KR20170031222A - 가요성 마이크로-배터리 - Google Patents

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로렌스 에드워드 웨인스테인
진-프란코이스 어드버트
레오날드 파글리아로
테일러 수
조나단 호워쓰
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존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
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Abstract

가요성 패키지를 사용하는 생체적합성 마이크로-배터리.

Description

가요성 마이크로-배터리{FLEXIBLE MICRO-BATTERY}
본 발명은 대체적으로 전기화학 배터리에 관한 것으로, 더 상세하게는 생체적합성 마이크로-전기화학 전지에 관한 것이다.
개발된 다수의 마이크로-배터리 중에서, 일부는 작동을 위한 전원이 필요한 의료용 또는 다른 디바이스와 함께 이식되거나 또는 그렇지 않으면 그와 결합되도록 설계되어 있다. 이러한 사양을 위하여, 마이크로-배터리는 그의 비교적 작은 치수에 의해 한정된다. 구체적으로, (배터리의 길이, 폭 또는 두께인) 적어도 하나의 치수는 1 밀리미터(1.0 mm) 미만이어야 하며, 제2 치수는 1 센티미터(1.0 cm) 미만이어야 하는 반면, 마이크로-배터리의 부피는 0.003 cc 또는 3/1000 세제곱센티미터 미만이어야 한다.
안과 의료용 디바이스에 사용되는 마이크로-배터리는 기계적 강인성, 가요성 정도, 및 생체적합성에 대한 필요와 같은 특유하고 어려운 요건을 가질 수 있다. 마이크로-배터리를 사용하는 콘택트 렌즈는, 긴 유통 기한을 갖고 어느 정도의 가요성을 갖고 조작된 후 무결성(integrity) 및 조작성을 유지함으로써 렌즈의 품질을 갖추도록 그리고 렌즈 제조에서 시작하여 렌즈의 사용 수명에 걸친 기간 동안 생체적합성이도록 하는 배터리를 필요로 한다. 이러한 기간은 직접 또는 중간 층을 통하여 렌즈 내의 식염수 용액에 마이크로-배터리를 노출시키고, 마이크로-배터리는 그의 용량 및 렌즈에 필요한 전력을 제공하는 능력을 유지할 뿐만 아니라 배터리 구성요소의 침출을 방지하도록 적절히 밀봉되어야 한다. 마이크로-배터리의 치수는 마이크로-배터리의 표면적 대 부피 비가 매우 높을 수 있기 때문에 배터리 구성요소들의 절연을 특히 어렵게 한다.
마이크로-배터리는, 마이크로-배터리를 포함하는 렌즈가 식염수 패킹 용액으로 충전된 밀봉된 패키지 내측에 보관된 채로, 수년 동안 접안 렌즈 내에 보관될 수 있다. 이러한 보관 환경은 접안 렌즈가 침지되어 있는 멸균 식염수 용액에 보관되는 것과 유사하다. 생체내(또는 생체내 유사) 조건에서 접안 렌즈 또는 다른 디바이스의 이러한 저장 조건 및 환경은 마이크로-배터리가 패키징을 통한 마이크로-배터리의 내부로의 물 유입으로 인한 고장 및 팽창으로의 이어짐 없이 주어진 환경을 용인하도록 설계될 것을 요구한다. 마이크로-배터리 패키징은 그가 어느 정도의 침투성을 갖는다는 점에서 침투성 멤브레인으로 간주될 수 있다. 그러므로, 물이 마이크로-배터리 내부로 이동하는 원인이 될 수 있는 삼투압 차이가 생성될 수 있다. 종종, 종래의 배터리 전해질은 비수성이고 수분 오염을 용인하지 않거나, 고도로 농축된 산성 용액(예를 들어, 염화아연) 또는 수산화칼륨과 같은 염기성 용액이다. 전해질과 패킹 용액 사이의 삼투압 차이를 감소시키기 위하여 낮은 염 농도를 갖는 전해질의 사용이 가능하다. 그러나, 그러한 희석된 전해질은 역사적으로 강인한 성능을 갖는 배터리에 사용되지 못했다.
생체적합성 및 삼투압과 관련된 다른 문제가 전해질의 pH이다. 전형적으로, 수성 배터리 전해질은 생체적합성이 아니다. 전형적인 알칼리 배터리에서, 수산화칼륨 전해질은 강 알칼리성이어서 이온 전도성을 증가시키고, 탄소 아연 전지 또는 르클랑셰(LeClanche) 전지에서는 전해질의 산성 pH가 아연 표면 상의 수소 가스 생성에 크게 영향을 줄 수 있다. 강 산성 또는 염기성 전해질은 생체적합성이 아니며 수은과 같은 전형적인 부식 억제제도 아니다.
많은 마이크로-배터리, 특히 대량 생산되거나 생체적합성이 필요한 배터리는 강성인 외측부 내에 케이싱(casing)된다. 이러한 강성은 전형적으로 그러한 배터리가 가요성 디바이스에 사용되는 것을 허용하지 않는다. 더욱이, 강성을 유지하기 위하여 최소 케이싱 두께가 필요하기 때문에, 강성 케이싱 설계는 가능한 배터리의 치수를 제한하다.
전도성 트레이스를 사용하는 배터리는 트레이스를 상부에서 지지할 가요성 트레이스 및 가요성 기판 둘 모두를 필요로 한다. 이러한 가요성은 산화 배터리 환경과 호환가능한 재료에서는 발견되지 않는다. 대신, 종래 기술의 배터리는 전형적으로는, 제조된 후에 대체적으로 이동불가능하도록 구성된다. 배터리의 이동은 연결부, 외측부의 밀봉에 불리한 영향을 미칠 수 있고 배터리의 올바른 작동에 달리 영향을 줄 수 있다.
생체적합성이 있고, 의료용 및 다른 소형 디바이스에 사용될 수 있고, 디바이스가 굽혀지거나 만곡되거나 달리 조작되는 동안 그리고 그러한 조작 후에 필요한 에너지를 제공함으로써 반복되거나 연속된 작동을 할 수 있는 마이크로 전원에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 제1 벡터를 따라 연장되는 원통형일 수 있는 애노드(anode) 및 제2 벡터를 따라 연장되는 대체로 평면인 캐소드(cathode)를 포함하는 생체적합성 구성요소를 갖는 전기화학 마이크로-배터리가 제공된다. 제2 벡터는 상기 제1 벡터에 대체로 평행하고, 캐소드는 애노드로부터 미리결정된 공간만큼 떨어져 배치된다. 캐소드 컬렉터(collector)는 캐소드와 전기적 접촉 상태에 있고 제2 벡터를 따라 연장된다. 일 태양에서, 캐소드 컬렉터는 캐소드 내에 위치된다. 전기화학 마이크로-배터리는 또한, 애노드 및 캐소드 둘 모두를 대체적으로 둘러싸서 위치되고 애노드와 캐소드 사이에 이온 전도성을 제공하도록 미리결정된 공간 내에 위치된 전해질을 포함한다.
일 태양에서, 전기화학 배터리는 애노드 전류 컬렉터를 추가로 포함할 수 있고, 애노드 및 애노드 전류 컬렉터는 전기적 연통 상태로 본딩된다. 애노드 및 애노드 전류 컬렉터는 제1 적층 배열체로 제1 벡터를 따라 연장되도록 위치되고, 캐소드 및 상기 캐소드 전류 컬렉터는 전기적 연통 상태로 본딩되고, 제2 적층 배열체로 제2 벡터를 따라 연장되도록 위치된다. 제1 적층 배열체와 제2 적층 배열체는 서로에 대해 미리결정된 공간만큼 분리된다. 세퍼레이터(separator)가 제1 적층 배열체와 제2 적층 배열체 사이에서 미리결정된 공간 내에 위치될 수 있다.
패키징은 대체적으로 애노드, 캐소드, 캐소드 컬렉터 및 전해질을 둘러싼다. 애노드의 단자 단부들은 제1 벡터를 따라 패키징을 통하여 연장되고, 캐소드 컬렉터는 또한 제2 벡터를 따라 패키징을 통하여 연장된다. 패키징은 대체적으로 균일한 두께를 갖는다. 패키징은 맞춤화될 수 있고 3개의 치수에서 원하는 형상으로 형성된 전기화학 배터리 전지를 수용할 수 있다. 패키징은 상기 패키징을 통한 물 및 산소 이동을 방지한다. 일 태양에서, 패키징은 금속 산화물로 코팅된 중합체를 포함한다. 패키징의 수증기 투과율은 85 내지 100% 상대 습도 및 섭씨 20 내지 40도에서의 측정 시 1 g/m2-day 미만이다. 따라서, 일 태양에서 체액, 또는 식염수 용액과 같은 인공 체액과 이온 연통 상태로 위치되는, 생체적합성 패키징에 의해 봉지되는 내부 공간을 갖는 부피가 3 세제곱밀리미터(3.0 ㎣) 이하인 전기화학 마이크로-배터리에서, 패키징은 내부 공간과 체액 또는 식염수 용액 사이의 질량 전달을 억제하도록 작용한다.
전기화학 마이크로-배터리는 3개의 모든 치수로 형상화될 수 있고, 실시 형태는 평면 형상뿐만 아니라 제1 벡터 및 제2 벡터 둘 모두가 아치형인 형상을 포함하고 제1 벡터 및 제2 벡터는 서로 동심이다.
본 발명의 추가 태양에 따른 전기화학 마이크로-배터리는 아연으로 제조된 애노드를 포함한다. 본 발명의 일 태양에서, 애노드는 아연 와이어이다. 본 발명의 캐소드는 이산화망간, 전도성 첨가제, 및 결합제를 포함한다. 캐소드 컬렉터는 티타늄과 같은 와이어 형상의 금속을 포함할 수 있고 캐소드에 인접하게 또는 대안적으로 그 내에 위치될 수 있다. 캐소드 컬렉터가 캐소드 내에 위치되는 실시 형태에서, 애노드의 직경은 캐소드의 두께와 동일하여, 전기화학 전지의 두께가 패키징 두께에 더한 애노드 직경과 동일하게 한다.
마이크로-배터리의 제1 전기화학 전지는 단일 전지로서 작동할 수 있거나 또는 제1 전기화학 전지에 직렬 또는 병렬 상태인 제2 전기화학 전지에 연결될 수 있다. 직렬 실시 형태에서, 제1 전기화학 전지의 애노드는 제2 전기화학 전지의 캐소드 컬렉터에 전기적으로 연결된다. 전기화학 전지의 애노드는 기계적으로 고정되고 전기적으로 연통하는 연결부를 형성하기 위하여 제2 전기화학 전지의 캐소드 컬렉터에 용접될 수 있다. 마이크로-배터리 전지는 독립적으로 패키징될 수 있거나, 또는 제1 전기화학 전지의 패키징과 제2 전기화학 전지의 패키징은 접합되어 연속적 패키지(contiguous package)를 형성한다. 일 태양에서, 제2 전기화학 전지가 상기 전기화학 전지에 직렬로 연결되는 경우, 전기화학 전지의 애노드는 상기 제2 전기화학 전지의 캐소드 컬렉터에 전기적으로 연결되고, 전기화학 전지의 패키징과 제2 전기화학 전지의 패키징은 접합되어 연속적 패키지를 형성한다. 전기화학 전지의 애노드가 전기화학 전지의 애노드와 전기적 연통 상태에 있는 애노드 컬렉터를 추가로 포함하는 태양에서, 애노드 컬렉터는 전기화학 전지 외부로 연장되고 제2 전기화학 전지 내로 연장되며, 애노드 컬렉터는 제2 전기화학 전지의 캐소드에 전기적으로 연결되고, 전기화학 전지의 패키징과 제2 전기화학 전지의 패키징은 접합되어 연속적 패키지를 형성한다.
일 태양에서, 전기화학 배터리의 부피는 3 세제곱밀리미터(3.0 ㎣) 이하이다. 애노드는 제1 벡터를 따라 연장된 길이, 및 상기 제1 벡터에 수직으로 연장된 폭 및 두께를 갖고, 폭은 두께보다 더 크고, 길이 대 폭의 비는 20 대 1(20:1) 초과이다. 캐소드는 제2 벡터를 따라 연장된 길이, 및 제2 벡터에 수직으로 연장된 폭 및 두께를 갖고, 폭은 상기 두께보다 더 크고, 길이 대 폭의 비는 10 대 1(10:1) 초과이다.
일 태양에서, 마이크로-배터리의 내부 공간은 아연 아세테이트와 같은 중성 전해질 수용액을 포함한다. 전해질 중 아연 아세테이트의 농도는 상기 전해질의 10 중량 퍼센트(10 중량%) 미만을 포함한다. 전해질의 pH는 6 내지 8이고, 패키징은 식염수 용액과 이온 연통 상태로 위치되고, 전해질의 삼투압과 식염수 용액의 삼투압 사이의 차이는 10 기압(10 atm) 미만이다. 애노드는 아연을 포함하고 캐소드는 이산화망간을 포함한다. 애노드 전류 컬렉터 및 캐소드 전류 컬렉터는 각각 티타늄, 탄탈륨, 백금 또는 다른 전기 전도성이고 가요성이고 생체적합성인 재료를 포함할 수 있다. 애노드는 아연 분말 및 배터리의 길이를 연장된 아연 포일(foil)과 같은 아연 물품(article) 둘 모두를 포함할 수 있고, 아연 분말은 아연 물품과 전기적 연통 상태에 있다.
