KR20160018707A - 니켈-철 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 누설 방지 인터셀 연결 구조를 갖는 셀들로 구성된 모노 블럭 하우징을 사용하는 니켈-철 전지에 관한 것이다. 인터셀 연결 구조는 압축 그로밋의 사용에 의해 셀들간의 유체 이동을 방지하도록 구성됨으로써 구현된다. 각 셀은 접속 가능한 전하를 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 생성한다. 본 발명에 따른 전지 셀의 전극 플레이트에 대한 제조 공정은 고효율, 고수율을 내면서도 현저히 낮은 제조 비용을 발생시킨다. 셀들의 애노드 조성물은 캐소드의 활용도를 높이기 위해 철분을 포함함으로써, 캐소드의 재료 사용량을 감소시키는 한편 제조 비용을 경감할 수 있도록 구성된다.

Description

니켈-철 전지{NICKEL IRON BATTERY}
관련상호참조
본 발명은 2013년 6월 20일자로 출원된 미국특허 가출원번호 61/837209 및 2014년 6월 18일자로 출원된 미국특허 일반출원번호 14/308441의 이점을 우선권으로 주장하며, 상기 두개의 발명에 대한 내용은 본원에 그 전체가 참조로 인용된다.
본 발명은 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 니켈-철 모노 블럭 전지(Nickel Iron mono-block battery)에 대해 설명한다.
본 섹션의 설명은 단지 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공하기 위한 것으로, 이러한 설명에 의해 종래 기술을 인정하는 것으로는 의도되지 않는다.
니켈-철 전지는 견고하고 내구성이 높으며 안전하기 때문에, 대규모의 에너지 용량이 필요한 곳에 적합하다. 이들은 다른 전지에 비해 매우 긴 수명을 갖는 것으로 알려져 있다. 니켈-철 전지는 다른 화학 배터리과 비교하여, 심방전(deep discharge) 및 과충전의 특성을 가진 고전압 다중셀(multiple cell)의 사용시 발생하는 전기적 충격(electrical abuse)에 대해 탁월한 내성을 갖는 특성때문에, 신재생 에너지용 주요 백업 전원 및 지게차/기관차 등의 추진을 위한 견인력 발생용 전원 등과 같은 순환 적용분야에서 많이 사용된다.
본 발명은 목적은 플레이트 제조 공정이 단순하고 낮은 제조 비용을 갖는 종래의 제조적 한계를 극복할 수 있는 니켈-철 전지를 제공하는 것이다.
일실시예에서, 본 발명에 따른 니켈-철 전지는 하우징 및 상기 하우징 내에 배치되는 전해질을 포함하며, 하우징은 하우징을 하나 이상의 셀들로 분할하는 파티션을 포함하고, 셀(들)은 인터셀(intercell) 연결 구조에 의해 연결되는데, 또한 각각의 셀은 다수의 양극 플레이트; 다수의 음극 플레이트; 세퍼레이터; 및 다수의 밴드;를 포함하도록 구성되며, 각각의 양극 플레이트는 다수의 양극 펠릿(positive electrode pellet)을 둘러싸는 멀티 캐비티 집전기(multi-cavity current collector) 및 양극 집전 탭(positive current collector tab)으로 구성되고, 각각의 음극 플레이트는 다수의 음극 펠릿을 둘러싸는 멀티 캐비티 집전기 및 음극 집전 탭으로 구성되며, 세퍼레이터는 양극 플레이트들과 음극 플레이트들 사이에 개재되고, 밴드들은 셀을 통합 어셈블리 형태로 고정하도록 구성된다.
하우징은 상기 언급된 다른 전지용 구성요소들을 포함할 수도 있다. 하우징의 구성 재료는 플라스틱, 플라스틱 코팅 금속 또는 알칼리 전해질과 호환가능한 임의의 다른 재료일 수 있다.
인터셀 연결부의 구성 재료는 스틸, 니켈, 니켈 도금 강판 등과 같은 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 인터셀 연결부에 대한 고정 방법으로는 금속 압착, 리벳, 너트 및 볼트, 용접 등이 사용될 수 있다.
