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KR20220004698A - 통합된 에지 밀봉부를 갖는 배터리 조립체 및 밀봉부 형성 방법 - Google Patents

통합된 에지 밀봉부를 갖는 배터리 조립체 및 밀봉부 형성 방법 Download PDF

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KR20220004698A
KR20220004698A KR1020217038519A KR20217038519A KR20220004698A KR 20220004698 A KR20220004698 A KR 20220004698A KR 1020217038519 A KR1020217038519 A KR 1020217038519A KR 20217038519 A KR20217038519 A KR 20217038519A KR 20220004698 A KR20220004698 A KR 20220004698A
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KR
South Korea
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battery
plate
substrate
plates
battery plates
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Application number
KR1020217038519A
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English (en)
Inventor
에드워드 섀퍼
돈 홉데이
브라이언 스터더반트
애덤 카데나
Original Assignee
어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨 filed Critical 어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 조립체 형성 방법은: a) 복수의 배터리 플레이트를 적층하여 복수의 전기화학 전지를 형성하는 단계, 및 b) 하나 이상의 개별 배터리 플레이트가 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트에 접합되도록 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 복수의 배터리 플레이트의 외부 주변 주위를 용접하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 개별 배터리 플레이트는 개별 배터리 플레이트의 외부 주변으로부터 인접한 하나 이상의 배터리 플레이트를 향해 연장되는 하나 이상의 돌출부를 포함하며; 적층 시에, 하나 이상의 개별 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트의 외부 주위에 중첩된다. 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트에 접합되는 하나 이상의 돌출부에 의해 형성될 수 있다.

Description

통합된 에지 밀봉부를 갖는 배터리 조립체 및 밀봉부 형성 방법
본 개시내용은 일반적으로 바이폴라 배터리 조립체에 유용한 적층형 배터리 플레이트 및 이러한 조립체의 제조 방법에 관한 것이다. 본 개시는 외부 멤브레인 또는 케이싱의 사용을 제거하면서도 배터리 플레이트의 스택의 주변 주위에 통합된 밀봉부를 제공함으로써 적층가능한 배터리 플레이트의 제조에서 특정 용도를 찾을 수 있다.
바이폴라 배터리 조립체는 일반적으로 인접한 전기화학 전지의 스택으로서 형성된다. 일반적으로 바이폴라 배터리는 다수의 바이폴라 플레이트와 2개의 모노폴라 단부 플레이트로 구성된다. 배터리 플레이트는 한 플레이트의 애노드 재료가 그 다음 플레이트의 캐소드 재료와 마주하도록 스택으로 배열된다. 대부분의 조립체에는, 인접한 플레이트 사이에 배터리 세퍼레이터가 있어 전해질이 캐소드 재료로부터 애노드 재료로 흐를 수 있다. 플레이트 사이의 공간에 전해질이 배치되며, 이 전해질은 애노드 재료와 캐소드 재료 사이에서 전자와 이온이 흐를 수 있도록 하는 재료다. 플레이트 사이에 배치된 전해질과 세퍼레이터를 갖는 바이폴라 플레이트의 인접한 표면은 애노드 재료와 캐소드 재료 사이에서 전자와 이온이 교환되는 전기화학 전지를 형성한다. 인접한 전기화학 전지를 형성하기 위해 배터리 플레이트를 적층함으로써 나타나는 몇 가지 문제는, 전지로부터 전해질이 흐르는 것을 방지하며, 배터리 조립체를 작동하기 전에 전기화학 전지에 대한 밀봉을 유지하고(예를 들어, 진공을 당기거나, 배터리 플레이트가 내부를 향해 굽어질 수 있도록 전해질로 채우고), 내부 압력으로 인해 배터리 조립체가 외부 방향으로 팽창하는 경향이 있는 경우, 배터리 조립체 작동 중에 전기화학 전지 주위에 밀봉을 유지하는 것이다.
일부 바이폴라 배터리 조립체는 배터리 조립체 주위의 밀봉의 필요성을 줄이기 위해 고체 전해질을 사용할 수 있다. 고체 전해질을 사용하면 누출 문제를 해결할 수 있지만, 일반적으로 고체 전해질은 액체 전해질만큼 성능이 좋지 않다. 예를 들어, 고체 전해질은 액체 전해질과 같거나 그보다 더 큰 높은 전도도를 구현할 수 없다.
그 밖의 다른 바이폴라 배터리 조립체는 서로를 향하는 인접한 표면에서 배터리 플레이트를 함께 접착할 수 있다. 예를 들어, 배터리 플레이트는 US 2017/0373298의 배터리 조립체와 같이 일반적으로 평면이고 접하는 프레임 표면에서 접합될 수 있다. 이러한 접합은 별도의 접착제 또는 기타 접합 방법에 의해 제공될 수 있다. 이러한 밀봉 설계의 문제점들은 배터리 조립체의 작동 전과 작동 중에 프레임 표면들 사이의 결합을 유지하고 액체 전해질과 협력하는 문제점을 포함한다.
전기화학 전지를 밀봉하는 또 다른 공지된 방식은 스택의 주변 주위에 멤브레인, 케이싱 또는 이 둘 다를 사용하는 것이다. 멤브레인, 케이싱 또는 둘 모두는 전해질이 전기화학 전지 내부로부터 배터리 플레이트 외부로 누출되거나, 배터리 조립체로부터 외부 환경으로 누출되거나, 또는 이 둘 다를 방지할 수 있다. 멤브레인, 케이싱 또는 둘 다 작동 중에 배터리 조립체에 압축력이 가해질 수 있다. 압축력은 작동 중에 외부로 팽창하는 것을 방지함으로써 전기화학 전지 주위에 밀봉을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 멤브레인, 케이싱, 또는 둘 모두는 배터리 조립체가 둘러싸이도록 배터리 조립체의 주변(즉, 배터리 플레이트의 스택의 외부) 상에 성형되거나 접착되거나 혹은 그 주위에 위치될 수 있다. 멤브레인 또는 케이싱은 배터리 플레이트 주위에 한 조각 또는 다중 조각, 가령, 복수의 외부 프레임으로서 형성될 수 있다. 일부 배터리 조립체는 전해질 누출을 방지하기 위해 고체 전해질, 개별 전기화학 전지 주위의 개별 밀봉, 멤브레인 및 케이싱의 조합이 필요할 수도 있다. 예를 들어, US 2017/0373298, WO1993/001624, WO2010/100979, WO 2013/062623, EP2273580A2, JP2011-265693, JP2005-064208 및 JP2009-252548는 배터리 조립체 주위에 배치된 다양한 케이싱 및 멤브레인에 대해 설명한다. 그럼에도 불구하고, 추가적인 밀봉, 멤브레인, 케이싱 또는 기타 재료를 필요로 하지 않는 전기화학 전지 주위에 밀봉부를 형성할 필요성이 여전히 요구된다. 별도의 밀봉부를 제거하면, 부품 복잡성이 줄어들고 조립 공정이 줄어들며 전체 조립이 간단해지고 전체 비용이 절감된다.
전기화학 전지의 주변 주위를 밀봉하기 위해 배터리 조립체의 하나 이상의 구성요소에 통합될 수 있는 밀봉부가 필요하다. 필요한 것은 배터리 조립체의 하나 이상의 배터리 플레이트의 일부로 형성될 수 있는 밀봉부이다. 필요한 것은 전해질과의 접촉을 견딜 수 있고 전해질에 대한 밀봉을 유지할 수 있는 밀봉부이다. 필요한 것은 하나 이상의 배터리 플레이트와 일체로 구성될 수 있고 배터리 조립체의 작동 전 및 작동 동안에 하나 이상의 배터리 플레이트의 내측 및 외측 변형에 저항할 수 있는 밀봉부이다. 액체 전해질에 대한 효율적인 밀봉을 유지하면서도 복잡성과 비용을 줄이는 제조 공정에 쉽게 통합될 수 있는 밀봉부가 필요하다.
본 발명은, a) 복수의 배터리 플레이트를 적층하여 복수의 전기화학 전지를 형성하는 단계; 및 b) 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 복수의 배터리 플레이트의 주변 에지 주위를 용접하는 단계를 포함하는 배터리 조립체를 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 배터리 조립체를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: a) 복수의 배터리 플레이트를 적층하여 복수의 전기화학 전지를 형성하는 단계를 포함하되, 하나 이상의 개별 배터리 플레이트는 배터리 플레이트의 외부 주변으로부터 인접한 배터리 플레이트를 향해 연장되는 하나 이상의 돌출부를 포함하고; 적층 시에, 하나 이상의 개별 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트의 외부 주위에 중첩되고; b) 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 복수의 배터리 플레이트의 외부 주변 주위를 용접하는 단계를 포함하되, 통합된 에지 밀봉부는 인접한 배터리 플레이트에 접합되는 하나 이상의 돌출부에 의해 형성된다.
본 발명은 하나 이상의 전기화학 전지 주위에 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 갖는 배터리 조립체에 관한 것이다.
본 발명의 방법, 배터리 조립체, 또는 둘 모두는 하기 특징들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있는데: 상기 방법은 케이싱, 멤브레인, 또는 둘 다를 복수의 배터리 플레이트 주위에 배치하는 단계는 없을 수 있고; 상기 방법에는 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 배터리 플레이트로부터 분리된 추가 재료를 포함하는 단계는 없을 수 있고; 용접은 열 용접, 용매 용접 등, 또는 이들의 조합일 수 있으며; 용접은 열 용접일 수 있고, 열은 플래튼, 고온 가스, 고온 액체, 적외선, 레이저, 마찰, 진동, 초음파 유도 와이어 루프, 무선 주파수 등, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 제공될 수 있으며; 복수의 배터리 플레이트의 하나 이상의 개별 배터리 플레이트는 외부 주변으로부터 돌출되는 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있고; 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트로부터 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루도록 구성될 수 있으며; 복수의 배터리 플레이트를 적층하는 단계는 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부를 인접한 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루는 단계를 포함할 수 있고; 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루는 단계는 상호 정렬, 연동, 얽힘, 맞물림 등 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며; 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트의 외부 표면과 중첩되도록 구성될 수 있고; 복수의 배터리 플레이트를 적층하는 단계는 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부를 인접한 배터리 플레이트의 외부 표면과 중첩하는 단계를 포함할 수 있으며; 하나 이상의 돌출부는 핑거, 치형부, 주변 립 등, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있고; 하나 이상의 돌출부는 함께 용융될 수 있으며; 하나 이상의 돌출부는 함께 용융되어 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성할 수 있고; 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부와 스냅-로크를 형성할 수 있으며; 통합된 에지 밀봉부는 복수의 전기화학 전지 주위에 액체 기밀 밀봉부를 형성할 수 있고; 통합된 에지 밀봉부는 복수의 전기화학 전지 주위에 가스 기밀 밀봉부를 형성할 수 있으며; 배터리는 바이폴라 배터리일 수 있고; 상기 방법은 하나 이상의 돌출부를 갖는 하나 이상의 기판을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며; 하나 이상의 기판은 각각의 기판의 주변 주위에 프레임을 포함할 수 있고; 하나 이상의 돌출부는 프레임으로부터 돌출할 수 있으며; 상기 방법은 기판 상에 하나 이상의 활성 재료를 배치함으로써 복수의 배터리 플레이트를 형성하는 단계를 포함할 수 있고; 하나 이상의 활성 재료는 프레임, 하나 이상의 돌출부, 또는 둘 모두 내의 기판 상에 위치될 수 있으며; 상기 방법은 기판 상에 집전체를 배치하는 단계를 포함할 수 있고; 활성 재료는 집전체 상에 배치될 수 있으며; 하나 이상의 활성 재료는 양의 재료, 음의 재료, 또는 둘 다일 수 있고; 활성 재료는 캐소드를 형성할 수 있는 양의 활성 재료를 포함할 수 있으며; 활성 재료는 애노드를 형성할 수 있는 음의 활성 재료일 수 있고; 배터리 플레이트는 모노폴라 플레이트, 바이폴라 플레이트, 듀얼 폴라 플레이트, 또는 이들의 조합일 수 있으며; 세퍼레이터가 인접한 배터리 플레이트의 쌍 사이에 위치될 수 있고; 전해질이 개별 전기화학 전지를 형성하기 위해 인접한 배터리 플레이트의 쌍 사이에 위치될 수 있으며; 전해질은 액체 전해질일 수 있고; 복수의 배터리 플레이트는 애노드로서 기능하는 기판의 제1 표면 상의 집전체 상에 배치된 제1 활성 재료 및 캐소드로서 기능하는 기판의 제2 대향 표면 상의 또 다른 집전체 상에 배치된 제2 활성 재료를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트; 활성 재료가 없는 기판의 표면의 맞은편에 애노드로서 기능하는 기판의 제1 표면 상의 집전체 상에 배치된 제1 활성 재료를 갖는 제1 모노폴라 플레이트; 활성 재료가 없는 기판의 표면의 맞은편에 캐소드로서 기능하는 기판의 제2 표면 상의 집전체 상에 배치된 제2 활성 재료를 갖는 제2 모노폴라 플레이트를 포함할 수 있으며; 복수의 배터리 플레이트는 기판의 제1 표면 상의 집전체 상에 배치된 활성 재료 및 기판 상의 제2 대향 표면 상의 또 다른 집전체 상에 배치된 활성 재료를 갖는 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트를 포함하며, 기판의 각각의 표면의 활성 재료 및 집전체는 캐소드 또는 애노드로서 기능할 수 있고; 인접하는 각각의 쌍의 배터리 플레이트 사이에는 액체 전해질이 배치될 수 있으며; 액체 전해질은 각각의 쌍의 배터리 플레이트 사이의 공간에 위치하는 애노드 및 캐소드와 함께 작용하여 전기화학 전지 중 하나를 형성할 수 있거나; 및/또는 세퍼레이터가 각각의 전기화학 전지 내에 위치될 수 있다.
본 개시는 배터리 조립체의 하나 이상의 구성요소와 일체인 통합된 에지 밀봉부를 제공한다. 통합된 밀봉부는 배터리 조립체의 하나 이상의 전기화학 전지의 주변 주위에 액체 및/또는 가스 기밀 밀봉부를 제공할 수 있다. 통합된 에지 밀봉부가 하나 이상의 돌출부에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 또는 둘 다로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소와 짝을 이루고, 결합되고, 접합되어 통합된 에지 밀봉부를 형성할 수 있다. 하나 이상의 돌출부, 통합된 에지 밀봉부 또는 둘 다는, 돌출부, 밀봉부 또는 둘 모두가 전해질과의 접촉을 견디고 전해질 주위에 밀봉을 유지할 수 있도록, 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 둘 다의 하나 이상의 기판과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 둘 이상의 인접한 배터리 플레이트를 접합할 수 있다. 접합될 때(예를 들어, 용융-접합될 때), 통합된 에지 밀봉부는 배터리 조립체의 작동 전 및 작동 동안에 하나 이상의 배터리 플레이트의 내측 및 외측 변형에 저항할 수 있다.
도 1A는 배터리 플레이트의 사시도이다.
도 1B는 도 1A의 배터리 플레이트의 부분도이다.
