KR20230172569A - 아연-이산화망간 셀을 제조하기 위한 방법과 세트 및 그에 의해 생산된 셀 - Google Patents

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마틴 크렙스
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바르타 마이크로바테리 게엠베하
엘메릭 게엠바하
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Abstract

아연-이산화망간 셀을 제조하기 위해, 전기적 비전도성인 기판에 제1 및 제2 전기 전도체가 적용된다. 층형 음극과 층형 양극이 페이스트로부터 전기 전도체들 상에 형성되고, 그 후 적어도 하나의 전해질 층은 음극 및/또는 양극 상에 및/또는 제공된 층형 분리막 상에 적용된다. 음극/분리막/양극 시퀀스를 이용하여 층 스택의 형성이 수행된다. 활성 물질 및 전극 바인더 외에도, 각각의 페이스트는 용액 및/또는 분산제를 포함한다. 적어도 하나의 수용성 염화물이 없는 전도성 염 외에도, 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 광물 입자 및 용액 및/또는 분산제를 포함하고, 페이스트 내의 광물 입자의 함량은 최소 5 중량%이고 최대 60 중량%이다. 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 전극 페이스트들과 함께 세트로 제공될 수 있다. 완성된 셀에서, 광물 입자는 전극들과 분리막 사이의 경계 표면들에 배열되어, 경계 표면들 상에 전해질에 의해 투과될 수 있는, 경계층을 형성한다.

Description

아연-이산화망간 셀을 제조하기 위한 방법과 세트 및 그에 의해 생산된 셀
본 발명은 아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법 및 아연-이산화망간 셀을 제조하기 위한 세트에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 셀 및 상기 세트로 제조된 셀에 관한 것이다.
전기 화학 셀은 항상 양극과 음극을 포함한다. 전기 화학 셀이 방전될 때, 전기적으로 결합되어 있지만 공간적으로 분리된 두 개의 부분 반응으로 구성된 에너지 생성 화학 반응이 일어난다. 상대적으로 낮은 산화 환원 전위에서 일어나는, 한 가지 부분 반응은 음극에서 일어나고, 상대적으로 높은 산화 환원 전위에서 일어나는, 한 가지 부분 반응은 양극에서 일어난다. 방전 중에는 산화 과정의 결과로 음극에서 전자가 방출되어, 일반적으로 외부 부하를 통해, 양극으로 전자가 흐르고, 이로부터 상응하는 양의 전자가 흡수된다. 따라서 양극에서 환원 과정이 일어난다. 동시에, 전극 반응에 상응하는 이온 전류가 셀 내에서 발생한다. 이 이온 전류는 이온 전도성 전해질에 의해 보장된다. 이차 전기화학 셀에서는, 이러한 방전 반응이 가역적이고, 즉, 방전 중에 발생한 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 것을 되돌릴 수 있다. 반면에, 1차 셀에서는, 방전 반응이 되돌릴 수 없거나 다른 이유로 인해 셀을 재충전할 수 없다.
"배터리"라는 용어는 원래 직렬로 연결된 여러 개의 전기 화학 셀을 의미했었다. 이는 또한 본원의 맥락에서도 사용되는 방식이다.
전기 화학 셀은 단단한 개별 부분들을 조립함으로써 생산할 수 있을 뿐만 아니다. 최근에는, 적어도 개별 기능 부분들, 특히 전극들 및/또는 필요한 전도체 트랙들이, 즉 용매 및/또는 현탁제(suspension agent)를 함유한 페이스트로부터, 인쇄함으로써 생산되는 셀이 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 방식으로 생산된 셀은 예를 들어, WO 2006/105966 A1으로부터 알려져 있다.
일반적으로, 인쇄 전기화학 셀은 다층 구조를 갖는다. 기존의 설계에서, 인쇄 전기화학 셀은 일반적으로 두 개의 집전체 층들, 두 개의 전극 층들 및 하나의 전해질 층을 적층된 배열로 포함한다. 전해질 층은 두 개의 전극 층들 사이에 배치되고, 집전체들은 각각 전기화학 셀의 상단과 하단을 형성한다. 이러한 구조를 갖는 전기 화학 셀은 예를 들어 US 4119770 A에 설명되어 있다.
이와 대조적으로, 위에서 언급한 WO 2006/105966 A1은 전극들이 평평하고 전기 비-전도성 기판(공동 평면 배열)에 서로의 옆에 위치하는 훨씬 더 평평한 전기 화학 셀에 대해 설명한다. 전극들은 이온-전도성 전해질을 통해 연결되며, 예를 들어 젤과 같은 염화 아연 페이스트일 수 있다. 전해질은 일반적으로 부직포 또는 메쉬와 같은 물질에 의해 강화되고 안정화된다.
WO 2006/105966 A1에 설명된 것과 같은 기존의 인쇄 배터리는 많은 애플리케이션에 적합하지만, 특히 펄스형 부하의 경우, 전류-전달 용량이 매우 제한적이다. 예를 들어, 휴대폰 칩은 에너지 소비의 측면에서 기존 인쇄 배터리에 대한 요구 사항이 너무 높다. 이는 특히 LTE 표준(LTE = Long Teram Evolution)에 따라 전송하는 차세대 모바일 무선 칩에도 적용된다. 선택한 무선 프로토콜에 따라, 최대 400mA의 피크 전류는 최소한 짧은 시간 동안 사용할 수 있어야 한다.
보편적으로 사용하려면, 인쇄 배터리의 생산 비용이 최대한 저렴해야 한다. 또한, 환경 친화성과 안전성은 대량으로 사용되는 모든 제품에서 중요한 매개 변수이다.
본 발명의 목적은 안전하고, 저비용으로 생산할 수 있으며, 환경 친화적이고, 폐기 시 특히 문제가 없으며, 모바일 무선 칩, 특히 LTE 표준에 따라 작동하는 모바일 무선 칩과 같은 에너지-집약적인 애플리케이션에도 사용할 수 있는 배터리를 제공하는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 청구항 제1항의 특징을 갖는 아연-이산화망간 셀 제조 방법 및 청구항 제7항의 특징을 갖는 아연-이산화망간 셀 제조용 세트를 제안한다. 청구항 제9항의 특징을 갖는 셀도 본 발명의 목적이다. 본 발명의 추가적인 국면들은 종속 청구항들의 주제이다.
본 발명에 따른 방법
본 발명에 따른 방법은 항상 바로 다음의 단계들 a. 내지 e.를 포함한다:
a. 전기 비-전도성 기판에 제1 전기 전도체를 그리고 전기 비-전도성 기판에 제2 전기 전도체를 적용하는 단계;
b. 상기 제1 전기 전도체에 직접적으로 층-형상 음극을 그리고 상기 제2 전기 전도체에 직접적으로 층-형상 양극을 적용하는 단계;
c. 층-형상 분리막을 제공하는 단계;
d. 상기 층-형상 음극에 및/또는 상기 층-형상 양극에 및/또는 상기 분리막에 적어도 하나의 전해질 층을 적용하는 단계; 및
e. 시퀀스 음극 / 분리막 / 양극을 갖는 층들의 스택을 형성하는 단계.
전극들과 적어도 하나의 전해질 층을 적용하기 위해 다음과 같이 정의된 페이스트가 사용된다:
f. 음극을 제조하기 위한 페이스트는 다음의 구성성분을 포함한다:
- 아연 파우더(수은 없음)
- 전극 바인더
- 용매 및/또는 분산제
g. 양극을 제조하기 위한 페이스트는 다음의 구성성분을 포함한다:
- 이산화망간
- 전기 전도성을 향상시키기 위한 도전재
- 전극 바인더
- 용매 및/또는 분산제
h. 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 다음의 구성성분을 포함한다:
- 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염, 바람직하게는 염화 아연 및/또는 염화 암모늄
- 광물 입자들
- 용매 및/또는 분산제
본 발명에 따르면, 페이스트 내 광물 입자의 비율이 최소 5 중량%이고 최대 60 중량%이라는 점은 특히 강조되어야 한다. 더욱 바람직하게는, 광물 입자의 최소 비율은 최소 10 중량%, 바람직하게는 10 중량% 초과이고, 최대 비율은 최대 50 중량%, 바람직하게는 최대 40 중량%이다.
여기에 제시된 비율은 페이스트의 총 중량, 즉 용매 및/또는 분산제를 포함한 페이스트의 모든 구성성분들의 중량을 나타낸다. 이는 페이스트 구성성분의 질량 비율과 관련된 모든 백분율과 관련하여 이하에서이 적용된다.
본 발명의 장점
LTE 메시지를 전송하기 위해, 먼저 스캐닝이 이루어진다. 이 과정에서, 라벨(label)은 데이터 전송을 위해 가능한 주파수들을 검색한다. 이 과정은 평균 2초가 소요되며 50mA가 필요하다. 주파수가 발견될 때, 소위 TX 펄스가 발송된다. 이러한 펄스는 약 150ms 동안 지속되며 약 200mA의 전류 펄스가 필요하다. 길이가 150ms인 펄스는 대략 4Hz의 주파수에 상응한다. 따라서, 4Hz에서 본 발명에 따른 배터리의 임피던스는 이러한 펄스의 전송에 중요하다.
