KR20150016212A - 전극, 배터리, 전극 제조 방법 및 배터리 제조 방법 - Google Patents
전극, 배터리, 전극 제조 방법 및 배터리 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함할 수 있는 배터리 전극들이 제공된다. 도전성 재료의 시트를 제공하는 단계; 및 도전성 재료의 시트를 폴리머 재료를 이용하여 프레임화하는 단계를 포함할 수 있는 배터리 전극 제조 방법들이 제공된다. 복수의 전극을 포함할 수 있는 배터리들이 제공되며, 개별 전극들은 폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본원은 2012년 3월 29일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/617,200호에 대해 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 반영된다.
기술 분야
본 발명은 전극, 배터리, 전극 제조 방법 및 배터리 제조 방법에 관한 것이다. 더 구체적인 실시예들에서, 본 발명은 재충전 가능 배터리, 납-산 배터리(lead-acid battery), 배터리 컴포넌트 및 배터리 방법과 관련된다. 본 발명의 특정 실시예들은 새로운 전극 구성 및/또는 전극 제조 방법과 관련된다.
납-산 배터리와 같은 재충전 가능 배터리들은 납을 주조하거나, 납 시트를 연장하거나, 펀칭된 그리드 패턴을 갖는 납 합금 포일을 생성함으로써 형성될 수 있는 하나 이상의 캐소드 전극을 포함할 수 있다. 통상적으로, 캐소드 전극은 100% 납 또는 납 합금으로 구성된다. 납-산 배터리와 같은 재충전 가능 배터리들은 전통적인 납 배터리 전극 기판 상에 부착된 납 산화물 또는 파생물을 이용하는 하나 이상의 애노드 전극도 포함할 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 전극들은 표준 납 산 배터리 제조 프로세스들 및 장비에서 이용되도록 구성될 수 있다.
본 발명은 납 산 배터리들에서 사용하기 위한 저가, 경량 및 고급 배터리 전극들을 제공한다. 전극들은 음극으로 사용될 수 있으며, 향상된 음성 활성 재료 사용, 더 균일한 전류 분포 및 향상된 사이클 수명 성능을 제공할 수 있다.
폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함할 수 있는 배터리 전극들이 제공된다.
도전성 재료의 시트를 제공하는 단계; 및 도전성 재료의 시트를 폴리머 재료를 이용하여 프레임화(framing)하는 단계를 포함할 수 있는 배터리 전극 제조 방법들이 제공된다.
복수의 전극을 포함할 수 있는 배터리들이 제공되며, 개개의 전극은 폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 아래에서 아래의 첨부 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 프로세스에 따른 전극의 단편이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 전극의 단면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 전극의 단면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 전극의 단면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판의 일부이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7의 전극 기판의 섹션이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판의 일부이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판의 섹션이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극들을 포함하는 배터리이다.
도 1은 본 발명의 일 프로세스에 따른 전극의 단편이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 전극의 단면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 전극의 단면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 전극의 단면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판의 일부이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7의 전극 기판의 섹션이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판의 일부이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 기판의 섹션이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극들을 포함하는 배터리이다.
도 1-10을 참조하여 본 발명의 전극, 배터리, 전극 제조 방법, 배터리 제조 방법, 재충전 가능 배터리, 납 산 배터리, 배터리 컴포넌트 및 배터리 방법이 설명된다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 전극의 예시적인 부분이 본 발명의 일 실시예에 따른 처리의 스테이지들에 도시된다. 따라서, 도전성 재료(2)의 시트를 제공하는 단계를 포함할 수 있는 배터리 전극 제조 방법이 제공된다. 재료(2)는 도전성 금속들 또는 이들의 합금의 압출, 다이캐스팅 또는 식소몰딩(thixomolding)된 시트일 수도 있다. 재료(2)에는 다른 재료(4)가 도포될 수 있다.
