KR20230096978A - 재충전가능 배터리용 단자 조립체 및 배터리 프레임 부재 - Google Patents

재충전가능 배터리용 단자 조립체 및 배터리 프레임 부재 Download PDF

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KR20230096978A
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electrode plate
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조르지 더블유. 아담슨
사라 에스. 보워스
프란시스 더블유. 리체이
다니엘 프리버그
파비앙 브루에거
마테오 에스. 윌리암스
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이오에스 에너지 테크놀로지 홀딩스, 엘엘씨
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Abstract

단자 커넥터; 전기 전도성 주변부를 갖는 전도성 평판; 전기 절연 테이프 부재; 및 단자 쌍극성 전극판용 단자 조립체가 제공된다. 전기 절연 테이프 부재는 전기 절연 테이프 부재가 전도성 평판의 전체 표면을 덮지 않도록 전도성 평판과 단자 쌍극성 전극판 사이에 있다. 전기 전도성 주변부는 단자 커넥터와 단자 바이폴라 전극판 사이의 전도성 평판을 통해 양방향 균일 전류 흐름을 가능하게 한다. 또한 액체 전환 시스템; 거터; 밀봉 부재; 가스 채널; 및 통기 홀을 포함하는 정전기 재충전가능 배터리용 배터리 프레임 부재가 제공된다. 또한, 한 쌍의 단자 조립체, 상기 한 쌍의 단자 조립체 사이에 개재된 적어도 하나의 쌍극성 전극, 및 배터리 프레임 부재를 포함하는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리가 제공된다.

Description

재충전가능 배터리용 단자 조립체 및 배터리 프레임 부재
본 출원은 2020년 8월 28일자에 출원된 미국 가특허 출원 제62/706,608호를 우선권 주장하며, 그 개시는 전체로 참조로 인용된다.
재충전가능 배터리용 조립체가 여기에 설명된다. 구체적으로, 본 개시는 배터리 충전 및 방전 동안 셀로/로부터 실질적으로 균일한 전류 흐름을 생성하는 재충전가능 배터리(예를 들어, 아연-할라이드 배터리)용 단자 조립체에 관한 것이다. 본 개시는 또한 전해질이 배터리 사이클 동안 각각의 배터리 셀에 격리된 상태로 유지되고 배터리 작동 동안 저장소와 반응 챔버 사이에서 순환되지 않는 재충전가능 배터리용 배터리 프레임 부재에 관한 것이다.
아연-할로겐화물 배터리는 전기 에너지 저장 장치로서 개발되었다. 전통적인 아연-할로겐화물 배터리(예를 들면, 아연-브롬 배터리)는 고정된, 즉, 유동하지 않는 아연-브로마이드 수용액 내에 배치된 쌍극성 전극(쌍극성 electrode)을 사용하였다. 아연-할로겐화물 배터리 내에 전류를 충전 및 방전하는 공정은 일반적으로 아연 할로겐화물 전해질 내의 Zn2+/Zn(s) 및 X-/X2와 같은 산화환원 쌍(redox couple)들의 반응을 통해 달성된다. 상기 배터리가 전류로 충전되면 다음의 화학 반응이 발생한다:
Figure pct00001
여기서, X는 할로겐(예를 들면, Cl, Br, 또는 I)이다. 반면, 상기 배터리가 전류를 방전하면 다음의 화학 반응이 발생한다:
Figure pct00002
이들 아연-할로겐화물 배터리는 쌍극성 전기화학 셀 스택(cell stack)에서 형성되었으며, 이때 각각의 전극은 2개의 극(pole)들을 포함하여, 애노드 반응이 상기 전극의 한쪽 면에서 발생하고 캐소드 반응이 동일한 전극의 대향하는 면에서 발생한다. 이러한 맥락에서, 쌍극성 전극은 종종 판(plate)으로서 배열되었고, 셀 스택은 조립되어 각기둥형 기하구조(prismatic geometry)를 형성하였다. 쌍극성 배터리의 충전 및 방전 동안, 상기 전극판(전극판)은 인접 셀에 대한 도체로서 기능하며, 즉, 각각의 전극판은 하나의 셀에 대한 애노드 역할을 하고 인접한 셀에 대한 캐소드 역할을 한다. 이러한 각기둥형 배터리 기하구조(prismatic battery geometry)에서, 인접한 전기화학 셀을 분리하는 전극판의 전체 표면적은 전류를 셀로부터 셀로 전달한다.
따라서, 전통적인 쌍극성 아연-할로겐화물 배터리를 충전하면, 아연 금속은 쌍극성 전극판의 애노드 면 위에 전해 도금되고 한편 분자 할로겐 화학종은 전극판의 캐소드 면에 형성된다. 또한, 상기 배터리를 방전하면, 상기 도금된 아연 금속은 자유 전자로 산화되며 이는 전극판을 통해 전도되고 분자 할로겐 화학종을 환원시켜 할라이드 음이온을 생성시킨다.
그러나, 전통적인 아연-할로겐화물 배터리의 배터리 성능은 충전 동안 쌍극성 전극 상의 평평하지 않은 아연 도금으로 인해 심각하게 제한된다. 쌍극성 전극 상의 평평하지 않은 또는 고르지 않은 아연 도금은 배터리 내에 아연 덴드라이트(dendrite)를 생성시키며 배터리 용량 및 수명(cycle life)을 감소시킨다. 게다가, 평평하지 않은 아연 도금은 배터리 방전 전류에 불균질성(heterogeneity)을 생성시키며 이는 전기 에너지용 저장 장치로 서의 배터리의 성능에 부정적인 영향을 끼친다.
배터리 프레임 조립체 및 프레임 부재는 배터리 전극과 전해질을 지지하고 배터리의 기계적 설계의 일부를 형성하는 데 사용된다. 프레임 부재는 전극을 배치하고 전해질을 채우기 위한 개방된 내부 공간이 있는 종종 직사각형 모양의 프레임을 포함한다. 프레임 조립체는 인접한 프레임 사이에 액밀 밀봉을 제공하기 위해 O-링과 같은 밀봉을 포함할 수도 있다. 프레임 조립체는 바람직하게는 저비용, 제조 용이성, 배터리의 안전성에 기여하고, 배터리 작동의 용이성에 기여하고, 배터리의 성능에 기여하는 것과 같은 하나 이상의 이점을 제공해야 한다. 배터리 프레임 부재는 WO 2019/040683 A1에 설명되어 있으며, 이는 그 전체가 참조로 여기에 포함된다.
본 발명은, 쌍극성 전극판 상의 실질적으로 균일한 아연 도금을 통해 배터리 성능(예를 들면, 배터리 수명(battery cycle life), 배터리 용량, 및 방전 전류의 실질적인 균일성)의 향상을 촉진시키고 배터리 성능(예를 들면, 수명, 용량, 등)을 향상시키는, 재충전가능 배터리(예를 들어, 아연-할로겐화물 배터리)의 단자 조립체를 기술한다.
일 양태에서, 전기화학 배터리용 단자 조립체로서, 단자 커넥터; 전기 전도성 주변부를 갖는 전도성 평판; 전기 절연 테이프 부재; 및 단자 쌍극성 전극판을 포함하고, 상기 전도성 평판, 상기 단자 쌍극성 전극판 및 상기 전기절연 테이프 부재는 각각 서로 적어도 실질적으로 평행한 내면 및 외면을 갖고, 상기 전도성 평판의 외면은 단자 커넥터에 결합되고, 상기 전도성 평판의 내면은 단자 쌍극성 전극판의 외면에 접합되며, 전기 절연 테이프 부재는 전기 절연 테이프 부재가 전도성 평판의 전체 내부 표면 영역을 덮지 않도록 전도성 평판의 내면과 단자 쌍극성 전극판의 외면 사이에 배열되고, 전기 전도성 주변부는 단자 커넥터와 단자 쌍극성 전극판 사이의 전도성 평판을 통한 양방향 균일 전류 흐름을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부는 실질적으로 직사각형이다.
일부 실시예에서, 전기 전도 주변부는 쌍극성 전극판의 전기화학 활성 영역 내에서 중심에 위치된다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재를 갖는 전도성 평판은 쌍극성 전극판의 전기화학 활성 영역 내에서 중심에 위치된다.
일부 실시예에서, 절연 테이프 부재는 전도성 평판의 폭, 높이 또는 이들의 조합보다 각각 작은 폭, 높이 또는 이들의 조합을 갖는다.
일부 실시예는 쌍극성 전극판의 표면 상에 배열된 캐소드 조립체를 추가로 포함하고, 캐소드 조립체는 쌍극성 전극판에 탄소 물질을 결합하기 위한 접착 층 및 탄소 재료를 포함한다. 이들 실시예에서, 단자 조립체는 단자 캐소드 조립체이다.
일부 실시예에서, 쌍극성 전극판의 표면의 적어도 일부는 거친 표면이다. 이들 실시예에서, 단자 조립체는 캐소드 조립체가 없고, 단자 조립체는 단자 애노드 조립체이다.
일부 실시예에서, 탄소 물질은 실질적으로 직사각형이고, 탄소 물질의 폭 대 탄소 물질의 높이의 비율은 약 10:1 내지 약 2:1 범위이다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재의 표면은 용접 또는 접착제에 의해 전도성 평판의 표면에 결합된다.
일부 실시예에서, 접착제는 전기 전도성이다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재를 갖는 전도성 평판은 구리 합금, 구리/티타늄 클래드, 알루미늄 또는 전기전도성 세라믹 중 적어도 하나로 구성된다.
다른 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재를 갖는 전도성 평판은 티타늄 물질(예를 들어, TiC 코팅된 티타늄)을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재를 포함하는 전도성 평판은 티타늄 및 구리 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 단자 커넥터는 탭 조립체이며 전도성 평판과 전기 통신한다.
본 발명의 다른 양태는 아연-할로겐화물 재충전가능 배터리를 위한 개선된 배터리 프레임 부재를 설명한다. 아연-할로겐화물 재충전가능 배터리에 대해 본 명세서에 기술된 배터리 프레임 부재는 액체 전환 시스템; 거터; 밀봉 부재; 가스 채널; 및 환기 홀을 포함한다.
일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 운송 중에 전해질이 가스 채널에 도달하는 것을 방지하기 위해 배터리 프레임 부재의 상부 부분에 배열된다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재는 사이클링 동안 전압 이상을 방지하기 위해 배터리 프레임 부재의 바닥 부분에 있는 거터 선반 및 거터 선반 아래의 빈 공간을 포함한다. 일부 실시예에서, 가스 채널이 밀폐되어 있다. 일부 실시예에서, 가스 채널은 뚜껑으로 덮여 있다. 일부 실시예에서, 뚜껑은 배터리 프레임 부재에 대한 뚜껑을 용접, 접착, 나사 조임 또는 스냅핑에 의해 배터리 프레임 부재에 부착된다.
일부 실시예에서, 가스 채널은 배터리 프레임 부재 내에 통합된다. 일부 실시예에서, 가스 채널은 플러그로 외부 환경으로부터 밀봉된다.