여기에 설명된 방법에 따라 생산된 셀은 이러한 맥락에서 특히 좋은 결과를 제공한다. 좋은 값으로 이어지는 메커니즘은 아직 결정적으로 명확하게 밝혀지지 않았다. 그러나, 적어도 하나의 전해질 층을 생산하는데 사용되는 페이스트의 광물 입자들의 비율이 여기에서 중요한 역할을 하는 것으로 추측된다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 이들은 전극들과 분리막 사이에 경계층(boundary layer)을 형성한다. 용매 및/또는 분산제에 용해된 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염은, 특히 염화 아연 및/또는 염화 암모늄은 그 후 분리막과 경계층을 투과할 수 있는 실제 전해질을 구성한다.
예를 들어 EP 2 561 564 B1으로부터, 광물 입자들을 첨가하여 전해질을 인쇄하는 것은 원칙적으로 이미 알려져 있다. 그러나, 입자들은 지금까지 분리막의 대체물로 사용되어 왔지만, 본 발명의 경우에는 분리막과 함께 사용된다. 경계층이 기공 구배를 생성하고 분리막의 기공이 전극 페이스트의 입자들에 의해 폐쇄되지 않기 때문에, 경계층이 전해질에 대한 분리막의 투과성을 향상시키는 것으로 생각할 수 있다. 좋은 임피던스 값에 대한 이유는 계속되는 연구들의 주제이다.
아연 기반 음극이 있는 전기화학 시스템을 선택하는 것은 주로 안전성이 요구되기 때문이다. 아연 기반 음극을 사용하는 시스템은 수성(aqueous) 전해질이 필요하므로 불연성(non-flammable)이다. 또한, 아연은 환경 친화적이고 가격이 저렴하다.
바람직한 분리막
특히 바람직한 실시예에서, 사용되는 분리막은 바로 다음의 추가적인 특징들 a. 내지 d. 중 적어도 하나를 갖는다:
a. 분리막은 다공성 플라스틱 필름 또는 다공성 부직포임,
b. 분리막은 60 내지 120 ㎛ 범위의 두께를 가짐,
c. 분리막은 35 내지 60% 범위의 다공성(공동 부피 대 전체 부피의 비율)을 가짐,
d. 분리막은 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌으로 구성됨.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 c.가. 조합되어 구현된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 특징들 a. 내지 d.는 조합하여 실현된다.
적어도 하나의 전해질 층의 생산을 위한 페이스트
특히 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 바로 다음의 추가적인 특징들 a. 내지 i. 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 광물 입자들은 세라믹 입자들, 물에 거의 또는 완전히 용해되지 않는 염 입자들, 유리 입자들, 및 현무암(basalt)과 같은 천연 광물들과 석재들의 입자들로 구성되는 그룹으로부터 선택됨,
b. CaCO3 입자들이 광물 입자들로서 사용됨,
c. 상기 광물 입자들은 0.8 ㎛ 내지 40 ㎛ 범위, 바람직하게는 0.8 ㎛ 내지 15 ㎛ 범위, 특히 바람직하게는 1.0 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위의 d50 값을 가짐,
d. 상기 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 80 ㎛ 초과, 바람직하게는 60 ㎛ 초과, 특히 바람직하게는 45 ㎛ 초과의 입자 크기를 갖는 광물 입자들이 본질적으로 없음,
e. 상기 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는, 특히 점도를 조정하기 위하여, 바람직하게는 1 내지 8 중량% 범위의 비율로, 적어도 하나의 첨가제를 포함함,
f. 점도를 조정하기 위한 첨가제로서, 상기 페이스트는 500 ㎚ 미만, 바람직하게는 200 ㎚ 미만의 평균 입자 크기(d50)를 갖는 광물 파우더를 포함함,
g. 물이 용매 및/또는 분산제로서 사용됨,
h. 상기 페이스트에서 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염, 특히 염화 아연 및/또는 염화 암모늄의 비율은 최소 25 중량%이고 최대 50 중량%임,
i. 상기 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는, 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
- 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염, 특히 염화 아연 및/또는 염화 암모늄: 30-40 중량%,
- 점도 조정을 위한 첨가제: 2-4 중량%,
- 광물 입자들: 10-30 중량%,
- 용매 및/또는 분산제: 40-55 중량%,
상기 페이스트의 구성성분들의 비율들은 합산하여 100 중량%인 것임.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 및 c. 및 d.는 조합하여 실현된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 특징들 e. 및 f.는 조합하여 실현된다. 특히 바람직하게는, 바로 앞의 특징들 b. 내지 i.가 조합하여 실현된다.
"세라믹 입자"라는 용어는 규산 알루미늄과 같은 규산염 재료, 점토 광물, 산화 규소, 이산화 티타늄 및 산화 알루미늄과 같은 산화물 재료, 및 탄화 규소 또는 질화 규소와 같은 비-산화물 재료를 포함하여, 세라믹 제품을 생산하는데 사용될 수 있는 모든 입자를 포함하도록 의도된다.
본원의 맥락에서, "거의 또는 완전히 용해되지 않음"이라는 용어는 실온에서 상응하는 용매에 대한 용해도가 기껏해야 낮고, 바람직하게는 전혀 없는 것을 의미한다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 입자, 특히 물에 거의 또는 완전히 용해되지 않는 언급된 염의 용해도는 실온에서 특히 바람직한 탄산 칼슘의 물에 대한 용해도를 초과하지 않는 것이 이상적이다.
원칙적으로, 알칼리성 전해질, 예를 들어 수산화 나트륨 용액 또는 수산화 칼륨 용액도 본 발명에 따른 셀에 적합할 수 있다. 그러나, 중성 영역의 pH를 갖는 수성 전해질은 배터리에 기계적 손상이 발생할 경우 덜 위험하다는 이점이 있다. 따라서, 염화 아연과 염화 암모늄은 염화물 기반 전도성 염으로서 특히 적합하다.
수성 전해질의 pH는 중성 또는 약산성 영역에 있는 것이 바람직하다.
특히 바람직하게는, 광물 입자는 1.0 μm 내지 5 μm 범위에서 d50 값을 갖는 CaCO3 입자이며, 여기서 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 입자 크기가 45 μm를 초과하는 광물 입자가 실질적으로 없다. 나아가, 본 문맥에서 "실질적으로 없다"는 용어는 광물 입자의 5% 미만, 바람직하게는 1% 미만이 입자 크기가 45 μm를 초과한다는 것을 의미하도록 의도된다.
또한, 광물 입자는 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트에 10 - 20 중량%의 비율로 함유되는 것이 특히 바람직하다.
평균 입자 크기(d50)가 500nm 미만, 바람직하게는 200nm 미만인 광물 파우더는 이산화 규소, 특히 비정질 이산화 규소인 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 광물 파우더는 평균 입자 크기(d50)가 100nm 미만, 더욱 바람직하게는 50nm 미만인 비정질 이산화규소 또는 다른 광물 파우더다.
카르복시메틸 셀룰로오스와 같은 바인딩 물질은 또한 점도를 조정하기 위한 첨가제로 사용될 수 있다.
부수적으로 용매 및/또는 분산제라는 용어는 청구된 발명에 따른 페이스트가 수용성 및 비-수용성 구성성분을 포함하거나 포함할 수 있다는 사실을 지칭한다. 수용성 구성성분은 용해된(dissolved) 형태로 존재하고, 비-수용성 구성성분은 분산된(dispersed) 형태로 존재한다.
음극의 생산을 위한 페이스트
특히 바람직한 실시예에서, 음극을 생산하기 위해 사용되는 페이스트는 바로 다음의 추가적인 특징들 a. 내지 h. 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 음극의 준비를 위한 페이스트는 적어도 50 중량% 그리고 바람직하게는 적어도 60 중량%의 비율로 아연 파우더를 포함함,
b. 상기 아연 파우더는 20 μm 내지 40 μm 범위의 d50 값 그리고 바람직하게는 5 중량% 미만의 45 μm 초과의 입자 함량을 특징으로 함,
c. 상기 음극을 생산하기 위한 페이스트는, 특히 점도를 조정하기 위하여, 바람직하게는 1 내지 8 중량% 범위의 비율로, 적어도 하나의 첨가제를 포함함,
d. 점도를 조정하기 위한 첨가제로서, 상기 페이스트는 카르복시메틸 셀룰로오스를 포함함,
e. 상기 음극을 제조하기 위한 페이스트는 최소 1 중량% 그리고 바람직하게는 최대 10 중량%의 비율로 상기 전극 바인더를 포함함,
f. 상기 음극을 생산하기 위한 페이스트는 전극 바인더로서 탄성 특성을 갖는 전극 바인더, 특히 폴리아크릴레이트(PA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리헥사플루오로프로필렌(PHFP), 폴리이미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리트리플루오로에틸렌(PTrFE), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 상기 물질들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터의 전극 바인더를 포함함,
g. 물이 용매 및/또는 분산제로서 사용됨,
h. 상기 음극을 제조하기 위한 페이스트는, 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
- 아연 파우더(수은 없음): 65-79 중량%,
- 점도 조정을 위한 첨가제: 1-5 중량%,
- 바인더, 탄성(예: SBR): 5-10 중량%,
- 용매 및/또는 분산제: 15-20 중량%,
상기 페이스트의 구성성분들의 비율들은 합산하여 100 중량%인 것임.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 c. 및 e. 내지 g.는 조합하여 실현된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 특징들 c. 및 d.는 조합하여 실현된다. 특히 바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 h.가 조합하여 실현된다.