마이크로-배터리는 길이 및 두께를 갖고 길이 대 두께의 비가 50:1 이상인 캐소드를 형성하는 단계; 캐소드 조립체를 형성하기 위하여 캐소드의 길이를 연장하는 캐소드 컬렉터에 캐소드를 부착하는 단계; 길이 및 두께를 갖고 길이 대 두께의 비가 50:1 이상인 애노드를 형성하는 단계; 캐소드와 애노드 사이에 이온 연통이 가능하게 하도록 애노드 및 캐소드 조립체 둘 모두의 둘레에 수성 전해질을 분배하는 단계; 및 캐소드 조립체, 전해질 및 애노드를 열가소성 패키징의 제1 및 제2 부분 내에 배치하는 단계를 포함하는 방법에 따라 구성될 수 있다. 제1 및 제2 부분은 모든 전해질, 캐소드 조립체의 일부 및 애노드의 일부를 에워싸서 배터리 내부를 형성하는데, 배터리 내부는 배터리 내부의 면들에 의해 경계지어지고, 캐소드 조립체 및 애노드의 단부 부분이 마이크로-배터리의 제1 및 제2 단부 둘 모두에서 배터리 내부의 외부로 연장될 수 있게 하는 것은 제외되고; 배터리 내부 면들의 길이를 따라 패키징의 제1 및 제2 부분을 가열함으로써 배터리 내부를 밀봉하고, 연장된 애노드 및 캐소드 조립체 둘레에서 패키징을 밀봉함으로써 마이크로-배터리의 제1 및 제2 단부에서 배터리 내부를 밀봉하는 단계; 및 밀봉된 마이크로-배터리 외부의 패키징을 제거하는 단계를 포함한다. 본 방법의 일 태양에서, 패키징의 제1 및 제2 부분은 초음파 용접기 내에 배치되고, 초음파 용접기는 패키징을 밀봉하고 밀봉부에서 패키징을 한 번에 절단함으로써 배터리 내부 둘레에서 패키징의 제1 및 제2 부분을 밀봉한다. 일 태양에서, 세퍼레이터가 애노드와 캐소드 사이에 삽입될 수 있다. 다른 태양에서, 애노드는 애노드 컬렉터에 부착되고, 애노드 컬렉터는 마이크로-배터리의 제1 및 제2 단부 둘 모두에서 배터리 내부의 외부로 연장되도록 위치된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 이점 및 목적은 하기의 명세서, 청구범위 및 첨부 도면을 참조하여 당업자에 의해 더 이해되고 인식될 것이다.
도면에서,
도 1은 벡터(L)(길이)에 수직인 평면을 따라 취한 전기화학 배터리 전지의 단면도이다.
도 2는 벡터(H)(높이)에 수직인 평면을 따라 취한 전기화학 배터리 전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 전기화학 배터리 전지의 묘사적인 단면도이다.
도 4는 패키징 부분이 분해된 전기화학 배터리 전지의 사시도이다.
도 5a는 일 실시 형태에 따른 전기화학 배터리 전지의 패키징 부분의 사시도이다.
도 5b는 다른 실시 형태에 따른 전기화학 배터리 전지의 패키징 부분의 사시도이다.
도 6은 외측 패키징을 밀봉하는 방법을 도시하는 초음파 용접 고정구 내에 배치된 본 발명의 전기화학 배터리 전지의 단면도이다.
도 7은 아치형 형상으로 직렬 상태인 2개의 전지를 도시한 형상화된 배터리 패키지의 단면도이다.
도 8은 아치형 형상으로 직렬 상태인 2개의 전지를 도시하고 전지들이 어떻게 전기적으로 연결되어 있는지를 강조하는 형상화된 배터리 패키지의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 형상화된 배터리 패키지의 2개의 전지 사이의 전기적 연결부의 확대 단면이다.
도 10은 아치형 형상으로 직렬 상태인 2개의 전지를 도시한 전기화학 배터리 전지 및 전지 패키징을 밀봉하기 위한 레이저 용접 빔의 분해도이다.
도 11a는 예시적인 실시예에서 본 발명을 제조하기 위하여 사용된 기판의 사시도이다.
도 11b는 예시적인 실시예에서 설명되는 바와 같은 본 발명의 캐소드와 캐소드 컬렉터 조립체의 중간 형태의 사시도이다.
도 11c는 예시적인 실시예에서 설명되는 바와 같은 본 발명의 캐소드와 캐소드 컬렉터 조립체의 사시도이다.
도 11d는 예시적인 실시예에서 설명되는 바와 같은 기판에 제조된 바와 같은 본 발명의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 형태에 따른 전기화학 배터리 전지(100)의 2개의 상이한 단면도가 도시되어 있다. 도 1은 벡터(L)(길이)에 수직인 평면을 따른 단면도이고, 도 2는 벡터(H)(높이)에 수직인 평면을 따른 단면도이다.
전기화학 배터리 전지는, 전기화학 배터리 전지의 길이를 따라 연장되고 음(negative) 전극으로서 역할을 하는 원통형 애노드(110)를 포함한다. 더 구체적으로, 애노드(110)는 도 2에 도시된 길이 벡터(L)에 평행한 벡터를 따라 연장된다. 본 실시 형태에서, 애노드(110)는 형상이 대체적으로 원통형이고 단면이 원형이다. 애노드(110)의 직경은 충분히 작고 그의 종횡비(길이 대 폭의 비)는 애노드(110)의 가요성을 가능하게 하기에 충분히 크다. 직경은 어떠한 전류 컬렉터도 없는 것을 수용하기에 충분히 큰 크기로 설정된다. 전기화학 배터리 전지가 방전됨에 따라, 애노드로부터의 반응성 재료가 전기화학적으로 반응하여 용액으로 들어갈 것이다. 애노드 반응성 재료가 애노드를 떠날 때, 애노드의 표면에는 오목부가 형성될 수 있거나 또는 그와 달리 변할 수 있고, 대체적인 감소하는 직경이 실현될 수 있다. 나머지 애노드 재료는 그의 길이 전체에 걸쳐 애노드 전류 컬렉터로서 작용할 수 있게 남아 있도록 연속하여 남아 있고, 그와 같이 애노드로부터 전기화학 배터리 전지 외부로 전자를 전도할 수 있다.
이하에서 다시 더 상세히 설명되는 바와 같이, 애노드(110)는 외측의 제1 및 제2 패키징 부분(140, 150)에 인접하게 본 실시 형태에서의 전기화학 배터리 전지의 일 측 상에 위치된다. 제1 패키징 부분(140)과 제2 패키징 부분(150)은 서로에 대해 배치되어 전지 내부(160)를 형성한다. 패키징 부분은 자체에 본딩되거나 그렇지 않으면 밀봉될 수 있는 재료로 제조된다. 패키징 부분 재료는 또한 가요성이어야 하고 전지 내부(160) 내에 위치된 모든 구성요소들을 봉입할 수 있어야 한다.
전기화학 배터리 전지는, 또한 전기화학 배터리 전지의 길이를 따라 연장되고 양(positive) 전극으로서 역할을 하는 캐소드(120)를 추가로 포함한다. 더 구체적으로, 캐소드(120)는 도 2에 도시된 길이 벡터(L)에 평행한 벡터를 따라 연장된다. 본 실시 형태에서, 캐소드(120)는 대체적으로 평면이고 단면이 직사각형이다. 캐소드는 캐소드 전류 컬렉터(130)와 전기적 접촉 상태로 위치되고, 본 실시 형태에서는, 캐소드 전류 컬렉터(130) 상에 부착된다. 가요성 전도성 전류 컬렉터(130) 상에 캐소드(120)를 코팅하는 이러한 배열은 전기화학 배터리 전지(100)가 비틀어지거나 구부러지거나 그와 달리 뒤틀어지는 동안 밀착성을 유지하는 가요성 캐소드 구조를 제공한다. 전기화학 배터리 전지가 전기화학적으로 방전됨에 따라, 캐소드(120)로부터의 반응성 재료는 전기화학적으로 반응하고 가능하게는 팽창할 것이다. 캐소드는 적절한 다공성을 갖도록 제조됨으로써 그리고 어떠한 그런 팽창도 수용하는 적절한 성분으로 제조됨으로써 그러한 팽창을 수용하도록 설계된다. 이러한 수용은 캐소드(120)가 캐소드 전류 컬렉터(130)와의 접착을 유지할 수 있게 하고 그 밖에 밀착성을 유지할 수 있게 한다.
캐소드(120) 및 캐소드 전류 컬렉터(130)는 제2 패키징 부분(150) 상에 그리고 전지 내부(160) 내의 애노드(110)에 반대편인 위치에서 위치되고 지지되는 것으로 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 애노드(110) 및 캐소드(120)의 크기가 반드시 축척을 따르지는 않지만, 애노드와 캐소드의 상대 위치에는 미리결정된 공간(170)만큼 갭(gap)이 형성된다. 애노드와 캐소드가 배터리 단락을 야기할 서로에 대한 직접 접촉을 이루지 않는 것을 보장하도록 하는 전지 내부 내의 미리결정된 공간의 치수가 중요하다. 치수는 또한 전기화학 배터리 전지의 레이트 특성(rate capability)에 직접적으로 관련된 효과적인 이온 전하 확산을 방지할 만큼 커서는 안된다. 대안적인 실시 형태에서 침투성 멤브레인 배터리 세퍼레이터가 사용될 수 있지만, 본 실시 형태의 전지 구조는 부가된 제조 복잡성 및 그러한 구성요소를 추가하는 비용에 대한 필요를 배제한다.
캐소드(120)와 애노드(110)는 애노드와 캐소드 둘 모두가 전해질 재료와 이온 연통할 수 있도록 위치된 전해질(180)을 통하여 이온 연통한다. 환언하면, 전해질(180)은 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에서 전하의 흐름을 허용한다. 전해질(180)은 그가 가요성이고 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 이온 확산을 제공하는 그의 일을 수행하면서 전지 내부(160) 내에서 이동할 수 있는 한 액체, 겔 또는 반고체일 수 있다.
전기화학 배터리 전지(100)에 의해 생성된 전자는 전지로부터 애노드 컬렉터 탭(tab)(190)을 통하여 전도될 수 있다. 이러한 애노드 컬렉터 탭(190)은 애노드(110)와 전기적 연통 상태에 있도록 애노드(110)의 단부에 부착될 수 있다. 애노드 컬렉터 탭(190)은 전지 내부(160)가 적절히 밀봉될 수 있도록 애노드(110)의 형상이 적절한 연장부를 제공하는데, 애노드(110)와 캐소드(120)는 제1 및 제2 패키징 부분(140, 150) 둘 모두 및 전지 내부(160)의 외측부와 전기적으로 연통한다. 도 1 및 도 2의 애노드 컬렉터 탭(190)의 위치는 애노드(110)와 제1 패키징 부분(140)의 중간에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 위치설정은 전기화학 배터리 전지(100)에 높이 또는 돌출부를 부가할 수 있고, 이러한 치수의 증가를 피하기 위하여 대안적인 위치가 바람직할 수 있다. 애노드 컬렉터 탭(190)은 디바이스에서 연결되고 있을 것에 대해 형상화된다. 이러한 형상은 애노드 탭과 디바이스 사이의 전기적으로 확실한 연결을 생성하기 위하여 당업자에 의해 선택될 수 있다.
도 1 및 도 2의 실시 형태에 도시되어 있지는 않지만, 애노드 컬렉터 탭(190) 및 캐소드 전류 컬렉터(130) 둘 모두는 애노드(110) 및 캐소드(120)의 각각의 단부를 지나서 연장될 수 있다. 애노드 컬렉터 탭(190) 및 캐소드 전류 컬렉터(130)의 이들 연장 부분은 전지 내부(160)의 더 효율적인 밀봉을 가능하게 한다. 제1 및 제2 패키징 부분(140, 150)은 전기화학 배터리 전지(100) 또는 외측부로부터 전지 내부(160)를 밀봉하도록 서로에 밀봉될 수 있고, 그리고 밀봉된 제1 및 제2 패키징 부분(140, 150)의 외측으로 연장된 애노드 컬렉터 탭(190) 및 캐소드 전류 컬렉터(130) 둘레에서 밀봉될 수 있다. 그와 같이, 애노드 컬렉터 탭(190)은 전기화학 배터리 전지(100)에 대한 음의 외측 접점이 되고, 캐소드 전류 컬렉터(130)는 전기화학 배터리 전지에 대한 양의 외측 접점이 된다.
작동 시, 부하(미도시)가 애노드 컬렉터 탭(190) 및 캐소드 전류 컬렉터(130) 둘 모두에 전기적으로 연결되어 회로를 형성하는 경우, 애노드(110)는 전자를 애노드 컬렉터 탭(190)을 통하여 음의 외측 접점에 방출하고 동시에 이온을 전해질(180) 내로 방출한다. 캐소드(120)는 회로로부터 양의 외측 접점 및 캐소드 전류 컬렉터(130)를 통하여 흐르는 전자를 수용하고 전기화학적으로 반응하여 전기화학 배터리 전지의 화학적 포텐셜(chemical potential)을 평형시키게 한다. 따라서, 전기화학 배터리 전지(100)의 본 배열은 비틀림 상태에 있는 동안, 구부러지거나 그와 달리 조작되는 동안 효과적으로 작동한다.
