KR20180125436A - 배터리 시스템 - Google Patents
배터리 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20180125436A KR20180125436A KR1020187013037A KR20187013037A KR20180125436A KR 20180125436 A KR20180125436 A KR 20180125436A KR 1020187013037 A KR1020187013037 A KR 1020187013037A KR 20187013037 A KR20187013037 A KR 20187013037A KR 20180125436 A KR20180125436 A KR 20180125436A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrolyte
- anode
- housing
- cathode
- thickness
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 115
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 33
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N lithium oxide Chemical compound [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229920006122 polyamide resin Polymers 0.000 claims description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 7
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 6
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 claims description 5
- 229920006479 PA612-GF33 Polymers 0.000 claims description 4
- 229920006102 Zytel® Polymers 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 4
- 239000010405 anode material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N Sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 230000004064 dysfunction Effects 0.000 description 3
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 3
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 3
- 229910000873 Beta-alumina solid electrolyte Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000032953 Device battery issue Diseases 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229920004798 ULTEM® 9085 Polymers 0.000 description 1
- BNOODXBBXFZASF-UHFFFAOYSA-N [Na].[S] Chemical compound [Na].[S] BNOODXBBXFZASF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000000080 wetting agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
- H01M10/39—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
- H01M10/3909—Sodium-sulfur cells
- H01M10/3918—Sodium-sulfur cells characterised by the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/058—Construction or manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
- H01M10/39—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
- H01M10/3909—Sodium-sulfur cells
- H01M10/3963—Sealing means between the solid electrolyte and holders
-
- H01M2/08—
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
- H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/183—Sealing members
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
배터리 시스템들, 및 그것들을 제조하기 위한 방법들이 개시된다. 배터리 시스템은 애노드, 캐소드, 및 전해질의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 전해질은 고형이고, 밀도가 높으며, 얇을 수 있다. 전해질은 비평면 기하학적 구조, 이를테면 동심원 형태 원통형 기하학적 구조 또는 나선형 기하학적 구조로 구성될 수 있다. 전극 대 전극 접촉이 방지되도록 애노드, 캐소드, 및 전해질의 일부를 둘러싸는 하우징에 실런트가 적용될 수 있다. 배터리 시스템을 제조하는 방법은 전극을 형성하는 물질들을 초음파 처리하는 단계 및 층들에서의 물질들을 큐어링시키는 단계를 포함할 수 있다. 애노드 및 캐소드 물질들이 전해질에 적용되고 하우징으로 둘러싸인다. 애노드 및 캐소드 간 접촉이 금지되도록 실런트가 적용된다.
Description
관련 출원
본 가 출원은 2015년 10월 8일에 출원된, "Electrochemical Storage Battery with an Ultra-Thin Membrane(초박막을 갖는 전기화학 축전지)"라는 명칭의 미국 특허 가 출원 62/238,698에 대한 우선권을 주장하며, 이는 이에 의해 그 전체가 참조로 통합된다.
배터리들은 많은 적용예에서 에너지를 저장하고 전기를 전달할 수 있는 능력을 제공한다. 적용예들 이를테면 항공 우주 및 자동차에서의 배터리들의 사용은 현재 배터리 기술들의 몇몇 한계를 강조한다. 이러한 한계들은 몇 가지 예로 들자면, 많은 양의 에너지를 필요로 하는 적용예들에 대한 에너지 밀도 제한, 충전/방전 사이클링으로부터의 배터리 수명 감소, 큰 배터리 질량, 높은 동작 온도, 및 전해질 기능 부전을 포함한다. 이러한 제한들 중, 전극 대 전극 접촉이 일어나도록 하는 전해질 크래킹이 가장 흔한 기능 부전 유형들 중 하나를 나타낸다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전해질을 보다 오래가게 하기 위해 저 밀도의 두꺼운 전해질이 사용되어왔다. 그러나, 저 밀도의 두꺼운 전해질은 내부 저항 및 동작 온도를 증가시키며, 이는 배터리 성능을 떨어뜨린다. 추가적으로, 통상적인 배터리들은 단순 평면 기하학적 구조를 채용하며, 이는 소정의 적용예들에 대해 성능 및 맞춤화를 제한한다.
이와 같이, 위에서 설명된 배터리들은 몇몇 결점을 갖는다. 예를 들어, 상대적으로 두꺼운 전해질은 보다 높은 동작 온도를 야기하고 배터리가 사용될 수 있는 적용예들의 다양성을 제한한다.
상세한 설명이 첨부한 도면들을 참조하여 아래에 제시된다. 도면들에서, 참조 부호의 제일 왼쪽 숫자(들)는 참조 부호가 처음 보이는 도면을 식별한다. 상이한 도면들에서 동일한 참조 부호들의 사용은 유사한 또는 동일한 항목들을 나타낸다. 첨부한 도면들에 도시된 장치들은 일정한 비율로 그려지는 것은 아니고 도면들 내 구성요소들은 서로 일정하지 않은 비율로 도시될 수 있다.
도 1은 예시적인 배터리 시스템의 측, 단면도를 예시한다.
도 2는 예시적인 배터리 시스템의 사시도를 예시한다.
도 3은 예시적인 배터리 시스템의 상부, 단면도를 예시한다.
도 4는 예시적인 배터리 시스템의 측, 단면도를 예시한다.
도 5는 다른 예시적인 배터리 시스템의 측, 단면도를 예시한다.
도 6은 다른 예시적인 배터리 시스템의 상부, 단면도를 예시한다.
도 7은 예시적인 배터리 시스템을 제조하는 방법의 흐름도를 예시한다.
도 1은 예시적인 배터리 시스템의 측, 단면도를 예시한다.
도 2는 예시적인 배터리 시스템의 사시도를 예시한다.
도 3은 예시적인 배터리 시스템의 상부, 단면도를 예시한다.
도 4는 예시적인 배터리 시스템의 측, 단면도를 예시한다.
도 5는 다른 예시적인 배터리 시스템의 측, 단면도를 예시한다.
도 6은 다른 예시적인 배터리 시스템의 상부, 단면도를 예시한다.
도 7은 예시적인 배터리 시스템을 제조하는 방법의 흐름도를 예시한다.
개요
본 개시 내용은 예시적인 배터리 시스템들 및 그것들을 제조하는 방법들을 설명한다.