양극 플레이트의 구성 재료는 니켈 도금 강판 등을 포함할 수 있다. 이들은 하나 이상의 펠릿(pellet)을 포함할 수 있다.
멀티 캐비티 집전기의 구성 재료는 스틸, 니켈, 니켈 도금 강판 등과 같은 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다.
양극 펠릿의 구성 재료는 수산화 니켈, 망간 산화물 등을 포함할 수 있다.
양극 집전기의 구성 재료는 니켈, 니켈 도금 강판 등을 포함할 수 있다.
음극 펠릿의 구성 재료는 산화철 등을 포함할 수 있다.
음극 집전기의 구성 재료는 니켈, 니켈 도금 강판 등을 포함할 수 있다.
세퍼레이터의 구성 재료는 직포 또는 부직포 나일론, 폴리프로필렌 또는 알칼리 전해질과 호환가능한 임의의 다른 재료를 포함할 수 있다.
밴드의 구성 재료는 폴리프로필렌 플라스틱 등을 포함할 수 있다.
전해질은 수산화 칼륨, 수산화 나트륨, 수산화 리튬 등을 포함하는 용액 일 수 있다.
본 발명의 범위는 청구항들에 의해 정의되며, 본 섹션에는 참조로 통합되어 있다. 이하에 기술되는 하나 이상의 실시예들에 대한 상세한 설명에 의해, 당업자들은 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있을 뿐만 아니라 추가의 이점들을 구현할 수 있다.
본 발명에 따라 플레이트 제조 공정이 단순하고 낮은 제조 비용을 갖는 종래의 제조적 한계를 극복할 수 있는 니켈-철 전지가 제공된다.
상기 언급된 본 발명의 주요 특징들은 본 발명의 방법 및 시스템을 도시하는 첨부된 도면들을 참조하여 명확히 이해될 수 있으며, 이러한 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내고 있는 것으로, 본 발명의 예상 가능한 다른 실시예들과 관련한 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않도록 이해되어야 한다.
도 1은 인터셀 연결 구조를 갖는 모노 블럭 니켈-철 전지의 하우징 디자인에 대한 단면도이다.
도 2a는 압착식 인터셀 연결부에 대한 단면도를 도시한다.
도 2b는 압착식 인터셀 연결부에 대한 확대 단면도를 도시한다.
도 2c는 압착식 인터셀 연결부에 대한 분해 단면도를 도시한다.
도 3은 천공 및 비천공 영역으로 구성된 전극 플레이트를 도시한다.
도 4a는 전극 플레이트에 대한 확대 단면도를 도시한다.
도 4b는 전극 플레이트에 대한 측단면도를 도시한다.
도 4c는 전극 플레이트에 대한 정면도를 도시한다.
도 5a는 단면 루버(louver)를 갖는 천공 강판에 대한 단면도를 도시한다.
도 5b는 단면 루버를 갖는 천공 강판에 대한 사시도를 도시한다.
도 5c는 양면 루버를 갖는 천공 강판에 대한 단면도를 도시한다.
도 5d는 양면 루버를 갖는 천공 강판에 대한 사시도를 도시한다.
도 6은 셀 스택(cell stack)에 대한 사시도를 도시한다.
도 7a는 셀 스택에 대한 단면도를 도시한다.
도 7b는 Z자 폴드형 세퍼레이터에 대한 단면도를 도시한다.
도 8은 대안적인 실시예의 셀 스택을 도시한다.
도 9a는 대안적인 실시예의 셀 스택에 대한 단면도를 도시한다.
도 9b는 대안적인 실시예의 Z자 폴드형 세퍼레이터에 대한 단면도를 도시한다.
도 10a는 철분의 프리차지(pre-charge)가 없는 경우의 애노드에 대한 성능 분포도를 도시한다.
도 10b는 철분의 프리차지가 있는 경우의 애노드에 대한 성능 분포도를 도시한다.
도 11은 철분이 첨가된 경우와 첨가되지 않은 경우에 대한 니켈-철 전지의 셀의 성능을 비교하여 도시한다.
