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KR101861212B1 - 전기화학적 에너지 저장 시스템 및 방법 - Google Patents

전기화학적 에너지 저장 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101861212B1
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캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 전기화학 전지, 연료 전지, 커패시터, 수퍼커패시터, 플로우 배터리, 금속-공기 배터리 및 반고체 배터리에 사용하기 위한 3차원 전극 어레이에 관한 것이다.

Description

전기화학적 에너지 저장 시스템 및 방법 {Electrochemical Energy Storage Systems and Methods}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 전체 내용이 본원에 참조로 포함되는, 2010년 9월 9일자 출원된 미국 가출원 제61/381,400호, 2010년 11월 22일자 출원된 미국 가출원 제61/416,193호, 및 2011년 3월24일자 출원된 미국 가출원 제61/467,112호의 권익과 우선권을 주장한다.
지난 수십년에 걸쳐 휴대용 전자 기기, 항공 우주 기술, 승용차 및 바이오메디컬 기기장치를 포함하는 여러 분야에서 이들 시스템의 역량을 신장시키는 전기화학적 저장 및 변환 장치에 있어서 혁신적인 발전이 이루어져 왔다. 전기화학적 저장 및 변환 장치의 현재 기술 수준은 다양한 적용 요건 및 작동 환경과 상용성(compatibility)을 제공하도록 특이적으로 조작되는 디자인 및 성능 특성을 갖는다. 예를 들어, 이식형 의료 기기 용의 매우 낮은 자기 방전율(self-discharge rate) 및 높은 방전 신뢰성을 나타내는 고에너지 밀도 배터리에서부터, 광범위한 휴대용 전자 기기 용의 오랜 실행시간을 제공하는 저가이고 경량의 재충전가능한 배터리, 그리고 단시간의 기간에 걸쳐 매우 높은 방전율을 제공할 수 있는 군사 및 항공우주 적용을 위한 고용량 배터리의 범위에 이르는 진보된 전기화학적 저장 시스템이 개발되었다.
이러한 다양하게 연관된, 진보된 전기화학적 저장 및 변환 시스템의 개발 및 광범위한 채택에도 불구하고, 이들 시스템의 기능을 확장하기 위한 연구를 독려함으로써 보다 광범위한 기기 적용이 가능해지도록 상당한 압박이 지속되고 있다. 예를 들어, 고출력 휴대용 전자 제품에 대한 수요 증가는 보다 높은 에너지 밀도를 제공하는, 안전하고, 경량인 일차 및 이차 배터리 개발에 지대한 관심을 이끌어냈다. 또한, 가전 제품 및 기기 장치 분야에서 소형화에 대한 요구는 고성능 배터리의 크기, 부피 및 폼 팩터(form factor)를 감소시키기 위해 새로운 디자인 및 재료 전략에 대한 연구를 계속해서 독려하고 있다. 나아가, 전기 자동차 및 항공우주 공학 분야에서의 지속적인 개발은 또한 유용한 범위의 작업 환경에서 우수한 기기 성능을 가능하게 할 수 있는 기계적으로 견고한, 높은 신뢰성, 고에너지 밀도 및 고출력 밀도의 배터리에 대한 요구가 생기게 하였다.
전기화학적 저장 및 변환 기술에서 많은 최근의 진보는 배터리 성분에 대한 신규 재료의 발견 및 통합에 직접적으로 기여할 수 있다. 예를 들어, 리튬 배터리 기술은 이들 시스템에 대한 신규한 전극 및 전해질 재료의 발견으로 인해 적어도 부분적으로 지속적으로 급속히 발전하고 있다. 원소 리튬은 전기화학 전지에 사용함에 있어서 관심을 끌게 하는 특이적인 특성들의 조합을 지닌다. 첫째, 리튬은 6.94 AMU의 원자량을 갖는, 주기율표에서 가장 가벼운 금속이다. 둘째, 리튬은 매우 낮은 전기화학적 산화/환원 전위(즉, NHE(표준 수소 기준 전극)에 대해 -3.045 V))를 지닌다. 이러한 특이적인 특성들의 조합은 리튬 기반 전기화학 전지가 매우 높은 비커패시티(specific capacity)를 갖게 할 수 있다. 최신 리튬 이온 이차 배터리는 우수한 충전-방전 특징을 제공하고, 이에 따라 또한 휴대용 전자 기기, 예컨대, 휴대전화 및 휴대용 컴퓨터에 전력원으로서 광범위하게 채택되어 왔다. 본원에 전체 내용이 참조로 포함되는, 미국 특허 제6,852,446호, 제6,306,540호, 제6,489,055호, 및 문헌("Lithium Batteries Science and Technology," Gholam-Abbas Nazri and Gianfranceo Pistoia, Kluer Academic Publishers 편집, 2004)은 리튬 및 리튬 이온 배터리 시스템에 관한 것이다.
또한, 전극 구조 및 기하구조에서의 진보가 최근에 이루어졌다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 US 2011/0171518 및 국제 특허 출원 공개 WO 2010/007579는 고상 리튬 이온 배터리용 3차원 배터리 구조를 개시하고 있다. 미국 특허 출원 제7,553,584호 및 미국 특허 출원 공개 US 2003/0099884는 전극이 상보적인 구조로서 형성되어 있는 준-3차원 배터리를 개시하고 있다. 그러나, 이들 구조가 납산 전지(lead-acid cell), 연료 전지, 커패시터(capacitor), 수퍼커패시터(supercapacitor) 또는 금속-공기 배터리(metal-air battery)와 함께 사용되는 것을 찾을 수 없다.
요약
본 발명은 에너지 저장 분야에 관한 것이다. 본 발명은 일반적으로 에너지 저장 및 에너지 생성 장치에 사용하기 위한 전극 어레이에 관한 것이다.
제 1 양태에서, 3차원 전극 어레이가 제공된다. 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 복수의 평판 전극, 및 복수의 막대 전극을 포함하며, 각각의 평판 전극은 일련의 구멍을 포함하고, 평판 전극은, 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 다른 모든 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 실질적으로 병렬 배향으로 배열되고, 복수의 막대 전극은 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며, 제 1 표면적이 복수의 평판 전극의 누적 표면적을 포함하고, 제 2 표면적이 각각의 구멍 어레이의 누적 표면적을 포함하고, 제 3 표면적이 각각의 복수의 막대 전극의 누적 표면적을 포함한다. 특정 구체예에서, 복수의 막대 전극은 복수의 평판 전극과 전기적으로 접촉하지 않는다.
구체예들에서, 3차원 전극 어레이는 일차 전기화학 전지, 이차 전기화학 전지, 연료 전지, 커패시터, 수퍼커패시터, 플로우 배터리(flow-battery), 금속-공기 배터리 및 반고체 배터리로 이루어진 군으로부터 선택된 장치의 구성요소이다.
상기 양태의 3차원 전극 어레이는 다양한 기하구조 및 물리적 치수를 갖는 것들을 포함한다. 유용한 3차원 전극 어레이는 제 1 표면적에 대한 제 2 표면적의 비가 약 2이거나, 1 내지 5의 범위에 걸쳐서 선택되는 것들을 포함한다. 유용한 3차원 전극 어레이는 제 3 표면적에 대한 제 2 표면적의 비가 약 2이거나, 1 내지 5의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 0.2 내지 5의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 0.2 내지 1의 범위에 걸쳐서 선택되는 것들을 포함한다. 1 내지 5의 범위에 걸쳐서 선택된 제 3 표면적에 대한 제 2 표면적의 비를 지닌 3차원 전극 어레이는 임의로 전기화학 전지 구체예에 대해 유용하다. 0.2 내지 1의 범위에 걸쳐서 선택된 제 3 표면적에 대한 제 2 표면적의 비를 지닌 3차원 전극 어레이는 임의로 플로우 배터리 구체예, 연료 전지 구체예, 및 반고체 배터리 구체예에 대해 유용하다.
이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 어떠한 배향을 지닌 것들을 포함한다. 예를 들어, 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는, 평판 전극이 수평 배향을 갖도록 배열된다. 그러나, 또 다른 구체예에서, 3차원 전극 어레이는, 평판 전극이 수직 배향을 갖도록 배열된다. 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는, 막대 전극이 수평 배향을 갖도록 배열된다. 그러나, 또 다른 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 막대 전극이 수직 배향을 갖도록 배열된다.
