정은 활성 재료들을 활성화시킨다. 다음에 전지들이 검사, 패키지, 및 발송된다.
다양한 대기 전력 및 수송 용도를 위해 납 축전지들을 최적화하기 위한 다수의 상호 절충이 고려되어야만 한다. 고 전력 밀도의 경우 전지의 초기 저항이 최소가 될 필요가 있다. 고 전력 및 에너지 밀도들은 또한 플레이트와 분기리들이 매우 다공성으로 될 것을 요구한다. 대조적으로, 높은 사이클 수명은 최적화된 분리기들, 얕은 방전 깊이, 및 부식을 감소시키기 위한 기판 그리드들 내의 합금 요소의 존재를 필요로 한다. 또한, 대조적으로, 낮은 비용은 최소 고정 및 가변 비용, 고속 자동 처리를 요하며, 또한, 그리드, 페이스트, 분리기 또는 기타 셀 및 전지 요소들을 위해 어떠한 고급 재료들도 사용되지 않을 것을 요한다.
납-산 전기 화학 셀들의 기본 디자인에 있어서 다양한 개선책들이 제안되어 왔다. 이들 대부분은 기판, 활성 재료 뿐만 아니라 버스 바 또는 수집기 소자의 특성들에 있어서의 개선을 포함한다. 예를 들어, 다양한 섬유 또는 금속들이 강화를 돕기 위해 상기 기판 재료에 첨가되거나 또는 매설된다. 활성 재료는, 합성 섬유 및 다른 추가물들을 포함하는, 다양한 재료들로 강화되어 왔다. 특히 납 축전지들과 관련하여, 이와 같은 다양한 접근 방식들은 내구성, 용량, 및 비에너지 사이의 상호 절충을 나타낸다. 다양한 비 전도성 강화 요소들의 추가는 지지 그리드의 강화에 도움을 주나, 비 전도성 요소들을 구비한 활성 재료나 전도성 기판을 대신한다.
비에너지와 관련된 납-산 전기 화학 셀들의 중량을 감소시키기 위한 다양한 개선책이 공개되어 있다. 하나의 접근 방법으로는 전극의 그리드를 지지하기 위해 사용될 수 있는 복합 와이어를 제조하기 위해 충분한 납으로 경량의 고장력 섬유를 코팅하는 방법이 있다. 로버트슨은 미국특허 제275,859호에서 전신 케이블로서 사용하기 위한 코어 재료 위에 납을 압출하는 장치에 대해 공개하였다. 바네스는 미국특허 제3,808,040호에서 합성 수지의 스트립들을 침전시킴으로써 그리드 요소로서 작용하는 전도성 격자를 강화하는 방법에 대해 공개하였다. 특히 바네스의 '040 특허는 납 코팅된 유리 섬유에 대해 공개하고 있다. 그러나, 이와 같은 접근 방법들로는, 전해질로부터의 화학적 공격에 저항할 수 있는 상업적으로 실행 가능한 납 축전지를 제조할 수 있도록, 충분한 고 내식성 및 고 장력적 특성을 갖는 재료를 생산할 수 없었다.
블레이너 등은 전극들의 중량을 감소시키고 또한 전도성 재료의 특성을 증가시키기 위한 기판의 합성에 대한 추가적인 개선책을 공개하였다. 블레이너의 미국특허 제5,010,637호 및 제4,658,623호. 블레이너는 압출된 내부식성 금속으로 섬유를 코팅하는 방법 및 장치에 대해 공개하였다. 블레이너는 광학 유리 섬유 또는 고 전도성 금속 와이어와 같은 고 장력 섬유 재료를 포함할 수 잇는 다양한 코어 재료에 대해 공개하였다. 마찬가지로, 블레이너는 압출된 내부식성 금속은 납, 아연 또는 니켈과 같은 다수의 금속들 중 어느 것일 수 있다는 사실도 공개했다.
블레이너는 내부식성 금속이 다이를 통해 압출된다는 사실을 공개했다. 상기 코어 재료는 금속이 상기 코어 재료 위로 압출됨에 따라 다이를 통해 인발된다. 금속 와이어나 또는 섬유의 연속 길이는 압출된 내부식성 금속의 균일한 층으로 코팅된다. 다음에, 상기 와이어는 활성 재료를 위한 기판으로서 작용하는 스크린을 직조하기 위해 사용된다. 직조된 와이어의 교차점들에는 어떠한 융점들도 존재하지 않는다. 전극은 그리드 상에 제공된 활성 재료를 갖는 그리드와 같은 스크린을 사용하여 구성될 수 있다. 재충전 가능한 납-산 전기 화학 셀은 전극쌍들을 사용하여 구성된다.
블레이너는 상기 코어 재료 상에 코팅되는 금속의 입자 구조에 관한 추가의 개선책에 대해 공개하였다. 특히, 블레이너는 압출된 내부식성 금속이 길이 방향으로 배향된 입자 구조 및 균일한 입자 크기를 갖는다는 사실을 공개했다. 미국특허 제5,925,470호 및 제6,027,822호.
팡 등은, 그들의 논문에서, 이론적 추정 및 경험적 조사에 의한 Pb-GF 합성 와이어의 코팅 압출에 대한 갭 사이즈의 효과에 대해 공개하고 있으며(J. Mater, Sci. Technol., Vol. 21, No. 5 (2005)), 여기서는 납 코팅된 유리 섬유를 압출하는데 있어서 갭을 최적화한다. 비록 블레이너가 납 코팅된 합성 와이어의 압출과 갭 사이즈 사이의 관계에 대해 공개하고 있지 않으나, 팡은 연속 코팅 압출 공정을 위한 핵심적인 매체로서 갭 사이즈를 특징화하고 있다. 팡은 0.12 mm 내지 0.24 mm 사이의 갭이 필요하며, 0.18 mm의 갭이 가장 적합하다고 보고하고 있다. 팡은 또한 연속 섬유 합성 와이어가 에너지 사용을 개선하고 부하를 강화시킬 수 있다고 보고하고 있다.
본 발명자들은, 자동차 용례를 위한 납-산 전기 화학 셀들에서의 개선책들에도 불구하고, 이전의 공지된 납 축전지들이 유사한 용례들에 대해 Li-ion 또는 Ni-MH 셀들과 동일한 성능을 성취할 수 없었다는 사실을 발견했다. 자동차 및 대기 전력 시장의 특화된 요구 조건들을 충족시키기 위해 납-산 전기 화학 셀들의 디자인 및 구성에서의 추가의 개선책들에 대한 필요성들이 여전히 남아 있었다. 특히, Li-ion 전기 화학 셀들에 의해 상승된 동일한 안전 개념을 수반하지 않는 특정 용례들에 있어서 리튬-이온 전기 화학 셀들에 대한 신뢰할만한 대안책에 대한 요구가 여전히 존재하였다. 마찬가지로, 납-산 전기 화학 셀들에 대한 낮은 비용 및 신뢰성면에서의 이득이 추가된 Ni-MH 및 Li-ion 전기 화학 셀들에 대한 신뢰할만한 대안책에 대한 요구도 여전히 존재하였다. 또한, 자동차 및 대기 전력 부분의 성장 요건을 충족시키기 위한 전지 생산 능력에 대한 실질적인 개선책에 대한 요구도 여전히 존재하였다.
미국 에너지국(USDOE)은 자동차량군들에 대한 평균 연비(CAFE) 지침을 발행했다. 이전에는, SUV 및 소형 트럭은 자동차량에 대한 CAFE 평균에서 배제되었었다. 그러나, 최근에 승객용 차량, 소형 트럭, 및 SUV에 대한 연비 기준을 명시하는 통합 지침이 발간되었다. 이와 같은 지침들은 2016년까지 갤런당 31.4 마일의 평균 연비를 요구하고 있다.
http://www.epa.gov/oms/climate/regulations/420rl0009.pdf.
내연 기관 기술에 있어서의 예상 개선책으로는 그와 같은 목표에 도달할 수 없는 것으로 나타났다. 마찬가지로, 완전 하이브리드 및 완전 전기 차량에 대한 제조 능력도 그와 같은 목표에 도달하기에는 충분하지 않은 것으로 나타났다. 따라서, 전기 화학 셀들이 정지/출발 용례나 또는 특정 가속 용례를 위해 동력의 일부를 제공하는, 마이크로 하이브리드 또는 마일드 하이브리드의 일부 조합이 상기 CAFE 기준을 충족시키기 위해 필요하게 될 것이다.
납 축전지 시스템들은, Li-ion 전기 화학과 관련된 실질적인 안전 의식 및 Li-ion, 및 Ni-MH 전지들 모두와 관련된 비용 증가를 배제한 채, 이와 같은 용례들에서 Li-ion 또는 Ni-MH 전지들을 위한 신뢰 가능한 대안을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 개량된 전지들은 하이브리드 시스템들에서 고유한 자동차 용례에 최적화된 전력을 제공하기 위한 다른 유형의 전기 화학 셀들과 혼합될 수 있다. 예를 들어, 높은 전력을 특징으로 하는 본 발명의 납 축전지는 높은 에너지 효율을 제공하는 Lithium-ion("Li-ion") 또는 니켈 금속 수소화물("Ni-MH") 전기 화학 셀과 혼합되어, 특정 자동차 대기 또는 정지 전력 용례의 요구에 적합한 복합 전지 시스템을 제공하며, 각각의 구성 요소의 상대적 크기를 감소시킨다.
본 발명의 일 양태는 전극 조립체를 갖는 전기 화학 셀을 포함하며, 상기 전극 조립체는 복수의 전극 플레이트를 포함할 수 있다. 각각의 전극 플레이트는 제 1 부분과 제 2 부분을 갖는 집전 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 제 1 및 제 2 부분은 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향하는 제 2 면을 가질 수 있다. 상기 제 1 부분의 제 1 및 제 2 면들은 양성 하전 활성 재료를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 부분의 제 1 및 제 2 면들은 음성 하전 활성 재료를 포함할 수 있다. 복수의 전극 플레이트들은 적어도 3개의 전극 플레이트들을 포함할 수 있으며, 따라서 상기 전기 화학 셀은 상기 적어도 3개의 전극 플레이트들 중 하나의 플레이트의 제 1 부분과 함께 배열될 수 있고 상기 제 1 부분은 적어도 3개의 전극 플레이트들 중 제 2 플레이트의 제 2 부분에 전기 화학적으로 접속되며, 상기 적어도 3개의 전극 플레이트들 중 상기 제 2 플레이트의 제 1 부분은 상기 적어도 3개의 전극 플레이트들 중 제 3 플레이트의 제 2 부분과 전기 화학적으로 접속될 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 전기 화학 셀은 단독으로 또는 결합적으로 다음과 같은 특징들을 포함할 수 있다: 각각의 전극 플레이트는 상기 제 1 부분을 상기 제 2 부분에 연결시키는 복수의 전극 커넥터들을 포함할 수 있다; 각각의 전극 플레이트는 분로 전류(shunt current) 완화 수단을 포함할 수 있다; 상기 집전 장치는 균일한 전류 밀도를 포함할 수 있다; 제 1 분리기가 상기 제 1 부분의 제 1 면에 부착될 수 있으며 제 2 분리기가 상기 제 2 부분의 제 1 면에 부착될 수 있다; 복수의 전극 조립체들이 전압 강화를 위해 직렬로 적층될 수 있다; 절연체가 상부 전극 플레이트에 연결될 수 있으며, 상기 절연체는 내부에 적어도 하나의 슬릿을 포함할 수 있으며 전극 플레이트가 상기 슬릿을 통해 연장된다; 상기 전기 화학 셀은 납-산 전기 화학 셀일 수 있다; 상기 전극 조립체는 탭들에 연결될 수 있다; 적어도 2개의 전극 조립체들이 정전 용량 강화를 위해 병렬로 적층될 수 있다; 정전 용량 강화를 위해 적어도 하나의 볼트를 포함하는 적어도 하나의 파워 버스 조립체가 존재할 수 있다; 상기 전극 플레이트들 중 적어도 2개는 서로에 대해 90도 각도로 전기 화학적으로 연결될 수 있다; 상기 전기 화학 셀은 원형, 장방형, 정방형, L-형 또는 U-형으로부터 선택되는 형상의 단면을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 저장 장치는 복수의 층 전극들을 포함하며, 각각의 층 전극은 제 1 하전 섹터 및 제 2 하전 섹터를 포함하며, 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 1 하전 섹터와 비교하여 반대로 하전되며, 상기 복수의 층 전극들은 상기 복수의 층 전극들의 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터가 상기 제 1 플레이트 바로 위에 위치되는 복수의 층 전극들의 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 아래에 위치되도록 서로에 대해 조립되며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 1 하전 섹터들의 하전은 제 1 사인(sign)을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 2 하전 섹터들의 하전들은 상기 제 1 사인과는 반대의 제 2 사인을 가지며; 상기 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 사이에 위치되어 그들 사이에 이온성 하전 교환을 부여하는 분리기 섹터가 포함된다.
일부 실시예에 있어서, 상기 제 1 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 2 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 아래에 위치되며, 상기 전기 화학 장치는 상기 제 1 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 사이에 위치되는 절연체 섹터를 추가로 포함하여, 이온성 또는 전도성 하전 교환을 방지한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 복수의 층 전극들은 각각 원형이다.
일부 실시예에 있어서, 각각의 섹터는 대응하는 층 전극의 약 반으로 크기 설정되는 반원형을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 복수의 층 전극들의 각각의 플레이트는 대응하는 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 및 상기 제 2 하전 섹터를 수용하는 프레임을 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 전기 화학 저장 장치는 상기 복수의 층 전극들을 감싸기 위한 제 1 캡 및 제 2 캡을 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 전기 화학 저장 장치는 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 하전 섹터 사이에 전도성 접속을 제공하기 위한 전도성 기판을 추가로 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 상기 복수의 층 전극들 각각은 장방형 형상을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 각각의 섹터는 상기 대응하는 층 전극의 약 반으로 크기 설정되는 반장방형 형상을 갖는다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 저장 장치는 공통 케이싱 내에 배치되고 각각 애노드 및 캐소드를 포함하는 제 1 전기 화학 셀 및 제 2 전기 화학 셀을 포함하며, 여기서 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드는 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드와 대향 위치되고; 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드와 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드 사이에 배치된 분리기를 포함하며, 여기서 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드 및 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드는 전기적으로 절연되며 또한 상기 분리기에 흡착된 이온 전도성 매체를 통해 소통하며; 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드 및 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드 상에 배치된 공통 집전 장치를 포함하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들은 전기적으로 접속되며 또한 이온 전도로부터 절연되고, 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들의 이온 분리는 분로 전류를 완화시킨다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 장치는 균일한 전류 밀도를 허용하는 대체로 균일한 집전을 제공하는 집전 장치를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 장치는 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에서 상기 공통 집전 장치의 일부 상에 배치된 소수성 코팅부를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 장치는 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들을 이온적으로 절연시키도록 구성된 물리적 격막을 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 장치는 하나의 양성 단자 연결부와 하나의 음성 단자 연결부를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 장치는 대체로 동일 평면에 2개 이상의 전기 화학 셀들의 애노드들 및 캐소드들을 배치시키기 위한 절연 프레임을 추가로 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 나권형(spiral wound) 전기 화학 저장 장치는 셀 스택을 포함하는 원통형 셀 팩을 포함하며, 여기서 상기 셀 스택은 상기 원통형 셀 스택을 형성하기 위한 편평한 구성에서 롤링되는 셀 스트립을 포함하고; 또한 상기 원통형 셀 팩을 수용하기 위한 원통형 케이스를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 셀 스택은 상기 원통형 셀 팩에 포함된 복수의 셀 스택들 중 제 1 셀 스택이고, 상기 복수의 셀 스택들은 직렬로 연결된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 셀 스택은 양성 반부 전극 스트립, 음성 반부 전극 스트립 및 분리기 반부 스트립을 포함하는 복수의 스트립들을 포함하며, 여기서 상기 복수의 반부 스트립들은 상기 셀 스택을 형성하기 위해 서로 포개진다. 일부 실시예들에 있어서, 중앙 맨드릴(mandrel)을 추가로 포함하며, 여기서 상기 셀 스택은 상기 중앙 맨드릴 둘레에 롤링된다.