본원에 설명된 배터리 시스템들은 예를 들어, 고형의, 밀도가 높은, 얇은 전해질을 사용함으로써, 에너지 밀도를 높이고, 배터리 질량, 동작 온도 및 전해질 기능 부전을 감소시킨다. 배터리 시스템들은 선택적 레이저 소결 또는 광조형법을 사용하며 제조될 수 있으며, 이는 다양한 고유한 배터리 구성 이를테면 동심원 형태 원통형 및 나선형 기하학적 구조를 가능하게 할 수 있다. 다른 구성들, 이를테면, 예를 들어, 동심원 형태 타원들, 삼각형들, 사각형들, 및 다른 다각형 형상들이 또한 사용될 수도 있다. 그에 따라, 현재 개시된 배터리 시스템들을 사용하는 것의 이점들 중 몇몇은 이에 제한되지는 않지만 소정의 적용예들에 대해 보다 긴 배터리 수명, 증가되는 에너지 축적, 및 맞춤화 가능한 구성을 포함한다.
하나의 예에서, 시스템은 하나 이상의 애노드 및 하나 이상의 캐소드를 포함할 수 있다. 애노드들 및 캐소드들은 액체 상태 또는 부분적으로 액체 상태로 있을 수 있다. 고체일 수 있는 전해질은 애노드 및 캐소드 사이에 배치될 수 있다. 전해질은 상대적으로 밀도가 높을 수 있다, 이를테면, 예를 들어, 이론적인 밀도의 적어도 95%일 수 있다. 추가적으로, 전해질은 애노드 또는 캐소드 두께의 1/10 이하인 두께를 가질 수 있다. 하우징은 애노드, 캐소드, 및 전해질의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 예들에서, 애노드, 전해질, 및 캐소드의 두 개 이상의 층이 존재할 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템은 각각이 동심원 형태 원통형 기하학적 구조를 갖는 두 개 이상의 층으로 구성되는 고체 전해질을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 층 중 적어도 하나에 대해, 애노드로서 기능하는 제1 물질은 전해질의 제1 측 상에 배치될 수 있고 캐소드로서 기능하는 제2 물질은 전해질의 제2 측 상에 배치될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 배터리 시스템을 제조하는 방법은 예를 들어, 초음파 진동에 의해, 알파-알루미나 분말, 산화 나트륨 분말, 및 산화 리튬 분말 중 하나 이상을 포함할 수 있는 조성을 초음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 층들에서의 상기 조성을 큐어링시켜 고체 전해질을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 전해질은 예를 들어, 10 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다. 상기 큐어링은 예를 들어, 선택적 레이저 소결 또는 광조형법에 의해 수행될 수 있다. 상기 방법은 또한 애노드로서 기능하는 제1 물질을 상기 전해질의 제1 측에 적용하는 단계 및 캐소드로서 기능하는 제2 물질을 상기 전해질의 제2 측에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 하우징 내에 상기 애노드, 상기 캐소드, 및 상기 전해질의 제1 부분을 둘러싸는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 하우징은 상기 전해질의 제2 부분이 홈들을 통해 상기 하우징의 외부로 연장될 수 있도록 사이징된 상기 홈들을 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 방법은 상기 전해질의 상기 제2 부분이 상기 실런트에 의해 적어도 부분적으로 커버되도록 상기 하우징의 상기 외부에 실런트를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 실런트는 상기 캐소드 및 애노드 사이에 장벽 또는 부분적 장벽으로서 기능할 수 있다.
본 개시 내용은 본원에 개시된 시스템들 및 방법들의 구조, 기능, 제조, 및 사용의 원리들의 전반적인 이해를 제공한다. 본 개시 내용의 하나 이상의 예가 첨부한 도면들에 예시된다. 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들은 본원에 구체적으로 설명되고 첨부한 도면들에 예시된 시스템들 및 방법들이 비-제한적인 실시예들이라는 것을 이해할 것이다. 하나의 실시예와 관련하여 예시되거나 설명된 특징들은 시스템들 및 방법들 사이로서를 포함하여, 다른 실시예들의 특징들과 조합될 수 있다. 그러한 변형들 및 변경들은 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
추가 세부사항들이 아래에서 몇몇 예시적인 실시예를 참조하여 설명된다.
예시적인 배터리 시스템들
도 1은 배터리 시스템(100)의 예를 예시한다. 시스템(100)은 하나 이상의 애노드(102) 및 하나 이상의 캐소드(104)를 포함할 수 있다. 도 1에는 예로서 네 개의 애노드(102(a)-102(d))가 도시된다. 도 1에는 예로서 세 개의 캐소드(104(a)-104(c))가 도시된다. 보다 많거나 적은 애노드(102) 및/또는 캐소드(104)가 존재할 수 있다. 애노드들(102) 및 캐소드들(104)은 액체 상태 또는 부분적으로 액체 상태로 있을 수 있다. 애노드들(102)은 제1 두께를 가질 수 있고 캐소드들(104)은 제2 두께를 가질 수 있다. 시스템(100)은 또한 하나 이상의 전해질(106)을 포함할 수 있다. 도 1에는 예로서 여섯 개의 전해질(106(a)-106(f))이 도시된다. 보다 많거나 적은 전해질(106)이 존재할 수 있다. 애노드들(102)은 전도성 물질, 이를테면, 예를 들어, 나트륨 금속을 포함할 수 있다. 캐소드들(104)은 유리한 표준 전지 퍼텐셜 및 가역적인 화학 반응을 제공하기 위한 제2 물질을 포함할 수 있다.
시스템(100)은 N개의 캐소드 및 N+1개의 애노드(여기서 N은 임의의 정수이다)를 포함할 수 있으며, 이들의 폭 및 볼륨은 다양한 전력 밀도를 가능하게 하기 위해 균일하거나 비균일할 수 있다. 시스템(100)은 평면 기하학적 구조 또는 예를 들어, (N+1) * E(전지)의 조합된 전압을 갖는 N+1개의 독립적인 전지를 제공하는 동심원 형태 원통형 기하학적 구조로 조립될 수 있다.
전해질들(106)은 실질적으로 고체일 수 있고 적어도 95%의 밀도를 가질 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)의 밀도는 이론적인 질량 밀도의 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 또는 적어도 99%일 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)의 밀도는 대략 85% 내지 대략 99% 사이, 대략 90% 내지 대략 99% 사이, 대략 90% 내지 대략 97.5% 사이, 대략 93% 내지 대략 97% 사이, 또는 대략 94% 내지 대략 96% 사이일 수 있다. 전해질들(106)은 또한 애노드들(102)의 제1 두께 및/또는 캐소드들(104)의 제2 두께 미만일 수 있는 제3 두께를 가질 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)의 제3 두께는 대략 1 밀리미터 미만, 대략 500 마이크로미터 미만, 대략 400 마이크로미터 미만, 대략 300 마이크로미터 미만, 대략 200 마이크로미터 미만, 대략 100 마이크로미터 미만, 대략 50 마이크로미터 미만, 대략 25 마이크로미터 미만, 대략 20 마이크로미터 미만, 또는 대략 10 마이크로미터 미만일 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)은 대략 1 밀리미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 500 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 200 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 100 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 25 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 또는 대략 20 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)은 대략 10 마이크로미터 내지 대략 5 마이크로미터 사이일 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)의 제3 두께는 예를 들어, 애노드들(102)의 제1 두께 및/또는 캐소드들(104)의 제2 두께의 대략 1/10, 또는 제1 두께 및/또는 제2 두께의 대략 1/15, 또는 대략 1/20, 또는 대략 1/25일 수 있다. 전해질들(106)은 애노드/캐소드 반응 생성물들 및 캐소드 화학종들에 대한 불투수성을 유지하면서 산화된 애노드 종들의 적합한 이온 전도도를 갖는 물질을 포함할 수 있다.