이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 다양한 기하구조 및 물리적 치수를 지닌 평판 전극을 갖는 것들을 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이에서 각각의 평판 전극은 동일하거나 실질적으로 동일한 치수를 갖는다. 그러나, 특정 구체예들에서, 각각의 평판 전극의 치수는 독립적이다. 임의로, 각각의 복수의 평판 전극의 하나 이상의 측면 치수 (예를 들어, 길이, 폭)는 약 2 cm이거나, 20 nm 내지 20 m의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 5 mm 내지 1 m의 범위에 걸쳐서 선택된다. 구체예들에서, 각각의 복수의 평판 전극의 두께 치수는 20 nm 내지 5 cm의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 200 ㎛ 내지 5 mm의 범위에 걸쳐서 선택된다. 구체예들에서, 각각의 복수의 평판 전극들 간의 간격은 10 nm 내지 5 cm의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 200 ㎛ 내지 5 mm의 범위에 걸쳐서 선택된다. 구체예들에서, 평판 전극 내 간각의 구멍의 직경 또는 측면 치수는 10 nm 내지 20 cm의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 3 mm 내지 2 cm의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 1 mm 내지 2 cm의 범위에 걸쳐서 선택된다. 임의로, 평판 전극 내 각각의 구멍은 동일하거나 실질적으로 동일한 치수 및/또는 모양을 갖는다. 임의로, 각각의 구멍은 막대 전극의 측면 치수의 2x 초과의 측면 치수를 갖는다. 그러나, 특정 구체예들에서, 평판 전극 내 각각의 구멍의 치수 및/또는 모양은 독립적이다. 임의로, 각각의 평판 전극의 각각의 구멍의 치수 및/또는 모양은 독립적이다. 유용한 구멍 모양은 사각형, 직사각형, 원형, 및 다각형을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 본원에서 사용되는 용어 구멍 및 홀은 상호교환가능하게 사용된다.
이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 다양한 기하구조 및 물리적 치수를 지닌 막대 전극을 지닌 것들을 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이 내 막대 전극은 동일하거나 실질적으로 동일한 치수를 갖는다. 그러나, 특정 구체예들에서, 각각의 막대 전극의 치수는 독립적이다. 임의로, 각각의 막대 전극은 원형 단면을 갖는다. 임의로, 각각의 막대 전극은 비원형 또는 다각형 단면을 갖는다. 유용한 막대 전극 단면 모양은 사각형, 직사각형, 원형, 및 다각형을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 일 구체예에서, 각각의 복수의 막대 전극의 길이는 50 nm 내지 20 m의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 5 mm 내지 1 m의 범위에 걸쳐서 선택된다. 구체예들에서, 각각의 복수의 막대 전극의 직경 또는 측면 치수는 9 nm 내지 20 cm의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 3 mm 내지 2 cm의 범위에 걸쳐서 선택되거나, 1 mm 내지 2 cm의 범위에 걸쳐서 선택된다. 임의로, 하나 이상의 막대 전극은 일군의 막대 전극을 포함하며, 일군의 막대 전극은, 일군의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열된다. 임의로, 각각의 막대 전극은 실린더를 포함한다.
이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 여러 재료 중 어느 하나를 포함하는 것들을 포함한다. 유용한 전극 재료는 일차 전기화학 전지, 이차 전기화학 전지, 연료 전지, 커패시터 및 수퍼커패시터에 사용되는 것들을 포함한다. 구체예들에서, 3차원 전극 어레이 내 각각의 평판 전극은 독립적으로 금속, 금속 합금, 탄소, 그라파이트, 그라펜(그라펜), Li, Mn2O4, MnO2, Pb, PbO2, Na, S, Fe, Zn, Ag, Ni, Sn, Ge, Si, Sb, Bi, NiOOH, Cd, FeS2, LiCoO2, Mg로 도핑된 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiMnO2, Al로 도핑된 LiMnO2, LiFePO4, 도핑된 LiFePO4(Mg, Al, Ti, Nb, Ta), 비정질 탄소, 메조카본 마이크로비즈, LiAl, Li9Al4, Li3Al, LiZn, LiAg, Li10Ag3, B, Li7B6, Li12Si7, Li13Si4, Sn, LiSSn2, Li13SnS, Li7Sn2, Li22SnS, Li2Sb, Li3Sb, LiBi, Li3Bi, SnO2, SnO, MnO, Mn3O4, CoO, NiO, FeO, LiFe2O4, TiO2, LiTi2O4, 바나듐 옥사이드, Sn-B-P-O 화합물로 도핑된 유리, 폴리(o-메톡시아닐린, 폴리(3옥틸티오펜) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 중 하나 이상으로 코팅된 메조카본 마이크로비즈, 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이 내 각각의 평판 전극은 동일하거나 실질적으로 동일한 재료를 포함한다. 그러나, 특정 구체예들에서, 3차원 전극 어레이 내 둘 이상의 평판 전극의 재료는 상이하다. 특정 구체예들에서, 각각의 복수의 평판 전극 간에는 전기적 소통이 성립된다. 임의로, 평판 전극은 리튬; 리튬 합금, 예컨대 리튬-알루미늄, 리튬-주석, 리튬-마그네슘, 리튬-납, 리튬-아연 또는 리튬-붕소; 알칼리 금속, 예컨대 Na, K, Rb 또는 Cs; 알칼리 토금속, 예컨대 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 또는 이들의 합금; Zn 또는 Zn의 합금; 또는 Al 또는 Al의 합금을 포함한다.
임의로, 3차원 전극 어레이는 연료 전지의 구성요소를 포함한다. 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 하나 이상의 평판 전극, 하나 이상의 막대 전극, 또는 하나 이상의 평판 전극 및 하나 이상의 막대 전극 둘 모두와 접촉하여 배치되는, 연료 유체, 예컨대, 수소 가스 또는 수소 함유 가스 또는 액체 탄화수소 연료를 포함한다. 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 하나 이상의 평판 전극, 하나 이상의 막대 전극, 또는 하나 이상의 평판 전극 및 하나 이상의 막대 전극 둘 모두와 접촉하여 배치되는, 산소 함유 유체, 예컨대 산소 가스 또는 공기를 포함한다. 임의로, 예를 들어, 펌프에 의해 연료 유체에 대한 흐름이 제공된다. 임의로, 예를 들어 펌프에 의해 산소 함유 유체에 대한 흐름이 제공된다.
임의로, 3차원 전극 어레이는 금속-공기 배터리의 구성 요소를 포함한다. 일 구체예에서, 하나 이상의 막대 전극은 금속을 포함하거나, 하나 이상의 평판 전극 금속을 포함하거나, 하나 이상의 막대 전극 및 하나 이상의 평판 전극 둘 모두는 금속을 포함한다. 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 하나 이상의 평판 전극, 하나 이상의 막대 전극, 또는 하나 이상의 평판 전극 및 하나 이상의 막대 전극 둘 모두와 접촉하여 배치되는, 산소 함유 유체, 예컨대, 산소 가스 또는 공기를 포함한다. 임의로, 예를 들어 펌프에 의해 산소 함유 유체에 대한 흐름이 제공된다.
구체예들에서, 3차원 전극 어레이 내 각각의 막대 전극은 독립적으로 금속, 금속 합금, 탄소, 그라파이트, 그라펜, Li, Mn2O4, MnO2, Pb, PbO2, Na, S, Fe, Zn, Ag, Ni, Sn, Ge, Si, Sb, Bi, NiOOH, Cd, FeS2, LiCoO2, Mg로 도핑된 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiMnO2, Al로 도핑된 LiMnO2, LiFePO4, 도핑된 LiFePO4(Mg, Al, Ti, Nb, Ta), 비정질 탄소, 메조카본 마이크로비즈, LiAl, Li9Al4, Li3Al, LiZn, LiAg, Li10Ag3, B, Li7B6, Li12Si7, Li13Si4, Sn, LiSSn2, Li13SnS, Li7Sn2, Li22SnS, Li2Sb, Li3Sb, LiBi, Li3Bi, SnO2, SnO, MnO, Mn3O4, CoO, NiO, FeO, LiFe2O4, TiO2, LiTi2O4, 바나듐 옥사이드, Sn-B-P-O 화합물로 도핑된 유리, 폴리(o-메톡시아닐린, 폴리(3옥틸티오펜) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 중 하나 이상으로 코팅된 메조카본 마이크로비즈, 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이 내 각각의 막대 전극은 동일하거나 실질적으로 동일한 재료를 포함한다. 그러나, 특정 구체예들에서, 3차원 전극 어레이 내 둘 이상의 막대 전극의 재료는 상이하다. 구체예들에서, 각각의 복수의 막대 전극 간에 전기적 소통이 성립된다. 임의로, 막대 전극은 리튬; 리튬 합금, 예컨대 리튬-알루미늄, 리튬-주석, 리튬-마그네슘, 리튬-납, 리튬-아연 또는 리튬-붕소; 알칼리 금속, 예컨대 Na, K, Rb 또는 Cs; 알칼리 토금속, 예컨대 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 또는 이들의 합금; Zn 또는 Zn의 합금; 또는 Al 또는 Al의 합금을 포함한다.