일부 실시예들에 있어서, 나권형 전기 화학 저장 장치 제조 방법은 편평한 셀 스트립을 제공하는 단계와; 상기 편평한 셀 스트립을 원통형 셀 스택 형태로 롤링하는 단계와; 상기 원통형 셀 스택을 양성 단자 및 음성 단자에 연결하는 단계; 및 상기 원통형 셀 스택을 원통형 케이스에 삽입하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 편평한 셀 스트립은 복수의 셀 스트립들 중 제 1 셀 스트립이고, 상기 방법은 복수의 셀 스택들을 형성하기 위해 상기 복수의 셀 스트립들을 편평하게 안착시키는 단계와; 상기 복수의 셀 스택들을 직렬로 연결하는 단계; 및 상기 원통형 셀 팩을 형성하기 위해 복수의 셀 스택들을 롤링시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 셀 스택은 양성 반부 전극 스트립, 음성 반부 전극 스트립, 및 분리기 반부 스트립을 포함하는 복수의 스트립들을 포함하며, 상기 방법은 상기 셀 스택을 형성하기 위해 상기 복수의 반부 스트립들을 서로 포개는 단계를 포함한다. 일부 실시예들은 중앙 맨드릴을 제공하는 단계; 및 상기 원통형 셀 스택을 형성하기 위해 상기 편평한 셀 스트립을 상기 중앙 맨드릴 둘레로 롤링시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 저장 장치는 전기 화학 셀 팩을 포함하며, 여기서 상기 전기 화학 셀 팩은 탭에서 종결되며; 또한 금속 시트로 형성된 파워 버스를 포함하며, 상기 파워 버스는 상기 탭을 상기 장치의 단자에 전기적으로 접속시키고, 상기 파워 버스는 상기 금속 시트를 상기 탭에 용접함으로써 상기 탭에 부착된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 시트는 초음파 용접에 의해 상기 탭에 부착된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 시트는 상부면, 전방면, 및 후면을 형성하기 위해 절곡되고, 상기 상부면은 상기 장치의 단자에 전기적으로 접속되며 상기 전방면은 탭 둘레에 용접된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 탭은 복수의 탭들 중 하나의 탭이며, 여기서 상기 파워 버스는 상기 금속 시트를 대응하는 탭에 용접함으로써 복수의 탭들 각각에 부착된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스는 복수의 탭들 각각과 상기 장치 단자 사이에 균등한 전체 저항을 제공하기 위해 상이한 지점들에서 저항률이 변한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스는 상이한 지점들에서 두께가 변함에 따라 상이한 지점들에서 저항률이 변한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스는 상기 파워 버스의 일부 위치들에 구멍들을 형성함으로써 상이한 지점들에서 저항률이 변한다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 저장 장치 제조 방법은 탭에서 종결되는 전기 화학 셀 팩을 제공하는 단계와; 편평한 금속 시트를 포함하는 파워 버스 섹션을 제공하는 단계와; 상기 편평한 금속 시트를 상기 탭에 절곡 및 용접하는 단계; 및 상기 파워 버스를 장치 단자에 전기적으로 접속하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 편평한 금속 시트를 상기 탭에 용접하는 단계는 상기 금속 시트를 상기 탭에 초음파 용접하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 편평한 금속 시트를 절곡하는 단계는 상부면, 전방면, 및 후면을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 상부면은 상기 장치 단자에 전기적으로 접속되고 상기 전방면은 상기 탭 둘레에 용접된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 탭은 복수의 탭들 중 하나의 탭이며, 여기서 상기 파워 버스는 상기 금속 시트를 대응하는 탭에 용접함으로써 상기 복수의 탭들 각각에 부착된다. 일부 실시예들은 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 저항률을 변화시킴으로써 상기 복수의 탭들 각각과 상기 장치 단자 사이에 균등한 전체 저항을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 저항률을 변화시키는 단계는 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 두께를 변화시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 저항률을 변화시키는 단계는 상기 파워 버스의 일부 지점들에 구멍들을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 저장 장치는 복수의 층 전극들을 포함하며, 여기서, 각각의 층 전극은 제 1 하전 섹터 및 제 2 하전 섹터를 포함하며, 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 1 하전 섹터와 비교하여 반대로 하전되며, 상기 복수의 층 전극들은 상기 복수의 층 전극들의 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터가 상기 제 1 플레이트 바로 위에 위치되는 복수의 층 전극들의 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 아래에 위치되도록 서로에 대해 조립되며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 1 하전 섹터들의 하전은 제 1 사인(sign)을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 2 하전 섹터들의 하전들은 상기 제 1 사인과는 반대의 제 2 사인을 가지며; 상기 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 사이에 위치되어 그들 사이에 이온성 하전 교환을 부여하는 분리기 섹터를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 2 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 아래에 위치되며, 상기 전기 화학 장치는 상기 제 1 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 사이에 위치되는 절연체 섹터를 추가로 포함하여, 이온성 또는 전도성 하전 교환을 방지한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 층 전극들 각각은 원형이다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 섹터는 대응하는 층 전극의 약 반으로 크기 설정되는 반원형을 갖는다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 층 전극들의 각각의 플레이트는 대응하는 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 및 상기 제 2 하전 섹터를 수용하는 프레임을 추가로 포함한다.
일부 실시예들은 상기 복수의 층 전극들을 감싸기 위한 제 1 캡 및 제 2 캡을 추가로 포함한다. 일부 실시예들은 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 하전 섹터 사이에 전도성 접속을 제공하기 위한 전도성 기판을 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 층 전극들 각각은 장방형 형상을 갖는다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 섹터는 상기 대응하는 층 전극의 약 반으로 크기 설정되는 반장방형 형상을 갖는다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 저장 장치는 공통 케이싱 내에 배치되고 각각 애노드 및 캐소드를 포함하는 제 1 전기 화학 셀 및 제 2 전기 화학 셀을 포함하며, 여기서 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드는 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드와 대향 위치되고; 또한 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드와 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드 사이에 배치된 분리기를 포함하며, 여기서 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드 및 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드는 전기적으로 절연되며 또한 상기 분리기에 흡착된 이온 전도성 매체를 통해 소통하며; 또한 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드 및 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드 상에 배치된 공통 집전 장치를 포함하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들은 전기적으로 접속되며 또한 이온 전도로부터 절연되고, 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들의 이온 분리는 분로 전류를 완화시킨다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 집전 장치는 균일한 전류 밀도를 허용하는 대체로 균일한 집전을 제공한다. 일부 실시예들은 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에서 상기 공통 집전 장치의 일부 상에 배치된 소수성 코팅부를 추가로 포함한다. 일부 실시예들은 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들을 이온적으로 절연시키도록 구성된 물리적 격막을 추가로 포함한다. 일부 실시예들은 하나의 양성 단자 연결부와 하나의 음성 단자 연결부를 추가로 포함한다. 일부 실시예들은 대체로 동일 평면에 2개 이상의 전기 화학 셀들의 애노드들 및 캐소드들을 배치시키기 위한 절연 프레임을 추가로 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 기판은 비결정성 재료로 제조된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 전도성 기판은 상기 제 1 섹터로부터 상기 제 2 섹터로의 지시 방향으로 연장하는 세장형 직선 와이어들을 포함하는 와이어 메시이다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 장방형 층 전극들 각각은 상기 제 1 섹터로부터 상기 제 2 섹터로 지시되는 방향으로의 폭과 상기 폭보다 크며 상기 폭과 수직을 이루는 길이를 갖는다. 일부 실시예들은 내부 섹션, 베이스 및 인서트를 추가로 포함하며, 여기서 상기 내부 섹션은 상기 복수의 층 전극들 및 상기 분리기를 포함하며, 상기 베이스는 상기 전기 화학 장치의 외부면을 형성하도록 구성되며, 상기 인서트는 상기 베이스와 상기 내부 섹션 사이로 삽입하기 위해 구성되며 또한 추가로 상기 베이스의 강도를 높이도록 구성된다.
본 발명의 추가적인 목적들 및 장점들은 상세한 설명으로 부분적으로 명백하게 되거나 또는 그와 같은 개시된 내용의 적용으로부터 학습될 수 있는 다음의 상세한 설명에서 부분적으로 개시된다. 본 발명의 목적들 및 장점들은 특히 첨부된 청구항들에서 나타내고 있는 구성 요소들 및 그들의 조합에 의해 실현 및 성취될 것이다.
상술된 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 예시적이며 오직 설명을 위한 것으로서 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해되어야만 한다.
본 명세서의 일부에 합체되고 그의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 개시된 내용의 일 실시예들을 설명하며, 상세한 설명과 함께 상기 내용의 원리들을 설명하도록 작용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 나선형 구성으로 연결된 복수의 전극 조립체들을 도시하는 납-산 전기 화학 셀의 일부에 대한 개략 등각도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 일부에 대한 개략 등각도.
도 2b는 도 2a의 전극 조립체의 일부에 대한 분해 등각도.
도 3a 및 도 3b는 도 2a의 전극 조립체에 대한 측면도.
도 4a는 도 2a의 전극 조립체의 전극 플레이트에 대한 개략 평면도.
도 4b는 수반하는 분리기 및 페이스팅 페이퍼들을 구비한, 도 4a의 전극 플레이트에 대한 분해 등각도.
도 5는 집전 장치를 나타내는 도 2a의 전극 조립체의 전극 플레이트의 대안적 실시예에 대한 개략 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀 모듈 및 패키지에 대한 분해 등각도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나선형 구성에 연결된 복수의 전극 조립체들의 개략 등각도.
도 8은 도 7의 납-산 전기 화학 셀의 전극 조립체의 일부에 대한 분해 등각도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀 모듈의 일부에 대한 분해 등각도.
도 10은 직렬로 연결된, 도 9의 2개의 적층된 납-산 전기 화학 셀 모듈들에 대한 개략 등각도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 플레이트에 대한 개략 등각도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 전극 조립체에 대한 분해 등각도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스택 구성에서 복수의 전극 조립체들을 갖는 납-산 전기 화학 셀의 일부에 대한 개략 등각도.
도 14a는 파워 버스에 연결된, 도 13의 납-산 전기 화학 셀에 대한 개략 등각도.
도 14b는 도 14a의 파워 버스에 대한 분해 등각도.
도 15a 내지 도 15d는 일부 실시예들에 따른 용접된 파워 버스들을 포함하는 전기 화학 셀들을 나타내는 도면들.
도 15e 내지 도 15h는 일부 실시예들에 따른 리드 및 베이스 인서트들을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 납-산 전기 화학 셀 모듈, 파워 버스, 및 패키지에 대한 분해 등각도.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스택 구성에서 복수의 전극 조립체들을 갖는 납-산 전기 화학 셀에 대한 개략 등각도.
도 18은 다양한 유형의 전기 화학 셀들에 대한 라곤 도표를 나타내는 도면.
도 19a 내지 도 19f는 본 발명의 일부 실시예에 따른 원형 플레이트 모듈을 도시하는 도면들.
도 20은 일부 실시예들에 따른 전지 모듈의 전극 조립체를 나타내는 도면.
도 21은 일부 실시예들에 따른 2개의 원형 프레임들을 나타내는 도면.
도 22는 일부 다른 실시예들에 따른 원형 프레임 구조를 나타내는 도면.
도 23은 일 실시예에 따른 원형 모듈 커버를 나타내는 도면.
도 24는 일부 실시예들에 따른 상기 원형 플레이트들의 직경의 함수로서 원형 플레이트 모듈의 산출된 정전 용량의 거동을 나타내는 도면.
도 25는 일부 실시예들에 따른 장방형 박스로서 성형된 전지를 나타내는 도면.
도 26a 내지 도 26h는 일부 실시예들에 따른 장방형 폼 팩터를 갖는 전지를 나타내는 도면들.
도 27a 및 도 27b는 일 실시예에 따른 192V 전압 구성을 갖는 장방형 전지를 나타내는 도면들.
도 28a 내지 도 28d는 일부 실시예들에 따른 원형 섹터 전극 디자인을 갖는 전지를 나타내는 도면들.
도 29a 내지 도 29e는 다양한 실시예들에 따른 나권형 모듈을 나타내는 도면들.
도 30a는 일부 실시예들에 따른 나권형 모듈의 단면을 나타내는 도면.
도 30b는 일부 실시예들에 따른 셀 팩을 통한 전자 유동로를 나타내는 도면.
도 31은 일부 실시예들에 따른 나권형 모듈의 단면을 나타내는 도면.
다음의 상세한 설명은 첨부 도면들과 관련된다. 가능하면, 동일한 도면부호들이 동일하거나 또는 유사한 부품들과 관련되도록 도면 및 다음의 상세한 설명에서 사용될 수 있다. 또한, 유사한 명칭을 갖는 구성 요소들은 유사한 기능을 수행하게 될 것이며 유사하게 설계될 것이다. 이후 설명되는 실시예들에 대한 이해를 제공하기 위해 많은 상세한 설명이 진행된다. 일부의 경우, 상기 실시예들은 이들 상세한 설명들 없이 적용될 수도 있다. 다른 경우, 널리 공지된 기술들 및/또는 구성 요소들에 대하여는 모호한 실시예를 회피하기 위해 상세하게 설명되지 않을 수도 있다. 여기서는 일부 예시적 실시예들 및 특징들이 설명될 것이며, 수정, 각색 및 다른 실행들도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않은 한도 내에서 가능하다. 따라서, 다음의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명의 정당한 범위는 첨부된 청구범위에 의해서 규정된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 납-산 전기 화학 셀의 디자인에 관한 것이다. 상기 납-산 전기 화학 셀들은 일반적으로 플레이트들 사이에 분리기들을 갖는 적층된 플레이트들 형태로 존재한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 다양한 폼 팩터들로 전극 플레이트들의 적층을 개선하는 것과 관련된다. 상기 납-산 전기 화학 셀 디자인의 다양한 폼 팩터들 및 개선된 적층은 상기 납-산 전기 화학 셀들이 납 축전지들의 일부로서 사용될 수 있게 할 수 있으며, 따라서 자동차에서 연료 효율의 증가를 돕기 위해 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들은, 분로 전류들을 완화시키기 위한 개선책들 뿐만 아니라 전극 플레이트들의 배향에 대한 개선책을 포함할 수 있는, 납-산 전기 화학 셀의 디자인에 대한 개선책들을 포함할 수 있다. 이와 같은 개선책들은 적은 중량과 크기를 지속하면서도 높은 전압을 가질 수 있는 납-산 전기 화학 셀을 기대할 수 있다. 대안적으로, 이는 또한 동일한 관련 전압 하에서 더욱 높은 정전 용량을 갖는 셀들의 생산에 기여할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 단독으로 또는 Ni-MH 또는 Li-ion 전지들과의 결합으로, 자동차의 마이크로 및 마일드 하이브리드 용례에서 납 축전지들을 사용할 수 있도록 허용한다. 일부 실시예들은 50 Wh/kg 초과의 비에너지와 500 W/kg 초과의 비출력을 갖는 다른 전기 화학 전지들을 사용한다. 그러나, 이 경우는 본 발명의 실시예들이 운송 및 자동차 용례들에 제한되지 않는다는 사실을 강조하게 될 것이다. 본 발명의 실시예들은, 예비 전력 상황들에 대비한 에너지 저장 시스템 및 고정 전력 사용과 같은, 납 축전지들의 사용이 요구되는 기술 분야에서 당업자에게 공지된 어떠한 영역에서도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 여기에 서술된 다양한 실시예들의 구성 요소들 또는 소자들이 다른 실시예들의 다른 구성 요소들 또는 소자들과 함께 사용될 수 있다는 사실을 내포한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀(10)을 나타낸다. 상기 납-산 전기 화학 셀(10)은 복수의 전극 조립체들(12)을 포함할 수 있다. 각각의 전극 조립체(12)는 서로 전기 화학적으로 접촉하는 복수의 전극 플레이트들을 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체들(12)은 상기 납-산 전기 화학 셀 내에 전압을 형성하기 위해 나선형 구성으로 연결될 수 있다. 특히, 상기 나선형 구성은 일정한 정전 용량을 유지하는 동안 납-산 전기 화학 셀이 전압을 형성하게 할 수 있다. 상기 나선형 구성을 형성하는 전극 조립체들의 숫자 뿐만 아니라, 각각의 전극 조립체의 구성은 상기 납-산 전기 화학 셀의 희망 형태 및 희망 전압에 기초하여 변할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 나선형 구성은 전극 조립체들(12)의 형상 때문에 적층된 전극 조립체들의 중앙에 형성된 개구(32)를 가질 수 있다. 상기 중앙 개구(32)는 전체 나선형 구성을 통해 연장될 수 있어, 중앙 보어를 형성하여, 주 양성 및 음성 납들이 각각의 전극 조립체(12)를 통해 이동하고 상기 나선형 구성의 상부에 연결되도록 한다.
상기 납-산 전기 화학 셀 내의 각각의 전극 조립체(12)는 절연체(14)에 의해 분리될 수 있다(도 2b). 상기 절연체는 상기 전극 조립체의 단면 형태로 될 수 있으며 또한 방사상 슬릿(15)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 실시예에 있어서, 상기 각각의 전극 조립체(12)의 단면 형태는 반원형일 수 있다. 따라서, 상기 절연체(14)는 원형 형태를 포함할 수 있으며 또한 반경을 따르는 슬릿(15)을 포함할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 절연체(14)는 하부면과 상부면을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 각각의 전극 조립체(12)는 상기 절연체(14)의 상부면과 하부면 모두와 접촉하는 상부 플레이트(24D)를 갖는 다중 전극 플레이트들(24)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 하나의 전극 조립체의 상부 플레이트(24D)는 상기 절연체의 하부면과 접촉하는 제 1 부분, 및 상기 절연체의 상부면과 접촉하는 제 2 부분을 포함할 수 있다. 상기 납-산 전기 화학 셀의 나선형 구성은 하나의 전극 조립체(12)의 상부 전극 플레이트(24D)의 제 2 부분을 다른 전극 조립체(12)의 하부 전극 플레이트(24A)의 제 1 부분에 연결함으로써 성취될 수 있다.
본 발명에 따른 도 2a 및 도 2b는 도 1의 납-산 전기 화학 셀의 전극 조립체(12)에 대한 개략도를 나타낸다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 전극 조립체는 4개의 전극 플레이트들(24A-D)을 포함할 수 있다. 각각의 전극 플레이트는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 반원형 섹션의 반을 이루는 형상으로 구성될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 플레이트(24)는 제 1 부분(28) 및 제 2 부분(30)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 부분(28, 30)은 복수의 전극 커넥터들(26)에 의해 연결될 수 있다. 각각의 부분은 집전 장치(도시되지 않음)일 수 있는 기판을 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 전극 기판은 서브하시 드하르 등에 의해 출원되고 참고를 위히 내용 전체를 본원에 포함하고 있는 현재 계류 중인 발명의 명칭이 "전기 화학 셀의 전극을 위한 개선된 기판"인 출원번호 제13/350,505호에 공개된 유형일 수 있다.