재료(4)는 재료(2)에 대한 산성(acid) 보호 장벽을 제공할 수 있다. 재료(4)는 납/산 배터리들에 사용되는 것들과 같은 산 용액들에 대해 비활성일 수 있다. 재료(4)는 전기 도금된 납과 같은 납 재료일 수 있다. 재료(4)는 예를 들어 산에 대해 비활성인 도전성 잉크 또는 폴리머일 수 있다. 재료(4)는 도전성 금속들의 분자들이 납/산 배터리의 산 전해질 내로 이동하는 것을 방지하기에 충분한 두께를 갖는 균일한 코팅을 제공할 수 있다. 재료(4)는 도전성 재료(2)에 대한 균일한 산성 보호 장벽을 제공할 수 있다. 폴리머로서, 재료(4)는 구조 또는 아키텍처 지지도 제공할 수 있다. 이어서, 재료들(2 및/또는 4) 중 하나 또는 양자가 폴리머 재료(6)를 이용하여 프레임화될 수 있다.
도 2 및 2a를 참조하면, 배터리의 컴포넌트가 전극 기판(12)으로서 도시되고, 그의 단면이 도 2a에 도시된다. 이 기판은 필요에 따라 최종 기하 형상으로 스탬프 몰딩되고, 사출 성형되고/되거나, 다른 방식으로 형성될 수 있는 삼차원 구조일 수 있다. 기판은 실질적으로 편평하여, 예를 들어 평면 측부(13) 및 에지(15)를 가질 수 있다. 기판(12)은 필요에 따라 형상이 변경될 수 있으며, 최종 배터리 설계에 의존할 수 있다. 도시된 바와 같이, 기판(12)은 탭(tap) 또는 포스트를 포함하지 않지만, 다른 실시예들은 이들은 물론, 제조 및/또는 사용을 용이하게 할 수 있는 다른 특징들도 포함할 수 있다.
기판(12)은 적어도 2개의 부분을 갖는 것으로 설명될 수 있으며, 2개의 부분 중 하나는 배터리 용질 내로 연장하도록 구성되고, 2개의 부분 중 제2 부분은 예를 들어 접속 포스트에 결합되도록 구성될 수 있는 하나 이상의 탭(52)과 같이 배터리 용질 밖에 존재하도록 구성된다(예를 들어, 도 5-8 참조). 따라서, 전극 제조 방법들은 예를 들어 도전성 재료(18)의 시트의 에지를 따라 접촉 탭(52)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 접촉 탭은 폴리머 재료(22)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 탭 위치, 크기 및/또는 형상은 필요에 따라 배터리 설계에 맞도록 변경될 수 있다. 기판 또는 그의 부분들, 특히 배터리 용질 내의 부분은 비활성일 수 있으며, 예를 들어 전류 흐름, 열, 방열 및/또는 예를 들어 배터리 용질과 관련된 산성 상태들과 같은, 배터리들 내에 통상적으로 존재하는 상태들에 대해 비활성일 수 있다.
기판(12)은 개구들(14)과 같은 리세스들을 포함할 수 있다. 개구들(14)은 기판(12) 전반에서 임의로 이격될 수 있으며, 전극 준비 처리의 후속 스테이지에서 납 페이스트 재료와 같은 재료들의 기판(12)에 대한 결합을 용이하게 하기 위한 지지 특징으로서 사용될 수 있다. 개구들(14)은 예를 들어 기판(12)의 평면들(13) 사이에 연장하는 측벽들(17)을 가질 수 있다. 측벽들(17) 및 표면들(13) 중 적어도 일부는 개구들(14)의 에지들로서 간주될 수 있으며, 이러한 에지들은 예를 들어 각지고/각지거나 경사질 수 있다. 따라서, 전극 제조 방법들은 도전성 재료(18)의 시트 내에 복수의 개구를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 구현들에 따르면, 기판(12)은 그 안에 개구들을 가질 수 있거나, 그 안에 개구들을 갖지 않을 수 있다. 개구들이 존재하는 경우, 전극은 그 위에 침적 및/또는 에칭된 층들 및/또는 라인들의 형태의 추가 재료들을 포함할 수 있다. 이러한 재료들은 기판의 대향 표면들 사이에서 개구들을 통해 연장할 수 있다. 예를 들어, 도전성 재료들, 납 산화물 및/또는 납 페이스트 재료들과 같은 재료들이 평면들(측면들)(13)은 물론, 측벽들(17)과도 관련될 수 있다. 예시적인 구현들에 따르면, 이러한 재료들 중 하나 이상은 개구들(14)을 통해 연장하여 개구들(14)을 닫을 수 있다. 