예시적 구체예에서, 하나 이상의 막대 전극은 복합 막대 전극을 포함한다. 유용한 복합 막대 전극은 막대 전극 내부 코어, 및 막대 전극 내부 코어를 둘러싸고 있는 막대 전극 외부 쉘을 포함하는 것들을 포함한다. 임의로, 막대 전극 내부 코어 및 막대 전극 외부 쉘은 예를 들어, 전해질로 충전되는, 제 1 간격에 의해 분리된다. 임의로, 복합 막대 전극은 전기화학 전지를 포함한다. 임의로, 막대 전극 내부 코어는 솔리드(solid) 실린더를 포함한다. 임의로, 막대 전극 외부 쉘은 중공 실린더를 포함한다. 일 구체예에서, 막대 전극 내부 코어는 제 1 전극 재료를 포함하고, 막대 전극 외부 쉘은 제 1 전극 재료와 상이한 제 2 전극 재료를 포함하고, 하나 이상의 평판 전극은 제 1 전극 재료를 포함한다.
일 구체예에서, 하나 이상의 막대 전극은 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축에 대해 수직 방향을 따라 연장되는 분지된 세그먼트(segment)를 포함하는 분지형 막대 전극을 포함한다. 일 구체예에서, 둘 이상의 이웃하는 막대 전극의 분지된 세그먼트는 둘 이상의 이웃하는 막대 전극 간의 간격 전체에 걸쳐 있으며, 이에 따라 둘 이상의 이웃하는 막대 전극 간에 브릿지 세그먼트를 형성한다. 구체예들에서, 각각의 막대 전극은 전해질, 예컨대 고체 전해질로 코팅된다.
예시적 구체예에서, 하나 이상의 평판 전극은 복합 평판 전극을 포함한다. 유용한 복합 평판 전극은, 평판 전극 내층, 및 평판 전극 내층을 둘러싸고 있는 평판 전극 외부 쉘을 포함하는 것들을 포함한다. 임의로, 평판 전극 내층 및 평판 전극 외부 쉘은 예를 들어, 전해질로 충전되는 제 1 간격에 의해 분리된다. 임의로, 복합 평판 전극은 전기화학 전지를 포함한다. 일 구체예에서, 평판 전극 내층은 제 1 전극 재료를 포함하고, 평판 전극 외부 쉘은 제 1 전극 재료와 상이한 제 2 전극 재료를 포함하고, 하나 이상의 막대 전극은 제 1 전극 재료를 포함한다.
구체예들에서, 이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 어떠한 수의 평판 전극을 포함하다. 예를 들어, 유용한 3차원 전극 어레이는 5개 또는 그 초과, 6개 또는 그 초과, 7개 또는 그 초과, 8개 또는 그 초과, 9개 또는 그 초과, 또는 10개 또는 그 초과 평판 전극을 포함하는 것들을 포함한다. 구체예들에서, 이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 어떠한 수의 막대 전극을 포함한다. 예를 들어, 유용한 3차원 전극 어레이는 50개 또는 그 초과, 60개 또는 그 초과, 70개 또는 그 초과, 80개 또는 그 초과, 90개 또는 그 초과, 또는 100개 또는 그 초과의 막대 전극을 포함하는 것들을 포함한다.
구체예들에서, 전극 어레이는 예를 들어, 금속-공기 배터리에 유용한 산소 전극을 포함한다. 임의로, 산소 전극은 주위 공기에 노출되고, 분자 산소가 주위 공기로부터 접근된다. 유용한 전극은 Ni 메시(mesh) 상의 PVDF와 같은, 결합제 및 그라파이트 분말로 제조된, 예를 들어, 약 150 마이크로미터 두께의 복합 탄소 전극을 포함한다.
특정 구체예들에서, 3차원 전극 어레이는 전기화학 전지의 구성요소이다. 유용한 전기화학 전지는 일차 전지, 이차 전지, 납산 전지, 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 금속-공기 전지, 아연-탄소 전지, 알칼리 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈 금속 하이드라이드 전지, 산화은 전지, 나트륨 황 전지, 고체 전기화학 전지 또는 유체 전기화학 전지로 이루어진 군으로부터 선택된 것들을 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이는 추가로 각각의 복수의 평판 전극과 각각의 복수의 막대 전극 사이에, 또는 각각의 복수의 막대 전극 주변에 위치하는 전해질을 포함한다. 특정 구체예에서, 전해질은 각각의 복수의 평판 전극을 둘러싸는 제 1 전해질 및 각각의 복수의 막대 전극을 둘러싸는 제 2 전해질을 포함한다. 임의로, 제 1 전해질 및 제 2 전해질은 상이하다. 임의로, 제 1 전해질 및 제 2 전해질은 동일하다. 임의로, 제 1 전해질 및 제 2 전해질은 각각 독립적으로 고체 전해질을 포함한다. 특정 구체예에서, 메브레인(membrane)은 제 1 전해질과 제 2 전해질 사이에 위치한다. 임의로, 제 1 전해질 및 제 2 전해질은 모두 액체이다. 임의로, 전해질은 가변성의 점도, 속도, 조성, 또는 이들의 어떠한 조합의 유체이다.
구체예들에서, 전해질은 예를 들어, 일차 및 이차 전기화학 전지에 유용한 여러 전해질 중 어느 하나를 포함한다. 유용한 전해질은 수용액; 유기 용매; 리튬 염; 황산; 수산화칼륨; 이온성 액체; 고체 전해질; 폴리머; 폴리(에틸렌 옥사이드); 폴리(프로필렌 옥사이드); 폴리(스티렌); 폴리(이미드); 폴리(아민); 폴리(아크릴로니트릴); 폴리(비닐리덴 플루오라이드); 메톡시에톡시에티옥시 포스파진; 디아이오도메탄; 1,3-디아이오도프로판; N,N-디메틸포름아미드; 디메틸프로필렌 우레아; 에틸렌 카보네이트; 디에틸렌 카보네이트; 디메틸 카보네이트; 프로필렌 카보네이트; 리튬 염으로 도핑된 블록 코폴리머 리튬 전해질; 유리; LiI, LiF, LiCl, Li2O-B2O3-Bi2O3, Li2O-B2O3-P2O5 및 Li2OB2O3 중 하나 이상으로 도핑된 유리; Si, B, P, Ti, Zr, Bb 및 Bi의 하나 이상의 옥사이드의 졸; Si, B, B, Ti, Zr, Pb 및 Bi의 하나 이상의 하이드록사이드의 졸; Si, B, P, Ti, Zr, Bb 및 Bi의 하나 이상의 옥사이드의 겔; Si, B, B, Ti, Zr, Pb 및 Bi의 하나 이상의 하이드록사이드의 겔; 또는 이들 중 어떠한 조합물을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 유용한 폴리머는 추가로 폴리아크릴로니트릴, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 설폰), 폴리(에틸렌 글리콜 디아크릴레이트), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라하이드로푸란), 폴리(디옥솔란), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(비닐 피롤리돈) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 유용한 전해질은 추가로 LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiCF3, SO3, LiPF6, 및 LiN(SO2CF3)2를 포함하는 것들을 포함한다. 임의로, 전해질은 Mg(ClO4)2, Zn(ClO4)2, LiAlCl4, 및 Ca(ClO4)2로 이루어진 염들의 군으로부터 선택된 염을 포함한다. 임의로, 전해질은 고체이며, 예를 들어 인 기반 유리, 옥사이드 기반 유리, 옥사이드 설파이드 기반 유리, 셀레나이드 유리, 갈륨 기반 유리, 게르마늄 기반 유리, 나트륨 및 리튬 베타알루미나, 유리 세라믹 알칼리 금속 이온 전도체, 및 Nasi유리, 및 LISICON, NASICON, Li0 .3La0 .7TiO3, 나트륨 및 리튬 베타 알루미나, LISICON 다결정 세라믹, 예컨대 리튬 금속 포스페이트로 이루어진 군으로부터 선택된 다결정 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 고체이다.
특정 구체예들에서, 3차원 전극 어레이는 커패시터 또는 수퍼커패시터의 구성요소이다. 일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 각각의 복수의 평판 전극과 각각의 하나 이상의 막대 전극 사이, 또는 각각의 하나 이상의 막대 전극 주변에 위치한 하나 이상의 유전 재료를 포함한다. 유용한 유전 재료는 금속 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 금속 니트라이드, 실리콘 니트라이드, 및 이들의 어떠한 조합물을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 유용한 유전 재료는 일부 구체예에 있어서 또한 탄소, 나노카본, 그라펜 및/또는 그라파이트를 포함한다. 임의로, 유전 재료는 합성 수지 또는 폴리프로필렌에 의해 대체된다.