시스템(100)은 또한 하우징(108)을 포함할 수 있다. 하우징(108)은 제1 하우징일 수 있고 애노드들(102), 캐소드들(104), 및 전해질들(106)의 전부 또는 일부를 둘러쌀 수 있다. 예들에서, 하우징(108)은 단지 전해질들(106)의 제1 부분을 둘러쌀 수 있는 한편, 전해질들(106)의 제2 부분은 하우징(110)에서의 하나 이상의 홈(110)을 통해 연장될 수 있다. 홈들(110)은 하우징(110)의 대향 단부들 상에 배치될 수 있고 전해질들(106)이 홈들(110)을 통해 하우징(108)의 외부로 연장되도록 사이징될 수 있다. 도 1에는 예로서 열두 개의 홈(110)이 도시된다. 보다 많거나 적은 홈(110)이 존재할 수 있다. 하우징(108)은 고온을 견디고 화학 반응 시 생성되는 반응성 화학 물질들에 강한 저 밀도 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 상기한 물질은 예를 들어, Zytel® FE5382 폴리아미드 수지(Dupont) 또는 폴리아미드 수지 PA612-GF33일 수 있다.
예들에서, 애노드들(102) 및/또는 캐소드들(104)은 균일하거나 다양한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 애노드(102(a))는 애노드(102(b))보다 두껍거나 얇을 수 있다. 추가적으로, 전해질들(106)은 균일하거나 다양한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 캐소드(106(a))는 캐소드(106(b))보다 두껍꺼나 얇을 수 있다. 애노드들(102)은 임의의 산화하기 쉬운 금속, 보다 구체적으로, 나트륨 금속을 포함할 수 있다. 캐소드들(104)은 애노드에 상보적인 산화 환원 쌍 물질, 이를테면, 예를 들어, 황을 포함할 수 있다. 전해질들(106)은 알파-알루미나 분말, 산화 나트륨 분말, 또는 산화 리튬 분말 중 적어도 하나로 만들어질 수 있다. 예들에서, 산화 나트륨 분말은 전해질들(106)의 대략 8.85 중량%일 수 있다. 예들에서, 산화 리튬 분말은 전해질들(106)의 대략 0.75 중량%일 수 있다. 예들에서, 산화 나트륨 분말은 전해질들(106)의 대략 5 중량% 내지 대략 10 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 8 중량% 내지 대략 10 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 8 중량% 내지 대략 9 중량% 사이일 수 있다. 예들에서, 산화 리튬 분말은 전해질들(106)의 대략 0.25 중량% 내지 대략 1.5 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 0.5 중량% 내지 대략 1.0 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 0.7 중량% 내지 대략 0.8 중량% 사이일 수 있다.
시스템(100)은 또한 제2 하우징(112)을 포함할 수 있으며, 이는 하우징(108)의 전부 또는 일부를 둘러쌀 수 있다. 제2 하우징(112)은 시스템(100)을 위한 외부 케이싱으로서 기능할 수 있으며, 이는 시스템(100)을 외부 환경으로부터 보호할 수 있고 시스템(100)을 사용하고/거나 핸들링하는 사람들 및 디바이스들을 시스템(100)의 구성요소들로부터 보호할 수 있다. 제2 하우징(112)은 고온, 저밀도, 내화학성 열가소성 수지로 구성될 수 있다.
도 2는 배터리 시스템(200)의 예를 예시한다. 시스템(200)은 시스템(100)의 구성요소들의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(200)은 하나 이상의 애노드, 하나 이상의 캐소드, 하나 이상의 전해질, 및 홈들을 포함할 수 있는 제1 하우징을 포함할 수 있다(미도시). 시스템(200)은 또한 제2 하우징(202)을 포함할 수 있으며, 이는 시스템(100)으로부터의 제2 하우징(112)과 유사할 수 있다. 시스템(200)은 비평면 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 예를 들어, 시스템(200)은 원통형 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 실린더의 높이는 다양할 수 있다. 예를 들어, 높이는 예를 들어, 대략 1 밀리미터 내지 대략 25 센티미터 사이, 또는 대략 1 센티미터 내지 대략 20 센티미터 사이, 또는 대략 5 센티미터 내지 대략 15 센티미터 사이일 수 있다. 원통형의 직경 또한 다양할 수 있다. 예를 들어, 직경은 예를 들어, 대략 1 센티미터 내지 대략 1 미터 사이, 또는 대략 2 센티미터 내지 대략 500 센티미터 사이, 또는 대략 3 센티미터 내지 대략 100 센티미터 사이일 수 있다. 동심원 형태 원통형 기하학적 구조는 동심원 형태 원통형 기하학적 구조가 얇은 전해질에 크래킹 또는 기능 부전을 방지 또는 최소화하기 위한 지원을 제공하는 대체 전극 배터리 구성을 제공할 수 있다. 예들에서, 전극들의 환형 볼륨 및 전극 조성은 시스템 내 특정 전지들의 에너지 또는 전력 밀도를 개선하는 것으로 달라질 수 있다.
도 3은 축전지 시스템(300)의 예의 상부 단면도를 예시한다. 시스템(300)은 시스템(100)의 구성요소들의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)은 하나 이상의 애노드(302(a)-302(c)), 하나 이상의 캐소드(304(a)- 304(b)), 하나 이상의 전해질(306(a)-306(d)), 및 하우징(308)을 포함할 수 있다. 시스템(300)은 비평면 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)은 동심원 형태 원통형 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 예들에서, 애노드들(302), 캐소드들(304), 및 전해질들(306)은 하나 이상의 층으로 배치될 수 있다. 다수의 층이 존재할 때, 층들은 균일하거나 다양한 두께를 가질 수 있다.