도 2A는 배터리 플레이트의 사시도이다.
도 2B는 도 2A의 배터리 플레이트의 부분도이다.
도 3A는 핑거-형태의 돌출부를 갖는 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트를 예시한다.
도 3B는 전기화학 전지 주위에 서로 연동된 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트를 예시한다.
도 3C는 전기화학 전지 주위에 통합된 에지 밀봉부를 갖는 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트를 예시한다.
도 3D는 복수의 전기화학 전지 주위에 통합된 에지 밀봉부를 갖는 배터리 플레이트의 스택을 예시한다.
도 4A는 치형부-형태의 돌출부를 갖는 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트를 예시한다.
도 4B는 전기화학 전지 주위에 서로 맞물린 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트를 예시한다.
도 4C는 전기화학 전지 주위에 통합된 에지 밀봉부를 형성하는 함께 용융-접합된 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트를 예시한다.
도 4D는 서로로부터 이격된 치형부-형태의 돌출부를 갖는 배터리 플레이트의 스택의 분해도를 예시한다.
도 4E는 서로 맞물린 배터리 플레이트의 스택을 예시한다.
도 5A는 주변 돌출부를 갖는 배터리 플레이트의 스택을 예시한다.
도 5B는 중첩되는 주변 돌출부를 갖는 배터리 플레이트의 스택을 예시한다.
도 5C는 복수의 전기화학 전지 주위에 통합된 에지 밀봉부를 형성하는 함께 용융-접합된 배터리 플레이트의 스택을 예시한다.
도 6은 배터리 조립체의 부분 분해도를 예시한다.
도 7은 배터리 조립체의 사시도를 예시한다.
도 8은 배터리 조립체의 횡단면도이다.
도 9는 배터리 조립체의 부분 분해도를 예시한다.
도 10은 배터리 조립체의 부분 분해도를 예시한다.
본 명세서에 기술된 설명 및 예시는 당업자가 발명, 발명의 원리, 및 발명의 실제 적용용도를 잘 알게 하기 위한 것이다. 본 명세서에 설명된 것과 같이 본 발명의 특정 실시예들은 본 발명의 개념을 제한하거나 한정하려는 의도가 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 하기 청구항들의 범위와 함께 이러한 청구항들에 대한 균등예들의 범위로 결정되어야 한다. 특허출원 및 공보들을 포함하여, 모든 기사들과 문헌들의 기재내용들은 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다. 또한, 하기 청구항들로부터의 그 밖의 조합들도 가능하며, 이들도 본 발명의 참조문헌들로 통합된다.
배터리 플레이트(들)
본 개시는 바이폴라 플레이트, 모노폴라 플레이트, 듀얼 폴라 플레이트 등, 또는 이들의 임의의 조합으로서 사용하기에 유용한 배터리 플레이트에 관한 것이다. 배터리 플레이트가 하나 이상의 전극으로서 기능할 수 있고, 하나 이상의 전기활성 재료를 포함하거나, 전기화학 전지의 일부일 수 있고, 하나 이상의 밀봉 구조물의 일부를 형성하거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 복수의 배터리 플레이트가 배터리 조립체 내에서 전류(즉, 이온 및 전자의 흐름)를 전도하는 기능할 수 있다. 복수의 배터리 플레이트가 하나 이상의 전기화학 전지를 형성할 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터 및/또는 전해질을 사이에 가질 수 있는 한 쌍의 전지 플레이트는 전기화학 전지를 형성할 수 있다. 배터리의 원하는 전압을 제공하기 위해 존재하는 배터리 플레이트의 개수를 선택할 수 있다. 배터리 조립체 디자인은 생산할 수 있는 전압의 가요성을 제공한다. 복수의 배터리 플레이트는 임의의 원하는 횡단면 형상을 가질 수 있으며, 횡단면 형상은 사용 환경에서 사용 가능한 포장 공간에 꼭 맞게 설계될 수 있다. 횡단면 형상은 쉬트의 면의 관점에서 플레이트의 형상을 나타낼 수 있다. 가요성의 횡단면 형상 및 크기는 배터리가 사용되는 시스템의 전압 및 크기 요구를 수용하도록 개시된 조립체의 준비를 허용한다. 대향하는 단부 플레이트가 그 사이에 복수의 배터리 플레이트를 끼워 넣을 수 있다. 하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 비평면 구조를 포함할 수 있다.
비평면 구조는 배터리 플레이트의 표면 형상이 플레이트가 기능할 수 있는 임의의 형상일 수 있음을 의미할 수 있다. 비평면 구조는 배터리 플레이트의 평면 부분으로부터 돌출되거나 및/또는 평면 부분 내로 함몰되는 임의의 특징부일 수 있다. 비평면 구조는 배터리 플레이트가 비평면 배터리 플레이트일 수 있음을 의미할 수 있다. 비평면 구조는 플레이트를 통과하는 임의의 평면에 대해 하나 이상의 함몰 표면 및/또는 돌출 표면을 포함할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 규칙적이거나 또는 불규칙한 형태일 수 있다. 이 형태들은 하나 이상의 오목하거나 볼록한 표면을 포함할 수 있다. 비평면 구조에는 직사각형, 실린더, 반구, 피라미드, 톱니 치형부 등이 포함된다. 하나 이상의 비평면 구조는 하나 이상의 인서트, 보스, 프레임, 돌출부, 개구, 리브, 주름진 구조, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 하나 이상의 밀봉부, 채널 또는 이 둘 모두를 형성하는 기능할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 일부일 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 전체 표면적을 증가시키는 기능할 수 있다. 예를 들어, 주름진 표면을 갖는 기판이 상대적으로 평평한 표면을 갖는 기판보다 더 큰 표면적을 가질 수 있다. 더 큰 표면적은 증가된 전압, 전류 또는 둘 다를 허용할 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 배터리 플레이트의 임의의 부분 내에 있을 수 있다. 배터리 플레이트의 스택 내에서, 배터리 플레이트의 평면 및/또는 비평면 구조는 형성을 돕는 전기화학 전지의 효율적인 기능을 제공하기 위해 동일할 수 있다. 복수의 배터리 플레이트는 하나 이상의 모노폴라 플레이트, 하나 이상의 바이폴라 플레이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 바이폴라 플레이트는 단일 또는 복수의 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 복수라는 것은 하나 이상의 플레이트가 있다는 것을 의미한다. 바이폴라 플레이트는 기판을 포함한다. 기판은 2개의 대향면을 갖는 쉬트 형태일 수 있다. 맞은편 면에는 캐소드와 애노드가 있다. 캐소드 및 애노드는 기판, 집전체 또는 둘 다에 제공된 페이스트 형태일 수 있다. 기판은 애노드 또는 캐소드와 기판 사이에 위치한 집전체를 가질 수 있다. 캐소드, 애노드, 또는 둘 모두는 전달 쉬트를 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트는 하나의 바이폴라 플레이트의 캐소드가 또 다른 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트의 애노드를 향하고, 그리고, 각각의 바이폴라 플레이트의 애노드가 바이폴라 또는 모노폴라 플레이트의 캐소드를 향하도록, 하나 이상의 스택에서 배터리 조립체 내에 배열될 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 모노폴라 플레이트일 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트는 단일 또는 복수의 모노폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트는 복수의 배터리 플레이트의 각각의 대향 단부에 위치된 모노폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 대향하는 모노폴라 플레이트는 그 사이에 위치하는 하나 이상의 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트는 하나 이상의 단부 플레이트에 인접하여 위치할 수 있거나, 그 일부일 수 있거나, 하나 이상의 단부 플레이트 일 수 있다. 예를 들어, 각각의 모노폴라 플레이트는 인접한 단부 플레이트와 인접한 바이폴라 플레이트 사이에 위치할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트는 하나 이상의 단부 플레이트에 부착될 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 단부 플레이트는, 미국 특허 번호 8,357,469; 9,553,329; 및 미국 특허 출원 공개번호 2017/0077545에 개시된 것과 같은 단부 플레이트에 고정될 수 있는데, 상기 특허들은 모두 전체적으로 참조로서 본 명세서에 포함된다. 하나 이상의 모노폴라 단부 플레이트는 미국 특허 출원 공개 번호 2017/0077545에 개시된 바와 같은 하나 이상의 강화 구조를 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트는 하나 이상의 바이폴라 플레이트에 사용되는 동일한 기판, 애노드 및 캐소드로부터 준비될 수 있다. 배터리 조립체의 하나의 모노폴라 플레이트는 상부에 캐소드가 배치된 기판을 가질 수 있다. 배터리 조립체의 하나의 모노폴라 플레이트는 상부에 애노드가 배치된 기판을 가질 수 있다. 캐소드, 애노드, 또는 둘 모두는 기판 상에 제공된 페이스트 형태일 수 있다. 캐소드, 애노드, 또는 둘 모두는 전달 쉬트를 포함할 수 있다. 단부 플레이트를 향하거나 및/또는 애노드 또는 캐소드에 대향하는 모노폴라 플레이트의 표면 또는 측면은 기판의 맨 표면일 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 배터리 플레이트는 배터리 플레이트의 하나 이상의 스택을 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 스택과 전기적으로 연결하는 것을 용이하게 하거나, 둘 이상의 스택의 제조 및 조립을 단순화하거나, 혹은 이 둘 모두를 기능할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트 스택을 사용하여 배터리 플레이트의 2개 이상의 스택을 전기적으로 연결하면, 배터리 플레이트의 개별 스택이 표준 크기(예를 들어, 플레이트 및/또는 전기화학 전지의 개수)로 형성될 수 있고, 그 뒤, 조립되어 바이폴라 배터리 조립체를 형성할 수 있으며; 배터리 플레이트의 개별 스택의 수를 용이하게 변경하여 바이폴라 배터리 조립체에 의해 생성되는 전력을 증가 또는 감소시킬 수 있거나; 혹은 이 둘 다 가능하다. 듀얼 폴라 플레이트는 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판은 단일 기판 또는 복수의 기판을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판은 하나 이상의 전도성 기판, 하나 이상의 비-전도성 기판, 또는 이 둘 모두의 조합을 포함할 수 있다. 복수의 전도성 기판은 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 듀얼 폴라 플레이트는 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판, 및 그 사이에 위치된 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 듀얼 폴라 플레이트는 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 듀얼 폴라 플레이트는 단일 전도성 기판을 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 하나 이상의 기판은 대향 표면을 포함한다. 대향 표면은 애노드, 캐소드, 전류 전도체, 집전체, 또는 이들의 임의의 조합이 표면의 일부와 접촉하거나 및/또는 증착될 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 전도성 기판은 한 표면 또는 두 대향 표면에 증착된 애노드 또는 캐소드를 가질 수 있다. 대향 표면에 동일한 애노드 또는 캐소드를 가지면, 하나 이상의 스택의 또 다른 전류 전도체(예를 들어, 모노폴라 플레이트의 단자 또는 양의 또는 음의 전류 전도체)에 오직 하나의 전기 연결(예를 들어, 양의 또는 음의 전류 전도체에 의해)을 요구함으로써 제조를 간단하게 할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 기판은 대향 표면 중 하나 또는 둘 모두에 배치된 집전체를 가질 수 있다. 집전체는 캐소드 또는 애노드와 기판 표면 사이에 배치될 수 있다. 예시적인 듀얼 폴라 플레이트 및 배터리 조립체로의 통합은 미국 특허 번호 9,685,677; 9,825,336; 및 미국 특허 출원 공개 번호: 2018/0053926에 기술되어 있으며; 이 특허들은 모두 전체적으로 참조로서 본 명세서에 포함된다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 기판을 포함한다. 하나 이상의 기판은 캐소드 및/또는 애노드에 대한 구조적 지지를 제공하도록 기능할 수 있으며; 전지 구획으로서, 인접한 전기화학 전지 사이의 전해질의 흐름을 방지하기 위해; 배터리의 외부 표면에 있을 수 있는 배터리 플레이트 에지 주위에 전해질-기밀 밀봉부를 형성하기 위해 다른 배터리 구성요소와 협력하며; 일부 실시예에서, 전자를 한 표면에서 다른 표면으로 전달하도록 기능할 수 있다. 기판은 기능 또는 배터리 화학에 따라 다양한 재료로 형성될 수 있다. 기판은 원하는 배터리 플레이트의 백본을 제공하기에 충분히 구조적으로 견고한 재료로 형성될 수 있으며, 배터리 구성에 사용되는 임의의 전도성 재료의 융점을 초과하는 온도를 견디고, 전해질(예를 들어, 황산 용액)과 접촉하는 동안 높은 화학적 안정성을 가져서 전해질과 접촉 시에도 기판은 열화되지 않는다. 기판은 적절한 재료로 형성될 수 있거나 및/또는 기판의 한 표면에서 맞은편 기판 표면으로 전기의 전달을 허용하는 방식으로 구성될 수 있다. 기판은 전기 전도성 재료, 예를 들어, 금속성 재료로 형성될 수 있거나 혹은 전기적으로 비-전도성 재료로 형성될 수도 있다. 예시적인 비-전도성 재료는 폴리머, 가령, 열경화성 폴리머, 엘라스토머 폴리머, 또는 열가소성 폴리머, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 기판은 일반적으로 비-전기 전도성 기판(예를 들어, 유전체 기판)을 포함할 수 있다. 비-전도성 기판은 내부에 또는 상부에 구성된 전기 전도성 특징부를 가질 수 있다. 사용될 수 있는 폴리머 재료의 예는, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리에틸렌(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 고밀도 폴리에틸렌 및 저밀도 폴리에틸렌 포함), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 바이오-기반 플라스틱/바이오폴리머(예를 들어, 폴리락트산), 실리콘, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 또는 이들의 임의의 조합, 예를 들어 PC/ABS(폴리카보네이트 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌의 블렌드)를 포함한다. 복합재 기판이 사용될 수 있다. 복합재는 강화 재료, 가령, 당업계에 일반적으로 알려진 섬유 또는 필러; 2개의 상이한 폴리머 재료, 가령, 열경화성 코어 및 열가소성 쉘 또는 열경화성 폴리머 주변 주위의 열가소성 에지; 또는 비-전도성 폴리머에 배치된 전도성 재료를 포함할 수 있다. 기판은 플레이트의 에지에서 결합 가능한, 바람직하게는 용융 접합 가능한 열가소성 재료를 포함하거나 가질 수 있다. 하나 이상의 기판은 하나 이상의 비평면 구조를 가질 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판과 일체로 구성되거나 기판에 부착될 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 기판의 일부로서 성형될 수 있다. 하나 이상의 비평면 구조는 하나 이상의 융기된 에지, 프레임, 인서트, 돌출부, 개구 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 기판은 전기화학 전지의 형성 및 배터리 플레이트의 적층을 용이하게 하기 위해 주변 주위에 융기된 에지를 가질 수 있다. 이 문맥에서 사용된 융기된 에지는 플레이트의 두 대향 표면 중 적어도 하나의 융기된 에지를 의미한다. 융기된 에지는 또 다른 기판 재료 주위에 형성된 열가소성 에지 부분을 포함할 수 있다. 융기된 에지는 본 명세서에 기술된 바와 같이 세퍼레이터 플레이트로서 기능할 수 있다. 기판 또는 기판의 주변은 비-전도성 재료일 수 있고 열가소성 재료일 수 있다. 하나 이상의 기판은 프레임을 포함할 수 있다. 프레임은 융기된 에지를 포함하거나 포함하지 않을 수도 있다. 프레임은 융기된 에지를 나타낼 수 있다. 프레임은 기판의 주변 주위에 있을 수 있다. 프레임은 기판에 부착되거나 및/또는 기판과 일체로 구성될 수 있다. 프레임은 열가소성 재료와 같은 비-전도성 재료로 구성될 수 있다. 비-전도성 재료를 사용하면 배터리 스택 외부의 밀봉이 향상된다. 프레임은 내부에 형성된 하나 이상의 조립 보조장치를 포함할 수 있다. 조립 보조장치는 배터리 조립체를 형성하기 위해 적층하는 동안 하나 이상의 기판, 세퍼레이터, 또는 둘 모두를 제자리에 정렬하고 유지하는 것을 돕는 기능을 할 수 있다. 조립 보조장치는 하나 이상의 돌출부, 만입부 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프레임의 한 표면으로부터의 하나 이상의 수형 돌출부는 세퍼레이터 및/또는 인접한 기판의 프레임의 하나 이상의 암형 웰 내에 정렬되고 안착될 수 있다. 프레임의 하나 이상의 암형 웰은 하나 이상의 수형 돌출부로서 프레임의 대향 표면에 위치할 수 있다. 프레임은 통합된 에지 밀봉부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 하나 이상의 프레임은 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하는 데 유용한 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있다.