다양한 3차원 전극 어레이에 있어서, 구체예들은 하나 이상의 집전체(current collector)를 포함한다. 특정 구체예에서, 각각의 복수의 평판 전극은 집전체를 포함한다. 특정 구체예에서, 각각의 복수의 막대 전극은 집전체를 포함한다. 특정 구체예에서, 각각의 복수의 평판 전극 및 각각의 복수의 막대 전극은 집전체를 포함한다.
임의로, 하나 이상의 집전체는 히트 싱크 또는 열원과 열소통식으로 배치된다. 히트 싱크 또는 열원과 열소통식으로 배치된 집전체는 예를 들어, 3차원 전극 어레이 또는 3차원 전극 어레이를 포함하는 장치, 예컨대, 전기화학 전지의 가열, 냉각, 및/또는 온도 조절에 유용하다. 특정 구체예에서, 각각의 복수의 평판 전극은 히트 싱크 또는 열원과 열소통식으로 배치된 집전체를 포함한다. 특정 구체예에서, 각각의 복수의 막대 전극은 히트 싱크 또는 열원과 열소통식으로 배치된 집전체를 포함한다. 특정 구체예에서, 하나 이상의 복수의 막대 전극의 집전체 및 하나 이상의 복수의 평판 전극의 집전체는 히트 싱크 또는 열원와 열소통식으로 배치된다. 유용한 집전체는 금속, 금속 합금, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Ti, Al 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것들을 포함한다. 임의로, 각각의 집전체는 히트 파이프(heat pipe)를 포함하고/거나 히트 파이프로서 구성된다. 특정 구체예들에서, 각각의 집전체는 3차원 전극 어레이의 구조적 요소이거나, 3차원 전극 어레이에 대한 구조적 지지를 제공한다. 임의로, 하나 이상의 집전체는 장력(tension) 하에 있다. 장력 하에 배치된 집전체는 예를 들어, 3차원 전극 어레이에 구조적 강성(structural rigidity)을 제공하는데 유용하다. 유용한 집전체는 Ni를 포함하는 것들, 예컨대 다공성 Ni 시트 또는 Ni 스크린 또는 Ni 막대 또는 다공성 Ni 막대를 포함한다. 임의로, 막대 전극은 다공성 막대를 포함한다. 임의로, 다공성 막대 전극은 다공성 벽을 지닌 중공 막대 전극을 포함한다. 다공성 막대 전극은 예를 들어, 반고체 배터리, 플로우 배터리 또는 연료 전지에서 활성 재료, 예컨대 가스, 공기, 또는 액체를 통과시키는데 유용하다.
특정 구체예에서, 이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 각각의 열 전달 막대가 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열된 하나 이상의 열 전달 막대를 추가로 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 열전달 막대는 3차원 배열에서 막대 전극과 유사하게 배치된다. 임의로, 하나 이상의 열전달 막대 중 하나 이상은 예를 들어, 3차원 전극 어레이 또는 3차원 전극 어레이를 포함하는 장치의 가열, 냉각 및/또는 온도 조절을 위해 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 배치된다. 유용한 열 전달 막대는 금속, 금속 합금, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Ti, Al 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것들을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 임의로, 각각의 열 전달 막대는 독립적으로 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
특정 구체예들에서, 이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 하나 이상의 구멍 표면 상에, 예를 들어 각각의 구멍 표면 상에 불활성 코팅을 추가로 포함한다. 구멍 상의 불활성 코팅은 예를 들어, 막대 전극과 평판 전극 간의 전기적 접촉을 막는데, 평판 전극 상에서의 덴드라이트의 성장을 막는데, 그리고/또는 불활성 코팅에 의해 피복되는 위치에서 산화 반응 또는 환원 반응이 평판 전극에서 일어나지 않도록 하는데 유용하다. 유용한 불활성 코팅은 Teflon, Delrin, Kapton, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 퍼플루오로알콕시 (PFA), 플로오르화 에틸렌 프로필렌 (FEP) , 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌 (PE) 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것들을 포함한다.
특정 구체예들에서, 이러한 양태의 3차원 전극 어레이는 각각의 평판 전극 사이에, 각각의 막대 전극 사이에, 또는 각각의 평판 전극과 각각의 막대 전극 사이에 공간을 제공하기 위해 배치된 하나 이상의 불활성 스페이서 요소를 추가로 포함한다. 유용한 불활성 스페이서는 Teflon, Delrin, Kapton, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 퍼플루오로알콕시 (PFA), 플루오르화 에틸렌 프로필렌 (FEP), 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌 (PE) 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것들을 포함한다. 유용한 불활성 스페이서는 비전도성 재료를 포함하는 것들을 추가로 포함한다.
임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에서 있어서, 하나 이상의 막대 전극은 제 1 캐소드 재료를 포함하고, 하나 이상의 막대 전극은 제 1 캐소드 재료와 상이한 제 2 캐소드 재료를 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에 있어서, 하나 이상의 막대 전극은 제 1 애노드 재료를 포함하고, 하나 이상의 막대 전극은 제 1 애노드 재료와 상이한 제 2 애노드 재료를 포함한다.
임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에 있어서, 하나 이상의 평판 전극은 제 1 캐소드 재료를 포함하고, 하나 이상의 평판 전극은 제 1 캐소드 재료와 상이한 제 2 캐소드 재료를 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에 있어서, 하나 이상의 평판 전극은 제 1 애노드 재료를 포함하고, 하나 이상의 평판 전극은 제 1 애노드 재료와 상이한 제 2 애노드 재료를 포함한다.
임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에 있어서, 하나 이상의 평판 전극은 직사각형 기하구조, 정사각형 기하구조, 타원형 기하구조 또는 원형 기하구조를 갖는다. 임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에 있어서, 하나 이상의 막대 전극은 막대 전극의 길이에 대해 변하거나 막대 전극의 길이에 대해 선형으로 증가하거나 감소하는 직경 또는 측면 치수를 갖는다. 임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에 있어서, 각각의 구멍은 각각의 평판 전극에 대해 상이하거나, 막대 전극의 길이를 따라 변하거나, 막대 전극의 길이를 따라 선형으로 증가하거나 감소하는 직경 또는 측면 치수를 갖는다.
임의로, 하나 이상의 복수의 막대 전극은 두 개의 상이한 직경 또는 측면 치수, 즉, 평판 전극 내 구멍에 인접한 막대 전극 영역에 위치한 제 1 직경 또는 측면 치수, 및 평판 전극 사이의 영역에서 막대 전극 영역에 위치한 제 2 직경 또는 측면 치수를 지니며, 예로서, 그것은 홀 벽 부근에서는 보다 얇을 수 있고, 평판 사이의 공간 부근에서는 보다 두꺼울 수 있다.
임의로, 하나 이상의 평판 전극 사이의 공간은 특히 평판 활성 재료가 Li-이온 배터리 내 Si 애노드에서와 같이 상당한 모양 변화를 갖는 경우, 완충물로서 작용한다.
임의로, 3차원 전극 어레이 구체예에서, 평판 전극 사이 공간은 온도조절장치와 열소통식으로 배치되는 오일 또는 물 또는 열전달 유체 또는 열전달 고체로 충전됨으로써 3차원 전극 어레이의 온도를 명시된 온도로 유지시킨다.
임의로, 3차원 전극 어레이는 추가로 복수의 불활성 재료 가스켓, PTFE 가스켓 또는 실리콘 가스켓을 포함하며, 오일 또는 물 또는 열전달 액체 또는 열전달 고체는 불활성 재료 가스켓, PTFE 가스켓 또는 실리콘 가스켓에 의해 막대와 중공벽 사이의 전해질로부터 분리되고, 불활성 재료 가스켓, PTFE 가스켓 또는 실리콘 가스켓은 적어도 막대 전극의 길이 치수 정도로 긴 길이 치수 및 평판 전극 내 구멍의 외경과 동등한 외경을 지닌 원통 모양을 지니며, 불활성 재료 가스켓, PTFE 가스켓 또는 실리콘 가스켓은 평판 사이에서 완전히 고체이고, 평판 전극 내 구멍에 근접하여 80% 초과로 개방되어 있다. 임의로, 각각의 구멍에 있어서, 도넛 모양을 지닌 두개의 격막이 구멍의 상부 및 저부에 배치되어 오일 또는 물 또는 열전달 액체 또는 열전달 고체가 전해질과 혼합하고/거나 접촉하는 것을 완전히 방지한다.