도 4는 배터리 시스템(400)의 예의 측단면도를 예시한다. 시스템(400)은 시스템(100)의 구성요소들의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(400)은 하나 이상의 애노드(402(a)-402(d)), 하나 이상의 캐소드(404(a)- 404(c)), 하나 이상의 전해질(406(a)-406(f)), 제1 하우징(408), 및 제2 하우징(410)을 포함할 수 있다. 시스템(400)은 비평면 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 예를 들어, 시스템(400)은 동심원 형태 원통형 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 애노드들(402), 캐소드들(404), 및 전해질들(406)의 전부 또는 일부는 애노드들, 캐소드들, 및 전해질들이 개방 원통형들로서 형성되도록 연속적일 수 있다. 추가적으로, 시스템(400)은 원통형 기하학적 구조의 중심으로부터 원통형 기하학적 구조의 외측 경계까지 이어질 수 있는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예들에서, 시스템(400)의 층들은 도 4에 도시된 바와 같이, 원통형 기하학적 구조의 중심 이외의 지점을 한정하여, 시스템(400)의 중심에 공간을 남길 수 있다.
도 5는 배터리 시스템(500)의 예의 측단면도를 예시한다. 시스템(500)은 시스템(100)의 구성요소들의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(500)은 하나 이상의 애노드(502(a)-502(d)), 하나 이상의 캐소드(504(a)- 504(c)), 하나 이상의 전해질(506(a)-506(f)), 홈들(510)을 갖는 제1 하우징(508), 및 제2 하우징(512)을 포함할 수 있다. 시스템(500)은 또한 실런트(514)를 포함할 수 있다. 실런트(514)는 제1 하우징(508)의 적어도 일부를 커버할 수 있고 애노드들(102) 및 캐소드들(104) 사이에 장벽 또는 부분적 장벽으로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 전해질들(506)은 애노드들(102) 및 캐소드들(104)을 분리하는 기능을 한다. 그러나, 공간은 홈들(510)에 또는 그것들 부근에 존재할 수 있으며, 이는 액체일 수 있는 애노드들(502) 및/또는 캐소드들(504)의 일부가 변위되게 할 수 있다. 이와 같이, 실런트(514)는 홈들(510)이 실링되도록 적용되어, 애노드들(502) 및/또는 캐소드들(504)의 변위를 방지 또는 저해할 수 있다. 실런트(514)는 예를 들어, 내열, 내화학성 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실런트(514)는 Zytel® FE5382 폴리아미드 수지(Dupont) 또는 폴리아미드 수지 PA612-GF33를 포함할 수 있다. 애노드들(502), 캐소드들(504), 및 전해질들(506)은 실런트(514)를 사용하여 큰 표면적을 따라 실링될 수 있으며, 이는 전극 및 전해질 물질들과 융화 가능한 내화학성 폴리머를 포함할 수 있다.
시스템(500)의 홈들(510)은 모따기되거나, 경사지거나, 또는 둥글 수 있다. 모따기되거나, 경사지거나, 또는 둥근 홈들(510)은 제1 하우징(508)으로 그리고 그것을 통해 전해질들(106)을 수용하는 것을 조장할 수 있다.
도 6은 배터리 시스템(600)의 예의 상부 단면도를 예시한다. 시스템(600)은 시스템(100)의 구성요소들의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(600)은 하나 이상의 애노드(602), 하나 이상의 캐소드(604), 하나 이상의 전해질(606), 및 하우징(608)을 포함할 수 있다. 시스템(600)은 비평면 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 예를 들어, 시스템(600)은 나선형 기하학적 구조로 배열될 수 있다. 나선형 기하학적 구조는 얇은, 고체 전해질(606)로 분리되는 교대하는 애노드들(602) 및 캐소드들(604)을 가질 수 있다. 이러한 기하학적 구조에서, 환형 볼륨은 셀들에 걸쳐 일정할 수 있거나, 다양할 수 있다. 추가적으로, 셀들의 환형 폭은 일정하거나 다양할 수 있다. 나선형 전해질(606)은 바람직한 수의 독립적인 전지를 수용하도록 크기가 조정될 수 있으며, 전지들은 충전 또는 방전 동작 모드들 중 어느 하나에서 직렬로 또는 병렬로 배열된다. 동심 어레이는 본원에 설명된 전지 크기들을 최적화함으로써 특정 에너지 또는 전력 요건에 맞춰 조정될 수 있다. 박막 원통형 전해질(606)을 채용하는 것의 이점은 환형 원통형들이 배터리 방전 동안 압력차에 의해 야기되는 횡력에 대해 전해질(606)을 강화하기 위해 자립형 프레임워크를 제공한다는 것을 포함한다.
사용 시, 배터리, 이를테면 본원에 설명된 배터리 시스템들로부터 전기 전달은 전도성 전해질에 걸쳐 애노드 및 캐소드 간 산화/환원 반응으로부터 일어난다. 배터리에 의해 생성되는 표준 전지 퍼텐셜 또는 전압은 두 개의 전극 사이에서 일어나는 특정 산화/환원 반응에 의해 결정된다. 배터리 내 에너지 저장량은 전극들의 상대적인 크기들 및 특정 반응의 화학적 성질에 의존적이다. 에너지가 전달되는 속도 또는 전력은 예를 들어 1) 전해질체 걸쳐 두 개의 전극 간 상대적인 상호작용, 2) 화학 반응 속도, 및 3) 배터리의 내부 저항에 따라 결정된다. 배터리는 반응 생성물들을 초래하는 애노드/캐소드 반응에 의해 방전될 수 있다. 배터리 충전 동안에는 역반응이 일어난다. 에너지 저장량, 에너지가 전달될 수 있는 속도, 배터리가 동작하는 온도, 및 전기화학 반응의 가역성은 배터리의 중요한 특성들 중 일부이다. 몇몇 적용예, 이를테면, 예를 들어, 풍력 저장 및 분배에서, 현재 개시된 배터리 시스템들의 구성 용이성은 이전에 알려진 배터리 시스템들에 비해 두드러진 개선을 제공한다. 추가적인 특정 적용예들은 항공 및 기타 이동식 적용예들을 포함한다. 뿐만 아니라, 본원에 설명된 배터리 시스템들의 전압은 시스템의 전지들의 수에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 동심원 형태 기하학적 구조에서, 각 전지(또는 층)는 2.1 볼트의 전압 퍼텐셜을 가질 수 있다. 층들을 추가함으로써, 전압 퍼텐셜은 바람직한 양으로 증가된다.
이전 배터리 구성들이 갖는 위에서 설명된 문제들은 배터리가 충전/방전될 수 있는 사이클들의 수를 제한하는 것에 더하여 배터리가 전달할 수 있는 에너지 및 전력을 제한했다. 이러한 문제들은 연장된 시간 기간 동안 기능 부전 없이 최소한의 에너지/전력 출력 손실로 사이클 신뢰성을 갖는 비교적 고 에너지 밀도, 보통 동작 온도 배터리를 달성하는 현재 개시된 배터리 시스템들에 의해 해결된다.