일부 예시에서, 거터는 거터 선반과 거터 선반 아래의 빈 공간을 포함한다. 일부 설명예에서 캐소드 탄소 물질은 거터 선반에 배열된다.
일부 실시예에서, 거터 선반 아래에는 빈 공간이 없으며 거터 선반은 배터리 프레임 부재의 바닥까지 연장된다.
일부 실시예에서, 밀봉 부재는 제1 주변부 에지를 따라 배치된다. 일부 예시에서 밀봉 부재는 O-링이다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재는 개스킷이다. 일부 실시에서, 밀봉 부재는 배터리 프레임 부재의 내부 주변부 에지의 상부 부분 주위로 연장되지 않는다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재는 전체 배터리 프레임 부재의 내부 주변부 에지 주위로 연장된다. 일부 실시예에서 밀봉 부재는 프레임 부재에 오버몰딩된다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재는 폼 인 플레이스(form-in-place) 액체 경화 공정을 사용하여 프레임 부재에 적용된다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재는 프레임 부재의 깊이 위로 연장되며 조립 동안 압축된다. 일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 환기/충전 홀 및 가스 채널 바로 아래의 배터리 프레임 부재의 상단 부분에 있다.
일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 액체가 항상 배터리 프레임 부재 내의 개방된 내부 영역으로 다시 향하도록 보장하는 2개의 부분 차단 벽 및 다중 이차 차단 벽을 갖는 일차 전환기를 포함한다. 일부 예시에서, 배터리 프레임 부재를 기준으로 이차 차단 벽은 상하로 교번한다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 명세서에 개시된 바와 같이 한 쌍의 단자 조립체, 한 쌍의 단자 조립체 사이에 개재된 적어도 하나의 쌍극성 전극 및 배터리 프레임 부재를 포함하는 정전기 재충전가능 전기화학 전지를 설명한다.
첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 숙지하면 본 발명의 이들 및 기타 특징, 측면, 및 이점은 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 측면도이다.
도 2는 도 1의 배터리의 분해도이다.
도 3은 도 1의 배터리에 사용하기 위한 단자 조립체의 분해도이다.
도 4는 도 1의 배터리에 사용되는 배터리 프레임 부재의 정면도이다.
도 5는 도 4의 배터리 프레임 부재의 저면 확대 측면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 측면도이다.
도 7은 도 6의 배터리의 분해도이다.
도 8은 도 6의 배터리에 사용하기 위한 단자 조립체의 분해도이다.
도 9는 도 6의 배터리에 사용되는 배터리 프레임 부재의 정면도이다.
도 10은 도 6의 배터리에 사용되는 탄소 물질의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 거터를 이용하는 배터리에 대한 대표적인 방전 에너지 데이터를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 탄소 물질 종횡비의 함수로서 다양한 표준화된 충전 용량(Ah/cm2, 여기서 cm2는 탄소 재료의 기하학적 면적)에서의 대표적인 방전 에너지 데이터를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 탄소 재료 높이 대 프레임 깊이 비율의 함수로서 다양한 표준화된 충전 용량(Ah/cm2, 여기서 cm2는 탄소 재료의 기하학적 면적임)에서의 대표적인 방전 에너지 데이터를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 정규화된 충전 용량(Ah/cm2, 여기서 cm2는 탄소 재료의 기하학적 면적임)의 함수로서 다양한 탄소 재료 높이 대 프레임 깊이 비율의 대표적인 방전 에너지 데이터를 보여준다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 상세하게 설명되며, 유사한 참조 번호는 유사하거나 동일한 요소를 식별한다. 개시된 실시예는 다양한 형태로 구현될 수 있는 개시의 예일 뿐이라는 것이 이해되어야 한다. 불필요한 세부 사항으로 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정한 구조적 및 기능적 세부사항은 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 단지 청구범위의 기초로서 그리고 사실상 임의의 적절하게 상세한 구조로 본 개시내용을 다양하게 채택하도록 당업자를 교시하기 위한 대표적인 기초로서만 해석되어야 한다.
I. 정의
본원에서 사용된 용어 "전기화학 셀" 또는 "셀"은 화학 반응으로부터 전기 에너지를 생성시키거나 전기 에너지를 도입함으로써 화학 반응을 가능하게 할 수 있는 장치를 지칭하기 위해 상호교환적으로 사용된다. 전기화학 셀은 쌍극성 전기화학 셀 또는 전기화학 셀일 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "배터리"는 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 전기 저장 장치를 포함한다. 예를 들어, 배터리는 직렬로 약 10 내지 50개의 전기화학 셀로 구성될 수 있다. "이차 배터리"는 재충전 가능한 반면 "일차 배터리"는 재충전 불가능하다. 본 발명의 이차 배터리에 있어서, 배터리 애노드는 방전 동안 양극(positive electrode)으로 지정되고 충전 동안 음극(negative electrode)으로 지정된다.
본원에서 사용된 "전해질"은 전기전도성 매질로서 작용하는 물질을 지칭한다. 예를 들면, 전해질은 상기 셀 내에서의 전자와 양이온의 이동을 가능하게 한다. 전해질은 물질들의 혼합물, 예를 들면 금속 할로겐화물 염(예를 들면, ZnBr2, ZnCl2 등)의 수용액을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "전극"은 회로의 비금속성 부분(예를 들면, 반도체, 전해질, 또는 진공)과 접촉시키는데 사용되는 전기 전도체를 지칭한다. 또한 전극은 애노드 또는 캐소드를 지칭할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "애노드"는 배터리의 방전 상(discharging phase) 동안 전자가 유동하는 음극을 지칭한다. 또한 애노드는 방전 상 동안 화학적 산화가 발생하는 전극이다. 그러나, 이차 또는 재충전 가능한 셀에서, 애노드는 셀의 충전 상(charging phase) 동안 화학적 환원이 발생하는 전극이다. 애노드는 전기전도성 또는 반전도성 물질, 예를 들면, 금속(예를 들면, 티탄 또는 TiC 코팅된 티탄), 금속 산화물, 금속 합금, 금속 복합체, 반도체 등으로부터 형성된다.
본원에서 사용된 용어 "캐소드"는 배터리의 방전 상 동안 전자가 유동하는 양극을 지칭한다. 또한 캐소드는 방전 상 동안 화학적 환원이 발생하는 전극이다. 그러나, 이차 또는 재충전 가능한 셀에서, 캐소드는 셀의 충전상 동안 화학적 산화가 발생하는 전극이다. 캐소드는 전기전도성 또는 반전도성 물질, 예를 들면, 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 금속 복합체, 반도체 등으로부터 형성된다.
본원에서 사용된 용어 "쌍극성 전극"은 하나의 셀의 애노드로서 기능하고 또 다른 셀의 캐소드로서 기능하는 전극을 지칭한다. 예를 들면, 배터리에서, 쌍극성 전극은 하나의 셀에서 애노드로서 기능하고 바로 인접한 셀에서 캐소드로서 기능한다. 몇몇 예에서, 쌍극성 전극은 캐소드 표면 및 애노드 표면의 2개 표면을 포함하며, 이들 2개 표면은 전도성 물질에 의해 접속되어 있다. 예를 들면, 쌍극성 전극판은 하나의 표면이 애노드 표면이고 나머지 표면이 캐소드 표면인 대향하는 표면들(opposing surfaces)을 가질 수 있으며, 전도성 물질은 상기 대향하는 표면들 사이의 판의 두께이다.
본원에서 사용된 용어 "할라이드"는 플루오르화물, 염화물, 브롬화물, 요오드화물, 또는 아스타티드(astatide) 화합물을 생성시키기 위한, 할로겐보다 덜 음전기적인(electronegative)(또는 더 양전기적인(electropositive)) 다른 원소 또는 라디칼과의 할로겐의 2원 화합물(binary compound)을 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "할로겐"은 주기율표 VIIA(17)족을 점유하는 플루오르, 염소, 브롬, 요오드 및 아스타틴(astatine) 원소 중 임의의 원소를 지칭한다. 할로겐은 수소에 의해 강산 화합물을 형성하는 반응성 비금속 원소이며, 이로부터 간단한 염이 형성될 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "음이온"은 하나 이상의 영구 음전하를 갖는 임의의 화학 물질(chemical entity)을 지칭한다. 음이온의 예는 플루오라이드, 클로라이드, 브로마이드, 요오다이드, 아르세네이트, 포스페이트, 아르세나이트, 하이드로겐 포스페이트, 디하이드로겐 포스페이트, 설페이트, 니트레이트, 하이드로겐 설페이트, 니트라이트, 티오설페이트, 설파이트, 퍼클로레이트, 요오데이트, 클로레이트, 브로메이트, 클로라이트, 하이포클로라이트, 하이포브로마이트, 카보네이트, 클로메이트, 하이드로겐 카보네이트 (비카보네이트), 디클로메이트, 아세테이트, 포르메이트, 시아나이드, 아미드, 시아네이트, 퍼옥사이드, 티오시아네이트, 옥살레이트, 하이드록사이드, 및 퍼망가네이트를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본원에서 사용된 "티탄 물질"는 (임의의 산화 상태의) 티탄, TiC, TiC의 합금, 예를 들면 TiCxM(여기서, x는 0, 1, 2, 3, 또는 4이고 M은 금속이다), 티탄 카보하이드라이드, 화학양론적이지 않은 티탄-탄소 화합물, 및 이들의 배합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본원에서 사용된 "탄화티탄"은 "탄화티탄 물질"와 상호교환적으로 사용되며, TiC, TiC의 합금, 예를 들면 TiCxM(여기서, x는 0, 1, 2, 3, 또는 4이고 M은 금속이다), 티탄 카보하이드라이드, 화학양론적이지 않은 티탄-탄소 화합물, 및 이들의 배합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본원에서 사용된 용어 "아연 금속"은 아연 원소를 지칭하며, Zn(O) 또는 Zno로도 일반적으로 알려져 있다.
요소나 층이 다른 요소나 층에 "위", "결합", "연결", "부착" 또는 "커플링"으로 언급될 때, 이는 다른 요소 또는 층에 바로 위에, 결합, 연결, 부착 또는 커플링될 수 있거나 또는 개재하는 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소나 층에 "직접 결합된", "직접 결합된", "직접 연결된", "직접 부착된" 또는 "직접 커플링된" 것으로 언급될 때, 간섭되는 요소 또는 층이 없을 수 있다. 요소 간의 관계를 설명하는 데 사용되는 다른 단어는 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예를 들어, "사이" 대 "직접 사이", "인접한" 대 "직접 인접한" 등). 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관된 나열된 항목 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
위, 아래, 위, 아래, 오른쪽, 왼쪽 등의 용어는 다른 요소에 대한 다양한 요소의 위치를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이러한 용어는 예제 구성에서 요소의 위치를 나타낸다. 다만, 셀 프레임 부재는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 공간상에서 회전될 수 있으며, 따라서 이러한 용어들이 본 발명의 범위를 한정하기 위해 사용되어서는 안 됨은 당업자에게 자명할 것이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "오버-몰딩"은 이미 존재하는 조각 또는 부분 위에 사출 성형에 의해 물질의 추가 층을 추가하는 공정을 말한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "복수"는 기술되는 요소 중 2개 이상을 의미한다. 일부 실시예에서, 복수는 설명되는 요소의 3개 이상, 4개 이상 또는 5개 이상을 지칭한다.
