KR20220113754A - 온도 제어 바이폴라 배터리 어셈블리 - Google Patents

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KR20220113754A
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Ii 에드워드 오. 섀퍼
숀 브루노
마이클 에버렛
브라이언 알. 스터더반트
키스 폴리
아담 브이. 카데나
코디 샤르띠에
신 선
제이크 틸만
제프리 엘. 애드킨
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어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨
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Abstract

바이폴라 배터리 어셈블리로서: a) 전극 플레이트 스택을 형성하기 위해 함께 적층된 복수의 전극 플레이트들; b) 전극 플레이트들의 각 쌍의 사이에 위치한 액체 전해질; 및 c) 복수의 전극 플레이트들 및 액체 전해질을 가로질러 통과하는 하나 이상의 채널들을 포함하고; 및 하나 이상의 채널들은 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널들을 밀봉하기 위해 내부에 하나 이상의 밀봉들을 포함한다.

Description

온도 제어 바이폴라 배터리 어셈블리
본 개시는 일반적으로 바이폴라 배터리 어셈블리(bipolar battery assembly)에 관한 것이고, 구체적으로 배터리 어셈블리 내의 하나 이상의 채널들에 관한 것이다. 본 개시는 산세척(pickling), 형성, 충전, 방전 동안, 또는 심지어 동작 동안 내부로부터 바이폴라 배터리의 온도 제어에서 특정 용도를 찾을 수 있다.
전통적으로, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 공개 번호 US 2009/0042099에 교시된 것과 같은 바이폴라 배터리 어셈블리는 전극 플레이트(electrode plate)들의 스택 내에 전해질(electrolyte)을 포함한다. 전해질은 전자와 이온이 전극 플레이트의 캐소드(cathode) 물질과 애노드(anode) 물질 사이를 흐를 수 있도록 한다. 바이폴라 배터리 어셈블리들은 전극 플레이트들과 분리막들의 정렬된 관통 홀(through-hole)들을 통과하는 볼트로 함께 고정된다. 전극 스택으로부터 또는 스택의 채널로 누출되지 않는 전해질을 제공하기 위해, 고체 전해질은 일반적으로 배터리 어셈블리 내에서 별도의 밀봉 부재의 필요성을 줄이기 위해 사용된다.
일반적인 바이폴라 배터리 어셈블리가 제시하는 문제는 배터리가 산세척 시, 형성 동안 또는 충전 또는 방전 중에 과도한 열을 생성할 수 있다는 것이다. 충전 또는 방전(줄 가열(Joule heating)이라고도 함) 중에 배터리의 내부 저항을 통해 전류가 흐르기 때문에 전력 손실로 인해 과도한 열이 발생할 수 있다. 충전 또는 방전 중에 전기화학 셀들 내의 발열 반응(exothermic reaction)으로 인해 과도한 열이 발생할 수도 있다. 배터리 어셈블리에서 과도한 열이 발생하면 다음을 비롯한 여러 문제가 발생할 수 있다: 활성 화학 물질이 팽창하여 전기화학 셀들이 팽창할 수 있고, 압력이 전기화학 셀들 내부에 축적될 수 있고, 증가된 팽창 및 압력은 컴포넌트들의 기계적 왜곡(예를 들어, 팽창과 같은 외부 변형)을 유발할 수 있고, 기계적 왜곡으로 인해 컴포넌트들이 서로 멀어지고 누출 경로가 생성되거나 접촉이 끊어짐에 따라 단락이 발생할 수 있고, 과도하게 높은 온도에서 장기간 동작하면 컴포넌트에 균열이 발생할 수 있고, 열 폭주가 화학 반응 중에 발생할 수 있고, 가스가 방출될 수 있으며, 및/또는 증가된 온도로 인해 하나 이상의 셀들이 파열되거나 폭발할 수 있다. 이러한 잠재적인 문제로 인해, 따라서 배터리 어셈블리가 충전 또는 방전될 수 있는 비율은 생성된 초과 열이 제거될 수 있는 비율에 따라 달라진다. 바이폴라 배터리 어셈블리가 제시하는 또 다른 문제는 저온 또는 고온에서 충전할 수 있는 능력이다. 낮은 온도(예를 들어, 5°C 미만)에서 일부 배터리는 셀들 내부에 압력이 축척되어 배출될 수 있다. 저온에서 충전 수용(charge acceptance)이 불량하면 압력 축적으로 인해 완전히 충전된 배터리와 유사할 수 있다.
오늘날에는 충전 및 방전 중에 배터리의 온도를 제어하기 위해 사용되는 다양한 프로세스가 있다. 일부 배터리는 배터리를 충전에 적합한 온도로 가열하는 열 담요(thermal blanket)를 포함할 수 있다. 배터리 어셈블리는 온도 조절 수조에 침지될 수 있다. 과도한 열 발생을 제어하기 위해, 배터리 온도를 임계 온도 아래로 유지하는 더 느리고 제어된 속도로 배터리를 충전하거나 방전할 수도 있다. 이러한 각 프로세스는 배터리 어셈블리를 충전하는 데 추가 처리 시간을 더한다. 긴 처리 시간으로 인해 다수의 배터리 어셈블리들이 다른 배터리 어셈블리를 사용하는 동안 충전을 통해 회전하기 위해 시설에 보관될 수 있다. 이러한 추가 프로세스로 인해 배터리 어셈블리, 냉각 및 가열 장비, 저장 공간, 충전에 사용되는 전기, 충전된 배터리를 방전된 배터리로 교체하는 데 드는 인력의 재고에 추가 비용이 발생한다.
내부에서 온도를 제어할 수 있는 배터리 어셈블리가 요구된다. 더 빠른 충전을 위해 온도를 제어할 수 있는 배터리 어셈블리가 요구된다. 더 빠른 충전을 위해 냉각되거나 가열될 수 있는 배터리 어셈블리가 요구된다. 밀봉된 상태로 하나 이상의 전기화학 셀들을 통과할 수 있는 냉각, 가열 또는 둘 모두에 유용한 하나 이상의 채널들을 갖는 배터리 어셈블리가 요구된다. 주변 액체 전해질로부터 밀봉되는 하나 이상의 채널들 및 하나 이상의 채널들 내에서 하나 이상의 유체의 밀봉이 요구된다.
본 발명은 바이폴라 배터리 어셈블리에 관한 것으로: a) 전극 플레이트 스택을 형성하기 위해 함께 적층된 복수의 전극 플레이트들; b) 전극 플레이트들의 각 쌍의 사이에 위치한 액체 전해질; 및 c) 복수의 전극 플레이트들 및 액체 전해질을 가로질러 통과하는 하나 이상의 채널들을 포함하고; 및 여기서 하나 이상의 채널들은 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널들을 밀봉하기 위해 내부에 하나 이상의 밀봉들을 포함한다.
본 발명은 바이폴라 배터리 어셈블리에 관한 것으로: a) 전극 플레이트 스택을 형성하기 위해 함께 적층된 복수의 전극 플레이트들; b) 전극 플레이트들의 각 쌍의 사이에 위치한 액체 전해질; c) 복수의 전극 플레이트들 및 액체 전해질을 가로질러 통과하는 하나 이상의 채널들-여기서, 하나 이상의 채널들은 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널을 밀봉하기 위해 내부에 하나 이상의 밀봉들을 포함함-; 및 d) 하나 이상의 채널을 통해 순환하는 하나 이상의 유체들을 포함하고; 및 하나 이상의 유체들은 바이폴라 배터리에 열을 추가하거나, 그로부터 열을 제거하거나, 또는 둘 모두를 수행하도록 구성된다.
제시된 교시의 바이폴라 배터리 어셈블리는 임의의 조합으로 하기 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 하나 이상의 채널들은 바이폴라 배터리 어셈블리의 내부로부터 열을 제거하도록 구성된 하나 이상의 냉각 채널들을 포함할 수 있다; 하나 이상의 냉각 채널들은 하나 이상의 열 교환기들을 포함하거나 이들과 연통할 수 있거나 둘 모두에 해당할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 능동 열 교환기, 수동 열교환기, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다; 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 유체 열 교환기, 파이프 열 교환기, 쉘 및 튜브 열 교환기, 판형 열 교환기, 히트 싱크, 상변화 열 교환기, 폐열 회수 장치, 열전 디바이스("TED"), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다; 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 개구들에 의해 형성될 수 있으며, 여기서 서로 정렬된 복수의 전극 플레이트들의 각각의 개별 전극 플레이트에서 바이폴라 배터리 어셈블리는 각각의 전극 플레이트 쌍 사이에 위치된 개별 분리막을 갖는 복수의 분리막들을 포함할 수 있다; 복수의 분리막들 각각은 하나 이상의 채널들을 형성하는 전극 플레이트의 하나 이상의 개구들과 정렬되는 하나 이상의 개구들을 포함할 수 있다; 복수의 전극 플레이트들, 복수의 분리막들, 또는 둘 모두의 하나 이상의 개구들은 각각 내부에 위치 및/또는 형성된 하나 이상의 인서트들을 포함할 수 있다; 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 다른 인서트들과 짝을 이루어 하나 이상의 채널들을 형성하고 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널을 밀봉할 수 있다; 하나 이상의 밀봉들 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널들을 밀봉하기 위해 하나 이상의 채널들의 하나 이상의 내부 표면을 따라 성형될 수 있다; 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 열가소성 재료들을 포함한다; 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 채널들을 형성하기 위해(예를 들어, 내향 표면이 용융 결합됨으로써), 또는 하나 이상의 인서트들의 하나 이상의 내향 표면에서 분리되고 위치하기 위해, 또는 둘 모두를 위해 정렬되고 맞물리는 하나 이상의 인서트들의 하나 이상의 내향 표면들에 의해 형성될 수 있다; 하나 이상의 채널들 각각의 밀봉은 횡방향으로 바이폴라 배터리 어셈블리의 강도를 증가시킬 수 있고, 횡방향은 하나 이상의 채널의 세로 축과 동일하다; 하나 이상의 밀봉들은 그들이 위치한 하나 이상의 채널들의 전체 길이를 따라 연장될 수 있다; 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 채널들 내에 위치한 하나 이상의 관형 부재들을 포함할 수 있다; 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들 내에서 제자리에 성형될 수 있다; 하나 이상의 유체들은 하나 이상의 채널들 내에 위치할 수 있다; 하나 이상의 유체들은 하나 이상의 채널들을 통해 순환될 수 있다; 하나 이상의 유체들은 바이폴라 배터리 어셈블리에 열을 추가하거나, 그로부터 열을 제거하거나, 둘 모두를 수행하도록 구성될 수 있고; 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 유체들을 가질 수 있으며 하나 이상의 냉각 채널이 될 수 있다; 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 채널들 내에 위치할 수 있다; 하나 이상의 로드들은 밀봉될 수 있다; 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 채널들 내에서 제자리에 성형될 수 있다; 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 밀봉들을 형성할 수 있거나, 하나 이상의 밀봉들 내에 위치할 수 있거나, 또는 둘 다일 수 있다; 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 관형 부재들일 수 있거나, 하나 이상의 관형 부재들 내에 위치할 수 있거나, 둘 모두일 수 있다; 하나 이상의 로드들은 약 100 W/m·K 이상의 열 전도율을 가질 수 있다; 하나 이상의 로드들은 약 200 W/m·K 이상의 열 전도율을 가질 수 있다; 하나 이상의 로드들은 알루미늄, 구리, 붕소 비소, 다이아몬드, 그래핀, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다; 하나 이상의 로드들은 내부에 밀봉된 하나 이상의 유체들을 갖는 하나 이상의 히트 파이프들을 포함할 수 있다; 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 유체들이 하나 이상의 로드 안팎으로 흐를 수 있도록 하나 이상의 개방 단부들을 포함할 수 있다; 하나 이상의 히트 싱크들은 하나 이상의 로드들과 직접 또는 간접적으로 연통할 수 있다; 하나 이상의 방열판은 공냉식이거나, 순환 유체에 의해 냉각되거나 또는 둘 모두일 수 있다; 하나 이상의 튜빙 커플러들은 하나 이상의 채널들 중 하나 이상의 단부에 위치할 수 있다; 하나 이상의 튜빙 커플러들은: 하나 이상의 채널들 내에서 인서트 성형되거나, 하나 이상의 채널, 하나 이상의 나사산 피팅, 하나 이상의 압축 피팅, 하나 이상의 마찰 피팅 내에서 직접 성형되거나 또는 이들의 조합에 해당할 수 있다.
본 개시는 본 명세서의 교시에 따라 하나 이상의 채널들을 통해 하나 이상의 유체들을 순환시킴으로써 하나 이상의 배터리 어셈블리의 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 개시는 바이폴라 배터리 어셈블리의 내부로부터 열을 제거하기 위해 하나 이상의 채널들을 통해 하나 이상의 유체들을 순환시키는 것을 포함하는, 본 발명의 바이폴라 배터리 어셈블리를 조립 및 냉각하는 방법이다.
본 교시의 방법은 하기 특징 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다: 하나 이상의 유체들을 순환시키는 것은 하나 이상의 유동 메커니즘들을 통해 이루어질 수 있다; 하나 이상의 채널들을 통해 순환되기 전에 하나 이상의 유체들은 약 50°C 이상의 배터리 어셈블리의 내부 온도와의 온도 차이를 가질 수 있다; 바이폴라 배터리 어셈블리의 내부 온도는 하나 이상의 유체들이 통과하기 전 또는 그와 동시에 의 온도일 수 있다; 하나 이상의 유체들은 약 0°C 이상의 온도를 가질 수 있다; 하나 이상의 유체들은 바이폴라 배터리 어셈블리의 산세척, 형성, 충전, 방전 또는 이들의 조합 동안 하나 이상의 채널들을 통해 순환될 수 있다; 전극 플레이트 스택을 형성하는 단계는 복수의 전극 플레이트들을 적층하여 그 사이에 복수의 전기화학 셀들을 생성하는 단계를 포함할 수 있다; 방법은 복수의 전기화학 셀들을 액체 전해질로 채우는 단계를 포함할 수 있다; 및 방법은 하나 이상의 채널들에 하나 이상의 열 교환기들을 삽입 및/또는 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 횡방향으로 통과하는 하나 이상의 채널들을 갖는 배터리 어셈블리를 제공한다. 하나 이상의 채널들에는 열 교환기 역할을 하는 하나 이상의 관형 부재들이 있을 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 내부에서 배터리 어셈블리를 가열, 냉각 또는 둘 모두의 기능을 할 수 있다. 내부에서 배터리 어셈블리를 냉각 또는 가열함으로써 온도 제어는 외부에서 냉각 또는 가열되는 경우보다 더 빠를 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 채널들과 연통될 수 있다. 배터리 어셈블리의 외부에 있는 하나 이상의 열 교환기들은 내부(예를 들어, 하나 이상의 채널) 내부에서 배터리 어셈블리의 외부로 열을 전달하는 데 도움이 될 수 있다. 하나 이상의 채널들은 정렬되고 연동되는 하나 이상의 개구들의 하나 이상의 인서트들에 의해 주변 액체 전해질로부터 밀봉될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 이를 통과하는 하나 이상의 유체들이 배터리 어셈블리의 전기화학 셀들로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 내부 보강 구조를 갖는 단부 플레이트의 정면도이다.
도 2는 도 1의 단부 플레이트와 주변부에 배치된 멤브레인을 갖는 배터리 어셈블리의 사시도이다.
도 3은 배터리 어셈블리의 전극 플레이트들의 부분적으로 분해된 스택을 도시한다.
도 4는 배터리 어셈블리의 전극 플레이트들의 부분적으로 분해된 스택을 도시한다.
도 5는 배터리 어셈블리의 도 1에 도시된 바와 같은 단면 A-A를 따른 단면도를 도시한다.
도 6은 배터리 어셈블리의 사시도를 도시한다.
도 7a는 배터리 어셈블리의 사시도를 도시한다.
도 7b는 배터리 어셈블리의 사시도를 도시한다.
도 8은 배터리 어셈블리의 하나 이상의 채널들을 통한 단면의 사시도를 도시한다.
도 9는 배터리 어셈블리의 하나 이상의 채널들을 통한 단면의 사시도를 도시한다.
도 10은 냉각 채널이 있는 경우와 없는 경우에 배터리 어셈블리를 비교하는 그래프를 도시한다.
본 명세서에 제공된 설명 및 예시는 본 교시, 그 원리 및 실제 적용을 당업자에게 익히도록 의도된 것이다. 설명된 바와 같은 본 교시의 특정 실시예는 본 교시의 완전하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 교시의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여 결정되어야 하며, 그러한 청구범위가 부여된 균등물의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다. 특허 출원 및 간행물을 포함한 모든 아티클 및 참고 문헌의 개시는 모든 목적을 위해 참고로 포함된다. 이하의 청구범위로부터 알 수 있는 바와 같이 다른 조합도 가능하며, 이는 또한 본 명세서에 참조로 포함된다.