도 1 및 도 2에 도시된 전기화학 배터리 전지(100)는 동일한 전지와 직렬로 전기적 및 기계적으로 커플링될 수 있는데, 이는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3에는, 제1 전기화학 배터리 전지(200) 및 그의 각각의 음의 단부 부분(201)이 도시되어 있다. 제1 전기화학 배터리 전지(200)는 애노드(210), 캐소드(220) 및 애노드 컬렉터 탭(290)을 갖는다. 또한, 제2 전기화학 배터리 전지(300) 및 그 양의 단부 부분(301)이 도 3에 도시되어 있다. 제2 전기화학 배터리 전지는 또한 애노드(310), 캐소드(320) 및 캐소드 전류 컬렉터(330)를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전기화학 배터리 전지(200)의 애노드 컬렉터 탭(290)은 연결점(399)에서 제2 전기화학 배터리 전지(300)의 캐소드 전류 컬렉터(330)에 연결된다. 이러한 기계적 및 전기적 커플링 배열은 각각의 개별 전지의 유효 전압의 2배인 유효 전압을 제공하도록 직렬 상태인 2개의 전기화학 배터리 전지에 의해 다중 전지 배터리를 생성한다. 2개 이상의 전지를 사용하여 병렬 및 다른 다중 전지 배터리를 생성하는 데 대안적인 커플링 배열이 사용될 수 있다.
각각의 패키징 부분(240, 340)(250, 350)은 연속적 외측 표면을 형성하도록 접합되거나 단일 패키징 부분으로서 제조되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 각각의 전지 내부(260, 360)는 바람직하게는 분리된다. 도 4에는, 직렬 상태인 2개의 배터리(400)의 대안적인 도면이 도시되어 있다. 제1 전기화학 배터리 전지(401)는 제2 전기화학 배터리 전지(402)에 전기적 및 기계적으로 커플링된다. 제1 전기화학 배터리 전지(401)와 제2 전기화학 배터리 전지(402) 둘 모두는 각각 애노드(410, 411)를 그리고 각각 캐소드(420, 421)를 갖는다. 각각의 캐소드는 캐소드 전류 컬렉터와 결합되고 그에 전기적으로 커플링되며, 제1 전기화학 배터리 전지 캐소드(420)는 제1 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(430)와 결합되고, 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드(421)는 유사하게 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 컬렉터(미도시)와 결합된다. 제2 전기화학 배터리 전지 애노드(411)는, 연결점(499)에서 제1 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(430)와 전기적 및 기계적으로 또한 결합된 제2 전기화학 배터리 전지 애노드 컬렉터 탭(490)과 전기적 및 기계적으로 결합된다.
직렬 상태인 2개의 전기화학 전지는, 직렬 상태인 2개의 전지의 길이를 연장하지만 제1 단부(403)에서 종단되는 제1 패키징 부분(440)에 의해 캐소드 측 상에서 둘러싸여서 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터가 제1 패키징 부분에서 돌출될 수 있게 한다. 제2 단부(404)에서, 제1 패키징 부분은 유사하게, 제1 전기화학 배터리 전지 애노드 컬렉터 탭(491)이 제2 단부를 지나서 연장할 수 있게 하도록 종단된다. 제1 패키징 부분(440)과 길이 및 폭이 유사한 제2 패키징 부분(450)이 직렬 상태인 2개의 전지의 애노드 측에 인접하게 위치되고, 전지 내부(460)는 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터 및 제1 전기화학 배터리 전지 애노드 컬렉터 탭 둘 모두가 패키징 부분을 지나서 연장되도록 하여 이들이 외부 부하(미도시)와 전기적 연통 상태에 있을 수 있도록 하는 방식으로 제1 패키징 부분(440)과 제2 패키징 부분을 접착제로 결합함으로써 또는 용접함으로써 밀봉될 수 있다.
전지 내부(460)를 각각의 전기화학 배터리 전지와 결합된 개별 전지 내부들로 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 연결점(499)에 인접한 분할기(divider)를 제공함으로써 수행될 수 있다. 도 5a를 참조하면, 본 실시 형태의 전지 내부 분리를 제공하는 데 사용될 수 있는 패키징 부분(500)이 도시되어 있다. 패키징 부분(500)은 패키징 부분 상의 분리 지점(520)에서 패키징 부분에 부착될 수 있는 분할기(510)를 포함한다. 분할기(510)는 전지들 사이의 대류 흐름 및 이온 전도를 방지하기 위하여 직렬 상태인 2개의 전기화학 배터리 전지 사이에 댐(dam)으로서 작용하도록 구성될 수 있다. 분할기(510)는 패키징 부분에 레이저 용접될 수 있고, 이어서, 패키징 부분(500)이 레이저 용접 또는 대안적인 연결 방법을 통하여 제2 패키징 부분에 대해 밀봉되는 경우에, 다시 레이저 용접될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 분할기는 초음파 용접 또는 열 용접 방법과 같은 대안적인 접합 방법을 통하여 부착될 수 있다.
도 5b에는, 전지 내부의 분리를 제공하는 대안적인 실시 형태가 도시되어 있다. 패킹 부분(550)은 패키징 부분 상의 분리 지점(570)에서 분할기(560)를 포함한다. 분할기(560)는 패키징 부분 및 제2 패키징 부분에 접착제를 통하여 그리고 더 바람직하게는 UV 경화 접착제를 통하여 고정될 수 있다. 제1 및 제2 패키징 부분은 그들의 주변부에서 서로에 대해 밀봉될 수 있고, 분할기(560)는 전지 내부의 분리를 제공하도록 패키징 부분 둘 모두에 접착제로 고정될 수 있다.
도 6에는, 전기화학 배터리 전지(600)의 대안적인 실시 형태의 단면도가 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 전기화학 배터리 전지(600)는 전기화학 배터리 전지 캐소드(620)와 제1 패키징 부분 사이에 위치된 것으로 도시된 원통형 형상의 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(630)를 갖는다. 도시되어 있지는 않지만, 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터는 대안적으로 캐소드(620) 내에 완전히 또는 그 내에 부분적으로 배치될 수 있다. 애노드(610)가 캐소드(620)로부터 미리결정된 거리(670)에서 전지 내부(660) 내에 위치된다. 전지 내부는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 필요한 이온 전도성을 제공하기 위하여 전해질(미도시)로 충전된다.
제1 패키징 부분(640) 및 제2 패키징 부분(650) 둘 모두를 그들의 각각의 주변부를 따라 접합시키는 방법이 도 6을 이용하여 설명될 수 있다. 전기화학 배터리 전지(600)는 전기화학 배터리 전지(600)의 일부를 둘러싸는 단면으로 대표적으로 도시된 초음파 용접 고정구 내에 배치될 수 있다. 초음파 용접 고정구는 초음파 용접 혼(horn)(691)과 초음파 용접 앤빌(anvil)(692) 둘 모두를 포함한다. 전기화학 배터리 전지(600)는 고정구 내에 배치되고, 초음파 용접 혼(691)은 용접이 요구되는 위치에서 제1 패키징 부분(640)과 접촉된다. 본 방법의 실시 형태에서는, 전기화학 배터리 전지의 애노드 측(601) 및 전기화학 배터리 전지의 캐소드 측(602) 둘 모두에서 용접부가 요구된다. 고정구에 의해 전기화학 배터리 전지에 제어된 압력이 인가되어 제1 패키징 부분(640)과 제2 패키징 부분(650)을 결합시킨다. 초음파 혼은 제1 및 제2 패키징 부분을 용접하는 데 필요한 미리결정된 시간 동안 재료에 적절한 주파수에서 원하는 진폭으로 진동된다. 제어된 압력은 패키징 부분들이 용융되게 하도록 제2 미리결정된 시간 동안 유지될 수 있다. 플라스틱의 종래 기술의 초음파 용접은 초음파 혼의 이동이 접합되는 물품들의 평면에 거의 수직인 상태로 (측면 밀봉부의 경우, 도 2에 도시된 벡터(H)를 따라) 일어나고, 이는 결함인 넓은 접합부를 초래한다. 그에 반하여, 초음파 혼의 이동이 측면 밀봉부와 거의 동일한 평면(선형 측면 밀봉부의 경우, 도 2에 도시된 벡터(L)를 따라 연장되는 평면)에 있는 경우, 비교적 좁은 밀봉부가 달성될 수 있다는 것은 밝혀져 있다. 혼의 이동의 벡터는 밀봉되는 패키지의 에지와 동일 평면 내에 있다. 비선형 측면 시임(seam)(예를 들어, 아치형 측면 시임)의 경우, 측면 시임에 대한 혼의 이동은 측면 시임을 따라 상이한 위치에서 가변할 수 있지만, 용접되는 패키징과 동일한 평면에 남아 있을 것이다. 여분의 패키징은 용접부 외측의 패키징 부분이 제거되도록, 예를 들어, 레이저 절단, 초음파 절단, 툴-다이 디게이팅(degating), 또는 워터제트 절단에 의해, 단부(693, 694)에서 기계적으로 트리밍(trimming)될 수 있다. 대안적으로, 패키징 부분들을 밀봉하는 동안 밀봉된 단부(693, 694)를 절단하기 위하여 초음파 용접 시간이 연장될 수 있다. 일단 패키징 부분들이 주변부를 따라서 용접되어 그에 따라서 전기화학 배터리 전지를 밀봉하면, 제2 제어된 압력이 제거되고 초음파 용접 혼은 후퇴된다. 이러한 접합 공정에 의해, 많은 전기화학 배터리 전지가 연속적으로 밀봉될 수 있다.
본 전기화학 배터리 전지 구성은 선형의 평면 구조에 한정되지 않고, 대신에 다양한 실시 형태에 따라 다수의 형상 및 크기로 구성될 수 있다. 패키징뿐만 아니라 전기화학 배터리 전지의 구성요소는 전기화학 배터리 전지를 그의 원하는 형상으로 형상화하는 데 사용될 수 있다. 도 7에는, 아치형 형상의 전기화학 배터리 전지(1000)가 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 2개의 전기화학 배터리 전지가 직렬로 연결되어 있다. 제1 전기화학 배터리 전지(1001)가 연결점(1099)에서 제2 전기화학 배터리 전지(1002)에 전기적 및 기계적 둘 모두로 연결된다. 제1 및 제2 전기화학 배터리 전지 둘 모두는 제1 패키징 부분(1040) 상에 안착된 것으로 도시되어 있다. 도시되어 있지는 않지만, 제2 패키징 부분이 전기화학 배터리 전지를 위한 연속적 외측 패키징 외측부를 형성하도록 제1 패키징 부분과 결합된다. 제1 전기화학 배터리 전지(1001)는 애노드(1010) 및 캐소드(1020)를 포함한다. 캐소드는 제1 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(1030)와 전기적 연통 상태로 위치된다. 제2 전기화학 배터리 전지(1002)는 유사하게 애노드(1011) 및 캐소드(1021)를 포함한다. 캐소드(1021)는 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(1031)와 인접하게 그리고 그와 전기적 연통 상태로 위치된다. 애노드(1010, 1011) 둘 모두는, 전자를 전도하도록 애노드 단부에 전기적 및 기계적 둘 모두로 연결되는 결합된 애노드 컬렉터 탭들을 갖는다. 연결점(1099)에, 제1 전기화학 배터리 전지 애노드 컬렉터 탭(1090)과 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(1031) 사이의 전기적 및 기계적 연결이 도시되어 있다. 연결부는 용접될 수 있거나 또는 대안적으로 제조되어 전기가 제1 전기화학 배터리 전지와 제2 전기화학 배터리 전지 둘 사이에서 흐를 수 있게 하고, 이는 어느 정도의 강도를 제공하게 하여 전기화학 배터리 전지(1000)가 원하는 형상으로 고정되도록 한다.
전기화학 배터리 전지 내의 이들 구성요소의 각각은 평행한 아치형 경로 또는 벡터를 따라 연장된다. 예를 들어, 애노드(1010) 및 애노드(1011)는, 길이가 대략 전기화학 배터리 전지(1000)의 길이인 아치형 벡터를 따라 연장된다. 캐소드(1020) 및 캐소드(1021)는 애노드 벡터에 평행하게 연장되는 별개의 아치형 벡터를 따라 연장된다. 전기화학 배터리 전지(1000)는 도시된 평면 C-형상으로 구성될 수 있거나, 또는 아치형 형상은 비평면, 예컨대, 절두원추형 또는 콘택트 렌즈의 몸체에서와 같이 구면 세그먼트에 대해 연장되는 형상일 수 있다. 형상은 구성요소의 강성에 의해, 또는 대안적으로는 전기화학 배터리 전지 내에 포함되지만 전기화학 반응의 활성 구성요소는 아닌 구조 부분을 포함시키는 것에 의해 유지될 수 있다. 예를 들어, 다이 컷(die cut) 티타늄 포일이 전지 내부 내에 그리고 제1 패키징 부분과 제2 패키징 부분 중간에 배치될 수 있다. 포일 구조 부분은 전기화학 배터리 전지의 비활성 부피를 유의하게 증가시키지 않으면서 전기화학 배터리 전지의 원하는 형상을 유지하도록 작용할 것이다.