특히 바람직하게는, 음극의 전극 바인더는 SBR이다.
바람직하게 사용되는 카르복시메틸 셀룰로오스의 대체물로서, 전해질 페이스트와 관련하여 전술한, 평균 입자 크기(d50) 500nm 미만, 바람직하게는 200nm 미만을 갖는 광물 파우더, 특히 전술한 비정질 이산화 규소가, 음극을 위한 페이스트의 점도를 조정하기 위한 첨가제로서 사용될 수도 있다.
양극의 준비를 위한 페이스트
특히 바람직한 실시예에서, 양극을 생산하기 위해 사용되는 페이스트는 바로 다음의 추가적인 특징들 a. 내지 j. 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 양극의 준비를 위한 페이스트는 적어도 50 중량% 그리고 바람직하게는 적어도 60 중량%의 비율로 이산화망간을 포함함,
b. 상기 이산화망간은 입자 형태로 존재하고 20 μm 내지 50 μm 범위의 d50 값 그리고 바람직하게는 5 중량% 미만의 55 μm 초과의 입자들의 비율을 특징으로 함,
c. 상기 양극을 생산하기 위한 페이스트는, 특히 점도를 조정하기 위하여, 바람직하게는 1 내지 10 중량% 범위의 비율로, 적어도 하나의 첨가제를 포함함,
d. 점도를 조정하기 위한 첨가제로서, 상기 페이스트는 카르복시메틸 셀룰로오스를 포함함,
e. 상기 양극의 준비를 위한 페이스트는 최소 5 중량% 그리고 바람직하게는 최대 15 중량%의 비율로 상기 전극 바인더를 포함함,
f. 상기 양극을 생산하기 위한 페이스트는 전극 바인더로서 탄성 특성을 갖는 전극 바인더, 특히 폴리아크릴레이트(PA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리헥사플루오로프로필렌(PHFP), 폴리이미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리트리플루오로에틸렌(PTrFE), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 상기 물질들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터의 전극 바인더를 포함함,
g. 상기 양극을 제조하기 위한 페이스트는 3 중량% 내지 10 중량%의 양으로 도전재를 포함함,
h. 양극 제조 페이스트는, 도전재로서, 활성 탄소, 활성 탄소 섬유, 탄화물 유래 탄소, 탄소 에어로젤, 흑연, 그래핀 및 탄소 나노튜브(CNT)로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 전도성 물질을 포함함,
i. 물이 용매 및/또는 분산제로서 사용됨,
j. 상기 양극을 제조하기 위한 페이스트는, 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
- 이산화망간: 50-70 중량%,
- 도전재(예: 흑연, 카본 블랙): 3-30 중량%,
- 점도 조정을 위한 첨가제: 2-8 중량%,
- 바인더, 탄성(예: SBR): 8-15 중량%,
- 용매 및/또는 분산제: 20-30 중량%,
상기 페이스트의 구성성분들의 비율들은 합산하여 100 중량%인 것임.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 c. 및 e. 내지 g.가 조합하여 실현된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 특징들 g. 및 h.는 조합하여 실현된다. 특히 바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 j.가 조합하여 실현된다.
탄성 전극 바인더는 양극에 포함된 금속 산화물 입자를 서로에 대해 고정하는 동시에 양극에 일정한 유연성을 부여하는 기능을 갖는다. 그러나, 탄성 전극 바인더의 비율은 위에서 언급 한 최대 비율을 초과해서는 안되며, 그렇지 않으면 금속 산화물 입자가, 적어도 부분적으로, 더 이상 서로 접촉하지 않을 위험이 있다. 이를 방지하기 위해, 도전재도 추가된다.
양극에서 금속 산화물의 비율이 높으면 셀의 용량이 증가한다. 그러나, 전류 전달 용량의 경우, 도전재의 비율이 금속 산화물의 전체 비율보다 더 중요하다.
특히 바람직하게는, 음극의 전극 바인더는 SBR이다.
도전재는 음극을 생산하기 위한 페이스트에 포함되며, 특히 바람직하게는 5 - 8 중량%의 비율로 포함된다.
바람직하게 사용되는 카르복시 메틸 셀룰로오스의 대체물로서, 전해질 페이스트와 관련하여 상술한, 평균 입자 크기(d50)가 500nm 미만, 바람직하게는 200nm 미만인 광물 파우더는 또한 양극을 위한 페이스트의 경우 점도를 조정하기 위한 첨가제로서 사용가능하며, 특히 설명된 비정질 이산화 규소가 사용가능하다.
공정 변형예
제1 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 바로 다음의 단계들 a. 내지 d.를 특징으로 한다:
a. 전해질 페이스트의 제 1 층이 음극 또는 양극 중 하나에 적용되고, 특히 인쇄되며, 특히 30 내지 70 μm의 두께가 바람직함,
b. 분리막은 전해질 페이스트의 제 1 층에 적용됨,
c. 전해질 페이스트의 제2 층이 분리막에 적용되고, 특히 인쇄되며, 특히 30 내지 70 μm의 두께가 바람직함,
d. 층들의 스택은, 단계 a.에서 선택되지 않은 전극이 전해질 페이스트의 제 2 층과 접촉되도록 형성됨.
제2 특히 바람직한 실시예에서, 본 방법은 다음 단계들 a. 내지 c.를 특징으로 한다:
a. 전해질 페이스트 층이 음극과 양극의 각각에 적용, 특히 인쇄되고, 특히 30~70㎛의 두께가 바람직함,
b. 분리막은 전해질 페이스트의 층들 중 하나에 적용되고, 분리막의 일측이 전해질 페이스트의 상기 층과 접촉됨,
c. 층들의 스택이 형성되고, 분리막의 다른측이 전해질 페이스트의 층들 중 다른 하나와 접촉됨.
이러한 방식으로 생성된 층들의 스택들에서, 전해질 페이스트의 층들 중 하나는 항상 전극들과 분리막들 사이에 배치된다. 또는, 달리 말하면, 이러한 방식으로 생산된 층들의 스택들의 분리막들은 양측들에 광물 입자의 경계층을 포함한다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 바로 다음의 추가적인 특징들 a. 내지 f. 중 적어도 하나를 특징으로 한다:
a. 상기 전극들 및 상기 적어도 하나의 전해질 층은 인쇄 공정에 의해, 특히 스크린 인쇄 공정에 의해 형성됨,
b. 상기 음극은 30㎛ 내지 150㎛ 범위에서 평균 두께를 갖도록 형성됨,
c. 상기 양극은 13㎛ 내지 350㎛ 범위에서 평균 두께를 갖도록 형성됨,
d. 상기 적어도 하나의 전해질 층은 10 내지 100㎛, 바람직하게는 30 내지 70㎛ 범위에서 평균 두께를 갖도록 형성됨,
e. 상기 적어도 하나의 전해질 층은 여전히 적어도 젖은 동안 상기 음극 및/또는 양극에 적용됨("웨트-온-웨트 적용(wet-on-wet application)"),
f. 상기 분리막은 여전히 적어도 젖은 동안 형성된 전해질 층들 중 하나 위에 배치됨.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 d.가 조합되어 실현된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 특징들 e. 및 f.는 조합하여 실현된다. 특히 바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 f.가 조합하여 실현된다.
따라서, 페이스트들은 인쇄되는 것이 바람직하다. 인쇄 중 문제를 피하기 위해, 특히 바람직한 실시예에서, 인쇄 페이스트는 모두 입자 크기가 50㎛ 이하인 입자 구성성분을 포함한다.
전술한 바와 같이, 전기 전도체가 전해질과 직접 접촉하지 않도록 보호하기 위해 전극이 적용되기 전에, 탄소의 전기 전도성 층으로 전기 전도체를 코팅하는 것이 바람직하다. 탄소의 층은 또한 인쇄될 수 있다.
전해질 페이스트는 바람직하게는 60 내지 120 μm 범위의 두께와 35 내지 60 %의 다공성을 갖는 미세 다공성 폴리올레핀 필름(예 : PE)과 함께 사용된다. 상기 제1 또는 제2의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 전해질 페이스트의 층들이 전극들 및/또는 분리막 상에 형성되는 것이 바람직하며, 특히 특정 영역들의 두께, 특히 각각 약 50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 애노드(anode)는 바람직하게는 30 μm 내지 150 μm의 두께, 특히 70 μm의 두께를 갖는 층으로 인쇄된다. 양극은 바람직하게는 180 내지 350 μm의 두께, 특히 280 μm의 두께를 갖는 층으로 인쇄된다.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서는 시퀀스 음극 / 분리막 / 양극을 갖는 층들의 스택들이 형성된다. 이는 동일한 전기 비-전도성 기판에 셀의 전극들을 서로의 옆에, 즉 공동 평면 배열로 인쇄하고 기판을 접거나 전극들과 관련 분리막이 중첩되는 방식으로 접음으로써 수행되는 것이 바람직하다. 접힌 후, 기판은 적어도 3면들에서 결과적인 층들의 스택을 둘러싸게 된다. 나머지 면을 용접 및/또는 접착함으로써 폐쇄형 하우징을 형성할 수 있다.