따라서, 상기 기판은, 활성 재료를 지지하기 위해 중간에 공간을 갖는, 전도성 재료로 구성된 그리드형 구조체를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 기판은 선형 패턴들에 복수의 관통 구멍들 또는 정렬된 딤플형 공간들을 갖는 재료 시트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 기판은, 와이어, 함께 메시를 형성하기 위한 직물과 같은 복수의 재료 시편들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 기판은 구멍들을 갖는 팽창된 재료 시트를 포함할 수 있다. 상기 기판은 상기 기판과 활성 재료 사이의 접착력을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 전극 플레이트의 표면 전도성을 증가시키고 부식을 감소시킬 수 있는 재료를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 각각의 전극 플레이트의 양성 및 음성 부분은 90° 섹션들로서 나타낸다. 청구된 본 발명의 범위와 정신으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 선택적 기하학적인 섹션들이 채용될 수 있다는 사실을 당업자라면 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 섹션은 30°, 또는 45°, 60°, 또는 기타 적절한 기하학적 구성일 수 있다. 만약 90° 섹션들이 채용되는 경우, 4쌍의 양성 및 음성 전극들이 각 층을 포함할 수 있다; 만약 60° 섹션들이 채용될 경우, 6 쌍; 만약 45° 섹션들이 사용되는 경우, 8 쌍; 만약 30° 섹션들이 사용되는 경우, 12 쌍; 등이다. 당업자라면, 층당 섹션들의 수가 증가함에 따라, 그에 비례하여 일정 반경에서 각 섹션에서의 활성 재료의 영역은 감소된다는 사실을 인식할 수 있을 것이다. 이와 같은 감소는 섹션들의 수가 증가됨에 따라 더욱 많은 활성 재료면을 제공하기 위해 상기 전극의 반경을 증가시킴으로써 상쇄될 수 있다.
상기 기판은 또한 상대적으로 일정한 전류 밀도가 각각의 전극 플레이트를 통해 지속될 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4a의 전극 플레이트의 제 1 실시예에 있어서, 상기 전극 플레이트(24)는 대체로 반원형인 형상을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 전극 플레이트(24)의 기판도 또한 대체로 반원형인 형상을 포함할 수 있다. 상기 기판을 통해 일정한 전류 밀도는, 도 5에 도시된 바와 같이, 내부 직경에서보다 상기 전극 플레이트의 외부 반경에서 방사 방향으로 함께 근접된 상기 기판의 집전 장치 구성 요소들을 이격시키고 또한 상기 플레이트의 내부 방사 영역에서 더욱 이격시킴으로써 성취될 수 있다.
상기 활성 재료는 의사 양극(pseudo bi-polar) 전극 플레이트가 형성될 수 있도록 상기 기판의 각 부분 상에 위치될 수 있다. 상기 의사 양극 디자인은 공통 기판 상의 교번장들에 양성 및 음성 활성 재료들 모두를 배치시킴으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 일 실시예에 있어서, 상기 의사 양극 디자인은 상기 기판의 제 1 부분(28) 위에 양성 활성 재료를 위치시키는 단계; 및 상기 기판의 제 2 부분(30) 위에 음성 활성 재료를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 의사 양극 디자인은 상기 납-산 전기 화학 셀의 높은 전력 및 낮은 저항을 제공할 수 있다. 또한, 상기 납-산 전기 화학 셀을 저온에서 작동시킬 수 있게 하여, 부수적인 냉각 장치에 대한 필요성을 감소시킬 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바아 같이, 각각의 전극 플레이트(24)의 제 1 부분(28)은 양성(16)일 수 있고, 상기 각각의 전극 플레이트(24)의 제 2 부분(30)은 음성(20)일 수 있으며, 상기 전극 플레이트의 양성 및 음성 영역들 사이에는 전극 커넥터들(26)이 구비된다.
각각의 전극 플레이트의 각 양성 부분(16) 및 음성 부분(20)은 상부면 및 하부면을 추가로 포함할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 얇은 층의 페이스팅 페이퍼(22)가 상기 전극 플레이트의 각 부분의 상부면 및 하부면 상에 배치될 수 있다. 또한, 분리기(18)가 각 부분의 하부면 상에서 상기 페이스팅 페이퍼에 인접하여 배치될 수 있다.
상술된 바와 같이, 각각의 전극 조립체(12)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 4개의 전극 플레이트들(24A-D)을 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(12)는 하나의 플레이트의 양성 부분(16)이 다른 플레이트의 음성 부분(20)과 연결될 수 있도록 서로에 대해 90도 각도로 각각의 플레이트(24)를 적층함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 양성 부분(16)과 음성 부분(20)을 갖는 제 1 전극 플레이트(24A)는 상기 전극 조립체의 하부 플레이트일 수 있다. 다음에, 양성 부분(16)과 음성 부분(20)을 갖는 제 2 전극 플레이트(24B)는 상기 제 1 전극 플레이트(24A) 상에 적층될 수 있다. 이는 상기 제 2 전극 플레이트(24B)를 상기 제 1 전극 플레이트에 대해 90도 회전시키고, 상기 제 2 플레이트(24B)의 양성 부분(16)을 상기 제 1 플레이트(24A)의 음성 부분(20)의 상부 상에 위치시킴으로써 성취될 수 있다(도 2b). 양성 부분(16)과 음성 부분(20)을 갖는 제 3 전극 플레이트(24C)가 상술된 바와 같은 동일한 방식으로 상기 제 2 플레이트(24B) 위에 적층될 수 있다; 그리고 제 4 전극 플레이트(24D)가 상기 제 3 전극 플레이트(24C) 위에 적층될 수 있다. 상기 제 4 전극 플레이트(24D)는 상기 전극 조립체(12)의 상부 전극 플레이트일 수 있다(도 2b).
상기 제 4 전극 플레이트(24D)의 배치 하에, 절연체(14)가 상기 전극 조립체 상에 위치될 수 있다. 상술된 바와 같이, 그리고 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제 4, 즉 상부 전극 플레이트(24D)의 양성 부분(16)은 상기 제 3 전극 플레이트(24C)의 음성 부분(20)에 연결될 수 있다. 슬릿(15)을 포함하는 절연체(14)는, 상기 제 4 플레이트(24D)의 양성 부분(16)의 상부가 상기 절연체(14)의 하부면과 접촉할 수 있고 또한 상기 제 4 플레이트(24D)의 음성 부분(20)의 저부가 상기 절연체(14)의 상부면과 접촉할 수 있도록, 상기 전극 조립체 상에 위치될 수 있다. 따라서, 상기 제 4 플레이트(24D)의 음성 부분(20)은 다른 전극 조립체(12)의 제 1 플레이트(24A)의 자유 양성 부분(16)과 적층될 수 있으며, 따라서 도 1에 도시된 납-산 전기 화학 셀의 나선형 구성을 형성할 수 있다.
대안적으로, 상기 전극 조립체는 상기 제 4 플레이트(24D)의 자유 부분이 양성 부분이 되고 상기 제 1 플레이트(24A)의 자유 부분이 음성 부분이 되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 나선형 구성에 있어서 상부 전극 조립체의 상기 제 4 플레이트(24D)의 자유 부분은 회로를 완결시키기 위해 단일 부분 플레이트에 연결될 수 있다. 대안적 실시예에 있어서, 상기 상부 전극 조립체의 상부 플레이트(24D)는 오직 단일 부분 플레이트일 수 있으며, 따라서 상기 제 4 플레이트(24D)에 대한 회로의 연결을 완료한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 조립체는 고체 상태 플레이트에 의해 형성되며, 여기서 상기 플레이트의 양성 부분 및 음성 부분은 고체 상태 증착 공정을 통해 생성된 박막 활성 재료를 포함한다. 활성 재료들을 형성하기에 적합한 공정들은 물리적 증기 증착, 화학적 증기 증착, 분무 증착, 딥 코팅, 스핀 코팅, 무전해 증착, 전기 도금 및 박막 코팅부를 형성하기 위한 적합한 공정들의 임의 결합을 포함하나 그에 한정되지는 않는다. 적합한 형태의 상기 박막 재료들은 불활성 가스 환경 및 실 공기 및 압력 하에서 고 진공 처리로 형성된 재료들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 분리기 재료는 액체 전해질 확산에 필적하는 속도로 이온 확산 및 수소, 산소 및 황산염 이온들, 예를 들면,H+, OH-, S04-의 전달을 허용하는 박막 멤브레인이다. 일부 실시예에 있어서, 상기 분리기 멤브레인은 중합 멤브레인, 예를 들어, 나피온 재료이다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 플레이트의 기판 재료는 포일 또는 고체 필름형태의 적합한 박막 전기 전도성 매체이다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 박막은 예를 들면 납과 같은 금속들, 예를 들면 아닐린계 중합체와 같은 전도성 중합체, 예를 들어 에보넥스 또는 전도성 주석 또는 티타늄옥사이드와 같은 전도성 세라믹을 포함하는 그룹으로부터 선택된 직조 재료이다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 기판 재료는 활성 재료의 점착을 촉진시키기 위해 패턴화된 표면 또는 적절한 부착 층을 갖는 연마 표면을 가지며, 구멍들, 릿지들, 딤플들을 포함하여 상호 체결 특징 및 응력 완화 특징을 갖는다.
다양한 실시예들에 있어서, 적합한 전해질은 완전히 고체이거나 또는 겔 또는 액체 형태이며, 화학량론 양으로 양성 및 활성 재료들로 분산되거나 또는 분리기 멤브레인 또는 전해질 저장소로서 작용하는 전극 조립체의 다른 부분들에 침지된다;
대안적으로, 일부 실시예들에 있어서, 상기 양성 및 음성 전극 조립체는 이온 전도성 멤브레인의 분리 원리에 의존하여 연료 셀을 구성한다. 일부 실시예들에 있어서, 적합한 연료 유체로는 가스, 예를 들면 수소 또는 기타 적합한 연료를 들 수 있다.
각각의 전극 플레이트의 의사 양극 디자인은, 상기 납-산 전기 화학 셀의 낮은 중량을 유지하면서도, 상기 나선형 구성이 일정한 정전 용량에서 임의의 요구값(예를 들면, 24V, 36V, 42V, 또는 48V)으로 상기 납-산 전기 화학 셀에서 전압을 형성시키도록 허용할 수 있다. 상기 낮은 중량은 상기 전극 조립체의 구성 요소들의 크기로 인한 것일 뿐만 아니라 각각의 전극 플레이트의 재료 구성에 기인하기도 한다. 또한, 상기 전극 플레이트들이 서로에 대해 90도 각도로 적층됨으로써 보다 얇은 구성 요소들을 허용할 수 있게 된다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 상기 전극 조립체(12)는 약 8 인치의 직경을 포함할 수 있고 약 0.3 인치의 두께로 될 수 있다. 특히, 상기 전극의 양성 부분(16)은 약 0.082 인치 두께를 가질 수 있다; 상기 전극의 음성 부분(20)은 약 0.06 인치 두께를 가질 수 있다; 상기 분리기들(18)은 약 0.06 인치 두께를 가질 수 있다; 또한 상기 페이스팅 페이퍼(22)는 약 0.004 인치 두께를 가질 수 있다.
일반적으로 당업자라면 상기 전극 플레이트들의 적층이 어떠한 다양한 방식으로도 수행될 수 있다는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이 동일 평면 상에 놓이는, 각각의 양성 부분(16) 및 음성 부분(20)과 그에 수반하는 연결부(26)를 갖는, 상기 플레이트들은 하나가 다른 하나 위에 놓이는 단차적 방식으로 형성되도록 적층될 수 있다. 대안적으로, 커넥터들(26)은 그들이 적층됨에 따라 상기 플레이트들에서의 상승을 용이하게 하기 위해 플레이트, 페이스팅 페이퍼 및 분리기의 두께에 의해 상쇄되도록 각을 형성할 수 있다. 또한 대안적으로, 상기 전극 플레이트들은 상기 플레이트들을 헬리컬 패턴으로 용이하게 적층하고, 계단식 불연속을 완화하고 또한 상기 커넥터(26) 상의 응력을 감소시키도록 헬리컬 기하학적 형상으로 형성될 수 있다.
상기 납-산 전기 화학 셀은, 전극들의 자가 방전을 유발할 수 있는, 상기 전극 커넥터들 상의 전극들 및 분리기들로부터의 전해질 유체의 누설로 인한 분로 전류들을 완화시키기 위한 수단을 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 전극 커넥터들(26) 및 상기 전극 플레이트들에 근접한 컨테이너의 내부가 소수성 코팅부로 처리될 수 있으며, 이는 과다 전해질 유체가 전극, 또는 전극 커넥터들(26), 또는 케이싱을 적시는 것을 방지할 수 있다. 다른 대안적 실시예에 있어서, 상기 전극 커넥터들(26)은 각각의 전극 플레이트의 양성 및 음성 부분들(16, 20)의 에지들 상에 형성된 격막들로 인해 전해질 유체의 누설로부터 차단될 수 있다. 상기 격막은, 각각의 양성 및 음성 부분을 프레임화하고 전해질을 함유할 수 있는 프레임 재료 또는 과다 활성 재료를 포함하는, 코팅부 또는 기타 재료로 될 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예에 있어서, 상기 절연체는 나선형 구성이 존재하는 컨테이너와 전극 조립체 모두의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있으며, 따라서 절연체는 컨테이너 벽으로 격막을 형성할 수 있고 전해질 유체의 누설을 흡수할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 납-산 전기 화학 모듈(60)을 나타낸다. 상기 모듈(60)은 상부(34), 하부(38) 및 케이싱(36)을 포함할 수 있다. 상부 및 하부(34, 38)는 상기 케이싱(36) 내의 납-산 전기 화학 셀(10)을 둘러쌀 수 있다. 케이싱은 대체로 상기 납-산 전기 화학 셀(10)과 동일한 직경 및 높이로 될 수 있는 내부 개구(40)를 포함할 수 있으며, 따라서 상기 납-산 전기 화학 셀은 상기 케이싱(36) 내에 완전히 배치될 수 있으며 또한 상기 상부 및 하부(34, 38)에 의해 커버될 수 있다. 상기 모듈(60)은 상기 납-산 전기 화학 셀에 부착된 양성 및 음성 단자들(도 5에 도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있으며, 따라서 상기 모듈은 에너지와 동력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
상술된 바와 같이, 나선형 구성은 상기 납-산 전기 화학 셀의 일정한 정전 용량을 유지하면서 전압을 형성하기 위해 전극 조립체들(12)을 연결할 수 있다. 제 2의 대안적 실시예에 있어서, 상기 전극 조립체들(12)은 상기 납-산 전기 화학 셀의 전압이 강화 정전 용량 강화 동안 일정하게 존재하도록 적층될 수 있다. 따라서, 이와 같은 제 2 실시예에 있어서, 다른 전극 조립체(12)의 하부 플레이트(24a)에 연결되는 하나의 전극 조립체(12)의 상부 플레이트(24D) 대신에, 단일 전극 조립체의 상부 및 하부 플레이트들이 상기 회로를 완성시키기 위해 연결될 수 있다. 각각의 전극 조립체(12)는 탭(50)에 연결될 수 있으며, 추가로 정전 용량 강화를 위해 파워 버스 조립체(500)에 연결될 수 있다.
도 14b는 상기 파워 버스 조립체(500)의 일 실시예들에 대한 구성 요소들을 설명한다. 파워 버스 조립체(500)는 파워 버스(502), 단자(506), 커넥터편(504), 및 너트(508)를 포함할 수 있다. 또한, 도 14b에 도시된 바와 같이, 볼트(510)가 상기 커넥터편(504)에 연결되고, 상기 파워 버스(502)를 통해 연장하고 상기 너트(508)에 부착될 수 있다. 볼트(510)는 상기 커넥터 부분(502) 및 너트(508)에 연결될 때 상기 버스 시스템(500)의 연결을 완료하며, 따라서 정전 용량이 강화될 수 있다.
도 14b에 도시된 바와 같이, 커넥터(504)는 그 안에 제 1 관통 구멍(504a) 및 제 2 관통 구멍(504b)을 포함할 수 있다. 제 1 관통 구멍(504a)은 상기 볼트(510)에 연결될 수 있으며, 제 2 관통 구멍(504b)은 단자(506a)의 상부가 그를 통해 연장하도록 허용한다. 단자(506)는 추가적으로 저부(506b)를 포함할 수 있으며, 상기 납-산 전기 화학 셀(100)의 바로 상부면에 위치시킬 수 있다. 단자(506b)의 상부는 제 2 개구(504b)와 대체로 동일한 형상인 단면을 갖는 세장형 부재일 수 있다. 상기 단자의 하부는 편평할 수 있다. 대안적으로, 도 14a에 도시된 바와 같이, 단자(506b)의 저부는 오목한 내부면을 가질 수 있다.
파워 버스(502)는 대체로 상기 납-산 전기 화학 셀과 같은 길이를 갖는 세장형 부재를 포함할 수 있다. 파워 버스(502)는 추가로 그의 길이를 따라 배열된 슬릿들을 가질 수 있으며, 상기 슬릿들은 전극 플레이트들로부터 연결부들을 수용하도록 구성되며, 상기 연결부들은 상기 파워 버스(502)를 압축함으로써 고형화된다. 또한, 도 14b에 도시된 바와 같이, 상기 파워 버스(502)의 상부면은 상기 커넥터편(504)의 하부면과 접촉할 수 있으며, 따라서 상기 커넥터편(504)은 전류를 상기 파워 버스(502)로부터 상기 단자(506)로 운반할 수 있다. 결론적으로, 파워 버스(502)는 전류 운반과 정전 용량의 강화를 허용하는 당업자들에게 공지된 바 있는 어떠한 재료로도 제조될 수 있다.