다음에 기술되는 본 발명의 상세한 설명은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명 또는 응용 및 본 발명의 사용을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한 전술한 본 발명의 배경기술 또는 다음에 기술되는 상세한 설명에 제시된 어떠한 이론에 의해 한정되도록 의도되지 않는다.
니켈-철 전지는 다른 전지 기술들에 비해 많은 성능적 이점에도 불구하고, 매우 복잡한 플레이트 제조 공정으로 인해 매우 높은 제조 비용이 발생한다.
본 발명에 따른 니켈-철 전지는 상술한 제조적 한계를 극복하는 한편, 추가의 이점들을 창출 가능하도록 독창적이고 평범하지 않도록 구성된다. 본원에 개시된 니켈-철 전지는 다음과 같은 세개의 뚜렷한 영역에서 종래 기술과 차별점을 갖는다. 첫째는, 누수 방지 인터셀 연결 구조를 갖는 고전압 니켈-철 모노 블럭 디자인에 의한 것이고, 둘째는, 고효율, 고수율을 가지면서도 현저하게 낮는 제조비용을 갖는 전극 플레이트에 대한 디자인 접근 및 제조 공정에 의한 것이며, 세째는, 캐소드의 사용 증대를 위해 철분을 애노드 조성물에 포함시킴으로써 캐소드 재료 사용을 낮춰 제조 비용을 절감하는 것에 의한 것이다.
본 발명에 따른 니켈-철 전지는 캐소드; 애노드; 세퍼레이터; 전해질; 및 하우징;을 포함한다.
본 발명에 따른 니켈-철 전지는 도 1에 도시된 바와 같이 인터셀 연결 구조를 갖는 모노 블럭 하우징 디자인을 제공한다. 모노 블럭 디자인은 전지 내에 누설 방지 인터셀 연결 구조를 포함하도록 구성된다.
모노 블럭 디자인에서 전지의 전압은 1V 내지 6V, 12V, 48V 또는 전원 요구사항에 필요한 만큼 더 높게 설정 가능하다. 아래의 표 1에 도시된 바와 같이, 모노 블럭 디자인을 갖는 니켈-철 전지의 장점은 높은 에너지 밀도를 가지면서도 재료 사용량이 적어, 낮은 제조 비용을 갖는 것이다.
종래 기술의
12V 150Ah 니켈-철 전지 		본 발명의
12V 150Ah 니켈-철 전지
전지의 전압(V) 12 V 12 V
전지의 커패시티(Ah) 150 Ah 150 Ah
전지의 길이(cm) 53 cm 19.2 cm
전지의 너비(cm) 83 cm 23 cm
전지의 높이(cm) 34.5 cm 36 cm
전지의 무게(kg) 90 kg 34 kg
전지의 용량 150 Liter 16 Liter
무게당 에너지 밀도(Wh/kg) 20 Wh/kg 53 Wh/kg
부피당 에너지 밀도(Wh/L) 12 Wh/L 112 Wh/L
예상 비용 400 US$/kWh 이상 100 US$/kWh 이하
모노 블럭 니켈-철 전지의 신뢰성을 위해서는 누설 방지 인터셀 연결 구조를 필요로 하는데, 알칼리성 전해질은 전도성 금속 표면을 따라 크리이프(creep)하는 경향이 있기 때문이다. 도 2a, 2b 및 2c에, 본 발명에 따른 누설 방지 인터셀 연결부에 대한 세부 내용이 개시되어 있다.
본 발명은 모노 블럭 내의 셀들 간 누설을 영구적으로 방지 가능한 저비용의 연결 구조를 제공하며, 이는 양극 탭과 음극 탭 사이에 배치되는 플라스틱 그로밋(plastic grommet)의 압축을 통해 달성되는데, 그로밋으로 하여금 파티션 내 홀들의 체적에 부합되도록 구성된다. 파티션의 홀 내에 그로밋 재료가 삽입 및 압축됨으로써, 액체 전해질의 통로를 영구적으로 밀봉 가능한 정수압(hydrostatic pressure)을 그로밋 내에 제공하도록 구성된다(즉, 파티션 홀을 통해 액체의 반입을 허용하지 않음). 이러한 디자인에 의해 또한, 장기간의 플라스틱 크리이프를 허용하지 않는 그로밋의 완전한 밀봉에 기인하는 장기간의 누설 방지 연결 구조를 제공할 수 있는데, 장기간의 크리이프는 그로밋 상의 정수압 감소 및 그로밋과 양극 탭 돌출부 및/또는 파티션 간의 밀봉 손실을 유발할 수 있다.