기판은 거의 모든 디자인이 가능하다. 이상적으로, 본 발명에 따른 셀의 전도체들이 기판에 직접 인쇄되는 경우 단락 또는 누설 전류를 배제할 수 있도록, 표면은 전기 전도성이 없어야 한다. 예를 들어, 기판은 플라스틱 기반 라벨(label)일 수 있다. 예를 들어, 폴리올레핀 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 만든 호일은 제품에 고정될 수 있는 접착면이 한쪽에 있는 것이 적합할 수 있다. 배터리의 전기 전도체 및 기타 기능적인 부분들은 다른 쪽에 적용될 수 있다.
전기 전도체들
전기 전도체는, 예를 들어 용액으로부터의 증착, 기체 상으로부터의 증착(예: 스퍼터링과 같은 PVD 방법) 또는 인쇄 공정에 의해 형성된 금속 구조물일 수 있다. 또한, 금속 층이 마스크되지 않은 영역에서 제거되는 에칭 공정에 의해 폐쇄된 금속 층으로부터 전도체를 형성하는 것도 가능하다.
특히 바람직한 실시예에서, 이 방법은 다음의 추가적인 특징 a.를 특징으로 한다:
a. 전기 전도체는 금속 입자, 특히 은 입자 또는 은 합금 입자로 이루어진 전도성 경로임.
이러한 전도성 경로는 인쇄 공정을 사용하여 쉽게 생산될 수 있다. 전기 전도체를 생산하기 위한 은 입자가 있는 인쇄 가능한 전도성 페이스트는 선행 기술이며 거래에서 자유롭게 구할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 항상 아래의 바로 다음의 특징들을 갖는다:
a. 전기 전도체는 전기 전도성 금속 층을 포함함.
b. 전기 전도체는, 적어도 일부 영역에서, 금속 층과 전극들 사이에 배치되고 금속 층과 액체 전해질의 직접 접촉을 어렵게 만들거나 심지어 방지하는 전기 전도성 탄소의 층을 포함함.
전기 전도성 탄소의 층은 전기 전도체를 보호하는 역할을 한다. 특히 전도체가 은 입자를 포함하는 경우 은이 전해질에 용해되어 전도성 경로가 약화되거나 심지어 파괴될 위험이 있다. 탄소층은 은으로 만들어진 전도체가 전해질과 직접 접촉하지 않도록 보호할 수 있다.
바람직하게는, 전기 전도성 탄소의 층은 5㎛ 내지 30㎛의 범위, 특히 10㎛ 내지 20㎛의 범위의 두께로 적용된다.
일부 바람직한 실시예에서, 탄소 층은 적용 후 열처리를 받는다. 이는 불투과성(impermeability)을 높일 수 있다.
페이스트 세트
본 발명에 따른 세트는 특히 위에서 설명한 아연-이산화망간 셀의 제조 방법에 사용하기에 적합하다. 그것은 항상 다음의 구성성분들을 포함한다:
a. 다음의 구성성분들을 포함하는 음극을 제조하기 위한 페이스트:
- 아연 파우더(수은 없음)
- 전극 바인더
- 용매 및/또는 분산제
및
b. 다음의 구성성분들을 포함하는 양극을 제조하기 위한 페이스트:
- 이산화망간
- 전기 전도성을 향상시키기 위한 도전재
- 전극 바인더
- 용매 및/또는 분산제
및
c. 다음의 구성성분들을 포함하는 전해질 층을 준비하기 위한 페이스트:
- 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염, 바람직하게는 염화 아연 및/또는 염화 암모늄
- 광물 입자들
- 용매 및/또는 분산제
세 가지 페이스트들의 바람직한 특성과 관련하여, 본 발명에 따른 방법과 관련한 상기 설명이 반복을 피하기 위해 참조된다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 세트는 생산될 아연-이산화망간 셀을 위한 분리막을 추가적인 구성성분으로서 포함한다. 분리막의 바람직한 특성과 관련하여, 본 발명에 따른 방법과 관련한 상기의 설명이 마찬가지로 참조된다.
아연-이산화망간 셀 및 아연-이산화망간 배터리
본 발명의 기저를 이루는 과제에 따라, 본 발명에 따른 셀은 피크에서 ≥ 400mA의 전류를 펄스 전류 애플리케이션에 공급하는 데 사용되는 것이 바람직하다. 따라서 무엇보다도 LTE 표준에 따라 작동하는 모바일 무선 칩에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 그러나, 원칙적으로, 다른 애플리케이션에도 적합하다.
본 발명에 따른 아연-이산화망간 셀은 상술한 방법으로 생산할 수 있다. 그것은 항상 바로 다음의 특징들 a. 내지 f.를 가지고 있다:
a. 전기 비-전도성 기판 상의 제1 전기 전도체 및 전기 비-전도성 기판 상의 제2 전기 전도체를 포함함;
b. 상기 제1 전기 전도체의 직접 위에 층-형상 음극 그리고 상기 제2 전기 전도체의 직접 위에 층-형상 양극을 포함함;
c. 층-형상 분리막을 포함함;
여기서
d. 상기 전극들과 상기 분리막은 시퀀스 음극 / 분리막 / 양극을 갖는 층들의 스택의 형태이고, 상기 양극과 상기 분리막 뿐만 아니라 상기 음극과 상기 분리막은 각각 인터페이스를 통해 서로에게 연결됨,
여기서
e. 상기 전극들과 상기 분리막은 바람직하게는 염화물 수성 용액에 의해, 특히 바람직하게는 염화 아연 수성 용액 및/또는 바람직하게는 염화 암모늄 수성 용액에 의해 함침됨(impregnated),
그리고
f. 상기 전극들과 상기 분리막 사이의 인터페이스들은 상기 전해질에 투과가능한 경계층을 형성하는 광물 입자들을 특징으로 함.
경계층은 광물 필러(filler) 입자의 함량으로 인해 양극과 음극을 서로 전기적으로 분리하는 데 도움이 되므로, 분리막의 구성성분으로서 간주될 수도 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 아연-이산화망간 셀의 층-형상 분리막은 두 개의 이러한 경계층들을, 즉 그 측면들의 각각에 하나씩을 포함한다.
특히 바람직하게는, 아연-이산화망간 셀은 다음 특징들 a. 및 b. 중 적어도 하나를특징으로 한다:
a. 셀의 음극은 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
- 아연 파우더(수은 없음): 81 내지 93 중량%
- 점도 조정을 위한 첨가제: 1 내지 7 중량%
- 전극 바인더: 6 내지 13 중량%
b. 셀의 양극은 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
- 이산화망간: 62 내지 82 중량%
- 도전재: 5 내지 35 중량%
- 점도 조정을 위한 첨가제: 2 내지 10 중량%
- 전극 바인더: 6 내지 13 중량%
바로 앞의 특징들 a. 및 b.는 조합하여 실현하는 것이 바람직하다.
셀의 나열된 구성성분들, 즉, 예를 들어 전기 전도체들 또는 경계층을 형성하는 광물 입자의 바람직한 특성과 관련하여, 반복을 피하기 위해 본 발명에 따른 방법과 관련한 상기 설명이 참조된다.
본 발명에 따른 셀은 특히 다음의 추가적인 특징들 a. 내지 c. 중 적어도 하나를 특징으로 하는 것이 바람직하다:
a. 전극은 직사각형 또는 스트립(strips)의 형태임.
b. 전극은
- 1cm 내지 25cm, 바람직하게는 5cm 내지 20cm 범위의 길이, 및
- 0.5 내지 10cm, 바람직하게는 1cm 내지 5cm 범위의 폭
을 가짐.
c. 전기적 비-전도성 기판 상의 전기 전도체는 2㎛ 내지 250㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 100㎛, 더욱 바람직하게는 2㎛ 내지 25㎛, 더욱 바람직하게는 5㎛ 내지 10㎛의 범위에서의 두께를 가짐.
바람직하게는, 바로 앞의 특징들 a. 내지 c.는 서로 조합하여 실현된다.
본 발명에 따른 셀의 양극 및 음극은 각각 10 μm 내지 250 μm 범위에서 특히 바람직한 두께를 갖는다. 음극이 많은 경우 에너지 밀도가 더 높기 때문에, 양극은 종종 음극보다 다소 두껍다. 따라서, 일부 애플리케이션에서는, 음극을 30μm 내지 150μm의 두께를 갖는 층으로 형성하고 양극을 180 내지 350μm의 두께를 갖는 층으로 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 두께들을 조정함으로써, 양극과 음극의 커패시턴스가 균형을 이룰 수 있다. 이와 관련하여, 양극은 음극에 대해 크기가 큰 것(oversized)이 바람직하다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 아연-이산화망간 셀을 2개 이상을 포함하는 배터리를 포함한다. 특히 바람직하게는, 배터리는 본 발명에 따라 2개, 3개 또는 4개의 직렬 연결된 아연-이산화망간 셀들을 포함한다.