일부 실시예들은 초음파 합금 용접된 파워 버스를 사용한다. 도 15a 내지 도 15d는 일부 실시예들에 따른 용접된 파워 버스들(1510)을 포함하는 전기 화학 셀들(1500)을 나타낸다. 셀(1500)은 복수의 셀 팩들(1522)을 추가로 포함하며, 복수의 탭들(1524)에서 종결된다. 일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 셀(1500)은 전지이거나 또는 전지 모듈이다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스들은 셀의 단부 탭들에 용접된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 용접은 초음파 용접이다. 도 15a는 탭들(1524)에 용접되는 하나의 파워 버스(1510)를 나타내는 셀(1500)의 일 단부에 대한 조립도이다. 도 15b는 탭들(1524)로부터 분리되는 하나의 파워 버스(1510)를 나타내는 셀(1500)의 일 단부에 대한 분해도이며, 상기 일 단부는 조립될 때 함께 용접된다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스를 상기 탭들에 초음파 용접하는 경우, 다른 유형의 결합과 비교하여, 금속 산화물의 생성을 감소시킨다. 순차로, 감소된 산화는 파워 버스의 부식에 대한 취약성을 감소시킨다.
다양한 실시예들에 있어서, 파워 버스(1510)는 절곡된 금속 시트를 포함한다. 다양한 실시예들에 있어서, 파워 버스(1510)는 납 시트 또는 구리 시트로 제조된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스는 전류를 엔드-셀 '탭들'로부터 전지 단자로 전달한다. 일부 실시예들에 있어서, 도 15a 내지 도 15d의 실시예에 따른 '리본' 스타일의 파워 버스와 같은, 파워 버스는 낮은 질량, 낮은 전기 저항, 및 높은 환경적 또는 황산적 내부식성을 갖도록 디자인된다.
도 15c는 일부 실시예들에 따라 공구들(1550)을 용접함으로써 용접 공정이 진행되는 동안의 셀(1500)에 대한 측면도이다. 일부 실시예들에 있어서, 파워 버스(1510)는 편평한 금속 시트로서 시작한다. 용접 공정 동안, 상기 금속 시트는 절곡되고 도 15c에 도시된 바와 같이 공구들(1550)을 초음파 용접함으로써 상기 탭들(1524)에 용접된다.
코너(1510-f1)로서 도시된 단면의, 접장(fold)들 중 하나는 상부(1510-t)를 형성하며, 상기 상부를 버스의 나머지로부터 분리시킨다. 또한, 상기 파워 버스의 전방면(1510-f)은 한 측면 상의 모든 탭들이 상기 절곡된 파워 금속 시트에 용접될 때 형성된다. 일단 전방면(1510-f)의 형성이 완료되고 모든 탭들을 매설하면, 상기 금속 시트의 하부 꼬리부는 상기 파워 버스의 후면(1510-b)을 형성하기 위해 뒤로 절곡된다. 완료된 파워 버스는 전면 및 후면(1510-f 및 1510-b)과 상부면(1510-t)을 포함한다. 도 15d는 그의 2개의 단부들 상에서 상기 탭들에 용접되는 2개의 파워 버스들(1510)을 갖는 조립 셀(1500)을 나타낸다.
다양한 실시예들에 있어서, 파워 버스(1510)는 각각의 셀로부터 전지 단자들로 전자를 전도시키기 위한 평형 통로를 제공한다. 예를 들면, 도 15a, 도 15b 및 도 15d에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 있어서, 각각의 상부면(1510-t)은 단자(1512)에 연결된다. 전방 및 후방면들(1510-f 및 1510-b)은 탭들(1524)로부터 상부면(1510-t) 및 단자(1512)로 전자 통로들을 제공한다. 일부 실시예들에 있어서, 파워 버스(1510)는 그의 표면을 따라 비균일한 저항률로 디자인되어, 각각의 탭(1524)과 대응하는 단자(1512) 사이에 균일한 또는 거의 동일한 전체 저항을 제공한다. 일부 실시예들에 있어서, 전면 또는 후면의 저항률은 상부면으로부터의 거리의 함수로서 변한다. 일부 실시예에 있어서, 예를 들면, 전면(1510-f)의 저항률은 상부면(1510-t)으로부터 멀어지는 지점들에 대해 감소된다. 일부 실시예들에 있어서, 상부 통로들과 비교하여 하부 탭들을 위한 짧은 통로를 제공하는 후면(1510-b)의 저항률은 전면(1510-f)보다 높다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스 영역의 저항률은 구멍들을 형성하기 위해 표면의 일부를 제공함으로써 또는 상기 버스를 형성하는 포일의 두께를 감소시킴으로써 증가된다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 파워 버스 포일 상의 위치 함수로서 저항률의 목표값은 상기 탭들과 단자들 사이의 전자의 다양한 통로들을 모델링함으로서 결정된다.
일부 실시예들에 있어서, 모듈을 위한 케이싱의 베이스 및 리드는 상기 케이싱의 상부면 및 하부면의 강도를 증가시키는데 일조하는 인서트들을 포함한다. 도 15e 내지 도 15h는 일부 실시예들에 따른 그와 같은 인서트들을 갖는 모듈(1550)을 도시한다. 특히, 도 15e는 모듈(1550)의 조립도를 도시하고, 도 15f는 모듈(1550)의 분해도를 도시한다. 또한, 도15g 및 도 15h는 각각 모듈1550)의 하부 트레이(1554) 및 리드 조립체(1559)의 조립도를 도시한다.
도 15f에 도시된 바와 같이, 모듈(1550)은 외부 베이스(1552), 하부 인서트(1553), 스커트(1556), 상부 인서트(1557), 및 외부 리드(1558)를 포함한다. 하부 인서트(1553)는 베이스(1552)를 위한 인서트로서 사용되며, 상부 인서트(1557)는 리드(1558)를 위한 인서트로서 사용된다. 인서트들(1553 및 1557)은 각각 베이스와 리드에 강도를 강화한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 약간의 추가적인 재료와 중량으로 상기 케이싱의 강도를 증가시킨다. 일부 실시예에 있어서, 강화된 강도는 상기 케이스의 변형과 벌징(bulging)에 대한 모듈 저항에 일조한다. 다양한 실시예들에 있어서, 강화된 강도 없이, 전지의 정상 사이클링 및 그로 인한 전지 내부의 가스 압력의 증가로 인해 그와 같은 벌징이 발생될 수 있으며, 이는 케이싱을 변형시키고 벌지(bulge)를 유발시킬 수 있다. 상기 벌징은 압축 손실 뿐만 아니라 전자 스택들의 비균일한 압축을 초래할 수 있다.
도 15g에 도시된 바와 같이, 하부 트레이 조립체(1554)는 외부 베이스(1552)에 하부 인서트(1553)를 조립함으로써 형성된다. 마찬가지로, 도 15h는 리드 조립체(1559)가 상부 인서트(1557) 및 외부 리드(1558)을 조립함으로써 형성되는 것을 나타낸다.
도 15g 및 도 15h는 또한 상기 인서트들의 형성 및 일부 실시예들에 따른 다른 부품들과 관련된 위치 결정을 나타낸다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 적절한 위치 결정을 위해 내부에 형성된 정렬 구멍들을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 베이스에 대해 상기 인서트들을 부착시키기 위해 접착제가 상기 베이스의 리브 또는 리드에 제공된다. 일부 실시예들에 있어서, 인서트들은 상기 베이스 또는 리드의 내부면의 리빙(ribbing)에 본드 접착되어, 이중 표피 조립체를 형성한다. 이와 같은 이중 표피 조립체는 스택 압축 및 내부 가스 압력에 의해 야기될 수 있는 절곡 하중에 저항한다.
일부 실시예들에 있어서, 인서트들(1553 및 1557)은 케이싱(1556)과 같은 재료로 제조된다. 그와 같은 재료는 상기 부품들을 본드 접착하는데 있어서 고도의 가요성을 허용한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 폴리프로필렌 시트로 제조된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 다른 적합한 형성 기술들에 의해 펀칭, 절삭, 주조 및 성형된다. 대안적으로, 일부 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 고충격 폴리스틸렌(HIPS); 아크릴로니트릴 부타디엔 스틸렌(ABS); 폴리비닐 클로라이드(PVC), 임의의 적합한 합성물, 또는 용이하게 형성되고 내산성, 고강도인 기타 열가소성 재료로 제조된다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 전해질 누설에 대한 차폐를 제공한다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 인서트는 상기 전극들의 압축 손실을 방지하고 또한 전극 스택들을 가로지르는 평균 압축 수준을 지속시킨다. 또한, 상기 인서트들은 액체 통로들이 인접한 전극 스택들 사이에 형성되는 것을 방지하는 전극 스택들 사이에 갭들을 제공함으로써 단락의 방지를 도우며, 그렇지 않을 경우 단락이 야기될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 인서트들은 그 안에 형성된 구멍들을 포함한다. 상기 구멍들은 과다 액체 전해질이 상기 전극 스택들로부터 상기 베이스에 형성된 하부 트렌치로 배수되도록 허용한다. 또한, 상기 구멍들은 상기 전극 스택들로부터의 가스 탈출을 위한 통로를 제공한다. 상기 인서트들은 또한 상기 전지 내에 전극 스택들을 위치시키기 위한 패드들을 형성시키도록 형성될 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 있어서, 상기 전극 플레이트들은 장방형 형상을 가질 수 있다. 상기 장방형 플레이트들은 상기 반원형 전극 플레이트들과 유사 영역을 가질 수 있으며, 유사 크기의 전극 조립체들 및 모듈들을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀(100)을 도시한다. 도 7의 실시예는 전극 조립체들을 형성하기 위해 서로에 대해 90도 각도로 장방형 전극 플레이트들을 적층하는 단계와, 나선형 구성에 전극 조립체를 연결하는 단계를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 장방형 전극 플레이트들은 전극 조립체들을 형성하기 위해 연결될 수 있으며, 그로 인해 나선형 구성은 정방형 단면 형상을 갖는다.
도 1의 전극 조립체(12)와 유사하게도, 도 8의 전극 조립체(112)는 4개의 장방형 전극 플레이트들(124A-D)을 포함할 수 있다. 각각의 전극 플레이트(124A-D)는 전극 커넥터들(126)에 의해 연결된 양성 및 음성 부분들을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 전극 플레이트는 페이스팅 페이퍼 및 분리기들(118)을 포함할 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 조립체(112)는 상기 전극 조립체(112)의 단면 형태와 동일한 단면 형태를 포함할 수 있는 절연체(114)에 의해 분리될 수 있으며, 이 때 방사상 슬릿(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀 모듈(200)을 나타낸다. 상기 모듈(200)은 케이싱(140), 슬롯 트레이(142), 및 드립 트레이(146)를 포함할 수 있다. 슬롯 트레이(142)는 복수의 슬롯들(144)을 포함할 수 있으며, 과다 전해질 유체를 상기 슬롯 트레이(142)를 통해 상기 드립 트레이(144) 상의 수집 부분 내로 유동시킬 수 있다. 상기 드립 트레이(146)는 케이싱(140)의 내부 에지에 부착될 수 있는 외부 에지(145)를 포함할 수 있으며, 그로 인해 케이싱(140)과 드립 트레이(146)가 슬롯 트레이(142) 바로 위에 위치하는 납-산 전기 화학 셀(100)을 둘러쌀 수 있다. 케이싱(140)과 드립 트레이(146)는 당업자들에게 공지된 어떠한 수단을 통해서 부착될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 케이싱(140)과 드립 트레이(146)는 플라스틱 초음파 용접을 통해 함께 수용될 수 있다.
상기 납-산 전기 화학 셀(100)은 상기 나선형 구성의 음성 단부에 연결된 탭(50)과 양성 단부에 연결된 탭(50)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 탭들(50)은 당업자들에게 널리 공지된 어떠한 수단을 통해서 상기 양성 및 음성 단부들에 견고히 연결될 수 있다. 예를 들어, 탭들(50)은 납땜이나 또는 초음파 용접을 통해 연결될 수 있다. 상기 탭들(50)은 각각 포스트들(148)의 통로를 허용할 수 있는 관통 구멍(52)을 포함할 수 있다. 또한, 케이싱(140), 슬롯 트레이(142) 및 드립 트레이(146) 각각의 개구들(141, 143, 147)도 또한 각각 포스트들(148)이 그들을 관통하도록 허용할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 포스트들(148)은 납-산 전기 화학 셀 모듈을 위한 양성 및 음성 단자들로서 작용할 수 있도록 상기 케이싱(140)에 형성된 각각의 개구들(141)로부터 밖으로 연장할 수 있다. 포스트들(148)은 그 안에 개구를 갖는 단부 부분(150)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 단부 부분(150) 내의 개구는 개별 납-산 전기 화학 셀 모듈(200)이 서로 적층되도록 허용할 수 있다(도 10).
제 4 실시예가 상기 제 3 실시예와 같은 전압 강화보다는 일정한 전압 하에서 정전 용량을 강화하기 위해 상기 제 3 실시예의 기하학적 구조인 정방형 전극 조립체(112)를 채용할 수 있다. 상기 제 2 실시예와 관련하여 설명된 것과 마찬가지로, 상기 제 4 실시예는 상기 회로를 완료하고 그로부터 12V 전극 조립체(112)를 형성하도록 상부 플레이트(124D)의 자유 부분을 상기 제 1 플레이트(124A)의 자유 부분과 연결시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 때 상기 전극 조립체들(112)은,일정한 12V의 납-산 전기 화학 셀을 유지하면서, 정전 용량을 강화시키기 위해 상기 파워 버스 조립체(500)에 적층 및 연결될 수 있다. 상기 납-산 전기 화학 셀의 제 4 실시예는 상기 제 3 실시예의 모듈과 유사할 수 있는 모듈을 추가로 포함할 수 있다.
상기 전극 플레이트들은 전극 조립체들, 및 그로 인해 원형 및 정방형에 더하여 다양한 단면 형상을 갖는 납-산 전기 화학 셀 구성을 형성하기 위해 추가로 사용될 수 있다. 이와 같은 다양한 단면 형상들은, 상기 납-산 전기 화학 셀 시스템을 수용하기 위한 위치(예를 들면, 차량 프레임) 설계를 거의 또는 전혀 변경하지 않고도, 상기 납-산 전기 화학 셀의 적층 또는 나선형 구성들이 (예를 들면, 차량의) 다양한 위치들에 위치될 수 있게 허용할 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 추가의 실시예들에 있어서, 각각의 전극 조립체는 4개 초과의 플레이트들을 포함할 수 있다. 또한, 이들 전극 조립체들의 형성 단계는 상기 전극 플레이트들을 서로에 대해 선형으로 뿐만 아니라 서로에 대해 90도 각도로 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 장방형 플레이트들은 장방형 단면을 갖는 나선형 구성을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 폭을 따라서 보다는 각각의 전극 조립체의 길이를 따라서 더 많은 전극 플레이트들이 존재할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전극 플레이트들은 배향될 수 있어서 유발 전기 화학 셀들이 3개의 직교 방향으로 용적 효율을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 화학 셀들의 배향은 x-방향, y-방향, 및/또는 z-방향으로 개선된 차원들을 제공할 수 있으며, 여기서 xyz 축들은 전기 화학적 셀 케이싱에 대해 어떠한 특정 방식으로 배향되지 않는다. 대안적으로, 상기 전기 화학 셀들의 배향은 x-방향, y-방향, 및/또는 z-방향으로 개선된 차원들을 제공할 수 있으며, 여기서 xyz 축들은 전기 화학 셀 케이싱에 대해 배향된다. 상술된 그리고 후술되는 바와 같이, 상기 전기 화학 셀들은 상기 직교 방향들(x, y, z) 중 하나의 방향으로 전압 또는 정전 용량을 강화하는 방식으로 이온 연결부 및 공통 집전 장치를 통해 결합될 수 있다.
본 발명의 제 5 실시예는 전극 플레이트들을 전극 조립체 내에 형성시키는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 전극 조립체는 L-형 단면을 포함할 수 있다. 각각의 전극 조립체는 전극 커넥터들에 의해 양성 및 음성 부분들을 갖는 전극 플레이트들을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 전극 플레이트는 페이스팅 페이퍼 및 분리기들을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 전극 조립체는 L-형 전극 조립체들의 나선형 연결부를 부여하도록 적어도 하나의 슬릿을 갖는 L-형 절연체에 의해 분리될 수 있다. 또한, 각각의 전극 플레이트는 분로 전류들을 완화시키기 위한 수단을 추가로 포함할 수 있다(예를 들면, 전극 커넥터들 상의 소수성 코팅부, 플레이트들의 소수성 프레이밍, 또는 전해질 유체를 흡수하기 위한 과대 절연체).
상기 L-형 납-산 전기 화학 셀은 L-형 모듈을 추가로 포함할 수 있다. 상기 원형 및 정방형 모듈과 유사하게도, 상기 L-형 모듈은 케이싱, 슬롯 트레이, 및 누설되는 전해질 유체를 수집하기 위한 드립 트레이를 포함할 수 있다. L-형 나선형 구성의 양성 및 음성 단부들에 연결된 탭을 구비함으로써, 상기 탭들은 L-형 납-산 전기 화학 셀의 단자들을 형성하는 샤프트들에 연결될 수 있다.