본원에서 사용되는 "화학적 적합성"은 전기화학 셀의 성능에 유의미하게 부정적인 영향을 미치는 방식으로 전기화학 셀의 화학적 작용을 방해하지 않는 물질을 의미한다. 화학적으로 호환되는 물질은 전해질(예: 아연 할로겐화물 전해질, 알칼리성 전해질) 및 양극 및 음극 물질과 화학적으로 호환된다.
본원에서 사용되는 "화학적 불활성"은 전기화학 셀의 전해질, 애노드 또는 캐소드와 임의의 의미 있는 방식으로 화학적으로 반응하지 않는 물질을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 직사각형"은 정확히 직사각형은 아니지만 4개의 측면을 갖고 볼 때 직사각형 외관을 갖는 형상을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 평행하다"는 실질적으로 평행한 물체의 표면이 표면의 길이를 가로질러 평행한 것으로부터 2°(2도) 이하임을 의미한다.
II. 전기화학 셀 및 배터리
도 1 내지 도 14를 참조하여, 하나의 측면에서 본 발명은 고정된(유동하지 않는) 쌍극성 아연-할로겐화물 재충전 가능한 전기화학 배터리(100, 500)를 제공한다.
A. 쌍극성 전기화학 배터리
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 쌍극성 전기화학 배터리(100)는 적어도 하나의 쌍극성 전기화학 셀과 2개의 말단 전기화학 셀을 포함한다. 일부 실시예에서, 쌍극성 전기화학 배터리는 직렬로 약 10 내지 50개의 쌍극성 전기화학 셀 및 2개의 말단 전기화학 셀을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 쌍극성 전기화학 배터리는 직렬로 연결된 38개의 쌍극성 전기화학 셀과 2개의 말단 전기화학 셀을 포함한다.
적어도 하나의 쌍극성 전기화학 셀은 쌍극성 전극(102), 배터리 프레임 부재(114) 및 아연-할로겐화물 전해질을 포함한다. 말단 전기화학 셀은 쌍극성 전극(102), 배터리 프레임 부재(114), 단자 조립체(104), 단자 엔드플레이트(105) 및 아연-할로겐화물 전해질을 포함한다.
1. 쌍극성 전극
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 쌍극성 전극(102)은 쌍극성 전극판(302)을 포함하며, 상기 쌍극성 전극판(302)의 표면에 탄소 물질(224)이 접착 층(311)을 사용하여 부착되고, 이에 따라 탄소 물질(224)은 쌍극성 전극판(302)의 적어도 표면과 전기적으로 연통한다. 도 3의 단자 조립체(104)의 분해도를 참조하여 쌍극성 전극(102)의 구조를 설명하고 쌍극성 전극(102)의 구조는 단자 조립체(104)의 쌍극성 전극의 구조와 동일하다.
본 발명의 쌍극성 전극(102)은, 전기화학 셀의 충전 동안, 애노드 전극 표면 상에 아연 금속을 도금하고 탄소 물질에서 가역적으로 격리되는 할라이드 또는 혼합된 할라이드 종을 생성시키도록 구성된다. 반면, 이들 전극은, 전기화학 셀의 방전 동안, 도금된 아연 금속을 산화시켜 Zn2+ 양이온을 생성시키고 할라이드 또는 혼합된 할라이드 화학종을 이의 대응하는 음이온으로 환원시키도록 배열된다.
a. 쌍극성 전극판
쌍극성 전극판(302)은 전기화학 배터리에 사용되는 아연 할로겐화물 전해질에 상대적으로 불활성인 전도성 코팅 또는 필름을 포함한다. 일부 실시예에서, 코팅 또는 필름은 쌍극성 전극판(302)의 표면의 일부를 덮는다. 일부 실시예들에서, 쌍극성 전극판(302)은 티타늄, 티타늄 산화물, TiC, TiN, 또는 흑연을 포함한다. 선택적으로, 쌍극성 전기판(302)은 플라스틱에 전도성 충전제를 혼합하여 전도성을 부여하는 플라스틱 물질이다. 일부 실시예들에서, 쌍극성 전극판(302)은 티타늄 물질(예를 들어, 티타늄 또는 티타늄 산화물)을 포함한다. 다른 실시예에서, 쌍극성전도판(302)은 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 티타늄 물질을 포함한다.
이러한 실시예들에서, 쌍극성 전극판(302)의 표면의 적어도 일부는 티타늄 카바이드 물질로 코팅된다. 일부 실시예에서, 쌍극성 전극판(302)은 전기 전도성 탄소 물질(예를 들어, 흑연판)을 포함한다. 경우에 따라 쌍극성 전극판(302)은 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 흑연판을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 쌍극성 전극판(302)의 표면의 적어도 일부는 티타늄 카바이드 물질로 코팅된다. 일부 실시예에서, 쌍극성 전극판(302)은 전기 전도성 플라스틱을 포함한다. 임의의 적합한 전기 전도성 플라스틱이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 전도성 플라스틱은 당업자에게 잘 알려져 있으며 여기에서 상세히 설명하지 않는다. 이러한 전기 전도성 플라스틱 물질은 카본 블랙, 흑연, 퓸드 실리카 또는 이들의 조합을 갖는 베이스 수지 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 1978년 3월 6일자로 출원된 미국 특허 제4,169,816호에 설명된 전기 전도성 플라스틱이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
쌍극성 전극판은 스탬핑(stamping) 또는 다른 적절한 공정에 의해 형성될 수 있다. 쌍극성 전극판(302)의 표면 일부는 선택적으로 셀 또는 배터리의 전기화학적 특성을 향상시키기 위해 표면 처리(코팅 등)를 거칠 수 있다. 쌍극성 전극판의 내면은 셀 또는 배터리 충전 시 아연 금속 층의 형성과 관련되거나 이에 의해 정의되는 전기화학적 활성 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 전극판의 내면은 전기화학적 활성 영역 내에서 샌드블라스팅되거나 달리 처리될 수 있다. 다른 실시예에서, 외면은 또한 캐소드 조립체에 의해 둘러싸인 영역과 관련된 전기화학적 활성 영역 내에서 샌드블라스팅될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 내면의 적어도 일부, 외면의 적어도 일부, 또는 양 표면의 적어도 일부는 거친 표면을 제공하도록 처리(예를 들어, 샌드블라스팅)된다. 경우에 따라 쌍극성 전극판의 내면의 적어도 일부는 거친 표면을 제공하기 위해 처리(예: 샌드블라스팅)된다. 경우에 따라 거친 표면을 제공하도록 처리된 내면의 영역은 전극판의 외면에 부착된 캐소드 조립체의 주변부에 의해 실질적으로 정의된다.
b. 캐소드 조립체
본 발명의 전기화학 셀은 캐소드 조립체를 포함하며, 상기 캐소드 조립체는 적어도 하나의 탄소 물질(224) 및 탄소 물질(224)을 쌍극성 전극판(302)에 전기적으로 연결하는 접착 층(311)을 포함한다. 탄소 물질은 코팅 물질 상에 위치하여 즉, 쌍극성 전극판(302)의 표면(예를 들어, 캐소드 표면)에 있다.
i. 탄소 물질
탄소 물질(224)은 쌍극성 전극판(302)의 표면과 전기적으로 연결되어 있으며 접착 층(311)을 이용하여 쌍극성 전극판(302)에 접착되어 있다. 본 발명의 전기화학 셀에 적합한 탄소 물질은, 수성 브롬 화학종(예를 들면, 수성 브롬 또는 수성 브로마이드)을 가역적으로 흡수할 수 있으며 전해질의 존재하에 실질적으로 화학적 불활성인 임의의 탄소 물질을 포함할 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 탄소 물질은 카본 블랙 또는 다른 퍼니스 공정 카본(fu평판ce process carbon)을 포함한다. 적합한 카본 블랙 물질은 Cabot Vulcan® XC72R, Akzo-Nobel Ketjenblack EC600JD, 및 전도성 퍼니스 공정 카본 블랙들의 기타 매트 블랙(matte black) 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 몇몇 양태에서, 상기 탄소 물질은 PTFE 결합제 및 탈이온수를 포함하지만 이에 제한되지 않는 기타 구성성분을 또한 포함한다. 예를 들면, 상기 탄소 물질의 함수량은 상기 탄소 물질의 50중량% 미만(예를 들면, 약 0.01중량% 내지 약 30중량%)이다. 몇몇 양태에서, 상기 탄소 물질은 PTFE를 (예를 들면, 상기 탄소 물질의 약 0.5중량% 내지 약 5중량%로)포함한다.
일부 실시예에서, 탄소 물질은 하나 이상의 얇은 직사각형 블록의 형태일 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 물질은 단일 고체 블록을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 탄소 물질은 카본 블랙의 1 내지 5개, 1 내지 3개, 또는 1 내지 2개의 고체 블록을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 탄소 물질은 직조 탄소 섬유 또는 부직 탄소 펠트 물질로 구성될 수 있다.
2. 단자 조립체
본 발명의 다른 측면은 전기화학 배터리용 단자 조립체를 제공한다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 단자 조립체(104)는 단자 커넥터(308); 전기 전도성 주변부(306)를 갖는 전도성 평판(304); 전기 절연 테이프 부재(310); 및 쌍극성 전극판 302을 포함한다. 전도성 평판(304), 쌍극성 전극판(302) 및 전기 절연 테이프 부재(310)는 각각 서로 적어도 실질적으로 평행한 내면과 외면을 가지며, 전도성 평판(304)의 외면은 단자 커넥터(308)에 접합되고, 전도성 평판(304)의 내면은 쌍극성 전극판(302)의 외면에 결합되며, 전기 절연 테이프 부재(310)는 쌍극성 전극판(302)의 외면과 전도성 평판(304)의 내면 사이에 배열되어 배터리 절연 테이프 부재(310)는 전도성 평판(304)의 전체 내면적을 덮지 않고, 전기 전도성 주변부(306)에 따라 쌍극성 전극판(302)과 단자 커넥터(308) 사이에 전도성 평판(304)을 통해 양방향 균일 전류 흐름을 가능하게 한다.
절연 테이프 부재(310)는 전도성 평판(304)의 전체 표면을 덮지 않기 때문에 전기 전도성 주변부(306)가 쌍극성 전극판(302)과 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 일부 실시예에서, 절연 테이프 부재(310)의 치수는 전도성 평판(304)의 치수보다 작다. 일부 실시예들에서, 절연 테이프 부재(310)는 각각 전도성 평판(304)의 폭, 높이 또는 이들의 조합보다 작은 폭, 높이 또는 이들의 조합을 갖는다. 쌍극성 전기화학 셀의 단자 커넥터(308)는 전도성 평판(304)과 전기적 소통을 위해 연결된다. 일부 실시예에서, 전도성 평판(304)의 외면은 단자 커넥터(308)에 결합된다. 일부 실시예에서, 단자 커넥터(308)는 임의의 전기 전도성 물질을 포함한다. 일 실시예에서, 단자는 황동을 포함한다(예를 들어, 단자는 단자 주변부와 전기적으로 소통하거나 접촉하는 황동 플러그이다).