예를 들어, 납 페이스트 재료는 개구(14)를 통해 연장하여 개구(14)를 효과적으로 닫을 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 납 페이스트 재료는 예를 들어 개구(14)를 통해 연장하여 개구(14)를 통한 접근성을 남길 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기판(12)은 도전성 재료의 코어 부재(18)를 포함할 수 있다. 따라서, 전극은 폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함할 수 있다. 이러한 도전성 재료는 예를 들어 시트 형태의 구리, 알루미늄 및/또는 마그네슘일 수 있다. 부재(18)는 약 0.004 인치 정도로 얇거나, 약 0.006 인치 내지 약 0.010 인치의 두께를 갖고/갖거나 적어도 약 0.016 인치의 두께를 가질 수 있다. 시트는 필요에 따라 삼차원 형상을 제공하기 위해 펀칭되거나 코인화(coining)될 수 있다. 부재(18)는 편평하거나 평면인 표면을 가질 수도 있다. 예시적인 구현들에 따르면, 부재(18)는 납 외의 도전성 재료, 예를 들어 구리, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 마그네슘 및/또는 이들의 합금들일 수도 있다.
예를 들어, 납 재료(19)가 부재(18) 위에 제공될 수 있다. 재료(19)는 부재(18)의 양측과 관련된 것으로 도시된다. 재료(19)는 부재(18)를 커버하고/하거나 둘러싸도록 제공될 수 있다. 재료(19)는 실질적으로 순수한 납 재료, 납 산화물 재료 및/또는 납 합금 재료 중 하나 이상일 수 있다. 납 재료의 합금들은 예를 들어 주석 합금들을 포함할 수 있다. 따라서, 도전성 코어는 납으로 전기 도금된 구리를 포함할 수 있다. 도전성 코어의 납으로 전기 도금된 구리는 하나의 단면에서 적어도 약 0.018 인치의 두께를 갖는 시트에 의해 구성될 수 있다. 다른 예들에 따르면, 시트는 하나의 단면에서 약 0.019 내지 약 0.021 인치의 두께를 가질 수 있다.
폴리머 재료(22)는 부재(18) 및 재료(19) 중 하나 또는 양자에 제공될 수 있다. 재료(22)는 배터리 내에 존재하는 것들과 같은 산성 상태들에 대해 비활성인 하나 이상의 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 폴리올레핀, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 및/또는 플루오로폴리머가 사용될 수 있다. 예시적인 구현들에 따르면, 재료(22)는 부재(18) 및 재료(19) 중 하나 또는 양자 상에 오버몰딩될 수 있다. 예시적인 양태에 따르면, 오버몰딩은 부재(18) 및 재료(19)의 구조적 보전을 지지하여 이들 컴포넌트 양자를 실질적으로 평면인 형태로 유지하기에 충분한 양의 재료(22)를 제공할 수 있다.
도 3 및 3a를 참조하면, 대안 실시예에 따라, 기판(12A)이 납 페이스트에 대한 지지 구조를 포함하도록 제공된다. 재료(22)가 또한 부재(18) 및 재료(19) 중 하나 또는 양자를 지지하는 것은 물론, 격자 구조를 형성하도록 오버몰딩될 수 있다. 이러한 격자 구조는 납 페이스트를 지지하도록 구성될 수 있으며, 납 페이스트의 도포는 완성된 전극을 형성할 수 있다. 도시된 바와 같이, 격자 구조는 "다이아몬드" 형태를 갖지만, 수평/수직 지지대를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 형태들이 고려된다.
설명된 바와 같이, 납 페이스트 재료는 기판(12 및/또는 12A)과 관련되고/되거나 그에 의해 지지될 수 있다. 납 페이스트 재료는 기판의 전부 또는 일부를 커버할 수 있으며, 도포되는 경우 부재(18)를 둘러싸는 납 재료(19)의 전부 또는 일부를 커버할 수 있다. 납 페이스트 재료는 기판의 양측에 도포될 수 있다. 예시적인 구현들에 따르면, 이러한 도포는 일측에만 행해질 수 있다.