도 8에는, 전기화학 배터리 전지(1100)의 대안적인 실시 형태의 상부 단면도가 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 전기화학 배터리 전지(1100)는 전기화학 배터리 전지 캐소드(1120, 1121)와 패키징 부분(미도시) 사이에 위치된 것으로 도시된 원통형 형상의 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(1130, 1131)를 갖는다. 도시되어 있지는 않지만, 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터는 대안적으로 캐소드(1120, 1121) 내에 또는 그 내에 부분적으로 배치될 수 있다. 와이어 형상의 애노드와 조합한 와이어 형상의 캐소드 전류 컬렉터는 비활성 구조 부분에 대한 필요성을 배제하는 구조적 강성을 제공한다. 전기화학 배터리 전지(1100)를 구성하는 2개의 전기화학 배터리 전지(1101, 1102)는 연결점(1199)에서 전기적 및 기계적으로 연결된다. 와이어 형상의 제1 전기화학 배터리 전지 애노드(1110) 및 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(1131)는 도 9에 도시된 바와 같이 초음파 용접에 의해 접합될 수 있다. 대표적으로 도시된 초음파 용접 고정구(1198)가 기계적으로 연결된 접합부(1197)를 형성하기 위하여 2개의 와이어 형상의 구성요소를 용접하도록 작용하는 동안, 압축력이 제1 전기화학 배터리 전지 애노드(1110) 및 제2 전기화학 배터리 전지 캐소드 전류 컬렉터(1131)를 함께 보유하고 있다. 대안적으로, 접합부(1197)는, 전기적으로 연통하고 기계적으로 견고한 접합부를 생성하도록 다른 접합 기술의 저항 용접을 이용하여 생성될 수 있다.
전기화학 배터리 전지를 봉지하는 데 유용한 다른 접합 방법은 레이저 빔 용접이다. 도 10에서, 전기화학 배터리 전지(1100)는 이미 형성된 기계적으로 연결된 접합부(1197) 및 제1 및 제2 전기화학 배터리의 전지 내부를 분리하도록 생성된 분할기(1196)와 조립되어 도시되어 있다. 동일한 크기의 제1 및 제2 패키징 부분(1140, 1141)이 그들의 주변부가 정렬된 채로 배치되고 패키징 부분들의 전체 주변부를 따라서 가압된 주변부를 생성하도록 압축된다. 이는 이동 지그(jig) 또는 고정구와 동시에 또는 순차적으로 가압된 주변부를 생성하는 고정구 내에서 수행될 수 있다. 주변부가 압축되는 동안, 레이저 용접 빔이 전기화학 배터리 전지를 따라서 (벡터 W(1194)로 도시된 방향으로) 지나갈 수 있고, 레이저 용접 빔을 통과하는 압축된 주변부는 용융됨으로써 이어서 재고형화 동안 접합됨으로써 용접된다. 레이저는 초당 많은 가열 펄스를 발사하여 패키징 부분 주변부를 따라 시임을 형성하는 별개의 중첩 스폿 용접부들을 형성한다. 전지 내부, 배터리 구성요소 및 전해질의 국소 가열을 야기하지 않기 위하여, 적절한 레이저 파장이 선택된다. 폴리프로필렌 패키징 재료의 경우, 800 nm 레이저 광이 바람직하다.
도 8의 전기화학 배터리 전지(1100)의 다른 실시 형태가 대안적인 애노드 구조와 함께 설명될 수 있다. 본 실시 형태에서, 전기화학 배터리 전지(1100)를 구성하는 2개의 전기화학 배터리 전지(1101, 1102)는 공통 구성요소를 공유함으로써 전기적 및 기계적으로 연결된다. 애노드(1110, 1111) 각각은 전기 전도성인 애노드 전류 컬렉터를 부가적으로 포함한다. 이어서, 활성 애노드 재료는, 애노드 전류 컬렉터와의 물리적 접촉을 유지하면서, 전기적 연통 상태에 있도록 각각의 애노드 전류 컬렉터 상에 또는 그와 인접하게 배치된다. 이러한 애노드 전류 컬렉터의 사용은 그가 인접하게 연결된 전지 내의 캐소드 컬렉터로서 또한 사용될 수 있게 한다. 예를 들어, 제1 전기화학 배터리 전지(1101)의 전기화학 배터리 전지 애노드 전류 컬렉터(미도시)는 제2 전기화학 배터리 전지 내로 연장될 수 있고 제2 전기화학 배터리 전지의 캐소드 전류 컬렉터(1131)로서 사용될 수 있다. 이러한 통상의 전지 구성요소를 이용함으로써, 제1 전기화학 배터리 전지(1101) 및 제2 전기화학 배터리 전지(1102)는 어떠한 용접부 또는 접합부도 필요 없이 전기적 및 기계적으로 연결된다.
실시예
여기에서 설명되는 조성물과 공정, 및 이를 제조 및 사용하는 방법이 하기 실시예에서 예시된다.
실시예 1
기판 제조
폴리카르보네이트 블록을 몇몇 섹션으로 절단하였다. 제1 및 제2 슬롯(2010, 2011)(각각은 대략 0.325 인치 길이 × 0.008 인치 깊이 × 0.0393 인치 폭)을 도 11a에 도시된 바와 같이 블록(2000)의 표면으로부터 밀링(milling)하였다. 이어서, 채널(2020)(0.007" 폭 내지 0.01" 폭)을 제1 및 제2 슬롯(2010, 2011) 중간을 절단하여, 2개의 큰 슬롯들을 직선으로 연결시켰다. 각각의 완성된 슬롯은 전지를 보유하는 데 사용된다.
캐소드 제조
캐소드 시트를 10 중량%의 카본 블랙(예컨대, 미국 텍사스주 휴스톤 소재의 솔텍스(Soltex)로부터의 ACE 블랙 AB100), 83 내지 85 중량%의 미세 전해 이산화망간(예컨대, 미국 코네티컷주 스탬포드 소재의 트로녹스(Tronox)) 및 나머지(5 내지 7 중량%)의 PTFE(예컨대, 물 중 PTFE의 60 중량% 분산물, 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 듀폰 폴리머즈(Dupont Polymers)로부터의 TE3859로서 입수가능함 - 배치(batch) 중 60.6% 고형물, 5.7% 습윤제를 가짐)의 조성물로 제조하였다. 카본 블랙 및 이산화망간을 혼합 용기 내에서 배합하고 미국 캘리포니아주 라구나 힐스 소재의 팅키(Thinky)로부터의 팅키 혼합기 모델 번호 ARM-310에서 3분 동안 1,000 RPM으로 혼합함으로써 시트를 제조하였다. 이어서, 이산화망간 그램당 탈이온수 약 1.05 그램을 혼합 용기에 첨가하고, 이를 다시 3분 동안 1,000 RPM으로 혼합하였다. 이어서, PTFE를 첨가하고, 200 RPM으로 혼합기에서 혼합하여 PTFE를 분산하고, 이어서 1500 RPM으로 PTFE를 피브릴화(fibrillation)하여, 응집성 질량체(coherent mass)를 형성하였다.
이어서, 생성된 응집성 질량체를, 재료의 강성이 증가되고 재료가 성형가능한 지점까지 점도가 증가될 때까지 혼련하였다. 내열성 중합체 외부 층, 내부 알루미늄 포일 코어, 및 열 밀봉성 중합체 내부 층으로 이루어진 배터리 패키징 라미네이트(예컨대, 미국 뉴욕주 브루클린 소재의 울트라 플렉스 코포레이션(Ultra Flex Corporation)으로부터의 패키징으로서, 패키징은 일 면 상의 0.001" 폴리에틸렌 열 밀봉성 층, 타 면 상의 48 게이지(0.0005") PET 필름, 및 이들 둘 사이 내의 0.000316" 알루미늄 포일 층으로 이루어짐)의 조각(piece)들을 절단하고, 내열성 층이 외측에 있도록 길이방향으로 반으로 접었다. 응집성 질량체의 조각을 파단하고, 길이방향으로 접힌 패키징의 내측 상에 배치하였다. 응집성 질량체를 보석세공용 밀(jeweler's mill)을 사용하여 압연(roll down)하였고; 재료를 주기적으로 자체에 대해 되접어 피브릴화 및 본딩을 향상시켰고, 때때로 재료를 에지 위로의 그의 유출을 회피하기 위하여 패키징에 대하여 위치를 90도 회전시켰다. 대략 150 마이크로미터 두께의 시트를 캐소드 믹스(mix)로부터 이러한 방식으로 제조하였다. 이러한 시트를 패키징 재료로부터 제거하고, 칭량 보트(weigh boat) 상에 배치하고, 몇 시간 동안 실온에서 공기 건조시켰다. 마지막으로, 시트를 몇 시간 내지 밤새 60℃에서 건조시켰다.
전해질 제형
먼저, 전해질을 탈이온수 중 1.9 M NH4Cl 및 0.63 M CaCl2의 혼합물을 사용하여 제조하였다.
이어서, 겔형 전해질을 하기와 같이 제조하였다:일정량의 전해질을 교반 막대를 포함하는 비이커에 첨가하였다. 이러한 비커를 덮어서 증발을 방지하고, 비등할 때까지 교반 핫 플레이트(stirring hot-plate) 상에서 가열 및 교반하였다. 이어서, 탈이온수를 무게에 의해 결정될 때 증발된 물을 대체하도록 첨가하였다. 충분한 한천을 비이커에 첨가하여 97 중량%의 전해질 및 3 중량%의 한천을 함유하는 혼합물을 생성하였다. 한천과 함께 전해질을 한천이 용해될 때까지 핫 플레이트 상에서 교반하였고, 이어서 탈이온수를 첨가하여 증발된 물을 대체하였다. 이어서, 혼합물을 교반하고, 실온으로 냉각되게 하여, 부드럽고 흐린 겔을 형성하였다.
애노드
상용 순수 아연 와이어(예컨대, 미국 캘리포니아주 그로버 비치 소재의 캘리포니아 파인 와이어(California Fine Wire)로부터의 0.006" 순수 아연 99.95% 와이어)를 얻었다.
캐소드-전류 컬렉터 조립 절차
대략 7 mm 길이의 캐소드 재료의 스트립들을 캐소드 재료의 대략 150 μm의 두께 조각으로부터 블레이드(blade)를 사용하여 절단하였다. 이어서, 최대 3 mm 정도 폭(그러나 적어도 600 μm 폭)의 얇은 스트립들을 이들 스트립으로부터 절단하였다. 짧은 길이(대략 2cm 내지 10 cm)의 0.002 인치 직경의 티타늄 와이어(예컨대, 미국 펜실베이니아주 코라오폴리스 소재의 굿펠로우(Goodfellow)로부터의 0.050 mm 99.8% 순도의 하드 템퍼(hard temper) 티타늄 와이어)를 롤(roll)에서 절단하고, 그 단부를 에폭시의 작은 도트를 갖는 플라스틱 칭량 보트에 부착하여, 경화되게 두었다. 캐소드의 조립체는 도 11b에 도시되어 있다. 캐소드 스트립(2040)을, 일 단부(2051)에서 접착된 와이어(2050) 아래에 배치하였고, 와이어를 스트립 위에서 팽팽하게 유지하였다. 와이어가 팽팽하게 유지된 채로, 전도성 접착제 코팅(예컨대, 중합체 결합제 및 흑연 플레이크, 예컨대, 미국 오하이오주 웨스트레이크 소재의 팀칼(Timcal)로부터의 팀칼 E-LB 1020을 함유하여 제조됨). 와이어(2050)를 캐소드 시트(2040)의 표면에 보유하기에 충분히 전도성 코팅을 건조시킨 후에, 팽팽하게 유지된 와이어의 단부를 해제하였다. 코팅을 몇 시간 동안 공기 중에서 건조시킨 후에, 블레이드를 사용하여 와이어를 조립체의 일 단부(2051)로부터 절단하였고, 와이어의 타 단부를 짧은 길이로 트리밍(trimming)하였고, 캐소드 스트립(2040)을 400 내지 800 μm의 폭으로 절단하였다 - 도 11c 참조.
전지 조립 절차
전도성 코팅/접착제를 사용하여 도 11d에 도시된 바와 같이 캐소드-전류 컬렉터 조립체를 플라스틱 기판(2000) 내에 접착하였다. 캐소드-전류 컬렉터 조립체(2030)를 와이어가 아래를 향하도록 제자리에 고정시켜서, 캐소드 스트립(2040)을 나중에 습윤시킬 수 있게 하였다. 먼저, 캐소드-전류 컬렉터 조립체(2030)를 슬롯(2010)의 단부(2012)에 부착시켰고, 이어서, 캐소드-전류 컬렉터 조립체(2030)를 슬롯의 벽으로부터 멀리 만곡시켰고, 추가의 전도성 접착제를 벽을 따라서 적용하였고, 캐소드-전류 컬렉터 조립체(2030)를 슬롯의 벽에 대해 가압하였다. 나중에 삽입된 아연 와이어(2060)와 캐소드 사이의 간극을 방지할 여분의 캐소드 재료가 존재한 경우, 여분의 재료를 제거하였다.
대략 1.5 센티미터의 아연 와이어의 길이로 절단하고 이를 직선으로 하였다. 이는 슬롯(2010) 내에 배치하고 전지의 개방 단부 외부로 연장하였으며; 와이어를 제자리에 유지하도록 소량의 에폭시를 적용하였다. 이어서, 슬롯의 채널 개구를 가로질러 에폭시를 적용하였고, 에폭시가 경화될 때까지 폴리이미드 테이프(예컨대, 캡톤 브랜드(Kapton Brand))를 슬롯의 개구 위에 배치하였다. 그 시점에서, 폴리이미드 테이프를 제거하였다. 이어서, 슬롯을 덮도록 전해질을 적용하고, 전해질이 캐소드 내로 스며들게 하였다. 이어서, 흡수성 종이 와이프(wipe)를 사용하여, 캐소드 내에 흡수된 것을 제외하고 슬롯 및 슬롯을 둘러싸는 기판의 영역으로부터 전해질 모두를 제거하였다. 이어서, 슬롯을 충전하기 위하여 겔 전해질을 첨가하였다. 폴리이미드 접착 테이프(예컨대, 캡톤 브랜드)의 조각을 단부를 포함하여 슬롯의 상부 위에 배치하였고; 이러한 테이프는 2개의 전지가 수직으로 제자리에 있는 상태에서 단부에서 단부로 통상적으로 연장될 것이었다.