단자 조립체(104)의 쌍극성 전극판(302)은 전도성 평판(304) 및 전기 절연 테이프 부재(310)의 내부 및 외면과 적어도 실질적으로 평행한 내부 및 외면을 갖는다. 쌍극성 전극판(302)은 제한 없이 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 티타늄 물질, 관통 홀, 거친 내면 등을 포함할 수 있다. 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 평판(304)의 전기 전도성 주변부(306)는 전기 전도성 주변부(306)가 쌍극성 전극판(302)의 전기화학적 활성 영역 주위에 거의 중심에 위치되도록 쌍극성 전극판(302)에 결합된다. 일부 실시예들에서, 전기화학적 활성 영역은 전기화학 배터리의 충방전 사이클 동안 인접한 쌍극성 전극판과 화학적 또는 전기적 소통을 하는 쌍극성 전극판(302)의 내측면과 외측면 사이에 연장된 영역에 해당한다. 이들 실시예에서, 배터리의 캐소드 단자와 관련된 쌍극성 전극판(302)에 대한 전기화학적 활성 영역은 쌍극성 전극판(302)의 내면 상에 배치된 캐소드 조립체에 의해 둘러싸인 영역에 대응하거나 이에 의해 정의된다(예를 들어, 단자 캐소드 전극판). 배터리의 애노드 단자와 연결된 쌍극성 전극판(302)의 전기화학적 활성 영역은 인접한 쌍극성 전극판의 전면에 배치된 캐소드 조립체와 대향하는 내면의 영역에 해당할 수 있으며, 배터리 충전 시 아연 금속(단자 애노드 조립체)의 층을 형성한다. 일부 실시예들에서, 단자 애노드 조립체의 쌍극성 전극판(302)의 표면의 적어도 일부(예를 들어, 적어도 화학적 활성 영역)는 거친 표면이다.
도 3은 도 1의 배터리에 사용하기 위한 단자 조립체의 분해도를 제공하고 도 1은 캐소드 탄소 물질(224), 접착 층(311), 쌍극성 전극판(302), 전기 절연 테이프 부재(310), 전도성 평판(304), 전기 전도성 주변부(306) 및 단자 커넥터(308)를 도시한 것이다.
일부 실시예에서, 용접에 의해 형성된 전기 전도성 주변부(306)는 쌍극성 전극판(302)의 전기화학적 활성 영역 내에서 중심에 위치한다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부(306)는 실질적으로 직사각형, 실질적으로 원형 또는 실질적으로 타원형이다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부(306)는 실질적으로 직사각형이다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304)은 쌍극성 전극판(302)의 전기화학적 활성 영역 내에서 중심에 위치한다.
몇몇 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재의 표면은 용접 또는 접착제에 의해 전도성 평판의 표면에 접합된다. 일부 실시예에서, 접착제는 전기 전도성이다.
본 명세서에 개시된 전도성 평판은 종래의 집전체보다 크기 때문에 더 많은 접점과 더 나은 전류 밀도 분포를 제공한다. 이로 인해 제조 비용이 절감된다. 일부 실시예에서, 단자 조립체는 단자 캐소드 조립체이고, 단자 캐소드 조립체는 전기화학적 활성 영역을 갖는 쌍극성 전극판(302), 전기화학 활성 영역의 대략 중심에 위치되고 쌍극성 전극판(302)의 표면 상에 배치된 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304) 및 쌍극성 전극판(302)의 내면 상에 배열된 임의의 캐소드 조립체와 같은 캐소드 조립체를 포함한다.
일부 실시예에서, 단자 조립체는 단자 애노드 조립체이고, 단자 애노드 조립체는 전기화학적 활성 영역을 갖는 쌍극성 전극판(302), 전기화학적 활성 영역에 중심에 있는 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304)을 포함하고, 단자 애노드 조립체는 캐소드 조립체가 결여되어 있다.
일부 실시예들에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304)의 전기 전도성 주변부(306)는 용접 또는 접착제에 의해 쌍극성 전극판(302)의 표면에 결합된다. 경우에 따라 접착제는 전기 전도성이 있다. 적합한 전기 전도성 접착제의 비제한적 예는 흑연 충전 접착제(예를 들어, 흑연 충전 에폭시, 흑연 충전 실리콘, 흑연 충전 엘라스토머, 또는 이들의 임의의 조합), 니켈 충전 접착제(예를 들어, 니켈 충전 에폭시), 은 충전 접착제(예를 들어, 은 충전 에폭시), 구리 충전 접착제(예를 들어, 구리 충전 에폭시), 이들의 임의의 조합 등을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304)은 구리 합금, 구리/티타늄 클래드, 알루미늄, 티타늄 및 전기 전도성 세라믹 중 적어도 하나로 구성된다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304) 또는 쌍극성 전극판(302) 중 적어도 하나는 티타늄을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304) 또는 쌍극성 전극판(302) 중 적어도 하나는 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 티타늄 물질을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304) 중 적어도 하나의 내면은 구리를 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304) 중 적어도 하나의 외면은 구리, 티타늄 및 전기 전도성 세라믹 중 적어도 하나를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)를 갖는 전도성 평판(304)은 제1 금속을 포함하고 쌍극성 전극판(302)은 제2 금속을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(310)는 본질적으로 전기 절연인 임의의 접착 물질로 구성될 수 있다. 전기 절연 테이프 부재(310)의 비제한적인 예로는 KaptonTM, MylarTM, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 나일론, 테프론, 네오프렌 또는 기타 전기 절연 폴리머가 있다.
3. 배터리 프레임 부재
일부 실시예에서, 본 명세서에 개시된 배터리는 2개의 인접한 쌍극성 전극 사이에 개재되거나 쌍극성 전극(102)과 단자 조립체(104)(예를 들어, 단자 양극 조립체 또는 단자 캐소드 조립체) 사이에 개재되는 배터리 프레임 부재(114)를 포함한다.
일 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 프레임 부재(114)는 외주 에지 및 내부 개방 영역을 정의하는 내주 에지를 갖는다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 개방된 내부 영역이 배터리 프레임 부재(114)에 의해 수용된 쌍극성 전극판(302)의 전기화학적 활성 영역의 중심 및/또는 쌍극성 전극판(302) 상에 배열된 캐소드 조립체의 중심에 대략 중심이 되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)의 외주는 배터리의 외면을 정의한다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 제1 쌍극성 전극판(302)에 대향하여 유지하는 제1 측면 및 제2 쌍극성 전극판에 대향하여 유지하는 제1 측면 이외에 배터리 프레임 부재(114)의 마주보는 측면에 배열된 제2 측면을 포함한다. 제2 전극판은 배터리에서 제1 전극판과 인접하고 평행하다. 상기 제1 및 제2 전극판과 상기 단자 전극판은 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 일측에서 애노드 쌍극성 전극판과 다른 일측에서 인접한 쌍극성 셀의 캐소드 쌍극성 전극판과 접촉한다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 내주 에지 주위로 연장되는 밀봉 부재(116)(도 4)를 포함한다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재는 내주 에지 중 3개에만 배치되며, 상부는 제외된다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 제1 내주 에지를 따라 배치된 제1 밀봉 부재(116)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 밀봉 부재는 O-링이다. 일부 실시예에서, 제1 밀봉 부재(116)는 개스킷이다.
일부 실시예에서, 각각의 내주연 에지는 밀봉 부재(116)가 안착되어 대응하는 쌍극성 전극판 또는 터미널 전극판과 배터리 프레임 부재(114) 사이에서 밀봉이 압축될 때 실질적으로 누출 없는 밀봉을 형성하도록 구성되고 전기화학 배터리는 쌍극성 물질판 또는 엔드플레이트와 배터리 프레임 부재(114) 사이에 밀봉 인터페이스를 제공하도록 조립된다. 밀봉 부재는 서로 협력하여 대향하는 쌍극성 전극판과 배터리 프레임 부재(114) 사이 또는 쌍극성 전극판과 단자 전극판과 프레임 부재(114) 사이에 전해액을 유지한다. 일부 실시예에서 밀봉 부재(116)는 프레임 부재(114) 상에 오버몰딩된다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재(116)는 폼 인 플레이스 액체 경화 공정을 사용하여 프레임 부재(114)에 적용된다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재(116)는 프레임 부재(114)의 깊이 위로 연장되고 조립 중에 압축된다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 사이클링 동안 전압 이상을 방지하기 위해 배터리 프레임 부재(114)의 바닥 부분에 거커를 포함한다. 일부 실시예에서, 거터는 거터 선반(406) 및 거터 선반(406) 아래의 빈 공간(407)을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드 탄소 물질(224)는 거터 선반(406) 상에 놓인다. 거터의 존재 및 거터 선반 아래의 빈 공간은 사이클링 중 전압 이상을 방지한다. 일부 실시예에서, 거터 선반(406) 아래에는 빈 공간(407)이 없고 거터 선반(406)은 배터리 프레임 부재(114)의 바닥까지 연장된다.
일부 실시예에서, 캐소드 탄소 물질(224)가 놓이는 거터 선반(406)은 거터 선반(406) 아래의 빈 공간(407)을 포함하는 높이 0.5 내지 5cm, 깊이가 3 내지 10mm일 수 있으며, 깊이는 배터리 프레임 부재(114)의 전체 바닥 부분을 따라 배터리 프레임 부재(114)의 높이 및 폭에 수직이다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재는 제1 프레임 부재 및 제2 프레임 부재를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 프레임 부재 및 제2 프레임 부재는 수평으로 적층되고 수직으로 배향되며, 제1 프레임 부재의 제1 외부 에지는 제2 프레임 부재의 제2 외부 에지와 실질적으로 동일 평면에 있다.
배터리의 일부 실시예에서, 각각의 배터리 프레임 부재(114)는 배터리 프레임 부재(114)의 주변부 주위에 용접 비드(405)를 사용하여 인접한 프레임 부재(114)에 플라스틱 용접된다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(114)는 통기 홀(402) 바로 위의 배터리 프레임 부재(114)의 상부에 통합된 가스 채널(401)을 포함한다. 통기 홀(402)은 가스가 가스 채널(401)로 빠져나가게 한다. 일부 실시예에서, 가스 채널(401)은 일련의 배터리 프레임 부재(114)의 통기 홀(402) 위에 중심을 두고 배터리 프레임 부재(114)의 상부에 위치한다. 가스 채널은 둘러싸여 있다. 일부 실시예에서, 가스 채널(401)의 일부는 배터리 프레임 부재(114)에 형성되고 커버는 프레임 부재가 가스 채널(401)을 둘러싸도록 배터리로 조립된 후에 그 위에 배치된다. 선택적으로, 가스 채널(401)은 가스 채널(401)을 둘러싸기 위해 배터리 프레임 부재(114)에 부착되는 리드(409)에 의해 덮인다. 일부 실시예에서, 리드(409)은 배터리 프레임 부재(114)에 용접, 접착, 나사 결합 또는 스냅핑에 의해 배터리 프레임 부재(114)에 부착된다. 다른 실시예에서 리드(409)은 가스 채널(401)의 측면의 상부 및 일부를 모두 형성한다. 가스 채널(401)은 배터리 프레임 부재(114)의 전기화학 배터리로부터의 가스를 위한 상부 공간을 제공한다.