기판은 그를 통해 연장하는 개구들과 같은 하나 이상의 리세스를 가질 수 있다. 개구들과 같은 이러한 리세스들은 납 페이스트 재료로 채워질 수 있고, 개구들을 통해 연장하여 개구들의 적어도 일부를 빈 상태로 남기거나, 예를 들어 개구들을 완전히 닫을 수 있다. 이러한 납 페이스트 재료의 형성은 납-산 배터리 제조 분야의 통상의 기술자들에게 알려져 있으며, 본 발명에 중요하지 않다. 납 페이스트 재료는 예를 들어 표면적을 증가시키는 데 사용될 수 있는 첨가제를 포함할 수 있다. 예시적인 구성들에 따르면, 납 페이스트 재료는 전술한 납 재료에 비해 다공성인 것으로 간주될 수 있다. 납 재료의 실질적으로 순수한 납, 납 산화물 및/또는 납 합금들은 실질적으로 균일하여 배터리 용질들이 도전성 재료와 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
도 4 및 4a를 참조하면, 또 다른 실시예에 따라, 부재(38)가 전술한 바와 같이 도전성이지만 산 비활성인 폴리머 재료(42)로 완전히 오버몰딩될 수 있다. 재료(42)는 예를 들어 탄소를 포함하여 재료에 소정의 도전성을 제공하는 폴리머 재료일 수 있다. 재료(42)는 부재(38)를 지지하는 것은 물론, 설명되는 납 페이스트 재료에 대한 지지를 제공하기 위해 부재(38) 상에 오버몰딩될 수 있다. 그러한 지지 구조들은 인텐션들 및/또는 익스텐션들을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 기판(30)은 평면(33)은 물론, 개구들(34)도 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 탭(52)은 물론, 러그(lug; 54)도 포함하는 다른 예시적인 기판(50)이 도시된다. 탭(52)은 기판(50)의 부재의 연장부일 수 있으며, 완성된 전극의 포스트로서 사용될 수 있다. 러그(54)는 폴리머 재료의 연장부일 수 있으며, 처리 단계 동안 사용되고, 예를 들어 전극으로서의 사용 전에 제거될 수 있다. 따라서, 전극 제조 방법들은 프레임의 적어도 하나의 에지를 따라 폴리머 탭을 형성하는 단계를 포함하고/하거나 프레임의 적어도 하나의 대향 에지를 따라 접촉 탭을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 전극의 처리는 폴리머 탭 및/또는 접촉 탭을 도그(dog)로서 사용하여 전극을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도전성 재료(2)의 상세한 도시가 구리의 시트로서 도시된다. 예시적인 구현들에 따르면, 재료(2)는 그 안에 개구들(14)은 물론, 탭(52)도 구비할 수 있다. 도 7 및 7a를 참조하면, 재료(2)는 다른 처리 스테이지에서 도시된다. 따라서, 전극은 도전성 코어(2)를 둘러싸는 폴리머 재료 프레임(6)을 포함한다. 도 7a를 참조하면, 개구(72)와 같이 주변 개구 크기 차이들을 상술하기 위해 전극의 섹션이 도시된다. 이러한 차이들은 예를 들어 재료(2)의 전기 도금을 지원하는 데 사용될 수 있다. 일부 주변 개구들(71)은 약 0.062 인치의 직경을 가질 수 있는 반면, 다른 개구들은 약 0.075 인치의 직경을 가질 수 있다. 재료(6)가 예를 들어 72와 같은 더 큰 개구들로부터 밖으로 연장하도록 제공될 수 있다. 도 8을 참조하면, 재료(2) 내에 적어도 부분적으로 둘러싸인 탭(52)의 더 상세한 도면이 도시된다.