배터리 플레이트 중 하나 이상은 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부와 결합하거나 및/또는 짝을 이루고, 또 다른(예를 들어, 인접한) 배터리 플레이트와 짝을 이루고, 조립하는 동안 배터리 플레이트를 배터리 플레이트의 스택에 정렬하고, 하나 이상의 전기화학 전지 주위에 밀봉부를 형성하도록 기능할 수 있거나, 또는 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 기능에 필요한 임의의 적절한 크기, 형태 및/또는 구성을 가질 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 융기된 에지, 립, 탭, 핑거, 치형부, 포스트, 주름, 웰 등, 또는 이들의 임의의 조합으로서 형성될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 임의의 표면으로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 외부 표면, 내부 표면, 또는 둘 모두로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 외부 주변으로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 프레임, 융기된 에지, 기판, 배터리 플레이트의 임의의 다른 부분, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 프레임의 외부 표면, 프레임의 내부를 향하는 표면, 또는 둘 다로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 일부에 대해 임의의 각도로 연장되어 돌출부가 하나 이상의 다른 돌출부, 외부 표면, 프레임, 융기된 에지, 기질, 또는 이들의 임의의 조합과 결합되고, 짝을 이루며, 접촉하고, 중첩되거나 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 적층 시에, 개별 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트의 외부에 대해 중첩될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지를 형성하기 위해 적층될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트를 향해 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 기판에 대해 일정한 각도로 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 기판에 대해 일반적으로 예각, 수직 또는 심지어 둔각의 각도로 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 각도가 변경되도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 돌출부는 기판에 대한 각도가 감소되도록 열의 제공 시에 변형될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 하나 이상의 측면으로부터 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 한 면, 두 면, 세 면, 네 면, 또는 임의의 그 밖의 개수의 면에 대해 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 한 면, 일부 또는 모든 면에 대해 연장될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 기판, 융기된 에지, 프레임 등, 또는 이들의 조합에 적절한 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 돌출부는 열가소성 재료로 구성될 수 있다. 열가소성 재료는 결합 가능한, 가령, 용융 접합 가능할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트에 대해 연속적일 수 있거나, 배터리 플레이트에 대해 이격될 수 있거나, 또는 둘 다일 수 있다. 연속적인 것은 배터리 플레이트의 전체 주변에 대한 것일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 전체 주변에 대해 프레임 또는 기판으로부터 연장된 주변 립을 포함할 수 있다. 배터리 플레이트에 대해 이격된다는 것은 배터리 플레이트의 주변 주위에 복수의 돌출부가 분포되어 있음을 의미할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 주변에 균일하게 또는 불균일하게 분포된 복수의 탭을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 하나 이상의 돌출부는 배터리 플레이트의 주변 주위에 균일하게 또는 불균일하게 분포된 복수의 치형부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 배터리 플레이트에 부착되거나, 통합되거나, 또는 둘 다일 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 프레임, 융기된 에지, 기판, 배터리 플레이트의 임의의 다른 부분, 또는 이들의 임의의 조합에 부착되거나, 일체로 구성되거나(예를 들어, 이들과 함께 형성되거나), 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 돌출부는 또한 기판과 일체로 형성되는 프레임에 일체로 형성될 수 있어서, 하나 이상의 돌출부는 기판과 일체로 형성된다.
하나 이상의 돌출부는, 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하거나, 하나 이상의 전기화학 전지를 밀봉하거나, 또는 이들의 임의의 조합을 위해, 하나 이상의 다른 돌출부, 프레임, 기판, 외부 표면, 또는 이들의 임의의 조합과 협력할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부, 배터리 플레이트, 세퍼레이터 등, 또는 이들의 임의의 조합과 결합하기 위해 임의의 적절한 크기 및/또는 구성을 가질 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 둘 다와 중첩하기에 적합한 길이를 가질 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루기에 적합한 길이, 깊이 또는 둘 다를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부의 하나 이상의 치형부와 유사한 길이를 갖는 하나 이상의 웰을 가질 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 둘 모두의 하나 이상의 다른 돌출부와 결합하거나 및/또는 짝을 이룰 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 플레이트를 적층하는 것은 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부를 인접한 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부에 대해 이격되어 배열되거나, 정렬되거나 또는 이 둘 다일 수 있다. 예를 들어, 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 또 다른 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 돌출부로부터 이격되어 배열될 수 있다. 또 다른 예로서, 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 또 다른 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 돌출부와 정렬될 수 있다(예를 들어, 중앙 정렬될 수 있다). 하나 이상의 돌출부는, 상호 정렬, 얽힘, 연동, 맞물림, 중첩, 스냅-끼워맞춤 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해, 하나 이상의 다른 돌출부와 결합되거나 및/또는 짝을 이룰 수 있다. 예를 들어, 하나의 배터리 플레이트의 치형부로서 형성된 돌출부는 인접한 배터리 플레이트의 치형부로서 형성된 돌출부와 결합될 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 중첩, 접함, 마찰-끼워맞춤, 스냅-끼워맞춤(예를 들어, 스냅-로크) 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 하나 이상의 외부 표면과 결합되거나 및/또는 짝을 이룰 수 있다. 예를 들어, 하나의 배터리 플레이트의 대략 주변으로부터 연장되는 주변 립으로서 형성된 하나 이상의 돌출부는 스냅-끼워맞춤 연결로 인접한 배터리 플레이트의 주변을 수용할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부에 접합될 수 있다. 접합은 돌출부의 일부와 동일한 재료, 별도의 접착제 또는 둘 다에 의해 수행될 수 있다. 접합은 용접에 의해 수행될 수도 있다. 접합에는 용융-결합이 포함될 수 있다. 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 다른 돌출부와 함께 용융시키면 하나 이상의 배터리 플레이트를 하나 이상의 다른 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 둘 다에 일체로 부착할 수 있다. 하나 이상의 돌출부는 외부 표면과 함께 용융되어 하나 이상의 통합된 에지를 형성할 수 있다. 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 다른 돌출부에 용융시키면 하나 이상의 전기화학 전지 주위에 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성할 수 있다.
하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 세퍼레이터의 일부일 수 있다. 세퍼레이터에 대한 돌출부의 하나 이상의 특징부들은 하나 이상의 배터리 플레이트에 대해 동일하거나 유사할 수 있다.
하나 이상의 배터리 플레이트는 하나 이상의 활성 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 배터리 플레이트의 애노드 또는 캐소드로서 기능할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 애노드, 캐소드 또는 둘 다로서 기능하기 위해 배터리에서 일반적으로 사용되는 임의의 형태일 수 있다. 바이폴라 플레이트가 표면 상에서 캐소드로서 기능하는 하나 이상의 활성 재료 및 대향 표면 상에서 애노드로서 기능하는 하나 이상의 활성 재료를 가질 수 있다. 모노폴라 플레이트가 표면 상에서 캐소드 또는 애노드로서 기능하는 하나 이상의 활성 재료를 가지며, 대향 표면에는 애노드 및 캐소드가 모두 노출되어 있을 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트가 표면 상에서 캐소드 또는 애노드로서 기능하는 하나 이상의 활성 재료를 가지며, 하나 이상의 유사한 활성 재료가 대향 표면 상에서 캐소드 또는 애노드로서 기능할 수 있다. 하나의 배터리 플레이트의 캐소드는 또 다른 배터리 플레이트의 애노드와 대향할 수 있다. 캐소드는 하나 이상의 양의 활성 재료(PAM)로 지칭될 수 있다. 애노드는 하나 이상의 음의 활성 재료(NAM)로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 동일한 전기화학 전지의 전해질, 대향하는 하나 이상의 활성 재료, 또는 둘 모두 와의 전기화학 반응을 촉진하는 임의의 적절한 활성 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 전해질과의 환원 및/또는 산화 반응을 갖도록 선택될 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 납산, 리튬 이온, 및/또는 니켈 금속 하이브리드 배터리를 포함하는 이차 배터리에서 일반적으로 사용되는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 리튬, 납, 탄소, 또는 전이 금속의 복합 산화물, 황산염 화합물, 또는 인산 화합물을 포함할 수 있다. 복합 산화물의 예로는 Li/Co계 복합 산화물, 가령, LiCoO2; Li/Ni계 복합 산화물, 가령, LiNiO2; Li/Mn계 복합 산화물, 가령, 스피넬 LiMn2O4 및 Li/Fe계 복합 재료, 가령, LiFeO2가 포함된다. 전이 금속 및 리튬의 예시적인 인산염 및 황 화합물은 LiFePO4, V2O5, MnO2, TiS2, MoS2, MoO3, PbO2, AgO, NiOOH 등을 포함한다. 예를 들어, 납산 배터리에서, 하나 이상의 활성 재료는 이산화납(PbO2), 삼염기성 산화납(3PbO), 삼염기성 황산납(3PbO·3PbSO4), 사염기성 산화납(4PbO), 사염기성 황산납(4PbO·4PbSO4), 또는 이들의 조합이거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 하나 이상의 활성 재료가 전기화학 전지의 캐소드, 애노드, 또는 이 둘 모두로서 기능하도록 하는 임의의 형태일 수 있다. 예시적인 형태는 페이스트 형태, 사전-제작된 쉬트 또는 필름, 스펀지, 또는 이들의 임의의 조합의 성형 부품을 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 활성 재료는 스펀지 납을 포함할 수 있다. 스펀지 납은 다공성으로 인해 유용할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 다공성일 수 있다. 다공성은 증가된 표면적을 제공하는데 유리할 수 있다. 더 큰 표면적은 이온 이동 거리를 줄여, 하나 이상의 활성 재료의 전력 및 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 하나 이상의 다른 활성 재료와 비교하여 더 낮거나, 거의 동일하거나, 더 높은 공극 표면적을 가질 수 있다. 전기화학 전지의 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나의 하나 이상의 활성 재료의 페이스트 형태는 복수의 활성 재료의 용이한 적용을 허용할 수 있고, 비-평면 형상의 형성을 허용할 수 있으며, 비-평면 기판에 적용할 수 있고, 하나의 활성 재료가 또 다른 활성 재료와 쉽게 구별되어, 하나 이상의 비-활성 재료가 그 안에 위치할 수 있으며, 또는 이들의 임의의 조합으로 인해, 특히 유리할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 강화, 안정성, 전도성, 또는 이들의 조합을 제공하거나 개선하는데 유리할 수 있는 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 하나 이상의 첨가제는 개선된 강화를 위해 플록 또는 유리 섬유를 포함할 수 있다. 하나 이상의 첨가제는 페이스트 안정성을 위해 다양한 리그노-유기 화합물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 첨가제는 개선된 전도성을 위해 탄소, 비-탄소, 비-실리콘 산화물, 나노-티타늄 산화물, 나노-폴리머 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 애노드 및 캐소드에 사용하기 위해 선택된 하나 이상의 활성 재료는 일단 전기화학 전지를 포함하는 회로가 형성되면 전기화학 전지로서 기능하도록 함께 협력하도록 선택될 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 기판, 집전체 또는 둘 다에 배치될 수 있다. 배터리 플레이트 및/또는 배터리 조립체를 형성하는 방법은 하나 이상의 활성 재료를 기판 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 재료는 프레임, 융기된 에지, 하나 이상의 돌출부 등, 또는 이들의 조합 내에 위치할 수 있다. 내부는, 기판의 표면에 배치되는 동안, 프레임, 융기된 에지, 돌출부 등, 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 주변 내부로 정의될 수 있다.
배터리 조립체
복수의 전기화학 전지를 형성하기 위해 복수의 배터리 플레이트를 적층함으로써 배터리 조립체가 형성될 수 있다. 배터리 플레이트는 본 발명에 따른 배터리 플레이트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 배터리 조립체가 하나 이상의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 전기화학 전지가 그 사이에서 대향하는 애노드 및 캐소드 쌍을 갖는 한 쌍의 대향 배터리 플레이트에 의해 형성될 수 있다. 전기화학 전지의 공간(즉, 대향하는 애노드와 캐소드 쌍 사이)은 하나 이상의 세퍼레이터, 전달 쉬트, 전해질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전기화학 전지가 밀봉될 수 있다. 전기화학 전지는, 하나 이상의 채널; 하나 이상의 프레임 및/또는 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 둘 다의 에지; 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부; 또는 폐쇄된 전기화학 전지를 형성할 수 있는 이들의 임의의 조합 주위에 형성된 하나 이상의 밀봉부를 통해 밀봉될 수 있다. 전기화학 전지의 주변은 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부에 의해 밀봉될 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 전기화학 전지에 대해 액체 기밀 밀봉부, 가스 기밀 밀봉부, 또는 둘 다를 제공할 수 있다. 폐쇄된 전기화학 전지는 전지의 누출 및 단락을 방지하기 위해 환경으로부터 밀봉될 수 있다.