이어서, 2부분 에폭시를 사용하여 폴리이미드 테이프의 상부 위를 덮고, 와이어가 슬롯을 나온 블록의 단부들을 또한 덮었다. 일단 에폭시가 경화되면, 폴리카르보네이트 기판을 고정하였다. 이어서, 죄는 부분이 부드러운 악어 클립들을 사용하여 전지의 외부로 나온 와이어(티타늄 및 아연) 상에 클립 고정하여, 전지가 단락되지 않도록 주의하였다. 클립들이 접촉하는 것을 방지하기 위하여 클립들 사이에 절연체를 배치하였다. 에폭시가 겔화된 후에, 그러나 그가 완전히 단단해지기 전에, 절연체를 제거하였다. 통상의 배터리 테스트 장비를 사용하여 전지를 테스트하였다.
표 1은 실시예 1에서 설명된 바와 같이 제조된 전기화학 배터리 전지의 성능 및 대체적인 설명이다.
[표 1]
Figure pct00001
실시예 2
아연 분말 애노드
결합된 분말로서 아연을 사용한 애노드를 제조하였다. 결합제로서 (TE3859 분산물로부터의) PTFE를 사용하고, 전도성 충전제로서 아세틸렌 블랙(Acetylene Black)(AB100%)을 사용하여, 5 중량% 아세틸렌 블랙, 5 중량% PTFE, 및 90 중량% 아연의 조성으로, 아연 분말(벨기에 소재의 유미코아(Umicore)로부터의 EEF 등급)을 제조하였다. 20 그램의 아연을 1.11 그램의 아세틸렌 블랙과 플라스틱 주걱을 사용하여 손으로 혼합하여 시각적으로 균질한 혼합물을 형성하였다. 이어서, 이러한 혼합물을 9 그램의 탈이온수와 팅키 ARM-310 혼합기를 사용하여 3분 동안 1000 RPM으로 혼합하였다. 이어서, 1.85 그램의 60% PTFE(TE3859) 분산물을 혼합물에 첨가하고, 3분 동안 200 RPM으로 혼합하여 분산하고, 이어서 3분 동안 1000 RPM으로 혼합하여 피브릴화하여 응집성 질량체를 형성하였다. 이어서, 이러한 응집성 질량체를 배터리 패키징(미국 뉴욕주 브루클린 소재의 울트라 플렉스 코포레이션으로부터의 패키징으로서, 패키징은 일 면 상의 0.001" 폴리에틸렌 열 밀봉성 층, 타 면 상의 48 게이지(0.0005") PET 필름, 및 이들 둘 사이 내의 0.000316" 알루미늄 포일 층으로 이루어짐)의 조각들 사이에서 혼련하고 압연하였다. 캐소드 시트 제조에 의해서와 같이, 이러한 라미네이트의 조각들을 절단하고, 내열성 층이 외측에 있도록 길이방향으로 반으로 접었다. 응집성 질량체의 조각을 파단하고, 길이방향으로 접힌 패키징의 내측 상에 배치하였다. 응집성 질량체를 보석세공용 밀을 사용하여 압연하였고; 재료를 주기적으로 자체에 대해 되접어 피브릴화 및 본딩을 향상시켰고, 때때로 재료를 에지 위로의 그의 유출을 회피하기 위하여 패키징에 대하여 위치를 90도 회전시켰다. 대략 150 마이크로미터 두께의 시트를 캐소드 믹스로부터 이러한 방식으로 제조하였다. 이러한 시트를 패키징 재료로부터 제거하고, 칭량 보트 상에 배치하고, 몇 시간 동안 실온에서 공기 건조시켰다. 마지막으로, 시트를 몇 시간 내지 밤새 60℃에서 건조시켰다.
대략 300 마이크로미터 폭 × 150 마이크로미터 두께 × 7 내지 8 mm 길이의 애노드 재료의 스트립을 절단하고, 이어서 전도성 접착제(팀칼 E-LB 1020)를 사용하여 (예컨대, 미국 펜실베이니아주 코라오폴리스 소재의 굿펠로우로부터의) 50 마이크로미터 티타늄 와이어 전류 컬렉터에 부착하였는데, 이는 캐소드를 위해 사용하여 수행된 것과 같다.
10 중량% 아세틸렌 블랙(AB100), (TE3859 분산물로부터의) 5 중량% PTFE, 및 85% 미세 MnO2(트로녹스)로 이루어진 캐소드 시트를 실시예 1에서 설명된 바와 같이 제조하였다. 대략 10 mm 폭 × 150 μm 두께의 재료의 스트립을 이러한 시트로부터 절단하였다. 티타늄 포일의 조각을 절단하였고, 투명 테이프를 베어 포일의 대략 7 mm 폭의 스트립을 남기도록 적용하였다. 이어서, 이러한 포일을 전도성 접착제로 칠하였고, 접착제가 아직 습한 동안 캐소드 시트의 스트립을 가압하였다. 대략 2시간 내지 밤새 동안 60℃에서 건조시킨 후에, 포일을 오븐에서 제거하고, 스트립들로 절단하고 실험 홀더 내로 삽입하였으며; 캐소드가 부착된 이들 스트립은 카운터 전극으로 작용하였다.
실험 샘플 홀더는 준-기준(quasi-reference) 전극으로서 사용된 아연 포일의 조각, 작업 전극으로 작용하는 50 μ 티타늄 와이어에 부착된 결합된 아연 시트, 및 카운터 전극으로서 캐소드 시트가 부착된 티타늄 포일을 가졌다. 3개의 전극 모두는 탈이온수 전해질 중 1.9 M NH4Cl 및 0.63M CaCl2를 함유하는 유리 바이알(vial) 내에 함께 있었다. 5, 10, 및 100 ㎂의 펄스가 작업 전극에 인가된 상태로 30초의 개회로 주기들, 이어서 30초의 개회로 주기를 교번하는 것으로 이루어진 테스트를 3개의 샘플에 대해 수행하였다. 각각의 전극의 내부 저항을, 100 ㎂ 펄스의 시작과 끝에서의 전압 강하로부터 결정된 저항의 평균으로서 취하였다. 3개의 샘플은 101, 183, 및 145 Ω의 저항을 가졌다.
실시예 3
밀봉된 마이크로-배터리 구조
전지 구성요소 형성:
본 실시예에서 조립된 마이크로-배터리의 전지 구성요소들은 표 2에 치수 및 다른 물리적 특성에 의해 추가로 설명된다.
[표 2]
Figure pct00002
캐소드 시트 제조:
캐소드를 하기와 같이 제조한다. 먼저, 건조 분말들을 워닝 실험실 블렌더(Waring laboratory blender)를 사용하여 혼합한다. MnO2(트로녹스 미세) 및 BP2000 카본 블랙(캐보트(Cabot))을 500g:20.83g의 비(24:1)로 혼합한다.
일단 분말들이 혼합되고 나면, 이어서 그들을 PTFE와 함께 습식 블렌드로 변형시킨다. 전체 블렌드 조성물은 24.27% 건조 분말들(앞서 언급된 바와 같음), 66.50% 탈이온수, 4.86% 트리톤(Triton) X-100 용액, 및 4.37% 용액(DISP30, 60 중량% PTFE)이다. 이어서, 습식 블렌드를 진공 하에서 부흐너 깔때기(Buchner funnel)를 사용하여 여과한다.
고체 질량체가 제조된 후, 이를 보석 세공용 프레스, 파스타 롤러(pasta roller), 또는 유사물을 사용하여 반복적으로 압연하여 PTFE 체인을 더 피브릴화한다. 마지막을 제외한 각각의 압연 단계 후에, 고체 질량체를 다음 단계를 준비하도록 재구성한다.
맞춤형 동력이용 롤러 장치를 사용하여 생지(dough)를 독립형 시트로 변환한다. 재료를 롤러들을 통하여 여러 번 공급하여, 매번 재료를 그 자체 위로 되접고, 롤러들 사이의 갭(gap)을 갭이 0.12mm일 때까지 감소시킨다. 이러한 후에, 재료를 공기 건조시킨다.
캐소드가 독립형 시트의 형태로 된 후에, 이어서 이러한 시트를 (헨켈(Henkel)이 판매하는 EB-012 또는 이메리스(Imerys)가 판매하는 E-LB 1020과 같은) 접착제를 사용하여 전류 컬렉터에 부착한다. 티타늄 포일 전류 컬렉터를, 예를 들어, 비등하는 10 중량% 옥살산 용액 내에 10분 동안 침지시킴으로써, 조면화할 수 있다. 조면화 후에, 티타늄 포일을 제거하고, 탈이온수로 헹구고, 완전히 건조시킨다.
에필로그 파이버마크(Epilog FiberMark) 50W 펄스형 이테르븀 파이버 레이저를 사용하여 티타늄 포일(10 마이크로미터 두께)을 폭이 400 μm인 스트립으로 절단한다. 캐소드 재료의 스트립을 원하는 폭으로 절단하고, 일 면 상에 EB-012로 코팅한다. 캐소드 재료의 코팅된 면을 절단된 티타늄 상으로 가압한다. 그 뒤에, 레이저를 사용하여 티타늄 및 캐소드를 개별 독립형 구성요소들로 절단한다.
25 중량% 아연 아세테이트 및 0.2 중량% 암모늄 아세테이트와 나머지 물로 이루어진 전해질 겔을 제조하고, 6 중량% CMC(GA07 월로셀(Walocel))로 겔화한다.
원하는 경우, 캐소드 스트립을 세퍼레이터에 라미네이팅할 수 있다. 이를 달성하기 위하여, 티타늄 상의 캐소드 스트립을 전해질 겔로 코팅하고, 캐소드보다 약간 더 넓은 세퍼레이터의 조각(미국 사우스 캐롤라이나주 그리어 소재의 드림위버 인터내셔널(Dreamweaver International)로부터 입수가능한 25μm 두께 드림위버 실버(Dreamweaver Silver)™)을 겔화된 전해질의 상부 상에 배치한다. 캐소드와 세퍼레이터를 2조각의 FEP(불소화 에틸렌 프로필렌) 필름 사이에 배치하고, 이어서 전체 적층물을 2개의 두꺼운 황동 심(shim) 조각들 사이에 배치한다. 이어서, 캐소드 및 세퍼레이터가 기계적으로 서로 본딩되도록 아파치(Apache) AL-13P 라미네이팅 기계를 통하여 적층을 실행한다.
애노드는 레이저 또는 초음파 절단과 같은 기술을 이용하여 크기에 맞춰 절단된 아연 포일의 조각으로 이루어진다. 선택적으로, 아연은 절단하기 전에 전도성 접착제를 사용하여 조면화된 티타늄 포일의 조각에 접착할 수 있고; 조면화된 티타늄 포일은 애노드용 전류 컬렉터로서 역할을 한다. 사용되는 접착제는 아톰 어드헤시브즈(Atom Adhesives) AA-Carb 61과 같은 탄소 충전형 열경화성 수지일 수 있다. 열경화성 수지를 사용하는 경우에, 이는 아연 또는 티타늄에 적용된다. 또한, 열가소성 수지 페이스트, 잉크, 또는 코팅, 예컨대, 크리에이티브 머티리얼즈(Creative Materials)(미국 매사추세츠주 아이어 소재) 107-25를 티타늄 조각 및 아연 스트립의 일 면에 적용하고 이어서 열 및 압력을 인가하여 이들 둘을 서로 접합시키는 것이 가능하다.
일부 경우에서, 제1 전지의 경우 애노드 전류 컬렉터로서 그리고 제2 전지의 경우 캐소드 전류 컬렉터로서 작용하는 전류 컬렉터를 공유하는 직렬 상태인 2개의 전지를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 전술된 바와 같이 애노드가 전류 컬렉터의 일 부분에 부착되는 한편 캐소드는 전류 컬렉터의 타 면에 부착되어, 어느 단부 상의 베어(bare) 전류 컬렉터가 피드스루(feedthrough)를 가능하게 한다.
코팅된 필름:
코팅된 패키징 필름은 중합체 재료의 것보다 더 높은 배리어(barrier)를 갖는 필름에 인접한 중합체 필름을 지칭하며, 여기서 상기 더 높은 배리어 필름은 중합체 필름 상에 형성되거나 또는 인접 층 상에 존재한다. 세라믹 필름은 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 알루미늄, 금, 티타늄 등일 수 있고, 필름은 CVD, 스퍼터링, 플라즈마 침착, 졸-겔 등에 의해 형성될 수 있다. 선택적으로, 코팅된 필름은 초기의 높은 배리어 필름 상에 침착된 더 높은 배리어 필름 및 중합체의 교번하는 층들을 포함할 수 있다. 사용되는 패키징 필름의 바람직한 예는, 산화규소 배리어 층으로 코팅된 폴리프로필렌인 세라미스(Ceramis) CPP-004(캐나다 토론토 소재의 셀플라스트(CelPlast))이다.