일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 가스가 가스 채널(401)로 빠져나가게 하는 통기 홀(402) 바로 아래의 배터리 프레임 부재(114)의 상부에 존재한다. 가스 채널(401)이 배터리(100)를 통해 가스 연통을 제공하는 동안 액체 전환 시스템은 액체가 일련의 특징부를 통해 가스 채널(401)에 들어가는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 2개의 부분 차단 벽(404) 및 다수의 이차 차단벽(408)을 갖는 일차 전환기 특징부(403)를 포함하여 액체가 항상 배터리 프레임 부재(114) 내의 개방된 내부 영역으로 다시 향하게 한다. 일부 실시예에서, 일차 전환기(403)는 30도에서 60도 범위의 각도로 아래쪽을 향하는 단부 부분을 가진 수평 플라스틱 돌출부로 구성된다. 일부 실시예에서, 이차 차단 벽은 최소 유체가 일차 전환기에 도달하는 것을 보장한다. 일부 실시예에서, 이차 차단벽(408)은 모두 배터리 프레임 부재(114)에 대해 위에서 아래로 또는 아래에서 위로 돌출하도록 설계되며, 배터리 프레임 부재(114)의 상단은 가스 채널(401)로 표시된다. 일부 실시예에서, 이차 차단벽(408)은 다양한 길이를 갖는다. 액체 전환 시스템의 장점 중 하나는 운송 중에 배터리 프레임 부재(114) 내에 함유된 전해질을 유지함으로써 배터리의 품질을 향상시킨다는 점이다.
각각의 배터리 프레임 부재(114)는 난연성 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리스티렌 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 각각의 배터리 프레임 부재(114)는 인접한 두 개의 쌍극성 전극판 또는 쌍극성 전극판과 단자 전극판을 수용할 수 있다. 각각의 배터리 프레임 부재(114)는 통기 홀(402)을 통해 수용되는 수성 전해질 용액(예를 들어, 아연-할로겐화물 전해질 또는 아연-브롬화물 전해질)을 수용할 수도 있다.
도 5는 거터 선반(406) 및 거터 선반 아래의 빈 공간(407)을 보여주는 배터리 프레임 부재(114)의 바닥 부분의 근접 측면도를 도시한다. 이 실시예에서, 배터리 내의 각각의 프레임 부재는 거터 선반(406) 및 빈 공간(407)을 포함한다.
4. 아연-할로겐화물 전해질
아연-할로겐화물 전해질은 미국 특허 제10,305,111호에 기재되어 있으며, 이는 본 명세서에 그 전문이 참조로 포함된다.
B. 쌍극성 전기화학 배터리의 다른 실시예
도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 정적(비유동) 쌍극성 아연-할로겐화물 재충전가능 전기화학 배터리(500)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 쌍극성 전기화학 배터리(500)는 본 명세서에서 달리 나타내거나 기술된 것을 제외하고는 쌍극성 전기화학 배터리(100)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 이 실시예에서, 쌍극성 전기화학 배터리(500)는 실질적으로 직사각형일 수 있고, 직사각형 외관을 전달하기 위해 한 치수가 다른 치수보다 눈에 띄게 더 크다. 도 7에 도시된 X-Y-Z 좌표 공간에서, 쌍극성 전기화학 배터리(500)의 폭 치수는 X 방향이고 Y에 비해 큰 치수이므로 쌍극성 전기화학 배터리(500)는 직사각형 외관을 갖게 된다. 쌍극성 전기화학 배터리(500)의 높이 치수는 Y 치수로 폭 치수보다 짧은 치수이다. 쌍극성 전기화학 배터리(500)의 방향과 탄소 물질의 배향은 상호보완적이어서 쌍극성 전기화학 배터리(500)의 폭과 높이는 각각의 폭과 높이가 거의 동일한 방향을 공유하고 이는 이하에서 설명되고 도 8 및 도 10에 도시된 탄소 물질이다. 페이지를 참조로 사용하여 X 및 Y 치수는 페이지의 평면에서 서로 수직이고 Z 치수는 페이지에 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 쌍극성 전기화학 배터리(500)는 적어도 하나의 쌍극성 전기화학 셀과 두 개의 말단 전기화학 셀을 포함한다. 일부 실시예에서, 쌍극성 전기화학 배터리는 직렬로 약 10 내지 50개의 쌍극성 전기화학 셀 및 2개의 말단 전기화학 셀을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 쌍극성 전기화학 배터리는 직렬로 연결된 26개의 쌍극성 전기화학 셀 및 2개의 말단 전기화학 셀을 포함한다.
적어도 하나의 쌍극성 전기화학 셀은 쌍극성 전극(502), 배터리 프레임 부재(514) 및 아연-할로겐화물 전해질을 포함한다. 말단 전기화학 배터리는 쌍극성 전극(502), 배터리 프레임 부재(514), 단자 조립체(504), 단자 엔드플레이트(505) 및 아연-할로겐화물 전해질을 포함한다.
1. 쌍극성 전극
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 쌍극성 전극(502)은 쌍극성 전극판(702)을 포함하며, 탄소 물질(624)은 접착 층(711)을 사용하여 쌍극성 전극판(702)의 표면에 부착되어 탄소 물질(624)는 쌍극성 전극판(702)의 적어도 표면과 전기적으로 통신한다. 쌍극성 전극(502)의 구조는 도 8의 단자 조립체(504)의 분해도를 참조하여 설명하고 쌍극성 전극(502)의 구조는 단자 조립체(504)의 쌍극성 전극의 구조와 동일하다.
본 발명의 쌍극성 전극(502)은 애노드 전극 상에 아연 금속을 도금하고 탄소 물질에서 가역적으로 격리되는 전기화학 배터리의 충전 동안 할로겐화물 또는 혼합 할로겐화물 종을 생성하도록 구성된다. 역으로, 이들 전극은 도금된 아연 금속을 산화시켜 Zn2+ 양이온을 생성하고 전기화학 셀의 방전 동안 할라이드 또는 혼합 할라이드 종을 상응하는 음이온으로 환원시키도록 구성된다.
a. 쌍극성 전극판
상기 쌍극성 전극판(702)은 전기화학 배터리에 사용되는 아연 할로겐화물 전해질에 상대적으로 불활성인 전도성 코팅 또는 필름을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 코팅 또는 필름은 쌍극성 전극판(702)의 표면의 일부를 덮는다. 몇몇 실시예에서, 쌍극성 전극판(702)은 티타늄, 티타늄 산화물, TiC, TiN 또는 흑연을 포함한다. 선택적으로 쌍극성 전극판(702)은 플라스틱에 전도성 충전제를 결합하여 전도성을 부여하는 플라스틱 물질이다. 일부 실시예들에서, 쌍극성 전극판(702)은 티타늄 물질(예를 들어, 티타늄 또는 티타늄 산화물)을 포함한다. 다른 실시예에서, 쌍극성 전극판(702)은 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 티타늄 물질을 포함한다.
이러한 실시예들에서, 쌍극성 전극판(702)의 표면의 적어도 일부는 티타늄 카바이드 물질로 코팅된다. 일부 실시예에서, 쌍극성 전극판(702)은 전기 전도성 탄소 물질(예를 들어, 흑연판)를 포함한다. 경우에 따라 쌍극성 전극판(702)은 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 흑연판으로 구성된다. 이러한 실시예들에서, 쌍극성 전극판(702)의 표면의 적어도 일부는 티타늄 카바이드 물질로 코팅된다. 일부 실시예에서, 쌍극성 전극판(702)은 전기 전도성 플라스틱을 포함한다. 임의의 적합한 전기 전도성 플라스틱이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 전도성 플라스틱은 당업자에게 잘 알려져 있으며 여기에서 상세히 설명하지 않는다. 이러한 전기 전도성 플라스틱 물질은 카본 블랙, 흑연, 발연 실리카 또는 이들의 조합을 갖는 베이스 수지 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 1978년 3월 6일자로 출원된 미국 특허 제4,169,816호에 설명된 전기 전도성 플라스틱이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
이 실시예에서, 쌍극성 전극판은 직사각형 외관을 전달하기 위해 한 치수가 다른 치수보다 눈에 띄게 더 큰 실질적으로 직사각형일 수 있다. 도 7에 도시된 X-Y-Z 좌표 공간에서, 단자 조립체(504)의 폭 치수는 X 방향에 있고 Y에 비해 더 큰 치수이다. 단자 조립체(504)의 높이 치수는 Y 방향에 있고 X 치수에 비해 더 짧은 치수이며, 예시된 단자 조립체(504) 및 폭발된 배터리에 직사각형 외관을 제공한다. Z 방향은 예시된 배터리 구성 요소의 깊이(즉, 두께)를 나타낸다. 도 7, 8 및 10에 도시된 바와 같이, 쌍극성 전극판의 배향과 탄소 물질의 배향은 단자 조립체(504)의 방향과 상호보완적이어서 탄소 물질의 폭 및 높이와 쌍극성 전극판의 폭 및 높이는 도 7에 도시된 단자 조립체(504)의 폭 및 높이와 대략 동일한 배향을 공유한다는 것을 알 수 있다.