배터리 조립체가 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 애노드와 캐소드 사이에서 전자와 이온이 흐르도록 할 수 있다. 전해질은 전기화학 전지 내에 위치할 수 있다. 하나 이상의 전기화학 전지가 밀봉될 수 있으므로, 전해질은 액체 전해질일 수 있다. 전해질은 사용되는 애노드 및 캐소드와의 전기화학적 반응을 촉진하는 임의의 액체 전해질일 수 있다. 전해질은 물 기반 또는 유기 기반일 수 있다. 본 발명에서 유용한 유기 기반 전해질은 유기 용매에 용해된 전해질 염을 포함한다. 리튬 이온 이차 배터리에서는, 전해질 염에 리튬이 포함될 필요가 있다. 리튬-함유 전해질 염의 경우, 예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiSO3CF3 및 LiN(CF3SO2)2가 사용될 수 있다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 유기 용매는 세퍼레이터, 전달 쉬트, 캐소드 및 애노드, 그리고 전해질 염과 호환 가능해야 한다. 고전압을 인가하여도, 분해되지 않는 유기 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 카보네이트, 가령, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트; 환상 에테르, 가령, 테트라히드로푸란(THF) 및 2-메틸테트라히드로푸란; 환상 에스테르, 가령, 1,3-디옥솔란 및 4-메틸디옥솔란; 락톤, 가령, γ부티로락톤; 설포란; 3-메틸설포란; 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 에톡시메톡시메탄 및 에틸디글라임을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 액체 전해질 내의 전해질의 농도는 바람직하게는 0.3 내지 5 mol/l이어야 한다. 일반적으로 전해질은 1mol/l 부근에서 가장 높은 전도도를 나타낸다. 액체 전해질은 바람직하게는 전해질의 30 내지 70 중량%, 특히 40 내지 60 중량%를 차지해야 한다. 수성 전해질은 전지의 기능을 향상시키는 물의 산 또는 염을 포함한다. 바람직한 염 및 산은 황산, 황산나트륨 또는 황산칼륨 염을 포함한다. 염 또는 산은 전지의 작동을 용이하게 하기에 충분한 양으로 존재한다. 농도는 전해질의 중량을 기준으로 약 0.5 중량% 이상, 약 1.0 이상 또는 약 1.5 중량% 이상일 수 있다. 납산 배터리의 바람직한 전해질은 물 속의 황산이다. 전해질은 전기화학 전지의 하나 이상의 세퍼레이터, 전달 쉬트 또는 둘 다를 통과할 수 있다. 전해질은 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부에 의해 배터리 조립체의 외부로 누출되지 않도록 밀봉될 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성한 후에, 하나 이상의 전기화학 전지가 전해질로 채워질 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 전기화학 전지 주위에 밀봉부를 제공하고, 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 세퍼레이터가 서로 분리되는 것을 방지하거나, 또는 이 둘 다의 기능을 한다. 통합된 에지 밀봉부는 복수의 전기화학 전지에 대해 액체 기밀 밀봉부, 가스 기밀 밀봉부, 또는 둘 다를 형성하는데 특히 유용할 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 돌출부, 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 통합된 에지 밀봉부는 전기화학 전지의 주변의 일부 또는 전부에 대해 형성될 수 있다. 통합된 에지 밀봉부는 전기화학 전지에 대한 모든 주변 에지 주위에 형성될 수 있다. 주변 에지는 전기화학 전지를 형성하는 인접한 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 또는 둘 다에 의해 형성된 조인트 및/또는 이음새일 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 전해질에 노출되기에 적합한 임의의 재료로 구성될 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 기판, 프레임, 융기된 에지, 돌출부, 세퍼레이터 등, 또는 이들의 조합에 적합한 동일한 재료에 의해 형성될 수 있다.
통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 다른 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 또는 둘 모두 내에 하나 이상의 배터리 플레이트를 적층할 때 형성될 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는, 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 이 둘의 하나 이상의 다른 돌출부, 프레임, 융기된 에지, 외부 표면, 및/또는 이와 유사한 것과 짝을 이루거나, 결합하거나 및/또는 접합함으로써 형성될 수 있다. 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 다른 돌출부, 외부 표면, 프레임, 융기된 에지, 기판, 또는 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 또는 둘 모두의 임의의 다른 부분과 접합하기에 적합한 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다. 접합에는 별도의 접착제, 용융-접합 또는 둘 다를 사용하는 것이 포함될 수 있다. 접합은 임의의 용접 방법에 의해 수행될 수 있다. 용접은 열 용접, 용매 용접 등 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다. 용접은 가열된 플래튼, 마찰 또는 진동에 의해 생성된 열, 초음파, 무선 주파수, 유도 루프 와이어, 용매 등, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 열은 플래튼, 고온 가스, 고온 액체, 적외선, 레이저, 마찰, 진동, 초음파 유도 와이어 루프, 무선 주파수 등, 또는 이들의 임의의 조합을 통해 제공될 수 있다. 예를 들어, 배터리 플레이트를 형성하는 것은 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 복수의 배터리 플레이트의 외부 주변에 대해 용접하는 것을 포함할 수 있다. 용접 시에, 통합된 에지 밀봉부는 인접한 배터리 플레이트에 접합되는 하나 이상의 돌출부에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부에는 배터리 플레이트와 별도의 재료가 없을 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부는 용접 또는 그 밖의 다른 접합 시에 하나 이상의 돌출부에 의해 형성될 수 있고 임의의 다른 밀봉부 또는 밀봉재 재료가 없을 수 있다. 용접 또는 다른 접합 방법은 하나 이상의 전기화학 전지의 주변 주위에 연속적으로 통합된 밀봉을 제공할 수 있다. 용접 또는 다른 접합 방법은 하나 이상의 전기화학 전지의 주변 주위에 기계적으로 강력한 밀봉을 제공할 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 세퍼레이터를 포함하거나 포함하지 않을 수도 있다. 하나 이상의 세퍼레이터는 전기화학 전지를 구획하고(즉, 전기화학 전지의 캐소드를 전기화학 전지의 애노드로부터 분리하고); 덴드라이트 형성으로 인한 전지의 단락을 방지하며; 액체 전해질, 이온, 전자 또는 이들 요소의 임의의 조합이 통과하게끔 허용하도록 기능할 수 있거나 또는 이들의 임의의 조합 기능을 할 수 있다. 인용된 기능들 중 하나 이상을 수행하는 임의의 공지된 배터리 세퍼레이터가 본 교시의 배터리 조립체에서 사용될 수 있다. 하나 이상의 세퍼레이터가 전기화학 전지의 애노드와 캐소드 사이에 위치할 수 있다. 하나 이상의 세퍼레이터는 바이폴라 플레이트들 사이 또는 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 사이를 포함할 수 있는 한 쌍의 인접한 배터리 플레이트 사이에 위치할 수 있다. 세퍼레이터는 비-전도성 재료, 가령, 다공성 폴리머 필름, 유리 매트, 다공성 고무, 이온 전도성 젤 또는 천연 재료, 가령, 목재 등으로부터 준비될 수 있다. 세퍼레이터는 전해질, 이온, 전자 또는 이들의 조합이 세퍼레이터를 통과하도록 세퍼레이터를 통한 공극 또는 구불구불한 경로를 포함할 수 있다. 세퍼레이터로 유용한 예시적인 재료 중에는 흡수성 유리 매트(AGM) 및 다공성 초고분자량 폴리올레핀 멤브레인 등이 있다. 세퍼레이터는 그들의 주변 및/또는 내부 주위에서 하나 이상의 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 다른 세퍼레이터, 또는 이들의 임의의 조합에 부착될 수 있다. 세퍼레이터는 이를 통해 하나 이상의 포스트를 수용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 단부 플레이트, 하나 이상의 배터리 플레이트, 및/또는 하나 이상의 세퍼레이터의 스택을 통해 연장되는 하나 이상의 포스트는 복수의 배터리 플레이트 및 하나 이상의 세퍼레이터의 스택을 함께 보유할 수 있다. 세퍼레이터는 인접한 캐소드 및 애노드의 면적보다 더 큰 횡단면 또는 표면적을 가질 수 있다. 더 큰 면적은 동일한 전기화학 전지의 캐소드로부터 애노드의 분리를 허용할 수 있다. 세퍼레이터는 전지의 애노드 부분으로부터 전지의 캐소드 부분을 완전히 분리할 수 있다. 세퍼레이터의 에지는 인접한 배터리 플레이트의 주변 에지와 접촉할 수 있다. 세퍼레이터의 에지는 배터리 플레이트의 하나 이상의 프레임, 돌출부 또는 둘 모두에 접촉하거나 및/또는 인접하게 위치될 수 있다. 세퍼레이터, 배터리 플레이트, 또는 둘 모두의 에지는 그 위에 배치된 애노드 또는 캐소드를 갖지 않을 수 있으며, 전지의 캐소드 부분으로부터 전지의 애노드 부분을 완전히 분리할 수 있다. 전달 쉬트에 활성 재료를 제공한 다음, 기판에 전달 쉬트를 제공하면, 배터리 플레이트 및 세퍼레이터의 에지에 활성 재료가 없도록 하는 데 특히 유리할 수 있다. 전기화학 전지 내에서 하나 이상의 전달 쉬트의 사용은, 원하는 경우에, 전기화학 전지에 세퍼레이터가 없는 것을 허용할 수 있다.
하나 이상의 세퍼레이터는 하나 이상의 프레임을 포함하거나 없을 수 있다. 프레임은 인접한 배터리 플레이트의 에지 또는 프레임과 일치하도록 기능하고 배터리 외부 및 전기화학 전지들 사이에 밀봉부를 형성할 수 있다. 프레임은 세퍼레이터에 부착되거나 세퍼레이터와 통합될 수 있다. 프레임은 세퍼레이터를 프레임에 접합하고 전해질 용액에 대한 노출을 견딜 수 있는 임의의 수단을 사용하여 세퍼레이터를 형성하는 쉬트의 주변에 대해 세퍼레이터에 부착될 수 있다. 예를 들어, 프레임은 프레임을 접착 접합, 용융 접합 또는 성형함으로써 세퍼레이터의 주변 주위에 부착될 수 있다. 프레임은 임의의 공지된 성형 기술, 예를 들어, 열성형, 사출 성형, 로토 성형, 블로우 성형, 압축 성형 등에 의해 제자리에 성형될 수 있다. 프레임은 사출 성형에 의해 세퍼레이터 쉬트 주위에 형성될 수 있다. 프레임은 배터리 플레이트를 위한 기판의 주변 주위에 배치된 융기된 에지와 일치하도록 구성된 융기된 에지를 포함할 수 있다. 세퍼레이터의 프레임 및 배터리 플레이트 기판 중 하나 또는 둘 모두의 융기된 에지는 배터리 스택에 대한 공통 에지를 형성하고 배터리 외부 및 전기화학 전지들 사이의 밀봉을 향상시키기 위해 일치될 수 있다. 전기화학 전지로부터 방출된 가스 및 전해질의 누출을 방지하기 위해 하나 이상의 세퍼레이터 및 복수의 배터리 플레이트의 에지 주위를 밀봉하고, 단락을 방지하기 위해 전기화학 전지를 분리하기 위하여, 물품은 공동 소유된 미국 특허 공개 번호 2010/0183920, 2014/0349147, 2015/0140376, 및 2016/0197373에 개시된 것과 같은 내측 또는 외골격 밀봉 시스템을 사용하여 밀봉될 수 있는데, 이들은 본 명세서에서 전체적으로 참조문헌으로 통합된다. 하나 이상의 프레임이 없어짐으로써, 하나 이상의 세퍼레이터는 배터리 플레이트의 내부에 배치될 수 있다. 내부는 배터리 플레이트의 프레임, 하나 이상의 돌출부 또는 둘 다에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 프레임이 없어짐으로써, 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트의 외부 표면과 더 잘 중첩될 수 있고, 통합된 밀봉부가 더 쉽게 형성될 수 있으며, 통합된 밀봉부가 인접한 배터리 플레이트의 더 큰 표면적을 가로질러 연장될 수 있고, 더 강한 밀봉부를 제공하거나 또는 이들의 조합일 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 인서트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 복수의 인서트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 다른 인서트와 연동하고, 스택을 통과하는 하나 이상의 채널의 일부를 형성하며, 하나 이상의 채널을 따라 누출 방지 밀봉부를 형성하고, 하나 이상의 밸브와 협력하도록 기능하거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 단부 플레이트의 일부, 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 인서트에는 활성 재료가 없거나, 전달 쉬트가 없거나 또는 둘 다 없을 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트, 단부 플레이트, 세퍼레이터, 또는 이들의 조합의 하나 이상의 인서트와 연동하기 위한 임의의 크기 및/또는 형상을 가질 수 있으며; 채널의 일부를 형성하고, 하나 이상의 채널을 따라 누출 방지 밀봉부를 형성하고, 하나 이상의 밸브와 협력하거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 인서트는 단부 플레이트, 배터리 플레이트의 기판, 세퍼레이터, 또는 이들의 조합에 형성되거나 부착될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 단부 플레이트, 또는 이들의 조합의 주변에 위치될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 기판, 세퍼레이터, 단부 플레이트 또는 이들의 조합의 표면으로부터 돌출되어 하나 이상의 융기된 인서트를 형성할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트의 기판, 세퍼레이터의 중앙 부분, 또는 둘 다로부터 돌출될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 기판, 세퍼레이터, 단부 플레이트 또는 이들의 조합의 표면으로부터 실질적으로 직각으로 또는 비스듬하게 돌출할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 단부 플레이트 또는 이들의 조합의 일부에 부착되거나 일체로 구성될 수 있다. 표면으로부터 돌출하고 표면과 일체로 구성되는 인서트는 보스로 정의될 수 있다. 인서트가 그로부터 돌출하는 대향 표면은 보스의 형성을 허용하도록 상호 만입부를 가질 수 있다. 상호 만입부는 내부에 또 다른 인서트를 수용할 수 있으며 채널을 형성할 수 있다. 하나 이상의 인서트는 이를 관통하는 하나 이상의 개구를 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트는 동심일 수 있고 하나 이상의 개구 주위에 형성될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 개구의 길이를 연장할 수 있다. 밀봉 표면은 하나 이상의 인서트의 내부 및 하나 이상의 개구의 외경 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판, 단부 플레이트, 및/또는 세퍼레이터의 표면이 인서트와 개구 사이에 위치된 배터리 조립체의 종축에 실질적으로 수직일 수 있고 밀봉 표면일 수 있다. 하나 이상의 인서트는 인접한 배터리 플레이트, 세퍼레이터 및/또는 단부 플레이트의 하나 이상의 인서트와 연동되며 채널 주위에 누출 방지 밀봉부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 배터리 플레이트는 세퍼레이터, 배터리 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 보스, 인서트, 슬리브 또는 부싱을 위해 인서트의 대향 표면에서 일치하는 만입부를 포함하도록 기계가공 되거나 형성될 수 있다. 하나 이상의 인서트는 하나 이상의 활성 재료, 전달 쉬트, 또는 둘 모두의 하나 이상의 비평면 구조를 통과할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 인서트는 인접한 인서트와의 연동을 허용하기 위해 전달 쉬트 및 활성 재료의 개구(예를 들어, 보이드)를 통과할 수 있다. 하나 이상의 적합한 인서트는 미국 특허 번호 8,357,469; 9,553,329; 및 미국 특허 출원 공개 번호 2017/0077545에 기술된 인서트일 수 있는데; 상기 모든 특허출원들은 전체적으로 본 명세서에서 참조문한으로 통합된다. 하나 이상의 인서트에는 하나 이상의 환기구가 포함될 수 있다. 하나 이상의 세퍼레이터의 하나 이상의 인서트에는 하나 이상의 환기구가 포함될 수 있다. 하나 이상의 환기구는 하나 이상의 전기화학 전지로부터 하나 이상의 채널로 선택된 유체의 소통을 허용할 수 있다. 각각의 전기화학 전지는 독립적으로 전기화학적으로 형성될 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구는 복수의 개구를 포함할 수 있다. 개구는 하나 이상의 채널을 형성하고; 하나 이상의 밀봉부를 수용하며; 하나 이상의 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 이들의 조합을 서로 부착하도록 기능할 수 있거나; 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 하나 이상의 개구는 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 활성 재료, 전달 쉬트, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상에 형성될 수 있다. 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 활성 재료, 전달 쉬트 또는 이들의 조합의 하나 이상의 개구는 하나 이상의 다른 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 세퍼레이터, 활성 재료, 전달 쉬트, 또는 이들의 임의의 조합의 하나 이상의 개구와 정렬될 수 있다(즉, 실질적으로 동심 구성될 수 있다). 하나 이상의 개구는 배터리 조립체의 길이를 가로질러 횡단 방향으로 정렬될 수 있다. 횡단 방향은 물품의 종축에 실질적으로 평행할 수 있다. 횡단 방향은 캐소드 및/또는 애노드가 증착될 수 있는 기판의 대향 표면에 실질적으로 수직일 수 있다. 개구는 기계가공(예를 들어, 밀링)되거나, 기판의 제조 동안 형성되거나(예를 들어, 몰딩 또는 성형 공정에 의해), 그 외의 경우 제조될 수 있다. 페이스트의 개구는 과거 제공 공정에서 형성될 수 있다. 개구는 직선 및/또는 매끄러운 내부 벽 또는 표면을 가질 수 있다. 기판에 형성된 개구의 크기와 빈도는 배터리의 저항에 영향을 줄 수 있다. 하나 이상의 개구는 이를 통해 포스트를 수용할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 활성 재료 및/또는 전달 쉬트의 하나 이상의 개구는 그를 토해 포스트, 인서트 또는 둘 다를 수용할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 개구는 약 0.2mm 이상, 약 1mm 이상, 약 2mm 이상, 또는 심지어 약 5mm 이상의 직경을 가질 수 있다. 개구는 약 30mm 이하, 약 25mm 이하, 또는 심지어 약 20mm 이하의 직경을 가질 수 있다. 전달 쉬트 및/또는 활성 재료(예를 들어, 페이스트)의 하나 이상의 개구는 세퍼레이터, 기판, 배터리 플레이트, 단부 플레이트, 또는 이들의 조합의 개구 및/또는 인서트의 직경보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 배터리 플레이트 및/또는 기판의 하나 이상의 개구는 동일한 배터리 플레이트 및/또는 기판의 하나 이상의 다른 개구보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 개구는 또 다른 개구보다 약 1.5배 이상, 약 2배 이상, 또는 심지어 약 2.5배 이상 더 클 수 있다. 개구는 또 다른 개구보다 약 4배 이하, 약 3.5배 이하, 또는 심지어 약 3배 이하일 수 있다. 개구는 cm2 당 약 0.02 이상의 개구 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 개구는 cm2 당 약 4 미만의 개구 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 개구는 cm2 당 약 2.0 내지 cm2 당 약 2.8의 개구 밀도를 갖도록 형성될 수 있다.