전지 패키징:
대체적으로, 패키징된 전지의 상부 및 하부를 형성하는, 코팅되거나 코팅되지 않은, 중합체 필름의 2개의 조각 사이에 전지를 통상적으로 밀봉한다. 전지 제조 시 제1 단계는 캐소드 및 캐소드 컬렉터를 패키지 상에 내려놓아서 캐소드 컬렉터가 패키지 상에서 제위치에 있게 하는 것이다. 밀봉 동안 전지 구성요소들을 제자리에 기계적으로 유지시켜서, 이들이 단락을 야기하거나 밀봉 공정을 방해하도록 하지 않게 하는 것은 도움이 된다. 예를 들어, 쓰리엠(3M) 80 스프레이 접착제 또는 크라일론 이지-택(Krylon Easy-Tack)과 같은 가벼운 점착 감압 필름을 사용하여 패키징 필름들 중 하나에 전지 구성요소들을 부착할 수 있다. 밀봉 공정 동안 전지 구성요소들을 제자리에 보유하도록 몇몇 방식의 기계적 클램프를 사용하는 것을 또한 구상할 수 있다. 캐소드 및 컬렉터가 일단 제자리에 있으면, 캐소드는 전해질로 습윤된다. 캐소드를 선택적으로 절단 전에 세퍼레이터에 라미네이팅할 수 있고; 그렇지 않은 경우는, 세퍼레이터의 조각을 습윤 캐소드의 상부에 기계적으로 배치하고, 필요하다면, 더 많은 전해질을 적용한다.
이때, 애노드(및 선택적으로 애노드 컬렉터, 이 조합은 애노드 조립체로 지칭될 것임)를 이어서 전지에 부가한다. 캐소드를 전술된 바와 같이 세퍼레이터에 라미네이팅하지 않은 경우에, 애노드 조립체를 캐소드 옆에 배치할 수 있고, 전기적 단락을 방지하기 위하여 세퍼레이터에 의해 캐소드로부터 분리할 수 있다. 대안적으로, 캐소드를 세퍼레이터에 라미네이팅하든 하지 않든 간에, 애노드 조립체를 캐소드 및 세퍼레이터의 상부에 배치할 수 있다. 어느 경우든, 세퍼레이터가 캐소드보다 더 넓고(또는 캐소드가 세퍼레이터에 라미네이팅되어 있는 경우, 캐소드와 폭이 동일하고) 애노드 조립체가 캐소드보다 더 좁은 것이 바람직하다. 일단 애노드, 캐소드 및 세퍼레이터가 제위치에 있으면, 전지는 패키징의 상부 층과 함께 밀봉될 준비가 된다.
전지 패키지는 두 종류의 밀봉부 - "피드스루" 및 "측면" - 를 갖는다. 피드스루는 전지의 단축 상에 위치되는 한편, 측면은 전지의 장축 상에 위치된다(여기서, 상기 축은 직선, 아치형, 또는 어떤 다른 형상일 수 있다). 피드스루와 측면 사이의 기능적 차이는, 측면이 기밀 밀봉부로서 작용하기만 하면 되는 한편, 피드스루는 기밀 밀봉부로서 작용할 필요가 있고 또한 전기적 단자 또는 단자들이 그를 통하여 연장될 수 있게 한다는 것이다. 전지의 단축이 매우 작은 경우(예를 들어, 1.5 mm 폭 미만이지만 대체적으로 300 마이크로미터 폭 초과), 측면은 용인할 수 없는 내부 부피 손실을 방지하기 위하여 피드스루보다 더욱 더 좁을 필요가 있다. 대체적으로, 측면은, 전지의 단축의 길이에 따라, 20 μm 폭 내지 200 μm 폭일 수 있다. 동시에, 피드스루가 전류 컬렉터 둘레에 있어야 하더라도 피드스루가 기밀임을 보장하기 위하여 (건조 필름, 코팅 또는 접착제와 같은) 피드스루의 두께에 재료를 부가할 수 있다. 피드스루 밀봉부가 더 긴 길이를 차지하게 하는 것은 용인할 수 있는데, 이는 그의 위치가 대체적으로 4 mm 이상의 길이인 전지의 장축 상에 있기 때문이다.
그러한 소형 구성요소를 처리하는 경우 시임에 대한 전극의 위치설정은 중요하다. 대체적으로, 측면 시임 및 전극의 위치는 배터리의 폭의 5% 이내에 있어야 한다. 예를 들어, 1 mm 폭의 경우, 배터리 전극 및 측면 시임 위치는 약 ± 0.05 mm 미만의 허용오차를 가질 것이다. 배터리의 길이의 경우, 피드스루, 피드스루 접착제, 및 피드스루 밀봉 메커니즘을 통과하는 단자의 베어 부분의 위치의 허용오차는 대략 25%의 허용오차를 가져야 한다. 예를 들어, 1 mm 폭 밀봉부의 경우, 위치설정은 ± 0.25 mm 내에 있어야 한다. 베어 단자(캐소드 재료로 코팅되지 않은 캐소드 컬렉터, 및 애노드에 의해 덮이지 않은 애노드 컬렉터)의 폭이 피드스루 시임의 길이를 연장시켜야 한다는 것에 유의하여야 한다.
따라서, 상이한 밀봉 방법이 측면 및 피드스루를 위해 필요하다. 측면의 밀봉을 위하여, 초음파 용접이 바람직하다. 초음파 혼의 이동이 밀봉부의 벡터에 주로 수직인 채로 플라스틱의 종래 기술의 초음파 용접이 일어나고, 이는 결함인 넓은 접합부를 초래한다. 초음파 혼의 진동 운동이 패키징 재료와 동일한 평면에 대부분 있는 경우, 비교적 더 좁은 밀봉부가 달성될 수 있다.
대안적으로, 레이저 용접은 40 μm 미만의 밀봉부 폭을 생성하는 데 사용되었다.
측면 시임을 용접한 후에, 배터리 패키지들을 분리하기 위하여 측면 둘레의 패키징 필름을 절단할 필요가 있다. 일부 경우에, 측면 시임의 용접 및 절단을 동시에 할 수 있다. 예를 들어, 진동의 방향이 패키징 재료의 평면과 거의 평행한 경우에 초음파 용접을 이용하여 50 μm 미만의 밀봉부 폭으로 플라스틱 필름의 밀봉 및 절단을 동시에 할 수 있다. 벡터는 측면 밀봉부의 경우에 배터리 패키지의 길이를 따르는 밀봉의 방향에 의해 생성된다. 그러나, 소정의 경우에, 제1 단계에서 측면 시임을 밀봉하고 이어서 패키징 필름으로부터 패키징된 전지를 제거하는 다른 공정을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 제2 단계는 워터제트 절단, 초음파 절단, 레이저 절단, 툴-다이 디게이팅 등을 이용할 수 있다.
피드스루의 경우에, 패키징을 통하여 연장된 전류 컬렉터 둘레의 패키지를 완전히 차단할 필요가 있다. 활성 재료가 피드스루 영역 내로 연장되지 않기 때문에, 이러한 영역 내의 패키징에 감지가능한 두께를 추가할 수 있다. 예를 들어, 25 마이크로미터 패키징을 갖는 250 마이크로미터 두께인 전지의 경우, 대략 200 마이크로미터의 재료가 밀봉을 향상시키기 위하여 피드스루 영역에 부가될 수 있다.
제1 대안은 열 밀봉 전에 다우 하이포드(Dow Hypod), 미쓰이 케미펄(Mitsui Chemipearl), 아쿠아시일(Aquaseal) X 2088, 또는 존크릴(Joncryl)과 같은 중합체 라텍스로 전류 컬렉터 및/또는 패키징을 코팅하는 것이다. 다른 대안은 밀봉 영역에, 파스텔(Fastel)에 의해 제조되는 것과 같은, 건조 중합체 필름을 부가하는 것이다. 열 밀봉성 중합체가 또한, 분산물로서 패키징의 내부 표면에 (예를 들어, 스크린 프린팅에 의해) 적용될 수 있다. 또 다른 대안은 피드스루 영역 내의 패키징 및/또는 전류 컬렉터에 점착 필름, 예컨대, 아스팔트, 콘시일(Conseal) 1400(후지필름 헌트(Fujifilm Hunt)), 또는 헨켈 PM040을 적용하여 열 밀봉을 향상시키거나, 또는 피드스루 영역 내에 경화성 열경화성 접착제, 예컨대, 2부분 접착제, 열 경화 접착제, 또는 UV 경화 접착제를 적용하는 것이다. 일부 실시 형태에서, 측면을 용접하는 동안 피드스루를 위한 접착제를 절단할 필요가 있을 수 있고; 이는 용접 영역으로부터 오염을 제거하는 것으로 알려진 초음파 용접에 의해 달성될 수 있다. 이는 피드스루 밀봉부가, 어떠한 갭도 없이, 전지의 단자 둘레를 밀봉할 필요가 있기 때문이다.
일부 경우에, 피드스루 접착제(중합체 라텍스, 열 밀봉 필름, 점착 필름, 또는 열경화성 접착제)는 전술된 감압 접착제 전에 적용될 수 있으며, 일부 경우에는, 열 밀봉 접착제의 특성에 따라, 후에 적용될 수 있다. 경화성 접착제를 사용하는 경우에는, 열 밀봉 접착제가 일단 제위치에 있으면, 전지의 측면은 고정구를 사용하여 초음파 용접 또는 레이저 용접과 같은 기술을 이용하여 밀봉되어 측면 밀봉부로부터 전해질을 실질적으로 차단하고, 이어서 접착제를 제위치에 경화하여 피드스루를 생성할 수 있다.
실시예 4
전지 내부로 또는 외부로 물의 유입을 감소시키기 위하여, 전지와 그 주변 사이의 삼투압 차이는 감소되어야 한다. 삼투압은 모르스(Morse) 식 P = ∑inMnRT을 이용하여 근사화될 수 있는데, 여기서 P는 삼투압이고, T는 절대 온도이고, R은 이상 기체 상수이고, Mn은 혼합물의 n번째 성분의 리터당 몰 단의의 농도이고, in은 혼합물의 n번째 성분의 용해 시 얻어진 화학식 단위당 이온의 개수이다. 두 용액들 사이의 삼투압의 차이는, 앞서 정의된 바와 같이, P의 차이로서 표현될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 차이는 25 기압 미만, 또는 더 바람직하게는 11 기압 미만이어야 한다.
25 중량% 아연 아세테이트 및 0.2 중량% 암모늄 아세테이트와 탈이온수를 포함하는 나머지로 전해질 용액("스톡(stock) 용액"으로 지칭됨)을 제조하였다. 2가지 희석된 전해질 용액을 또한 생성하였는데, 이들은 6.25% 아연 아세테이트 용액(스톡 용액으로부터 1:3 비) 및 1.8% 아연 아세테이트 용액(스톡 용액으로부터 1:13 비)으로 지칭될 것이다. 배터리가 저장된 부근의 용액은 0.824 중량% 염화나트륨, 0.893 중량% 붕산, 0.23% 붕산나트륨, 및 0.01% 소듐 에틸렌다이아민 테트라아세테이트(EDTA)의 조성을 갖고 나머지가 탈이온수를 포함하는 식염수 용액이고; 이는 이하에서 "패킹 용액"으로 지칭될 것이다. 0.822 중량% 염화나트륨, 1.463 중량% 붕산, 및 0.011 중량% 붕산나트륨을 포함하는 추가의 전해질을 제조하였고, 이는 이후에 "변형 패킹 용액"으로 지칭될 것이다. 모르스 식을 이용하여 계산된 바와 같은 패킹 용액에 대한 삼투압은 아래 표 4에 주어져 있다.
상이한 용액들에 대한 테스트 결과
다양한 전해질의 성능을 수립하기 위하여 전지들을 제조하였다. 각각의 전지는 강성을 제공하기 위하여 백킹(backing)으로 카드 스톡(card stock)의 조각을 사용하였고, 패키징은 일 면 상의 0.001" 폴리에틸렌 열 밀봉성 층, 타 면 상의 48 게이지(0.0005") PET 필름, 및 이들 둘 사이 내의 0.000316" 알루미늄 포일 층으로 이루어졌다(미국 뉴욕주 브루클린 소재의 울트라 플렉스 코포레이션). 배터리의 열 밀봉을 가능하게 하기 위하여, 건조 열 밀봉성 중합체 필름의 조각(파스텔 어드헤시브 앤드 서브스트레이트 프로덕츠(Fastel Adhesives & Substrate Products))을 사용하였는데, 배터리 구성요소를 유지하도록 전지 내의 하나의 조각으로부터 9 mm × 1 mm의 창(window)을 잘라내었다. 애노드를 에필로그 파이버마크 레이저를 사용하여 0.075 mm 두께 아연으로부터 잘라내었고; 상기 애노드를 0.25 마이크로미터 폭인 스트립으로 구성하였다. 캐소드를 85 중량% MnO2, 10 중량% 카본 블랙, 및 5 중량% PTFE의 조성물로 앞서 설명된 바와 같이 제조하였다. 캐소드를 전술한 바와 같이 라미네이팅하고 티타늄 조각을 절단하였다. 이러한 테스트의 경우, 캐소드는 400 μm ± 5% 폭 × 130 μm ±5% 두께 × 8.5 mm ± 0.5 mm 길이였다. 애노드 및 캐소드를 이들이 서로 물리적 접촉 상태에 있지 않도록 건조 열 밀봉성 필름 내의 창 내로 배치하였다.
전지를 충전하기 위하여, 전해질을 부가하여 캐소드를 습윤시켰다. 상기 전해질을 1.8 내지 5 중량% 월로셀 GA07(다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company))과 혼합하여 제조한 겔화된 전해질을 부가하여 건조 필름 내의 창을 충전하였고, 열 밀봉을 이용하여 패키징 필름이 전지의 양 면 상에 있도록 전지를 패키징하였다. 전지를 VMP3(바이오 로직(Bio-Logic))를 이용하여 0.9 V의 컷오프 전압에 이르기까지의 20 ㎂ 정전류 방전의 테스트 프로토콜에 의해 테스트하였다. 배터리를 방전하기 전에 3초간 지속되는 초기 20 ㎂ 펄스로부터 얻어진 전압 강하로서 내부 저항을 측정하였다.