양극 탭은 구상(球狀)의 방사 영역(radial portion)으로 둘러싸인 원통형 부분을 갖는 성형 돌출부를 포함한다. 압착시, 구상 영역이 평탄화됨으로써, 리벳 헤드와 유사한 "헤드'를 제공한다. "헤드"는 애노드 탭 상에 압축된 상태로 어셈블리를 고정하는 서포트(support)를 제공한다. 본 실시예에서 양극 탭의 재료는 니켈 도금 냉간 압연 강판이다. 사용 가능한 대체 재료로는 스테인리스 스틸, 니켈 또는 특정 화학 물질과 호환 가능한 임의의 다른 물질을 포함한다.
본 실시예에서 그로밋은 플랜지를 포함하고 있으나 플랜지 없이도 구성 가능하며 동일한 밀봉 특성을 제공할 수 있다. 본 실시예에서 그로밋의 재료는 PTFE이다. 대안적인 재료로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드 또는 본 발명의 적용분야에 적합한 다른 폴리머 제품을 포함할 수 있다.
음극 탭은 양극 탭 성형 돌출부를 수용 가능한 크기를 가진 홀을 포함하며, 양극 탭 성형 돌출부의 "헤드"를 보유하도록 구성된다. 본 실시예에서 음극 탭은 구상의 방사 영역으로 둘러싸인 원통형 부분을 갖는다. 이러한 구조는 조립 공정에서 사용되며, 음극 탭의 배향을 돕도록 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서는 이러한 구조를 제거하거나 또는 구조 형태를 변경할 수 있다.
본 발명은 양극 및 음극 탭들을 자체적으로 사용함으로써 영구적으로 누설을 방지할 수 있는 밀봉된 인터셀 연결 구조를 제공한다. 추가의 밀봉 부재가 필요하지 않으며, 조립이 단순하고 가장 낮은 제조 비용을 제공한다.
종래의 니켈-철 포켓 플레이트 전지(nickel iron pocket plate battery)에 대한 디자인은 전극 플레이트의 복잡한 제조 공정으로 인해 매우 높은 제조 비용이 수반된다. 종래의 포켓 플레이트의 제조 공정을 보면, 스틸 스트립들을 개별로 형성한 후, 펀칭 또는 천공을 거쳐 전극 플레이트 내로 서로 링크되도록 구성되는데, 이러한 플레이트의 제조 공정은 매우 복잡하고 비용이 많이 든다.
이와는 대조적으로 본 발명에 따른 니켈-철 전지는, 전극 플레이트를 단일 구성요소로 구성된 특정한 형상 및 크기의 전극 포켓을 갖도록 형성함으로써, 고효율 및 고수율의 플레이트 제조 공정을 제공할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 전지는 전극 플레이트의 크기에 부합되는 강판을 사용한다. 천공 및 포켓 작업은 유압 또는 기계적 프레스에 의해 다수의 강판에 수행될 수 있다. 특정한 형상 및 크기를 갖는 강판 형성 및 천공 작업은 동시에 수행될 수도 있다. 대안적으로, 기 천공된 강판을 사용하여서도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 기 천공된 강판(들)은 익스팬디드 메탈 시어 프레스(expanded metal sheer press) 또는 로타리 포밍 다이(rotary forming die)로 제조되는 익스팬디드 메탈을 포함할 수 있다. 도 3에서는 전극 포켓들(402)로 구성된 천공 섹션들(301) 사이에 비천공 섹션(302)을 갖도록 구성되어 있으나, 대안적인 실시예에서는 비천공 섹션이 없이 천공 패턴이 연속적으로 형성된 구조를 갖도록 구성될 수도 있다.