대안적으로, L-형 전극 조립체들의 제 6 실시예는, 상술된 다른 정전 용량-강화 실시예들과 유사한, 정전 용량을 강화하기 위한 기하학적 구성을 추가로 포함할 수 있다. 상기 제 6 실시예에 있어서의 L-형 전극 조립체들은 각각 평행하게 연결될 수 있으며, 각각의 조립체는 탭에서 종결되며, 개별 탭들 각각은 상기 파워 버스 조립체(500)에 연결된다. 상기 정전 용량-강화 L-형 전기 화학 셀은 나선형 구성을 위한 L-형 모듈과 유사한 모듈 내에 수납될 수 있다.
본 발명의 제 7 실시예는 U-형 단면 형상을 갖는 전극 조립체일 수 있다. 상기 제 7 실시예는 상술된 바와 같이 일정한 정전 용량에서 전압을 강화할 수 있다. 대안적으로, 제 8 실시예가 정전 용량을 강화하기 위해 배치된 U-형 전극 조립체를 포함할 수 있다. 도 17은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀(2000)을 설명한다. 상기 납-산 전기 화학 셀(2000)은, 정전 용량이 강화될 수 있는 한편 전압이 일정하게 유지되도록, 적층되는 복수의 전극 조립체들(2012)을 포함할 수 있다. 각각의 전극 조립체(2012)는, 상기 납-산 전기 화학 셀(2000)이 중간 분리기(2014)를 포함할 수 있는 모듈 내에 정합되도록, U-형 구성을 포함할 수 있다. 상기 납-산 전기 화학 셀(2000)은 정전 용량을 강화하기 위해 각각의 단부 상에 파워 버스(500)를 추가로 포함할 수 있다.
추가의 대안으로서, 상기 전기 화학 셀은 세장형 장방형 형상으로 구성될 수 있다. 도 11은 본 발명의 제 9 실시예에 따른 납-산 전기 화학 셀의 전극 플레이트(1024)를 설명한다. 도 4a 및 도 8의 전극 플레이트들(24, 124)과 유사하게도, 상기 전극 플레이트(1024)는 제 1 양성 부분(1028)과 제 2 음성 부분(1030) 및 그들 사이에 전극 커넥터들(1026)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 각각의 전극 플레이트 부분(1028 또는 1030)은 전극 유동 방향으로의 폭(1028-W) 및 상기 방향과 수직인 길이(1028-L)를 갖는다. 다양한 실시예들에 있어서, 각각의 전극 플레이트는 하나 이상의 종횡비, 즉, 길이 대 폭의 비율(1029-W 길이 이상의 1028-L 길이)을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 길이 대 폭의 비는 약 1.5이다. 일부 다른 실시예에 있어서 이 종횡비는 약 2.0이다. 그와 같은 종횡비들은 상기 전극 플레이트들의 동일 전체 표면에 대해 전자가 짧은 통로를 이동하도록 요구되는 한 전지 셀의 효율을 증가시킨다.
제 9 실시예에 있어서, 도 12에 도시된 바와 같이, 전극 조립체는 정전 용량 강화 구성으로 병렬로 배열될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전극 조립체들은, 상기 전극 조립체의 하부를 형성할 수 있는, 전극 플레이트(1024)의 소망 수를 정렬시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 전극 조립체의 상부는 상부 플레이트의 양성 부분(1028)을 하부 플레이트의 음성 부분(1030)과 정렬시키는 것 등에 의해 형성될 수 있다. 분리기들이 각각의 적층된 양성 및 음성 부분들 사이에 위치될 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체의 형성은 일 단부에서 하부 전극 플레이트(1024)의 자유 양성 부분(1028), 및 대향 단부에서 하부 전극 플레이트(1024)의 자유 음성 부분(1030)을 초래할 수 있다. 개별 음성 및 양성 부분들은 각각 회로를 완성시키기 위해 상기 자유 단부들 상에 위치될 수 있다. 전극 조립체들은 어떠한 임의 전압으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 12의 전극 조립체(1010)는 12V 조립체일 수 있다.
도 13은, 도 12의 적층된 전극 조립체들(1024)을 포함할 수 있는, 납-산 전기 화학 셀(1000)을 설명한다. 상기 납-산 전기 화학 셀(1000)은 탭들(50)을 포함할 수 있다. 도 7의 납-산 전기 화학 셀(100)에서의 탭들(50)과 마찬가지로, 각각의 탭은 관통 구멍(52)을 포함할 수 있으며 또한 각각의 전극 조립체의 양성 단부 및 음성 단부에 납땜 또는 초음파 용접함으로써 연결될 수 있다. 그러나, 도 13은, 오직 한개에 연결되는 것과는 대조적으로, 2개의 전극 조립체들에 연결될 수 있다.
도 14a는 상기 납-산 전기 화학 셀(1000)의 각각의 단부가 파워 버스 조립체(500)에 연결될 수 있으며, 상기 납-산 전기 화학 셀(1000)의 정전 용량을 강화시키기 위해 개별 전극 조립체들(1024)이 병렬로 연결되게 하는 실시예를 설명한다.
도 16은 도 14a의 납-산 전기 화학 셀(1000)을 포함하는 납-산 전기 화학 셀 모듈(1200)을 설명한다. 도 9의 납-산 전기 화학 셀 모듈(200)과 유사하게도, 상기 납-산 전기 화학 셀 모듈(1200)은 케이싱(1202), 복수의 슬롯들(1205)을 갖는 슬롯 트레이(1204), 및 상기 슬롯 트레이의 슬롯들(1205)을 통해 스며드는 전해질 유체를 수집하기 위한 드립 트레이(1206)를 포함할 수 있다. 상기 케이싱(1202), 슬롯 트레이(1204), 및 드립 트레이(1206)는 상기 납-산 전기 화학 셀(1000)의 치수보다 약간 큰 길이, 폭 및 높이를 포함할 수 있으며, 따라서 상기 케이싱(1202) 및 드립 트레이(1206)는 상기 납-산 전기 화학 셀(1000)을 완전히 둘러쌀 수 있다. 또한, 도 10의 모듈(200)과 유사하게도, 상기 케이싱(1202) 및 드립 트레이(1206)는 제한적이지 않지만 소성 초음파 용접을 포함하는, 당업자들에게 공지된 어떠한 공정을 통해 함께 보유될 수 있다.
다양한 실시예들은 전극 플레이트들을 위한 새로운 형상들을 사용하며, 따라서 전지의 충전 용량이나 또는 효율을 증가시킨다. 도 19a는 본 발명의 일부 일시예에 따른 원형 플레이트 모듈(1900)을 나타낸다. 원형 플레이트 모듈(1900)은 상부 및 하부에 2개의 캡들(1910); 상기 2개의 캡들 사이에 복수의 원형 플레이트들(1920); 및 복수의 너트 및 볼트 조립체들(1930)(2개의 단부 너트 및 볼트 조립체들(1930a) 및 4개의 측부 너트 및 볼트 조립체들(1930b)로 분류됨)을 포함한다. 상부 및 하부 캡들(1910)은 복수의 원형 플레이트들(1920)의 2 측부들 상에 복수의 너트 및 볼트 조립체들(1930)에 의해 조여지며, 이들 플레이트들을 함께 보유한다. 또한, 상부 및 하부 캡들(1910)은 각각 모듈이 전지 또는 다른 모듈의 단자에 연결되는 단자(1912)를 포함한다(도 19a에 오직 상부 캡만이 가시화됨).
도 19b는 일부 실시예들에 따른 다양한 부품들 및 원형 플레이트 모듈(1900)의 분해도를 나타낸다. 특히, 도 19b에서, 모듈(1900)은 1개의 층 양성 단자(1920P), 1개의 층 음성 단자(1920N), 5개의 층 전극들(1920E), 6개의 볼트들(1930B), 6개의 너트들(1930N)(4개가 가시화), 및 4개의 부싱들(1932)(3개가 가시화)을 포함한다.
도 19a 및 도 19b의 실시예들에 있어서, 도 19b에 도시된 분해된 부품들은 도 19a의 조립 모듈(1900) 내에 결합된다. 특히, 도 19b에 도시된 부품들이 도 19a의 조립 모듈(1900) 내에 조립될 때, 상기 볼트들(1930B)은 층 양성 단자(1920P)에 지정된 구멍들, 층 전극들(1920E) 또는 부싱들(1932)에 지정된 구멍들 또는 층 음성 단자(3920N)에 지정된 구멍들을 관통하며, 다음에 너트들(1930N)과 결합한다. 특히, 화살표로 표시된 볼트들 중 2개는 도 19a의 단부 너트 및 볼트 조립체들(1930a)에 대응하며, 층 전극들(1920E)에 있는 구멍들을 관통한다. 다른 4개의 볼트들은 도 19a의 측부 너트 및 볼트 조립체들(1930b)에 대응하며, 부싱들(1932)을 관통한다.
도 19b에 도시된 모듈을 조립할 때, 층 전극들(1920E) 및 음성 또는 양성 단자들은 이전 것과 비교하여 각 층에 대해 1/2 회전으로 서로의 상부 상에 위치되며, 따라서 일 플레이트의 양성 반부 층들이 다음 플레이트의 음성 반부 층 우측 아래에 위치되거나, 그 역으로 위치된다.
다양한 실시예들은 층 전극들과 층 음성 또는 양성 단자들의 다른 조합들을 사용하여, 상기 모듈을 위한 다양한 전지 동력이 유발된다. 예를 들어, 도 19b에 도시된 것과 같은 일부 실시예들에 있어서, 모듈(1900)은 하나의 층 양성 단자(1920P)와 하나의 층 음성 단자(1920N) 사이에 위치된 5개의 층 전극들(1920E)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 그와 같은 전극들의 조합은 12V 전지 모듈을 제공한다.
도19c는 일부 실시예들에 따른 층 전극(1920E)의 상세 구조를 도시한다. 도 19c에 있어서, 층 전극(1920E)은 음성 반부 층(1924), 양성 반부 층(1926), 와이어 기판(1920W), 2개의 얇은 분기기 반부 층들(1927t-1 및 1927t-2), 두꺼운 분리기 반부 층(1927T), 원형 프레임(1920F), 프레임 o-링(1921), 및 절연체 반부 층(1925)을 포함한다.
이들 부품들은 일부 실시예들에 따라 도 19b에 도시된 하나의 층 전극(1920E)을 발생시키기 위해 도 19c에 도시된 순서 및 배향으로 조립된다. 특히, 와이어 기판(1920W)은 와이어 메시를 생성하기 위해 원형 프레임(1920F) 위로 현수된다. 이 때 상기 메시는 활성 재료층을 형성하기 위해 음성 및 양성 반부 층들(1924 및 1926)에 포함된 활성 재료들에 매설된다. o-ring(1921)은 2개의 연속 전극 층들 사이에 갭을 밀봉하기 위해 구비된다. 다음에, 음성 반부 층(1924)은 순차로 얇은 분리기 반부 층(1927t-1), 절연 반부 층(1925), 및 얇은 분리기 반부 층(1927t-2)에 의해 아래에 커버된다. 한편, 양성 반부 층(1926)은 두꺼운 분리기 반부 층(1927T)으로 아래에 커버된다.
다양한 실시예들에 있어서, 층 전극들(1920E)은 인접한 층 전극들의 음성 및 양성 반부 층들이 접촉하도록 조립된다. 특히, 도 19b에 도시된 바와 같이, 제 2 층 전극(1920E)이 모듈(1900)을 형성하기 위해 제 1 층 전극 위에 위치될 때, 상기 제 2 층 전극은 그의 중앙 축 둘레로 180도 만큼 상기 제 1 층 전극에 대해 회전된다. 이와 같은 방식에서, 상기 제 2 층 전극의 음성 반부 층은 상기 제 1 층 전극의 양성 반부 층의 상부 상에 위치되며, 상기 제 2 층 전극의 양성 반부 층은 상기 제 1 층 전극의 음성 반부 층의 상부 상에 위치되며, 각각의 경우 그들 사이에 일부 분리기들 또는 절연체들이 위치한다. 예를 들어, 일 구성에 있어서, 도 19c의 분해도는 상부 상의 제 2 층 전극과 하부의 제 3 층 전극 사이에 샌드위치된 제 1 층 전극을 나타낸다. 도시되지 않은, 제 2 및 제 3 층 전극들은 서로 유사하게 배향될 것이나, 상기 제 1 층 전극에 대해 180도만큼 회전된다. 이와 같은 예시적 구성에 있어서, 상기 제 1 층의 음성 반부 층(1924)은 제 2 및 제 3 층 전극들의 양성 반부 층들 사이에 샌드위치되며, 두꺼운 분배기 반부 층은 그 위 양성 반부 층 전에 위치하며, 얇은 분리기(1927t-l), 절연체(1925), 및 얇은 분리기(1927t-2)는 각각 그 아래 양성 반부 층 전에 위치한다. 유사한 방식으로, 상기 제 1 층 전극의 양성 반부 층(1926)은 상기 제 2 및 제 3 층 전극들의 음성 반부 층들 사이에 샌드위치되며, 얇은 분리기 반부 층, 절연 반부 층, 및 다른 얇은 분리기 반부 층은 그 위 음성 반부 층 전에 위치되며, 상기 두꺼운 분리기(1927T)는 그 아래 음성 반부 층 전에 위치한다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 절연 반부 층은 2 측부들 상의 활성 반부 층들을 하전 교환으로부터 방지하는 절연층이다. 예를 들어, 상술된 예시적 구성에 있어서, 상기 제 2 층 전극의 절연체 반부 층은 상기 제 1 층 전극의 양성 반부 층(1926)이 그 위에 위치된 상기 제 2 층 전극의 음성 반부 층으로 하전 교환되는 것을 방지한다. 마찬가지로, 절연체 반부 층(1925)는 음성 반부 층(1924)이 그 아래 위치된 제 3 층 전극의 양성 반부 층으로 하전 교환되는 것을 방지한다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 분리기 반부 층은 하나 또는 2개의 활성 반부 층들과 접촉하는 이온 전도성 층이다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 분리기 반부 층은 접촉하는 활성 반부 층에서 전해질의 일부를 보존한다. 또한, 다양한 실시예들에 있어서, 상기 분리기 반부 층은 2개의 측부 상의 2개의 활성 반부 층들과 접촉하는 분리기 반부 층은 상기 반부 층들 사이의 이온성 하전 교환을 가능하게 하여, 유닛 셀을 형성한다. 예를 들어, 상술된 예시적 구성에 있어서, 얇은 분리기 반부 층(1927t-l)은 그 위의 음성 활성 재료(1924)와 접촉하며, 상기 음성 반부 층을 보존하고 상기 음성 반부 층과 이온 교환한다. 유사하게도, 상기 얇은 분리기 반부 층(1927t-2)은 그 아래 위치된 양성 활성 재료와 접촉한다. 한편, 두꺼운 분리기 반부 층(1927T)은 상기 제 1 층 전극의 양성 반부 층(1926)과 아래의 상기 제 3 층 전극의 음성 반부 층 사이의 이온성 하전 교환을 가능하게 한다. 마찬가지로, 상기 제 2 층 전극의 두꺼운 분리기 반부 층은 상기 제 2 층 전극의 양성 반부 층 전극과 음성 반부 층(1924) 사이의 이온성 하전 교환을 가능하게 한다. 이와 같은 양성 반부 층, 분리기 반부 층, 및 음성 반부 층의 조합은 모듈(1900) 내부에 유닛 셀을 형성한다. 따라서, 예를 들면, 도 19c에 있어서, 음성 반부 층(1924)은 그 위에 양성 반부 층을 갖는 유닛 셀을 형성하며, 반면 그 아래의 양성 반부 층으로부터 절연된다. 마찬가지로, 양성 반부 층(1926)은 그 아래의 음성 반부 층을 갖는 제 2 유닛 셀을 형성하며, 반면 그 위의 음성 반부 층으로부터 절연된다. 상기 모듈의 유닛 셀들은 와이어 기판(1920W)을 통해 직렬로 서로 연결된다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 와이어 기판은 단일 방향 전도성 와이어에 의해 형성되는 메시이며, 연결되는 2개의 활성 반부 층들 사이에 전도성 전자 교환을 부여한다. 따라서, 와이어 기판은 동일한 층 전극 내에서 한 유닛 셀의 양성 반부 층을 다른 유닛 셀의 음성 반부 층에 연결한다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 와이어 기판은 상기 전지의 효율을 증가시키는 조합과 디자인을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 도 19c에 도시된 바와 같이, 배선은 한 전극으로부터 다른 전극으로 연장하는 지향성 와이어의 메시이다. 또한, 다양한 실시예들에 있어서, 상기 와이어 기판은 장범위 배열(long range order)을 갖지 않는 비결정질 무정형 재료로 제조된다. 그와 같은 재료들은 부식에 대한 더욱 양호한 저항을 제공하며, 전해질과의 접촉을 위해 사용하기에 더욱 적합하다.
상술된 예시적 구성에 있어서, 예를 들어, 도 19c에 도시된 제 1 층 전극에 있어서, 와이어 기판(1920W)은 제 1 유닛 셀에 속하는 음성 반부 층(1024)을 제 2 유닛 셀에 속하는 양성 반부 층(1926)에 연결한다.
다양한 실시예들에 있어서, 원형 플레이트 모듈(1900)은 직렬로 연결된 유닛 셀 세트를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 유닛 셀은 상술된 방식으로 2개의 인접하는 층 전극들 사이의 중간에 형성된다. 또한, 2개의 단부 유닛 셀들은 층 전극 및 인접하는 층 양성 단자 또는 층 음성 단자 사이에 형성된다. 예를 들어, 도 19b에 도시된 실시예에 있어서, 상기 제 1 층 전극 단자(1920E-1)는 음성 반부 층(1924-1)을 포함하며, 층 양성 단자(1920P)에서 양성 반부 층(1926-P)을 갖는 유닛 셀을 형성한다. 한편, 상기 제 5 층 전극(1920E-5)은 양성 반부 층(1926-5)을 포함하며, 층 음성 단자(1920N)에서 음성 반부 층(1924-N)을 갖는 유닛 셀을 형성한다.