바이폴라 배터리 어셈블리
본 개시내용의 배터리 어셈블리는 일반적으로 배터리 어셈블리에 관한 것이고 바이폴라 배터리 어셈블리("바이폴라 배터리"로도 지칭됨)로서 특정 용도를 찾을 수 있다. 배터리 어셈블리는 복수의 전극 플레이트들의 하나 이상의 스택들을 포함한다. 복수의 전극 플레이트들은 하나 이상의 바이폴라 플레이트들, 모노폴라 플레이트들, 듀얼 폴라 플레이트들, 단부 플레이트들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 바이폴라 플레이트들은 일 표면 상에 애노드 및 대향 표면 상에 캐소드를 갖는 기판을 포함한다. 모노폴라 플레이트는 표면에 증착된 애노드 또는 캐소드를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 모노폴라 플레이트들은 바이폴라 플레이트들, 듀얼 폴라 플레이트들, 또는 그 사이에 위치된 둘 모두를 갖는 하나 이상의 스택들의 대향 단부들에 위치될 수 있다. 배터리 어셈블리는 제1 단부 플레이트 및 제2 단부 플레이트와 같은 하나 이상의 단부 플레이트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 스택의 하나 이상의 단부들에 부착된다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 하나 이상의 모노폴라 플레이트들이거나 모노폴라 플레이트들로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 제1 단부 플레이트는 제2 단부 플레이트에 대해 스택의 대향 단부에 부착될 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 배터리 어셈블리 내에서 진공을 끌어들이는 동안, 배터리 어셈블리를 채우는 동안, 배터리 어셈블리의 충전 및/또는 방전 사이클에서 동작하는 동안, 또는 임의의 이들의 조합에서 하나 이상의 전극 플레이트들을 보강하는데 유용할 수 있다. 스택은 분리막과 전극 플레이트들의 각각의 인접한 쌍 사이에 위치한 전해질을 포함한다. 전해질은 애노드 및 캐소드와 협력하여 전기화학 셀을 형성할 수 있다. 배터리 어셈블리는 하나 이상의 채널들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 전극 플레이트들, 전해질, 분리막들 또는 이들의 조합을 가로질러 통과할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 개구, 인서트 또는 둘 모두에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 개구, 인서트, 또는 둘 모두는 하나 이상의 전극 플레이트들, 분리막들, 또는 둘 모두의 일부(예를 들어, 부착됨, 일체형)일 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 채널들이 통과하는 액체 전해질로부터 밀봉될 수 있다. 하나 이상의 유체들이 하나 이상의 채널들을 통해 순환할 수 있다. 하나 이상의 유체는 산세척, 형성, 충전, 방전 또는 이들의 임의의 조합 동안 배터리 어셈블리의 온도를 제어하는 데 도움이 될 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 단부 플레이트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 하나 이상의 전극 플레이트들을 보강하고 외부 환경과 비교하여 배터리 어셈블리 내의 압력 차이로 인한 하나 이상의 전극 플레이트들의 외부 및 내부 변형에 저항하거나 이를 방지하고, 하나 이상의 전극 플레이트들에 대한 반영구적 또는 영구적 손상을 방지하고, 밀봉을 생성하는 연동된 컴포넌트(interlocked component)들이 밀봉 상태를 유지하고 이들의 조합을 위한 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 하나 이상의 전극 플레이트들을 강화하고 외부 환경과 비교하여 배터리 어셈블리 내의 압력 차이로 인한 하나 이상의 전극 플레이트들의 외부 및 내부 변형에 저항하거나 이를 방지하고, 하나 이상의 전극 플레이트들에 대한 반영구적 또는 영구적 손상을 방지하고, 밀봉을 생성하는 연동 컴포넌트들이 밀봉된 상태로 유지되도록 하고, 또는 이들의 임의의 조합을 위한 임의의 크기, 형상 및/또는 구성을 가질 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 전극 플레이트일 수도 있고 아닐 수도 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 하나 이상의 모노폴라 플레이트들일 수 있다. 예를 들어, 전극 플레이트들의 스택의 대향 단부들에서, 각각의 모노폴라 플레이트는 단부 플레이트일 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 하나 이상의 전극 플레이트들에 인접할 수 있다. 예를 들어, 대향하는 모노폴라 플레이트들을 포함하는 전극 플레이트들의 스택의 대향 단부들에서 단부 플레이트가 각각의 모노폴라 플레이트에 부착될 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 스택의 대향 단부들에서 하나 이상의 전극 플레이트들에 부착될 수 있다. 예를 들어, 스택은 제2 단부 플레이트에 대해 스택의 대향 단부에 있는 제1 단부 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 동작 동안 배터리 어셈블리 내의 온도 및 압력에 의해 생성된 외부 팽창에 저항하거나, 배터리 어셈블리 내부의 진공을 끌어내는 동안 내부 굽힘에 저항하거나, 또는 둘 모두에 대해 충분히 강성일 수 있다. 단부 플레이트는 베이스, 내부 보강 구조, 하나 이상의 개구들, 하나 이상의 융기된 인서트(raised insert)들, 하나 이상의 부착 메커니즘들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 내부 보강 구조, 인서트들, 개구들을 갖고 모노폴라 플레이트로서 유용한 예시적인 단부 플레이트는 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제10,141,598호에 논의되어 있다.
배터리 어셈블리는 복수의 전극 플레이트들을 포함할 수 있다. 전극 플레이트들은 바이폴라 플레이트, 모노폴라 플레이트, 듀얼 폴라 플레이트, 단부 플레이트 등, 또는 이들의 임의의 조합으로서 사용하는데 유용할 수 있다. 복수의 전극 플레이트들은 함께 적층되어 전극 플레이트 스택(본 명세서에서 "스택" 및 "전극 플레이트들의 스택"으로도 지칭됨)을 형성한다. 전극 플레이트는 하나 이상의 전극들로서 기능할 수 있고, 하나 이상의 전기활성 물질을 포함하고, 전기화학 셀의 일부일 수 있고, 하나 이상의 밀봉 구조들의 일부를 형성하거나, 이들의 임의의 조합에 해당할 수 있다. 복수의 전극 플레이트들은 배터리 어셈블리 내에서 전류(즉, 이온 및 전자의 흐름)를 전도하는 기능을 할 수 있다. 복수의 전극 플레이트들은 하나 이상의 전기화학 셀들을 형성할 수 있다. 예를 들어, 분리막 및/또는 전해질을 사이에 둘 수 있는 한 쌍의 전극 플레이트들은 전기화학 셀을 형성할 수 있다. 존재하는 전극 플레이트들의 수는 배터리의 원하는 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 배터리 어셈블리 설계는 생산할 수 있는 전압의 유연성을 제공한다. 복수의 전극 플레이트들은 임의의 원하는 단면 형상을 가질 수 있으며, 단면 형상은 사용 환경에서 사용 가능한 패키징 공간에 맞게 설계될 수 있다. 단면 형상은 시트의 면들의 관점에서 플레이트들의 형상을 나타낼 수 있다. 플랙서블 단면 형상 및 크기는 배터리가 사용되는 시스템의 전압 및 크기 요구를 수용하도록 개시된 어셈블리의 준비를 허용한다. 대향하는 단부 플레이트들은 그 사이에 복수의 전극 플레이트들을 샌드위치할 수 있다. 하나 이상의 전극 플레이트들은 PCT 출원 번호 PCT/US2018/033435에 기술된 것과 같은 하나 이상의 비평면 구조를 포함할 수 있으며, 이는 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.
하나 이상의 전극 플레이트들은 하나 이상의 바이폴라 플레이트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 바이폴라 플레이트들을 단일 또는 복수의 바이폴라 플레이트들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 복수라는 것은 하나 이상의 플레이트들이 존재한다는 것을 의미한다. 바이폴라 플레이트는 기판을 포함한다. 기판은 두 개의 대향 면들을 갖는 시트 형태일 수 있다. 기판은 대향 면들 상에 하나 이상의 활성 물질들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 캐소드 및 애노드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 기판 상에 도포된 페이스트(paste) 형태일 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 그 위에 전사 시트(transfer sheet)를 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트들은 하나 이상의 스택들로 배터리 어셈블리에 배열되어 하나의 바이폴라 플레이트의 캐소드가 다른 바이폴라, 모노폴라 또는 듀얼 폴라 플레이트의 애노드를 향하고, 각 바이폴라 플레이트의 애노드가 다른 바이폴라, 모노폴라 또는 듀얼 폴라 플레이트의 캐소드를 향할 수 있다.
하나 이상의 전극 플레이트들은 하나 이상의 모노폴라 플레이트들일 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 단일 또는 복수의 모노폴라 플레이트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 복수의 전극 플레이트들의 각각의 대향 단부에 위치하는 모노폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 제1 모노폴라 플레이트 및 제2 모노폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 대향하는 모노폴라 플레이트들은 그 사이에 위치하는 하나 이상의 바이폴라 플레이트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 하나 이상의 단부 플레이트들에 인접하여 위치할 수 있거나, 그 일부일 수 있거나, 또는 하나 이상의 단부 플레이트일 수 있다. 예를 들어, 모노폴라 플레이트들의 각각은 인접한 단부 플레이트와 인접한 바이폴라 플레이트 사이에 위치할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 하나 이상의 단부 플레이트들에 부착될 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 단부 플레이트들은 단부 플레이트와 통합될 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 배터리 어셈블리의 대향 단부들에 위치된 하나 이상의 단부 플레이트들일 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 단부 플레이트들은 하나 이상의 내부 보강재들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 모노폴라 플레이트들은 하나 이상의 바이폴라 플레이트들에서 사용되는 것과 동일한 기판, 활성 물질, 또는 둘 모두로부터 제조될 수 있다. 모노폴라 플레이트는 기판의 한 표면에만 배치된 하나 이상의 활성 물질들을 가질 수 있고 대향 표면에는 활성 물질이 없을 수 있다. 베터리 어셈블리의 하나의 모노폴라 플레이트는 캐소드가 배치된 기판을 가질 수 있다. 배터리 어셈블리의 하나의 모노폴라 플레이트는 애노드가 배치된 기판을 가질 수 있다.
하나 이상의 전극 플레이트들은 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트들을 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트는 전극 플레이트들의 하나 이상의 스택들을 전극 플레이트들의 하나 이상의 다른 스택들과 전기적으로 연결하는 것을 용이하게 하고, 둘 이상의 스택들의 제조 및 조립을 단순화거나 둘 모두에 해당하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 듀얼 폴라 플레이트들을 사용하여 전극 플레이트들의 둘 이상의 스택들을 전기적으로 연결하면 전극 플레이트들의 개별 스택들이 표준 크기(예를 들어, 플레이트들 및/또는 전기화학 셀들의 수)로 형성된 다음 조립되어 바이폴라 배터리 어셈블리를 형성할 수 있고; 바이폴라 배터리 어셈블리에 의해 생성되는 전력을 증가 또는 감소시키기 위해 전극 플레이트들의 개별 스택들의 수를 쉽게 변경하고; 또는 둘 모두의 기능을 할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트들은 하나 이상의 기판들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판들은 단일 기판 또는 복수의 기판들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판들은 하나 이상의 전도성 기판들, 하나 이상의 비전도성 기판들, 또는 둘 모두의 조합을 포함할 수 있다. 복수의 도전성 기판들은 제1 도전성 기판 및 제2 도전성 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 듀얼 폴라 플레이트는 그 사이에 비전도성 기판이 위치하는 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 듀얼 폴라 플레이트는 비전도성 기판을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 듀얼 폴라 플레이트는 단일 전도성 기판을 포함할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 하나 이상의 기판들은 대향 표면들을 포함한다. 대향 표면들은 표면의 일부와 접촉 및/또는 그에 증착되는 애노드, 캐소드, 집전기(current collector), 전류 전도체, 전류 도관, 또는 이들의 임의의 조합을 갖는다. 듀얼 폴라 플레이트의 전도성 기판은 표면 또는 대향하는 양 표면들 상에 증착된 하나 이상의 활성 물질들을 가질 수 있다. 대향 표면들 상에 동일한 하나 이상의 활성 물질들 및/또는 활성 물질들의 극성(예를 들어, 애노드 또는 캐소드)을 갖는 것은 하나 이상의 스택들(예를 들어, 양 또는 음의 전류 전도체, 집전기, 도관 또는 모노폴라 플레이트의 단자)의 다른 전류 전도체(예를 들어, 집전기, 전도체, 도관, 단자)에 대한 단 하나의 전기적 연결(예를 들어, 양 또는 음의 전류 전도체를 통해)을 요구함으로써 제조를 단순화할 수 있다. 듀얼 폴라 플레이트의 기판은 대향하는 표면들 중 하나 또는 둘 모두에 배치된 집전기를 가질 수 있다. 집전기는 캐소드 또는 애노드와 기판 표면 사이에 배치될 수 있다. 예시적인 듀얼 폴라 플레이트들 및 배터리 어셈블리로의 통합은 미국 특허 번호 제9,685,677호; 제9,825,336호; 및 미국 특허 출원 공개 번호 제2018/0053926호에 개시되어 있으며; 이는 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
하나 이상의 전극 플레이트들은 하나 이상의 기판들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 기판들은 하나 이상의 활성 물질들에 대한 구조적 지지를 제공하고; 셀 구획으로서 인접한 전기화학 셀들 사이의 전해질의 흐름을 방지하고; 배터리의 외부 표면 상에 있을 수 있는 바이폴라 플레이트 에지들에 대해 전해질 기밀 밀봉을 형성하기 위해 다른 배터리 컴포넌트와 협력하고; 하나 이상의 인서트 및/또는 채널들에 대한 지원으로서; 및 일부 실시예에서 전자를 한 표면에서 다른 표면으로 전달하는 기능을 할 수 있다. 기판은 기능 또는 배터리 화학에 따라 다양한 재료로 형성될 수 있다. 기판은 원하는 바이폴라 전극 플레이트의 골격을 제공하기에 충분히 구조적으로 강건한 재료로 형성될 수 있고, 배터리 구성에 사용되는 전도성 재료의 융점을 초과하는 온도를 견디고, 전해질과 접촉시 기판이 열화되지 않도록 전해질(예를 들어, 황산 용액)과 접촉 시 높은 화학적 안정성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 기판은 적절한 재료로 형성될 수 있고 및/또는 기판의 한 표면에서 반대쪽 기판 표면으로 전기의 전달을 허용하는 방식으로 구성될 수 있다. 기판은 전기 전도성 재료, 예를 들어 금속 재료로 형성될 수 있으며, 또는 전기 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 예시적인 비전도성 물질은 하나 이상의 중합체를 포함할 수 있고; 예를 들어 열경화성 중합체, 엘라스토머 중합체 또는 열가소성 중합체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 비전도성 기판은 내부 또는 그 위에 구성된 전기 전도성 피쳐들을 가질 수 있다. 사용될 수 있는 중합체 물질의 예는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리에틸렌(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 고밀도 폴리에틸렌 및 저밀도 폴리에틸렌 포함), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 바이오 기반 플라스틱/바이오중합체(예를 들어, 폴리락트산), 실리콘, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 또는 이들의 조합, 예를 들어 PC/ABS(폴리카보네이트와 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌의 혼합물)를 포함한다. 복합 기판이 사용될 수 있으며, 복합재는 강화 재료, 예를 들어 당업계에 일반적으로 알려진 섬유 또는 충전제, 열경화성 중합체의 주변부에 대한 열경화성 코어 및 열가소성 쉘 또는 열가소성 에지와 같은 두 가지 다른 중합체 재료, 또는 비전도성 중합체에 배치된 전도성 재료를 포함할 수 있다. 기판은 접합 가능한, 바람직하게는 용융 접합 가능한 열가소성 재료를 플레이트들의 에지에서 포함하거나 가질 수 있다.
하나 이상의 기판들은 하나 이상의 프레임들을 가질 수 있다. 하나 이상의 프레임들은 하나 이상의 전기화학 셀들을 형성하기 위해 복수의 전극 플레이트들의 적층 및/또는 연동을 용이하게 할 수 있다. 하나 이상의 프레임들은 하나 이상의 기판들의 주변부의 전체 또는 적어도 일부 주위에 위치될 수 있다. 하나 이상의 프레임들은 하나 이상의 융기된 에지들을 포함할 수 있다. 프레임은 기판 주위에 위치할 수 있고, 기판을 보유할 수 있으며, 기판과 통합되거나 이들의 조합에 해당할 수 있다. 하나 이상의 전극 플레이트들의 하나 이상의 프레임들은 하나 이상의 인접한 분리막들, 인접한 전극 플레이트들, 또는 둘 모두의 하나 이상의 프레임과 정렬되고 연동되어 하나 이상의 전기화학 셀들에 대한 밀봉을 형성할 수 있다. 하나 이상의 예시적인 프레임들이 미국 특허 번호 제10,141,598호 및 PCT 공개 번호 WO 2018/213730, WO 2020/102677, 및 WO 2020/243093에 개시되어 있으며, 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.
하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들 또는 둘 모두는 밀봉 표면을 포함할 수 있다. 밀봉 표면은 전극 플레이트들의 스택을 압축하고 밀봉하기 위해 하나 이상의 포스트(post)들과 협력하는 기능을 할 수 있다. 밀봉 표면은 전극 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 하나 이상의 개구들에 인접한 전극 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 표면, 채널에 인접한 전극 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 표면, 인서트와 개구 사이의 전극 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 표면, 인서트의 표면, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 밀봉 표면은 중첩 부분과 같은 포스트의 일부와 직접 접촉하는 전극 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 표면일 수 있다. 밀봉 표면은 모노폴라 플레이트를 향하고 및/또는 이와 접촉하는 단부 플레이트의 표면에 대향할 수 있다. 밀봉 표면은 바이폴라 플레이트를 향하는 모노폴라 플레이트의 표면과 대향할 수 있다. 전극 플레이트 및/또는 단부 플레이트의 밀봉 표면은 포스트에 의해 압축이 가해질 때 밀봉을 개선하기 위해 수정될 수 있다. 밀봉 표면은 매끄럽고 윤곽이 잡혀 있거나 거칠거나 표면 처리될 수 있다. 매끄러운 표면은 액체 흐름을 허용하는 결함 없이 전해질을 기밀 밀봉할 수 있는 큰 접촉 영역을 갖다. 동심 링(들), 리지(ridge)(들) 또는 기복과 같은 윤곽은 고압 접촉 영역 또는 "링"이 액체 전해질의 흐름에 저항하도록 한다. 리지는 액체 밀봉을 용이하게 하기 위해 변형 가능한 평평한 시트 또는 O-링과 같은 개스킷 재료로 채워질 수 있다. 변형 가능한 재료의 거친 밀봉 표면은 압축되어 신뢰할 수 있는 액체 전해질 밀봉을 형성할 수 있다. 액체 전해질에 의한 습윤과 호환되지 않도록 밀봉 표면을 표면 처리하면 액체 전해질이 채널로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 친수성 전해질을 사용하면 밀봉 표면을 소수성으로 만들 수 있다. 마찬가지로 소수성 전해질을 사용하는 경우 밀봉 표면은 친수성이어야 한다.