전극 플레이트는 다수의 전극 펠릿들 및 천공 강판(집전기로 사용)으로 구성된다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같은 다수의 전극 포켓들(402) 및 전극 펠릿들(404)로 구성된 두(2)개의 개별 천공 강판 부재에 의해, 고효율, 고수율 및 저비용을 갖는 효과적인 어셈블리로 구성된 탄탄한 플레이트 제조 공정이 제공된다. 이러한 구조의 결합은 클린칭(clinching), 저항 용접 등을 포함하는 다수의 제조 방법에 의해 구현될 수 있다. 측면 레일들(405) 및 집전 탭(403)이 마지막 단계로 추가된다. 본 실시예에서 접전기들(401), 측면 레일들(405) 및 집전 탭(403)은 저항 용접에 의해 서로 결합된다. 다른 실시예에서, 이러한 결합은 기계적 클린칭 공정에 의해 구현될 수도 있다.
양극 및 음극 플레이트의 조립은 전극 펠릿의 화학적 구성 및 집전기 재료의 천공 구성을 제외하고는 둘다 유사하다. 도 4a, 도 4b 및 도4c에 도시된 실시예에서, 다수의 전극 펠릿들(404)은 집전기(401) 내에 형성된 전극 포켓들(402)에 배치된다.
일실시예에서, 캐소드 플레이트 집전기용 천공 개구의 크기는 0.30 내지 0.50 mm의 폭 및 40 내지 60 미크론의 높이를 가지나, 이러한 크기는 0.10 내지 4.00 mm의 폭 및 20 내지 200 미크론의 높이까지 허용 가능하다.
일실시예에서, 캐소드 펠릿의 주 표면적으로 나눈 캐비티면 당 개구의 총 포함 면적으로 정의되는 개방 면적율은 5 내지 7% 사이이나, 2 내지 20% 사이까지 허용 가능하다.
일실시예에서, 애노드 플레이트 집전기용 천공 개구의 크기는 1.00 내지 2.00 mm의 폭 및 120 내지 150 미크론의 높이를 가지나, 이러한 크기는 0.10 내지 4.00 mm의 폭 및 20 내지 200 미크론의 높이까지 허용 가능하다.
일실시예에서, 애노드 펠릿의 주 표면적으로 나눈 캐비티면 당 개구의 총 포함 면적으로 정의되는 개방 면적율은 5 내지 7% 사이이나, 2 내지 20% 사이까지 허용 가능하다.
셀 스택(600)은 다수의 전극 플레이트들(602), 세퍼레이터(601), 전도성 탭들(604) 및 압축성 밴드들(603)으로 구성된다. 본 실시예에서, 양극 플레이트들(606)과 음극 플레이트들(605)의 사이에는 직조 재료의 세퍼레이터(601)가 배치된다. 도 6, 7a 및 7b에 도시된 실시예에서, 세퍼레이터의 재료는 부직 스펀 본드 나일론 재료(non-woven spun-bonded nylon material)로 제조되나, 대안적인 실시예에서는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 특정 화학 물질과 호환 가능한 임의의 다른 재료가 사용될 수도 있다.
도 8, 9a 및 9b에 도시된 대안적인 실시예의 셀 스택에서는, 세퍼레이터 물질의 사용 없이 폴리머 프레임(polymer frame, 803)의 사용에 의해, 전극 플레이트들(602) 사이에 필요한 절연을 제공하면서도 전해액이 전극 플레이트들(602) 사이의 빈 공간에 배치되도록 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서의 재료는 폴리프로필렌이지만, 폴리아미드, 폴리에틸렌 및 특정 화학 물질과 호환 가능한 임의의 다른 재료와 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다. 또한, 다수의 밴드들(603)을 사용하여 셀 스택(800)을 압축함으로써 셀 스택(800)을 고정하도록 구성 가능한데, 이는 효과적인 전기 전도성 및 이온 전도도를 위해 필요하다. 대안적인 실시예의 셀 스택(800)에서, 밴드들(603)은 플로프로필렌으로 제조되나, 고무, 폴리에틸렌 및 특정 화학 물질과 호환 가능한 임의의 다른 재료가 사용될 수도 있다.