도 19d 및 도 19e는 일부 실시예들에 따라 더욱 상세히 설명된 층 양성 단자 및 층 음성 단자의 구조를 나타낸다. 도 19d는 층 양성 단자(1920P)가, 상부로부터 시작된 연속 층들로서, 캡(1910); 납 시트 반부 층(1954)을 갖는 얇은 분리기 반부 층(1027t-l); 양성 반부 층(1926); 와이어 기판(1920W); 개스킷 반부 층(1952)을 갖는 두꺼운 분리기 반부 층(1927T); 및 절연체(1925) 및 얇은 분리기 반부 층(1027t-2)을 포함한다는 사실을 나타낸다. 층 양성 단자(1920P)는 또한 원형 프레임(1920F), 프레임 o-링(1921), 단자(1956) 및 단자 o-링(1957)을 포함한다.
도 19e는 층 음성 단자(1920N)가, 하부로부터 시작된 다양한 층들로서, 캡(1910); 홀드 개스킷 반부 층(1952h)을 갖는 PVC 반부 층(1958); 홀드 PVC 반부 층(1958h)을 갖는 다른 PVC 반부 층(1958); 다른 홀드 PVC 반부 층(1958h)를 갖는 절연체(1925); 납 시트 반부 층(1954)을 갖는 얇은 분리기 반부 층(1927t); 와이어 기판(1920W); 및 개스킷 반부 층(1952)를 갖는 음성 반부 층(1924)을 포함한다는 사실을 나타낸다. 층 음성 단자(1920N)는 또한 원형 프레임(1920F), 프레임 o-링(1921), 긴 단자(1956L) 및 단자 o-링(1957)을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, PVC는 원형 프레임(1920F), 절연 반부 층(1925), 캡(1910), 및 PVC 반부 층들(1958 및 1958h)을 제조하기 위해 사용된다. 또한, 납은 와이어 기판(1020W), 단자들(1956 및 1956L)을 제조하기 위해 사용된다. 또한, o-링들(1921 및 1957), 및 캐스킷 반부 층들(1952 및 1952h)을 제조하는 데는 70A 듀러미터의 EPDM 고무가 사용된다.
부품들(1924 및 1926)은 각각 음성 및 양성 활성 재료들이다. 얇은 그리고 두꺼운 분리기들(1927t 및 1927T)은 상이한 두께의 유리섬유 매트로 제조된다. 특히, 도 19c 내지 도 19e에 도시된 실시예에 있어서, 두꺼운 분리기 반부 층(1927T)은 얇은 분리기 반부 층(1927t)보다 두껍다. 또한, 양성 활성 재료(1926)는 음성 활성 재료(1924)보다 두껍다. 이들 실시예들에 있어서, 양성 반부 층(1926)과 비교하여 음성 반부 층(1924)의 작은 두께를 보상하기 위해 음성 반부 층(1924)을 또한 포함하는 측부 상에 얇은 분리기 반부 층(1927t)이 포함될 수 있다. 또한, 설명된 바와 같이, 분리기 반부 층들(1927)은 그들이 접촉하는 활성 층의 전해질을 보존한다.
다양한 실시예들에 있어서, 상기 층 전극들은 상기 플레이트들을 따라 연속 하전 통로를 제공하는 방식으로 원형 플레이트 모듈 내에 조립된다. 도 19f는, 일부 실시예들에 따른 원형 모듈(1900)에 있어서, 층 전극들(1920E-1 내지 1920E-4)을 포함하는, 층 전극들의 조립체의 하전 통로를 도시한다. 도 19f에 있어서, 수직 및 수평 화살표들은 전하 전달 방향을 나타낸다. 특히, 수평 화살표들(1942)은 와이어 기판을 통한 상기 조립체의 한 유닛 셀로부터 다음 유닛 셀로의 전도성 전자 전달을 나타낸다. 한편, 수직 화살표들(1944)은 유닛 셀 내의 이온성 전하 전달을 나타내며, 이온성 전하는 분리기를 통해 층 전극(1920E-2)의 왼손 방향 측부(양성) 반부 층으로부터 층 전극(1920E-3)의 왼손 방향 측부(음성) 반부 층으로 전달된다. 일부 실시예들에 있어서, 유닛 셀에 의해 생성되는 전압은 약 2V이다. 도 19b에 도시된 실시예에 있어서, 예를 들어, 모듈(1900)은 6개의 유닛 셀들을 조립하고, 모듈(1900)에 의해 발생되는 전체 전압은 약 12V이다.
다양한 실시예들에 있어서, 양성 및 음성 단자들을 위한 층 전극들(1920E) 또는 층들은 일부 특정 순서로 다양한 부품들을 조립함으로써 제조된다. 도 19c에 도시된 실시예에 있어서, 예를 들어, 전극(1920E)이 제조될 때, 와이어 기판(1920W)은 와이어 프레임 조립체를 생성하기 위해 원형 프레임(1920F)의 상부면 상에 에칭되는 홈들 내에 현수될 수 있다. 다음에, 이와 같은 와이어 프레임 조립체는 음성 반부 층(1924)을 형성하기 위한 음성 활성 재료로 한 측면 상에 그리고 양성 반부 층(1926)를 형성하기 위한 양성 활성 재료로 다른 측면 상에 커버될 수 있다. 다음에, 절연체 및 분리기 반부 층들(1925 및 1927)은 상기 음성 및 양성 반부 층들의 적당한 면들 상에 부착될 수 있다.
층 전극의 잔류 부품과 와이어 프레임 조립체를 결합하기 위해 또는 와이어 프레임 조립체를 위해, 상이한 실시예들이 상이한 구조체들이 이용된다. 도 21은 2개의 상이한 실시예들에 따른 2개의 원형 프레임들(2120F-1 및 2120F-2)을 나타낸다. 원형 프레임(2120F-1)은, 상기 홈들 내에 현수된 와이어 기판이 상기 프레임의 경계를 떠나지 않고 와이어 프레임 조립체의 경계와 접촉하지 않는 방식으로, 그 경계의 섹션 상에 에칭되는 와이어 홈들(2152)을 갖는다. 한편, 원형 프레임(2120F-2)은, 홈들 내에 현수된 와이어 기판이 와이어 프레임 조립체의 경계의 일부를 형성하는 방식으로, 그의 경계의 길이를 따라 에칭되는 와이어 홈들(2154)을 갖는다. 원형 프레임(2120F-2)을 사용하는 일부 실시예들에 있어서, 프레임 o-링(1921)은 와이어 프레임 조립체의 경계를 밀봉하고 전해질이 누설되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 22는 일부 다른 실시예들에 따른 원형 프레임(2220F)의 구조를 도시한다. 원형 프레임(2220F)은 경계 섹션(2220Fp), 중앙 직경 섹션(2220Fd), 및 O-링 밀봉부(2258)를 포함한다. 경계 섹션(2220Fp)은 수직 채널들(2254) 형태로 상기 와이어 기판을 위해 그 위에 형성된 홈들을 갖는다. 한편, 직경 섹션(2220Fd)은 수평 채널들(2256) 형태로 와이어 기판을 위해 그 위에 형성된 홈들을 갖는다.
O-링 밀봉부(2258)는 산이나 또는 전지에 의해 발생된 가스와 같은 부산물들의 누설을 방지하기 위한 밀봉 메커니즘을 제공한다. 또한, 일부 실시예들에 있어서, 그와 같은 누설은 직경 섹션(2220Fd), 포팅 화합물(potting compound) 영역(2257)과 같은 채널을 따라 차단함으로써 중앙에서 방지된다. 납-와이어 기판이 원형 프레임(2220F) 상에 현수된 후, 상기 와이어를 밀봉하기 위해 에폭시가 영역(2257) 내로 주입된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 에폭시는 왁스나 또는 다른 적합한 소수성 재료일 수 있다. 상기 에폭시는 반부 층들 사이에서 전지의 누출을 방지하거나 또는 감소시키기 위해 사용된다.
다양한 실시예들이 전지의 특성들을 개선하기 위해 모듈 커버의 형태나 기하학적 구성을 변경시킨다. 도 23은 하나의 실시예에 따른 원형 모듈 캡(2300)을 나타낸다. 모듈 캡(2300)은 6개의 섹터들(2302)과 단자 위치(2304)를 포함한다. 섹터들(2302) 각각은 감소된 두께를 가지며 두꺼운 림에 의해 둘러싸이는 중간 섹션을 포함한다. 섹션들(2302)의 중간에서의 감소된 두께 때문에, 모듈 캡(2300)은 균일한 두께를 갖는 캡보다 가벼우며, 그렇지 않을 경우는 모듈 캡(2300)과 유사하다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 상부 또는 하부 커버를 위한 각각의 원형 모듈 캡(2300)은 8 인치의 외경, 7 인치의 내경, 및 ¼ 인치의 두께를 측정한다. 다양한 실시예들에 있어서, 상부 및 하부 커버들은 PVC를 사용해서 사출성형된다. 이들 실시예들에 있어서, 모듈 캡(2300)은 중량이 약 140 그램이며, 반면 유사한 치수를 갖는 균일한 두께의 캡은 중량이 약 270 그램이다. 가벼운 커버는 전지의 중량을 감소시키며, 따라서 그의 비에너지 또는 비출력을 증가시킨다.
도 20은 일부 실시예들에 따른 전지 모듈의 전극 조립체(400)를 도시한다. 조립체(400)는 반원형 전체 전극 플레이트들(402), 1/4원형 양성 및 음성 단부 플레이트들(404 및 406), 절연체 층(408), 분리기 플레이트(410), 양성 단자(412) 및 음성 단자(414)를 포함한다. 각각의 전체 전극 플레이트(402)는 양성 반부 플레이트(402P) 및 음성 반부 플레이트(402N)를 포함한다. 전체 전극 플레이트들(402)은 전체 플레이트가 다른 전체 플레이트 위에 위치될 때 전극 조립체(400)의 축에 대해 90도만큼 회전되는 방식으로 조립되어, 한 플레이트의 양성 반부 플레이트(402P)가 다른 플레이트의 음성 반부 플레이트(402N)에 대해 위치된다. 또한, 분리기(410)가 2개의 대향하는 하전 반부 플레이트들 사이에 이온성 연결을 제공하기 위해 그들 사이로 삽입된다. 이와 같은 상기 제 1 플레이트 위에 또는 상기 제 1 플레이트 아래에 위치된 다른 플레이트의 양성 반부 플레이트에 이온성 연결된 하나의 플레이트의 음성 반부 플레이트의 결합은 유닛 셀을 형성한다. 또한, 동일한 전체 플레이트(402)에서 양성 반부 플레이트(402P)와 음성 반부 플레이트(402N) 사이의 와이어 연결은 2개의 연속 유닛 셀들 사이에 일련의 연결부들을 제공한다. 양성 단부 플레이트(404)는 그에 대해 위치된 음성 반부 플레이트(402N)와 함께 유닛 셀을 형성한다(도 20에서 그의 하부). 마찬가지로, 음성 단부 플레이트(406)는 그에 대해 위치된 양성 반부 플레이트(402P)와 함께 다른 유닛 셀을 형성한다(도 20에서 그의 상부).
도 24는 일부 실시예들에 따라 원형 플레이트들의 직경의 함수로서 원형 플레이트 모듈들의 산출된 정전 용량의 거동을 나타낸다. 도 24는 가로 좌표(2410)는 인치 단위를 갖는 전극 직경을 기재하고 있으며 세로 좌표(2420)는 암페어 시간(ah) 단위를 갖는 대응하는 산출된 정전 용량을 기재하고 있는 그래프(2400)를 나타낸다. 상기 곡선(2430)은 직경의 함수로서 상기 정전 용량에 대한 산출된 값들을 나타낸다. 특히, 곡선(2430)은 상기 플레이트들의 직경을 증가시킴으로써 산출된 정전 용량이 비선형 방식으로 증가하게 한다는 사실을 나타낸다. 또한, 곡선(2430)은, 일 실시예에 있어서, 상기 전극 직경이 7 인치로 설정되고 상기 모듈의 정전 용량이 약 6.5 ah로 되는 것을 보여준다.
일부 실시예들에 있어서, 전지 모듈은 비원형 형태를 갖는 플레이트들로 제조된다. 도 25는 일부 실시예들에 따른 장방형 박스(장방형 프리즘)로서 성형되는 전지(2500)를 나타낸다. 전지(2500)는 하나 이상의 장방형 플레이트(2510)를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 장방형 플레이트(2510)는 장방형 활성 모듈(2520) 및 장방형 네스트 모듈(nest module)(2530)을 포함한다.
장방형 활성 모듈(2520)은 장방형 네스트 모듈(2530)의 내부에 정합된다. 장방형 활성 모듈(2520)은 장방형 음성 반부 층(2524)과 장방형 양성 반부 층(2526)을 수납하는 장방형 프레임(2520F)을 포함한다. 한편, 장방형 네스트 모듈(2530)은 장방형 절연체(2525) 및 장방형 분리기(2527)를 포함한다.
따라서, 다양한 실시예들에 있어서, 2개의 상이한 프레임들은 도 25에 도시된 것과 유사한 방식으로 전극 모듈의 한 층을 포함한다. 제 1 프레임은 2개의 상이한 유형의 활성 재료들을 포함하는 2개의 활성 반부 층들을 포함한다. 제 2 프레임은 상기 제 1 프레임과 같은 형태를 가지며, 분리기 또는 절연체, 또는 둘 다를 포함한다. 다양한 실시예들에 있어서, 이들 2가지 유형의 프레임들은 별도로 제조되며, 이 때 전지 모듈의 한 층을 형성하기 위해 함께 위치된다. 다음에, 다중 층들이 전지 모듈을 생성하기 위해 조립된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 층들이 조립될 때, 각각의 층은 그 아래의 또는 그 위의 층에 대해 회전되어, 상기 이웃하는 층들의 음성 및 양성 반부 층들은 서로 마주한다.
일부 실시예들에 있어서, 목표 출력 전압을 갖는 장방형 모듈을 형성시키기 위해 복수의 장방형 층들이 조립된다. 도 26a 및 도 26b는 일부 실시예들에 따른 조립 및 분해된 형태들에 있어서의 12 V 장방형 모듈(2600)을 도시한다. 도 26b에 도시된 바와 같이, 장방형 모듈(2600)은 상부 층(2610), 5개의 전류 반복 프레임들(2630), 및 하부 층(2650)을 포함한다. 상부 층(2610)은 상부 커버(2610C) 및 상부 반전극 프레임(2620)을 포함한다. 하부 층(2650)은 하부 커버(2650C)와 하부 반전극 프레임(2640)을 포함한다. 도 26a 및 도 26b에 도시된 실시예에 있어서, 상술된 양성 및 음성 반부 층들과 유사하게도, 상부 반부 전극 프레임(2620)은 음성 반부 층을 포함하며, 하부 반부 전극 프레임(2640)은 양성 반부 층을 포함한다. 다양한 실시예들에 있어서, 모듈(2600)은, 예를 들면, 상기 음성 및 양성 반부 층들이 각각 상기 하부 및 상부에 또는 임의의 다른 배향으로 위치되도록, 상이하게 배향 및 사용될 수 있다.
도 26c 및 도 26d는 각각 일부 실시예들에 따른 모듈(2600)의 중앙 반복 프레임(2630)의 조립 및 분해도를 나타낸다. 도 26c 및 도 26d에 도시된 바와 같이, 전류 반복 프레임(2630)은 개스킷, 음성 산 저장소 반부 장방형부, 양성 및 음성 활성 재료 반부 장방형부, 와이어 기판, 포팅 화합물, 내부 프레임, 분리기 반부 장방형부, 양성 산 저장소 반부 장방형부, 및 절연체 반부 장방형부를 포함하는 외부 프레임을 포함한다. 이들 부품들은 일반적으로 상술된 층 전극들의 부품들과 유사한 방식으로 기능한다. 특히, 일부 실시예들에 있어서, 음성 및 양성 산 저장소 반부 장방형부들은 얇은 분리기 재료로 제조된다. 도 26d에 도시된 실시예에 있어서, 음성 및 양성 산 저장소들은 각각 음성 및 양성 활성 재료 반부 장방형부를 위 또는 아래로부터 커버하며, 각각 대응하는 활성 재료 반부 장방형부를 위한 산의 저장소로서 기능한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 개스킷은 EPDM 고무로 제조되며, 다른 실시예들은 바이톤(Viton) 또는 유사한 탄성중합체를 포함하며, 중앙 반복 프레임과 그 위의 것 사이의 와셔로서 작용한다. 상기 내부 프레임은 적당한 내산성 플라스틱으로 제조되며, 활성 재료, 와이어 기판, 산 저장소, 및 다른 부품들을 위한 일반 프레임으로서 기능한다. 상기 포팅 화합물은 경화 가능한 에폭시 화합물이며, 양성 및 음성 활성 재료 사이의 산성 전이를 위한 격막으로서 기능한다.