일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 각각의 금속, 유리, 세라믹, 스틸, 또는 폴리머 막대가 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이 연장되도록 배열된 하나 이상의 금속, 유리, 세라믹, 스틸, 또는 폴리머 막대를 포함한다. 이러한 금속, 유리, 세라믹, 스틸 또는 폴리머 막대는 예를 들어 3차원 전극 어레이에 구조적 건전성(structural integrity)을 제공하는데 유용하다. 임의로, 금속, 유리, 세라믹, 스틸 또는 폴리머 막대가 통과하는 구멍은 복수의 막대 전극이 통과하는 구멍보다 크다.
일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 일련의 구멍을 포함하는, 하나 이상의 금속, 유리, 세라믹, 스틸 또는 폴리머 판을 포함하며, 하나 이상의 금속, 유리, 세라믹, 스틸 또는 폴리머 판은, 개개의 금속, 유리, 세라믹, 스틸 또는 폴리머 판의 각각의 구멍이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 실질적으로 병렬 배향으로 배열된다. 이러한 금속, 유리, 세라믹, 스틸 또는 폴리머 판은 예를 들어, 3차원 전극 어레이에 구조적 건전성을 제공하는데 유용하다.
일 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 평판 전극과 막대 전극 사이 공간, 또는 각각의 평판 전극 사이 공간, 또는 각각의 막대 전극 내측 공간에 배치된 유체를 흐르게 하기 위한 펌프를 포함한다. 임의로, 하나 이상의 막대 전극은 중공관을 포함한다.
임의로, 상이한 전해질, 예컨대 각각의 막대와 판의 상응하는 홀 벽 사이의 전해질, 및 천공된 판들 사이의 전해질을 사용하기 위해, 예를 들어 수십 마이크로미터 두께이고, 두 전해질 시스템 사이에서 이들을 분리시키는 얇은 멤브레인이 포함된다. 예로서 얇은 O-링과 유사한, 이러한 멤브레인은 두 전해질 시스템이 모두 유체, 예컨대 액체인 경우에 유용하다. 임의로, 멤브레인은 전지로부터 원치 않는 생성물을 제거하거나 전지에 보조 재료를 첨가하기 위해 사용된다. 전지로부터 원치 않는 생성물을 제거하는 것의 예는, 예를 들어 플로우 배터리 또는 납 산 배터리, 특히 개방형 납-산 배터리(flooded Lead-acid battery)에서 생성되는, 화학 전지 반응의 생성물, 예컨대 수소 가스로서 발생하는 소정의 가스 상들이다. 구체예들에서, 본원에서 사용되는 멤브레인은 임의로, 불활성 재료, 예컨대 PTFE 또는 PE 또는 요망하는 기공 크기 또는 화학 또는 표면 거동을 지닌 그 밖의 멤브레인 제품이다.
일 구체예에서, 3차원 전극은 추가로 일련의 구멍의 포함하고, 실리카 겔, 활성탄, 황산칼슘, 염화칼슘, 몬트모릴로나이트 클레이, 분자체 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 제습제를 포함하는 하나 이상의 제습판을 포함하며, 하나 이상의 제습판은 개개의 제습판의 각각의 구멍이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 실질적으로 병렬 배향으로 배열된다. 임의로, 하나 이상의 제습판은 불활성 코팅 또는 PTFE 코팅을 포함한다. 불활성 코팅 또는 PTFE 코팅은 예를 들어, 3차원 전극 어레이가 Li 배터리 또는 Li-공기 배터리인 경우에 유용하다. 임의로, 불활성 코팅 또는 PTFE 코팅은 배터리의 안정성 및/또는 성능을 증대시킨다. 특정 구체예들에서, 제습판은 제습판이 물로 포화된 후 3차원 전극 어레이로부터 제거된다.
또 다른 양태에서, 전기화학 전지의 온도를 제어하기 위한 방법이 또한 제공된다. 이러한 양태의 특정 방법은 복수의 평판 전극 및 복수의 막대 전극을 포함하는 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 및 하나 이상의 집전체를 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 정위시키는 단계를 포함하며, 각각의 평판 전극은 일련의 구멍을 포함하고, 평판 전극은, 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 다른 모든 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 실질적으로 병렬 배향으로 배열되고, 복수의 막대 전극은 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며, 제 1 표면적이 복수의 평판 전극의 누적 표면적을 포함하고, 제 2 표면적이 각각의 구멍 어레이의 누적 표면적을 포함하고, 제 3 표면적이 각각의 복수의 막대 전극의 누적 표면적을 포함하며, 각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하고 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함한다. 임의로, 각각의 집전체는 독립적으로 금속, 금속 합금, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Ti, Al 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함한다.
일 구체예에서, 정위 단계는 전기화학 전지의 적어도 일부로부터 열을 제거하는 것을 포함한다. 일 구체예에서, 정위 단계는 전기화학 전지의 적어도 일부에 열을 가하는 것을 포함한다. 일 구체예에서, 상기 방법은 추가로 하나 이상의 집전체를 제 2 히트 싱크 또는 제 2 열원과 열 소통식으로 정위시키는 단계를 포함한다.
임의로, 전기화학 전지는 추가로 각각의 열 전달 막대가 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열된 하나 이상의 열전달 막대를 포함하고, 상기 방법은 추가로 하나 이상의 열전달 막대를 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 정위시키는 단계를 포함한다.
구체예들에서, 3차원 전극은 플로우 배터리를 포함한다. 임의로, 3차원 전극 어레이는 추가로 각각의 관이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열된 복수의 관을 포함하고, 하나 이상의 막대 전극이 각각의 관내에 정위된다. 임의로, 관의 내부벽과 막대 전극의 표면 사이의 각각의 관 내 공간은 유체, 전해질, 수용액 또는 가스로 채워진다. 임의로, 각각의 관의 외부벽과 하나 이상의 구멍의 벽 사이 공간은 예를 들어, 각각의 관의 내측 공간 내에 존재하는 유체, 전해질, 수용액 또는 가스와 상이한, 유체, 전해질, 수용액 또는 가스로 채워진다. 구체예들에서, 각각의 유체, 전해질, 수용액 또는 가스는 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 흐른다. 임의로, 각각의 관 내측의 유체는 각각의 관 외측의 유체와 반대 방향으로 흐른다.
상이한 전해질, 예컨대 각각의 막대와 판의 상응하는 홀 벽 사이의 전해질, 및 천공된 판 사이의 전해질을 사용하는 구체예에서, 예를 들어 수십 마이크로미터 두께이고, 두 전해질 시스템 사이에서 이들을 분리시키는 얇은 멤브레인이, 예를 들어, 상이한 전해질이 둘 모두 액체와 같은 유체인 경우에 임의로 제공된다. 임의로, 얇은 멤브레인은 얇은 O-링이다. 임의로, 멤브레인은 약 수십 마이크로미터로 얇고, 관 모양, 홀과 동일한 외측 반경, 막대와 동이한 내측 반경으로 사용될 수 있으며, 판의 상부 및 저부에서 막대 둘레에 배치된다.
임의로, 멤브레인은 전기화학 전지의 작동 중에 사용되어 전지로부터 원치않는 생성물을 제거하거나 전지에 보조 재료를 첨가한다. 전지로부터 원치 않는 생성물을 제거하는 것의 예는, 예를 들어 플로우 배터리 또는 납 산 배터리, 특히 개방형 납-산 배터리에서 형성되는, 화학 전지 반응의 생성물, 예컨대 수소 가스로서 형성되는 소정의 가스 상들이다. 본원에서 사용되는 멤브레인은 임의로, 불활성 재료, 예컨대 PTFE 또는 PE 또는 요망하는 기공 크기 또는 화학 또는 표면 거동을 지닌 그 밖의 멤브레인 제품이다.
일 구체예에서, 분리막 자체는 유동 유체일 수 있다. 일 구체예에서, 요망하는 면적 대 부피 비를 지닌 그러한 소입자는 유동 유체 분리막으로 이동되고, 보다 큰 입자는 유동 유체 분리막으로 이동되지 않는다.
특정 구체예에서, 3차원 전극 어레이는 추가로 각각의 제 2 관이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열된 복수의 제 2 관을 포함하며, 하나 이상의 제 2 관은 각각의 관과 함께 정위되고, 하나 이상의 막대 전극은 각각의 제 2 관 내에 정위된다. 이러한 구체예에서, 각각의 제 2 관은 임의의 추가 유체가 유동될 수 있는 추가의 공간을 제공한다.