본 발명에 따른 셀 및 본 발명에 따른 배터리는 바로 다음의 특징들 a. 및 b. 중 적어도 하나를 특징으로 하는 것이 바람직하다:
a. 셀 또는 배터리의 전극들을 둘러싸는 하우징을 포함하며, 여기서 제1 기판 및 제2 기판은 하우징의 부분임.
b. 제1 기판 및 제2 기판은 포일 또는 포일의 구성성분임.
다시 말하지만, 바로 앞의 특징들 a. 및 b.는 서로 조합하여 실현되는 것이 바람직하다.
하우징을 포함하는 본 발명에 따른 배터리는 수 밀리미터 범위에서, 특히 0.5밀리미터 내지 5밀리미터 범위에서, 더욱 바람직하게는 1밀리미터 내지 3밀리미터 범위에서 최대 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그것의 다른 치수들은 전기적으로 상호 연결된 개별 셀들의 수와 그들의 치수들에 따라 달라진다. 예를 들어, 4개의 개별 셀이 직렬로 연결된 배터리는 길이가 5 내지 20cm, 폭이 4 내지 18cm일 수 있다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 셀 또는 본 발명에 따른 배터리는 플라스틱 기반 라벨, 특히 플라스틱으로 제조된 자체-접착(self-adhesive) 라벨 상에 배열되거나 생산될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판 또는 제2 기판은 그 측면들 중 하나에 접착층을 갖는 호일일 수 있다. 라벨은 임의의 제품 또는 패키지에 부착될 수 있다. 필요한 경우, 본 발명에 따른 셀 또는 본 발명에 따른 배터리에 의해 전기 에너지가 공급되는 휴대폰 칩과 같은 전자 애플리케이션을 라벨에 배치 할 수도 있다. 특히 이러한 애플리케이션의 경우, 전극이 높은 수준의 유연성을 가질 필요가 있으며, 이는 탄성 전극 바인더의 비율에 의해 보장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀의 전극들 및 적어도 하나의 전해질 층은 인쇄 공정에 의해, 특히 스크린 인쇄 공정에 의해 형성된다. 일부 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 셀은 따라서 인쇄된 셀(printed cell)이다.
이러한 맥락에서, 인쇄된 셀은 적어도 전극들 및 전해질 층들, 그리고 선택적으로 전기 전도체들이 상술된 인쇄 페이스트를 기판 상에 인쇄함으로써, 특히 스크린 인쇄 공정에 의해 형성되는 셀로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 전극들 및 전기 전도체들은 인쇄된다.
본 발명의 추가적인 특징 및 본 발명에 따른 장점은 다음의 실시예 및 도면으로부터 명백해질 것이며, 이를 통해 본 발명이 설명될 것이다. 아래에 설명된 실시예는 본 발명을 설명하고 보다 나은 이해를 제공하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명의 추가적인 장점 및 측면은 청구범위 및 본 발명의 실시예의 바람직한 예에 대한 다음의 설명으로부터 명백하며, 이하에서 도면을 참조하여 설명한다.
도면은 개략적으로 다음을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전기적으로 상호 연결된, 총 4개의 셀들을 포함하는, 본 발명에 따른 배터리를 제조하는 방법의 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 방법에 따라 형성된 배터리의 단면도, 및
도 3은 본 발명에 따른 배터리를 사용한 펄스 테스트의 결과.
도 1을 참조하여, 4개의 개별 셀들이 직렬로 전기적으로 연결된 본 발명에 따른 배터리(100)의 바람직한 실시예의 생산 및 구조를 모두 설명할 수 있다. 제조 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:
(1) 캐리어 역할을 하는 200㎛ 두께의 PET 필름(106)에 스크린 인쇄를 통해 전류 전도체 구조를 인쇄한다. PET 필름(106)은 라인(109)에 의해 두 개의 영역(109a 및 109b)으로 분할되며, 그 중 영역(109a)은 제 1 기판으로, 영역(109b)은 제 2 기판으로 사용된다. 전기 전도체 구조는 제1 전기 전도체(101), 제2 전기 전도체(102), 제3 전기 전도체(103), 제4 전기 전도체(104) 및 제5 전기 전도체(105)를 포함하며, 여기서 제1 및 제3 전도체(101 및 103)는 제1 기판(109a)에 인쇄된다. 전도체(102, 104 및 105)는 제 2 기판(109b)에 인쇄된다. 여기서 사용되는 인쇄 페이스트는 상업적으로 이용가능한 은 전도성 페이스트이다. 전기 전도체(101 내지 105)의 영역에서, PET 호일(106)은 각각의 경우 전체 표면에 걸쳐 페이스트로 코팅되어, 전도체들이 각각 연속적인 전기 전도성 표면을 형성하도록 한다. 모든 전기 전도체는 바람직하게는 10㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는 층들로 형성된다.
이 단계의 결과는 도 1A에 표시되어 있으며, 도면에 표시된 모든 층들이 도면 평면에 평행하게 배열되어 있음에 유의해야 한다. 이는 전도체 위에 증착된 탄소, 전극 및 전해질 층들에도 유사하게 적용된다.
(2) 추가적인 단계에서, 전류 전도체 구조는 탄소 입자의 얇은 층으로 덮여 있다. 탄소 입자의 층은 바람직하게는 12 μm의 두께로 형성된다. 여기에 사용되는 인쇄 페이스트는 전자제품에서 전기 전도성 층과 상호 연결을 형성하는 데 사용되는 유형의 전형적인 탄소 페이스트이다. 이 단계의 결과는 도 1B에 나와 있다.
탄소 입자의 층에 의한 전류 전도성 구조의 적용 범위를 최적화하기 위해, 형성된 층을 열처리하는 것이 바람직할 수 있다. 적용할 수 있는 온도는 주로 PET 호일의 열 안정성에 따라 다르며 그에 따라 선택해야 한다.
(3) 그런 다음, 음극(107a, 107b, 107c 및 107d) 및 양극(108a, 108b, 108c 및 108d)이 전류 전도체 구조 상에 인쇄된다. 이를 위해, 제1 전기 전도체(101)는 음극(107b)을 형성하기 위해 아연 페이스트가 있는 영역에 오버프린팅되고, 양극(108a)을 형성하기 위해 망간 산화물 페이스트가 있는 영역에 오버프린팅된다. 제2 전기 전도체(102)는 일부 영역에 아연 페이스트로 오버프린팅되어 음극(107c)을 형성하고, 일부 영역에 망간 산화물 페이스트로 오버프린팅되어 양극(108b)을 형성한다. 제 3 전기 전도체(103)는 일부 영역에 아연 페이스트로 오버프린팅되어 음극(107d)을 형성하고, 일부 영역에 망간 산화물 페이스트로 오버프린팅되어 양극(108c)을 형성한다. 제4 전기 전도체(104)는 양극(108d)을 형성하기 위한 영역에 망간 산화물 페이스트로 오버프린팅된다. 그리고 제5 전기 전도체(105)는 음극(107a)을 형성하기 위해 영역에 아연 페이스트로 오버프린팅된다. 페이스트들의 구성은 다음과 같다:
아연 페이스트:
- 아연 입자: 70 중량%
- CMC: 2 중량%
- SBR: 6 중량%
- 용매 및/또는 분산제(물): 22 중량%
망간 산화물 페이스트:
- 망간 산화물: 60 중량%
- 흑연: 6 중량%
- 염화 아연: 2 중량%
- CMC: 2 중량%
- SBR: 5 중량%
- 용매 및/또는 분산제(물): 25 중량%
이 단계의 결과는 도 1C에 나와 있다.
음극(107a 내지 107d) 및 양극(108a 내지 108d)은 각각 길이 11㎝ 및 폭 2㎝의 직사각형 스트립으로 형성된다. 음극(107a 내지 107d)은 여기서 70㎛ 두께의 층들로 형성되는 것이 바람직하다. 양극 전극(108a 내지 108d)은 바람직하게는 280 μm의 두께를 갖는 층들로 형성된다. 양극 전극(108a 내지108d)들을 형성하기 위해 하나 초과의 프린팅 공정이 필요할 수 있다.
두 개의 전극들은 제1 전도체(101), 제2 전도체(102) 및 제3 전도체(103)의 각각을 통해 전기적으로 연결된다. 전도체(101)는 양극(108a)을 음극(107b)에 연결하고, 전도체(102)는 양극(108b)을 음극(107c)에 연결하며, 전도체(103)는 양극(108c)을 음극(107d)에 연결한다. 이러한 전기 연결들은 4개의 개별 셀들의 목표하는 직렬 연결을 위한 기초이다.
각각 두 개의 전극들을 전기적으로 연결하는 전도체(101, 102, 및 103)들은 각각 전기적으로 연결된 전극들(108a 및 107b, 108b 및 107c, 및 108c 및 107d)이 표면에서 차지하는 영역보다 큰 각각의 기판(109a 및 109b)의 표면에서 전기 전도성 영역을 형성한다. 일 측면에서, 전기 전도성 영역들은 각각 전극들에 의해 덮인 영역을 포함한다. 둘째로, 전기적으로 연결된 각각의 전극들 사이에 전극들을 서로 분리하기 위한 갭(110)이 형성된다. 전기 전도성 표면은 또한 이 갭(110)을 가로 질러 연장되어, 전극들 사이의 갭에서 전도체의 단면이 감소하지 않는다.