하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들, 또는 둘 모두는 하나 이상의 부착 메커니즘들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 하나 이상의 전극 플레이트들, 전극 플레이트들의 스택 또는 둘 모두에 하나 이상의 단부 플레이트들을 부착하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들 또는 하나 이상의 전극 플레이트들에 부착되는 단부 플레이트는 배터리 작동 전, 작동 중 및/또는 후에 하나 이상의 전기화학 셀들의 진공 제거, 충전, 환기, 냉각, 가열, 충전 및/또는 방전 중에 하나 이상의 전극 플레이트들의 변형을 방지할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들은 배터리의 작동 전, 후, 또는 작동 중에 변형력을 견딜 수 있는 임의의 유형의 부착 메커니즘을 통해 하나 이상의 전극 플레이트들, 전극 플레이트들의 스택, 또는 둘 모두에 부착될 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 전극 플레이트에 단부 플레이트 주변의 적어도 일부 주위에 하나 이상의 단부 플레이트를 부착할 수 있고, 전극 플레이트에 단부 플레이트 내부의 적어도 일부를 부착할 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 플라스틱 대 금속, 플라스틱 대 플라스틱, 금속 대 금속, 또는 이들의 임의의 조합을 연동할 수 있는 임의의 부착 메커니즘일 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 단부 플레이트 및/또는 전극 플레이트와 일체화되거나 분리될 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 전극 플레이트의 외부 표면에 부착될 수 있으며, 하나 이상의 전극 플레이트들을 적어도 부분적으로 통과하고, 단부 플레이트에서 전극 플레이트 쪽으로 및/또는 전극 플레이트 안으로 돌출하고, 전극 플레이트에서 단부 플레이트 쪽으로 및/또는 단부 플레이트로 돌출하고, 또는 이들의 임의의 조합에 해당할 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 단부 플레이트, 전극 플레이트, 또는 둘 모두의 개구에 수용될 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 하나 이상의 접착 재료, 기계적 파스너, 몰딩된 파스너 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 기계적 파스너는 나사형 파스너, 클립, 스테이플 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 나사형 파스너는 나사, 볼트, 스터드, 너트 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 접착 재료는 접착제, 실런트, 테이프 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 접착제는 에폭시, 아크릴, 우레탄 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 테이프는 매우 높은 본드 테이프, 양면 테이프 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 몰딩된 파스너는 히트 스테이크, 용접부 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 클립은 스냅핏, 프레스핏, 캔틸레버 클립, 후크면이 있는 클립을 포함할 수 있다.
하나 이상의 전극 플레이트들은 하나 이상의 활성 물질들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 전극 플레이트의 캐소드, 애노드, 또는 둘 모두로서 기능할 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 애노드, 캐소드 또는 둘 모두로서 기능하기 위해 배터리에서 일반적으로 사용되는 임의의 형태일 수 있다. 바이폴라 플레이트는 표면에 캐소드로 기능하는 하나 이상의 활성 물질들 및 반대 표면에 애노드로 기능하는 하나 이상의 활성 물질들을 가질 수 있다. 모노폴라 플레이트는 표면에 캐소드 또는 애노드로 기능하는 하나 이상의 활성 물질들을 갖는 반면 반대 표면은 애노드와 캐소드가 없다. 듀얼 폴라 플레이트는 표면에 캐소드 또는 애노드로 기능하는 하나 이상의 활성 물질들을 가질 수 있는 반면, 반대쪽 표면에는 캐소드 또는 애노드로도 기능하는 하나 이상의 유사한 활성 물질이 있을 수 있다. 하나의 전극 플레이트의 캐소드는 다른 전극 플레이트의 애노드와 대향할 수 있다. 캐소드는 하나 이상의 양의 활성 물질(PAM)로 지칭될 수 있다. 애노드는 하나 이상의 음의 활성 물질(NAM)로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 임의의 적합한 활성 물질을 포함할 수 있고, 이는 전해질, 반대되는 하나 이상의 활성 물질, 또는 동일한 전기화학 셀의 둘 모두와의 전기화학 반응을 촉진한다. 하나 이상의 활성 물질들은 전해질과의 환원 및/또는 산화 반응을 갖도록 선택될 수 있다.
하나 이상의 활성 물질들은 납산, 리튬 이온, 및/또는 니켈 금속 수소화물 배터리를 포함하는 이차 배터리에서 일반적으로 사용되는 하나 이상의 물질들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 리튬, 납, 탄소, 또는 전이 금속의 복합 산화물, 황산염 화합물, 또는 인산 화합물을 포함할 수 있다. 복합 산화물의 예는 LiCoO2와 같은 Li/Co계 복합 산화물; LiNiO2 등의 Li/Ni계 복합 산화물; 스피넬 LiMn2O4와 같은 Li/Mn 기반 복합 산화물 및 LiFeO2와 같은 Li/Fe 기반 복합 재료를 포함한다. 전이 금속 및 리튬의 예시적인 인산염 및 황 화합물은 LiFePO4, V2O5, MnO2, TiS2, MoS2, MoO3, PbO2, AgO, NiOOH 등을 포함한다. 예를 들어, 납 축전지에서, 하나 이상의 활성 물질들은 이산화납(PbO2), 삼염기성 산화납(3PbO), 삼염기황산납(3PbO
Figure pct00001
3PbSO4), 사염기성 산화납(4PbO), 사염기성 황산납(4PbO
Figure pct00002
4PbSO4), 또는 이들의 임의의 조합이거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 활성 물질들은 하나 이상의 활성 물질들이 전기화학 셀의 캐소드, 애노드, 또는 둘 모두로서 기능하도록 하는 임의의 형태일 수 있다. 예시적인 형태는 페이스트 형태의 성형 부품, 사전 제작된 시트 또는 필름, 스펀지, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 활성 물질들은 스폰지 납을 포함할 수 있다. 스폰지 납은 다공성으로 인해 유용할 수 있다. 하나 이상의 적합한 활성 물질 및/또는 그의 형태는 PCT 특허 출원 번호: PCT/US2019/061725에 기재되어 있을 수 있으며, 이는 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 전기화학 셀들을 포함할 수 있다. 전기화학 셀은 그 사이에 대향하는 애노드 및 캐소드 쌍을 갖는 한 쌍의 대향 전극 플레이트들에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 전기화학 셀들이 밀봉될 수 있다. 전기화학 셀의 공간(즉, 대향하는 애노드 및 캐소드 쌍 사이)에는 전해질이 포함될 수 있다. 전기화학 셀들은 하나 이상의 채널들, 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 프레임들, 또는 이들의 조합 주위에 형성된 하나 이상의 밀봉부들을 통해 밀봉될 수 있다. 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 폐쇄된 전기화학 셀들을 형성할 수 있다. 폐쇄된 전기화학 셀들은 셀들의 누출 및 단락을 방지하기 위해 환경으로부터 밀봉될 수 있다.
배터리 어셈블리는 전해질을 포함할 수 있다. 전해질은 전자와 이온이 애노드와 캐소드 사이를 흐르게 할 수 있다. 전해질은 전극 플레이트들의 각각의 쌍 사이의 전기화학 셀들 내에 위치할 수 있다. 하나 이상의 전기화학 셀들이 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 명세서에서 유용한 유기계 전해질은 유기 용매에 용해된 전해질 염을 포함한다. 리튬 이온 이차 전지에서는 전해질 염에 리튬이 포함될 필요가 있다. 리튬 함유 전해질 염의 경우, 예를 들어 LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiSO3CF3 및 LiN(CF3SO2)2를 사용할 수 있다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용될 수 있다. 유기 용매는 분리막, 애노드 및 캐소드 및 전해질 염과 상용성이어야 한다. 고전압을 인가하여도 분해되지 않는 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트 및 에틸 메틸 카보네이트와 같은 카보네이트; 테트라히드로푸란(THF), 2-메틸테트라히드로푸란 등의 환상 에테르류; 1,3-디옥솔란, 4-메틸디옥솔란 등의 환상 에스테르류;
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-부티로락톤과 같은 락톤류; 설포란; 3-메틸술포란; 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 에톡시메톡시메탄 및 에틸디글라임을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 용매들은 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용될 수 있다. 액체 전해질 중의 전해질 농도는 바람직하게는 0.3 내지 5몰/l이어야 한다. 일반적으로 전해질은 1몰/l 부근에서 가장 높은 전도도를 나타낸다. 액체 전해질은 바람직하게는 전해질의 30 내지 70 중량%, 특히 40 내지 60 중량%를 차지해야 한다. 수성 전해질은 셀의 기능을 향상시키는 물 내의 산 또는 염을 포함한다. 바람직한 염 및 산은 황산, 황산나트륨 또는 황산칼륨 염을 포함한다. 염 또는 산은 셀의 동작을 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. 납축전지의 바람직한 전해질은 물 내의 황산이다. 전해질은 전기화학 셀의 분리막을 통과할 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 분리막들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리막들은 전기화학 셀을 구획하고(즉, 전기화학 셀의 애노드로부터 캐소드를 분리하는); 덴드라이트(dendrite) 형성으로 인한 셀들의 단락 방지하고; 액체 전해질, 이온, 전자 또는 이러한 요소들의 조합이 통과할 수 있도록 기능하고; 또는 이들의 임의의 조합을 위한 기능을 할 수 있다. 인용된 기능 중 하나 이상을 수행하는 임의의 공지된 배터리 분리막이 본 발명의 어셈블리에 사용될 수 있다. 하나 이상의 분리막들이 전기화학 셀의 애노드와 캐소드 사이에 위치할 수 있다. 바이폴라 플레이트들 사이, 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 사이, 또는 바이폴라 플레이트와 듀얼 폴라 플레이트 사이를 포함할 수 있는 한 쌍의 인접한 전극 플레이트들 사이에 하나 이상의 분리막이 위치할 수 있으며, 분리막은 다공성 중합체 필름, 유리 매트, 다공성 고무, 이온 전도성 젤과 같은 비전도성 재료, 또는 목재 등과 같은 천연 재료로 제조될 수 있다. 분리막은 하나 이상의 개구들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 전극 플레이트들의 하나 이상의 개구들과 정렬될 수 있다. 분리막은 전해질, 이온, 전자 또는 이들의 조합이 분리막을 통과할 수 있게 하는 분리막을 통한 기공 또는 구불구불한 경로를 포함할 수 있다. 분리막으로 유용한 예시적인 재료 중에는 흡수성 유리 매트, 다공성 초고분자량 폴리올레핀 멤브레인 등이 있다. 분리막은 하나 이상의 단부 플레이트, 전극 플레이트, 다른 분리막, 또는 이들의 임의의 조합에 그들의 주변 및/또는 내부 주위에 부착될 수 있다. 분리막은 하나 이상의 부착 메커니즘들, 포스트들 또는 둘 모두를 수용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 단부 플레이트들, 하나 이상의 전극 플레이트들, 및/또는 하나 이상의 분리막들의 스택을 통해 연장되는 하나 이상의 포스트들 및/또는 부착 메커니즘들은 복수의 전극 플레이트들과 하나 이상의 분리막들의 스택을 함께 유지할 수 있다. 하나 이상의 부착 메커니즘들은 분리막의 주변부 주위에, 분리막의 프레임에 바로 인접하여, 프레임과 분리막의 개구 사이, 또는 이들의 임의의 조합에 위치할 수 있다. 분리막은 인접한 캐소드 및 애노드의 면적보다 더 큰 면적을 가질 수 있다. 분리막은 셀의 애노드 부분으로부터 셀의 캐소드 부분을 완전히 분리할 수 있다. 분리막의 에지는 주변 에지들 및/또는 인접한 전극 플레이트들의 프레임들과 접촉할 수 있으며, 이는 그 위에 배치된 애노드 또는 캐소드를 갖지 않을 수 있어, 셀의 애노드 부분을 셀의 캐소드 부분으로부터 완전히 분리시킨다. 프레임이 있는 것과 같은 하나 이상의 예시적인 분리막은 미국 특허 번호 제10,141,598호에 개시되어 있는 반면, 분리막으로 적합한 하나 이상의 적절한 전사 시트는 PCT 공개 번호 WO 2018/213730에 개시되어 있으며, 둘 모두는 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
하나 이상의 분리막은 프레임을 포함하거나 프레임이 없을 수 있다. 프레임이 존재하는 경우 프레임은 인접한 전극 플레이트의 에지 또는 프레임과 일치하도록 기능하고 전기화학 셀과 배터리 외부 사이에 밀봉을 형성할 수 있다. 하나 이상의 분리막 프레임들은 하나 이상의 전극 플레이트들의 하나 이상의 프레임들과 실질적으로 유사할 수 있다.
하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들, 분리막들, 또는 이들의 조합은 하나 이상의 개구들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 부착 메커니즘이 통과할 수 있는 개구를 제공하고; 하나 이상의 전극 플레이트들, 분리막들, 단부 플레이트들 및/또는 인서트들과 협력하여 하나 이상의 채널의 일부를 형성하고; 하나 이상의 밀봉들을 하우징하거나 그 일부가 되고; 배터리 어셈블리의 진공 제거, 충전 및/또는 배출을 허용하고; 하나 이상의 채널들을 통한 유체 순환을 제공하고; 하나 이상의 전기 전도성 재료를 유지하거나 또는 이들의 임의의 조합을 위한 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 원하는 기능의 임의의 조합을 제공하기 위해 임의의 크기, 형상 및/또는 구성을 가질 수 있다. 하나 이상의 개구들은 하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들 및/또는 기판의 개구들 및/또는 구멍에 대해 설명된 바와 같은 특징의 임의의 조합을 가질 수 있다. 하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들, 및/또는 분리막들의 하나 이상의 개구들은 하나 이상의 다른 전극 플레이트들, 단부 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 개구들과 정렬(즉, 동심일 수 있음)되어 하나 이상의 채널들을 형성할 수 있다. 정렬은 횡단 방향(transverse direction)일 수 있다. 횡단 방향은 기판 및/또는 분리막의 면에 실질적으로 수직인, 배터리 어셈블리의 길이를 가로질러, 배터리 어셈블리의 길이방향 축에 평행한, 또는 이들의 조합을 의미할 수 있다. 횡단 방향은 캐소드 및/또는 애노드가 증착될 수 있는 기판의 대향 표면에 실질적으로 수직일 수 있다. 횡단 방향은 하나 이상의 개구들의 단면의 일반적인 폭, 직경 또는 둘 모두가 기판 및/또는 분리막의 면에 실질적으로 평행하다는 것을 의미할 수 있다. 전극 플레이트, 단부 플레이트, 및/또는 기판의 하나 이상의 개구들은 인접할 수 있는 다른 전극 플레이트, 단부 플레이트, 및/또는 분리막의 하나 이상의 개구들과 유사한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 하나 이상의 개구들은 부착 메커니즘을 수용하고, 포스트를 수용하고, 인서트와 협력하거나, 개구의 원하는 기능의 임의의 조합을 수용하는 기능을 하는 단면 형상을 가질 수 있고 일반적으로 직사각형, 원형, 삼각형, 타원형, 난형 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 하나 이상의 개구들은 하나 이상의 부착 메커니즘들, 하나 이상의 포스트들, 하나 이상의 밸브들, 또는 이들의 임의의 조합을 수용하기에 충분한 단면 폭을 가질 수 있다. 개구는 기계가공(예를 들어, 밀링)되거나, 기판의 제조 동안(예를 들어, 몰딩 또는 성형 작업에 의해) 형성되거나, 그렇지 않으면 제조될 수 있다. 개구들은 직선 및/또는 매끄러운 내부 벽 또는 표면을 가질 수 있다. 기판에 형성된 개구의 크기와 빈도는 배터리의 저항에 영향을 줄 수 있다. 하나 이상의 개구들은 동일한 단부 플레이트 및/또는 인접한 전극 플레이트 내에 형성된 하나 이상의 개구의 직경보다 작거나 같거나 더 큰 단면 폭을 가질 수 있다. 하나 이상의 개구들의 단면 폭은 연속적이거나, 테이퍼지거나, 개구의 길이를 따라 확장될 수 있다. 하나 이상의 개구들의 단면 폭은 하나 이상의 포스트들, 로드들, 유체, 전해질, 또는 이들을 통한 이들의 조합을 수용하기에 적합할 수 있다. 하나 이상의 개구는 약 0.2mm 이상, 1mm 이상, 약 3mm 이상, 또는 심지어 약 5mm 이상의 단면 폭을 가질 수 있다. 하나 이상의 개구는 약 30mm 이하, 약 25mm 이하, 또는 심지어 약 20mm 이하의 단면 폭을 가질 수 있다. 개구의 단면 폭은 개구의 직경과 동일한 것으로 간주될 수 있다. 하나 이상의 개구들은 인서트, 베이스, 기판, 분리막, 보강 구조, 리브 구조, 또는 이들의 임의의 조합을 부분적으로 또는 완전히 통과할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 그 안에 위치 및/또는 형성된 하나 이상의 인서트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 단부 플레이트, 전극 플레이트, 분리막, 또는 이들의 조합의 내부, 또는 모두의 주변부 주위에 또는 인접하게 위치될 수 있다. 하나 이상의 개구들은 주변부 주위에, 주변부 내에 정의된 내부 내에, 또는 단부 플레이트, 전극 플레이트, 분리막, 또는 이들의 조합 모두에 분포될 수 있다. 하나 이상의 개구들은 하나 이상의 리브 구조에 인접하게, 둘 이상의 리브 구조들 사이에, 셀 내에서, 하나 이상의 인서트에 인접하게, 하나 이상의 인서트 내에서, 또는 이들의 임의의 조합에 위치할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 반복적인 패턴을 형성할 수 있고, 하나 이상의 다른 개구들과 정렬될 수 있고, 하나 이상의 다른 개구들로부터 엇갈리거나 오프셋되거나, 또는 이들의 임의의 조합에 해당할 수 있다. 전극 플레이트, 단부 플레이트 및/또는 기판의 하나 이상의 개구들은 동일한 전극 플레이트, 단부 플레이트 및/또는 기판의 하나 이상의 다른 개구부보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 개구는 다른 개구부보다 약 1.5배 이상, 약 2배 이상, 또는 심지어 약 2.5배 이상 더 클 수 있다. 개구는 다른 개구부보다 약 4배 이하, 약 3.5배 이하, 또는 심지어 약 3배 이하일 수 있다. 개구는 cm2당 약 0.02개 이상의 개구 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 개구는 cm2당 약 4개 미만의 개구 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 개구는 cm2당 약 2.0개의 개구 내지 cm2당 약 2.8개의 개구 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 하나 이상의 개구들은 하나 이상의 주변 개구들, 하나 이상의 내부 개구들, 하나 이상의 채널 개구들, 하나 이상의 전도성 개구들 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
하나 이상의 개구들은 하나 이상의 주변 개구들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 주변 개구들은 단부 플레이트, 전극 플레이트, 또는 둘 모두의 주변의 적어도 일부를 전극 플레이트의 주변의 적어도 일부에 고정하기 위해 하나 이상의 부착 메커니즘들을 수용하고 협력하는 기능을 할 수 있다. 단부 플레이트, 전극 플레이트, 또는 둘 모두의 주변부의 적어도 일부에 대한 인접 전극 플레이트에 대한 부착은 하나 이상의 전극 플레이트의 주변부에 대해 압축력을 인가할 수 있다. 배터리가 동작하는 동안 주변부에 대한 압축력은 하나 이상의 전극 플레이트들이 바깥쪽으로 팽창하는 것을 방지할 수 있다. 배터리 내에서 진공을 끌어들이는 동안 주변에 대한 압축력은 하나 이상의 전극 플레이트들의 안쪽으로 굽힘에 저항할 수 있으며, 이는 전극 플레이트들의 스택의 하나 이상의 에지들 주위에 하나 이상의 밀봉들을 유지할 수 있다. 하나 이상의 주변 개구들은 외부 보강 리브 구조에 인접하게 위치될 수 있고; 단부 플레이트, 전극 플레이트 및/또는 분리막의 내부에 위치될 수 있고; 세포 내에서 위치될 수 있고; 또는 이들의 임의의 조합에 해당할 수 있다. 하나 이상의 주변 개구들은 하나 이상의 다른 개구들과 정렬되거나 이로부터 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 주변 개구들은 하나 이상의 리브 구조들에 실질적으로 평행한 라인에서 하나 이상의 다른 주변 개구들과 정렬될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 주변 개구들은 정렬된 복수의 내부 개구들 및/또는 채널 개구들로부터 오프셋될 수 있다. 하나 이상의 주변 개구들은 부착 메커니즘이 인접한 전극 플레이트를 통과할 수 있는 임의의 단면 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 하나 이상의 주변 개구들은 하나 이상의 다른 개구들보다 작거나 같거나 더 클 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 주변 개구들은 하나 이상의 채널 개구들보다 작을 수 있다.