일실시예에서, 셀 스택은 7개의 음극 플레이트들 및 6개의 양극 플레이트들로 구성된 총 13개의 전극 플레이트들을 포함한다. 전극 플레이트들의 총 수량은 셀의 의도된 시간당 암페어 용량에 따라 달라진다. 대안적인 실시예에서 전극 플레이트들의 수량은 셀의 필요한 용량에 따라 달라진다.
철 애노드의 방전 효율은 니켈 캐소드의 방전 효율만큼 좋지는 않다. 산화철 애노드의 유도 전류 사용 효율은 이론적 수치의 약 30%에 그치는 반면, 수산화 니켈 캐소드의 사용 효율은 약 100%이다. 산화철 애노드에 의해 전지의 방전 용량이 제한되기 때문에, 첫 사이클의 형성 동안 고가의 수산화 니켈 캐소드가 심각하게 낭비된다. 도 10은 철분(iron powder)이 추가된 경우와 추가되지 않은 경우에 대한 캐소드 방전 효율을 도시한다. 셀의 가역 용량(cell reversible capacity)은 철분이 추가된 때가 더 높다.
산화철 애노드에 사용되는 철분의 바람직한 양은 5% 내지 35% 사이이며, 더욱 바람직하게는 10% 내지 20% 사이이다. 철분을 포함하는 바람직한 실시예의 산화철 애노드는 다음과 같이 구성될 수 있다;
- 마그네타이트 산화철 분말 50% ~ 87.5%
- 유황 0.5% ~ 1%
- 흑연 컨덕터 5% ~ 10%
- 바인더 2% ~ 4%
- 철분 5% ~ 35%
철분은 전기 화학적으로 활성이므로, 따라서 산화철 애노드의 효율 손실을 만회할 수 있는 방전 용량을 제공함으로써, 캐소드의 용량을 최대한 이용할 수 있다. 양호한 방전 효율을 위한 철분의 바람직한 입자 크기는 0.5 내지 5 미크론이며, 더욱 바람직하게는 1 내지 2 미크론 사이이다. 이러한 구성에 의해 수산화 니켈을 사용하지 않도록 함으로써, 전지의 에너지 비용을 낮출 수 있다. 도 11은 철분이 추가된 경우와 추가되지 않은 경우에 대한 전지 성능을 도시한다. 본 발명의 철분은 분무(atomized) 철분, 카본 철분, 및 용액 상태로부터의 철 화합물을 분산된 카본 분말 등으로 감소시켜 합성한 철분-카본 복합체를 포함할 수 있다. 이러한 유형의 철분은 매우 높은 순도로 제조되어, 충전 중 낮은 가스를 발생시킴으로써 보다 높은 효율이 구현되도록 할 수 있다.
도 1은 인터셀 연결 구조를 갖는 모노 블럭 니켈-철 전지의 하우징 디자인에 대한 단면도이다. 셀 스택들(101), 전지 용기(102), 전지 덮개(103), 벤트 캡들(104), 전지 단자(105) 및 인터셀 연결 구조(106)가 도시되어 있다. 인터셀 연결 구조(106)에 의해 셀 스택들(101) 간의 유체 유동을 방지하도록 구성된다.
도 2a는 압착식 인터셀 연결부(200)에 대한 단면도를 도시한다. 파티션(201), 음극 탭(202), 그로밋(203), 양극 탭(204) 및 압착 돌출부(205)가 도시되어 있다. 그로밋(203)의 압착에 의해 압착식 인터셀 연결부(200)를 통한 유체 유동의 발생이 없도록 구성된다.
도 2b는 압착식 인터셀 연결부(200)에 대한 확대 단면도를 도시한다. 파티션(201), 음극 탭(202), 그로밋(203), 양극 탭(204) 및 압착 돌출부(205)가 도시되어 있다. 그로밋(203)의 압착에 의해 압착식 인터셀 연결부(200)를 통한 유체 유동의 발생이 없도록 구성된다.
도 2c는 압착식 인터셀 연결부(200)에 대한 분해 단면도를 도시한다. 파티션(201), 음극 탭(202), 그로밋(203) 및 양극 탭(204)이 도시되어 있다.