이 모든 것이 본 발명에 따른 배터리(100)의 임피던스 값에 이미 긍정적인 영향을 미친다. 전극의 대면적 접촉, 특히 갭(110)을 통한 연결은 전극들의 최적의 전기적 연결을 보장하고 전기 저항을 최소화한다.
또한, 전극(107a 및 108d)들과만 전기적으로 접촉하는 제4 및 제5 전도체(104 및 105)들은 각 기판의 표면 상에 전기적으로 접촉된 각 전극이 표면 상에서 차지하는 영역보다 큰 전기 전도성 영역을 형성한다. 일 측면에서, 전기 전도성 영역들은 각각 전극들에 의해 덮인 영역을 포함한다. 반면에, 전기 전도성 표면들은 각각 전극 재료로 덮여 있지 않은 영역을 포함한다. 이러한 영역들은 직렬로 연결된 4개의 개별 셀들의 합산된 전압을 탭핑(tap)하기 위한 배터리(100)의 단자들로서 역할을 할 수 있다.
(5) 추가적인 후속 단계에서, 음극(107a 내지 107d) 및 양극(108a 내지 108d)은 염화 아연 페이스트로 인쇄된다. 전해질 페이스트 층(111a 내지 111h)들이 형성되며, 각 층은 예를 들어 약 50 μm의 두께를 갖는다.
이 단계의 결과는 도 1D에 나와 있다.
바람직하게는, 이 단계에서 다음의 조성을 갖는 전해질 페이스트가 사용된다:
- 염화 아연: 35 중량%
- 부유제(이산화 규소): 3 중량%
- 광물, 불용성 입자(CaCO3): 15 중량%
- 용매 및/또는 분산제(물): 47 중량%
액추에이터(actuator)와 불용성 입자는 전기 절연 효과가 있다.
페이스트가 개별 전극들 주위에 인쇄되기 전에, 예를 들어 전극들을 둘러싸는 접착 화합물에 의해 밀봉 프레임(112)이 형성되는 것이 특히 유리하다. 예를 들어, 상업적으로 이용 가능한 솔더 레지스트(solder resist)는 밀봉 프레임(112)을 형성하기 위한 출발 물질로 사용될 수 있다. 전극(107a 및 108a)들을 둘러싸는 두 개의 밀봉 프레임(112)들이 예시적으로 도시되어 있다. 공정이 적절하게 수행되는 경우, 모든 전극들을 밀봉 프레임들로 둘러싸는 것이 편리하다.
(6) 그 다음, 전해질 페이스트 층(111a 내지 111h)들을 복수의 분리막들로 덮는데, 이는 전해질 페이스트 층들이 건조되지 않도록 전해질 페이스트 층들을 인쇄한 직후에 행해지는 것이 바람직하다. 그런 다음, PET 호일(106)은 라인(109)을 따라 접혀서 다음과 같이 접혀진다:
- 음극(107a)은 분리막들 중 하나 및 양극(108a)과 함께 층들의 제1 스택을 형성하고,
- 음극(107b)은 분리막들 중 하나 및 양극(108b)과 함께 층들의 제2 스택을 형성하고,
- 음극(107c)은 분리막들 중 하나 및 양극(108c)과 함께 층들의 제3 스택을 형성하고, 그리고
- 음극(107d)은 분리막들 중 하나 및 양극(108d)과 함께 층들의 제4 스택을 형성한다.
접힘 및 최종 용접 및/또는 결합에 의해, 층들의 스택들이 배열된 폐쇄형 하우징이 형성될 수 있다.
이 단계의 결과는 도 2에 나와 있다.
이를 위해 60 내지 120μm 범위의 두께와 35 내지 60%의 다공성(공동 부피 대 전체 부피의 비율)을 갖는 미세 다공성 폴리올레핀 필름이 분리막으로 사용된다.
도 2의 단면에 도시된 배터리(100)는 각각 층들의 스택의 형태를 갖는 4개의 개별 셀(113, 114, 115 및 116)들을 포함한다. 도시된 배터리는 도 1에 도시된 방법에 따라 생산될 수 있으며, 여기서 층으로서 형성된 총 4개의 분리막(117a 내지 117d)이 개별 셀을 형성하는데 사용된다.
분리막(117a 내지 117d) 이외에, 층들의 스택(113 내지 116)들은 각각 음극(107a 내지 107d)들 중 하나 및 양극(108a 내지 108d)들 중 하나를 포함한다. 더 자세히 설명한다:
층들의 스택(113)은 전기 전도체(101 및 105)를 포함하며, 전해질과의 접촉으로부터 그들을 보호하는 탄소 입자의 층(101a 및 105a)들을 포함한다. 양극 전극(108a)은 층(101a)에 직접 증착되고, 음극 전극(107a)은 층(105a)에 직접 증착된다. 전극(107a 및 108a)들 사이에는 분리막(117a)이 있으며, 이는 전해질 페이스트 층(111a)과 전해질 페이스트 층(111b)으로 둘러싸여 있다. 전해질 층(111a 및 111b)들은 전기적 비-전도성 광물 입자의 함량에 의해 양극(108a)과 음극(107a)을 서로 전기적으로 분리하는 데 도움이 되므로, 이들은 분리막(117a)의 구성성분으로서 간주될 수 있다. 어쨌든, 광물 입자는 전극들과 분리막들 사이에 경계층을 형성하지만, 이는 물에 용해된 염화 아연에 투과가능하다.
층들의 스택(114)은 전기 전도체(101 및 102)를 포함하며, 전해질과의 접촉으로부터 그들을 보호하는 탄소 입자의 층(101a 및 102a)들을 포함한다. 양극 전극(108b)은 층(102a)에 직접 증착되고, 음극 전극(107b)은 층(101a)에 직접 증착된다. 전극(107b 및 108b)들 사이에는 분리막(117b)이 있으며, 이는 전해질 층(111c)과 전해질 층(111d)으로 둘러싸여 있다. 전해질 층(111c 및 111d)들은 전기적 비-전도성 광물 구성성분의 함량으로 인해 양극(108b)과 음극(107b)을 서로 전기적으로 분리하는 데 도움이 되므로, 이들은 분리막(117b)의 구성성분으로서 간주될 수 있다. 어쨌든, 광물 입자는 전극들과 분리막들 사이에 경계층을 형성하지만, 이는 물에 용해된 염화 아연에 투과가능하다.
층들의 스택(115)은 전기 전도체(102 및 103)를 포함하며, 전해질과의 접촉으로부터 그들을 보호하는 탄소 입자의 층(102a 및 103a)들을 포함한다. 양극 전극(108c)은 층(103a)에 직접 증착되고, 음극 전극(107c)은 층(102a)에 직접 증착된다. 전극(107c 및 108c)들 사이에는 분리막(117c)이 있으며, 이는 전해질 층(111e)과 전해질 층(111f)으로 둘러싸여 있다. 전해질 층(111e 및 111f)들은 전기적 비-전도성 광물 구성성분의 함량으로 인해 양극(108c)과 음극(107c)을 서로 전기적으로 분리하는 데 도움이 되므로, 이들은 분리막(117c)의 구성성분으로서 간주될 수 있다. 어쨌든, 광물 입자는 전극들과 분리막들 사이에 경계층을 형성하지만, 이는 물에 용해된 염화 아연에 투과가능하다.
층들의 스택(116)은 전기 전도체(103 및 104)를 포함하여, 전해질과의 접촉으로부터 그들을 보호하는 탄소 입자의 층(103a 및 104a)들을 포함한다. 양극 전극(108d)은 층(104a)에 직접 증착되고, 음극 전극(107d)은 층(103a)에 직접 증착된다. 전극(107d 및 108d)들 사이에는 분리막(117d)이 있으며, 이는 전해질 층(111g)과 전해질 층(111h)으로 둘러싸여 있다. 전해질 층(111g 및 111h)들은 전기적 비-전도성 광물 구성성분의 함량으로 인해 양극(108d)과 음극(107d)을 서로 전기적으로 분리하는 데 도움이 되므로, 이들은 분리막(117d)의 구성성분으로서 간주될 수 있다. 어쨌든, 광물 입자는 전극들과 분리막들 사이에 경계층을 형성하지만, 이는 물에 용해된 염화 아연에 투과가능하다.
제1 전도체(101) 및 제3 전도체(103)는 제2 기판(109b)을 향하는 제1 기판(109a)의 표면 상에 서로 거리를 두고 배치되고, 제2 전도체(102), 제4 전도체(104) 및 제5 전도체(105)는 제1 기판(109a)을 향하는 제2 기판(109b)의 표면 상에 서로 거리를 두고 배치되어 있다.