예를 들어, 얇은 전해질은 위에서 설명된 바와 같이, 보다 낮은 동작 온도를 조성한다. 추가적으로, 전해질의 밀도는 위에서 설명된 바와 같이, 배터리 시스템이 배터리 동작 시 존재하는 힘을 견디게 하는 내구성을 제공한다. 뿐만 아니라, 고 에너지 밀도는 고 에너지 밀도 애노드 및 캐소드 물질들, 이를테면 나트륨 금속 및 황을 이용하고, 전해질 및 하우징 질량을 최소화함으로써 달성된다. 충전/방전 사이클은 최소한의 열역학적으로 또는 동역학적으로 가능하게 된 부반응을 갖는 가역적인 산화/환원 반응 화학적 성질의 선택을 통해 개선된다. 예를 들어, 나트륨/황 애노드/캐소드 시스템이 사용될 수 있다. 배터리 질량은 저 밀도 기능성 물질들을 이용함으로써 최소화될 수 있다. 예들에서, 일반적으로 배터리 동작을 위한 최적의 온도는 50℃ 미만, 또는 예를 들어 대략 50℃ 내지 대략 100℃ 사이일 수 있으나, 온도는 적용예에 따른다. 용융 염 나트륨-황에 대한 동작 온도는 예를 들어, 300℃일 수 있으나, 전해질 및/또는 전극 조성을 변경하면 설명된 제한들 중 하나 이상을 잃더라도, 동작 온도를 더 낮출 수 있다.
본 개시 내용 이전 배터리 설계들에 대한 추가 결점들은 금속 격납 용기들을 채용하는 것을 포함하며 이는 질량을 잃고 실제 에너지 밀도를 낮춘다. 다른 배터리 설계들은 화학 결합들을 변경하여 사이클을 개선하려고 시도하며, 이는 애노드 습윤제(세슘) 또는 높은 표면적 캐소드 구조들(예를 들어, 마이크로 다공성/나노 다공성 카본)의 형태로 에너지에 기여하지 않는 질량을 추가하여, 사이클 능력을 위해 에너지 밀도를 잃게 된다. 뿐만 아니라, 이전 설계들은 평면 기하학적 구조들에서 전해질 두께를 최소화하려고 시도하며, 이는 막들의 기계적 강도를 감소시키고 배터리 기능 부전을 초래한다. 얇은 평면 막들은 실링하기 어려운 것에 더하여 본질적으로 약하고 크래킹된다. 얇은 평면 막들에 대한 전통적인 베타 알루미나전해질 제조 방법들은 시간 소모가 크고 단순한 평면형 기하학적 구조들로 제한된다.
컬렉터들에 의한 방전 동안 캐소드로부터의 전류 추출 및 애노드로의 전류 주입을 조장하기 위한 전기 회로가 또한 포함될 수 있다. 캐소드는 높은 표면적의 전도성 프레임워크를 포함하여 화학 반응이 일어날 수 있는 전류 통로 및 발판을 제공할 수 있다. 애노드, 캐소드, 및 전해질의 상대적인 기하학적 구조는 주어진 전지 화학적 성질에 대한 전력 밀도를 결정할 수 있다. 이와 같이, 시스템 기하학적 구조는 전극들 간 높은 표면적 전해질 계면을 포함하여 애노드 이온들의 캐소드로의 보다 빠른 수송을 조장하고 단위 시간당 전류를 증가시킬 수 있다.
본 개시 내용에서 위에서 설명되고 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같은 구성요소들은 함께 결합된 별개의 구성요소들일 수 있거나, 또는 하나의 구성요소로서 또는 조합된 구성요소들로서 생성될 수 있다. 본 개시 내용에 설명된 다양한 구성요소가 별개의 구성요소들일 때에는, 구성요소들 중 일부 또는 전부가 다른 구성요소들로 해제 가능하게 결합될 수 있다.
본원에 설명된 시스템들의 구성요소들은 다양한 크기 및 축적일 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 적은 양의 에너지가 요구되는 적용예들에서, 시스템들은 상대적으로 작을 수 있다, 이를테면, 예를 들어, 가정용 배터리 크기일 수 있다. 많은 양의 에너지가 요구되는 다른 적용예들에서, 이를테면, 예를 들어, 자동차 및 항공 우주 적용예들에서, 시스템들은 상대적으로 보다 클 수 있다. 추가적으로, 본원에 설명된 바와 같은 다수의 배터리 시스템은 서로 결합될 수 있다.
본원에 개시된 시스템들의 다양한 구성요소는 추가 홈들, 슬롯들, 톱니 모양들, 및 본원에 설명된 바와 같은 구성요소들의 기능을 용이하게 하기 위한 다른 구성요소들을 가질 수 있다.
본원에 개시된 시스템들의 다양한 구성요소는 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 알려진 또는 아래에서 보다 충분히 설명될 바와 같은 기술들을 사용하여 만들어질 수 있다.
본원에 설명된 시스템들은 실제로, 170 Wh/kg에서 240 Wh/kg로 증가된 에너지 밀도, 15% 내지 35%만큼 감소된 배터리 질량, 5%-10%만큼 증가된 충전 효율, 및 15%-25%만큼 감소된 동작 온도를 보인다. 이는 시스템을 보다 오래 지속되고, 보다 안전하며, 보다 맞춤화 가능하게 한다.
본원에 설명된 다수의 측정치는 미터법을 사용하여 주어지나, 실질적으로 동등한 다른 또는 추가 단위들의 측정치가 또한 개시된다.
대표적인 제조 방법
도 7은 축전지들을 제조하기 위한 대표적인 방법을 예시한다. 방법(700)은 논리적 흐름 그래프로서 예시된다. 동작들 또는 단계들이 설명되는 순서는 제한으로서 간주되도록 의도되지 않고, 임의의 다수의 설명된 동작은 방법(700)을 구현하기 위해 임의의 순서로 그리고/또는 동시에 조합될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 배터리 시스템들을 제조하는 대표적인 방법(700)이 예시된다.