도 26e 및 도 26f는 각각 일부 실시예들에 따른 모듈(2600)의 상부 층(2610)의 조립 및 분해도를 나타낸다. 상부 층(2610)은 상부 커버(2610C) 및 상부 반부 전극 프레임(2620)을 포함한다. 도 26f는 또한, 일부 실시예들에 따라, 개스킷, 음성 단자, 집전 장치, 음성 산 저장소 반부 장방형부, 포팅 화합물, 와이어 기판, 음성인 활성 재료 반부 장방형부, 분리기 반부 장방형부, 스페이서 반부 장방형부, 및 분리기 반부 장방형부를 포함하는 외부 프레임을 포함하는 상부 반부 전극 프레임(2620)의 다른 부품들을 나타낸다. 상기 집전 장치는 납 금속으로 제조되며 활성 재료로부터 전류를 수집하고 상기 전류를 음성 단자로 전달한다. 상기 스페이서 반부 장방형부는 EPDM 고무나 또는 유사 내산성 탄성중합체로 제조되며 상기 기판과 절연체 구성 요소들 사이의 두께 차이를 보상한다.
도 26g 및 도 26h는 각각 일부 실시예들에 따른 모듈(2600)의 하부 층(2650)에 대한 조립 및 분해도를 나타낸다. 하부 층(2650)은 하부 커버(2650C) 및 하부 반부 전극 프레임(2640)을 포함한다. 도 26h는, 일부 실시예들에 따른, 개스킷, 양성인 활성 재료 반부 장방형부, 스페이서, 와이어 기판, 포팅 화합물, 내부 프레임, 양성 플레이트용 산 저장소, 절연체 반부 장방형부를 포함하는 외부 프레임, 집전 장치, 양성 단자, 및 제 2 개스킷을 포함하는 하부 반부 전극 프레임(2640)의 다른 부품들을 나타낸다.
다양한 실시예들이 다량의 출력을 갖는 장방형 모듈들을 생성하기 위해 다수의 장방형 프레임들을 조합한다. 도 27a 및 도 27b는 일 실시예에 따른 192V 장방형 모듈(2700)을 나타낸다. 장방형 모듈(2700)은 리드(2710), 양성 버스(2722) 및 음성 버스(2724), 2개의 전극 스택들(2730), 중앙 버스(2740) 및 케이스(2750)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 상기 중앙 버스는 일련의 전기 접속으로 스택들(2730)의 하부 단자를 함께 연결한다.
일부 실시예들은 유닛 셀들의 나선형 구성을 사용한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 나선형 구성은 전극 스택을 통한 다중 나선형 전류 통로를 제공한다. 도 28a 내지 도 28d는 일부 실시예들에 따른 원형 나선형 모듈(2800)을 나타낸다. 원형 나선형 모듈(2800)은 나선 방식으로 조립된 복수의 부분 모듈들(2810)을 포함한다.
도 28b 및 도 28c는 일부 실시예들에 따른 부분 모듈(2810)의 상세를 나타낸다. 부분 모듈(2810)은 원형의 섹터로서 성형된다. 도 28a 내지 도 28d에 도시된 실시예에 있어서, 부분 모듈(2810)은 양성 및 음성 활성 재료들을 갖는 2개의 30도의 반부 섹터들을 포함하는 60도 각도의 섹터로서 성형된다.
도 28b 및 도 28c는 부분 모듈(2810)의 다양한 부분들을 나타낸다. 부분 모듈(2810)은 프레임(2812), 양성 및 음성 활성 재료 반부 섹터들(2814 및 2815), 와이어 기판(2816), 절연체 반부 섹터(2817), 및 분리기 반부 섹터(2818)를 포함한다. 상기 음성 및 양성 활성 재료들, 절연체, 및 분리기는 상술된 원형 플레이트 모듈(1900) 또는 기타 유사한 모듈들과 유사한 방식으로서 기능한다.
도 28a 및 도 28d는 일부 실시예에 따른 원형 나선형 모듈(2800)을 형성하기 위한 다중 부분 모듈들(2810)의 적층을 도시한다. 특히, 도 28d에 도시된 바와 같이, 원형 나선형 모듈(2800)은 5개의 부분 모듈들(2810-1 내지 2810-5)을 포함한다. 부분 모듈들은, 부분 모듈의 음성 반부 섹터가 아래에 위치되고 그 위의 부분 모듈의 양성 반부 섹터에 이온적으로 연결되도록, 나선형 방식으로 적층된다. 예를 들어, 부분 모듈(2810-1)의 음성 반부 섹터는 아래에 위치되고 분리기를 통해 부분 모듈(2810-2)의 양성 반부 섹터에 이온적으로 연결된다. 마찬가지로, 부분 모듈(2810-2)의 음성 반부 섹터는 아래에 위치되고 분리기를 통해 부분 모듈(2810-3)의 양성 반부 섹터에 이온적으로 연결되는 등과 같다.
이와 같은 방식으로, 부분 모듈들(2810)의 세트는 직렬로 연결된 유닛 셀들의 그룹을 형성한다. 특히, 각각의 유닛 셀은 부분 모듈(2810-i)의 음성 반부 섹터를 포함하며, 부분 모듈(2810-i+1)의 양성 반부 섹터가 상기 음성 반부 섹터 위에 위치하며, 이들 2개의 반부 섹터들 사이에 분리기가 구비된다. 따라서, 형성된 각각의 유닛 셀은 트랜스-전극 기판들(2816)에 의해 그 전 또는 후에 셀들로 직렬 연결된다. 예를 들어, 부분 모듈(2810-1)의 음성 반부 섹터와 그 위에 위치된 부분 모듈(2810-2)의 양성 반부 섹터 사이에 하나의 유닛 셀이 형성된다. 이와 같은 유닛 셀은 각각 부분 모듈들(2810-1 및 2810-2)의 트랜스-전극 기판(2816)에 의해 그 전 후의 유닛 셀에 연속으로 연결된다.
도 28d에서, 화살표들은 연속으로 연결된 유닛 셀들 사이에서 내부로 전달되는 전자들의 방향을 나타낸다. 특히, 각각의 수평 방향 화살표는 하나의 유닛 셀로부터 다음의 유닛 셀로의, 즉 상기 부분 모듈의 트랜스-전극 기판을 통한 각각의 부분 모듈들(2810-i)의 양성 반부 섹터로부터 동일한 부분 모듈의 음성 반부 섹터로의 하전의 전도성 전달을 나타낸다. 한편, 각각의 수직 방향 화살표는 각각의 유닛 셀 내의 전류의 이온성 전달, 즉 부분 모듈(2810-i)의 음성 반부 섹터로부터 상기 음성 반부 섹터 위에 위치한 다음의 부분 모듈(2810-i+1)의 양성 반부 섹터로의 그들 사이에 삽입된 분리기를 통한 이온성 전달을 나타낸다. 따라서, 부분 모듈들(2810-1 내지 2810-5)은 연속 연결된 4개의 유닛 셀들 세트 및 시작 및 종결시의 2개의 반부 섹터들을 형성한다. 일부 실시예들은 내부 단락 또는 전해질 손실을 방지하는 개스킷을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 개스킷은 원형 플레이트 모듈(1900) 또는 다른 유사한 모듈들에 있어서 상술된 것과 유사한 방식으로 전해질 손실을 방지한다. 예를 들면, 도 28c에 있어서, 내부 단락은 전류 절연체(2817)에 의해 완화된다.
일부 실시예들에 있어서, 전기 화학 전지 모듈은 원통형의 나권형 모듈이다. 상기 원통형의 나권형 모듈은 대안적 폼 팩터 및 대안적 제조 방법을 사용한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 모듈은 모듈을 위한 원통형 셀들을 생성시키기 위해 중앙 맨드릴 둘레에 단극- 및 쌍극 구성의 긴 스트립 전극들을 권선시킴으로써 구성된다. 인접 셀들은 와이어 기판들을 통해 서로 연속해서 전기적으로 접속된다. 상기 셀들은 원통형인 압력 기밀 케이스 내에 수납된다. 따라서, 구성된 원통형인 나권형 모듈들은 그들의 대응 부품들과 비교하여 높은 용적 효율, 및 높은 내진성 및 내압성을 갖는다.
도 29a 내지 도 29c는 다양한 실시예들에 따른 나권형 모듈들(2900)을 나타낸다. 특히, 도 29a는 외부 뷰, 도 29b는 내부 조립 부품들의 도면, 및 도 29c는 다양한 실시예들에 따른 나권형 모듈(2900)의 부품들에 대한 분해도를 도시한다.
나권형 모듈(2900)은 모듈 케이스(2902), 케이스 환기구(2904), 상부 커버(2906), 양성 단자(2908), 음성 단자(2910), 양성 집전 장치(2912), 양성 반부 전극 기판 단말 스트립(2914), 원통형 셀 팩(2916), 음성 반부 전극 기판 단말 스트립(2938), 음성 집전 장치(2920), 중앙 맨드릴(2922), 및 하부 커버(2924)를 포함한다. 도 29a 내지 도 29c에 도시된 실시예들에 있어서, 원통형 셀 팩(2916)은 배선들을 통해 연속으로 내부로 연결되는 6개의 원통형 셀 스택들(2917)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 셀 팩(2916)은 2V의 전위차를 제공하며, 따라서 모듈(2900)은 12V 모듈이다.
다양한 실시예들에 있어서, 양성 반부 전극 기판 단말 스트립(2914)는 외부 에지들을 따라 공통 버스 내에서 양성 반부 전극 단부 배선을 전기적으로 결합하며, 양성 집전 장치(2912)로의 배선의 전기 결합을 용이하게 한다. 다양한 실시예들에 있어서, 양성 집전 장치(2912)는 양성 반부 전극 단말 스트립을 양성 단자(2908)에 전기 결합시키는 원형 금속 플레이트이다. 일부 실시예들에 있어서, 양성 집전 장치(2912)는 양성 단자에 대한 낮은 저항의 직결선로이다. 다양한 실시예들에 있어서, 양성 단자(2908)는 모듈에 대한 외부 전기 접속을 허용한다.
유사하게도, 다양한 실시예들에 있어서, 음성 반부 전극 기판 단말 스트립(2918)은 외부 에지들을 따라 공통 버스 내에서 음성 반부 전극 단부 배선을 전기적으로 결합하며, 음성 집전 장치(2920)로의 배선의 전기 결합을 용이하게 한다. 다양한 실시예들에 있어서, 음성 집전 장치(2920)는 음성 반부 전극 단말 스트립을 음성 단자(2910)에 전기 결합하는 원형 금속 플레이트이다. 일부 실시예들에 있어서, 음성 집전 장치(2920)는 음성 단자에 대한 낮은 저항의 직결선로이다. 다양한 실시예들에 있어서, 음성 단자(2910)는 모듈에 대한 외부 전기 접속을 허용한다.
도 29d 및 도 29e는 일부 실시예들에 따른 원통형 셀 팩(2916)과 유사한 원통형 셀 팩을 제조하기 위한 중간 단계를 나타낸다. 도 29d 및 도 29e는 원통형 셀 팩 내로 롤링되는 편평한 셀 팩(2966)에 대한 2개의 상이한 도면을 나타낸다. 편평한 셀 팩(2966)은 각각 6개의 편평한 셀 스택들(2970)과 중앙 맨드릴(2972)을 포함한다. 도 29d 및 도 29e에 도시된 단계에서, 각각의 셀 스택(2970)은 편평한 세장형 스트립이다. 도 29d 및 도 29e에 도시된 실시예에 있어서, 각각의 셀 스택(2970)은 도 30a와 관련하여 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 4개의 층들을 포함한다. 특히, 각각의 셀 스택(2970)은 전극들과 분리기들의 교번 층들을 포함한다. 이들 층들의 단부들은 설명을 목적으로 도 29d 및 도 29e에 도입된다. 상기 셀 스택들의 이웃하는 층들의 일부는 아래에서 설명되는 바와 같이 배선들에 의해 연결된다.
도 29d 및 도 29e는 원통형 셀 팩을 형성하기 위해 중앙 맨드릴(2972) 둘레에 편평한 셀 스택들(2970)의 롤링을 개시하는 단계를 나타낸다. 도 29d 및 도 29e는 또한 그들의 편평한 구성에서의 양성 및 음성 반부 전극 단말 스트립들(2974 및 2976)을 도시하며, 그들은 중앙 맨드릴(2972) 둘레에 롤링된다. 롤링을 완료한 후, 상기 스트립들은 도 29c에서 부품들(2914 및 2918)에 대한 나선형 형상을 취할 것이다.
일부 실시예들에 있어서, 중앙 맨드릴(2972)은 내황산성 플라스틱으로 제조된 원통형 튜브이다. 일부 실시예들에 있어서, 중앙 맨드릴의 재료는 모듈 케이스의 재료와 유사하다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 전극들은 상기 중앙 맨드릴 둘레에 권선된다. 따라서, 다양한 실시예들에 있어서, 중앙 맨드릴(2972)은 상기 전극 조립체를 지지한다. 도 30a는 권선 전에 맨드릴 상의 전체 또는 반부 전극 배열을 나타내는 2D 스케치이다.
도 30a는 상기 맨드릴 둘레에 셀 스택들을 권선하는 하나의 롤의 실행하의 나권형 모듈에 대한 단면도를 도시한다. 연속 이미지들(3001 내지 3005)은 일부 실시예들에 따른 셀 스택(3000)의 상세를 도시하기 위해 사용된다. 특히, 전체 셀 이미지(3005)는 일회의 완전 롤링 후에 중앙 맨드릴(3020) 둘레에 도 29d 및 도 29e의 셀 팩(2966)과 같은 편평한 섹 팩을 권선하는 결과를 초래하는 층들을 포함하는 셀 팩(3000)의 단면을 나타낸다. 일회 롤링을 위해 권선된 후에, 셀 팩(3000)은 6개의 셀 스택들(3010)을 포함한다. 도 30a에서의 각각의 장방형은 중앙 맨드릴(3020) 둘레에 롤링된 셀 스택 층의 단면을 나타낸다.
이미지(3001)는 중앙 맨드릴(3020)을 나타낸다. 이미지(3002)는 중앙 맨드릴 둘레로 상기 셀 스택들을 권선하는 일회 롤링의 실행하에 중앙 맨드릴(3020) 둘레에 형성된 분리기 층(3030)의 층을 나타낸다. 분리기 층(3030)은 6개의 분리기 반부 부품들(3032)을 포함한다. 각각의 분리기 반부 부품(3032)은 6개의 셀 스택들(3010) 중 하나에 대응한다. 일부 실시예들에 있어서, 분리기 층(3030)은 흡수성 유리 매트(AGM)로 제조된다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 분리기 층은 황산과 같은 전해질을 보유하고, 상기 셀의 양성 및 음성 전극들 사이의 이온 전달을 촉진시킨다.
이미지(3003)는 상기 중앙 맨드릴 둘레로 상기 셀 스택들을 권선하는 일회 롤링의 실행하에 분리기 층(3030) 둘레에 형성된 전극 층(3040)을 나타낸다. 전극 층(3040)은, 교번적으로 상기 6개의 분리기 반부 부품들(3032) 위에 놓이는, 3개의 음성 반부 전극들(3042) 및 3개의 양성 반부 전극들(3044)을 포함한다. 특히(도 30a의 3003 단계에서 전극 층(3040)의 6개의 반부 전극들이 좌에서 우로 넘버링되는 것으로 가정한다), 제 1, 제 3 및 제 5 반부 전극들은 양성 반부 전극들(3044)이고; 제 2, 제 4 및 제 6 반부 전극들은 음성 반부 전극들(3042)이다.
음성 및 양성 반부 전극들의 3개의 연속 이웃하는 쌍들은 3개의 배선들을 통해 연결된다. 즉, 이미지(3003)에 나타낸 바와 같이, 각각 제 1 및 제 2 반부 전극들, 제 3 및 제 4 반부 전극들, 및 제 5 및 제 6 반부 전극들로 구성되는 3개의 쌍들은 각각 (도 30a에서, 모든 배선들이 도시되고 오직 제 1 배선만이 표식화된) 배선(3046)을 통해 연결된다. 각각의 그와 같이 연결된 쌍은 (도 30a에서 오직 첫번째 것만 표식화된) 쌍극 전극(3048)을 형성한다. 따라서, 전극 층(3040)은 3개의 쌍극 전극들(3048)을 포함한다.
이미지(3004)는 중앙 맨드릴 둘레로 상기 셀 스택들을 권선하는 일회 롤링의 실행하에 전극 층(3040) 둘레에 형성되는 제 2 분리기 층(3050)을 나타낸다. 분리기 층(3050)은 6개의 분리기 반부 부품들(3052)을 포함한다. 각각의 분리기 반부 부품(3052)은 상기 6개의 셀 스택들(3010) 중 하나에 대응한다.
이미지(3005)는 중앙 맨드릴 둘레로 상기 셀 스택들을 권선하는 일회 롤링의 실행하에 분리기 층(3050) 둘레에 형성되는 제 2 전극 층(3060)을 나타낸다. 전극 층(3060)은, 전극 층(3040)의 역순으로 교번적으로 상기 6개의 분리기 반부 부품들(3052) 위에 놓이는, 3개의 음성 반부 전극들(3062) 및 3개의 양성 반부 전극들(3064)을 포함한다. 즉, 각각의 음성 반부 전극(3062)은 양성 반부 전극(3044) 위에 자체적으로 놓이는 분리기 반부 부품(3052) 위에 위치된다. 역으로, 각각의 양성 반부 전극(3064)은 음성 반부 층들(3042) 위에 자체적으로 놓이는 분리기 반부 부품(3052) 위에 위치된다. 따라서, 도 30a의 이미지(3005)에 도시된 바와 같이(전극 층(3060)의 6개의 반부 전극들은 좌에서 우로 넘버링되는 것으로 가정한다), 제 1, 제 3 및 제 5 반부 전극들은 음성 반부 전극들(3062)이고; 제 2, 제 4 및 제 6 반부 전극들은 양성 반부 전극들(3064)이다.