4개의 개별 셀(113, 114, 115 및 116)들은 전압들이 합산되도록 직렬로 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 단일 셀들의 반대 극성의 전극들은 제 1 전도체(101), 제 2 전도체(102) 및 제 3 전도체(103)를 통해 전기적으로 연결된다. 전도체 전극들은 반대 극성을 가지며, 제 1 전도체는 제 4 단일 셀의 전극과 전기적으로 접촉하며, 이 전도체에 의해 전기적으로 연결된 전극들도 반대 극성을 갖는다. 전술한 바와 같이, 전극 재료로 덮여 있지 않은 전도체(104 및 105)들의 영역들은 직렬로 연결된 4개의 개별 셀(113 내지 116)들의 합산된 전압을 탭핑하기 위한 배터리(100)의 단자 역할을 할 수 있다.
본원에서 설명된 개별 셀(113 내지 116)들이 전기 화학 시스템으로서 아연-이산화망간을 기반으로 하기 때문에, 각 셀은 약 1.5볼트의 공칭 전압(nominal voltage)을 제공한다. 따라서 배터리(100)는 약 6볼트의 공칭 전압을 제공할 수 있다.
전술한 래핑 및 라인(117)을 따른 최종 용접 및/또는 결합의 결과로서, 본 발명에 따른 배터리(110)는 층들의 스택(113 내지 116)들이 배치된 폐쇄형 하우징(118)을 갖는다. 전극 재료로 덮여 있지 않은 전도체(104 및 105)들의 영역들은 배터리(100)의 전압이 외부에서 탭될(tapped) 수 있도록 하우징 밖으로 유도될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리(100)의 임피던스 특성을 위해서는, 층들의 스택들 내에서 직접 접촉하는 개별 셀(113 내지 116)들의 층-형상 구성성분들이 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 서로 접촉하는 것이 중요하다. 이는 셀(113)을 참조하여 설명된다.
첫째, 임피던스를 최적화하기 위해서는 전극(107a 및 108a)들과 전기 전도체(101 및 105)들 사이에 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 접촉을 제공하는 것이 필요하다. 위에서 설명한 바와 같이, 전도체(101 및 105)들은, 도 1A 및 도 1B에 도시된 바와 같이, 기판(109a 및 109b)에 각각 연속적인 전기 전도성 표면을 형성한다. 전도체(101)와 그 위에 증착된 전극(108a)에 의해 형성된 전기 전도성 표면은 전극(108a)에 수직인 직선이 전극과 전도체(101)를 모두 교차하는 오버레이 영역에서 전극(108a) 및 전도체(101)에 수직인 시야의 방향으로 대략 중첩된다. 특정 경우에, 이 오버레이 영역은 정확히 전극(108a)의 영역이다. 따라서, 전극(108a)은 그 전체 표면에 걸쳐 전기 전도체(101)와 접촉한다. 전극(107a)과 전도체(105) 사이의 접촉의 경우에도 동일하게 적용된다. 여기에서도, 전체 표면 접촉이 있다.
또한, 전극(107a 및 108a)들을 분리막(117a)에 연결하는 것은 중요하다. 전술한 바와 같이, 분리막(117a)은 전해질 층(111a 및 111b)들 또는 광물 입자로 형성된 경계층들을 통해 전극(107a 및 108a)들과 접촉하며, 본 실시예에서 전해질 또는 경계층(111a 및 111b)들은 분리막(117a)의 부분으로서 간주될 수 있다. 분리막의 일측은 양극(108a)에 대한 제1 접촉 표면을 가지며, 이에 평행한 다른 일측은 음극(107a)에 대한 제2 접촉 표면을 갖는다. 바람직하게는, 접촉 표면들은 양쪽 접촉 표면들을 교차하는 분리막에 수직인 직선에 의해 정의된 오버레이 영역에서 분리막에 수직인 시야의 방향으로 서로 겹쳐진다.
전극(107a 및 108a)들이 동일한 표면 치수를 가지며 스택 내에서 서로 오프셋되지 않기 때문에, 이 오버레이 영역의 크기는 전극(107a 및 108a)들의 크기와 정확히 일치한다. 따라서 전극(107a 및 108a)들은 전도체(101 및 105)들과 전체 표면 접촉할 뿐만 아니라, 분리막 또는 분리막의 전해질 층(111a 및 111b)들과도 접촉한다.
도 3에 도시된 펄스 테스트의 결과는 전기적으로 직렬로 연결되고 도 2에 따라 설계된 4개의 개별 셀들을 포함하는 배터리로 수행되었다. 4개의 셀들의 전극들은 각각의 기판에서 약 22cm2의 면적에 걸쳐 각각 연장되었다. 개별 셀들은 직렬로 전기적으로 연결되고 6V의 공칭 전압 6V이 공급되었다. 실제로, 개방 회로 전압은 약 6.4V, 최종 방전 전압은 약 3.1볼트였다. 측정에 앞서, 인위적으로 노화(aging)를 시뮬레이션하기 위해 배터리를 45°에서 한 달 동안 보관하였다. 그럼에도 불구하고, 배터리는 총 118개의 TX 펄스를 전달하였다. 새로운 배터리는 부하 테스트에서 400Tx 펄스 초과를 전달했으므로 LTE 칩에 전원을 공급하는 데 이상적이다.

Claims (11)

  1. 아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법으로서,
    a. 전기 비-전도성 기판에 제1 전기 전도체를 그리고 전기 비-전도성 기판에 제2 전기 전도체를 적용하는 단계;
    b. 상기 제1 전기 전도체에 직접적으로 층-형상 음극을 그리고 상기 제2 전기 전도체에 직접적으로 층-형상 양극을 적용하는 단계;
    c. 층-형상 분리막을 제공하는 단계;
    d. 상기 층-형상 음극에 및/또는 상기 층-형상 양극에 및/또는 상기 층-형상 분리막에 적어도 하나의 전해질 층을 적용하는 단계;
    e. 시퀀스 음극 / 분리막 / 양극을 갖는 층들의 스택을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    f. 상기 음극은 다음의 구성성분들
    - 아연 파우더(수은 없음)
    - 전극 바인더
    - 용매 및/또는 분산제
    를 포함하는 페이스트로 형성되고,
    g. 상기 양극은 다음의 구성성분들
    - 이산화망간
    - 전기 전도성을 향상시키기 위한 도전재
    - 전극 바인더
    - 용매 및/또는 분산제
    를 포함하는 페이스트로 형성되고,
    h. 상기 적어도 하나의 전해질 층은 다음의 구성성분들
    - 적어도 하나의 수용성, 염화물 함유 염
    - 광물 입자들
    - 용매 및/또는 분산제
    를 포함하는 페이스트로 형성되고,
    상기 페이스트 내에서 상기 광물 입자들의 비율은 최소 5 중량%이고 최대 60 중량%인 것인,
    아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 분리막은 다공성 플라스틱 필름 또는 다공성 부직포임,
    b. 분리막은 60 내지 120 ㎛ 범위의 두께를 가짐,
    c. 분리막은 35 내지 60% 범위의 다공성(공동 부피 대 전체 부피의 비율)을 가짐,
    d. 분리막은 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌으로 구성됨
    중 적어도 하나를 갖는,
    아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 광물 입자들은 세라믹 입자들, 물에 거의 또는 완전히 용해되지 않는 염 입자들, 유리 입자들, 및 현무암(basalt)과 같은 천연 광물들과 석재들의 입자들로 구성되는 그룹으로부터 선택됨,
    b. CaCO3 입자들이 광물 입자들로서 사용됨,
    c. 상기 광물 입자들은 0.8 ㎛ 내지 40 ㎛ 범위, 바람직하게는 0.8 ㎛ 내지 15 ㎛ 범위, 특히 바람직하게는 1.0 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위의 d50 값을 가짐,
    d. 상기 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는 80 ㎛ 초과, 바람직하게는 60 ㎛ 초과, 특히 바람직하게는 45 ㎛ 초과의 입자 크기를 갖는 광물 입자들이 본질적으로 없음,
    e. 상기 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는, 특히 점도를 조정하기 위하여, 바람직하게는 1 내지 8 중량% 범위의 비율로, 적어도 하나의 첨가제를 포함함,
    f. 점도를 조정하기 위한 첨가제로서, 상기 페이스트는 500 ㎚ 미만, 바람직하게는 200 ㎚ 미만의 평균 입자 크기(d50)를 갖는 광물 파우더를 포함함,
    g. 물이 용매 및/또는 분산제로서 사용됨,
    h. 상기 페이스트에서 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염, 특히 염화 아연 및/또는 염화 암모늄의 비율은 최소 25 중량%이고 최대 50 중량%임,
    i. 상기 적어도 하나의 전해질 층을 생산하기 위한 페이스트는, 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
    - 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염 특히 염화 아연 및/또는 염화 암모늄: 30-40 중량%,
    - 점도 조정을 위한 첨가제: 2-4 중량%,
    - 광물 입자들: 10-30 중량%,
    - 용매 및/또는 분산제: 40-55 중량%,
    상기 페이스트의 구성성분들의 비율들은 합산하여 100 중량%인 것임,
    중 적어도 하나를 갖는,
    아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 음극의 준비를 위한 페이스트는 적어도 50 중량% 그리고 바람직하게는 적어도 60 중량%의 비율로 아연 파우더를 포함함,
    b. 상기 아연 파우더는 20 μm 내지 40 μm 범위의 d50-값 그리고 바람직하게는 5 중량% 미만의 45 μm 초과의 입자들의 함량을 특징으로 함,