전기화학 전지의 온도를 조절하기 위한 이러한 양태의 또 다른 방법은 복수의 평판 전극, 복수의 막대 전극 및 하나 이상의 열전달 막대를 포함하는 전기화학 전지를 제공하는 단계; 및 하나 이상의 열전달 막대를 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 정위시키는 단계를 포함하며, 각각의 평판 전극은 일련의 구멍을 포함하고, 평판 전극은, 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 다른 모든 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 실질적으로 병렬 배향으로 배열되고, 복수의 막대 전극은 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극은 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며, 각각의 열전달 막대는 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며, 제 1 표면적이 복수의 평판 전극의 누적 표면적을 포함하고, 제 2 표면적이 각각의 구멍 어레이의 누적 표면적을 포함하고, 제 3 표면적이 각각의 복수의 막대 전극의 누적 표면적을 포함하며, 각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하고 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함한다.
또 다른 양태에서, 전극 어레이를 제조하는 방법이 제공된다. 이러한 양태의 특정 방법은 각각의 평판 전극이 일련의 구멍을 포함하는, 복수의 평판 전극을 제공하는 단계; 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 모든 다른 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 실질적으로 병렬 배향으로 복수의 평판 전극을 배열하는 단계; 복수의 막대 전극을 제공하는 단계; 및 복수의 막대 전극이 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 복수의 막대 전극을 배열하는 단계를 포함한다.
이러한 양태의 특정 방법에서, 복수의 평판 전극을 제공하는 단계는 복수의 집전체를 제공하고, 각각의 집전체 표면의 적어도 일부 상에 전극 재료를 코팅하는 것을 포함한다. 이러한 양태의 특정 방법에서, 복수의 막대 전극을 제공하는 단계는 복수의 집전체를 제공하고, 각각의 집전체 표면의 적어도 일부 상에 전극 재료를 코팅하는 것을 포함한다.
이러한 양태의 특정 방법은 전기화학 전지를 제조하는 것을 포함한다. 예를 들어, 전기화학 전지를 제조하는 방법은 추가로 각각의 복수의 평판 전극과 각각의 복수의 막대 전극 사이에 전해질을 제공함으로써 전기화학 전지를 제조하는 단계를포함한다. 임의로, 상기 방법은 추가로 각각의 복수의 평판 전극과 각각의 복수의 막대 전극 사이에 전해질을 제공하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 레독스 플로우 에너지 저장 장치(redox flow energy storage device)가 제공된다. 이러한 양태의 장치는 하나 이상의 막대 형태의 제 1 전극 집전체, 그리드(grid) 또는 교차된 바의 격자(grating of crossed bar) 형태의 제 2 전극 집전체, 상기 제 1 전극 집전체 및 제 2 전극 집전체를 분리시키는 이온 투과성 멤브레인; 제 1 전극 집전체와 이온 투과성 멤브레인 사이에 배치된 제 1 전극; 및 제 2 전극 집전체와 이온 투과성 멤브레인 사이에 배치된 제 2 전극을 포함하며, 제 1 전극 집전체 및 이온 투과성 멤브레인은 제 1 전극을 수용하는 제 1 전기활성 구역의 경계이고; 제 2 전극 집전체 및 이온 투과성 멤브레인은 제 2 전극을 수용하는 제 2 전기활성 구역의 경계이며, 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나 이상은 전지 작동 중에 이온을 흡수하거나 방출할 수 있는 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 포함하며; 여기서, 제 1 전극은 양극이고, 제 1 전극 집전체는 양극 집전체이고, 제 1 전기활성 구역은 포지티브 전기활성 구역이며, 제 2 전극은 음극이고, 제 2 전극 집전체는 음극 집전체이고, 제 2 전기활성 구역은 네가티브 전기활성 구역이거나; 제 1 전극은 음극이고, 제 1 전극 집전체는 음극 집전체이고, 제 1 전기활성 구역은 네가티브 전기활성 구역이며, 제 2 전극은 양극이고, 제 2 전극 집전체는 양극 집전체이고, 제 2 전기활성 구역은 포지티브 전기활성 구역이다.
이러한 양태의 구체예에서, 양극 및 음극 둘 모두는 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 포함한다. 일 구체예에서, 양극 및 음극 중 하나는 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 포함하고, 나머지 전극은 통상적인 정지 전극이다. 일 구체예에서, 유동성 반고체 또는 농축 액체 이온 저장 레독스 조성물은 겔(gel)을 포함한다. 일 구체예에서, 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물의 정상 상태 전단 점도는 레독스 플로우 에너지 저장 장치의 작동 온도에서 약 1 cP 내지 1,000,000 cP이다.
일 구체예에서, 유동성 반고체 이온 저장 레독스 조성물은 비정질 탄소, 무질서화 탄소, 그라파이트성 탄소, 그라펜, 탄소 나노튜브 또는 금속-코팅되거나 금속-장식 탄소를 포함하는 고체를 포함한다. 일 구체예에서, 유동성 반고체 이온 저장 레독스 조성물은 금속 또는 금속 합금 또는 메탈로이드 또는 메탈로이드 합금 또는 실리콘 또는 이들의 어떠한 조합물을 포함하는 고체를 포함한다. 일 구체예에서, 유동성 반고체 이온 저장 레독스 조성물은 나노와이어, 나노막대, 나노테트라포드 및 이들의 어떠한 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 나노구조물을 포함하는 고체를 포함한다. 일 구체예에서, 유동성 반고체 이온 저장 레독스 조성물은 유기 레독스 화합물을 포함하는 고체를 포함한다.
일 구체예에서, 레독스 플로우 에너지 저장 장치는 추가로 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 저장하기 위한 저장 탱크를 포함하며, 저장 탱크는 레독스 플로우 에너지 저장 장치와 유체 소통한다. 임의로, 레독스 플로우 에너지 저장 장치는 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 포지티브/네거티브 전기활성 영역으로 도입시키기 위한 입구 및 포지티브/네거티브 전기활성 영역으로부터 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 배출시키기 위한 출구를 포함한다. 임의로, 레독스 플로우 에너지 저장 장치는 추가로 유체 소통을 가능하게 하기 위한 유체 전달 장치, 예를 들어, 펌프를 포함하는 유체 전달 장치를 포함한다. 임의로, 농축-액체 저장 재료는 액체 금속 합금을 포함한다.
또 다른 양태에서, 레독스 플로우 에너지 저장 장치를 작동시키는 방법이 제공된다. 이러한 양태의 방법은 상기 기술된 바와 같은 레독스 플로우 에너지 저장 장치를 제공하는 단계; 및 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 장치의 작동 중에 전기활성 구역으로 전달하는 단계를 포함한다. 임의로, 전기활성 영역 내 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물의 적어도 일부는 작동 중 새로운 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 전기활성 영역에 도입시킴으로써 보충된다.
임의로, 이러한 양태의 방법은 추가로 고갈된 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 재료를 재순환 또는 재충전을 위한 방출 조성물 저장 리셉터클에 전달하는 단계를 포함한다. 임의로, 이러한 양태의 방법은 추가로 유동성 레독스 에너지 저장 장치에 역전압차(opposing voltage difference)를 가하고; 충전 동안 전기활성 영역으로부터 충전된 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 충전 조성물 저장 리셉터클에 전달하는 단계를 포함한다. 임의로, 이러한 양태의 방법은 추가로 유동성 레독스 에너지 저장 장치에 역전압차를 가하고; 방출된 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 충전되어야 하는 전기활성 영역에 전달하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 천공된 전지의 스택(stack) 및 일군의 막대(예를 들어, 임의의 가로세로 비로; 원형 단면인것으로부터 직사각형 단면인 매우 다수까지; 단면 자체는 예를 들어 크기가 달라질 수 있음); 이온 선택적이고, 전도성인 분리막에 의해 서로 분할되고 각각의 전극을 지닌 애노드액 구획 및 캐소드액 구획; 각각의 애노드액 및 캐노드액 탱크와 구획 간에 유체 소통을 제공하기 위한 각각의 펌프 및 배관을 지닌, 애노드액 및 캐소드액 탱크를 포함하는 레독스 플로우 배터리가 제공된다. 사용시, 펌프는 탱크에, 그리고 탱크로부터, 구획에, 그리고 탱크로 다시 전해질을 순환시킨다. 전기는 임의로, 로드(load)로 흐른다. 전해질 라인에는 임의로 새로운 전해질이 첨가될 수 있는 태핑(tapping), 및 소비된 전해질이 배출될 수 있는 추가의 태핑이 구비될 수 있으며, 각각의 태핑은 애노드액 및 캐소드액에 대한 것이다. 임의로, 재충전시, 전형적으로 모든 태핑으로의 라인에 대한 커플링을 통해, 리모트 펌프(remote pump)가 리모트 저장고로부터 새로운 애노드액 및 새로운 캐소드액을 펌핑하고, 소비된 전해질을 다른 리모트 저장고로 배출시킨다.