쌍극성 전극판은 스탬핑(stamping) 또는 다른 적절한 공정에 의해 형성될 수 있다. 쌍극성 전극판(702)의 표면 일부는 셀 또는 배터리의 전기화학적 특성을 향상시키기 위해 선택적으로 표면 처리(코팅 등)를 거칠 수 있다. 쌍극성 전극판의 내면은 셀 또는 배터리 충전시 아연 금속 층의 형성과 관련되거나 이에 의해 정의되는 전기화학적 활성 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 전극판의 내면은 전기화학적 활성 영역 내에서 샌드블라스팅되거나 달리 처리될 수 있다. 다른 실시예에서, 외면은 또한 캐소드 조립체에 의해 둘러싸인 영역과 관련된 전기화학적 활성 영역 내에서 샌드블라스팅될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 내면의 적어도 일부, 외면의 적어도 일부, 또는 양 표면의 적어도 일부는 거친 표면을 제공하기 위해 처리(예를 들어, 샌드블라스팅)된다. 경우에 따라 쌍극성 전극판 내면의 적어도 일부는 거친 표면을 제공하기 위해 처리(예를 들어, 샌드 블라스팅)된다. 경우에 따라 거친 표면을 제공하도록 처리된 내면 영역은 전극판의 외면에 부착된 캐소드 조립체의 주변부에 의해 실질적으로 정의됩니다.
b. 캐소드 조립체
본 발명의 전기화학 배터리는 캐소드 조립체를 포함하며, 캐소드 조립체는 적어도 하나의 탄소 물질(624) 및 탄소 물질(624)을 쌍극성 전극판(702)에 전기적으로 연결하는 접착 층(711)을 포함한다. 탄소 물질은 쌍극성 전극판(702)의 표면(예: 캐소드 표면)에 있는 코팅 물질에 위치된다.
i. 탄소 물질
탄소 물질(624)은 쌍극성 전극판(702)의 표면과 전기적으로 연결되어 있으며 접착 층(711)을 이용하여 쌍극성 전극판(702)에 접착된다. 본 발명의 전기화학 셀에 적합한 탄소 물질은 수성 브롬 종(예: 수성 브롬 또는 수성 브롬화물)을 가역적으로 흡수할 수 있고 전해질의 존재 하에서 실질적으로 화학적으로 불활성인 임의의 탄소 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 물질은 카본 블랙 또는 다른 퍼니스 공정 탄소를 포함한다. 적합한 카본 블랙 물질은 Cabot Vulcan® XC72R, Akzo-Nobel Ketjenblack EC600JD, 및 전도성 퍼니스 공정 카본 블랙의 다른 매트 블랙 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 탄소 물질은 또한 PTFE 결합제 및 탈이온수를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소 물질은 탄소 물질의 중량 기준으로 50wt% 미만(예를 들어, 약 0.01wt% 내지 약 30wt%)의 수분 함량을 갖는다. 일부 실시예에서, 탄소 물질은 PTFE(예를 들어, 탄소 물질의 약 0.5wt% 내지 약 5wt%)를 포함한다.
일부 실시예에서, 탄소 물질은 하나 이상의 얇은 직사각형 블록의 형태일 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 물질은 단일 고체 블록을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 탄소 물질은 카본 블랙의 1 내지 5개, 1 내지 3개, 또는 1 내지 2개의 고체 블록을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 탄소 물질은 직조 탄소 섬유 또는 부직 탄소 펠트 물질로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 탄소 물질은 직사각형 외관을 전달하기 위해 하나의 치수가 다른 치수보다 눈에 띄게 더 큰 실질적으로 직사각형일 수 있다. 도 7 및 도 8에 예시된 X-Y-Z 좌표 공간에서, 탄소 물질(624)의 폭 치수는 X 방향(도 8 및 10에 "W"로 도시됨)이고 Y에 대해 더 큰 치수이며, 물품에 직사각형 외관을 부여한다. 탄소 물질(624)의 높이 치수는 Y 방향(도 8 및 10에 "H"로 도시됨)이고 폭 치수에 비해 더 짧은 치수이다. 쌍극성 전기화학 배터리(500)의 배향과 탄소 물질(624)의 배향은 쌍극성 전기화학 배터리(500)의 폭과 높이가 각각의 탄소 물질(624)의 폭과 높이와 거의 같은 방향을 공유하도록 상호보완적이다.
일부 실시예에서, 탄소 물질(624)는 약 10:1 내지 약 2:1 범위의 종횡비(본 출원에서 폭 대 높이의 비로서 언급됨)를 갖는다. 다른 실시예에서, 탄소 물질(624)는 약 7:1 내지 약 3:1 범위의 종횡비를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 탄소 물질(624)는 약 5:1 내지 약 2:1 범위의 종횡비를 갖는다. 하기 실시예에 나타낸 바와 같이, 본 출원의 발명자들은 종횡비가 증가함에 따라 배터리 성능이 예기치 않게 증가한다는 것을 발견하였다.
배터리 프레임 부재(514)의 폭 및 높이는 탄소 물질(624)의 폭 "W" 및 높이 "H"에 각각 상보적으로 위치한다. 배터리 프레임 부재(514)의 폭은 배터리 프레임 부재(514)의 바닥을 따른 치수이며 가스 채널(801)은 배터리 프레임 부재(514)의 상부에 위치된다(도 9에 도시된 바와 같음). 도 7에 도시된 X-Y-Z 좌표 공간에서, 배터리 프레임 부재(514)의 폭 치수는 X 방향이고, 배터리 프레임 부재(514)의 높이 치수는 Y 방향이다. 배터리 프레임 부재(514)의 깊이는 Z 방향이고 배터리 프레임 부재(514)의 높이 및 폭에 수직인 치수의 값이다(도 7에서 "D"로 도시됨).
일부 실시예에서, 탄소 물질 높이 대 배터리 프레임 부재 깊이의 비율은 약 4:1 내지 약 20:1 범위이다. 하기 실시예에 나타낸 바와 같이, 본 출원의 발명자들은 상기 정의된 바와 같은 비율이 감소함에 따라 배터리 성능이 예기치 않게 증가한다는 것을 발견하였다.
2. 터미널 조립체
본 명세서에 기술된 전기화학 배터리의 또 다른 측면은 단자 조립체이다. 도 8을 참조하면, 본 명세서에 기술된 단자 조립체(504)는 단자 커넥터(708); 전기 전도성 주변부(706)를 갖는 전도성 평판(704); 전기 절연 테이프 부재(710); 및 단자 쌍극성 전극판(702)을 포함한다. 전도성 평판(704), 단자 쌍극성 전극판(702) 및 전기 절연성 테이프 부재(710)는 각각 적어도 실질적으로 서로 평행한 내면 및 외면을 가지며, 전도성 평판(704)의 외면은 단자 커넥터(708)에 접합되고, 전도성 평판(704)의 내면이 단자 쌍극성 전극판(702)의 외면에 접합되며, 전기 절연성 테이프 부재(710)는 전도성 평판(704)의 내면과 쌍극성 전극판(702)의 외면 사이에 배열되어 전기 절연 테이프 부재(710)가 전도성 평판(704)의 전체 내면 영역을 덮지 않고 전기 전도성 주변부부(706)는 단자 쌍극성 전극판(702)과 단자 커넥터(708) 사이에 전도성 평판(704)을 통해 양방향 균일한 전류 흐름을 가능하게 한다.
절연 테이프 부재(710)는 전도성 평판(704)의 전체 표면을 덮지 않기 때문에 전기 전도성 주변부(706)가 단자 쌍극성 전극판(702)과 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 일부 실시예에서, 절연 테이프 부재(710)의 치수는 전도성 평판(704)의 치수보다 작다. 쌍극성 전기화학 배터리의 단자 커넥터(708)는 전도성 평판(304)과 전기적 통신을 위해 연결된다. 일부 실시예에서, 전도성 평판(704)의 외면은 단자 커넥터(708)에 결합된다. 일부 실시예에, 단자 커넥터(708)는 임의의 전기 전도성 물질을 포함한다. 일 실시예에서, 단자 연결부는 황동을 포함한다(예를 들어, 단자 커넥터는 단자 주변부와 전기적으로 소통하거나 접촉하는 탭 조립체이다).
단자 조립체(504)의 단자 쌍극성 전극판(702)은 전도성 평판(704) 및 전기 절연 테이프 부재(710)의 내부 및 외면과 적어도 실질적으로 평행한 내부 및 외면을 갖는다. 단자 쌍극성 전극판(702)은 제한 없이 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 티타늄 물질, 관통 홀, 거친 내면 등을 포함할 수 있다.
전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 평판(704)의 전기 전도성 주변부(706)는 전기 전도성 주변부(706)가 대략 단자 쌍극성 전극판(702)의 전기화학적 활성 영역 주위에 중심이 되도록 단자 쌍극성 전극판(702)에 결합한다. 실시예에서 전기화학 활성 영역은 전기화학 배터리의 충방전 사이클 동안 인접한 쌍극성 전극판(702)과 화학적 또는 전기적 소통이 이루어지는 단자 쌍극성 전극판(702)의 내측면과 외측면 사이에 연장된 영역에 해당한다. 이들 실시예에서, 배터리의 캐소드 단자와 관련된 단자 쌍극성 전극판(702)에 대한 전기화학적 활성 영역은 단자 쌍극성 전극판(702)의 내면에 배치된 캐소드 조립체에 의해 둘러싸인 영역에 대응하거나 이에 의해 정의된다(예를 들어 단자 캐소드 전극판). 상기 배터리의 애노드 단자와 연결된 단자 쌍극성 전극판(702)의 전기화학적 활성 영역은 인접한 쌍극성 전극판의 전면에 배치된 캐소드 조립체와 대향하는 내면의 영역에 해당하며 배터리 충전 시 아연 금속(단자 애노드 조립체)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 단자 애노드 조립체의 단자 쌍극성 전극판(702)의 표면의 적어도 일부(예를 들어, 적어도 화학적 활성 영역)는 거친 표면이다.
일부 실시예에서, 용접에 의해 형성된 전기 전도성 주변부(706)는 단자 쌍극성 전극판(702)의 전기화학적 활성 영역 내에서 중심에 위치한다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부(706)는 실질적으로 직사각형, 실질적으로 원형 또는 실질적으로 타원형이다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부(706)는 실질적으로 직사각형이다.
도 8은 도 6의 배터리에 사용하기 위한 단자 조립체의 분해도를 제공한다. 도 6은 캐소드 탄소 물질(624), 접착 층(711), 단자 쌍극성 전극판(702), 전기 절연테이프 부재(710), 전도성 평판(704), 전기 전도성 주변부(706) 및 단자 커넥터(708)를 도시한 것이다.
일부 실시예에서, 용접에 의해 형성된 전기 전도성 주변부(706)는 단자 쌍극성 전극판(702)의 전기화학적 활성 영역 내에서 중심에 위치한다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부(706)는 실질적으로 직사각형, 실질적으로 원형 또는 실질적으로 타원형이다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 주변부(706)는 실질적으로 직사각형이다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704)은 단자 쌍극성 전극판(702)의 전기화학적 활성 영역 내에서 중심에 위치한다.
몇몇 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재의 표면은 용접 또는 접착제에 의해 전도성 평판의 표면에 결합된다. 일부 실시예에서, 접착제는 전기 전도성이다.
본 명세서에 기재된 전도성 평판은 종래의 전류 집적기보다 크기 때문에 더 많은 접점과 더 나은 전류 밀도 분포를 제공한다. 이로 인해 제조 비용이 절감된다.
일부 실시예에서, 단자 조립체는 단자 캐소드 조립체이고, 단자 캐소드 조립체는 전기화학적 활성 영역을 갖는 단자 쌍극성 전극판(702), 전기화학 활성 영역의 대략 중심에 위치되고 단자 쌍극성 전극판(702)의 표면 상에 배열된 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704) 및 단지 쌍극성 전극판(702)의 내부 표면에 배열된 임의의 캐소드 조립체와 같은 캐소드 조립체를 포함한다.
일부 실시예에서, 단자 조립체는 단자 애노드 조립체이고, 단자 애노드 조립체는 전기화학적 활성 영역을 갖는 단자 쌍극성 전극판(702), 전기화학적 활성 영역에 중심에 있는 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704)을 포함하고 단자 애노드 조립체는 캐소드 조립체가 결여되어 있다.