하나 이상의 개구는 전기 전도성 재료, 예를 들어, 금속-함유 재료로 채워질 수 있다. 전기 전도성 재료는 배터리 조립체의 작동 온도에서 상변태 온도보다 낮은 기판의 열 열화 온도보다 낮은 온도에서 상변태를 겪는 재료일 수 있으며, 유전체 기판은 기판의 제1 표면과 제2 표면 사이의 재료 혼합물에 의해 전도성 경로를 갖는다. 또한, 상변태 온도보다 높은 온도에서, 전기 전도성 재료 혼합물은 전기 전도성 경로에 의해 전기 전도성을 비활성화하는 상변태를 겪는다. 예를 들어, 전기 전도성 재료는 납땜 재료, 예를 들어, 납, 주석, 니켈, 아연, 리튬, 안티몬, 구리, 비스무트, 인듐, 또는 은 중 적어도 하나 또는 임의의 2개 이상의 혼합물 이거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 전기 전도성 재료는 납이 실질적으로 없을 수 있거나(즉, 최대 미량의 납을 함유하거나) 또는 기능적으로 작동하는 양의 납을 포함할 수 있다. 재료는 납과 주석의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는 대부분 주석과 소량의 납을 포함할 수 있다(예를 들어, 약 55 내지 약 65 중량 부분의 주석 및 약 35 내지 약 45 중량 부분의 납을 포함할 수 있다). 재료는 약 240℃이하, 약 230℃이하, 약 220℃이하, 210℃이하 또는 심지어 약 200℃이하(예를 들어, 약 180 내지 약 190℃범위)인 용융 온도를 가질 수 있다. 재료는 공융 혼합물을 포함할 수 있다. 개구를 채우기 위한 전기 전도성 재료로 땜납을 사용하는 특징은, 사용되는 땜납의 유형에 따라, 지속적인 배터리 작동에 안전하지 않을 수 있는 온도에서 녹도록 조정할 수 있는 정의된 용융 온도를 땜납이 갖는다는 것이다. 땜납이 녹으면, 녹은 땜납을 포함하는 기판 개구가 더 이상 전기 전도성이 아니며 배터리 플레이트 내에서 개방 회로가 발생한다. 개방 회로는 바이폴라 배터리 내의 저항을 현저하게 증가시키도록 작동하여, 추가 전기 흐름을 중지하고 배터리 내의 불안전한 반응을 중단할 수 있다. 따라서, 개구를 채우도록 선택된 전기 전도성 재료의 유형은 배터리 내에 그러한 내부 중단 메커니즘을 포함하는 것이 바람직한지 여부, 그리고, 만약 그렇다면, 어떤 온도에서 그러한 내부 중단 작업을 수행하는 것이 바람직한지에 따라 달라질 수 있다. 기판은 작동 조건이 미리 결정된 조건을 초과하는 경우 기판을 통한 전기 전도도를 방해함으로써 배터리의 작동을 비활성화하는 기능을 하도록 구성된다. 예를 들어, 유전체 기판의 구멍을 채우는 전기 전도성 재료는 상변태(예를 들어, 용융)을 겪을 것이며 기판 전체의 전기 전도도가 방해된다. 이러한 방해의 정도는 기판을 통해 전기를 전도하는 기능을 부분적으로 또는 심지어 완전히 비활성화할 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 환기, 충전 및/또는 냉각 채널로 기능할 수 있으며; 하나 이상의 포스트를 수용하고; 배터리 조립체의 내부 전체에 하나 이상의 포스트를 분배하며; 액체 전해질이 유입되어 하나 이상의 포스트 또는 기타 구성 요소 또는 이들의 임의의 조합과 접촉하는 것을 방지하는 기능을 할 수 이다. 하나 이상의 채널은 정렬된 하나 이상의 단부 플레이트, 배터리 플레이트 및/또는 세퍼레이터의 하나 이상의 개구에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널은 활성 재료, 전달 쉬트 또는 둘 모두의 하나 이상의 개구를 통해 연장될 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 통합된 채널로 지칭할 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 전기화학 전지를 통과할 수 있다. 하나 이상의 채널은 액체 전해질을 통과할 수 있다. 채널은, 작동 중에 방출된 전해질과 가스가 채널에 들어가는 것을 방지하기 위해 밀봉될 수 있다. 이 목적을 달성하는 모든 밀봉 방법이 사용될 수 있다. 하나 이상의 밀봉부, 가령, 하나 이상의 단부 플레이트, 배터리 플레이트 및 세퍼레이터의 인서트는 액체 전해질이 하나 이상의 채널로 누출되는 것을 방지하기 위해 하나 이상의 채널과 연동되고 둘러쌀 수 있다. 하나 이상의 채널은 배터리 조립체를 횡단 방향으로 통과하여 하나 이상의 횡단 채널을 형성할 수 있다. 채널의 크기와 형태는 채널이 하나 이상의 포스트를 수용할 수 있는 임의의 크기나 형태가 될 수 있다. 채널의 형태는 원형, 타원형 또는 다각형, 가령, 정사각형, 직사각형, 육각형 등일 수 있다. 하나 이상의 포스트를 수용하는 채널의 크기는 사용되는 포스트를 수용하도록 선택된다. 채널의 직경은 하나 이상의 채널을 형성하도록 정렬되는 개구의 직경과 동일할 수 있다. 하나 이상의 채널은 배열된 구성요소 내의 일련의 개구를 포함하며 포스트가 형성된 채널에 배치되고, 유체가 냉각 및/또는 환기 및 충전을 위해 채널을 통해 전달될 수 있다. 채널의 개수는 단부 플레이트와 단부 플레이트의 에지, 배터리 플레이트 및 세퍼레이터를 지지하여 작동 중에 발생하는 전해질과 가스의 누출을 방지하고 작동 중에 발생하는 압축력이 개별 전기화학 전지를 위한 밀봉부 및 구성요소를 손상시키는 것을 방지하도록 선택된다. 작동 중에 발생하는 압축력을 분산시키기 위해 복수의 채널이 존재할 수 있다. 채널의 개수와 디자인은 밀봉부의 피로 강도를 초과하는 에지 응력을 최소화하기에 충분하다. 다수의 채널의 위치는 작동 중에 생성된 압축력을 분산시키도록 선택된다. 채널은 응력을 더 잘 처리하기 위해 스택 전체에 균일하게 분산될 수 있다. 복수의 채널은 약 2mm 이상, 약 4mm 이상, 또는 약 6mm 이상의 횡단면 크기를 가질 수 있다. 채널의 횡단면 크기의 상한은 실용성이다. 크기가 너무 크면 조립체의 효율성이 떨어진다. 채널의 횡단면 크기는 약 30mm 이하, 약 25mm 이하, 또는 심지어 약 20mm 이하일 수 있다. 활성 재료의 비평면 표면은 채널의 횡단면 크기가 더 큰 동안 보상 또는 개선된 효율성을 허용할 수 있다. 예를 들어, 주름진 형태의 활성 재료는 증가된 표면적을 가능하게 하여 배터리 조립체의 개선된 효율을 허용할 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 채널과 하나 이상의 포스트 사이에 밀봉부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 밀봉부는 채널, 채널 외부 및/또는 포스트 주변에 위치할 수 있다. 밀봉부는 작동 중에 방출된 전해질 및 가스가 전기화학 전지로부터 누출되는 것을 방지하는 임의의 재료 또는 형태를 포함할 수 있다. 밀봉부는 멤브레인, 슬리브 또는 채널에 삽입되거나, 혹은 단부 플레이트, 배터리 플레이트 및/또는 세퍼레이터의 일치하는 일련의 인서트일 수 있다. 멤브레인은 엘라스토머일 수 있다. 채널은 일련의 슬리브, 부싱, 인서트 및/또는 보스로 형성될 수 있으며 플레이트 및/또는 세퍼레이터에 삽입되거나 통합될 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 압축 가능하거나 서로 연동될 수 있어서 채널을 따라 누출 방지 밀봉부를 형성할 수 있다. 인서트 및/또는 보스는, 가령, 배터리 플레이트 및/또는 세퍼레이터를 제자리에 성형함으로써 이들이 제자리에 형성될 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 사출 성형에 의해 제자리에 성형될 수 있다. 밀봉부는 전해질에 대한 노출, 전기화학 전지의 작동 조건 및 포스트를 삽입하거나 채널에 포스트가 가하는 힘을 견딜 수 있는 모든 재료로 준비할 수 있다. 포스트 및 기판에 유용한 것으로 기술된 바람직한 재료는 폴리머 재료이다. 밀봉부는 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 사이에 배치된 슬리브, 인서트 또는 부싱으로 형성될 수 있다. 슬리브 또는 인서트는 상대적으로 견고할 수 있으며 부싱은 일반적으로 엘라스토머이다. 인서트, 보스, 슬리브 및/또는 부싱은 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 및/또는 세퍼레이터의 만입부에 꼭 맞도록 구성되거나 하나 이상의 채널을 생성하는 플레이트의 개구에 삽입되는 단부를 가질 수 있다. 듀얼 폴라, 바이폴라 플레이트 및 모노폴라 플레이트는 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱에 일치하는 만입부를 포함하도록 형성되거나 기계가공될 수 있다. 보스, 인서트, 슬리브 또는 부싱이 있는 플레이트 스택의 조립은 채널을 효율적으로 밀봉하기 위해 억지-끼워맞춤을 생성할 수 있다. 대안으로, 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 플레이트에 용융-접합되거나 접착 접합되어 접합부에서 밀봉부를 형성할 수 있다. 대안으로, 보스, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 채널을 밀봉하는 기능을 하는 코팅으로 내부를 코팅할 수 있다. 위에서 언급했듯이, 포스트는 채널을 밀봉하는 기능을 할 수 있다. 이러한 밀봉 해결책의 조합은 단일 채널 또는 상이한 채널에서 활용될 수 있는 것을 고려할 수 있다. 듀얼 폴라, 모노폴라 플레이트 및 바이폴라 플레이트를 포함하는 플레이트 스택의 구성요소는 바람직하게는 동일한 형상 및 공통 에지를 갖는다. 이것은 에지의 밀봉을 용이하게 한다. 세퍼레이터가 있는 경우, 일반적으로 횡단 채널의 형성 또는 생성을 수용하기 위해 배터리 플레이트와 유사한 구조를 갖는다. 밀봉부는 볼트와 횡단 채널 사이에 주입된 에폭시, 폴리우레탄 또는 아크릴 폴리머와 같은 열경화성 폴리머일 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 하나 이상의 세퍼레이터의 개구와 일체로 구성되거나 및/또는 개구에 접합된 인서트, 보스, 슬리브 및/또는 부싱에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널에 있는 하나 이상의 포스트는 인서트, 구멍, 보스, 슬리브 및/또는 부싱을 제자리에 유지하여 밀봉된 통로를 형성하기에 충분한 압력을 가할 수 있다. 하나 이상의 채널은 하나 이상의 배터리 플레이트 및 하나 이상의 세퍼레이터에 접합 및/또는 통합된 인서트 및/또는 보스로 형성될 수 있다. 하나 이상의 포스트는 열가소성 폴리머의 융합에 의해 또는 접착 접합에 의해 또는 둘 다에 의해 배터리의 하나 이상의 인서트, 보스 및/또는 기판에 접합될 수 있다. 인서트 및/또는 보스는 억지-끼워맞춤에 의해 하나 이상의 배터리 플레이트 및/또는 세퍼레이터를 삽입하거나 접착제에 의해 제자리에 접합될 수 있다. 하나 이상의 세퍼레이터의 인서트 및/또는 보스는 하나 이상의 전기화학 전지와 하나 이상의 채널 사이의 연통을 허용할 수 있는 하나 이상의 환기구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 환기구는 하나 이상의 전기화학 전지로부터 하나 이상의 채널로 가스를 전달할 수 있고 하나 이상의 전기화학 전지로부터 하나 이상의 채널로 하나 이상의 액체(즉, 전해질)가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