도 3은 천공 영역(301) 및 비천공 영역(302)으로 구성된 전극 플레이트를 도시한다. 전극 포켓들(402)은 천공 영역(301) 내에 배치된다.
도 4a는 전극 플레이트에 대한 확대 단면도를 도시한다. 집전기들(401), 전극 포켓들(402), 집전 탭(403), 전극 펠릿(404)들 및 측면 레일들(405)이 도시되어 있다.
도 4b는 전극 플레이트에 대한 측단면도를 도시한다. 집전기들(401), 집전 탭(403), 전극 펠릿(404)들 및 측면 레일들(405)이 도시되어 있다.
도 4c는 전극 플레이트에 대한 정면도를 도시한다. 전극 플레이트에 대한 결합 위치가 406으로 표기되어 있다. 전극 플레이트들은 서로 대향 배치됨으로써 포켓들(402)이 결합 위치들(406) 사이에 형성되도록 구성된다. 포켓들은 전극 펠릿들(404)을 고정 보유하는 기능을 한다.
도 5a는 단면 루버(louver)를 갖는 천공 강판에 대한 단면도를 도시한다. 단면 루버(501)는 단일 개구를 갖는 반원추 형상으로 구성될 수 있다.
도 5b는 단면 루버를 갖는 천공 강판에 대한 사시도를 도시한다. 단면 루버(501)는 단일 개구를 갖는 반원추 형상으로 구성될 수 있다.
도 5c는 양면 루버를 갖는 천공 강판에 대한 단면도를 도시한다. 양면 루버(502)는 두개의 개구를 갖는 사다리꼴 형상으로 구성될 수 있다.
도 5d는 양면 루버를 갖는 천공 강판에 대한 사시도를 도시한다. 양면 루버(502)는 두개의 개구를 갖는 사다리꼴 형상으로 구성될 수 있다.
도 6은 셀 스택(600)에 대한 사시도를 도시한다. 세퍼레이터(601), 전극 플레이트들(602), 밴드들(603) 및 전도성 탭들(604)이 도시되어 있다.
도 7a는 셀 스택에 대한 단면도를 도시한다. 세퍼레이터(601), 음극 플레이트들(605), 양극 플레이트들(606) 및 밴드들(603)이 도시되어 있다.
도 7b는 Z자 폴드형 세퍼레이터에 대한 단면도를 도시한다. 음극 플레이트들(605), 양극 플레이트들(606) 및 Z자 폴드형 세퍼레이터(701)가 도시되어 있다.
도 8은 대안적인 실시예의 셀 스택(800)을 도시한다. 폴리머 프레임(803), 전극 플레이트들(602), 밴드들(603) 및 전도성 탭들(604)이 도시되어 있다.
도 9a는 대안적인 실시예의 셀 스택에 대한 단면도를 도시한다. 폴리머 프레임(803), 음극 플레이트들(605), 양극 플레이트들(606) 및 밴드들(603)이 도시되어 있다.
도 9b는 대안적인 실시예의 Z자 폴드형 세퍼레이터에 대한 단면도를 도시한다. 음극 플레이트들(605), 양극 플레이트들(606) 및 폴리머 프레임(803)이 도시되어 있다.
도 10a는 철분의 프리차지(pre-charge)가 없는 경우의 애노드에 대한 성능 분포도를 도시한다.
도 10b는 철분의 프리차지가 있는 경우의 애노드에 대한 성능 분포도를 도시한다.
도 11은 철분이 첨가된 경우와 첨가되지 않은 경우에 대한 니켈-철 전지의 셀의 성능을 비교하여 도시한다.
종래 기술에서 언급된 모든 특허 및 간행물들은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 익히 알 수 있는 수준으로 되어 있다. 모든 특허 및 간행물들은, 각각의 개별 간행물이 특별히 및 개별적으로 참조로 인용되는 것으로 언급되지 않더라도, 본 개시와 충돌하지 않는 범위 내에서 본원에 참조로 인용된다.