전기화학 데이터에 더하여, 다양한 전해질에서 예측된 유통 기한을 반정량적으로 수립하도록 가스발생 데이터를 얻었다. 에필로그 파이버마크 레이저를 이용하여 0.075 mm 두께 아연을 0.13 mm 폭 스트립들로 절단함으로써 가스발생을 얻었고, 이들을 가스발생 속도를 얻기 위하여 설계된 유리제품(glassware)에 부가하였다. 이러한 유리제품은 아연 스트립과 접촉 상태에 있는 전해질 용액으로 충전된 부피측정 플라스크로 이루어진다. 이러한 플라스크를 왁스 코팅 유리 마개로 밀봉한다. 눈금이 매겨진 섹션이 주위 대기에 개구가 노출된 부피측정 플라스크의 목(neck)에 부착되고 개방되며, 수소 가스가 방출되는 경우, 이는 왁스-충전 섹션 아래로 수집되고, 이는 전해질을 눈금이 매겨진 섹션 내로 위로 밀어서, 눈금이 매겨진 섹션 내의 전해질의 위치를 여러 시간에 측정함으로써 가스발생 속도가 결정되게 한다. 플라스크의 넓은 부분을 45℃로 유지된 가열된 조(bath) 내에 보유하고, 가스발생 속도를 눈금이 매겨진 섹션 내의 전해질의 상승에 기초하여 결정하였다. 아연 부식이 탄소-아연 배터리의 유통 기한에 영향을 미치는 주요 요인들 중 하나이기 때문에, 가스발생 속도는 아연 부식이 유통 기한을 제한하는 주요 인자인 것을 상정하면 유통 기한 대신 취해질 수 있다.
데이터가 아래 표 3에 요약되어 있다. 캐소드가 용량을 제한하는 전극이기 때문에, 데이터는 400 μm × 8 mm × 130 μm의 캐소드 크기에 대해 부피측정으로 정규화된다. 각각의 데이터 포인트는 테스트된 10개의 전지의 평균이다. 특히, 아연 아세테이트를 함유하는 그들 용액의 경우, 농도를 감소시킴에 따라 pH는 증가하는 한편 가스발생 속도가 감소하고, 실질적인 용량은 유지된다. 더욱이, 아연이 없는 경우에도, 패킹 용액 및 변형된 패킹 용액에서 가스발생은 낮다.
[표 3]
Figure pct00003
예시적인 성분 조성
매우 다양한 조성물들을 전기화학 배터리 전지에 사용할 수 있다. 전기화학적 호환성을 위하여, 그리고 전기화학 전지의 최종 사용을 위하여 성분들의 임의의 조합을 선택할 것이다. 예를 들어, 생체적합성이 요구되는 경우, 성분들을 그에 따라서 선택할 것이다.
관리 기관에 의한 의료용 디바이스의 승인은 생체적합성 평가가 디바이스 또는 재료의 안전을 보장하도록 수행될 것을 요구하고 있다. 따라서, 생체적합성 분류는, ISO 10993의 "의료용 디바이스의 생물학적 평가(Biological Evaluation of Medical Devices)", 및 일본 후생노동성(Japan Ministry of Health, Labour and Welfare, MHLW)의 "의료용 디바이스의 생물학적 안전성을 평가하기 위한 테스트 방법(Testing Methods to Evaluate Biological Safety of Medical Devices)", 사무실 의료용 디바이스로부터의 고시(Notice from Office Medical Devices)를 포함하여, 소정 지침에 따라서 테스트함으로써 얻어진다. 디바이스의 생체적합성 테스트는 디바이스가, 직접 또는 그의 재료 구성성분의 방출을 통하여, (i) 유해한 국소적 또는 전신적 효과를 생성하지 않아야 하거나; (ii) 발암성이지 않아야 하거나; 또는 (iii) 유해한 생식 및 발달 효과를 생성하지 않아야 한다는 것을 입증하려는 의도이다. 일부 재료는 출간된 문헌 및 시장에서 화학적 및 물리적으로 잘 특징지어져 왔고 안전한 사용의 오랜 이력을 가지고 있다. 이러한 재료는 생체적합성으로 간주될 수 있고 따라서 바람직하다. 의료용 디바이스 배터리에 사용되는 재료는, 접촉, 예를 들어, 사고 또는 배터리의 부적절한 밀봉으로 인한 배터리로부터의 누설에 의해 인간의 눈에 영향을 미칠 수 있다. 생체적합성 재료의 사용은 누출 또는 침출 재료가 눈이나 다른 사람의 조직과 접촉할 경우에 발생하는 그러한 합병증의 어떠한 위험도 최소화한다.
애노드는 전기화학 배터리 반응에서 산화되는 전극 구성요소이다. 일 실시 형태에서, 애노드는 연속적인 와이어 또는 얇은 원통의 형태인 활성 성분으로서 아연을 포함한다. 아연은, 바람직하게는 배터리 내에서 부식 및 다른 바람직하지 않은 부반응을 촉진하는 것으로 당업자가 대체적으로 이해하는 불순물이 없다는 점에서 배터리 등급이다. 아연은 또한, 유통 기한을 증가시키기 위하여 비스무트, 인듐, 칼슘, 또는 알루미늄과 같은 합금으로 합금될 수 있다. 소량의 납이 또한 효과적인 아연 합금 재료로 알려져 왔다. 비생체적합성으로 생각되지만, 납은 아연 입계 내에 머무르면서 전해질에 용해되지 않는다. 따라서, 이러한 첨가된 납은 생체적합성 문제를 일으키지 않을 수 있다. 애노드 와이어는 또한, 애노드로부터 흐르는 전자를 수집하고 그를 전기화학 배터리 전지 외부로 수송하는 작용을 한다. 이러한 이중 역할을 달성하기 위하여, 여분의 애노드는 바람직하게는 배터리에 부가되어 애노드가 연속적으로 남아있는 것을 보장한다. 실시예 2에서 보여주는 바와 같이 아연 분말은 대안적인 애노드 재료로서 사용될 수 있다.
캐소드는 전기화학 배터리 반응에서 감소되는 전극 구성요소이며, 전기화학 배터리 전지가 부하를 갖는 회로에 배치되는 경우, 캐소드는 회로로부터 전자를 끌어들인다. 바람직한 캐소드 재료는, 캐소드 믹스를 형성하도록 전도체 첨가제 및 결합제와 혼합되는 이산화망간일 수 있다. 이는 전기화학 배터리 전지의 용량을 최대화하고 캐소드의 필요한 크기를 줄이기 위한 만큼의 이산화망간을 캐소드 믹스 내에 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 전기화학 배터리 전지 내의 캐소드의 양은 애노드 및 그의 활성량 대하여 결정된다. 전지 반응이 원하는 기간 동안 달성될 수 있도록 애노드 및 캐소드 각각의 몰량이 결정된다. 캐소드의 형태는 일 실시 형태에서 평면이지만, 대안적인 실시 형태에서는 원통형일 수 있다. 원통형 캐소드는 압출되거나 그와 달리 형성되는 동안 형상화될 수 있다.
전도체는 캐소드 입자들 사이에서 그리고 캐소드 전류 컬렉터로부터 그리고 그로의 전자 흐름을 가능하게 하는 데 사용된다. 전도체의 양은 바람직하게는, 여분의 전도체를 추가하는 것에 이익이 거의 없으므로, 이러한 일을 수행하도록 최소화된다. 적절한 전도체는 흑연, 팽창 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 및 당업자에게 알려진 다른 전도체이다. 바람직하게는 아세틸렌 블랙이 본 발명에 사용되는 데, 이는 캐소드 믹스에 원하는 수준의 전해질 흡수율을 제공하기 때문이다.
전기화학 배터리 전지의 수명 전체에 걸쳐 캐소드에 구조를 제공하도록 결합제가 캐소드 믹스에 사용된다. 이러한 구조를 제공하는 결합제의 능력은 전해질에 의해 또는 이산화망간의 팽창에 의해 변경되지 않아야 한다. 바람직한 결합제는 캐소드 믹스의 혼합 동안 피브릴화될 수 있는 미립자 테플론(Teflon)® (PTFE) 에멀젼을 포함한다.
캐소드 믹스는 캐소드 컬렉터와 전기적으로 연통하고, 캐소드 컬렉터의 목적은 캐소드로 그리고 그로부터 전자를 전기적으로 연통시키는 것 및 전기화학 배터리 전지에 구조를 또한 제공하는 것 둘 모두이다. 티타늄 와이어가 캐소드 컬렉터에 대한 바람직한 구조인데, 이는 적절히 전도하고 작은 직경으로 필요한 강성을 갖기 때문이다. 티타늄 메시, 티타늄 리본, 팽창된 메시, 편조된 와이어 모든가 대안적인 캐소드 컬렉터 재료이다.
전해질은 반응성 전극 재료와의 호환성을 위하여 선택된다. 아연 애노드 및 이산화망간 캐소드의 경우, 르클랑셰 전해질 또는 염화암모늄 NH4Cl 용액, 염화아연 ZnCl, 아연 아세테이트 및 이들의 혼합물이 일 실시 형태이다. 희석 용액의 경우, 염화아연의 용해도 거동으로 인해, 아연 아세테이트 및 선택적으로 다른 아세테이트, 예컨대, 암모늄 아세테이트를 함유하는 아세테이트 전해질이 바람직하다. 붕산나트륨, 붕산, 및 소듐 에틸렌다이아민 테트라아세테이트와 같은 첨가제를 함께 갖는 염화나트륨 NaCl, 염화마그네슘 MgCl2 및 염화칼륨 KCl 용액과 같은 식염수가 대안적으로 사용될 수 있다. 겔화된 전해질의 경우, 카르복시메틸 셀룰로스, 한천, 또는 대안적인 겔화제가 사용될 수 있다. 겔화제는 전해질이 유용한 위치에, 즉 애노드와 캐소드 사이에서, 전지 내에 유지되도록 전해질의 점도를 증가시키는 것이다.
겔화된 전해질은 전기화학 배터리 전지의 전지 내부 전체에 걸쳐 위치될 수 있고, 가장 바람직하게는 미리결정된 거리만큼 서로에 대해 배치되는 애노드와 캐소드 사이에 위치된다. 이러한 미리결정된 거리는 당업자에 의해 계산될 수 있지만, 그 거리는 서로 접촉하는 애노드 및 캐소드에 의해 기인되는 단락을 방지하기 위하여 필요한 허용오차를 허용하여야 한다. 전극들 사이에 세퍼레이터 또는 다른 물리적 배리어가 없기 때문에, 본 실시 형태에서는 실제 거리가 필요하다. 겔화된 전해질 점도는 전극들의 이동을 방지하도록 작용하고 전극들 둘 사이의 그의 배치는 이온 연통을 가능하게 하도록 그리고 전극들의 서로를 향하는 이동을 방지하도록 작용한다. 겔화된 전해질은 또한 전극 둘레의 물리적인 배리어를 제공함으로써 생체적합성을 향상시킬 수 있다. 전극으로부터 이동하는 입자는 겔화된 전해질 내에 포획되고 전기화학 배터리 전지로부터 멀리 또는 다른 전극을 향하여 이동하는 것이 방지된다. 다른 실시 형태에서, 얇은 배리어는 상대 접촉을 방지하기 위하여 애노드와 캐소드 사이에 배치될 수 있다. 얇은 배리어는 세퍼레이터 재료 또는 이온 전도성 및 전기 절연성 재료로 제조될 수 있다.
생성된 전자를 애노드로부터 전기화학 배터리 전지의 음의 단자로의 전기적으로 수송할 수 있도록 애노드 탭이 애노드에 기계적으로 연결될 수 있다. 이러한 목적을 위하여 아연 와이어의 팽창을 이용하면 부식되거나 그와 달리 생체적합성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 티타늄 또는 다른 내부식성 전도성 재료가, 필요한 외부 전자 도관을 제공하기 위하여 임의의 패키징 재료를 통하여 애노드를 연장하기에 적절하다.
전기화학 배터리 전지는, 유통 기한을 향상시키도록, 전지 내로 그리고 그 외부로의 이온, 산소, 및 물의 이동을 제한하도록, 그리고 생체적합성을 보장하도록 전지 구성요소를 봉입하도록 패키징 재료 내에 봉입될 수 있다. 패키징 재료가 불활성이고 배터리의 성능에 있어서 제 역할을 하지 않기 때문에, 재료의 두께 및 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 불활성이고 전지 반응을 간섭하지 않는 재료가, 패키징을 필연적으로 관통하여 패키징으로부터 돌출하는 단자 전극의 밀봉을 가능하게 하면서 전체 전기화학 배터리 전지 둘레에 연속적 외측부로 용이하게 형성되는 재료인 것과 같이 또한 바람직하다. 패키징 재료는 또한 바람직하게는 고속 제조 공정에 의해 용이하게 형성 및 밀봉된다. 패키징 재료의 착색이 또한 바람직할 수 있고, 이러한 필요사항은 패킹 재료의 선택에 정보를 제공할 수 있다. 폴리프로필렌이 열, 초음파 및 레이저 용접을 포함하는 다양한 공정을 통하여 용이하게 용접가능하다는 점에서 패키징 재료로서 바람직하다. 더욱이, 폴리프로필렌은 다양한 두께 및 밀도로 이용가능하고 접착-본딩가능하다. 더욱이, 폴리프로필렌은 바람직한 전해질 조성에 대해 영향을 받지 않고 생체적합성에 기여할 것이다. 폴리우레탄, 폴리비닐피롤리돈, 실리콘 탄성중합체, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리-(p-페닐렌테레프탈아미드), 폴리비닐 클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트(폴리메타크릴레이트 포함)와 같은 대안적인 생체적합성 중합체.