임의로, 레독스 플로우 배터리는 추가로 캐소드액 구획 내의 애노드, 애노드액 구획 내의 캐소드, 및 구획들 사이에 이온 선택적 멤브레인 분리막, 하나는 애노드액을 위한 것이고, 나머지 하나는 캐소드액을 위한, 한 쌍의 전해질 저장기, 애노드액을 그것의 저장기로부터, 전지 내 애노드액 구획으로, 다시 그것의 저장기로 순환시키기 위한 전해질 공급 수단, 및 캐소드액에 대해서도 유사한 순환 수단을 포함하며, 배터리는 소비된 전해질을 배출시키고, 그것을 새로운 전해질로 대체함으로써 배터리가 재충전될 수 있도록 그것의 전해질 저장기 및/또는 그것의 전해질 공급 수단으로의 커넥션(connection)을 포함한다. 임의로, 전해질 디바이더(divider) 또는 멤브레인은 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이에 있는 격막이거나, 내경 및 외경이 막대와 상응하는 벽 사이에 맞도록 선택되는 얇은 관 모양이고, 각각의 막대 길이 정도이거나, 각각의 천공된 판의 두께 정도의 길이의 얇은 관 모양이다.
어떠한 특별한 이론에 의해 결부되기를 바라지 않지만, 본 발명과 관련하여 근본이 되는 이론의 신념 또는 이해가 본원에서 논의될 수 있다. 어떠한 기계론적인 설명 또는 가설의 궁극적인 단정과는 무관하게, 본 발명의 구체예는 효력이 있고, 유용할 수 있는 것으로 인정된다.
도 1A 및 1B는 3차원 전극 어레이 구체예의 구성요소의 도면을 제공한다.
도 2A 및 2B는 다른 단면 모양을 보여주는 3차원 전극 어레이 구체예의 구성요소의 정면도를 제공한다.
도 3A 및 3B는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 4A 및 4B는 두 개의 상이한 전해질을 포함하는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 5A 및 5B는 전극 어레이의 온도를 조절하기 위한 요소를 포함하는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 6은 판 사이의 공간보다 더 큰 두께를 지닌 평판 전극을 갖는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 7A 및 7B는 전극간 공간 내 유체 및 고체를 포함하는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 8은 평판 전극 내 근접하게 이격된 구멍을 포함하는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 9는 상이한 막대 전극 재료를 포함하는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 10은 상이한 평판 전극 재료를 포함하는 3차원 전극 어레이 구체예의 도면을 제공한다.
도 11은 전극을 둘러싸는 유체가 흘러가게 유도된 3차원 전극 어레이의 도면을 제공한다.
도 12는 중공관 막대 전극을 포함하는 3차원 전극 어레이의 도면을 제공한다.
도 13A 및 13B는 평판 전극을 감싸는 제 1 유동 유체 및 막대 전극을 감싸는 제 2 유동 유체를 포함하는 3차원 전극 어레이의 도면을 제공한다.
도 14는 막대 전극 구체예의 도면을 제공한다.
도 15는 중공관 막대 전극을 포함하는 3차원 전극 어레이의 도면을 제공한다.
도 16A 및 16B은 복합 막대 전극 구조의 개략도를 제공한다.
도 17A 내지 17E은 3차원 전극 어레이 및 임의로, 하나 이상의 유동 전해질 구성요소의 개략도를 제공한다.
도 18A 및 18B는 다공성 막대를 포함하는 복합 막대 전극 구조의 도면을 제공한다.
도 19는 3차원 전극 어레이를 포함하는 전기화학 전지의 충전 및 방전 사이클의 실험 데이터를 제공한다.
도 20은 다수의 막대 전극을 보여주는 평판 전극의 단일 구멍의 도면을 제공한다.
도 21는 분지된 막대 전극을 포함하는 3차원 전극 어레이의 개략적인 측단면도를 제공한다. 삽도는 평면도를 나타낸다.
도 22는 막대 전극을 연결하는 브릿지형 구조를 포함하는 3차원 전극 어레이의 개략적인 측단면도를 제공한다. 삽도는 평면도를 나타낸다.
일반적으로, 본원에서 사용되는 용어 및 어구는 당해 인지된 의미를 지니며, 이는 표준 교재, 참조 저널 및 당업자들에게 공지되어 있는 문맥을 참조하여 알 수 있다. 하기 정의는 본 발명의 문맥에서의 특정 사용을 명료하게 하기 위해 제공된다.
도면과 관련하여, 유사한 부호는 유사한 요소를 나타내고, 하나 초과의 도면에서 나타나는 동일한 부호는 동일한 요소를 나타낸다. 또한, 이후, 하기 정의가 적용된다:
용어 "전기화학 전지"는 화학적 에너지를 전기적 에너지로, 또는 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환시키는 장치 및/또는 장치 구성요소를 나타낸다. 전기화학 전지는 두개 이상의 전극(예를 들어, 양극 및 음극) 및 전해질을 지니며, 전극 표면에서 일어나는 전극 반응은 전하 전달 과정을 일으킨다. 전기화학 전지는 일차 배터리, 이차 배터리 및 전기분해 시스템을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다. 특정 구체예에서, 용어 전기화학 전지는 연료 전지, 수퍼커패시터, 커패시터, 플로우 배터리, 금속-공기 배터리 및 반고체 배터리를 포함한다. 일반적인 전지 및/또는 배터리 구조는 당해 공지되어 있다(참조예: 미국 특허 제6,489,055호, 제4,052,539호, 제6,306,540호, Seel and Dahn J. Electrochem. Soc. 147(3) 892-898 (2000)).
용어 "커패시티"는 전기화학 전지, 예컨대 배터리가 보유할 수 있는 전기 전하의 총량을 나타내는 전기화학 전지의 특성이다. 커패시티는 전형적으로 암페어-시간의 단위로 표현된다. 용어 "비커패시티(specific capacity)"는 단위 중량당 전기화학 전지, 예컨대 배터리의 커패시티 출력을 나타낸다. 비커패시티는 전형적으로 암페어-시간 kg-1의 단위로 표현된다.
용어 "방전율"은 전기화학 전지가 방전되는 전류를 나타낸다. 방전 전류(방전 전류)는 암페어-시간의 단위로 표현될 수 있다. 다르게는, 방전 전류는 전기화학 전지의 정격 커패시티(rated capacity)로 표준화될 수 있으며, C/(X t)로 표현되고, C는 전기화학 전지의 커패시티이고, X는 변수이고, t는 본원에서 사용되는 바와 같이 1 시간과 등가인, 특정 시간 단위이다.
"전류 밀도"는 단위 전극 면적당 흐르는 전류를 나타낸다.
전극은 이온 및 전자가 전해질 및 외부 회로와 교환되는 전기 전도체(electrical conductor)를 나타낸다. "양극" 및 "캐소드"는 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 전기화학 전지에서 보다 높은(즉, 음극보다 높은) 전극 전위를 지닌 전극을 나타낸다. "음극" 및 "애노드"는 본 명세서에서 동의어로 사용되며, 전기화학 전지에서 보다 낮은(즉, 양극보다 낮은) 전극 전위를 지닌 전극을 나타낸다. 캐소드 환원은 소정 화학 종의 전자(들)를 얻음을 나타내고, 애노드 산화는 소정 화학종의 전자(들)를 잃음을 나타낸다. 본 전기화학 전지의 양극 및 음극은 추가로 전도성 희석제, 예컨대 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 분말화된 그라파이트, 코크스, 카본 섬유, 그라펜, 및 금속성 분말을 포함할 수 있고/거나, 추가로 결합제, 예컨대 폴리머 결합제를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서 양극에 유용한 결합제는 플루오로폴리머, 예컨대 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF)를 포함한다. 본 발명의 양극 및 음극에는 얇은 전극 디자인, 예컨대 박막 전극 구성을 포함하는, 전기화학 및 배터리 과학 기술에서 공지되어 있는, 유용한 구성 및 폼 팩터(form factor)가 다양하게 제공될 수 있다. 전극은 본원에 기술된 바와 같이, 예를 들어, 미국 특허 제4,052,539호, 제6,306,540호, 제6,852,446호에 기술된 바를 포함하여, 당해 공지되는 바와 같이 제조된다. 일부 구체예들에 있어서, 전극은 전형적으로 전극 집전체 상에 전극 재료, 전기 전도성 불활성 재료, 결합제, 및 액체 캐리어의 슬러리를 증착시킨 후, 캐리어를 증발시켜 집전체와 전기적으로 접촉하는 응착물을 남김으로써 제조된다.
"전극 전위"는 상이한 산화(가) 상태에서 화학종의 전극 내에 또는 접촉하여 존재함으로 인한, 일반적으로 기준 전극에 대해 측정되는 전압을 나타낸다.
"전해질"은 고체 상태, 액체 상태(가장 보편적), 또는 보다 드물게는 가스(예를 들어, 플라즈마)로 존재할 수 있는 이온 전도체(ionic conductor)를 나타낸다.