하나 이상의 개구들은 하나 이상의 내부 개구들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 내부 개구들은 단부 플레이트, 전극 플레이트, 또는 둘 모두의 내부의 적어도 일부를 전극 플레이트의 내부의 적어도 일부에 고정하기 위해 하나 이상의 부착 메커니즘들을 수용하고 협력하는 기능을 할 수 있다. 전극 플레이트의 내부는 전극 플레이트의 융기된 에지들, 프레임, 주변 또는 이들의 조합 사이에 위치하는 전극 플레이트 또는 전극 플레이트의 기판의 일부로 정의될 수 있다. 단부 플레이트, 전극 플레이트, 또는 둘 모두의 내부의 적어도 일부에 대해 인접한 전극 플레이트에 부착하면 하나 이상의 전극 플레이트 내부에 압축력이 가해질 수 있다. 배터리 작동 중 전극 플레이트 내부의 압축력은 하나 이상의 전극 플레이트들이 바깥쪽으로 팽창하는 것을 막을 수 있다. 배터리 내부를 진공으로 끌어들이는 동안 전극 플레이트 내부의 압축력은 하나 이상의 전극 플레이트의 내부 팽창에 저항할 수 있다. 하나 이상의 내부 개구들은 하나 이상의 보강 리브 구조들에 인접하거나 이로부터 떨어져 위치할 수 있으며; 단부 플레이트, 전극 플레이트, 분리막 또는 이들의 조합의 내부의 내에 위치할 수 있으며; 세포 내에서 위치할 수 있으며, 또는 이들의 임의의 조합에 해당할 수 있다. 하나 이상의 내부 개구들은 하나 이상의 다른 개구들과 정렬되거나 이로부터 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 내부 개구들은 하나 이상의 리브 구조들에 실질적으로 평행한 라인에서 하나 이상의 다른 내부 개구들과 정렬될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 내부 개구들은 정렬된 복수의 내부 개구들 및/또는 채널 개구들로부터 오프셋될 수 있다. 하나 이상의 내부 개구들은 부착 메커니즘이 인접한 전극 플레이트들을 통과할 수 있는 임의의 단면 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 하나 이상의 내부 개구들은 하나 이상의 다른 개구들보다 작거나 같거나 더 클 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 내부 개구들은 하나 이상의 채널 개구들보다 작을 수 있다.
하나 이상의 개구들은 하나 이상의 채널 개구들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들은 하나 이상의 채널들을 형성하기 위해 하나 이상의 전극 플레이트들의 하나 이상의 개구들과 정렬하고; 배터리 어셈블리를 환기, 충전 및/또는 배출하기 위한 개구를 제공하고; 배터리 어셈블리의 내부 내에서 하나 이상의 유체를 순환시키기 위한 개구를 제공하고; 하나 이상의 밸브와 협력하고, 전극 플레이트들의 스택을 압축하기 위해 하나 이상의 포스트를 수용하고; 하나 이상의 로드들을 수용하고; 또는 이들의 임의의 조합에 대응되는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들은 하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 개구들 및/또는 구멍들과 횡단 방향으로 정렬(즉, 동심 정렬)되어 스택을 통해 하나 이상의 채널들을 형성할 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들은 하나 이상의 다른 전극 플레이트들, 단부 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 구멍들과 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들은 하나 이상의 포스트들, 로드들, 유체 또는 그 조합이 통과할 수 있는 임의의 크기를 가질 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들은 하나 이상의 다른 채널 개구들보다 더 작거나 같거나 더 큰 단면 폭 또는 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 채널 개구들은 배터리의 충전, 환기, 냉각 및/또는 가열을 허용하기 위해 하나 이상의 다른 채널 개구들보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들은 하나 이상의 밸브들에 연결되거나 이와 연통할 수 있다. 예를 들어, 다른 채널 개구들보다 직경이 더 큰 채널 개구가 밸브에 연결될 수 있다. 하나 이상의 채널 개구들 근처 및/또는 인접한 베이스의 표면은 밀봉 표면일 수 있다.
하나 이상의 개구들은 하나 이상의 전도성 개구들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전도성 개구들은 전기 전도성 재료, 예를 들어, 금속 함유 재료로 채워질 수 있다. 하나 이상의 전도성 개구들은 하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들, 기판들, 또는 이들의 조합에 형성될 수 있다. 전기 전도성 재료는 기판의 열 분해 온도보다 낮은 온도에서 상 변형을 겪는 물질일 수 있으며, 따라서 상 변형 온도보다 낮은 배터리 어셈블리의 작동 온도에서, 유전체 기판은 기판의 제1 표면과 제2 표면 사이의 재료 혼합물을 통해 전기 전도성 경로를 갖는다. 또한, 상 변형 온도보다 높은 온도에서 전기 전도성 재료 혼합물은 전기 전도성 경로를 통한 전기 전도성을 비활성화하는 상 변형를 겪는다. 예를 들어, 전기 전도성 재료는 땜납 물질이거나 이를 포함할 수 있으며, 예를 들어 납, 주석, 니켈, 아연, 리튬, 안티몬, 구리, 비스무트, 인듐 또는 은 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함한다. 전기 전도성 재료는 납이 실질적으로 없을 수 있거나(즉, 최대 미량의 납을 함유함) 기능적으로 작동하는 양의 납을 포함할 수 있다. 재료는 납과 주석의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는 대부분의 주석과 소량의 납을 포함할 수 있다(예를 들어, 주석 약 55 내지 약 65중량부 및 납 약 35 내지 약 45중량부). 재료는 약 240°C 미만, 약 230°C 미만, 약 220°C 미만, 210°C 미만 또는 심지어 약 200°C 미만인 용융 온도를 나타낼 수 있다(예를 들어, 약 180 내지 약 190°C 범위에서). 재료는 공융 혼합물을 포함할 수 있다. 개구들을 채우기 위한 전기 전도성 재료로 땜납을 사용하는 특징은 사용되는 땜납 유형에 따라 땜납이 지속적인 배터리 동작에 안전하지 않을 수 있는 온도에서 녹도록 조정할 수 있는 정의된 용융 온도를 갖는다는 것이다. 땜납이 녹으면 녹은 땜납을 포함하는 기판 개구가 더 이상 전기 전도성이 아니며 전극 플레이트 내에서 개방 회로가 발생한다. 개방 회로는 바이폴라 배터리 내의 저항을 극적으로 증가시키도록 작동하여 추가 전기 흐름을 멈추고 배터리 내의 불안전한 반응을 차단할 수 있다. 따라서, 개구를 채우도록 선택된 전기 전도성 재료의 유형은 배터리 내에 그러한 내부 셧다운 메커니즘을 포함하는 것이 바람직한지 여부, 그리고 그렇다면 어떤 온도에서 그러한 내부 셧다운을 수행하는 것이 바람직한지에 따라 달라질 수 있다. 기판은 동작 조건이 미리 결정된 조건을 초과하는 경우 기판을 통한 전기 전도도를 방해하여 배터리의 작동을 비활성화하는 기능을 하도록 구성될 것이다. 예를 들어, 유전체 기판의 구멍들을 채우는 전기 전도성 물질은 상 변형(예를 들어, 용융)을 겪을 것이므로 기판 전체의 전기 전도도가 중단된다. 중단의 정도는 기판을 통해 전기를 전도하는 기능을 부분적으로 또는 심지어 완전히 비활성화할 수 있다. 하나 이상의 전도성 개구들은 단부 플레이트, 전극 플레이트, 기판, 또는 이들의 조합의 하나 이상의 다른 개구들의 크기(예를 들어, 직경)보다 작거나 같을 수 있다. 하나 이상의 전도성 개구들은 하나 이상의 다른 개구(예를 들어, 채널 개구들, 주변 개구들, 내부 개구들)의 직경과 비교하여 약 1% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 또는 심지어 약 25% 이상의 직경을 가질 수 있다. 하나 이상의 전도성 개구들은 하나 이상의 다른 개구들의 직경과 비교하여 약 75% 이하, 약 50% 이하, 또는 심지어 약 40% 이하의 직경을 가질 수 있다.
하나 이상의 전극 플레이트들, 단부 플레이트들, 분리막들, 또는 이들의 임의의 조합은 하나 이상의 인서트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 다른 전극 플레이트, 단부 플레이트, 분리막, 또는 이들의 조합의 하나 이상의 인서트와 연동하고; 스택을 통과하는 하나 이상의 채널들의 일부를 정의하고; 하나 이상의 채널들을 따라 누출 방지 밀봉을 형성하고; 하나 이상의 밸브들과 협력하고; 하나 이상의 포스트들 및/또는 로드들을 포함하는 하나 이상의 관형 부재들을 위한 하우징을 제공하고; 유체가 통과하도록 허용하고; 또는 이들의 임의의 조합에 대응하도록 기능할 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 전극 플레이트, 단부 플레이트, 및/또는 분리막의 하나 이상의 인서트들과 연동하고; 채널의 일부를 형성하고; 하나 이상의 채널들을 따라 누출 방지 밀봉을 형성하고; 하나 이상의 밸브들과 협력하고; 또는 이들의 임의의 조합을 위한 임의의 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 전극 플레이트, 단부 플레이트, 분리막, 또는 이들의 조합과 일체화되거나 이에 부착될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 기판, 베이스 또는 둘 모두와 일체로 결합되거나 이에 부착될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 보스(boss)들로서 형성될 수 있다. 단부 플레이트(예를 들어, 베이스), 전극 플레이트(예를 들어, 기판) 및/또는 분리막(예를 들어, 시트)의 표면과 통합되고 해당 표면에서 돌출되는 인서트는 보스로 정의될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 압축 성형, 인장 성형, 성형 등, 또는 이들의 임의의 조합을 통해 일체로 형성될 수 있다. 압축 성형은 다이 성형, 압출, 압입 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 성형은 사출 성형을 포함할 수 있다. 전극 플레이트, 단부 플레이트 및/또는 분리막이 인서트와 프레임, 융기된 에지 및/또는 오목한 부분을 모두 갖는 경우 이러한 부분들은 예를 들어 사출 성형에 의해 한 단계로 성형될 수 있다. 하나 이상의 인서트들이 단부 플레이트, 전극 플레이트 및/또는 분리막의 표면으로부터 돌출되어 하나 이상의 융기된 인서트들을 형성할 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 단부 플레이트의 베이스, 전극 플레이트의 기판, 분리막의 표면, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 돌출될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 베이스, 기판 또는 둘 모두에서 하나 이상의 리브 구조들, 프레임 또는 둘 모두와 동일하거나 반대 방향으로 돌출될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 리브 구조들, 프레임들, 하나 이상의 다른 인서트들 또는 이들의 조합과 동일한 높이 및/또는 두께를 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 베이스, 기판, 분리막 또는 이들의 조합의 표면으로부터 실질적으로 직각으로 또는 비스듬하게 돌출될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 이를 통해 하나 이상의 개구들을 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 주변 개구들, 내부 개구들, 채널 개구들, 또는 이들을 관통하는 이들의 조합을 가질 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 동심일 수 있고 하나 이상의 개구들 주위에 형성될 수 있다. 하나 이상의 인서트들이 개구의 길이를 연장할 수 있다(예를 들어, 개구가 인서트를 완전히 통과할 수 있음). 하나 이상의 인서트들이 하나 이상의 개구들을 통과할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전극 플레이트들의 하나 이상의 인서트들은 다른 전극 플레이트의 하나 이상의 인서트들과 정렬 및 연동하기 위해 하나 이상의 분리막들의 하나 이상의 개구들을 통과할 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 다른 인서트들과 결합하여 하나 이상의 채널들을 형성하거나, 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널들을 밀봉하거나, 둘 모두에 해당할 수 있다. 밀봉 표면은 하나 이상의 개구들의 외부 직경과 하나 이상의 인서트들의 내부 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 인서트와 개구 사이에 위치된 배터리의 길이방향 축에 실질적으로 수직인 베이스 및/또는 기판의 표면은 밀봉 표면일 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 인접한 전극 플레이트, 분리막 및/또는 단부 플레이트의 하나 이상의 인서트들과 연동되어 채널 주위에 누출 방지 밀봉을 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 단부 플레이트들 및/또는 전극 플레이트들은 인접 전극 플레이트 및/또는 분리막의 인서트, 슬리브 또는 부싱을 위해 인서트의 반대쪽 표면에 일치하는 만입부를 포함하도록 가공되거나 형성될 수 있다. 인서트는 하나 이상의 통기 구멍들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리막들의 인서트들은 하나 이상의 통풍 구멍들을 포함할 수 있다. 통기 구멍들은 하나 이상의 전기화학 셀들과 하나 이상의 채널들 사이의 연통을 허용할 수 있다. 하나 이상의 통기 구멍들은 하나 이상의 전기화학 셀들에서 하나 이상의 채널들로 가스를 전달할 수 있으며 하나 이상의 전기화학 셀들에서 하나 이상의 채널들로 하나 이상의 액체(즉, 전해질)가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 채널들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 환기, 충전, 냉각 및/또는 가열 채널로 기능하고; 하나 이상의 포스트들 및/또는 로드들을 수용하고; 배터리 어셈블리의 내부 전체에 하나 이상의 포스트들 및/또는 로드들을 분배하고; 하나 이상의 활성 물질들을 통과시키는 것과 같이 배터리 어셈블리의 내부 전체에 압축력을 분산시키고; 액체 전해질이 하나 이상의 포스트들, 로드들 또는 기타 컴포넌트들과 접촉하는 것을 방지하고; 배터리 어셈블리의 내부 내에서 하나 이상의 유체의 순환을 허용하고; 또는 이들의 임의의 조합에 해당하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 서로 정렬된 하나 이상의 단부 플레이트들, 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 개구들 및/또는 인서트들에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널들은 다른(예를 들어, 인접한) 단부 플레이트들, 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 채널 개구들과 정렬된 하나 이상의 단부 플레이트들, 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 채널 개구들에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 통합 채널들, 횡단 채널들, 냉각 채널들, 환기/충전 채널들 또는 이들의 조합으로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 전기화학 셀들을 통과할 수 있다. 하나 이상의 전기화학 셀들을 통과함으로써 하나 이상의 채널들은 액체 전해질, 활성 물질 또는 둘 모두를 통과할 수도 있다. 동작 중에 방출된 전해질과 가스가 채널에 들어가는 것을 방지하기 위해 채널이 밀봉될 수 있다. 이 목적을 달성하기 위한 임의의 밀봉 방법이 사용될 수 있다. 하나 이상의 밀봉들은 내부에 하나 이상의 밀봉부들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밀봉들은 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널들을 밀봉할 수 있다. 하나 이상의 단부 플레이트들, 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 인서트와 같은 하나 이상의 밀봉들은 액체 전해질이 하나 이상의 채널들로 누출되는 것을 방지하기 위해 하나 이상의 채널들과 연동되며 이를 둘러쌀 수 있다. 하나 이상의 채널들은 배터리 어셈블리를 횡단 방향으로 통과하여 하나 이상의 횡단 채널들을 형성할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 복수의 전극 플레이트들 및 액체 전해질을 가로질러 통과할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 컴포넌트들의 일련의 개구들로 구성될 수 있다. 포스트 및/또는 로드와 같은 관형 부재가 형성된 채널에 배치될 수 있도록 일련의 개구들이 배열될 수 있고; 유체는 냉각 및/또는 가열을 위해; 환기를 위해; 액체 전해질을 채우기 위해; 또는 이들의 임의의 조합을 위해 채널을 통해 전달될 수 있다. 하나 이상의 유체가 통과하는 하나 이상의 채널들을 하나 이상의 냉각 채널이라고 할 수 있다.