블록(702)에서, 방법(700)은 알파-알루미나 분말, 산화 나트륨 분말, 또는 산화 리튬 분말 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 조성을 초음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 예들에서, 알파-알루미나 분말은 1 마이크로미터 미만의 입자 직경을 가질 수 있다. 예들에서, 산화 나트륨 분말은 조성의 대략 8.85 중량%일 수 있다. 예들에서, 산화 리튬 분말은 조성의 대략 0.75 중량%일 수 있다. 예들에서, 산화 나트륨 분말은 전해질들(106)의 대략 5 중량% 내지 대략 10 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 8 중량% 내지 대략 10 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 8 중량% 내지 대략 9 중량% 사이일 수 있다. 예들에서, 산화 리튬 분말은 전해질들(106)의 대략 0.25 중량% 내지 대략 1.5 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 0.5 중량% 내지 대략 1.0 중량% 사이, 또는 전해질들(106)의 대략 0.7 중량% 내지 대략 0.8 중량% 사이일 수 있다. 초음파 처리는 초음파 진동을 사용하여 수행될 수 있다. 초음파 처리에 걸리는 시간은 다양할 수 있고, 예를 들어 대략 아래에서 설명될 큐어링이 일어나는 시간, 또는 예를 들어 큐어링 전 전해질 물질의 고밀화를 조성하는 데 걸리는 시간일 수 있다. 초음파 주파수는 대략 0.5 kHz 내지 대략 10 kHz 사이, 또는 대략 1 kHz 내지 대략 7.5 kHz 사이, 또는 대략 2 kHz 내지 대략 5 kHz 사이일 수 있다.
본원에 설명된 초음파 처리는 전해질 밀도를 증가시킬 수 있다. 초음파 트랜스듀서는 제작 스테이지에 결합되어 초음파를 도입할 수 있다. 초음파는 제조 프로세스 동안 지속적으로 도입될 수 있고 스테이지를 통해 분말로 전파될 수 있다. 초음파 에너지 및 분말 입자들 간 상호작용은 큐어링 이전 또는 동안 고 밀도 입자 배열을 야기한다. 이러한 초음파로 고밀화된 전해질은 완성 구조에서 밀도를 증가시킬 수 있다. 본원에 설명된 기술들을 사용하여 제조되는 전해질은 내부 배터리 저항을 감소시킴으로써 배터리의 동작 온도를 낮출 수 있다.
블록(704)에서, 방법(700)은 고체 전해질을 생성하기 위해 층들에서의 조성을 큐어링시키는 단계를 포함할 수 있다. 전해질은 예를 들어, 대략 1 밀리미터 미만, 대략 500 마이크로미터 미만, 대략 400 마이크로미터 미만, 대략 300 마이크로미터 미만, 대략 200 마이크로미터 미만, 대략 100 마이크로미터 미만, 대략 50 마이크로미터 미만, 대략 25 마이크로미터 미만, 대략 20 마이크로미터 미만, 또는 대략 10 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)은 대략 1 밀리미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 500 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 200 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 100 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 대략 25 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이, 또는 대략 20 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)은 대략 10 마이크로미터 내지 대략 5 마이크로미터 사이일 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)의 제3 두께는 예를 들어, 대략 애노드들(102)의 제1 두께 및/또는 캐소드들(104)의 제2 두께의 대략 1/10, 또는 제1 두께 및/또는 제2 두께의 대략 1/15, 또는 대략 1/20, 또는 대략 1/25일 수 있다. 예들에서, 전해질들의 밀도는 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 또는 적어도 99%일 수 있다. 예들에서, 전해질들(106)의 밀도는 대략 85% 내지 대략 99% 사이, 대략 90% 내지 대략 99% 사이, 대략 90% 내지 대략 97.5% 사이, 대략 93% 내지 대략 97% 사이, 또는 대략 94% 내지 대략 96% 사이일 수 있다.
본원에 설명된 바와 같은 배터리 시스템들을 제조하는 방법은 선택적 레이저 소결/선택적 레이저 용융을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방법은 고 밀도 및 복합 기하학적 구조를 갖는 알루미나 구조들을 생성할 수 있다. 예를 들어, β-알루미나 얇은 고체 전해질(BASE) 막들의 인 사이투 제조가 본원에 설명된다. 제조는 예를 들어, 산화 나트륨 분말 및 산화 리튬 분말과 혼합되는 1 마이크로미터 미만 입자 직경, 또는 0.5 마이크로미터 미만 입자 직경, 또는 0.3 마이크로미터 미만 입자 직경의 고 순도 알파-알루미나 분말을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 분말은 조합되고 균질화되어 SLS/SLM 기계에 도입될 수 있다. 전해질 기하학적 구조는 배터리 전지 설계에 의해 바람직한 다양한 형상, 이를테면 동심원 형태 원통형 기하학적 구조 또는 나선형 기하학적 구조일 수 있다.
큐어링은 예를 들어, 선택적 레이저 소결 또는 광조형법에 의해 수행될 수 있다. 큐어링 동안, 큐어링이 수행되는 표면은 용융 풀 형성 동안 열 응력 크래킹을 완화하기 위해 대략 1,500 ℃ 위로 유지될 수 있다. 예들에서, 표면은 대략 1,500 ℃ 내지 대략 2,000 ℃ 사이, 또는 대략 1,500 ℃ 내지 대략 1,750 ℃ 사이, 또는 대략 1,500 ℃ 내지 대략 1,600 ℃ 사이 온도로 유지될 수 있다. 표면은 예를 들어, 분산 레이저 가열 또는 국지 원형 노 가열의 사용을 통해 본원에 설명된 온도로 유지될 수 있다.
블록(706)에서, 방법(700)은 전해질의 제1 측에 제1 물질을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 물질은 애노드로서 기능할 수 있다. 애노드는 액체 상태 또는 부분적으로 액체 상태로 있을 수 있다. 애노드는 전도성 물질, 이를테면, 예를 들어, 나트륨 금속을 포함할 수 있다.
블록(708)에서, 방법(700)은 전해질의 제2 측에 제2 물질을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 물질은 캐소드로서 기능할 수 있다. 캐소드는 액체 상태 또는 부분적으로 액체 상태로 있을 수 있다. 캐소드들은 유리한 표준 전지 퍼텐셜 및 가역적인 화학 반응을 제공하기 위한 물질을 포함할 수 있다. 시스템은 N개의 캐소드 및 N+1개의 애노드(여기서 N은 임의의 정수이다)를 포함할 수 있으며, 이들의 폭 및 볼륨은 다양한 전력 밀도를 가능하게 하기 위해 균일하거나 비균일할 수 있다. 시스템은 평면 기하학적 구조 또는 예를 들어, (N+1) * E(전지)의 조합된 전압을 갖는 N+1개의 독립적인 전지를 제공하는 동심원 형태 원통형 기하학적 구조로 조립될 수 있다. 예들에서, 전해질의 두께는 애노드 두께 및/또는 캐소드 두께의 대략 1/10일 수 있다.
블록(710)에서, 방법(700)은 전해질의 제2 부분이 홈들을 통해 하우징의 외부로 연장되도록 사이징된 홈들을 갖는 하우징 내에 애노드, 캐소드, 및 전해질의 제1 부분을 둘러싸는 단계를 포함할 수 있다.