도 9를 참조하면, 다양한 재료들의 전체 두께 및 이러한 두께의 기여를 설명하기 위해 예시적인 전극 단편이 도시된다. 따라서, 도전성 재료(2)는 약 0.014 내지 약 0.016 인치의 두께를 가질 수 있으며, 납 재료(4)는 약 0.001 인치의 두께를 가질 수 있어서, 도전성 재료(2)(0.016)와 납 재료의 결합 및 약 0.018 인치의 전체 두께를 제공할 수 있다. 납 페이스트 재료(8)는 약 0.020 내지 약 0.025 인치의 두께로 전극에 제공되어, 약 0.058 인치의 전극의 전체 두께를 제공할 수 있다. 예시적인 구현들에 따르면, 이러한 전극 두께는 결코 유효하게 달성되지 못했으며, 이러한 전극들 중 하나 이상을 이용하여 배터리의 전체 무게 및/또는 성능이 실질적으로 변경된다.
도 10을 참조하면, 복수의 전극(62)을 포함하는 예시적인 배터리(60)가 도시된다. 전극들(62) 중 하나 이상이 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 구성될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 배터리들은 편평 플레이트, 튜브, 원형 및/또는 바이폴라 배터리들을 포함할 수 있다. 배터리는 예를 들어 배터리들의 뱅크 내의 복수의 배터리 중 적어도 하나일 수 있다. 다른 예로서, 배터리는 개개의 배터리들의 뱅크로서 구성될 수 있다. 예시적인 구현들에 따르면, 이러한 배터리들 내에 전기를 저장하는 것은 배터리에 전류를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 배터리는 배터리 용질에 대해 비활성일 뿐만 아니라 비도전성 재료를 포함하는 전극을 구비할 수 있다. 전류는 동일 극성의 복수의 전극 중 하나 이상과 전기적으로 통하는 하나 이상의 포스트 컴포넌트에 제공될 수 있다. 배터리는 복수의 전극을 포함할 수 있으며, 개개의 전극은 폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함할 수 있다. 이러한 전극들 중 적어도 하나는 도전성 코어에 전기적으로 결합되는 도전성 탭을 정의할 수 있다.
Claims (20)
- 배터리 전극으로서,
폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어
를 포함하는 배터리 전극. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 코어는 구리를 포함하는 배터리 전극. - 제2항에 있어서,
상기 도전성 코어의 구리는 하나의 단면에서 적어도 약 0.016 인치의 두께를 갖는 시트에 의해 구성되는 배터리 전극. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 코어는 납으로 전기 도금된 구리(lead electroplated copper)를 포함하는 배터리 전극. - 제4항에 있어서,
상기 도전성 코어의 납으로 전기 도금된 구리는 하나의 단면에서 적어도 약 0.018 인치의 두께를 갖는 시트에 의해 구성되는 배터리 전극. - 제5항에 있어서,
상기 시트는 하나의 단면에서 약 0.019 내지 약 0.021 인치의 두께를 갖는 배터리 전극. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 코어를 둘러싸는 납 페이스트(lead paste)를 더 포함하는 배터리 전극. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 코어를 통해 연장하는 개구들을 더 포함하는 배터리 전극. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 프레임은 폴리프로필렌을 포함하는 배터리 전극. - 제1항에 있어서,
상기 프레임의 내부 에지들 사이에 연장하는 폴리머 재료를 더 포함하는 배터리 전극. - 배터리 전극을 제조하는 방법으로서,
도전성 재료의 시트를 제공하는 단계; 및
도전성 재료의 상기 시트를 폴리머 재료를 이용하여 프레임화(framing)하는 단계
를 포함하는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 도전성 재료의 시트의 에지를 따라 접촉 탭을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 폴리머 재료를 이용하여 상기 접촉 탭을 프레임화하는 단계를 더 포함하고, 상기 프레임화는 상기 탭의 일부를 노출시키는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 프레임의 적어도 하나의 에지를 따라 폴리머 탭을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 프레임의 적어도 하나의 대향 에지를 따라 접촉 탭을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 폴리머 탭 및/또는 접촉 탭을 도그(dog)로서 이용하여 상기 전극을 운반하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 도전성 재료의 시트 내에 복수의 개구를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 도전성 재료를 전기 도금하는 단계를 더 포함하는 방법. - 배터리로서,
복수의 전극들
을 포함하고,
상기 전극들 각각은 폴리머 프레임에 의해 지지되는 도전성 코어를 포함하는 배터리. - 제19항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 도전성 코어에 전기적으로 결합되는 도전성 탭을 정의하는 배터리.
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