하나 이상의 냉각 채널들은 배터리 어셈블리의 내부로부터 열을 제거하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 냉각 채널들은 하나 이상의 열교환기들을 포함하거나 이들과 연통하거나 둘 모두에 해당할 수 있다.
채널의 크기 및 모양은 하나 이상의 포스트들을 수용할 수 있는 임의의 크기 또는 모양일 수 있다. 채널의 단면 모양은 원형, 타원형 또는 정사각형, 직사각형, 육각형 등과 같은 다각형일 수 있다. 단면 모양은 하나 이상의 개구들 및/또는 인서트들의 단면 모양에 의해 결정될 수 있다. 하나 이상의 포스트들 및/또는 로드들을 수용하는 채널의 크기는 사용된 포스트 및/또는 로드를 수용하도록 선택된다. 채널의 직경은 하나 이상의 채널들을 형성하도록 정렬되는 개구들의 직경과 동일할 수 있다. 채널들의 수가 선택되어 단부 플레이트와 단부 플레이트, 전극 플레이트 및 기판의 에지를 지지하여, 작동 중 발생하는 전해질과 가스의 누출을 방지하고 작동 중 발생하는 압축력이 개별 전기화학 셀의 컴포넌트와 밀봉을 손상시키는 것을 방지한다. 작동 중에 발생하는 압축력을 분산시키기 위해 복수의 채널들이 존재할 수 있다. 채널들의 수와 설계는 밀봉의 피로 강도를 초과하는 에지 응력을 최소화하기에 충분해야 한다. 복수의 채널들의 위치는 작동 중에 생성된 압축력을 분산시키도록 선택된다. 채널들은 응력을 더 잘 처리하기 위해 스택 전체에 고르게 분산될 수 있다. 복수의 채널들은 약 2mm 이상, 약 4mm 이상 또는 약 6mm 이상의 단면 크기를 가질 수 있다. 채널 단면 크기의 상한은 실용성에 의해 결정되며 크기가 너무 크면 어셈블리의 효율성이 감소한다. 채널의 단면 크기는 약 30mm 이하, 약 25mm 이하, 또는 약 20mm 이하일 수 있다.
배터리 어셈블리는 밀봉을 포함할 수 있다. 밀봉은 전해질 및/또는 가스가 하나 이상의 채널들에 들어가는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 채널들 내의 밀봉은 횡단 방향으로 바이폴라 배터리의 강도를 증가시키는 기능을 할 수 있다. 밀봉은 하나 이상의 채널들과 하나 이상의 관형 부재들 사이에 위치할 수 있고, 관형 부재일 수도 있고, 하나 이상의 채널들 및/또는 관형 부재들의 하나 이상의 표면들에 의해 형성될 수도 있다. 하나 이상의 밀봉은 채널 내, 채널 외부 주변, 채널 주변 주위, 채널 길이의 전체 또는 일부를 따라, 관형 부재 주변 또는 이들의 조합에 위치할 수 있다. 하나 이상의 밀봉은 하나 이상의 밀봉이 위치한 하나 이상의 채널들과 같은 하나 이상의 채널들의 전체 또는 일부를 따라 연장될 수 있다. 밀봉은 동작 중에 발생된 전해질 및 가스가 전기화학 셀에서 채널로 누출되는 것을 방지하고, 배터리 어셈블리의 동작 조건을 견디고, 하나 이상의 포스트들에 의해 가해지는 힘을 견디거나, 이들의 조합에 해당하는 기능을 하는 임의의 재료 또는 형태를 포함할 수 있다. 밀봉은 하나 이상의 채널들을 통해 순환하는 하나 이상의 유체가 전기화학 셀로 누출되는 것을 방지하는 임의의 재료 또는 형태를 포함할 수 있다. 밀봉은 멤브레인, 슬리브 및/또는 단부 플레이트들, 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 일련의 일치하는 인서트들이거나 채널에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 밀봉은 액체 전해질로부터 하나 이상의 채널들을 밀봉하기 위해 하나 이상의 채널들의 하나 이상의 내부 표면을 따라 성형될 수 있다. 하나 이상의 밀봉은 열가소성, 엘라스토머 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 채널은 단부 플레이트, 전극 플레이트 및/또는 분리막에 삽입되거나 통합되는 일련의 슬리브, 부싱, 인서트 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 인서트들은 압축 가능하거나 서로 맞물려 채널을 따라 누출 방지 밀봉을 형성할 수 있다. 단부 플레이트, 전극 플레이트 및/또는 분리막의 제자리에 하나 이상의 인서트들이 형성될 수 있다. 예를 들어 제자리에서 성형하여 하나 이상의 인서트들을 제자리에서 형성할 수 있다. 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 인서트들의 하나 이상의 내향 대면 표면들에 의해 형성되고 하나 이상의 인서트들로 분리되고 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 포스트 및 기판에 유용한 것으로 기술된 바람직한 중합체 재료는 밀봉을 형성하는 데 유용할 수 있다. 밀봉은 바이폴라 플레이트와 모노폴라 플레이트 사이에 배치된 슬리브, 인서트 또는 부싱에 의해 형성될 수 있다. 슬리브 또는 인서트는 비교적 단단할 수 있으며 부싱은 일반적으로 탄성 중합체일 수 있다. 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 단부 플레이트, 전극 플레이트 및/또는 분리막의 만입부에 맞도록 적응되거나 단부들이 플레이들의 개구들에 삽입되어 하나 이상의 채널들을 생성하도록 적응될 수 있다. 단부들판 및/또는 전극 플레이트들은 인서트들, 슬리브들 및/또는 부싱들을 위한 일치하는 만입부를 포함하도록 형성되거나 기계가공될 수 있다. 인서트, 슬리브 또는 부싱이 있는 플레이트들의 스택의 어셈블리는 채널을 효과적으로 밀봉하기 위해 억지 끼워맞춤을 생성할 수 있다. 대안적으로, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 접합부의 밀봉으로부터 플레이트에 용융 접합 또는 접착 접합될 수 있다. 대안적으로, 인서트, 슬리브 및/또는 부싱은 채널을 밀봉하는 기능을 하는 코팅으로 내부를 코팅할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들이 채널들을 밀봉하는 기능을 할 수 있다. 이러한 밀봉 솔루션의 조합은 단일 채널 또는 다른 채널에서 활용될 수 있다. 듀얼 폴라, 모노폴라 플레이트들 및 바이폴라 플레이트들을 포함하는 플레이트들의 스택의 컴포넌트들은 바람직하게는 동일한 형상 및 공통 에지를 갖는다. 이것은 에지의 밀봉을 용이하게 한다. 분리막이 있는 경우, 이는 일반적으로 횡단 채널의 형성 또는 생성을 수용하기 위해 전극 플레이트와 유사한 구조를 갖다. 다른 실시예에서, 밀봉은 볼트와 횡단 채널 사이에 주입된 에폭시, 폴리우레탄 또는 아크릴 중합체와 같은 열경화성 중합체일 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 전극 플레이트들 및/또는 하나 이상의 분리막들의 개구들에 결합되거나 개구들에 결합된 인서트, 슬리브 및/또는 부싱에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널들에 있는 하나 이상의 포스트들은 인서트, 구멍, 슬리브 및/또는 부싱을 제자리에 유지하여 밀봉된 통로를 형성하기에 충분한 압력을 가할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 전극 플레이트들과 하나 이상의 분리막들에 결합 및/또는 통합된 인서트들로부터 형성될 수 있다. 하나 이상의 포스트들은 접착 결합 또는 열가소성 중합체의 융합 또는 둘 모두에 의해 하나 이상의 인서트들, 기판들 및/또는 분리막들에 결합될 수 있다. 인서트들은 억지 끼워맞춤에 의해 하나 이상의 전극 플레이트들 및/또는 분리막들에 삽입되거나 접착제에 의해 제자리에 결합될 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 관형 부재들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 컴포넌트들의 손상 또는 스택의 컴포넌트의 에지 사이의 밀봉이 파손되는 것을 방지하는 방식으로 컴포넌트의 스택을 함께 유지하는 기능을 할 수 있으며, 분리막 재료 전반에 걸쳐 균일한 압축을 보장하고, 분리막 재료의 균일한 두께를 보장하고, 하나 이상의 채널을 통한 유체 순환을 제공하고 또는 이들의 임의의 조합에 해당하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 중실, 부분 중실, 부분 중공 또는 완전히 중공으로 형성될 수 있다. 중공 관형 부재는 하나 이상의 유체가 통과할 수 있도록 한다. 중실 관형 부재는 배터리 어셈블리의 길이를 따라 추가적인 강도와 보강을 제공할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 개방 단부들, 폐쇄 단부들, 또는 둘 모두를 가질 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들에 실질적으로 역방향 모양을 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 연속 벽들, 불연속 벽들 또는 둘 모두를 가질 수 있다. 연속적인 것은 관형 부재의 외벽이 그 원주 및/또는 주변부 주위에 하나 이상의 개구들 없이 중실일 수 있다. 연속적인 것은 여전히 관형 부재의 한쪽 또는 양쪽 단부가 열리고 및/또는 닫히도록 허용할 수 있다. 연속적인 것은 하나 이상의 유체가 관형 부재에서 하나 이상의 전기화학 셀들로 누출되지 않고 관형 부재를 통해 흐를 수 있도록 한다. 불연속적인 것은 관형 부재의 외벽이 하나 이상의 개구들을 가질 수 있음을 의미할 수 있다. 하나 이상의 개구들은 하나 이상의 인서트들의 하나 이상의 통풍구들과 정렬될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 포스트들, 하나 이상의 로드들, 하나 이상의 밀봉들, 하나 이상의 슬리브들, 하나 이상의 인서트들(예를 들어, 정렬, 연동) 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하거나, 그에 의해 형성되거나, 둘 모두에 해당할 수 있다.
하나 이상의 관형 부재들은 임의의 필요한 기능을 수행하기에 적합한 임의의 재료를 포함할 수 있다. 적합한 하나 이상의 재료들은 하나 이상의 전기화학 셀들의 동작 조건을 견디기에 적합한 재료일 수 있다. 동작 조건을 견디는 것은 전해질에 노출될 때 부식에 저항하는 것과 셀의 산세척, 형성 및 동작 중에 생성되는 온도와 압력을 견디는 것을 포함할 수 있다. 재료는 전도성, 비전도성 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 비전도성 물질은 예를 들어 채널 내부 표면과 관형 부재 사이에 별도의 밀봉이 위치하지 않는 경우에 전기화학 셀들의 단락을 방지할 수 있으므로 유익할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 금속들, 준금속들, 광물들, 중합체들, 세라믹들, 유기 화합물들, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 열경화성 중합체 또는 열가소성 재료와 같은 중합체 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 열가소성 재료는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리올레핀, 복합 열가소성 수지, 폴리카보네이트 등을 포함한다. 하나 이상의 금속들은 강철, 황동, 알루미늄, 구리 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 준금속들은 붕소, 비소 등, 또는 이들의 조합(예를 들어, 붕소 비소)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 광물들은 다이아몬드, 그래핀 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 열 전도에 유용하거나 유용하지 않을 수 있다. 열 전도율은 내부에서 배터리 어셈블리를 가열, 냉각 또는 둘 다에 유용할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 높은 열 전도율을 가질 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 약 100 W/m·K 이상, 약 150 W/m·K 이상, 약 200 W/m·K 이상, 또는 심지어 약 250 W/m·K 이상의 열전도율을 가질 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 약 2500 W/m·K 이하, 약 2000 W/m·K 이하, 약 1500 W/m·K 이하, 또는 심지어 약 1000 W/m·K 이하의 열 전도율을 가질 수 있다.
하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들 내에 위치할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들의 일부로 형성되거나 하나 이상의 채널들과 분리될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들 내에서 제자리에 성형되는 것과 같이 하나 이상의 채널들의 일부로 형성될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들 중 하나, 일부 또는 모두에 위치할 수 있다. 다른 관형 부재들이 일부 또는 모든 채널들에 위치할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 포스트들을 포함할 수 있고 하나 이상의 다른 채널들은 하나 이상의 밀봉들 및/또는 로드들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 채널들의 하나 이상의 내부 표면들에 부착되거나 부분적으로 부착되거나 완전히 분리될 수 있다. 하나 이상의 기계적 파스너, 접착 재료, 성형 파스너 또는 이들의 조합을 사용하여 하나 이상의 관형 부재들을 하나 이상의 채널들에 적어도 부분적으로 부착할 수 있다. 하나 이상의 기계적 파스너들은 하나 이상의 튜빙 커플러, 나사산, 억지 끼워맞춤 등 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널의 내부 표면에는 나사산이 있을 수 있고, 관형 부재의 외부 표면에는 나사산이 있을 수 있으며, 관형 부재는 채널과 나사식 맞물림을 가질 수 있다. 다른 예로서, 튜빙 커플러는 채널 내에 존재하고 관형 부재를 수용할 수 있다. 튜빙 커플러는 하나 이상의 채널들의 일부로 형성되거나, 내부에 삽입 성형되거나, 내부에 직접 성형되거나, 삽입되거나, 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 튜빙 커플러들은 하나 이상의 채널들 중 하나 이상의 단부들에 위치할 수 있다. 하나 이상의 접착 재료들은 접착제, 실런트, 테이프 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 성형 파스너는 하나 이상의 인서트들과 분리되거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 인서트들의 안쪽을 향하는 표면(즉, 개구의 주변 표면)은 채널의 길이를 따라 용융 결합되어 하나 이상의 관형 부재들을 형성할 수 있다. 아래에서 논의되는 하나 이상의 포스트들을 부착하는 하나 이상의 방법은 하나 이상의 채널들 내에 하나 이상의 관형 부재들을 부착하는 데 적합할 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 배터리 어셈블리의 제1 측 또는 단부로부터 대향 단부까지 연장될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 밸브들과 연통되거나 연통되지 않을 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 포스트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 포스트들은 컴포넌트의 손상 또는 스택의 컴포넌트의 에지 사이의 밀봉이 파손되는 것을 방지하는 방식으로 컴포넌트의 스택을 함께 유지하는 기능을 할 수 있으며, 분리막 재료에 걸쳐 균일한 압축을 보장하고, 분리막 재료의 균일한 두께를 보장하도록 기능할 수 있다. 하나 이상의 포스트들은 하나 이상의 관형 부재를 포함하거나, 그 안에 위치하거나, 이들의 조합에 해당할 수 있다. 하나 이상의 포스트들은 채널을 채우기 위해 단면 모양과 크기를 나타낼 수 있다. 하나 이상의 포스트들은 전체 스택을 통과하는 길이일 수 있으며 이러한 길이는 배터리의 원하는 용량에 따라 달라질 수 있다. 하나 이상의 포스트들은 하나 이상의 채널들의 단면 크기보다 작거나 같거나 더 큰 단면 크기를 가질 수 있다. 포스트들은 하나 이상의 채널들과 억지 끼워맞춤을 형성할 수 있다. 포스트들의 수는 단부 플레이트(예를 들어, 단부 플레이트 및/또는 모노폴라 플레이트)와 기판의 에지를 지지하도록 선택되어 동작 중 발생하는 전해질 및 가스 누출을 방지하고 동작 중 발생하는 압축력이 개별 전기화학 셀의 컴포넌트와 밀봉을 손상시키는 것을 방지하고, 밀봉의 피로 강도를 초과하는 에지 응력을 최소화할 수 있다. 복수의 포스트들은 작동 중에 발생하는 압축력을 분산시키기 위해 존재할 수 있다. 채널들 중 하나 이상이 냉각 채널, 가열 채널, 환기 채널, 충전 채널 또는 이들의 조합으로 사용되는 채널들보다 포스트들이 적을 수 있다. 예를 들어, 4개의 채널들 중 3개의 채널이 그 내부에 포스트들을 갖고 하나의 채널은 냉각, 가열, 환기 및/또는 충전 채널로 사용될 수 있다. 다른 예로서, 하나의 채널은 냉각 및/또는 가열로 사용될 수 있고, 다른 채널은 환기 및/또는 충전 채널로 사용될 수 있으며, 하나 이상의 다른 채널들에는 내부에 하나 이상의 포스트가 있다.