패키징 재료의 외측 표면 또는 배터리 외측부는 또한, 추가로 그를 생체적합성으로 만들기 위하여 코팅될 수 있다. 적절한 생체적합성 코팅은 포스포릴콜린 및 폴리-파라-자일릴렌, 예컨대, 파랄렌 C를 포함한다.
패키징 재료로서 사용되는 코팅 필름은, 배터리의 물리적 무결성을 유지하도록 작용하는 것에 더하여, 적어도 2가지의 배리어 기능을 제공하여야 한다. 필름은, 배터리가 액체에 의해 둘러싸인 경우에 전해질 이온의 손실을 방지하기 위하여, 염 이온의 이동을 방지하여야 한다. 필름은 또한, 배터리의 팽창을 방지하기 위하여 물 수송을 지연하여야 한다. 배터리가 사용 전에 밀봉된 패키지 내에 봉입되는 경우에, 산소 수송의 방지가 중요한 요구는 아니지만, 당업자는 수분 수송을 지연하는 데 사용되는 동일한 종류의 코팅이 또한 실질적으로 산소 수송을 지연시킬 것이라는 점을 인식할 것이다.
패키징 산업에서, 물에 대한 침투성은 일정한 온도를 유지하는 동안, 배리어 필름의 일 면을 주어진 상대 습도에 노출시키면서 타 면을, 예를 들어 건조 공기로 퍼징하여, 건조 상태로 유지함으로써, 그리고 주어진 온도 및 상대 습도에서 질량/면적*시간의 단위에 의해 수증기 투과율(WVTR)의 항으로 표현되는, 제어된 상대 습도를 갖는 면으로부터 건조 면으로 필름을 가로질러 전달되는 물을 측정함으로써 통상적으로 측정된다. 예를 들어, 단위는, 섭씨 단위의 온도 및 상대 습도에서 g/m2-day로서 표현될 수 있다. 바람직한 실시 형태의 경우, 패키징의 WVTR은 1 g/m2-day 미만, 더 바람직하게는 0.1 g/m2-day 미만, 또는 더욱 더 바람직하게는 0.02 g/m2-day 미만이어야 하고, 여기서 상기 WVTR은 85% 내지 100% 상대 습도 및 20℃ 내지 40℃에서 측정된다. 이러한 테스트를 수행하기 위한 설비는, 예를 들어, 모콘 인크.(MOCON Inc.)(미국 미네소타주 미네아폴리스 소재)로부터 입수가능하다.
그러나, 종래의 WVTR 측정이 배리어 필름에 수직으로의, 즉 존재할 수 있는 어떠한 배리어 코팅을 통한, 수분 수송만을 측정할 것이라는 점에 유의해야 한다. 그러나, 밀봉된 패키지를 고려하면, 수분이 시임을 통하여, 즉 배리어 필름의 평면에 평행하게, 수송될 수 있다. 이는 패키지의 시임이 특히 좁은, 예를 들어 100 마이크로미터 미만의 폭인 경우에 특히 적합하다. 따라서, 코팅보다는 오히려, 중합체 필름 자체의 배리어 특성이, 특히 매우 작은 배터리의 경우, 예를 들어, 패키지가 0.5 ㎠ 이하의 표면적을 갖는 배터리의 경우, 배터리 내외로의 전체 수분 수송에 대한 적지 않은 기여를 할 수 있는, 측면 시임의 수송 거동을 좌우한다. 그러므로, 중합체의 WVTR은 25 마이크로미터의 두께, 20℃ 내지 40℃의 온도, 및 85 내지 100%의 상대 습도에서 10 g/m2-day 미만, 또는 더 바람직하게는 5 g/m2-day 미만인 것이 바람직하다.
패키징 재료에 대한 밀봉 방법은 설명된 초음파 및 레이저 빔 용접을 포함한다. 대안적인 밀봉 방법은 열 용접 및 생체적합성 접착제의 사용을 포함한다.
본 발명이 그의 소정의 바람직한 실시 형태에 따라 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 그 내에서의 많은 변형 및 변경이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 당업자에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 여기에서 보여준 실시 형태를 설명하는 상세사항 및 수단들에 의해서가 아니라 단지 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것이 의도되는 것이다.
또한, 변형 및 수정이 본 발명의 개념을 벗어나지 않고서 전술된 구조를 중심으로 이루어질 수 있음을 이해하여야 하고, 더욱이 하기 청구범위가 그들의 언어에 의해 달리 분명히 언급하고 있지 않는 한 이들 청구범위에 의해 이러한 개념들이 포함되려는 것임을 이해하여야 한다.

Claims (27)

  1. 생체적합성 전지 구성요소를 포함하는 전기화학 마이크로-배터리로서, 상기 생체적합성 전지 구성요소는
    제1 벡터를 따라 연장되는 애노드(anode);
    상기 제1 벡터에 대체로 평행한 제2 벡터를 따라 연장되고, 상기 애노드로부터 미리결정된 공간만큼 떨어져 배치된 대체로 평면인 캐소드(cathode);
    상기 캐소드와 전기적 접촉 상태에 있고 상기 제2 벡터를 따라 연장된 캐소드 컬렉터(collector);
    상기 애노드 및 상기 캐소드를 대체적으로 둘러싸서 위치되고 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 이온 전도성을 제공하도록 상기 미리결정된 공간 내에 위치된 전해질; 및
    상기 애노드, 상기 캐소드, 상기 캐소드 컬렉터 및 상기 전해질을 대체적으로 둘러싸는 가요성 패키징을 포함하고,
    상기 애노드는 상기 패키징을 통하여 상기 제1 벡터를 따라 연장되고, 상기 캐소드 컬렉터는 상기 패키징을 통하여 상기 제2 벡터를 따라 연장된, 전기화학 마이크로-배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 벡터 및 상기 제2 벡터 둘 모두는 아치형이고, 상기 제1 벡터 및 제2 벡터는 서로 동심인, 전기화학 마이크로-배터리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캐소드 컬렉터는 상기 캐소드 내에 위치된, 전기화학 마이크로-배터리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드의 두께는 상기 캐소드의 두께와 동일하여, 상기 전기화학 전지의 두께가 상기 패키징의 두께에 더한 상기 애노드의 직경과 동일하게 하는, 전기화학 마이크로-배터리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학 전지에 직렬로 연결된 제2 전기화학 전지를 추가로 포함하고, 상기 전기화학 전지의 애노드는 상기 제2 전기화학 전지의 캐소드 컬렉터에 전기적으로 연결되고, 상기 전기화학 전지의 패키징과 상기 제2 전기화학 전지의 패키징은 접합되어 연속적 패키지(contiguous package)를 형성하는, 전기화학 마이크로-배터리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 애노드 전류 컬렉터를 추가로 포함하고, 상기 애노드와 상기 애노드 전류 컬렉터는 전기적 연통 상태로 본딩되고, 상기 애노드 및 상기 애노드 전류 컬렉터는 제1 적층 배열체로 상기 제1 벡터를 따라 연장되도록 위치되고, 상기 캐소드와 상기 캐소드 전류 컬렉터는 전기적 연통 상태로 본딩되고, 상기 캐소드 및 상기 캐소드 전류 컬렉터는 제2 적층 배열체로 상기 제2 벡터를 따라 연장되도록 위치된, 전기화학 배터리.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 적층 배열체와 상기 제2 적층 배열체는 서로에 대해 상기 미리결정된 공간만큼 분리된, 전기화학 배터리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 적층 배열체와 상기 제2 적층 배열체 사이에 위치된 세퍼레이터(separator)를 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학 전지에 직렬로 연결된 제2 전기화학 전지를 추가로 포함하고, 상기 전기화학 전지의 애노드는 상기 전기화학 전지의 애노드와 전기적 연통 상태에 있는 애노드 컬렉터를 추가로 포함하고, 상기 애노드 컬렉터는 상기 전기화학 전지 외부로 연장되고 상기 제2 전기화학 전지 내로 연장되며, 상기 애노드 컬렉터는 상기 제2 전기화학 전지의 캐소드에 전기적으로 연결되고, 상기 전기화학 전지의 패키징과 상기 제2 전기화학 전지의 패키징은 접합되어 연속적 패키지를 형성하는, 전기화학 마이크로-배터리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리의 부피는 3 세제곱밀리미터(3.0 ㎣) 이하인, 전기화학 배터리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 애노드 전류 컬렉터를 추가로 포함하고, 상기 애노드는 상기 전류 컬렉터에 인접하게 위치된, 전기화학 배터리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 상기 제1 벡터를 따라 연장된 길이, 및 상기 제1 벡터에 수직으로 연장된 폭 및 두께를 갖고, 상기 폭은 상기 두께보다 크고, 상기 길이 대 상기 폭의 비는 20 대 1(20:1) 초과인, 전기화학 배터리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드는 상기 제2 벡터를 따라 연장된 길이, 및 상기 제2 벡터에 수직으로 연장된 폭 및 두께를 갖고, 상기 폭은 상기 두께보다 크고, 상기 길이 대 상기 폭의 비는 10 대 1(10:1) 초과인, 전기화학 배터리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질은 아연 아세테이트를 포함하는, 전기화학 배터리.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질의 pH는 6 내지 8인, 전기화학 배터리.
  16. 제14항에 있어서, 상기 전해질 중 상기 아연 아세테이트의 농도는 상기 전해질의 10 중량 퍼센트(10 중량%) 미만을 포함하는, 전기화학 배터리.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키징은 식염수 용액과 이온 연통 상태로 위치된, 전기화학 배터리.
  18. 제17항에 있어서, 패키징은 금속 산화물로 코팅된, 전기화학 배터리.
  19. 제17항에 있어서, 상기 전해질의 삼투압과 상기 식염수 용액의 삼투압 사이의 차이는 10 기압(10 atm) 미만인, 전기화학 배터리.
  20. 제17항에 있어서, 상기 패키징의 수증기 투과율은 85 내지 100% 상대 습도 및 섭씨 20 내지 40도에서의 측정 시 1 g/m2-day 미만인, 전기화학 마이크로-배터리.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드는 아연을 포함하고, 상기 캐소드는 이산화망간을 포함하는, 전기화학 배터리.
  22. 제21항에 있어서, 상기 애노드 전류 컬렉터 및 상기 캐소드 전류 컬렉터는 티타늄을 포함하는, 전기화학 배터리.
  23. 제21항에 있어서, 상기 애노드는 아연 분말 및 상기 배터리의 길이를 연장하는 아연 물품(article) 둘 모두를 포함하고, 상기 아연 분말은 상기 아연 물품과 전기적 연통 상태에 있는, 전기화학 배터리.
  24. 마이크로-배터리의 제조 방법으로서,
    길이 및 두께를 갖고 상기 길이 대 상기 두께의 비가 50:1 이상인 캐소드를 형성하는 단계;
    캐소드 조립체를 형성하기 위하여 상기 캐소드의 길이를 연장하는 캐소드 컬렉터에 상기 캐소드를 부착하는 단계;
    길이 및 두께를 갖고 상기 길이 대 상기 두께의 비가 50:1 이상인 애노드를 형성하는 단계;
    상기 캐소드와 애노드 사이에 이온 연통을 가능하게 하도록 상기 애노드 및 상기 캐소드 조립체 둘 모두의 둘레에 수성 전해질을 분배하는 단계;
    상기 캐소드 조립체, 상기 전해질 및 상기 애노드를 열가소성 패키징의 제1 및 제2 부분 내에 배치하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 부분은 모든 상기 전해질, 상기 캐소드 조립체의 일부 및 상기 애노드의 일부를 에워싸서 배터리 내부를 형성하는데, 상기 배터리 내부는 상기 배터리 내부의 면들에 의해 경계지어지고, 상기 캐소드 조립체 및 애노드의 단부 부분이 상기 마이크로-배터리의 제1 및 제2 단부 둘 모두에서 상기 배터리 내부의 외부로 연장될 수 있게 하는 것은 제외되는, 상기 배치하는 단계;
    상기 배터리 내부 면들의 길이를 따라 상기 패키징의 제1 및 제2 부분을 가열함으로써 상기 배터리 내부를 밀봉하고, 상기 연장된 애노드 및 캐소드 조립체 둘레에서 상기 패키징을 밀봉함으로써 상기 마이크로-배터리의 제1 및 제2 단부에서 상기 배터리 내부를 밀봉하는 단계; 및
    상기 밀봉된 마이크로-배터리 외부의 패키징을 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-배터리의 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 패키징의 제1 및 제2 부분을 초음파 용접기 내에 배치하는 단계를 추가로 포함하고; 상기 밀봉하는 단계에서, 상기 초음파 용접기는 상기 배터리 내부 둘레에서 상기 패키징의 제1 및 제2 부분을 밀봉하고, 상기 제거하는 단계에서, 상기 초음파 용접기는 밀봉부에서 상기 패키징을 절단하는, 마이크로-배터리의 제조 방법.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 애노드와 캐소드 사이에 세퍼레이터를 삽입하는 단계를 추가로 포함하는, 마이크로-배터리의 제조 방법.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드를 애노드 컬렉터에 부착하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 배치하는 단계에서, 상기 애노드 컬렉터는 상기 마이크로-배터리의 제1 및 제2 단부 둘 모두에서 상기 배터리 내부의 외부로 연장되도록 위치되는, 마이크로-배터리의 제조 방법.
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