몇몇의 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704)의 전기 전도성 주변부(706)는 용접 또는 접착제에 의해 단자 쌍극성 전극판(702)의 표면에 결합된다. 경우에 따라 접착제는 전기 전도성이 있다. 적합한 전기 전도성 접착제의 비제한적 예는 흑연 충전 접착제(예를 들어, 흑연 충전 에폭시, 흑연 충전 실리콘, 흑연 충전 엘라스토머, 또는 이들의 임의의 조합), 니켈 충전 접착제(예, 니켈 충전 에폭시), 은 충전 접착제(예, 은 충전 에폭시), 구리 충전 접착제(예를 들어, 구리 충전 에폭시), 이들의 임의의 조합 등을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704)은 구리 합금, 구리/티타늄 클래드, 알루미늄, 티타늄 및 전기 전도성 세라믹 중 적어도 하나로 구성된다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704) 또는 단자 쌍극성 전극판(702) 중 적어도 하나는 티타늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704) 또는 단자 쌍극성 전극 판(702) 중 적어도 하나는 티타늄 카바이드 물질로 코팅된 티타늄 물질을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704) 중 적어도 하나의 내면은 구리를 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704) 중 적어도 하나의 외면은 구리, 티타늄 및 전기 전도성 세라믹 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)를 갖는 전도성 평판(704)은 제1 금속을 포함하고 단자 쌍극성 전극판(702)은 제2 금속을 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 절연 테이프 부재(710)는 본질적으로 전기 절연인 임의의 접착 물질로 구성될 수 있다. 전기 절연 테이프 부재(710)의 비제한적인 예로는 KaptonTM, MylarTM, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 나일론, 테프론, 네오프렌 또는 기타 전기 절연 폴리머가 있다.
3. 배터리 프레임 부재
일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 배터리는 2개의 인접한 쌍극성 전극 사이에 개재되거나 쌍극성 전극(502)과 단자 조립체(504) 사이에 개재되는 배터리 프레임 부재(514)(예를 들어, 단자 애노드 조립체 또는 단자 캐소드 조립체)을 갖는다.
전술한 바와 같이, 배터리 프레임 부재(514)의 폭 및 높이는 탄소 물질(624)의 폭 "W" 및 높이 "H"에 각각 상보적으로 위치한다. 배터리 프레임 부재(514)의 폭은 배터리 프레임 부재(514)의 바닥을 따른 치수이며 가스 채널(801)은 배터리 프레임 부재(514)의 상부에 위치된다(도 9에 도시된 바와 같음). 도 7에 도시된 X-Y-Z 좌표 공간에서, 배터리 프레임 부재(514)의 폭 치수는 X 방향이고, 배터리 프레임 부재(514)의 높이 치수는 Y 방향이다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 실질적으로 직사각형이고, 폭은 직사각형 외관을 전달하기 위해 높이보다 눈에 띄게 더 크다.
일 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 프레임 부재(514)는 외주 에지 및 내부 개방 영역을 정의하는 내주 에지를 갖는다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 개방된 내부 영역이 배터리 프레임 부재(514)에 의해 수용된 쌍극성 전극판(702)의 전기화학적 활성 영역의 중심 및/또는 쌍극성 전극판(702) 상에 배열된 캐소드 조립체의 중심에 대략 중심이 되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)의 외주는 배터리의 외면을 정의한다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 제1 쌍극성 전극판(702)에 대향하여 유지하는 제1 측면 및 제2 쌍극성 전극판에 대향하여 유지하는 제1 측면 이외에 배터리 프레임 부재(514)의 마주보는 측면에 배열된 제2 측면을 포함한다. 제2 전극판은 배터리에서 제1 전극판과 인접하고 평행하다. 상기 제1 및 제2 전극판과 상기 단자 전극판은 실질적으로 동일한 크기 및 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 일측에서 애노드 쌍극성 전극판과 다른 일측에서 인접한 쌍극성 셀의 캐소드 쌍극성 전극판과 접촉한다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 전체 프레임의 내부 주변 에지 주위에서 연장되는 밀봉 부재(516)(도 9)를 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 제1 내주 에지를 따라 배치된 제1 밀봉 부재(516)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 밀봉 부재는 O-링이다. 일부 실시예에서, 제1 밀봉 부재(516)는 개스킷이다. 일부 실시예에서, 각각의 내주연 에지는 밀봉 부재(516)가 안착되어 대응하는 쌍극성 전극판 또는 터미널 전극판과 배터리 프레임 부재(514) 사이에서 밀봉이 압축될 때 실질적으로 누출 없는 밀봉을 형성하도록 구성되고 전기화학 배터리는 쌍극성 물질판 또는 엔드플레이트와 배터리 프레임 부재(514) 사이에 밀봉 인터페이스를 제공하도록 조립된다.
밀봉 부재는 서로 협력하여 대향하는 쌍극성 전극판과 배터리 프레임 부재(514) 사이 또는 쌍극성 전극판과 단자 전극판과 프레임 부재(514) 사이에 전해액을 유지한다. 일부 실시예에서 밀봉 부재(516)는 프레임 부재(514) 상에 오버몰딩된다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재(516)는 폼 인 플레이스 액체 경화 공정을 사용하여 프레임 부재(514)에 적용된다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재(516)는 프레임 부재(114)의 깊이 위로 연장되고 조립 중에 압축된다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 사이클링 동안 전압 이상을 방지하기 위해 배터리 프레임 부재(514)의 바닥 부분에 거터를 포함한다. 일부 실시예에서, 거터는 거터 선반(406) 및 거터 선반(406) 아래의 빈 공간(407)을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드 탄소 물질(624)는 거터 선반(406) 상에 놓인다. 거터의 존재 및 거터 선반 아래의 빈 공간은 사이클링 중 전압 이상을 방지한다. 일부 실시예에서, 거터 선반(406) 아래에는 빈 공간(407)이 없고 거터 선반(406)은 배터리 프레임 부재(514)의 바닥까지 연장된다. 일부 실시예에서, 캐소드 탄소 물질(624)가 놓이는 거터 선반(406)은 거터 선반(406) 아래의 빈 공간(407)을 포함하는 높이 0.5 내지 5cm, 깊이가 3 내지 10mm일 수 있으며, 깊이는 배터리 프레임 부재(114)의 전체 바닥 부분을 따라 배터리 프레임 부재(514)의 높이 및 폭에 수직이다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재는 제1 프레임 부재 및 제2 프레임 부재를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 프레임 부재 및 제2 프레임 부재는 수평으로 적층되고 수직으로 배향되며, 제1 프레임 부재의 제1 외부 에지는 제2 프레임 부재의 제2 외부 에지와 실질적으로 동일 평면에 있다. 배터리의 일부 실시예에서, 각각의 배터리 프레임 부재(514)는 배터리 프레임 부재(514)의 주변부 주위에 용접 비드(805)를 사용하여 인접한 프레임 부재(514)에 플라스틱 용접된다.
일부 실시예에서, 배터리 프레임 부재(514)는 통기 홀(802) 바로 위의 배터리 프레임 부재(514)의 상부에 통합된 가스 채널(801)을 포함한다. 통기 홀(802)은 가스가 가스 채널(801)로 빠져나가게 한다. 일부 실시예에서, 배터리(100)의 실시예의 가스 채널(401)과 달리, 각각의 배터리 프레임 부재(514)와 관련된 가스 채널(801)이 덮여 있으므로, 배터리 프레임 부재가 서로 조립된 후에 가스 채널(801) 위에 커버를 놓을 필요가 없다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 가스 채널(801)은 배터리 프레임 부재(514)의 전기화학 셀로부터의 가스를 위한 배터리 헤드스페이스이다. 일부 실시예에서, 배터리(100)의 실시예의 통기 홀(402)(통기 홀을 통해 배터리에 전해액이 추가되는 경우)과 달리, 프레임 부재(514)는 가스 채널 내에서 충전 홀을 통해 전해질로 충전되고(도시된 바와 같이 플러그(809)가 내부에 삽입됨) 가스 채널 및 가스 채널(801)은 또한 통기 홀(802)과 연통된다. 배터리가 전해질로 채워지면 플러그(809)가 충전 구멍에 삽입되어 가스 채널(801)을 환경으로부터 밀봉한다. 충전 홀과 통기 홀(802)이 동일하지 않은 실시예에서, 통기 홀은 배터리 작동 중에 가스 채널에 대해 개방된 상태로 유지된다.
일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 가스가 가스 채널(801)로 빠져나가게 하는 통기 홀(802) 바로 아래의 배터리 프레임 부재(514)의 상부에 존재한다. 가스 채널(801)이 배터리(500)를 통해 가스 연통을 제공하는 동안 액체 전환 시스템은 액체가 일련의 특징부를 통해 가스 채널(801)에 들어가는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 액체 전환 시스템은 2개의 부분 차단 벽(804) 및 다수의 이차 차단벽(808)을 갖는 일차 전환기 특징부(803)를 포함하여 액체가 항상 배터리 프레임 부재(514) 내의 개방된 내부 영역으로 다시 향하게 한다. 일부 실시예에서, 일차 전환기(803)는 30도에서 60도 범위의 각도로 아래쪽을 향하는 단부 부분을 가진 수평 플라스틱 돌출부로 구성된다. 일부 실시예에서, 이차 차단 벽은 최소 유체가 일차 전환기에 도달하는 것을 보장한다. 일부 실시예에서, 배터리(100)의 실시예에서 이차 차단 벽(408)과 달리 제2 차단 벽(808)은 배터리 프레임 부재(514)에 대해 위에서 아래로 그리고 아래에서 위로 번갈아 가도록 설계되어 심각한 슬로싱 또는 틸팅에 의해 야기된 임의의 내부 전해질 파동을 차단한다. 액체 전환 시스템의 장점 중 하나는 운송 중에 배터리 프레임 부재 내에 함유된 전해질을 유지함으로써 배터리의 품질을 향상시킨다는 것이다.
각각의 배터리 프레임 부재(514)는 난연성 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리스티렌 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 각각의 배터리 프레임 부재(514)는 인접한 두 개의 쌍극성 전극판 또는 쌍극성 전극판과 단자 전극판을 수용할 수 있다. 각각의 배터리 프레임 부재(514)는 통기 홀(802)을 통해 수용되는 수성 전해질 용액(예를 들어, 아연-할로겐화물 전해질 또는 아연-브롬화물 전해질)을 수용할 수도 있다.
배터리 프레임 부재(514)의 바닥 부분의 근접 측면도는 도 5과 실질적으로 유사하고 상기 도 5는 배터리(100)의 실시예에서 배터리 프레임 부재(114)와 관련하여 도시된다. 배터리 프레임 부재(514)와 관련하여, 대응 거터 선반은 도면부호(806)로 지정될 수 있고 대응 빈 공간은 도면부호(807)로 지정될 수 있다. 이 실시예에서, 배터리 내의 각각의 배터리 프레임 부재(514)는 거터 선반(806) 및 빈 공간(807)을 포함한다.