하나 이상의 포스트들은 각각의 단부 플레이트의 밀봉 표면과 같은 대향하는 단부 플레이트의 외부 표면과 결합하는 중첩 부분을 각각의 단부 상에 가질 수 있다. 중첩 부분은 컴포넌트가 손상되거나 스택의 컴포넌트의 에지들 사이의 밀봉이 파손되는 것을 방지하고 배터리 동작 중 스택의 팽창 또는 기타 변위를 방지하는 방식으로 대향하는 단부 플레이트의 외부 표면에 압력을 가하는 기능을 할 수 있다. 중첩 부분은 단부 플레이트의 밀봉 표면과 접할 수 있다. 스택은 모노폴라 단부 플레이트 위에 별도의 구조적 또는 보호용 단부 피스를 가질 수 있으며 중첩 부분은 구조용 또는 보호용 단부 피스의 외부 표면과 접촉한다. 중첩 부분은 포스트와 함께 컴포넌트의 손상을 방지하거나 스택의 컴포넌트의 에지들 사이의 밀봉이 파손되는 것을 방지하는 임의의 구조일 수 있다. 예시적인 중첩 부분은 볼트 헤드, 너트, 성형 헤드, 브래드, 코터 핀, 샤프트 칼라 등을 포함한다.
하나 이상의 포스트들은 하나 이상의 성형된 포스트들, 나사산이 있는 포스트들, 및/또는 하나 이상의 단부 부착물들을 갖는 포스트들을 포함할 수 있다. 포스트들은 스택들의 일부에 접착될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 포스트들은 기판, 채널의 인서트, 하나 이상의 관형 부재들 등에 성형될 수 있다. 접합은 열가소성 재료와 같은 중합체 재료의 접착제 또는 융합으로 형성될 수 있다. 부분들이 나사산이 있는 경우, 스택의 구조적 부분들은 나사산 포스트를 수용하도록 나사산이 형성된다. 포스트는 한쪽 단부에 헤드가 있고 다른 쪽 단부에는 너트, 브래드 또는 코터 핀용 구멍이 있거나 양쪽 단부에 너트, 브래드 또는 코터 핀용 구멍이 있을 수 있다. 이것은 일반적으로 성형되지 않은 포스트의 경우이다. 포스트는 단축은 허용하지만 연장은 허용하지 않는 일방향 래칫 디바이스(ratcheting device)가 되는 방식으로 구성될 수 있다. 그런 포스트를 제자리에 놓고 스택이 압축되면서 포스트가 짧아져 스택에 가해지는 압력이 유지된다. 이 실시예에서 포스트는 집타이(zip tie)와 같은 구조의 한 부분으로서 포스트가 기능할 수 있도록 래칫을 용이하게 하는 융기부를 가질 수 있다. 일치하는 너트 및/또는 와셔를 포스트와 함께 사용하여 제자리에 있을 때 인접한 플레이트를 압축할 수 있다. 너트 및/또는 와셔가 퍼스트 위로 한 방향으로 이동하고 너트 및/또는 와셔가 포스트를 따라 다른 방향으로 움직이는 것을 방지하기 위해 융기부가 존재할 수 있다. 포스트들의 구멍들을 사용하면 적절한 브래드, 코터 핀 등이 언급된 기능을 수행할 수 있다. 포스트가 성형된 경우 별도로 또는 제자리에 성형될 수 있다. 제자리에서 성형된 경우 용융 플라스틱을 제자리에 고정하기 위해 채널에 밀봉이 있어야 한다. 나사산이 있는 비전도성 포스트를 사용할 수 있으며 필요한 밀봉을 제공할 수 있다. 대안적으로, 미리 성형된 비전도성 중합체 포스트는 채널을 밀봉하는 방식으로 채널에 억지 끼워맞춤을 형성하도록 설계될 수 있다. 포스트는 사출 성형과 같은 성형에 의해 제자리에 형성될 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 로드들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 로드들은 배터리 어셈블리의 내부를 통해 하나 이상의 유체를 순환시키고, 배터리 어셈블리 내의 내부의 냉각 및/또는 가열을 제공하고, 하나 이상의 채널들 내에 존재하거나, 이들의 조합으로 기능할 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 관형 부재들을 포함하거나, 그 안에 위치하거나, 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 로드들은 중실, 부분 중실, 또는 중공으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 중공 튜브, 히트 파이프 또는 둘 모두로 형성될 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 개방 단부들, 밀봉 단부들 또는 둘 모두를 가질 수 있다. 예를 들어, 로드는 대향 개방 단부를 갖는 중공일 수 있다. 다른 예로서, 로드는 대향 밀봉된 단부를 갖는 중공일 수 있다. 밀봉된 단부는 하나 이상의 유체가 하나 이상의 로드들 내에서 밀봉되거나, 하나 이상의 로드들 내에서 하나 이상의 유체를 순환시키거나, 또는 둘 모두를 허용할 수 있다. 하나 이상의 개방 단부는 하나 이상의 유체가 추가, 제거 및/또는 하나 이상의 로드들을 통해 순환되도록 할 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 개구들(예를 들어, 채널 개구들), 채널들 또는 둘 모두의 너비 또는 직경과 거의 같거나 더 작은 단면 너비(예를 들어, 직경)를 가질 수 있다. 하나 이상의 로드들은 내부에 위치한 하나 이상의 열 전달 재료, 유체 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 전달 재료는 모세관 작용을 제공하기에 적합한 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 전달 재료는 하나 이상의 심지(wick)들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 전달 재료는 하나 이상의 유체와 협력하여 열을 전달하여 가열, 냉각 또는 둘 모두를 제공할 수 있다. 하나 이상의 로드들은 배터리 어셈블리의 내부, 배터리 어셈블리의 주변부, 또는 둘 모두를 통과할 수 있다. 하나 이상의 로드들은 배터리 어셈블리의 횡단 방향을 따라 연장될 수 있다. 하나 이상의 로드들이 채널, 배터리 어셈블리 또는 둘 모두의 길이의 전체 또는 일부를 따라 연장될 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 채널 내에 있을 수 있다. 하나 이상의 로드들은 단일 로드 또는 복수의 로드들을 포함할 수 있다. 복수의 로드들은 배터리 어셈블리의 내부 전체에 걸쳐 분산될 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 포스트들로 채워질 수 있고 하나 이상의 다른 채널들은 하나 이상의 로드들로 채워질 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 포스트들과 함께 또는 하나 이상의 포스트들로서 유용한 하나 이상의 피쳐(예를 들어, 중첩 부분, 나사산 등)들을 가질 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 밀봉을 형성하거나, 하나 이상의 밀봉 내에 위치하거나, 둘 모두에 해당할 수 있다. 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 관형 부재일 수 있거나, 그 내부에 위치하거나, 둘 모두에 해당할 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 열 교환기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 배터리 어셈블리의 온도, 가열, 냉각 또는 이들의 조합을 제어하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 외부, 내부 또는 이 둘의 조합으로부터 배터리 어셈블리의 온도를 제어할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 배터리 어셈블리의 외부, 내부 또는 이들의 조합의 전부 또는 적어도 일부 주위에 위치할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 배터리 어셈블리, 단부 플레이트, 모노폴라 플레이트, 멤브레인, 케이싱, 단자 커버 등 또는 이들의 조합의 외부의 적어도 일부에 부착될 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 능동, 수동 또는 두 열 교환기들 모두를 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 유체 열교환기, 쉘 및 튜브 열교환기, 판형 열교환기, 히트 싱크, 상변화 열교환기, 폐열 회수 유닛, 열전 장치("TED") 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 채널들과 연통하거나, 그 안에 위치하거나, 인접하거나 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 관형 부재, 하나 이상의 관형 부재 및/또는 채널 내에 포함된 유체, 하나 이상의 채널, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유체가 통과하는 하나 이상의 채널들 내에 위치한 하나 이상의 관형 부재들은 열 교환기로 간주될 수 있다. 하나 이상의 유체는 하나 이상의 채널들 내에 위치하거나, 내부에서 순환하거나, 이를 통해 순환하거나, 또는 이들의 조합으로 존재할 수 있다. 하나 이상의 유체는 바이폴라 배터리로부터 열을 추가하거나, 열을 제거하거나, 둘 모두를 수행하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 유체가 있는 하나 이상의 채널들을 냉각 및/또는 가열 채널이라고 할 수 있다. 하나 이상의 유체는 하나 이상의 기체, 액체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 유체는 공기, 물, 암모니아, 질소, 산소, 네온, 수소, 헬륨, 냉매(예를 들어, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄), 알칼리 금속, 열교환 유체 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물은 하나 이상의 로드들 내에 위치할 수 있다. 다른 예로서, 공기 및/또는 물은 하나 이상의 관형 부재들을 통해 흐를 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 히트 싱크들은 하나 이상의 채널들의 한쪽 또는 양쪽 단부들 위치할 수 있고, 하나 이상의 관형 부재들과 연통할 수 있고 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 하나 이상의 흐름 메커니즘들이 하나 이상의 채널들과 연통할 수 있다. 하나 이상의 흐름 메커니즘들은 하나 이상의 채널들에서 하나 이상의 유체의 흐름, 순환 또는 둘 모두를 생성하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 흐름 메커니즘들은 하나 이상의 펌프, 팬, 밸브 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 흐름 메커니즘들은 배터리 어셈블리의 일부로 일시적으로, 반영구적으로 또는 영구적으로 부착될 수 있다. 하나 이상의 흐름 메커니즘은 하나 이상의 열 교환기의 일부 또는 이와 분리된 것으로 간주될 수 있다. 배터리 어셈블리 외부에 위치하고 하나 이상의 채널들과 연통하는 하나 이상의 열 교환기들(예를 들어, 히트 싱크)은 하나 이상의 채널들 및 배터리 어셈블리로부터 열을 분산시키는 데 유용할 수 있다. 배터리 어셈블리 내에 위치되고 배터리 어셈블리를 통과하는 하나 이상의 유체(예를 들어, 물, 공기 등)를 갖는 하나 이상의 열 교환기는 배터리 어셈블리로부터, 내부로부터, 또는 둘 모두로부터 열을 분산시키는 데 유리할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 배터리 어셈블리의 내부 내부에서 열을 제거하기 위해 함께 협력할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 채널들 내의 하나 이상의 열 교환기들은 배터리 어셈블리의 내부에서 배터리 어셈블리의 외부에 부착된 하나 이상의 열 교환기들로 열을 수집하고 이동시킬 수 있다. 하나 이상의 열교환기는 멤브레인에 인접하게 위치할 수 있고 멤브레인과 단부 플레이트 사이에 위치할 수 있으며 멤브레인은 열교환기와 단부 플레이트 사이에 위치할 수 있고, 또는 이들의 조합이 가능하다. 대안적으로, 하나 이상의 열 교환기들에 인접한 멤브레인이 없을 수 있다.
배터리 어셈블리는 멤브레인을 포함하거나 멤브레인이 없을 수 있다. 멤브레인은 하나 이상의 단부 플레이트들, 복수의 전극 플레이트들, 하나 이상의 분리막들, 하나 이상의 채널들, 또는 이들의 임의의 조합의 에지 주위를 밀봉하는 기능을 할 수 있다. 멤브레인은 하나 이상의 단부 플레이트, 복수의 전극 플레이트 및/또는 하나 이상의 분리막의 에지에 단부 플레이트, 전극 플레이트 및 분리막의 에지를 밀봉하고 하나 이상의 전기화학 셀을 분리하는 임의의 수단으로 결합될 수 있다. 예시적인 결합 방법은 특히 접착 결합, 용융 결합, 진동 용접, RF 용접, 및 마이크로파 용접을 포함한다. 멤브레인은 단부 플레이트, 모노폴라 플레이트, 바이폴라 플레이트 및/또는 듀얼 폴라 플레이트의 에지를 밀봉할 수 있는 고분자 재료 시트일 수 있으며, 전해질에 대한 노출과 배터리가 내부 및 외부에 노출되는 조건을 견딜 수 있다. 전극 플레이트의 기판에 유용한 동일한 재료가 멤브레인에 사용될 수 있다. 멤브레인은 모노폴라 및 바이폴라 플레이트의 기판에 대해 용융 결합, 진동 용접 또는 성형될 수 있는 열가소성 중합체일 수 있다. 동일한 열가소성 중합체가 모노폴라 및 바이폴라 기판 및 멤브레인에 사용될 수 있다. 예시적인 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS 및 폴리에스테르이며, ABS가 가장 바람직하다. 멤브레인은 이들이 접합되는 스택 측면의 크기일 수 있으며, 멤브레인은 스택의 각 측면에 접합된다. 인접한 멤브레인들의 에지는 밀봉될 수 있다. 에지는 접착제, 용융 결합 또는 성형 프로세스를 사용하여 밀봉될 수 있다. 멤브레인은 스택의 전체 주변부 주위를 감싸는 단일 일원화 시트를 포함할 수 있다. 스택과 접촉하는 제1 에지인 멤브레인의 리딩 에지 및 적용된 멤브레인 시트의 단부인 스택의 트레일링 에지는 밀봉을 완료하기 위해 서로 접합될 수 있다. 이는 접착제의 사용, 용융 결합 또는 성형 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 용융 결합에서 멤브레인의 표면 및/또는 스택의 에지는 하나 또는 둘 모두의 표면이 용융된 다음 표면이 용융되는 동안 멤브레인과 스택의 에지가 접촉하는 조건에 노출된다. 표면이 동결됨에 따라 스택의 멤브레인과 에지가 결합하여 컴포넌트들을 함께 밀봉할 수 있는 결합을 형성한다. 멤브레인은 멤브레인 재료의 연속 시트에서 취해 원하는 길이로 절단될 수 있다. 멤브레인의 너비는 모노폴라 및 바이폴라 플레이트 스택의 높이와 일치할 수 있다. 멤브레인은 셀을 분리하기 위해 모노폴라 및 바이폴라 시트 스택의 에지를 밀봉하기에 충분한 두께를 가지고 있다. 멤브레인은 스택의 에지를 둘러싸는 보호 케이스 역할도 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 접착될 때 전해질에 대한 노출과 셀의 작동 조건을 견딜 수 있는 임의의 접착제를 사용할 수 있다. 예시적인 접착제는 플라스틱 시멘트, 에폭시, 시아노아크릴레이트 접착제 또는 아크릴레이트 수지이다. 대안적으로, 멤브레인은 전극 플레이트들의 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 전극 플레이트들의 스택의 일부 또는 전체 주위에 멤브레인을 사출 성형함으로써 형성될 수 있다. 멤브레인이 플레이트들의 스택의 일부 주위에 형성되는 경우 전극 플레이트들 또는 전극 플레이트 및 분리막의 에지 주위에 형성될 수 있다.
밀봉된 스택은 형성된 배터리를 보호하기 위해 케이스(예를 들어, 외부 밀봉)에 배치될 수 있다. 케이스는 멤브레인이거나 멤브레인과 분리될 수 있다. 대안적으로, 스택의 단부에서 모노폴라 플레이트 위의 보호 커버와 함께 전극 플레이트들의 스택의 주변에 대한 멤브레인이 배터리용 케이스로 사용될 수 있다. 다른 대안으로서 또는 이와 함께, 주변 표면 주위에 함께 접합된(예를 들어, 용융 접합된) 하나 이상의 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 프레임들이 케이스를 형성할 수 있다. 모노폴라 플레이트는 애노드 또는 캐소드 반대편 표면에 부착되거나 접합된 적절한 보호 커버를 가질 수 있다. 커버는 멤브레인과 동일한 재료이거나 멤브레인에 접착 결합 또는 용융 결합될 수 있고 멤브레인에 대해 언급된 범위 내의 두께를 가질 수 있는 재료일 수 있다. 플레이트의 단부에 부착된 경우 커버는 겹치는 부분이 있는 포스트를 포함하여 기계적 부착물로 부착될 수 있다. 상기 케이스는 상기 전극 플레이트들의 스택 및/또는 상기 모노폴라 판들의 대향 측들 주위에 멤브레인을 몰딩하여 형성될 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 밸브들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브들은 배터리 어셈블리의 내부로부터 진공을 끌어내고, 배터리 어셈블리를 전해질로 채우고, 하나 이상의 채널로부터 유체를 채우거나 비우고, 및/또는 작동 중에 배터리 어셈블리를 환기시키는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 밸브들은 압력 해제 밸브, 체크 밸브, 충전 밸브, 팝 밸브 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브들은 하나 이상의 채널들에 연결 및/또는 이와 연통할 수 있다. 하나 이상의 채널들은 단부 플레이트, 전극 플레이트, 분리막 또는 이들의 조합의 하나 이상의 개구들에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 충전, 환기, 가열 및/또는 냉각 채널들일 수 있다. 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 통기 구멍들이 있거나 없는 하나 이상의 인서트들로 형성될 수 있다. 하나 이상의 밸브들은 관형 부재를 갖는 또는 관형 부재가 없는 하나 이상의 채널들과 연통할 수 있다. 어셈블리는 셀이 위험한 내부 압력에 도달할 경우 압력을 해제하기 위해 하나 이상의 셀에 대한 압력 해제 밸브를 포함할 수 있다. 압력 해제 밸브는 배터리가 사용되는 시스템을 손상시키는 방식의 치명적인 고장을 방지하도록 설계되었다. 압력 해제 밸브가 해제되면 배터리는 더 이상 작동하지 않는다. 개시된 어셈블리는 위험한 압력에 도달할 때 또는 도달하기 전에 전체 어셈블리로부터 압력을 해제하는 단일 체크 밸브를 포함할 수 있다. 배터리 어셈블리는 본 명세서에 참조로 포함된 US 2014/0349147에 기술된 바와 같이 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 단자들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 단자들은 전기화학 셀에서 생성된 전자를 전기의 형태로 생성된 전자를 활용하는 시스템으로 전달하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 단자들은 하나 이상의 단부 플레이트, 하나 이상의 전극 플레이트, 멤브레인 및/또는 케이스를 통과할 수 있다. 하나 이상의 단자들은 단부 플레이트에서 외부로 전극 플레이트를 통과하거나 단부 플레이트의 평면에 본질적으로 평행한 어셈블리에 대해 케이스 또는 멤브레인의 측을 통과할 수 있다. 단자는 모노폴라 플레이트의 애노드 또는 캐소드의 극성과 일치한다. 모노폴라 플레이트의 캐소드 및 캐소드 집전기를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 캐소드는 독립적인 양의 단자에 연결될 수 있다. 모노폴라 플레이트의 애노드 및 애노드 집전기를 갖는 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 애노드는 독립적인 음의 단자에 연결될 수 있다. 캐소드 집전기들이 연결될 수 있고, 애노드 집전기들이 병렬로 연결될 수 있다. 개별 단자들은 멤브레인으로 커버될 수 있으며, 연결된 양의 단자와 음의 단자 하나만 노출된다. 어셈블리에는 전도성 단자들의 하나 이상의 쌍들이 포함될 수 있으며, 각 쌍은 양의 및 음의 단자에 연결된다. 단자들은 기본적으로 셀에서 생성된 전기를 활용하는 시스템인 부하에 각 배터리 스택을 연결하도록 되어 있다. 단자는 어셈블리에 있는 하나 이상의 전도성 도관과 접촉할 수 있다.