블록(712)에서, 방법(700)은 전해질의 제2 부분이 실런트에 의해 적어도 부분적으로 커버되도록 하우징의 외부에 실런트를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 실런트는 제1 하우징의 적어도 일부를 커버할 수 있고 애노드 및 캐소드 사이에 장벽 또는 부분적 장벽으로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 전해질은 애노드 및 캐소드를 분리하는 기능을 한다. 그러나, 공간은 홈들에 또는 그것들 부근에 존재할 수 있으며, 이는 액체일 수 있는 애노드 및/또는 캐소드의 일부가 변위되게 할 수 있다. 이와 같이, 실런트는 홈들이 실링되도록 적용되어, 애노드 및/또는 캐소드의 변위를 방지 또는 저해할 수 있다. 실런트는 예를 들어, 내열, 내화학성 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실런트(514)는 Zytel® FE5382 폴리아미드 수지(Dupont) 또는 폴리아미드 수지 PA612-GF33를 포함할 수 있다.
애노드, 캐소드, 및 전해질은 실런트를 사용하여 대면적을 따라 실링될 수 있으며, 이는 전극 및 전해질 물질들과 융화 가능한 내화학성 폴리머를 포함할 수 있다.
위에서 설명된 하우징은 저밀도, 내화학성, 내열성 물질로 구성될 수 있다. 하우징은 고온 폴리머, 이를테면, 예를 들어, Ultem 9085로 만들엊리 수 있다. 하우징에서의 홈들은 본원에 설명된 바와 같이, 실질적으로 직선이거나, 모따기되거나, 경사지거나, 둥글어 전해질을 수용하는 용이함을 개선할 수 있다. 하우징의 홈들에 대응하는 오목한 환형 홈 패턴에는 리드가 제공될 수 있다. 리드는 실런트를 사용하여 전해질의 상측 에지 상에 실링될 수 있다. 또한 외부 회로 완성 및 에너지 추출을 위한 수단을 제공하기 위해 연결 피드스루 홀들이 있을 수 있다. 그러한 연결 홀들은 홈들 또는 그것들에 인접할 수 있다. 멀티-전지 반응기 배열체들 뿐만 아니라 단일 셀 반응기 구성들이 제공된다.
앞에서의 발명이 구체적인 예들에 대해 설명되지만, 본 발명의 범위는 이러한 구체적인 예들로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 특정 동작 요건 및 환경에 맞추기 위해 달라지는 다른 변형들 및 변경들이 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 분명할 것이기 때문에, 본 발명은 개시를 위해 선택된 예로 제한되는 것으로 간주되지 않고, 본 발명의 진정한 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 모든 변경 및 변형을 커버한다.
결론
본 출원은 구체적인 구조적 특징들 및/또는 방법론적 동작들을 갖는 실시예들을 설명하지만, 청구항들이 반드시 설명된 구체적인 특징들 또는 동작들로 제한될 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 구체적인 특징들 및 동작들은 단지 본 출원의 청구범위의 범위 내에 속하는 예시적인 몇몇 실시예이다.
Claims (20)
- 배터리 시스템으로서,
적어도 일부가 액체인 애노드로서, 제1 두께를 갖는, 상기 애노드;
적어도 일부가 액체인 캐소드로서, 제2 두께를 갖는, 상기 캐소드;
고체이고 적어도 95%의 밀도를 갖는 전해질로서, 상기 제1 두께 또는 상기 제2 두께 중 적어도 하나의 적어도 1/10인 제3 두께를 갖는, 상기 전해질; 및
상기 애노드, 상기 캐소드, 및 상기 전해질의 적어도 일부를 둘러싸는 하우징을 포함하는, 시스템. - 청구항 1에 있어서, 상기 애노드, 상기 캐소드, 및 상기 전해질은 동심원 형태 원통형 기하학적 구조로 구성되는, 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제3 두께는 0.5 밀리미터 미만인, 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제3 두께는 10 마이크로미터 미만인, 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전해질은 알파-알루미나 분말, 산화 나트륨 분말, 및 산화 리튬 분말로 구성되는, 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 하우징의 대향 단부들 상에 배치되는 복수의 홈을 더 포함하되, 상기 복수의 홈은 상기 전해질의 일부가 상기 복수의 홈을 통해 상기 하우징의 외부로 연장되도록 사이징되는, 시스템. - 청구항 6에 있어서,
상기 애노드 및 캐소드가 서로 분리되도록 상기 홈들의 적어도 일부를 커버하는 실런트를 더 포함하는, 시스템. - 배터리 시스템으로서,
고체이고 적어도 95%의 밀도를 갖는 전해질로서, 각각이 동심원 형태 원통형 기하학적 구조를 갖는 두 개 이상의 층으로 구성되는, 상기 전해질을 포함하되;
상기 두 개 이상의 층 중 적어도 하나에 대해:
애노드를 나타내는 제1 물질은 상기 전해질의 제1 측 상에 배치되고, 상기 제1 물질은 액체 상태로 있으며; 그리고
캐소드를 나타내는 제2 물질은 상기 전해질의 제2 측 상에 배치되고, 상기 제2 측은 상기 제1 측에 대향하며, 상기 제2 물질은 액체 상태로 있는, 시스템. - 청구항 8에 있어서,
상기 전해질의 일부가 홈들을 통해 연장되도록 구성되는 복수의 상기 홈을 갖는 하우징을 더 포함하는, 시스템. - 청구항 9에 있어서, 상기 하우징은 제1 측 및 상기 제1 측에 대향하는 제2 측을 갖고, 상기 복수의 홈은 상기 하우징의 상기 제1 측 및 상기 제2 측 상에 배치되며, 상기 시스템은:
실런트가 상기 홈들을 통해 연장되는 상기 전해질의 상기 일부를 커버하도록 상기 하우징의 상기 제1 측 및 상기 제2 측의 적어도 일부를 커버하는 상기 실런트를 더 포함하는, 시스템. - 청구항 10에 있어서, 상기 실런트는 Zytel® FE5382 폴리아미드 수지(Dupont) 또는 폴리아미드 수지 PA612-GF33인, 시스템.
- 청구항 9에 있어서, 상기 홈들은, 모따기되거나, 경사지거나, 또는 둥근, 시스템.
- 청구항 8에 있어서, 상기 전해질은 10 마이크로미터 미만 두께인, 시스템.