배터리 조립체는 멤브레인을 포함할 수 있다. 멤브레인은 하나 이상의 단부 플레이트, 복수의 배터리 플레이트, 하나 이상의 세퍼레이터, 하나 이상의 전달 쉬트, 하나 이상의 채널, 또는 이들의 임의의 조합의 에지 주위를 밀봉하는 기능을 할 수 있다. 멤브레인은 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 및 세퍼레이터의 에지를 밀봉하고 하나 이상의 전기화학 전지를 분리하는 임의의 수단에 의해 하나 이상의 단부 플레이트, 복수의 배터리 플레이트, 및/또는 하나 이상의 세퍼레이터의 에지에 접합될 수 있다. 예시적인 접합 방법은 접착 접합, 용융-접합, 진동 용접, RF 용접, 및 마이크로파 용접을 포함한다. 멤브레인은 단부 플레이트, 모노폴라 플레이트 및 바이폴라 플레이트의 에지를 밀봉할 수 있고 전해질에 대한 노출 및 배터리가 내부 및 외부적으로 노출되는 조건을 견딜 수 있는 폴리머 재료 쉬트일 수 있다. 배터리 플레이트의 기판에 유용한 동일한 재료가 멤브레인에 사용될 수 있다. 멤브레인은 용융 접합, 진동 용접 또는 모노폴라 및 바이폴라 플레이트의 기판에 대해 성형될 수 있는 열가소성 폴리머일 수 있다. 모노폴라 및 바이폴라 기판과 멤브레인에 동일한 열가소성 폴리머가 사용될 수 있다. 예시적인 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS 및 폴리에스테르이며, ABS가 가장 바람직하다. 멤브레인은 이들이 접합되는 스택 측면의 크기일 수 있다. 멤브레인은 스택의 각각의 측면에 접합될 수 있다. 인접한 멤브레인의 에지는 밀봉될 수 있다. 에지는 접착제, 용융 접합 또는 성형 공정을 사용하여 밀봉할 수 있다. 멤브레인은 스택의 전체 주변 주위를 감싸는 단일 일체형 쉬트를 포함할 수 있다. 멤브레인은 리딩 에지와 트레일링 에지를 가질 수 있다. 리딩 에지는 스택과 접촉하는 제1 에지일 수 있다. 트레일링 에지는 스택에 제공된 멤브레인의 단부 또는 마지막 부분일 수 있다. 리딩 에지 및 트레이닝 에지는 스택에 접합되거나, 서로 접합되거나, 또는 둘 다에 접합되어 스택에 대한 멤브레인의 밀봉을 완료할 수 있다. 이는 접착제의 사용, 용융 접합 또는 성형 공정에 의해 수행될 수 있다. 용융 접합에서, 멤브레인의 표면 및/또는 스택의 에지는 하나 또는 둘 다의 표면이 용융되고, 그 후에 표면이 용융되는 동안 멤브레인과 스택의 에지가 접촉하는 상태에 노출된다. 스택의 멤브레인과 에지는 표면이 얼면서 결합하여, 구성요소를 함께 밀봉할 수 있는 결합부를 형성한다. 멤브레인은 멤브레인 재료의 연속 쉬트로부터 취하여 원하는 길이로 절단할 수 있다. 멤브레인의 폭은 모노폴라 및 바이폴라 플레이트의 스택의 높이와 일치할 수 있다. 멤브레인은 전지를 분리하기 위해 모노폴라 및 바이폴라 쉬트의 스택의 에지를 밀봉하기에 충분한 두께를 갖는다. 멤브레인은 스택의 에지를 둘러싸는 보호 케이스로서의 기능도 할 수 있다. 멤브레인은 약 1mm 이상, 약 1.6mm 이상 또는 약 2mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 멤브레인은 약 5mm 이하, 4mm 이하 또는 약 2.5mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 멤브레인이 스택의 에지에 접합될 때, 전지의 작동 조건 및 전해질에 대한 노출을 견딜 수 있는 임의의 접착제를 사용할 수 있다. 예시적인 접착제는 플라스틱 시멘트, 에폭시, 시아노아크릴레이트 접착제 또는 아크릴레이트 수지이다. 대안으로, 멤브레인은 배터리 플레이트의 스택의 일부 또는 전부에 대해 열가소성 또는 열경화성 재료를 성형함으로써 형성될 수 있다. 열 성형, 반응 사출 성형, 사출 성형, 로토 성형, 블로우 성형, 압축 성형 등을 포함하는 임의의 공지된 성형 방법이 사용될 수 있다. 멤브레인은 배터리 플레이트 스택의 일부 또는 전체 주위에 멤브레인을 사출 성형함으로써 형성될 수 있다. 멤브레인이 플레이트의 스택의 일부 주위에 형성되는 경우, 배터리 플레이트의 에지 또는 배터리 플레이트 및 세퍼레이터 주위에 형성될 수 있다. 배터리 조립체에는 멤브레인이 없을 수 있다. 하나 이상의 통합된 밀봉부는 멤브레인의 필요성을 피하면서 멤브레인으로서 기능할 수 있다. 배터리 조립체를 형성하는 방법은 배터리 플레이트의 스택, 배터리 조립체, 또는 둘 모두를 멤브레인 내에 배치하지 않을 수도 있다.
밀봉된 배터리 조립체가 형성된 배터리를 보호하기 위해 케이스 내에 배치될 수 있다. 대안으로, 스택의 단부에서 모노폴라 플레이트 위의 보호 덮개와 함께 멤브레인을 배터리 케이스로서 사용할 수 있다. 모노폴라 플레이트는 애노드 또는 캐소드의 대향 표면에 부착되거나 접합된 적절한 보호 커버를 가질 수 있다. 커버는 멤브레인과 동일한 재료이거나 멤브레인에 접착 접합 또는 용융 접합될 수 있고 멤브레인에 대해 언급된 범위 내의 두께를 가질 수 있는 재료일 수 있다. 플레이트의 단부에 부착된 경우, 커버는 중첩 부분이 있는 포스트를 포함하여 모든 기계적 부착물로 부착될 수 있다. 케이스는 모노폴라 플레이트의 맞은편 및/또는 배터리 플레이트의 스택 주위에 멤브레인을 성형하여 형성할 수 있다. 배터리 조립체에는 케이스가 없을 수 있다. 케이스의 필요성을 피하면서, 하나 이상의 통합된 밀봉부가 케이스로 기능할 수 있다. 배터리 조립체를 형성하는 방법은 배터리 플레이트의 스택, 배터리 조립체, 또는 둘 모두를 케이스 내에 배치하지 않아도 된다.
배터리 조립체는 하나 이상의 포스트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 포스트는, 스택의 구성요소의 에지들 사이의 밀봉이 파손되거나 구성요소의 손상을 방지하고, 세퍼레이터 재료에 걸쳐 균일한 압축을 보장하며, 세퍼레이터 재료의 균일한 두께를 보장하도록, 구성요소의 스택을 함께 유지하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 포스트는 각각의 단부 플레이트의 밀봉 표면과 같은 대향하는 단부 플레이트의 외부 표면과 결합하는 중첩 부분을 각각의 단부 상에 가질 수 있다. 중첩 부분은, 스택의 구성 요소의 에지들 사이의 밀봉이 파손되거나 구성요소의 손상을 방지하고 배터리 작동 동안 스택의 팽창 또는 기타 변위를 방지하도록, 대향하는 단부 플레이트의 표면 외부에 압력을 가하는 기능을 할 수 있다. 중첩 부분은 단부 플레이트의 밀봉면과 접촉할 수 있다. 스택은 모노폴라 단부 플레이트 위에 별도의 구조적 또는 보호적 단부-피스를 가질 수 있으며 중첩 부분은 구조적 또는 보호적 단부-피스의 외부 표면과 접촉하게 된다. 중첩 부분은 포스트와 함께 스택의 구성요소의 에지들 사이의 밀봉 파손 또는 구성요소의 손상을 방지하는 임의의 구조일 수 있다. 예시적인 중첩 부분은 볼트 헤드, 너트, 성형 헤드, 브래드, 코터 핀, 샤프트 칼라 등을 포함한다. 포스트는 전체 스택을 통과할 수 있는 길이로 구성된다. 하나 이상의 포스트의 길이는 원하는 배터리 용량에 따라 달라질 수 있다. 포스트는 채널을 채우기 위해 횡단면 형태와 크기를 나타낼 수 있다. 포스트는 하나 이상의 채널의 횡단면 크기보다 큰 횡단면 크기를 가질 수 있으며 포스트는 하나 이상의 채널에 억지-끼워맞춤을 형성한다. 포스트의 개수는 기판의 단부 플레이트와 에지를 지지하도록 선택되어 작동 중에 발생하는 전해질과 가스의 누출을 방지하고 작동 중에 발생하는 압축력이 개별 전기화학 전지의 구성요소와 밀봉을 파손시키는 것을 방지하고 밀봉부의 피로 강도를 초과하는 에지-응력을 최소화한다. 작동 중에 발생하는 압축력을 분산시키기 위해 복수의 포스트가 존재할 수 있다. 하나 이상의 채널이 냉각 채널 또는 환기/채움 채널로서 사용되는 채널보다 포스트가 더 적을 수 있다. 예를 들어, 내부에 포스트가 있는 3개의 채널과 하나의 채널이 냉각, 환기 및/또는 충전 채널로 사용될 수 있는 4개의 채널이 있을 수 있다. 포스트는 필요한 기능을 수행하는 모든 재료를 포함할 수 있다. 포스트가 채널을 밀봉하는 데 사용되는 경우, 사용되는 재료는 전지의 작동 조건을 견디도록 선택되며 전해질에 노출될 때에는 부식되지 않고 전지의 작동 중에 생성되는 온도와 압력을 견딜 수 있다. 포스트가 밀봉 기능을 수행하는 경우, 포스트는 언급된 조건을 견딜 수 있는 폴리머 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 재료는 전지의 단락을 방지하기 위해 비-전도성이어야 한다. 포스트는 폴리머 재료, 가령, 열경화성 폴리머 또는 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 포스트는 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 열가소성 재료는 ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머), 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀, 복합 열가소성 수지, 폴리카보네이트 등을 포함한다. ABS가 가장 선호된다. 채널이 개별적으로 밀봉되는 경우, 포스트는 원하는 기능을 수행하기 위한 구조적 무결성을 갖는 모든 재료를 포함할 수 있다. 상기 언급된 폴리머 재료 중, 세라믹 및 금속이 사용될 수 있다. 적합한 금속은 강철, 황동 알루미늄, 구리 등일 수 있다. 포스트는 성형 포스트, 스레드형 포스트 또는 하나 이상의 단부 부착물을 갖는 포스트를 포함할 수 있다. 포스트는 스택의 일부, 예를 들어, 기판, 채널의 인서트 또는 보스 등에 접합될 수 있다. 결합부는 열가소성 재료와 같은 폴리머 재료의 접착 또는 융합으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 개구는 스레드형 표면을 가질 수 있다. 스레드가 있는 경우, 하나 이상의 포스트는 스레드형 개구와 결합되도록 스레드가 형성될 수 있다. 포스트는 한 단부에서는 헤드 또는 너트를 포함하고, 대향 단부에서는 너트, 브래드용 구멍, 코터 핀 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이것은 일반적으로 성형되지 않은 포스트의 경우이다. 포스트는 단축은 허용하지만 연장은 허용하지 않는 일방향 래칫 장치가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 포스트를 제자리에 놓고 스택이 압축되면 포스트가 짧아져 스택에 가해지는 압력이 유지된다. 이 실시예에서, 포스트는 집 타이와 같은 구조의 일부로서 포스트가 기능할 수 있도록 래칫을 용이하게 하는 리지를 가질 수 있다. 일치하는 너트 및/또는 와셔를 포스트와 함께 사용하여 제자리에 있을 때 인접한 플레이트를 압축할 수 있다. 너트 및/또는 와셔는 포스트 위로 한 방향으로 가고, 너트 및/또는 와셔가 포스트를 따라 다른 방향으로 움직이는 것을 방지하기 위해 리지가 존재할 수 있다. 사용 시에, 포스트의 구멍에는 언급된 기능을 수행하기 위해 적절한 브래드, 코터 핀 등이 있다. 포스트가 성형된 경우 별도로 또는 제자리에 성형할 수 있다. 제자리에서 성형된 경우, 용융 플라스틱을 제자리에 고정하기 위해 채널에 밀봉부가 있어야 할 수 있다. 밀봉부는 연동 인서트, 내부의 개별 밀봉부, 또는 둘 다에 의해 형성될 수 있다. 스레드 형태의 비-전도성 포스트를 사용할 수 있으며 필요한 밀봉부를 제공할 수 있다. 대안으로, 미리-성형된 비-전도성 폴리머 포스트는 채널을 밀봉하기 위해 채널에 억지-끼워맞춤을 형성하도록 설계될 수 있다. 포스트는 사출 성형과 같은 성형에 의해 제자리에 형성될 수 있다.
배터리 조립체는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 배터리 조립체의 내부로부터 진공을 끌어내고, 배터리 조립체를 전해질로 채우거나, 및/또는 작동 동안 배터리 조립체를 환기시키는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 압력 릴리스 밸브, 체크 밸브, 충전 밸브, 팝 밸브 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브는 단부 플레이트, 배터리 플레이트, 세퍼레이터 또는 이들의 임의의 조합의 하나 이상의 개구에 의해 형성된 하나 이상의 채널과 연결되거나 및/또는 연통될 수 있다. 하나 이상의 밸브는 채널, 가령, 내부를 통과하는 포스트가 있거나 또는 포스트가 없는 채널과 연통할 수 있다. 물품은 미국 특허 출원 공개 번호 2014/0349147에 기술된 바와 같이 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있으며, 상기 미국 특허는 전체적으로 참조문헌으로 본 명세서에 통합된다. 조립체는 전지가 위험한 내부 압력에 도달할 경우 압력을 릴리스 하기 위해 하나 이상의 전지에 대한 압력 릴리스 밸브를 포함할 수 있다. 압력 릴리스 밸브는 배터리가 사용되는 시스템을 손상시키는 치명적인 고장을 방지하도록 설계된다. 압력 릴리스 밸브가 해제되면, 배터리는 더 이상 작동하지 않는다. 개시된 조립체는 위험한 압력에 도달할 때 또는 도달하기 전에 전체 조립체로부터 압력을 릴리스 하는 단일 체크 밸브를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 적절한 밸브가 미국 특허 제8,357,469; 9,553,329; 9,685,677; 9,825,336; 및 미국 특허 출원 공개 번호: 2018/0053926에 기술되어 있으며; 이 모든 특허들은 전체적으로 참조문헌으로서 본 명세서에 포함된다.