배터리 어셈블리는 전기화학 셀들을 포함하는 회로가 형성되도록 부하에 부착될 수 있다. 전자는 전기를 사용하는 시스템인 단자와 부하로 흐른다. 이 흐름은 셀이 전기를 생성할 수 있는 한 유지된다. 전극 플레이트들의 스택이 완전히 방전되면 배터리는 추가 사용 전에 충전 단계를 거쳐야 한다. 전극 플레이트들 용 기판이 상 변형 온도보다 낮은 배터리 어셈블리의 작동 온도에서 전기 전도성 물질 혼합물을 포함하는 경우 기판은 기판의 제1 표면과 대향하는 제2 표면 사이에서 재료 혼합물을 통한 전기 전도성 경로를 갖는다. 전도성 물질 혼합물의 상 변형 온도 이상의 온도에서, 전기 전도성 물질 혼합물은 전기 전도성 경로를 통해 전기 전도성을 비활성화하는 상 변형을 겪는다. 이렇게 하면 좋지 않은 결과가 발생하기 전에 배터리를 비활성화할 수 있다. 배터리가 방전되면 이는 전자 소스로 회로를 형성하여 재충전될 수 있다. 충전 중에는 전극이 기능을 변경하고 방전 중 애노드는 캐소드가 되고 방전 중 캐소드는 애노드가 된다. 본질적으로 전기화학 셀은 방전과 비교하여 반대 방향으로 전자와 이온을 흐른다.
배터리 어셈블리는 하나 이상의 단부 플레이트들의 보강으로 인해 변형, 뒤틀림, 누출 또는 균열이 발생하지 않고 내부 진공을 끌어들이는 동안이나 이후에, 작동(충전/방전) 중, 또는 두 모두에서 내부 압력을 견딜 수 있다. 내부 진공을 끌어들이는 동안 또는 이후, 전해질로 충전하기 전 및/또는 배터리 어셈블리를 작동하기 전의 내부 압력은 대기압이거나 대기압 이하일 수 있으며, 예를 들어 지구의 대기압은 약 14.7psi(약 101.3kPa)이다. 배터리 어셈블리는 내부 압력으로 인한 누출이나 뒤틀림 없이 작동 중 내부 압력, 약 5psi(34.5kPa) 이상, 약 10psi(68.9kPa) 이상, 약 20psi(137.9kPa) 이상, 약 50psi(344.7kPa) 이상 및 약 100psi(689.5kPa) 이하의 내부 압력(게이지 압력)을 견딜 수 있다. 예를 들어, 배터리 어셈블리는 작동 동안 약 6psi(41.4kPa) 내지 약 10psi(68.9kPa)의 내부 압력을 견딜 수 있을 수 있다. 어셈블리는 킬로그램당 약 34와트시 이상, 킬로그램당 약 40와트시 이상, 또는 심지어 킬로그램당 약 50와트시 이상의 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 본 발명의 어셈블리는 6, 12, 24, 48, 96 또는 200볼트와 같은 원하는 전압을 생성할 수 있다.
바이폴라 배터리 어셈블리의 조립 및 냉각 방법
본 개시는 또한 본 교시에 따른 배터리 어셈블리를 조립 및 냉각하는 방법에 관한 것이다.
이 방법은 하나 이상의 채널들을 통해 하나 이상의 유체를 순환시키는 것을 포함할 수 있다. 순환하는 하나 이상의 유체는 배터리 어셈블리에서 열을 제거하거나 열을 추가하거나 둘 다를 수행하는 기능을 할 수 있다. 하나 이상의 유체는 산세척, 형성, 충전, 배출 또는 이들의 조합 동안 순환될 수 있다. 하나 이상의 유체를 순환시키는 것은 하나 이상의 채널들 내에서 유체를 재순환시키는 것, 하나 이상의 채널을 통해 유체를 통과시키는 것, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 순환 유체는 하나 이상의 유체가 채널의 한쪽 단부로 흘러 들어간 다음 채널의 반대쪽 단부를 통해 흐르는 것을 포함할 수 있다. 순환 유체는 제1 단부에서 반대쪽 제2 단부로, 그리고 다시 채널의 제1 단부로 순환하는 유체를 포함할 수 있다. 하나 이상의 유체는 하나 이상의 채널들 내에서 하나 이상의 관형 부재들을 통해 순환될 수 있다. 하나 이상의 유체는 하나 이상의 유동 메커니즘들을 통해 순환될 수 있다. 하나 이상의 유체는 냉각에 사용되는 경우 배터리 어셈블리의 내부보다 낮은 온도를 가질 수 있고 가열에 사용되는 경우 배터리 어셈블리의 내부보다 높은 온도를 가질 수 있고 또는 둘 모두에 해당할 수 있다. 하나 이상의 채널들에 들어가기(예를 들어, 이를 통해 순환하기) 전에 하나 이상의 유체는 배터리 어셈블리의 내부(예를 들어, 전기화학 셀의 내부)와 약 10°C 이상, 약 25°C 이상, 또는 심지어 약 50°C 이상의 온도 차이를 가질 수 있다. 하나 이상의 채널들에 들어가기(예를 들어, 이를 통해 순환하기) 전에 하나 이상의 유체는 배터리 어셈블리의 내부와 약 100°C 이하, 약 80°C 이하, 또는 심지어 약 70°C 이하의 온도 차이를 가질 수 있다. 배터리 어셈블리의 내부 온도는 산세, 형성, 충전 및/또는 방전 중 배터리의 온도; 하나 이상의 유체가 흐르기 전 또는 그와 동시의 온도; 또는 이들의 조합일 수 있다.하나 이상의 채널에 들어가기 전의 하나 이상의 유체는 약 0°C 이상, 약 1°C 이상, 약 3°C 이상, 또는 심지어 약 5°C 이상의 온도를 가질 수 있다. 하나 이상의 채널에 들어가기 전의 하나 이상의 유체는 약 30°C 이하, 약 20°C 이하, 약 15°C 이하, 또는 심지어 약 10°C 이하의 온도를 가질 수 있다.
방법은 전극 플레이트들의 스택을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 전극 플레이트들의 스택을 형성하는 것은 복수의 전극 플레이트들을 정렬 및 적층하여 그 사이에 하나 이상의 전기화학 셀들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 한 쌍의 전극 플레이트들 사이에 하나 이상의 분리막들이 위치할 수 있다. 전극 플레이트들과 분리막들은 교대로 적층될 수 있다. 하나 이상의 전극 플레이트들의 하나 이상의 프레임들은 하나 이상의 인접한 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 프레임들과 정렬 및/또는 맞물릴 수 있다. 하나 이상의 전극 플레이트들의 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 다른 전극 플레이트들 및/또는 분리막들의 하나 이상의 인서트들과 정렬 및/또는 맞물릴 수 있다. 하나 이상의 인서트들이 정렬되어 하나 이상의 분리막들의 하나 이상의 개구들을 통과할 수 있다. 복수의 인서트들의 정렬 및 연동은 하나 이상의 채널들을 형성할 수 있다.
방법은 하나 이상의 채널들 내에 하나 이상의 밀봉들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 밀봉, 관형 부재, 로드, 포스트, 인서트, 또는 이들의 조합과 관련하여 본 명세서의 교시에 따라 형성될 수 있다. 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 관형 부재들을 생성 및/또는 하나 이상의 채널들 내부에 삽입하여 형성될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들이 본 명세서에 제공된 교시에 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 인서트들이 안쪽을 향하는 표면을 따라 용융 결합되어 채널의 길이를 따라 연속적인 관형 부재를 형성할 수 있다. 다른 예로서, 로드가 하나 이상의 채널들에 삽입될 수 있다. 하나 이상의 관형 부재들은 하나 이상의 인서트들의 안쪽을 향하는 표면과 같은 하나 이상의 채널의 내부 표면에 부착될 수 있다.
방법은 하나 이상의 채널들에 하나 이상의 열 교환기들을 삽입 및/또는 부착하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 채널들이 하나 이상의 냉각 채널로 기능하도록 하고 배터리 어셈블리의 내부에서 열을 제거하고 또는 둘 모두에 해당하도록 할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 열 교환기, 관형 부재, 로드, 포스트, 유체 등에 관련된 본 명세서의 교시에 따라 삽입 및/또는 고정될 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들을 삽입하는 것은 하나 이상의 채널들(예를 들어, 냉각 채널들) 내에 하나 이상의 유체를 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들을 삽입하는 것은 하나 이상의 채널들 내에 하나 이상의 밀봉, 관형 부재, 로드 및/또는 포스트를 형성 및/또는 삽입하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기들을 부착하는 것은 전극 플레이트 스택의 하나 이상의 단부에 하나 이상의 열교환기를 부착하는 것, 하나 이상의 채널들과 연통하는 것 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 하나 이상의 단부들은 하나 이상의 모노폴라 플레이트, 단부 플레이트 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
방법은 복수의 전기화학 셀들을 전해질로 채우는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 셀들은 하나 이상의 밀봉이 형성, 하나 이상의 열 교환기들이 삽입 및/또는 부착 전, 동안 및/또는 후에 또는 이들의 조합에서 전해질로 채워질 수 있다. 배터리 어셈블리는 PCT 공개 WO 2013/062623 및 미국 특허 번호: 제10,141,598호에 개시된 것과 같은 전해질로 채워질 수 있으며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
예시적인 실시예
도면의 다음 설명은 본 명세서의 교시를 예시하기 위해 제공되지만 그 범위를 제한하려는 것은 아니다. 한 예의 특징이 다른 예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 분리막은 도 2 및 3의 분리막으로 사용될 수 있다.
도 1은 단부 플레이트(10)를 도시한다. 단부 플레이트(10)는 내부 보강 구조(12)를 포함한다. 내부 보강 구조(12)는 베이스(15)로부터 돌출된 복수의 리브들(14)을 포함한다. 복수의 리브들(14)은 단부 플레이트(10)의 주변에 대해 외부 보강 리브(16)를 포함한다. 복수의 리브들(14)는 복수의 위도방향 리브들(18) 및 길이방향 리브들(20)을 포함한다. 위도방향 리브들(18)은 길이방향 리브들(20)에 실질적으로 수직이다. 복수의 리브들(14)는 리브들(14) 사이의 베이스(15)를 노출시키는 복수의 셀들(22)을 형성한다. 단부 플레이트(10)는 복수의 개구들(24)을 포함한다. 복수의 개구들(24)는 주변 개구들(26)을 포함한다. 주변 개구들(26)는 그 주변에 융기된 보스(27)를 포함할 수 있다. 복수의 개구들(24)은 복수의 내부 개구들(28)을 더 포함한다. 내부 개구들(28)은 복수의 리브들(14) 사이에 형성된 셀들(22)에 배치된다. 내부 개구들(28)는 베이스(15)를 통해 연장된다. 복수의 개구들(24)은 복수의 채널 개구들(30)을 포함한다. 각 채널 개구(30)는 단부 플레이트(10)의 베이스(15)로부터 돌출하는 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다.
도 2는 배터리 어셈블리(1)의 일부로서 전극 플레이트들(50) 스택의 에지 주위에 멤브레인(52)을 적용하는 것을 도시한다. 전극 플레이트들(50)의 스택의 대향 단부들(54)에 두 개의 단부 플레이트들(10)이 위치된다. 두 개의 단부 플레이트들(10)은 제2 단부 플레이트(58)에 대해 전극 플레이트들(50)의 스택의 대향 단부(54)에 위치된 제1 단부 플레이트(56)를 포함한다. 각각의 단부 플레이트(10)는 내부 보강 구조(12)를 형성하기 위해 복수의 리브들(14)이 돌출하는 베이스(15)를 포함한다. 전극 플레이트들(50) 주위에는 프레임들(60)이 배치된다. 개별 전극 플레이트들(50) 사이에 분리막(62)가 샌드위치된다. 각 분리막(62) 주위에는 분리막들용 프레임들(64)이 배치된다. 분리막용 프레임들(64)은 전극 플레이트들(50)용 프레임들(60) 사이에 있다. 멤브레인(52)은 열원(66) 및 압력(68)을 사용하여 프레임들(60, 64)에 적용되어 멤브레인(52)을 프레임들(60, 64) 및 전극 플레이트들(50)의 스택의 에지에 밀봉한다.
도 3은 배터리 어셈블리(1)를 형성하는 전극 플레이트들(50)의 부분적으로 분해된 스택을 도시한다. 제1 단부 플레이트(56)인 단부 플레이트(10)가 도시되어 있다. 제1 단부 플레이트(56)는 내부 보강 구조(12)를 포함한다. 단부 플레이트(10)는 복수의 채널 개구들(30)을 포함한다. 각 채널 개구(30)는 단부 플레이트(10)의 베이스(15)로부터 돌출된 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 제1 단부 플레이트들(10, 56)에 인접하여 모노폴라 플레이트(68)가 있다. 모노폴라 플레이트(68)는 기판(69) 및 프레임(60)을 포함한다. 프레임(60)은 기판(69)의 주변에 대해 융기된 에지를 형성한다. 모노폴라 플레이트(68)는 기판(69)에 복수의 채널 개구들(30)을 포함한다. 각각의 채널 개구(30)는 모노폴라 플레이트(68)의 기판(69)으로부터 돌출하는 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 모노폴라 플레이트(68)에 인접하여 분리막(62)가 있다. 분리막(62)는 프레임(64)을 포함한다. 프레임(64)은 분리막(62)의 주변에 대해 융기된 에지를 형성한다. 분리막(62)는 내부에 그리고 프레임(64)에 인접하여 위치된 유리 매트 형태와 같은 시트(74)를 더 포함한다. 분리막은 복수의 채널 개구들(30)을 더 포함한다. 각각의 채널 개구(30)는 분리막(64)로부터 돌출된 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 분리막(62)에 인접하여 바이폴라 플레이트(80)가 있다. 바이폴라 플레이트(80)는 기판(69) 및 프레임(60)을 포함한다. 프레임(60)은 바이폴라 플레이트(80)의 기판(60) 주변에 대해 융기된 에지를 형성한다. 바이폴라 플레이트(80)는 복수의 채널 개구들(30)을 포함한다. 각각의 채널 개구(30)는 바이폴라 플레이트(80)의 기판(60)으로부터 돌출하는 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 인서트들(32) 및 채널 개구들(30)은 전극 플레이트들(50)의 스택 및 대향하는 단부 플레이트들(56, 58)을 가로질러 통과하는 하나 이상의 채널들(88)을 형성하도록 정렬되고 연동된다. 채널들(88) 중 하나 이상은 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 공개 제2014/0349147호에 개시된 바와 같이 하나 이상의 포스트(96)(도시되지 않음)를 하여, 하나 이상의 포스트들(96)(도시되지 않음)이 채널(88) 중 하나 이상을 통해 연장되도록 할 수 있다.
도 4는 배터리 어셈블리(1)를 형성하는 전극 플레이트들(50)의 부분적으로 분해된 스택을 도시한다. 제1 단부 플레이트(56)인 단부 플레이트(10)가 도시되어 있다. 단부 플레이트(10)는 또한 모노폴라 플레이트(68)이다. 모노폴라 플레이트(68)는 내부 보강 구조(12)를 포함한다. 모노폴라 플레이트(68)는 복수의 채널 개구들(30)을 포함한다. 각 채널 개구(30)는 베이스(15)로부터 돌출된 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 베이스(15)는 또한 모노폴라 플레이트(68)의 기판(69)이다. 기판(69) 주위에 프레임(60)이 위치된다. 모노폴라 플레이트(68)에 인접하여 분리막(62)가 있다. 분리막(62)는 시트(74)의 형태이다. 분리막(62)는 복수의 채널 개구들(30)을 더 포함한다. 분리막(62)의 채널 개구들(30)은 전극 플레이트(50)의 인서트(32)가 통과할 수 있게 한다. 분리막(62)에 인접하여 바이폴라 플레이트(80)가 있다. 바이폴라 플레이트(80)는 기판(69) 및 프레임(60)을 포함한다. 프레임(60)은 바이폴라 플레이트(80)의 기판(60) 주변에 대해 융기된 에지를 형성한다. 바이폴라 플레이트(80)는 복수의 채널 개구들(30)을 포함한다. 각각의 채널 개구(30)는 바이폴라 플레이트(80)의 기판(69)으로부터 돌출되는 인서트(32)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 인서트들(32) 및 채널 개구들(30)은 전극 플레이트들(50)의 스택을 통해 하나 이상의 채널들(88)을 형성하도록 정렬되고 연동된다.