4. 아연-할로겐화물 전해질
아연-할로겐화물 전해질은 미국 특허 제10,305,111호에 기재되어 있으며, 이는 본 명세서에 그 전체 내용이 참조로 포함된다.
III. 예
도 11은 거터 선반 또는 빈 공간이 없는 대조군과 비교하여 거터 선반 및 빈 공간을 포함하는 프레임 부재로 배터리 테스트를 한 결과를 보여준다. 결과는 배터리가 거터 선반과 함께 사이클링된 사이클 수의 함수로 방전 에너지를 나타내며, 배터리 프레임 부재 내로 통합된 빈 공간이 배터리의 전압 안정성 및 배터리의 방전 에너지 및 사이클 수명을 상당히 향상시킨다.
도 12는 다양한 종횡비(높이에 대한 폭의 비율)의 탄소 물질을 사용한 배터리 테스트의 결과를 나타내며, 탄소 물질의 총 기하학적 면적은 테스트된 각각의 상이한 종횡비에 걸쳐 일정하게 유지되었다. 결과는 다양한 정규화된 충전 용량(Ah/cm2, 여기서 cm2는 탄소 재료의 기하학적 면적)에서 종횡비의 함수로서 정규화된 방전 에너지를 보여주며 정규화된 방전 에너지는 종횡비가 증가함에 따라 예기치 않게 더 커진다. 이 결과는 모든 정규화된 충전 용량에서 나타난다.
도 13은 프레임 부재 깊이 비율에 대한 다양한 높이의 탄소 물질을 사용한 배터리 테스트 결과를 보여준다. 결과는 다양한 정규화된 충전 용량(Ah/cm2, 여기서 cm2는 탄소 재료의 기하학적 면적)에서 배터리 프레임 부재 깊이 비율에 대한 탄소 전극 높이의 함수로서 정규화된 방전 에너지를 보여주며 정규화된 방전 에너지는 깊이 비율에 대한 높이가 감소함에 따라 예기치 않게 더 커진다. 이 결과는 모든 정규화된 충전 용량에서 나타난다.
도 14는 프레임 부재 깊이 비율에 대한 다양한 높이의 탄소 물질을 사용한 배터리 테스트 결과를 보여준다. 결과는 다양한 높이 대 깊이 비율에서 정규화된 충전 용량(Ah/cm2, 여기서 cm2는 탄소 물질의 기하학적 면적)의 함수로서 정규화된 방전 에너지를 보여주며 정규화된 방전 에너지는 높이 대 깊이 비율이 감소함에 따라 예상외로 더 큽니다. 이 결과는 모든 정규화된 충전 용량에서 나타난다.
다른 실시예
전술한 내용은 본 명세서에 개시된 배터리의 바람직한 실시예에만 관련되며, 다음 청구범위 및 그 등가물에 의해 정의된 임의의 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에서 수많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 명백해야 한다.
상기로부터 그리고 다양한 도면을 참조하여, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 특정 수정이 또한 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 여러 실시예가 도면에 도시되어 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 기술 분야가 허용하는 범위만큼 광범위하고 명세서도 마찬가지로 해석되어야 한다. 따라서, 위의 설명은 한정적인 것으로 해석되어서는 안되며, 특정 실시예의 예시로서만 해석되어야 한다. 당업자는 여기에 첨부된 청구범위의 범위 및 정신 내에서 다른 수정을 구상할 것이다.

Claims (33)

  1. 전기화학 배터리용 단자 조립체로서,
    단자 커넥터;
    전기 전도성 주변부를 갖는 전도성 평판;
    전기 절연 테이프 부재; 및
    단자 쌍극성 전극판을 포함하고,
    상기 전도성 평판, 상기 단자 쌍극성 전극판 및 상기 전기절연 테이프 부재는 각각 서로 적어도 실질적으로 평행한 내면 및 외면을 갖고, 상기 전도성 평판의 외면은 단자 커넥터에 결합되고, 상기 전도성 평판의 내면은 단자 쌍극성 전극판의 외면에 접합되며, 전기 절연 테이프 부재는 전기 절연 테이프 부재가 전도성 평판의 전체 내부 표면 영역을 덮지 않도록 전도성 평판의 내면과 단자 쌍극성 전극판의 외면 사이에 배열되고,
    전기 전도성 주변부는 단자 커넥터와 단자 쌍극성 전극판 사이의 전도성 평판을 통한 양방향 균일 전류 흐름을 가능하게 하는 단자 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 절연 테이프 부재는 전도성 평판의 폭, 높이 또는 이들의 조합보다 각각 작은 폭, 높이 또는 이들의 조합을 갖는 단자 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 단자 커넥터는 탭 조립체이며 전도성 평판과 전기 통신하는 단자 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 단자 쌍극성 전극판은 단자 쌍극성 전극판의 표면에 배치된 캐소드 조립체를 추가로 포함하고, 캐소드 조립체는 접착 층을 사용하여 단자 쌍극성 전극판의 표면에 부착된 탄소 물질을 포함하는 단자 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 탄소 물질은 실질적으로 직사각형이고, 탄소 물질의 폭 대 탄소 물질의 높이의 비율은 약 10:1 내지 약 2:1 범위인 단자 조립체.
  6. 정전기 재충전가능 배터리용 배터리 프레임 부재로서,
    액체 전환 시스템;
    거터;
    밀봉 부재;
    가스 채널; 및
    환기 홀을 포함하는 배터리 프레임 부재.
  7. 제6항에 있어서, 액체 전환 시스템은 통기 홀 바로 아래에 있는 배터리 프레임 부재의 상부 부분에 배열되는 배터리 프레임 부재.
  8. 제7항에 있어서, 액체 전환 시스템은 일차 전환기와 이차 차단벽을 포함하는 배터리 프레임 부재.
  9. 제8항에 있어서, 이차 차단벽은 배터리 프레임 부재에 대해 위에서 아래로 및 아래에서 위로 교번하는 배터리 프레임 부재.
  10. 제6항에 있어서, 밀봉 부재는 배터리 프레임 부재의 내부 주변 에지 주위로 연장되는 배터리 프레임 부재.
  11. 제10항에 있어서, 밀봉 부재는 배터리 프레임 부재의 내부 주변 에지의 상부 부분 주위로 연장되지 않거나 또는 밀봉 부재는 전체 배터리 프레임 부재의 내부 주변 에지 주위로 연장되는 배터리 프레임 부재.
  12. 제6항에 있어서, 거터는 배터리 프레임 멤버의 하부 부분에 있는 배터리 프레임 부재.
  13. 제6항에 있어서, 거터는 거터 선반 및 거터 선반 아래의 빈 공간을 포함하는 배터리 프레임 부재.
  14. 제6항에 있어서, 가스 채널은 통기 홀 바로 위 배터리 프레임 부재의 상부 부분에 배열되는 배터리 프레임 부재.
  15. 제14항에 있어서, 가스 채널이 밀폐되는 배터리 프레임 부재.
  16. 제15항에 있어서, 가스 채널은 뚜껑을 배터리 프레임 부재에 용접, 접착, 나사 고정 또는 스냅핑함으로써 배터리 프레임 부재에 부착된 뚜껑으로 덮이는 배터리 프레임 부재.
  17. 제14항에 있어서, 가스 채널은 배터리 프레임 부재에 통합되는 배터리 프레임 부재.
  18. 제17항에 있어서, 가스 채널은 플러그로 외부 환경으로부터 밀봉되는 배터리 프레임 부재.
  19. 제6항에 있어서, 배터리 프레임 부재는 실질적으로 직사각형인 배터리 프레임 부재.
  20. 정전기 재충전가능 전기화학 배터리로서,
    한 쌍의 단자 조립체를 포함하고, 각각의 단자 조립체는 독립적으로:
    단자 커넥터;
    전기 전도성 주변부를 갖는 전도성 평판;
    전기 절연 테이프 부재; 및
    단자 쌍극성 전극판을 포함하고,
    상기 전도성 평판, 상기 단자 쌍극성 전극판 및 상기 전기 절연 테이프 부재는 각각 서로 적어도 실질적으로 평행한 내면 및 외면을 갖고,
    상기 전도성 평판의 외면은 단자 커넥터에 접합되고, 상기 전도성 평판의 내면은 단자 쌍극성 전극판의 외면에 접합되며,
    상기 전기 절연 테이프 부재는 전기 절연 테이프 부재가 전도성 평판의 전체 내부 표면 영역을 덮지 않도록 전도성 평판의 내면 및 단자 쌍극성 전극판의 외면 사이에 배열되고, 전기 전도성 주변부는 단자 커넥터와 단자 쌍극성 전극판 사이의 전도성 평판을 통한 양방향 균일 전류 흐름을 가능하게 하고;
    상기 한 쌍의 단자 조립체 사이에 개재되는 적어도 하나의 쌍극성 전극을 포함하고, 상기 쌍극성 전극은
    쌍극성 전극판;
    상기 양극성 전극판의 표면에 배치되며, 쌍극성 전극판의 표면에 부착된 탄소 재료를 포함하는 캐소드 조립체; 및
    쌍극성 전극판 및 캐소드 조립체와 접촉하는 수성 아연 할로겐화물 전해질을 포함하고, 및
    배터리 프레임 부재를 포함하고, 상기 배터리 프레임 부재는,
    액체 전환 시스템;
    커터;
    밀봉 부재;
    가스 채널; 및
    환기 홀을 포함하는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  21. 제20항에 있어서, 캐소드 조립체는 단자 쌍극성 전극판 상에 배열되는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 캐소드 조립체의 탄소 물질은 실질적으로 직사각형이고, 탄소 물질의 폭 대 탄소 물질의 높이의 비율은 약 10:1 내지 약 2:1 범위인 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 물질은 카본 블랙 또는 탄소 펠트를 포함하는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  24. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 쌍극성 전극판은 티타늄, 티타늄 산화물, 티타늄 물질 또는 흑연을 포함하는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  25. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 쌍극성 전극판은 티타늄 카바이드로 적어도 부분적으로 코팅되는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  26. 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 절연 테이프 부재는 전도성 평판의 폭, 높이 또는 이들의 조합보다 각각 작은 폭, 높이 또는 이들의 조합을 갖는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  27. 제20항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 단자 커넥터는 탭 조립체이고 전도성 평판과 전기 통신하는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  28. 제20항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 전환 시스템은 환기 홀 바로 아래에 있는 배터리 프레임 부재의 상부 부분에 있는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  29. 제20항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 거터는 배터리 프레임 부재의 바닥 부분에 있는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  30. 제20항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 거터는 거터 선반 및 거터 선반 아래의 빈 공간을 포함하는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  31. 제20항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 채널은 환기 홀 바로 위 배터리 프레임 부재의 상부 부분에 있는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  32. 제20항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 채널은 배터리 프레임 부재에 통합되는 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
  33. 제20항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 전지 프레임 부재는 실질적으로 직사각형인 정전기 재충전가능 전기화학 배터리.
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