물품은 하나 이상의 단자를 포함할 수 있다. 조립체는 하나 이상의 전도성 단자 쌍을 포함할 수 있으며, 각각의 쌍은 양의 및 음의 단자에 연결된다. 하나 이상의 단자는 전기화학 전지에서 생성된 전자를 전기의 형태로 생성된 전자를 사용하는 시스템으로 전달하는 기능을 할 수 있다. 단자는 각각의 배터리 스택을 실질적으로 전지에서 생성된 전기를 사용하는 시스템인 로드에 연결하도록 구성된다. 하나 이상의 단자는 하나 이상의 단부 플레이트, 하나 이상의 배터리 플레이트, 멤브레인 및/또는 케이스를 통과할 수 있다. 하나 이상의 단자는 단부 플레이트로부터 외부로 배터리 플레이트를 통과하거나 혹은 단부 플레이트의 평면에 실질적으로 평행한 조립체 주위로 케이스 또는 멤브레인의 측면을 통과할 수 있다. 단자는 모노폴라 플레이트, 듀얼 폴라 플레이트, 바이폴라 플레이트 또는 이들의 조합의 애노드 또는 캐소드의 극성과 일치한다. 단자는 조립체의 전도성 도관과 접촉한다. 모노폴라 플레이트의 캐소드 및 캐소드 집전체를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 캐소드는 개별 양의 단자에 연결될 수 있다. 모노폴라 플레이트의 애노드 및 애노드 집전체를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 애노드는 개별 음의 단자에 연결될 수 있다. 캐소드 집전체는 연결될 수 있으며, 애노드 집전체는 평행하게 연결될 수 있다. 개별 단자는 연결된 단일의 양의 단자 및 연결된 단일의 음의 단자만 노출된 채로 멤브레인에 덮일 수 있다. 일부 예시적인 적절한 단자 조립체가 미국 특허 제8,357,469; 9,553,329; 9,685,677; 9,825,336; 및 미국 특허 출원 공개 번호: 2018/0053926에 기술되어 있으며; 이 모든 특허들은 전체적으로 참조문헌으로서 본 명세서에 포함된다.
배터리 조립체는 하나 이상의 전도성 도관을 포함할 수 있다. 전도성 도관은 캐소드와 접촉하는 집전체로부터 하나 이상의 양의 단자로 전자를 전달하는 기능을 할 수 있다. 전형적인 바이폴라 배터리가 기판을 통해 전지에서 전지로 전자를 흐를 수 있다. 기판은 적어도 부분적으로 전도성 재료를 포함하거나 기판을 통한 전도성 경로를 포함한다. 전지를 포함하는 회로가 닫히면, 전자는 기판을 통해 전지로부터 양의 단자로 흐른다. 조립체는 기판 및 전지를 통해, 집전체를 통해 전류 전도체로 또는 둘 다로 전자를 흐를 수 있는 것으로 고려된다. 2개 이상의 스택을 갖는 본 명세서에 개시된 배터리에서, 각각의 스택은 전류 전도체 및/또는 음의 단자와 함께 애노드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 전도성 도관 및/또는 양의 단자와 함께 캐소드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 전도성 도관을 갖는다. 2개 이상의 스택으로부터의 전도성 도관은 병렬 또는 직렬로 배열될 수 있다. 병렬 회로는 서로 연결되지 않은 둘 이상의 회로를 포함한다. 직렬 회로는 전자가 회로를 통해 순차적으로 흐르도록 배열된 2개 이상의 회로를 포함한다. 전도성 도관이 직렬 구성으로 배열될 때, 배터리에는 하나의 음의 단자와 하나의 양의 단자만 있을 수 있다. 전도성 도관이 병렬 방식으로 배열될 때, 배터리는 각각의 회로가 음의 또는 양의 단자 각각과 연결되는 단일의 양의 및 음의 단자를 가질 수 있다. 대안으로, 각각의 회로는 별도의 음의 및 양의 단자를 가질 수 있다. 단자는 일반적으로 배터리에 저장된 전기를 사용하는 로드에 연결될 수 있다. 병렬 배열로 캐소드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 전류 전도체 및/또는 전류 도관 각각은 개별 양의 단자와 접촉될 수 있다. 병렬 배열로 애노드와 접촉하는 집전체와 접촉하는 전류 전도체 및/또는 전류 도관 각각은 별도의 음의 단자와 접촉될 수 있다.
예시적인 실시예
도 1A는 배터리 플레이트(10)를 예시한다. 배터리 플레이트(10)는 기판(11)을 포함한다. 기판(11)으로부터 복수의 돌출부(21)가 연장된다. 돌출부(21)는 기판(11)의 프레임(20)으로부터 연장된다. 돌출부(21)는 프레임(20)의 일부로서 일체로 형성된다. 돌출부(21)는 프레임(20)의 내향 표면(20a)(도시된 바와 같이) 및/또는 외향 표면(20b)으로부터 연장될 수 있다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 주변 주위에 돌출한다. 돌출부(21)는 프레임(20)으로부터 배터리 플레이트(10)의 핑거와 같이 연장된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 돌출부(21)는 기판(11)에 대해 각도 Θ에 있다. 이 예에서, 돌출부(21)는 기판(11)의 표면에 실질적으로 수직으로 연장된다.
도 2A는 배터리 플레이트(10)을 예시한다. 배터리 플레이트(10)는 기판(11)을 포함한다. 기판(11)으로부터 복수의 돌출부(21)가 연장된다. 돌출부(21)는 반대 방향으로 연장된다. 돌출부(21)는 기판(11)의 프레임(20)으로부터 연장된다. 돌출부(21)는 프레임(20)의 일부로서 일체로 형성된다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 주변 주위로 돌출한다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 핑거와 같이 연장된다. 도 2B에 도시된 바와 같이, 돌출부(21)는 기판(11)에 대해 각도 Θ에 있다. 이 예에서, 돌출부(21)는 기판(11)의 표면에 대해 둔각으로 연장되고 배터리 플레이트(10)의 내부로부터 멀어지는 각도로 연장된다.
도 3A-3D는 전기화학 전지(2) 주위에 위치된 상호-용융된 에지를 형성하도록 함께 용융되는 돌출부(21)를 갖는 배터리 플레이트(10)를 예시한다. 도 3A는 배터리 플레이트(10)의 주변 주위로 돌출된 돌출부(21)를 예시한다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 핑거와 같이 연장된다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 기판(11)과 일체로 구성된다. 도 3B는 어떻게 돌출부(21)가 서로 맞물려서 서로 얽히거나 연동되는지(예를 들어, 연동 핑거)를 예시한다. 도 3B는 또한 배터리 플레이트(10)의 주변에 열(22)을 가하는 것을 예시한다. 열(22)은 돌출부(21)가 함께 용융되도록 하여 상호-용융되고, 도 3C에 도시된 바와 같이, 배터리 플레이트(10)의 주변 주위에 일체형 에지 밀봉부(23)를 형성한다. 도 3D는 복수의 일체형 에지 밀봉부(23)를 갖는 배터리 플레이트(10)의 스택을 예시한다.
도 4A-4E는 맞물리고 함께 용융되어 전기화학 전지(2) 주위에 용융-접합된 주변 에지를 형성하는 돌출부(21)를 갖는 배터리 플레이트(10)를 예시한다. 도 4A는 배터리 플레이트(10)의 주변 주위로 돌출된 돌출부(21)를 예시한다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)로부터 치형부-형태로 연장된다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 기판(11)과 일체로 구성된다. 하나의 배터리 플레이트(10)의 돌출부(21)는 인접한 배터리 플레이트(10)의 돌출부(21)로부터 이격되어 배열된다. 돌출부(21)는 서로로부터 이격되어 배열되며, 도 4B에 도시된 바와 같이 배터리 플레이트(10)가 적층될 때에는 돌출부(21)는 서로 맞물린다. 도 4B는 또한 배터리 플레이트(10)의 주변에 열(22)이 가해지는 것을 예시한다. 열(22)은 돌출부(21)가 함께 용융되게 하며, 도 4C에 도시된 바와 같이, 돌출부들은 용융-접합되고 배터리 플레이트(10)의 주변 주위에 일체형 에지 밀봉부(23)가 형성된다. 도 4D는 이격되어 배열된 돌출부(21) 및 그 사이에서 전기화학 전지(2)를 형성하는 갭을 갖는 배터리 플레이트(10) 스택의 분해도를 예시한다. 도 4E는 일체형 에지 밀봉부(23)를 형성하기 위해 용융 접합되기 전에 함께 맞물리는 복수의 돌출부(21)를 갖는 배터리 플레이트(10)의 스택을 예시한다.
도 5A-5C는 일체형 에지 밀봉부(23)를 형성하기 위해 인접한 배터리 플레이트(10)와 중첩하는 돌출부(21)를 갖는 배터리 플레이트(10)를 예시한다. 도 5A는 배터리 플레이트(10)의 주변 주위로 돌출된 돌출부(21)를 예시한다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 주변에 대해 이격된 복수의 돌출부(21)(예를 들어, 도시된)일 수 있다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 주변 주위로 돌출된 단일 돌출부일 수 있다. 돌출부(21)는 배터리 플레이트(10)의 기판(11)과 일체로 구성된다. 가령, 도 3B에 도시된 바와 같이, 배터리 플레이트가 적층되면, 돌출부(21)는 인접한 배터리 플레이트(10)와 중첩된다. 돌출부(21)는 인접한 배터리 플레이트(10)의 외부 주변 표면과 중첩되고 접한다. 돌출부(21)는 인접한 배터리 플레이트(10)의 프레임(20)의 외부 주변 표면과 중첩되고 접할 수 있다. 도 3B는 또한 배터리 플레이트(10)의 주변에 열(22)을 가하는 것을 예시한다. 열(22)은 돌출부(21)가 인접한 배터리 플레이트(10)에 용융되고 접합되도록 한다. 돌출부(21)는 기판(11)의 외부 주변 표면에 용융되고 접합될 수 있다. 돌출부(21)는 프레임(20)의 외부 주변 표면에 용융되고 접합될 수 있다. 돌출부(21)는 인접한 배터리 플레이트(10)의 인접한 돌출부(21)에 용융되고 접합될 수 있다. 용융-접합 시에, 돌출부(21)는 통합된 에지 밀봉부(23)을 형성한다.
도 6 및 7은 배터리 조립체(1)를 형성하는 세퍼레이터(14) 및 배터리 플레이트(10)의 스택을 예시한다. 도 6은 스택의 부분 분해도를 도시하고, 도 7은 스택의 사시도를 예시한다. 볼트 및 너트(19) 형태의 포스트(17)를 위한 구멍(39)과 단자 구멍(42)을 갖는 단부 플레이트(25)가 도시된다. 융기된 에지를 갖는 프레임(20)을 포함하는 모노폴라 플레이트(43)인 배터리 플레이트(10)가 단부 플레이트(25)에 인접한다. 모노폴라 플레이트(43)는 홀에서 포스트(17) 및 횡단 채널(16)을 형성하는데 사용되는 홀(40)을 둘러싸는 융기된 인서트(41)를 갖는다. 세퍼레이터(14)가 모노폴라 플레이트(43)에 인접한다. 세퍼레이터(14)는 주변 주위에 프레임(34)을 갖는다. 세퍼레이터(14)는 프레임(34) 내의 중앙 부분을 포함하는 흡수성 유리 매트(36)를 포함한다. 횡단 채널(16)을 형성하기 위한 성형된 인서트 구멍(37)을 둘러싸는 성형된 인서트(35)가 도시된다. 바이폴라 플레이트(44)가 세퍼레이터(14)에 인접한다. 바이폴라 플레이트(44)는 주변 주위에 프레임(20)을 포함한다. 프레임(20)은 융기된 표면이다. 융기된 인서트(41)는 횡단 채널(16)을 형성하도록 융기된다. 융기된 인서트(41)는 횡단 채널을 위한 융기된 인서트 구멍(40)을 형성한다. 도 7은 세퍼레이터(14) 및 배터리 플레이트(10)의 스택을 예시한다. 단부 플레이트(25), 배터리 플레이트 기판 프레임(20), 세퍼레이터 프레임(34), 포스트(17) 및 포스트(17) 주위의 너트(19)가 도시된다. 단부 플레이트(25)의 단자 구멍(42)이 내부에 위치된 배터리 단자(33)를 갖는다.
도 8은 배터리 조립체(1)를 형성하는 배터리 플레이트(10)의 스택의 측면도를 예시한다. 배터리 플레이트는 하나 이상의 돌출부(21)(도 1A-5C에 예시된 것과 같은)를 포함할 수 있다. 배터리 플레이트(10)는 배터리 플레이트(10)의 스택의 대향 단부에서 모노폴라 플레이트(43)를 포함한다. 대향하는 모노폴라 플레이트(43) 사이에는 복수의 바이폴라 플레이트(44)가 있다. 각각의 배터리 플레이트(10)는 기판(11)을 포함한다. 애노드(12) 및 캐소드(13)는 바이폴라 플레이트(44)의 각각의 기판(11)에 인접한다. 애노드(12)과 캐소드(13)의 각각의 쌍 사이에는 세퍼레이터(14)가 배치된다. 세퍼레이터(14)는 내부에 흡수된 액체 전해질을 갖는 흡수성 유리 매트로서 도시된다. 애노드(12) 및 캐소드(13)의 각각의 쌍은 그 사이의 전해질과 함께 전기화학 전지를 형성한다. 또한 횡단 채널(16)이 도시된다. 채널 밀봉부(15)가 횡단 채널(16) 내에 배치된다. 채널 밀봉부(15)는 고무 튜브로서 형성된다. 채널 밀봉부(15) 내부에 포스트(17)가 위치된다. 포스트(17)는 스레드형 볼트의 형태로 구성된다. 포스트(17)의 단부에는 볼트 헤드(18)와 너트(19)의 형태의 중첩 부분이 있다. 모노폴라 플레이트(43)와 바이폴라 플레이트(44) 모두의 기판(11)의 에지 주위에는 프레임(20)이 있다.
도 9는 배터리 조립체(1)를 형성하는 배터리 플레이트(10)의 부분적으로 분해된 스택을 예시한다. 배터리 플레이트는 하나 이상의 돌출부(21)(도 1A-5C에 예시된 것과 같은)를 포함할 수 있다. 배터리 플레이트(10)는 스택의 단부에서 대향하는 모노폴라 플레이트(43) 및 그 사이에서 바이폴라 플레이트(44)를 포함한다. 배터리 플레이트(10)는 세퍼레이터(14)와 교대로 배열된다. 세퍼레이터(14)가 배터리 플레이트(10)의 각각의 쌍 사이에 위치된다.
단부 플레이트(25)가 도시된다. 단부 플레이트(25)는 모노폴라 플레이트(43)이다. 단부 플레이트(25)는 내부 강화 구조물(52)을 포함한다. 모노폴라 플레이트(43)는 복수의 개구(구멍)(40)를 포함한다. 개구(40) 중 일부는 인서트(41)에 의해 둘러싸일 수 있다. 인서트(41)는 모노폴라 플레이트(43)의 베이스(54)로부터 융기되고 돌출될 수 있다. 베이스(54)는 또한 모노폴라 플레이트(43)의 기판(11)이다.