이미지(3005)는 2개의 배선들(3066)을 통해 형성되는 2개의 쌍극 전극들을 나타낸다. 특히, 제 1 쌍극 전극은 (도 30a의 3005 단계에서 도시 및 표식화된) 배선(3066)을 통해 제 2 및 제 3 반부 전극들을 연결함으로써 형성된다. 또한, 제 2 쌍극 전극은 (도 30a의 3005 단계에 도시되었으나 표식화되지 않은) 배선(3066)을 통해 제 4 및 제 5 반부 전극들을 연결함으로써 형성된다. 음성 반부 전극(3062)인 제 1 반부 전극은 단자 배선(3068)을 통해 좌측으로부터 외부로 연결된다. 또한, 양성 반부 전극(3064)인 제 6 반부 전극은 다른 단자 배선(3068)을 통해 우측으로부터 외부로 연결된다. 따라서, 전극 층(3060)은 좌측으로부터 음성 반부 전극(3062), 2개의 쌍극 전극들, 및 양성 반부 전극(3064)을 포함한다.
따라서, 도 30a의 3005 단계에 도시된 바와 같이, 셀 팩(3000)은 중앙 맨드릴(3020) 둘레에 롤링된 6개의 셀 스택들(3010)을 포함한다. 제 1, 제 3 및 제 5 셀 스택들은 각각, 상부로부터 하부 순으로, 음성 반부 전극(3062), 분리기(3052), 양성 반부 전극(3044), 및 다른 분리기(3032)를 포함한다. 또한, 제 2, 제 4 및 제 6 셀 스택들은, 각각 상부에서 하부 순으로, 양성 반부 전극(3064), 분리기(3052), 음성 반부 전극(3042), 및 다른 분리기(3032)를 포함한다. 전극 층(3040)에서, 제 1 및 제 2 스택들은 배선(3046)을 통해 연결되고, 제 3 및 제 4 스택들은 다른 배선(3046)을 통해 연결되며, 제 5 및 제 6 스택들은 다른 배선(3046)을 통해 연결된다. 전극 층(3060)에 있어서, 제 2 및 제 3 스택들은 배선(3066)을 통해 연결되고, 제 4 및 제 5 스택들은 다른 배선(3066)을 통해 연결되고, 제 1 및 제 6 스택들은 각각 단자 배선(3068)을 통해 외부에 연결된다.
일부 실시예들에 있어서, 셀 스택들의 길이는 중앙 맨드릴 둘레에 추가로 권선되도록 형성된다. 각각의 추가의 롤링은 도 30a에 도시된 셀 스택의 상부 상에 상기 셀 스택과 유사한 다른 세트의 셀 스택들을 발생시킨다(이미지(3005)).
도 30b는 일부 실시예들에 따른 셀 팩(3000)을 통해 유동하는 전자의 통로를 도시한다. 전자 유동의 방향은 개략적으로 화살표들(3071 내지 3077)로 나타낸다. 특히, 화살표들(3071 및 3077)은 셀 팩(3000) 내로의 전자의 입구 및 출구를 나타내며, 화살표들(3072 내지 3076)은 셀 팩(300)에서 셀 스택들(3010) 내 및 셀 스택 사이의 전자 유동을 나타낸다. 특히, 화살표(3071)는 전자들이 우변 단자 배선(3068)을 통해 상기 제 6 스택(3010)의 양성 반부 전극(3064)으로 진입된다는 사실을 나타낸다.
상기 전자들은 분리기를 통해 각각의 셀 스택 내로 유동하며, 다음에 배선을 통해 이웃하는 셀 스택으로 유동한다. 예를 들어, 화살표(3072)는, 제 6 스택(3010)에서, 상기 전자들이 상기 양성 반부 전극(3064)으로부터 상기 분리기(3052)를 통해 상기 음성 반부 전극(3042)으로 유동하고, 다음에, 제 6 스택을 상기 제 5 스택에 연결하는 배선(3046)을 통해 상기 제 5 스택(3010)의 양성 반부 전극(3044)으로 유동한다는 사실을 나타낸다. 한편, 화살표(3073)는, 전자 유동은 전자들이 상기 양성 반부 전극(3044)으로부터 상기 분리기(3052)를 통해 상기 음성 반부 전극(3062)로 유동하는 제 5 스택(3010)에 이어지며, 다음에, 상기 제 5 스택을 상기 제 4 스택에 연결하는 배선(3066)을 통해 상기 제 4 스택(3010)의 양성 반부 전극(3064)으로 유동한다는 사실을 나타낸다. 화살표들(3074 및 3076)은 각각, 화살표(3072)에 의해 도시된 것과 유사한 방식으로의, 제 4 및 제 2 스택들에 있어서의 전자 유동로들을 나타낸다. 또한, 화살표(3075)는 화살표(3073)에 의해 도시된 것과 유사한 방식으로의 상기 제 3 스택에 있어서의 전자 유동로를 나타낸다. 마지막으로, 화살표(3076)는 또한 상기 제 1 스택에 있어서 상기 전자들이 양성 반부 전극(3044)으로부터 분리기(3052)를 통해 음성 반부 전극(3062)으로 유동한다는 사실을 나타낸다.
도 31은 일부 실시예들에 따른 나권형 모듈(3100)의 단면을 도시한다. 도 31에 도시된 바와 같이, 모듈(3100)은 모듈 케이스(3102), 케이스 환기구(3104), 상부 커버(3106), 양성 단자(3108), 음성 단자(3110), 양성 집전 장치(3112), 6개의 원통형 셀 스택들(3116), 음성 집전 장치(3120), 중앙 맨드릴(3122), 및 하부 커버(3124)를 포함한다. 모듈들(2900 또는 3100)은 어느 방향으로도 사용될 수 있으며, 상부 및 하부라는 용어들은 단순히 도면들을 참고하기 위해 사용된다. 각각의 셀 스택(3116)은 도 30a의 셀 스택들(3010)과 유사한 편평한 셀 스택들을 롤링함으로써 구성되는 원통형 스택이다. 각각의 셀 스택(3116)의 단면은 상술된 바와 같이 분리기들 및 음성 또는 양성 반부 전극의 교번 층들을 포함한다. 또한, 일부 실시예들에 있어서, 셀 스택(3116)의 외부 층은 분리기 층이다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 셀 전해질을 위한 저장소로서 다른 것들 가운데서 외부 분리기가 사용된다.
일부 실시예들에 있어서, 상술된 디자인들은 솔리드 스테이트 전지, 납 산 전지, 연료 셀 전지, 또는 일부 다른 유형의 전기 화학 전지들에서 사용된다. 당업자라면 본 발명의 다른 실시예들이 상술된 본 발명의 설명서 및 관행으로부터 분명해질 것이다. 예를 들면, 설명된 실시예들의 다양한 구성 요소들 및 성분들은, 희망하는 용례들에 적합하도록, 다른 실시예들의 다른 구성 요소들 및 성분들과 결합될 수 있다. 따라서, 설명서 및 실례들은 오직 예시적으로서만 고려되며, 공개의 진정한 범위와 정신은 다음의 청구항들에 의해서 지시되는 것으로 의도된다.

Claims (41)

  1. 나권형 전기 화학 저장 장치로서,
    셀 스택을 포함하는 원통형 셀 팩으로서, 상기 셀 스택은 상기 원통형 셀 스택을 형성하기 위한 편평한 구성에서 롤링되는 셀 스트립을 포함하는, 상기 셀 팩; 및
    상기 원통형 셀 팩을 수용하기 위한 원통형 케이스를 포함하는, 나권형 전기 화학 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 스택은 상기 원통형 셀 팩에 포함된 복수의 셀 스택들 중 제 1 셀 스택이고, 상기 복수의 셀 스택들은 직렬로 연결되는, 나권형 전기 화학 저장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 스택은 양성 반부 전극 스트립, 음성 반부 전극 스트립 및 분리기 반부 스트립을 포함하는 복수의 스트립들을 포함하며, 상기 복수의 반부 스트립들은 상기 셀 스택을 형성하기 위해 서로 포개지는, 나권형 전기 화학 저장 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 중앙 맨드릴(mandrel)을 추가로 포함하며, 상기 셀 스택은 상기 중앙 맨드릴 둘레에 롤링되는, 나권형 전기 화학 저장 장치.
  5. 나권형 전기 화학 저장 장치 제조 방법으로서,
    편평한 셀 스트립을 제공하는 단계와;
    상기 편평한 셀 스트립을 원통형 셀 스택 형태로 롤링하는 단계와;
    상기 원통형 셀 스택을 양성 단자 및 음성 단자에 연결하는 단계; 및
    상기 원통형 셀 스택을 원통형 케이스에 삽입하는 단계를 포함하는, 나권형 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 편평한 셀 스트립은 복수의 셀 스트립들 중 제 1 셀 스트립이고, 상기 방법은:
    복수의 셀 스택들을 형성하기 위해 상기 복수의 셀 스트립들을 편평하게 안착시키는 단계와;
    상기 복수의 셀 스택들을 직렬로 연결하는 단계; 및
    상기 원통형 셀 팩을 형성하기 위해 복수의 셀 스택들을 롤링시키는 단계를 추가로 포함하는, 나권형 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 셀 스택은 양성 반부 전극 스트립, 음성 반부 전극 스트립, 및 분리기 반부 스트립을 포함하는 복수의 스트립들을 포함하며, 상기 방법은 상기 셀 스택을 형성하기 위해 상기 복수의 반부 스트립들을 서로 포개는 단계를 포함하는, 나권형 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 중앙 맨드릴을 제공하는 단계; 및
    상기 원통형 셀 스택을 형성하기 위해 상기 편평한 셀 스트립을 상기 중앙 맨드릴 둘레로 롤링시키는 단계를 추가로 포함하는, 나권형 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  9. 전기 화학 저장 장치로서,
    탭에서 종결되는 전기 화학 셀 팩; 및
    금속 시트로 형성된 파워 버스를 포함하며,
    상기 파워 버스는 상기 탭을 상기 장치의 단자에 전기적으로 접속시키고, 상기 파워 버스는 상기 금속 시트를 상기 탭에 용접함으로써 상기 탭에 부착되는, 전기 화학 저장 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 금속 시트는 초음파 용접에 의해 상기 탭에 부착되는, 전기 화학 저장 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 금속 시트는 상부면, 전방면, 및 후면을 형성하기 위해 절곡되고, 상기 상부면은 상기 장치의 단자에 전기적으로 접속되며 상기 전방면은 탭 둘레에 용접되는, 전기 화학 저장 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 탭은 복수의 탭들 중 하나의 탭이며, 상기 파워 버스는 상기 금속 시트를 대응하는 탭에 용접함으로써 복수의 탭들 각각에 부착되는, 전기 화학 저장 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 파워 버스는 복수의 탭들 각각과 상기 장치 단자 사이에 균등한 전체 저항을 제공하기 위해 상이한 지점들에서 저항률이 변하는, 전기 화학 저장 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 파워 버스는 상이한 지점들에서 두께가 변함에 따라 상이한 지점들에서 저항률이 변하는, 전기 화학 저장 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 파워 버스는 상기 파워 버스의 일부 위치들에 구멍들을 형성함으로써 상이한 지점들에서 저항률이 변하는, 전기 화학 저장 장치.
  16. 전기 화학 저장 장치 제조 방법으로서,
    탭에서 종결되는 전기 화학 셀 팩을 제공하는 단계와;
    편평한 금속 시트를 포함하는 파워 버스 섹션을 제공하는 단계와;
    상기 편평한 금속 시트를 상기 탭에 절곡 및 용접하는 단계; 및
    상기 파워 버스를 장치 단자에 전기적으로 접속하는 단계를 포함하는, 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 편평한 금속 시트를 상기 탭에 용접하는 단계는 상기 금속 시트를 상기 탭에 초음파 용접하는 단계를 포함하는, 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 편평한 금속 시트를 절곡하는 단계는 상부면, 전방면, 및 후면을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 상부면은 상기 장치 단자에 전기적으로 접속되고 상기 전방면은 상기 탭 둘레에 용접되는, 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 탭은 복수의 탭들 중 하나의 탭이며, 상기 파워 버스는 상기 금속 시트를 대응하는 탭에 용접함으로써 상기 복수의 탭들 각각에 부착되는, 전기 화학 저장 장치 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 저항률을 변화시킴으로써 상기 복수의 탭들 각각과 상기 장치 단자 사이에 균등한 전체 저항을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 저항률을 변화시키는 단계는 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 두께를 변화시키는 단계를 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 상이한 지점들에서 상기 파워 버스의 저항률을 변화시키는 단계는 상기 파워 버스의 일부 위치들에 구멍들을 형성하는 단계를 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  23. 전기 화학 저장 장치로서,
    복수의 층 전극들로서, 각각의 층 전극은 제 1 하전 섹터 및 제 2 하전 섹터를 포함하며, 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 1 하전 섹터와 비교하여 반대로 하전되며, 상기 복수의 층 전극들은 상기 복수의 층 전극들의 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터가 상기 제 1 플레이트 바로 위에 위치되는 복수의 층 전극들의 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 아래에 위치되도록 서로에 대해 조립되며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 1 하전 섹터들의 하전은 제 1 사인(sign)을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 플레이트들의 상기 제 2 하전 섹터들의 하전들은 상기 제 1 사인과는 반대의 제 2 사인을 갖는, 상기 복수의 층 전극들; 및
    상기 제 1 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터 사이에 위치되어 그들 사이에 이온성 하전 교환을 부여하는 분리기 섹터를 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터는 상기 제 2 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 아래에 위치되며, 상기 전기 화학 장치는 상기 제 1 플레이트의 상기 제 2 하전 섹터와 상기 제 2 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 사이에 위치되는 절연체 섹터를 추가로 포함하여, 이온성 또는 전도성 하전 교환을 방지하는, 전기 화학 저장 장치.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 복수의 층 전극들 각각은 원형인, 전기 화학 저장 장치.
  26. 제 24 항에 있어서, 각각의 섹터는 대응하는 층 전극의 약 반으로 크기 설정되는 반원형을 갖는, 전기 화학 저장 장치.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 복수의 층 전극들의 각각의 플레이트는 대응하는 플레이트의 상기 제 1 하전 섹터 및 상기 제 2 하전 섹터를 수용하는 프레임을 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 복수의 층 전극들을 감싸기 위한 제 1 캡 및 제 2 캡을 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  29. 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 하전 섹터와 상기 제 2 하전 섹터 사이에 전도성 접속을 제공하기 위한 전도성 기판을 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  30. 제 23 항에 있어서, 상기 복수의 층 전극들 각각은 장방형 형상을 갖는, 전기 화학 저장 장치.
  31. 제 30 항에 있어서, 각각의 섹터는 상기 대응하는 층 전극의 약 반으로 크기 설정되는 반장방형 형상을 갖는, 전기 화학 저장 장치.
  32. 전기 화학 저장 장치로서,
    공통 케이싱 내에 배치되고 각각 애노드 및 캐소드를 포함하는 제 1 전기 화학 셀 및 제 2 전기 화학 셀로서, 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드는 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드와 대향 배치되는, 상기 제 1 전기 화학 셀 및 상기 제 2 전기 화학 셀과;
    상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드와 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드 사이에 배치된 분리기로서, 상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드 및 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드는 전기적으로 절연되며 또한 상기 분리기에 흡착된 이온 전도성 매체를 통해 소통하는, 상기 분리기; 및
    상기 제 1 전기 화학 셀의 상기 애노드 및 상기 제 2 전기 화학 셀의 상기 캐소드 상에 배치된 공통 집전 장치로서, 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들은 전기적으로 접속되며 또한 이온 전도로부터 절연되고, 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들의 이온 분리는 분로 전류(shunt current)를 완화시키는, 상기 공통 집전 장치를 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 집전 장치는 균일한 전류 밀도를 허용하는 대체로 균일한 집전을 제공하는, 전기 화학 저장 장치.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에서 상기 공통 집전 장치의 일부 상에 배치된 소수성 코팅부를 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전기 화학 셀들을 이온적으로 절연시키도록 구성된 물리적 격막을 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  36. 제 32 항에 있어서, 하나의 양성 단자 연결부와 하나의 음성 단자 연결부를 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  37. 제 32 항에 있어서, 대체로 동일 평면에 2개 이상의 전기 화학 셀들의 애노드들 및 캐소드들을 배치시키기 위한 절연 프레임을 추가로 포함하는, 전기 화학 저장 장치.
  38. 제 29 항에 있어서, 상기 전도성 기판은 비결정성 재료로 제조되는, 전기 화학 저장 장치.
  39. 제 29 항에 있어서, 상기 전도성 기판은 상기 제 1 섹터로부터 상기 제 2 섹터로의 지시 방향으로 연장하는 세장형 직선 와이어들을 포함하는 와이어 메시인, 전기 화학 저장 장치.
  40. 제 30 항에 있어서, 상기 복수의 장방형 층 전극들 각각은 상기 제 1 섹터로부터 상기 제 2 섹터로 지시되는 방향으로의 폭과 상기 폭보다 크며 상기 폭과 수직을 이루는 길이를 갖는, 전기 화학 저장 장치.
  41. 제 23 항에 있어서, 내부 섹션, 베이스 및 인서트를 추가로 포함하며, 상기 내부 섹션은 상기 복수의 층 전극들 및 상기 분리기를 포함하며, 상기 베이스는 상기 전기 화학 장치의 외부면을 형성하도록 구성되며, 상기 인서트는 상기 베이스와 상기 내부 섹션 사이로 삽입하기 위해 구성되며 또한 추가로 상기 베이스의 강도를 높이도록 구성되는, 전기 화학 저장 장치.
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