본 발명은 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위가 개시된 또는 도시된 실시예들로 한정되지 않으며, 반대로 다수의 다른 변형, 대체, 변화 및 확장 등가물을 포함하는 것으로 의도된다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 하우징 및 상기 하우징 내에 배치되는 전해질을 포함하는 니켈-철 전지에 있어서,
    하우징은 하우징을 하나 이상의 셀들로 분할하는 파티션을 포함하고, 셀(들)은 인터셀(intercell) 연결 구조에 의해 연결되는데,
    각각의 셀은 다수의 양극 플레이트; 다수의 음극 플레이트; 세퍼레이터; 및 다수의 밴드;를 포함하도록 구성되며,
    각각의 양극 플레이트는 다수의 양극 펠릿(positive electrode pellet)을 둘러싸는 멀티 캐비티 집전기(multi-cavity current collector) 및 양극 집전 탭(positive current collector tab)으로 구성되고,
    각각의 음극 플레이트는 다수의 음극 펠릿을 둘러싸는 멀티 캐비티 집전기 및 음극 집전 탭으로 구성되며,
    세퍼레이터는 양극 플레이트들과 음극 플레이트들 사이에 개재되고,
    밴드들은 셀을 통합 어셈블리 형태로 고정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    음극 펠릿들은 5 내지 50% 사이의 중량 비율을 갖는 철분(iron powder)으로 구성된 산화철 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    음극 펠릿들은 10 내지 20% 사이의 중량 비율을 갖는 철분으로 구성된 산화철 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전지는 양극 확장 탭 및 음극 확장 탭을 포함하며, 양극 확장 탭은 양극 집전 탭에 연결되고 음극 확장 탭은 음극 집전 탭에 연결되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    압축 플라스틱 그로밋(grommet)을 사용함으로써, 확장 탭들과 인접 셀들 사이에 배치된 파티션 간의 밀봉을 위한 인터셀 연결 구조를 구현하는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  6. 제 4항에 있어서,
    양극 확장 탭은 구상(球狀)의 방사 영역(radial portion)으로 둘러싸인 원통형 부분을 갖는 소정의 돌출부를 포함하고, 원통형 부분의 외경은 2 내지 30mm이며, 원통형 부분의 길이는 파티션 두께의 100 내지 300%로 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    양극 확장 탭 돌출부를 성형 헤드 내에 형성함으로써 압축 그로밋의 밀봉을 구현하고, 헤드의 직경은 원통형 부분 외경의 105 내지 200%로 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    각각의 양극 플레이트 집전기는 단면 루버(single-sided louver)의 형태를 갖는 천공(perforation)을 포함하고, 천공의 크기는 20 내지 200 미크론 사이의 높이 및 0.1 내지 4.0mm 사이의 너비로 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    각각의 양극 플레이트 집전기는 양면 루버(double-sided louver)의 형태를 갖는 천공을 포함하고, 천공의 크기는 20 내지 200 미크론 사이의 높이 및 0.1 내지 4.0mm 사이의 너비로 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    각각의 양극 플레이트 집전기는 2 내지 20% 사이의 개방 면적을 갖는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    각각의 양극 플레이트 집전기는 비천공 영역을 갖는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    각각의 양극 플레이트 집전기는 연속 천공 영역을 갖는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  13. 제 1항에 있어서,
    각각의 음극 플레이트 집전기는 단면 루버의 형태를 갖는 천공을 포함하고, 천공의 크기는 20 내지 200 미크론 사이의 높이 및 0.1 내지 4.0mm 사이의 너비로 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  14. 제 1항에 있어서,
    각각의 음극 플레이트 집전기는 양면 루버의 형태를 갖는 천공을 포함하고, 천공의 크기는 20 내지 200 미크론 사이의 높이 및 0.1 내지 4.0mm 사이의 너비로 구성되는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  15. 제 1항에 있어서,
    각각의 음극 플레이트 집전기는 2 내지 20% 사이의 개방 면적을 갖는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  16. 제 1항에 있어서,
    각각의 음극 플레이트 집전기는 비천공 영역을 갖는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
  17. 제 1항에 있어서,
    각각의 음극 플레이트 집전기는 연속 천공 영역을 갖는 것을 특징으로 하는
    니켈-철 전지.
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