도 5는 정렬된 채널 개구들(30)에 의해 형성된 채널들(88)을 통한 배터리 어셈블리(1)의 라인 A-A로 도시된 평면을 따른 절단부를 도시한다. 채널들(88)은 전극 플레이트들(50)의 스택을 통과한다. 캐소드(94)가 상부에 배치된 기판(69)을 갖는 모노폴라 플레이트(68)가 도시되어 있다. 모노폴라 플레이트(68)는 기판(69) 주위에 프레임(60)을 포함한다. 모노폴라 플레이트(68)의 캐소드(94)에 인접하여 분리막(62)가 있다. 분리막은 그 주변에 프레임(64)을 포함한다. 분리막(62)에 인접하여 바이폴라 플레이트(80)가 있다. 바이폴라 플레이트(80)는 애노드(92) 및 캐소드(94)가 그 위에 배치된 기판(69)을 포함한다. 바이폴라 플레이트(80)는 기판(69)의 주변에 대해 프레임(60)을 포함한다. 이러한 관점에서, 분리막들(62)과 교대로 적층된 다수의 바이폴라 플레이트들(80)이 있다. 스택의 대향 단부에는 애노드(92)가 그 위에 배치된 기판(69)을 갖는 또 다른 모노폴라 플레이트(68)가 있다. 전극 플레이트들(50)의 스택은 셀들(70)에 위치한 분리막들(62)과 함께 전기화학 셀들(70)을 형성한다. 채널들(88)은 전기화학 셀들(70)을 가로질러 통과한다. 포스트(96)는 채널(88) 내에 배치된다. 포스트(96)는 채널(88)을 밀봉하는 각 단부에 형성된 중첩 부분(98)을 포함한다. 다른 포스트들(96)은 다른 횡단 채널들(88) 내에 위치할 수 있다. 로드(100)는 채널들(88) 중 하나 내에 배치된다. 유체(104)는 로드(100)를 통해 순환할 수 있다. 채널(88)의 길이를 따라 밀봉(102)이 위치한다. 밀봉(102)은 연동(interlocking), 용융 결합 또는 둘 모두에 의해 채널(88)을 형성하도록 정렬된 하나 이상의 개구들의 하나 이상의 인서트들에 의해 형성될 수 있다. 밀봉(102)은 또한 채널(88) 내에 배치된 별도의 슬리브로 형성될 수 있다.
도 6 및 도 7은 배터리 어셈블리(1)의 부분 절개도를 도시한다. 배터리 어셈블리(1)는 전극 플레이트들(50)의 스택을 포함한다. 전극 플레이트들(50)의 스택 주위에 외부 밀봉(106)이 위치한다. 외부 밀봉(106)은 부분적으로 절단되거나 투명한 것으로 도시되어 있다. 배터리 어셈블리(1)는 한 쌍의 전도성 단자들(108)을 포함한다. 배터리 어셈블리(1)는 체크 밸브(110)와 연통하는 환기 구멍(112)을 포함한다. 배터리 어셈블리(1)는 복수의 채널들(88)을 포함한다. 채널들(88) 중 3개는 밀봉된 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 밀봉은 포스트(96)의 중첩 부분(98)에 의해 생성될 수 있다. 채널들(88) 중 하나는 개방된 것으로 도시된다. 도 5는 로드(100)가 채널(88) 내에 위치하는 것을 도시한다. 도 6은 채널(88)이 속이 비어 있어 통합된 튜브를 형성함을 보여준다. 채널(88)은 개방된 상태로 유지되거나 밀봉될 수 있다. 개구 주위에 인서트(32)가 있다. 도 7은 배터리 어셈블리(1)가 히트 싱크(114)를 포함하는 것을 도시한다. 히트 싱크(114)는 하나 이상의 채널들(88)과 연통한다. 히트 싱크(114)는 하나 이상의 로드들(100)(도 6에 도시된 로드(100)와 같은) 또는 하나 이상의 채널들(88) 내에 위치한 다른 튜브들과 연통할 수 있다. 개별 히트 싱크(114)는 도 7a에 도시된 바와 같이 단일 채널(88)과 연통할 수 있거나 개별 히트 싱크(114)는 도 7b에 도시된 바와 같이 복수의 채널들(88)과 연통할 수 있다. 히트 싱크(114)는 단부 플레이트(10)(미도시)의 일부로서 포함될 수 있다.
도 8 및 도 9는 배터리 어셈블리(1)의 단면의 사시도를 도시한다. 단면은 복수의 채널들(88)을 통해 취해진다. 배터리 어셈블리(1)는 단부 플레이트(10)를 포함한다. 단부 플레이트(10)는 또한 모노폴라 플레이트(68)이다. 모노폴라 플레이트(68)는 내부 보강 구조(12)를 포함한다. 배터리 어셈블리(1)는 배터리 플레이트들(50)의 스택을 포함한다. 배터리 플레이트들(50)은 배터리 어셈블리(1)의 각 단부에 위치한 대향하는 모노폴라 플레이트(68)와 교대하는 바이폴라 플레이트들(80) 및 분리막들(62)을 포함한다. 배터리 플레이트들(50) 및 분리막들(62)은 인서트들(32)을 포함한다. 인서트들(32)은 정렬되고 서로 연동된다. 인서트들(32)은 이를 관통하는 개구들(30)을 포함한다. 개구들(30)는 채널(88)을 형성하도록 정렬된다. 채널(들)(88)은 배터리 어셈블리(1)를 가로질러 연장된다. 채널(들)(88)은 그 안에 위치한 로드(100)를 포함한다. 로드(100)는 개방 단부들을 갖는 중공이다. 배터리 플레이트들(50) 및 분리막들(62)은 개별 프레임들(60, 64)을 포함한다. 프레임들(60, 64)은 배터리 어셈블리(1)의 주변에 대해 정렬되고 서로 연동된다. 도 9는 통기 구멍들(116)을 포함하는 인서트들(32)의 일부를 추가로 도시한다. 통기 구멍들(116)을 갖는 인서트들(32)에 의해 형성된 채널(88)은 통기 및 충전 채널(89)이다.
도 10은 제어 배터리 어셈블리(1A)와 냉각 채널을 갖는 냉각 배터리 어셈블리(1B)의 내부 온도를 비교하는 그래프를 도시한다. 제어(1A)에는 냉각 채널로 사용되는 채널(88)(도시되지 않음)이 없다. 냉각 배터리 어셈블리(1B)는 냉각 채널로서 이용되는 채널(88)(도 9에 도시된 것과 같은)이 내부에 형성된 것을 포함한다. 냉각 채널은 배터리 어셈블리(1)를 가로질러 통과하고 양단이 개방된 상태로 유지되는 채널을 갖는 것에 의해 형성된다. 제어 배터리 어셈블리(1A) 및 냉각 배터리 어셈블리(1B)의 내부 온도는 형성 프로세스 동안 모니터링된다. 형성 프로세스 동안, 두 배터리 어셈블리들은 흐르는 물에 그들의 높이의 80%까지 잠겼다. 높이는 채널에 수직인 배터리의 일 측에서 다른 측까지의 거리로 측정된다. 흐르는 물의 온도는 5°C였다. 흐르는 물은 배터리 어셈블리를 가로질러 흐르고, 이는 또한 냉각된 배터리 어셈블리(1B)의 냉각 채널과 평행하다(예를 들어, 인라인). 물은 두 배터리 어셈블리(1A, 1B) 주위로 그리고 냉각 배터리 어셈블리(1B)의 냉각 채널을 통해 흘렀다. 이 프로세스에서 제어 배터리 어셈블리(1A)는 최고 온도 65°C에 도달한 반면, 냉각 배터리 어셈블리(1B)는 최고 온도 58°C에 도달했다. 약 42시간에 걸쳐 형성되는 동안, 제어 배터리 어셈블리(1A)와 냉각 배터리 어셈블리(1B) 사이의 평균 차이는 약 6°C였고 최대 차이는 약 10°C였다.
상기 출원에서 인용된 임의의 수치 값은 임의의 더 낮은 값과 임의의 더 높은 값 사이에 적어도 2 단위의 분리가 있는 경우 1 단위의 증분으로 하한 값에서 상한 값까지의 모든 값을 포함한다. 이들은 구체적으로 의도된 것의 예일뿐이며, 열거된 가장 낮은 값과 가장 높은 값 사이의 모든 가능한 숫자 값 조합은 유사한 방식으로 본 출원에서 명시적으로 언급된 것으로 간주되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한 모든 범위에는 끝점과 끝점 사이의 모든 숫자가 모두 포함된다.
각도 측정치를 설명하기 위한 "일반적으로" 또는 "실질적으로"라는 용어는 약 +/- 10° 이하, 약 +/- 5° 이하, 또는 심지어 약 +/- 1° 이하를 의미할 수 있다. 각도 측정치를 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 설명하기 위한 "일반적으로" 또는 "실질적으로"라는 용어는 약 +/- 0.01% 이상, 약 +/- 0.1% 이상, 또는 심지어 약 +/- 0.5% 이상을 의미할 수 있다.
조합을 설명하기 위해 "본질적으로 구성되는"이라는 용어는 확인된 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계, 및 조합의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 그러한 다른 요소 성분, 컴포넌트 또는 단계를 포함해야 한다. 본 명세서에서 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계의 조합을 설명하기 위해 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하는(including)"이라는 용어의 사용은 또한 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계로 본질적으로 구성된 실시예를 고려한다.
복수의 요소들, 성분들, 컴포넌트들 또는 단계들은 단일 통합 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 단일 통합 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계는 별도의 복수 요소들, 성분들, 컴포넌트들 또는 단계들로 분할될 수 있다. 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계를 설명하기 위한 단수 용어("a" 또는 "하나")의 개시는 추가적인 요소, 성분, 컴포넌트 또는 단계를 배제하려는 의도가 아니다.

Claims (40)

  1. 바이폴라 배터리 어셈블리(bipolar battery assembly)에 있어서,
    a) 전극 플레이트 스택(electrode plate stack)을 형성하기 위해 함께 적층된 복수의 전극 플레이트들;
    b) 상기 전극 플레이트들의 각 쌍의 사이에 위치한 액체 전해질(liquid electrolyte); 및
    c) 상기 복수의 전극 플레이트들과 상기 액체 전해질을 가로질러 통과하는 하나 이상의 채널(channel)들을 포함하고; 및
    상기 하나 이상의 채널들은 상기 액체 전해질로부터 상기 하나 이상의 채널들을 밀봉하기 위해 내부에 하나 이상의 밀봉들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들은 상기 바이폴라 배터리 어셈블리의 내부로부터 열을 제거하도록 구성된 하나 이상의 냉각 채널들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 냉각 채널들은 하나 이상의 열 교환기들을 포함하거나, 이들과 연통하거나, 둘 모두에 해당하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 능동 열 교환기들, 수동 열 교환기들, 또는 둘 모두를 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 교환기들은 하나 이상의 유체 열 교환기들, 파이프 열 교환기들, 쉘 및 튜브 열 교환기들, 플레이트 열 교환기들, 히트 싱크들, 상변화 열 교환기들, 폐열 회수 유닛, 열전 디바이스("TED"), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널은 서로 정렬된 상기 복수의 전극 플레이트들의 각각의 개별 전극 플레이트의 하나 또는 개구들에 의해 형성되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이폴라 배터리 어셈블리는 상기 전극 플레이트들의 각각의 쌍 사이에 개별 분리막이 위치된 복수의 분리막들을 포함하고; 및 상기 복수의 분리막들 각각은 상기 하나 이상의 채널들을 형성하는 상기 전극 플레이트들의 하나 이상의 개구들과 정렬되는 하나 이상의 개구들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 전극 플레이트들, 상기 복수의 분리막들, 또는 둘 모두의 하나 이상의 개구들 각각은 그 내부에 위치 및/또는 형성된 하나 이상의 인서트(insert)들을 포함하고; 및 상기 하나 이상의 인서트들은 하나 이상의 다른 인서트들과 짝을 이루어 상기 하나 이상의 채널들을 형성하고 상기 액체 전해질로부터 상기 하나 이상의 채널들을 밀봉하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 밀봉들이 상기 액체 전해질로부터 상기 하나 이상의 채널들을 밀봉하기 위해 상기 하나 이상의 채널들의 하나 이상의 내부 표면들을 따라 성형되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 밀봉들은 하나 이상의 열가소성 재료들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 밀봉들은 상기 하나 이상의 채널들을 형성하고, 하나 이상의 인서트들의 하나 이상의 내향 표면들에서 분리되고 위치하며, 또는 둘 모두를 위해 정렬되고 연동되는 상기 하나 이상의 인서트들의 상기 하나 이상의 내향 표면들에 의해 형성되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들의 각각의 상기 밀봉은 횡방향으로 상기 바이폴라 배터리 어셈블리의 강도를 증가시키고, 상기 횡방향은 상기 하나 이상의 채널들의 길이방향 축과 동일한, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 밀봉들은 그들이 위치하는 상기 하나 이상의 채널들의 전체 길이를 따라 연장되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 밀봉들은 상기 하나 이상의 채널들 내에 위치되는 하나 이상의 관형 부재(tubular member)들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 관형 부재들은 상기 하나 이상의 채널들 내에서 제자리에 성형되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 유체들은 상기 하나 이상의 채널들 내에 위치되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체들은 상기 하나 이상의 채널들을 통해 순환되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체들은 상기 바이폴라 배터리 어셈블리에 열을 추가하거나, 그로부터 열을 제거하거나, 또는 둘 모두를 수행하도록 구성되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체들을 갖는 상기 하나 이상의 채널들은 하나 이상의 냉각 채널들인, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 로드(rod)들은 상기 하나 이상의 채널들 내에 위치되고; 및 상기 하나 이상의 로드들은 밀봉되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 상기 하나 이상의 채널 내에서 제자리에 성형되는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 상기 하나 이상의 밀봉을 형성하거나, 상기 하나 이상의 밀봉들 내에 위치하거나, 둘 모두에 해당하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 관형 부재들이거나, 하나 이상의 관형 부재들 내에 위치하거나, 둘 모두에 해당하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 약 100 W/m·K 이상의 열 전도율을 갖는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  25. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 약 200 W/m·K 이상의 열 전도율을 갖는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  26. 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 알루미늄, 구리, 붕소 비소, 다이아몬드, 그래핀, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  27. 제20항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 그 내부에 밀봉된 하나 이상의 유체들을 갖는 하나 이상의 열 파이프들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  28. 제20항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 로드들은 하나 이상의 유체들이 상기 하나 이상의 로드들 안팎으로 흐를 수 있도록 하나 이상의 개방 단부들을 포함하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  29. 제20항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 히트 싱크들은 상기 하나 이상의 로드들과 직접 또는 간접적으로 연통하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  30. 제29항에 있어서, 상기 하나 이상의 히트 싱크들은 공냉식이거나, 순환 유체에 의해 냉각되거나, 또는 둘 모두에 해당하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 튜빙 커플러(tubing coupler)들이 상기 하나 이상의 채널들 중 적어도 하나의 하나 이상의 단부들에 위치하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  32. 제31항에 있어서, 상기 하나 이상의 튜빙 커플러들은: 상기 하나 이상의 채널들 내에 인서트-몰딩되거나, 상기 하나 이상의 채널들, 하나 이상의 나사산 피팅들, 하나 이상의 압축 피팅들, 하나 이상의 마찰 피팅들 내에서 직접 성형되거나, 이들의 조합에 해당하는, 바이폴라 배터리 어셈블리.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항의 상기 바이폴라 배터리 어셈블리를 조립 및 냉각하는 방법으로서, 상기 방법은: 상기 하나 이상의 채널들을 통해 하나 이상의 유체들을 순환시켜 상기 바이폴라 배터리 어셈블리의 내부로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 방법은 하나 이상의 흐름 메커니즘(flow mechanism)들을 통해 상기 하나 이상의 유체들을 순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널들을 통해 순환되기 전의 상기 하나 이상의 유체들은 약 50°C 이상의 상기 배터리 어셈블리의 내부와의 온도 차이를 갖는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 바이폴라 배터리 어셈블리의 상기 내부 온도는 상기 하나 이상의 유체들이 통과하기 전 또는 동시의 온도인, 방법.
  37. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체들은 약 0
    Figure pct00004
    이상의 온도를 갖는, 방법.
  38. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체들은 상기 바이폴라 배터리 어셈블리의 산세척, 형성, 충전, 방전 또는 이들의 조합 동안 상기 하나 이상의 채널들을 통해 순환되는, 방법.
  39. 제33항에 있어서, 상기 방법은:
    i) 그 사이에 복수의 전기화학 셀들을 생성하기 위해 상기 복수의 전극 플레이트들을 적층함으로써 상기 전극 플레이트 스택을 형성하는 단계; 및
    ii) 상기 복수의 전기화학 셀들을 액체 전해질로 채우는 단계를 포함하는, 방법.
  40. 제37항에 있어서, 상기 방법은 상기 하나 이상의 채널들에 하나 이상의 열 교환기들을 삽입 및/또는 부착하는 단계를 포함하는, 방법.
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