    c. 상기 음극을 생산하기 위한 페이스트는, 특히 점도를 조정하기 위하여, 바람직하게는 1 내지 8 중량% 범위의 비율로, 적어도 하나의 첨가제를 포함함,
    d. 점도를 조정하기 위한 첨가제로서, 상기 페이스트는 카르복시메틸 셀룰로오스를 포함함,
    e. 상기 음극을 제조하기 위한 페이스트는 최소 1 중량% 그리고 바람직하게는 10 중량% 이하의 양으로 상기 전극 바인더를 포함함,
    f. 상기 음극을 생산하기 위한 페이스트는 전극 바인더로서 탄성 특성을 갖는 전극 바인더, 특히 폴리아크릴레이트(PA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리헥사플루오로프로필렌(PHFP), 폴리이미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리트리플루오로에틸렌(PTrFE), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 상기 물질들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터의 전극 바인더를 포함함,
    g. 물이 용매 및/또는 분산제로서 사용됨,
    h. 상기 음극을 제조하기 위한 페이스트는, 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
    - 아연 파우더(수은 없음): 65-79 중량%,
    - 점도 조정을 위한 첨가제: 1-5 중량%,
    - 바인더, 탄성(예: SBR): 5-10 중량%,
    - 용매 및/또는 분산제: 15-20 중량%,
    상기 페이스트의 구성성분들의 비율들은 합산하여 100 중량%인 것임,
    중 적어도 하나를 갖는,
    아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 양극의 준비를 위한 페이스트는 적어도 50 중량% 그리고 바람직하게는 적어도 60 중량%의 비율로 이산화망간을 포함함,
    b. 상기 이산화망간은 입자 형태로 존재하고 20 μm 내지 50 μm 범위의 d50 값 그리고 바람직하게는 5 중량% 미만의 55 μm 초과의 입자들의 비율을 특징으로 함,
    c. 상기 양극을 생산하기 위한 페이스트는, 특히 점도를 조정하기 위하여, 바람직하게는 1 내지 10 중량% 범위의 비율로, 적어도 하나의 첨가제를 포함함,
    d. 점도를 조정하기 위한 첨가제로서, 상기 페이스트는 카르복시메틸 셀룰로오스를 포함함,
    e. 상기 양극의 준비를 위한 페이스트는 최소 5 중량% 그리고 바람직하게는 최대 15 중량%의 비율로 상기 전극 바인더를 포함함,
    f. 상기 양극을 생산하기 위한 페이스트는 전극 바인더로서 탄성 특성을 갖는 전극 바인더, 특히 폴리아크릴레이트(PA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리헥사플루오로프로필렌(PHFP), 폴리이미드(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리트리플루오로에틸렌(PTrFE), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 상기 물질들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터의 전극 바인더를 포함함,
    g. 상기 양극을 제조하기 위한 페이스트는 5 중량% 내지 35 중량%의 비율로 도전재를 포함함,
    h. 양극 제조 페이스트는, 도전재로서, 활성 탄소, 활성 탄소 섬유, 탄화물 유래 탄소, 탄소 에어로젤, 흑연, 그래핀 및 탄소 나노튜브(CNT)로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 전도성 물질을 포함함,
    i. 물이 용매 및/또는 분산제로서 사용됨,
    j. 상기 양극을 제조하기 위한 페이스트는, 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
    - 이산화망간: 50-70 중량%,
    - 도전재(예: 흑연, 카본 블랙): 3-30 중량%,
    - 점도 조정을 위한 첨가제: 2-8 중량%,
    - 바인더, 탄성(예: SBR): 8-15 중량%,
    - 용매 및/또는 분산제: 20-30 중량%,
    상기 페이스트의 구성성분들의 비율들은 합산하여 100 중량%인 것임,
    중 적어도 하나를 갖는,
    아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 추가적인 특징들:
    a. 상기 전극들 및 상기 적어도 하나의 전해질 층은 인쇄 공정에 의해, 특히 스크린 인쇄 공정에 의해 형성됨,
    b. 상기 음극은 30㎛ 내지 150㎛ 범위에서 평균 두께를 갖도록 형성됨,
    c. 상기 양극은 13㎛ 내지 350㎛ 범위에서 평균 두께를 갖도록 형성됨,
    d. 상기 적어도 하나의 전해질 층은 10 내지 100㎛, 바람직하게는 30 내지 70㎛ 범위에서 평균 두께를 갖도록 형성됨,
    e. 상기 적어도 하나의 전해질 층은 여전히 적어도 젖은 동안 상기 음극 및/또는 양극에 적용됨("웨트-온-웨트 적용(wet-on-wet application)"),
    f. 상기 분리막은 여전히 적어도 젖은 동안 형성된 전해질 층들 중 하나 위에 배치됨,
    중 적어도 하나를 갖는,
    아연-이산화망간 셀을 제조하는 방법.
  7. 아연-이산화망간 셀의 생산을 위한 세트로서,
    다음의 구성성분들:
    a. 다음의 구성성분들을 포함하는 음극을 제조하기 위한 페이스트:
    - 아연 파우더(수은 없음)
    - 전극 바인더
    - 용매 및/또는 분산제
    b. 다음의 구성성분들을 포함하는 양극을 제조하기 위한 페이스트:
    - 이산화망간
    - 전기 전도성을 향상시키기 위한 도전재
    - 전극 바인더
    - 용매 및/또는 분산제
    c. 다음의 구성성분들을 포함하는 전해질 층을 준비하기 위한 페이스트:
    - 적어도 하나의 수용성 염화물 함유 염, 바람직하게는 염화 아연 및/또는 염화 암모늄
    - 광물 입자들
    - 용매 및/또는 분산제
    를 갖는,
    아연-이산화망간 셀의 준비를 위한 세트
  8. 제7항에 있어서,
    추가적인 구성성분으로서 아연-이산화망간 셀을 위한 분리막을 구비하고,
    상기 분리막은 다음의 성질들:
    a. 분리막은 다공성 플라스틱 필름 또는 다공성 부직포임,
    b. 분리막은 60 내지 120 μm 범위에서 두께를 가짐,
    c. 분리막은 35 내지 60% 범위의 다공성(공동 부피 대 전체 부피의 비율)을 가짐,
    d. 분리막은 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌으로 구성됨
    을 갖는,
    아연-이산화망간의 준비를 위한 세트
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 생산가능한, 아연-이산화망간 셀로서,
    다음의 특징들:
    a. 전기 비-전도성 기판 상의 제1 전기 전도체 및 전기 비-전도성 기판 상의 제2 전기 전도체를 포함함;
    b. 상기 제1 전기 전도체의 직접 위에 층-형상 음극 그리고 상기 제2 전기 전도체의 직접 위에 층-형상 양극을 포함함;
    c. 층-형상 분리막을 포함함;
    을 포함하고,
    d. 상기 전극들과 상기 분리막은 시퀀스 음극 / 분리막 / 양극을 갖는 층들의 스택의 형태이고, 상기 양극과 상기 분리막 뿐만 아니라 상기 음극과 상기 분리막은 각각 인터페이스를 통해 서로에게 연결됨,
    e. 상기 전극들과 상기 분리막은 염화물 용액에 의해, 바람직하게는 염화 아연 용액 및/또는 염화 암모늄 용액에 의해 담겨짐(soaked),
    f. 상기 전극들과 상기 분리막 사이의 인터페이스들은 상기 전해질에 투과가능한 경계층을 형성하는 광물 입자들을 특징으로 하는 것인,
    아연-이산화망간 셀.
  10. 제9항에 있어서,
    다음의 특징들:
    a. 셀의 음극은 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
    - 아연 파우더(수은 없음): 81 내지 93 중량%
    - 점도 조정을 위한 첨가제: 1 내지 7 중량%
    - 전극 바인더: 6 내지 13 중량%
    b. 셀의 양극은 다음의 구성성분들을 다음의 비율로 포함함:
    - 이산화망간: 62 내지 82 중량%
    - 도전재: 5 내지 35 중량%
    - 점도 조정을 위한 첨가제: 2 내지 10 중량%
    - 전극 바인더: 6 내지 13 중량%
    중 적어도 하나를 특징으로 하는,
    아연-이산화망간 셀.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    다음의 특징들:
    a. 상기 광물 입자들은 세라믹 입자들, 물에 거의 또는 완전히 용해되지 않는 염 입자들, 유리 입자들, 및 현무암(basalt)과 같은 천연 광물들과 석재들의 입자들로 구성되는 그룹으로부터 선택됨,
    b. CaCO3 입자들이 광물 입자들로서 사용됨,
    c. 상기 광물 입자들은 0.8 ㎛ 내지 40 ㎛ 범위, 바람직하게는 0.8 ㎛ 내지 15 ㎛ 범위, 특히 바람직하게는 1.0 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위의 d50 값을 가짐,
    d. 상기 경계층은 500 ㎚ 미만, 바람직하게는 200 ㎚ 미만의 평균 입자 크기(d50)를 갖는 광물 파우더들을 포함함,
    중 적어도 하나를 특징으로 하는,
    아연-이산화망간 셀.
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