- 배터리를 제조하는 방법으로서,
알파-알루미나 분말, 산화 나트륨 분말, 및 산화 리튬 분말를 포함하는 조성을 초음파 처리하는 단계;
층들에서의 상기 조성을 큐어링시켜 고체 전해질을 생성하는 단계로서, 상기 전해질은 10 마이크로미터 미만의 두께를 갖는, 상기 전해질을 생성하는 단계;
애노드로서 기능하는 제1 물질을 상기 전해질의 제1 측에 적용하는 단계;
캐소드로서 기능하는 제2 물질을 상기 전해질의 제2 측에 적용하는 단계;
상기 전해질의 제2 부분이 홈들을 통해 상기 사우징의 외부로 연장되도록 사이징된 상기 홈들을 갖는 하우징 내에 상기 애노드, 상기 캐소드, 및 상기 전해질의 제1 부분을 둘러싸는 단계; 및
상기 전해질의 상기 제2 부분이 상기 실런트에 의해 적어도 부분적으로 커버되도록 상기 하우징의 상기 외부에 실런트를 적용하는 단계를 포함하는, 방법. - 청구항 14에 있어서, 상기 알파-알루미나 분말은 1 마이크로미터 미만의 입자 직경을 갖는, 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 산화 나트륨 분말은 상기 조성의 대략 8.85 중량%이고, 상기 산화 리튬 분말은 상기 조성의 대략 0.75 중량%인, 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 큐어링이 수행되는 표면은 대략 1,500 ℃로 유지되는, 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 큐어링은 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)에 의해 수행되는, 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 큐어링은 광조형법(stereolithography)에 의해 수행되는, 방법.
- 청구항 14에 있어서, 전해질 두께 대 애노드 두께의 비는 적어도 1/10인, 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562238698P | 2015-10-08 | 2015-10-08 | |
| US62/238,698 | 2015-10-08 | ||
| PCT/US2016/056155 WO2017062887A1 (en) | 2015-10-08 | 2016-10-07 | Battery system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180125436A true KR20180125436A (ko) | 2018-11-23 |
Family
ID=58488659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020187013037A KR20180125436A (ko) | 2015-10-08 | 2016-10-07 | 배터리 시스템 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170104242A1 (ko) |
| EP (1) | EP3360185A1 (ko) |
| JP (1) | JP2018530144A (ko) |
| KR (1) | KR20180125436A (ko) |
| CN (1) | CN109075352A (ko) |
| CA (1) | CA3001313A1 (ko) |
| WO (1) | WO2017062887A1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111224143B (zh) * | 2020-01-14 | 2021-03-16 | 西安交通大学 | 一种管式固体氧化物燃料电池结构 |
| DE102021117377A1 (de) | 2021-07-06 | 2023-01-12 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Verfahren zur Herstellung eines Separators und/oder einer Separatorschicht |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4013477A (en) * | 1975-07-30 | 1977-03-22 | The University Of Utah | Method for preparing dense, β-alumina ceramic bodies |
| US4374701A (en) * | 1981-08-03 | 1983-02-22 | General Electric Company | Chemically polished ceramic body |
| JP2771398B2 (ja) * | 1992-09-07 | 1998-07-02 | 日本碍子株式会社 | ナトリウム−硫黄電池 |
| GB9604133D0 (en) * | 1996-02-27 | 1996-05-01 | Programme 3 Patent Holdings | Electrochemical cell |
| US20020130770A1 (en) * | 2000-12-29 | 2002-09-19 | Dennis Keyworth | Object sensor with integrally molded housing and method for making same |
| US6838203B2 (en) * | 2002-06-19 | 2005-01-04 | Yongjian Zheng | Monolithic fuel cell and method of manufacture of same |
| KR100570625B1 (ko) * | 2004-07-28 | 2006-04-12 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차 전지 |
| US8475969B2 (en) * | 2005-10-25 | 2013-07-02 | Honeywell International Inc. | High power density, ultra-light power generator |
| KR20100098526A (ko) * | 2007-11-06 | 2010-09-07 | 나노 씨피, 엘엘씨 | 전기화학 전지, 전기화학 전지 제조 방법 및 작동 방법 |
| CN101462868B (zh) * | 2009-01-05 | 2011-12-14 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 制备β-氧化铝陶瓷膜的方法 |
| CN201829579U (zh) * | 2010-10-09 | 2011-05-11 | 秦磊 | 硫置入固体电解质管中的单管钠硫电池装置 |
| US9590261B2 (en) * | 2011-06-20 | 2017-03-07 | Santoku Corporation | Solid electrolyte, solid electrolyte membrane, fuel battery cell, and fuel battery |
| US9905883B2 (en) * | 2013-03-28 | 2018-02-27 | Corning Incorporated | Ceramic electrolyte material comprising a modified polycrystalline lithium metal phosphate |
| CN104276816B (zh) * | 2013-07-12 | 2016-08-10 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 喷雾沉积成型制备钠电池电解质隔膜的方法 |
-
2016
- 2016-10-07 KR KR1020187013037A patent/KR20180125436A/ko unknown
- 2016-10-07 JP JP2018538069A patent/JP2018530144A/ja active Pending
- 2016-10-07 US US15/288,915 patent/US20170104242A1/en not_active Abandoned
- 2016-10-07 EP EP16854506.9A patent/EP3360185A1/en not_active Withdrawn
- 2016-10-07 CN CN201680070391.1A patent/CN109075352A/zh active Pending
- 2016-10-07 WO PCT/US2016/056155 patent/WO2017062887A1/en active Application Filing
- 2016-10-07 CA CA3001313A patent/CA3001313A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20170104242A1 (en) | 2017-04-13 |
| JP2018530144A (ja) | 2018-10-11 |
| CN109075352A (zh) | 2018-12-21 |
| EP3360185A1 (en) | 2018-08-15 |
| CA3001313A1 (en) | 2017-04-13 |
| WO2017062887A1 (en) | 2017-04-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8609267B2 (en) | Electrochemical cell with an electrolyte flow, comprising through-electrodes and production method | |
| EP2162934B1 (en) | Energy storage device and cell configuration therefor | |
| US10581111B2 (en) | Ceramic lithium retention device | |
| CN1249828C (zh) | 双极电池和双极板组件 | |
| CA1062773A (en) | Energy conversion devices with improved electrode shapes | |
| EP3254323B1 (en) | Multifunctional energy storage composites | |
| CN111630704B (zh) | 电解质元件和结合有电解质元件的电池 | |
| US10756336B2 (en) | Three-dimensional electrode structure, and secondary battery including the same, and method of manufacturing the three-dimensional structure | |
| TW201304249A (zh) | 熔融鹽電池 | |
| KR20180125436A (ko) | 배터리 시스템 | |
| KR20200111165A (ko) | 밀봉 애노드 구조의 하이브리드 솔리드-스테이트 셀 | |
| US20160329594A1 (en) | Solid state battery | |
| CN102668202A (zh) | 具有改进的内电阻的薄电池 | |
| US11495786B2 (en) | Inserted cavity electrode lithium battery | |
| WO2018138740A1 (en) | High temperature batteries | |
| CN106356572B (zh) | 包括传导基质的电化学电池 | |
| KR20210153550A (ko) | 밀봉된 애노드 구조체를 가진 하이브리드 솔리드-스테이트 전지 |