세퍼레이터(14)가 모노폴라 플레이트(43)에 인접한다. 세퍼레이터(14)는 프레임(34)을 포함한다. 프레임(34)은 세퍼레이터(14)의 주변 주위로 융기된 에지를 형성한다. 세퍼레이터(14)는 쉬트(55)를 포함한다. 쉬트(55)는 유리 매트, 가령, 흡수성 유리 매트(AGM)(36)일 수 있다. 쉬트(55)는 내부에 위치하며 프레임(34)에 인접한다. 쉬트(55)는 프레임(34)과 일체로 구성되거나 프레임에 부착될 수 있다. 세퍼레이터(14)는 복수의 개구(구멍)(37)를 포함한다. 개구(37) 중 일부는 인서트(35)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 인서트(35)는 세퍼레이터(14)로부터 돌출된다. 인서트(35)는 쉬트(55)로부터 돌출된다. 바이폴라 플레이트(44)가 세퍼레이터(14)에 인접한다.
바이폴라 플레이트(44)는 기판(11) 및 프레임(20)을 포함한다. 프레임(20)은 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11) 주변 주위로 융기된 에지를 형성한다. 바이폴라 플레이트(44)는 복수의 개구(예를 들어, "인서트 구멍")(40)를 포함한다. 개구(40)의 일부는 인서트(41)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 인서트(41)는 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11)으로부터 돌출한다.
인서트(35, 41) 및 개구(40, 37)는 정렬된다. 인서트(35, 41)는 배터리 플레이트(10)의 스택을 통해 하나 이상의 채널(16)을 형성하도록 연동된다. 채널(16)은 배터리 조립체(1)를 통해 횡단 방향으로 통과한다(즉, 횡단 채널을 형성한다). 하나 이상의 채널(16)은 그 사이를 통해 하나 이상의 포스트(17)(미도시)를 수용할 수 있다. 하나 이상의 포스트(24)(미도시)는 하나 이상의 채널(16)을 통해 연장될 수 있다. 배터리 플레이트(10)는 기판(11) 상에 하나 이상의 활성 재료를 포함한다. 활성 재료는 애노드(12) 또는 캐소드(13)(미도시)일 수 있다.
도 10은 배터리 조립체(1)를 형성하는 배터리 플레이트(10)의 부분적으로 분해된 스택을 예시한다. 배터리 플레이트(10)는 하나 이상의 돌출부(21)(가령, 도 1A-5C에 도시된 것과 같은)를 포함할 수 있다. 배터리 플레이트(10)는 스택의 단부에서 대향하는 모노폴라 플레이트(43) 및 그 사이에서 바이폴라 플레이트(44)를 포함한다. 배터리 플레이트(10)는 세퍼레이터(14)와 교대로 배열된다. 세퍼레이터(14)가 배터리 플레이트(10)의 각각의 쌍 사이에 위치된다.
단부 플레이트(25)가 도시된다. 단부 플레이트(25)는 모노폴라 플레이트(43)이다. 단부 플레이트(25)는 내부 강화 구조물(52)을 포함한다. 모노폴라 플레이트(43)는 복수의 개구(구멍)(40)를 포함한다. 개구(40) 중 일부는 인서트(41)에 의해 둘러싸일 수 있다. 인서트(41)는 모노폴라 플레이트(43)의 베이스(54)로부터 융기되고 돌출될 수 있다. 베이스(54)는 또한 모노폴라 플레이트(43)의 기판(11)이다.
세퍼레이터(14)가 모노폴라 플레이트(43)에 인접한다. 세퍼레이터(14)는 쉬트(55)를 포함한다. 쉬트(55)는 유리 매트, 가령, 흡수성 유리 매트(AGM)(36)일 수 있다. 세퍼레이터(14)는 배터리 플레이트(10)의 프레임(20) 내에 끼워맞춤 되도록 크기가 형성된다. 세퍼레이터(14)는 복수의 개구(구멍)(37)를 포함한다. 바이폴라 플레이트(44)가 세퍼레이터(14)에 인접한다.
바이폴라 플레이트(44)는 기판(11) 및 프레임(20)을 포함한다. 프레임(20)은 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11) 주변 주위로 융기된 에지를 형성한다. 바이폴라 플레이트(44)는 복수의 개구(예를 들어, "인서트 구멍")(40)를 포함한다. 개구(40)의 일부는 인서트(41)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 인서트(41)는 바이폴라 플레이트(44)의 기판(11)으로부터 돌출한다.
개구(40, 37)는 하나 이상의 채널(16)을 형성하도록 정렬된다. 인서트(41)은 하나 이상의 채널(16)을 형성하기 위해 연동된다. 채널(16)은 배터리 플레이트(10)의 스택을 통과한다. 채널(16)은 배터리 조립체(1)를 통해 횡단 방향으로 통과한다(즉, 횡단 채널을 형성한다). 하나 이상의 채널(16)은 그 사이를 통해 하나 이상의 포스트(17)(미도시)를 수용할 수 있다. 하나 이상의 포스트(24)(미도시)는 하나 이상의 채널(16)을 통해 연장될 수 있다. 배터리 플레이트(10)는 기판(11) 상에 하나 이상의 활성 재료를 포함한다. 활성 재료는 애노드(12) 또는 캐소드(13)(미도시)일 수 있다.
1 - 배터리 조립체, 2 - 전기화학 전지, 10 - 배터리 플레이트, 11 - 배터리 플레이트의 기판; 12 - 애노드; 13 - 캐소드: 14 - 세퍼레이터; 15 - 채널 밀봉부; 16 - 횡단 채널; 17 - 포스트; 18 - 볼트 헤드; 19 - 너트; 20 - 배터리 플레이트의 프레임; 21 - 배터리 플레이트의 돌출부; 22 - 열; 23 - 통합된 에지 밀봉부; 25 - 단부 플레이트; 33 - 배터리 단자; 34 - 세퍼레이터의 프레임; 35 - 세퍼레이터의 인서트; 36 - 흡수성 유리 매트; 37 - 세퍼레이터 내의 인서트 구멍; 39 - 구멍; 40 - 배터리 플레이트의 인서트 구멍; 41 - 배터리 플레이트의 인서트; 42 - 단자 구멍; 43 - 모노폴라 플레이트; 44 - 바이폴라 플레이트; 52 - 내부 강화 구조물; 54 - 베이스; 55 - 쉬트.
본 특허 출원에 기술된 임의의 수치값들은, 임의의 하한값과 임의의 상한값 사이에 적어도 2 단위가 떨어져 있다고 가정했을 때, 모두, 하한값으로부터 상한값까지 한 단위만큼 증가되는 모든 값들을 포함한다. 이들은 단지 예시적으로 나타내기 위해 제공된 것이며, 열거되는 상한값과 하한값 사이의 모든 가능한 수치값들의 조합도 그와 비슷하게 본 특허출원에서 명확하게 기재된 것으로 고려되어야 한다. 그 외에 달리 언급되지 않는 한, 모든 범위들은 종말점(endpoint)들과 종말점들 사이의 모든 숫자를 포함한다.
각도 측정을 설명하기 위한 "일반적으로" 또는 "실질적으로"라는 용어는 약 +/- 10° 이하, 약 +/- 5° 이하, 또는 심지어 약 +/- 1° 이하를 의미할 수 있다. 각도 측정을 설명하기 위한 "일반적으로" 또는 "실질적으로"라는 용어는 약 +/- 0.01° 이상, 약 +/- 0.1° 이상, 또는 심지어 약 +/- 0.5° 이상을 의미할 수 있다. 선형 측정, 백분율 또는 비율을 설명하기 위한 "일반적으로" 또는 "실질적으로"라는 용어는 약 +/- 10% 이하, 약 +/- 5% 이하, 또는 심지어 약 +/- 1% 이하를 의미할 수 있다. 선형 측정, 백분율 또는 비율을 설명하는 "일반적으로" 또는 "실질적으로"라는 용어는 약 +/- 0.01% 이상, 약 +/- 0.1% 이상, 또는 심지어 약 +/- 0.5% 이상을 의미할 수 있다.
이러한 조합을 기술하기 위해 사용되는 용어 "필연적으로 구성되는"은, 요소, 성분, 구성요소 또는 식별 단계들과, 이러한 조합의 기본적이고 신규한 특성들에 물리적으로 영향을 끼치지 않는 그 밖의 요소, 성분, 구성요소들 및 단계들을 포함한다. 본 명세서에서 요소, 성분, 구성요소 또는 단계들의 조합을 기술하기 위해, 용어 "포함하는" 또는 "가지는"을 사용하면, 이러한 요소, 성분, 구성요소 또는 단계들로 구성되거나 또는 이들을 반드시 가지는 실시예들에 적용되는 것이다.
복수의 요소, 성분, 구성요소 또는 단계들은 단일의 일체형 요소, 성분, 구성요소 또는 단계들에 의해 제공될 수 있다. 대안으로, 단일의 일체형 요소, 성분, 구성요소 또는 단계는 개별적인 복수의 요소, 성분, 구성요소 또는 단계들로 나뉘어질 수 있다. 하나의 요소, 성분, 구성요소, 또는 단계를 기술하기 위한 용어 "한" 또는 "하나"는 그 밖의 추가적인 요소, 성분, 구성요소 또는 단계들을 배제하기 위한 것이 아니다.

Claims (39)

  1. 배터리 조립체를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    a) 복수의 배터리 플레이트를 적층하여 복수의 전기화학 전지를 형성하는 단계; 및
    b) 하나 이상의 개별 배터리 플레이트가 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트에 접합되도록 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 복수의 배터리 플레이트의 외부 주변 주위를 용접하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 개별 배터리 플레이트는 개별 배터리 플레이트의 외부 주변으로부터 인접한 하나 이상의 배터리 플레이트를 향해 연장되는 하나 이상의 돌출부를 포함하고; 및
    적층 시에, 하나 이상의 개별 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트의 외부 주위에 중첩되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 통합된 에지 밀봉부는 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트에 접합되는 하나 이상의 돌출부에 의해 형성되는, 방법.
  4. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에는 케이싱, 멤브레인, 또는 둘 모두를 복수의 배터리 플레이트 주위에 배치하는 단계는 없는, 방법.
  5. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에는 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하기 위해 배터리 플레이트로부터 분리된 추가 재료를 포함하는 단계는 없는, 방법.
  6. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 용접은 열 용접, 용매 용접, 또는 이들의 조합인, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 용접은 열 용접이고, 열은 플래튼, 고온 가스, 고온 액체, 적외선, 레이저, 마찰, 진동, 초음파 유도 와이어 루프, 무선 주파수, 또는 임의의 조합에 의해 제공되는, 방법.
  8. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 배터리 플레이트의 하나 이상의 개별 배터리 플레이트는 하나 이상의 돌출부를 포함하고; 및
    각각의 개별 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 개별 배터리 플레이트의 기판과 일체로 형성되는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 인접한 배터리 플레이트로부터 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루도록 구성되는, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 복수의 배터리 플레이트를 적층하는 단계는 하나의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부를 인접한 배터리 플레이트의 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 다른 돌출부와 짝을 이루는 단계는 상호 정렬, 연동, 얽힘, 맞물림 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  12. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 개별 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트의 기판의 외부 표면과 중첩되도록 구성되는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 복수의 배터리 플레이트를 적층하는 단계는 하나 이상의 배터리 플레이트의 하나 이상의 돌출부를 하나 이상의 인접한 배터리 플레이트의 기판의 외부 표면과 중첩하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 돌출부는 핑거, 치형부, 주변 립, 또는 이들의 임의의 조합인, 방법.
  15. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 돌출부는 함께 용융되는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 하나 이상의 돌출부는 함께 용융되어 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성하는, 방법.
  17. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 돌출부는 하나 이상의 다른 돌출부와 스냅-로크를 형성하는, 방법.
  18. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 에지 밀봉부는 복수의 전기화학 전지 주위에 액체 기밀 밀봉부를 형성하는, 방법.
  19. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 통합된 에지 밀봉부는 복수의 전기화학 전지 주위에 가스 기밀 밀봉부를 형성하는, 방법.
  20. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 배터리는 바이폴라 배터리인, 방법.
  21. 제21항에 있어서, 상기 방법은 하나 이상의 돌출부를 갖는 하나 이상의 기판을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 하나 이상의 기판은 각각의 기판의 주변 주위에 프레임을 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 하나 이상의 돌출부는 프레임으로부터 돌출하는, 방법.
  24. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 하나 이상의 배터리 플레이트의 기판 상에 하나 이상의 활성 재료를 배치함으로써 복수의 배터리 플레이트를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 하나 이상의 활성 재료는 프레임, 하나 이상의 돌출부, 또는 둘 모두 내의 기판 상에 위치되는, 방법.
  26. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 기판 상에 집전체를 배치하는 단계를 포함하고; 및
    하나 이상의 활성 재료는 집전체 상에 배치되는, 방법.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 활성 재료는 양의 재료, 음의 재료, 또는 둘 다인, 방법.
  28. 제27항에 있어서, 하나 이상의 활성 재료는 캐소드를 형성하는 양의 활성 재료를 포함하는, 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 하나 이상의 활성 재료는 애노드를 형성하는 음의 활성 재료를 포함하는, 방법.
  30. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 배터리 플레이트는 모노폴라 플레이트, 바이폴라 플레이트, 듀얼 폴라 플레이트, 또는 이들의 조합인, 방법.
  31. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 세퍼레이터가 인접한 배터리 플레이트의 쌍 사이에 위치되는, 방법.
  32. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 전해질이 개별 전기화학 전지를 형성하기 위해 인접한 배터리 플레이트의 쌍 사이에 위치되는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 전해질은 액체 전해질인, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 방법은 하나 이상의 통합된 에지 밀봉부를 형성한 후에 액체 전해질로 복수의 전기화학 전지를 채우는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 전항들 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성된, 배터리 조립체.
  36. 제35항에 있어서, 상기 복수의 배터리 플레이트는:
    a) 애노드로서 기능하는 기판의 제1 표면 상의 집전체 상에 배치된 제1 활성 재료 및 캐소드로서 기능하는 기판의 제2 대향 표면 상의 또 다른 집전체 상에 배치된 제2 활성 재료를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트;
    b) 활성 재료가 없는 기판의 표면의 맞은편에 애노드로서 기능하는 기판의 제1 표면 상의 집전체 상에 배치된 제1 활성 재료를 갖는 제1 모노폴라 플레이트;
    c) 활성 재료가 없는 기판의 표면의 맞은편에 캐소드로서 기능하는 기판의 제2 표면 상의 집전체 상에 배치된 제2 활성 재료를 갖는 제2 모노폴라 플레이트를 포함하는, 배터리 조립체.
  37. 제36항에 있어서, 복수의 배터리 플레이트는 기판의 제1 표면 상의 집전체 상에 배치된 활성 재료 및 기판 상의 제2 대향 표면 상의 또 다른 집전체 상에 배치된 활성 재료를 갖는 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트를 포함하며, 및
    기판의 각각의 표면의 활성 재료 및 집전체는 캐소드 또는 애노드로서 기능하는, 배터리 조립체.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서, 인접하는 각각의 쌍의 배터리 플레이트 사이에는 액체 전해질이 배치되고, 상기 액체 전해질은 각각의 쌍의 배터리 플레이트 사이의 공간에 위치하는 애노드 및 캐소드와 함께 작용하여 전기화학 전지 중 하나를 형성하는, 배터리 조립체.
  39. 제36항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 세퍼레이터가 각각의 전기화학 전지 내에 위치되는, 배터리 조립체.
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