"표준 전극 전위" (E°)는 용질 농도가 1M이고, 가스압이 1 atm이고, 온도가 25℃인 경우의 전극 전위를 나타낸다. 본원에서 사용되는 전극 전위는 표준 수소 전극에 대해 측정된 것이다.
"활성 재료"는 전기화학 전지에서 에너지를 저장하고/거나 전달하는 전기화학 반응에 관여하는 전극 내 재료를 나타낸다.
"양이온"은 양하전된 이온을 나타내고, "음이온"은 음하전된 이온을 나타낸다.
"전기적 접촉" 및 "전기적 소통"은 전류가 어느 한 물체로부터 다른 물체로 효율적으로 흐르도록 하는 하나 이상의 물체의 배열을 나타낸다. 예를 들어, 일부 구체예들에서, 두 물체 간에 100 Ω 미만의 전기 저항을 지닌 두 물체는 서로 전기적 소통관계에 있는 것이다. 또한, 전기적 접촉은 외부 장치 또는 외로, 예를 들어, 전기 상호접속부(electrical interconnection)와 전기적 소통을 달성하는데 사용되는 장치 또는 물체의 구성요소를 나타낸다. 또한, "전기적 소통"은 두 가지 이상의 재료 및/또는 구조 사이에서 전하를 이동시킬 수 있는, 예컨대 전자의 전달의 형태로 이동시킬 수 있는 두 가지 이상의 재료의 능력을 나타낸다. 일부 구체예들에서, 전기적 소통의 구성요소는 전자 신호 또는 전하 캐리어가 하나의 구성요소로부터 다른 구성요소에 직접 전달되는, 직접적인 전기적 소통 관계에 있다. 일부 구체예들에서, 전기적 소통관계에 있는 구성요소는, 전자 신호 또는 전하 캐리어가 구성요소들을 분리시키는 하나 이상의 중간 구조, 예컨대 회로 요소를 통해 어느 한 구성요소에서 다른 구성요소로 간접적으로 전달되는, 간접적인 전기적 소통 관계에 있다.
"열적 접촉" 및 "열적 소통"은 동의어로 사용되며, 두 요소가 열적으로 분리되어 있거나, 열적으로 단열되어 있는 경우보다 두 요소 간에 보다 효율적인 열전달이 있도록 하는 요소 또는 재료, 예컨대, 집전체 또는 열전달 막대 및 히트 싱크 또는 열원의 배향 또는 정위를 나타낸다. 요소 또는 재료는, 이들이 열적으로 분리되거나 열적으로 단열된 경우보다 이들 사이에서 보다 빨리 열이 전달되는 경우에 열 소통 또는 접촉 관계에 있는 것으로 간주될 수 있다. 열적 소통 또는 열적 접촉 관계에 있는 두 요소는 열적 평형 상태 또는 열적 안정 상태에 도달할 수 있으며, 일부 구체예들에서, 지속적으로 서로 열적 평형상태 또는 열적 안정 상태에 있는 것으로 간주될 수 있다. 일부 구체예들에서, 서로 열적 소통 관계에 있는 요소는 열전도성 재료 또는 중간 열전도성 재료 또는 장치 구성요소에 의해 서로 분리된다. 일부 구체예들에서, 서로 열적 소통 관계에 있는 요소는 1 ㎛ 또는 그 미만의 간격으로 분리된다. 일부 구체예들에서, 서로 열적 소통 관계에 있는 요소들은 물리적으로 접촉하여 제공된다.
도 1A는 측면도(101A), 평면도(101B), 정면도(101C) 및 투시도(101D)를 포함하는, 3차원 전극 어레이 구체예의 평판 전극(101)의 도면을 제공한다. 여기서, 평판 전극(101)은 복수의 구멍(102)을 포함하며, 각각은 원형 모양을 갖는다. 도 1B는 정면도(103A), 측면도(103B) 및 투시도(103D)를 포함하는, 3차원 전극 어레이 구체예의 막대 전극(103)의 도면을 제공한다. 여기서, 막대 전극(103)은 원형 단면 모양을 갖는다.
도 2A는 평판 전극의 정면도를 제공한다. 여기서, 평판 전극은 다양한 모양의 복수의 구멍을 포함한다. 도 2B는 여러 유용한 단면적 모양을 나타내는 복수의 막대 전극의 정면도를 제공한다.
도 3A 및 3B는 3차원 전극 어레이(304)의 도면을 제공한다. 도 3A는 측면도(304A) 및 평면도(304B)를 나타내고, 도 3B는 평면도(304C) 및 투시도(304D)를 나타낸다. 3차원 전극 어레이(304)은 6개의 평판 전극(301) 및 18개의 막대 전극 (303)포함한다. 여기서, 각각의 막대 전극(303)은 6개의 평판 전극(301)의 각각의 구멍(302)을 통과한다. 임의로, 각각의 평판 전극 사이, 각각의 막대 전극 사이, 그리고, 각각의 평판 전극과 각각의 막대 전극 사이(즉, 구멍에서) 빈 공간은 전해질로 충전된다.
도 4A 및 4B는 3차원 전극 어레이(404)의 도면을 제공한다. 도 4A는 측면도(404A) 및 평면도(404B)를 나타내고, 도 4B는 평면도(404C) 및 투시도(404D)를 나타낸다. 3차원 전극 어레이(404)는 6개의 평판 전극(401) 및 18개의 막대 전극 (403)을 포함한다. 여기서, 각각의 막대 전극(403)은 6개의 평판 전극(401)의 각각의 구멍(402)을 통과한다. 각각의 평판 전극에는 양 측부 상에 제 1 전해질(405)가 측면에 배치된다. 각각의 막대 전극은 제 2 전해질(406)에 의해 둘러싸인다. 이러한 구체예에서, 제 2 전해질(406) 및 막대 전극(403)이 구멍(402)을 완전히 채운다. 이러한 구체예에서, 제 1 전해질(405) 및 제 2 전해질(406)은 상이하다. 명료성을 위해, 도면(404A) 및 도면(404B)는 막대 전극(403) 및 이를 둘러싸는 제 2 전해질(406)의 단면도를 나타낸다.
도 5A 및 5B는 3차원 전극 어레이(504)의 도면을 제공한다. 도 5A는 측면도(504A) 및 평면도(504B)를 나타내고, 도 5B는 평면도(504C) 및 투시도(504D)를 나타낸다. 3차원 전극 어레이(504)는 6개의 평판 전극(501) 및 18개의 막대 전극 (503)을 포함한다. 여기서, 각각의 막대 전극(503)은 6개의 평판 전극(501) 각각의 구멍(502)을 통과한다. 이러한 구체예에서, 각각의 막대 전극은 집전체(507)를 포함한다. 임의로, 하나 이상의 집전체(507)가 3차원 전극 어레이의 온도를 조절하기 위해 히트 싱크 또는 열원과 열적 소통식으로 배치된다.
도 6은 측면도(604A) 및 투시도(604B)를 나타내는, 3차원 전극 어레이(604)의 도면을 제공한다. 이러한 구체예에서, 평판 전극들(601) 간의 공간은 평판 전극들(601)의 두께보다 작다.
도 7A는 3차원 전극 어레이의 측면도(704A)를 제공하며, 평판 전극(701)과 막대 전극(703) 사이 공간은 유체(708), 예컨대 가스 또는 액체 전해질로 충전된다. 도 7B는 3차원 전극 어레이의 측면도(704B)를 제공하며, 평판 전극들(701) 사이의 공간이 고체(709)로 채워진다.
도 8은 3차원 전극 어레이(804)의 도면을 제공한다. 도 8은 정면도(804A), 측면도(804B) 및 투시도(804C)를 나타낸다. 이러한 구체예에서는, 7개의 평판 전극(801) 및 48개의 막대 전극(803)이 존재한다. 평판 전극 내 구멍(802)은 근접하게 이격되어 있는데, 이러한 구체예에서, 예를 들어, 구멍(802)의 직경의 10% 미만의 간격으로 이격되어 있다.
도 9는 3차원 전극 어레이(904)의 도면을 제공하며, 정면도(904A) 및 투시도(904B)를 나타낸다. 이러한 구체예에서, 막대 전극은 두 개의 상이한 재료, 즉, 제 1 막대 전극 재료(902A) 및 제 2 막대 전극 재료(902B)를 포함한다.
도 10은 3차원 전극 어레이(1004)의 도면을 제공하며, 측면도(1004A) 및 투시도(1004B)를 나타낸다. 이러한 구체예에서, 평판 전극은 두개의 상이한 재료, 즉 제 1 평판 전극 재료(1001A) 및 제 2 평판 전극 재료(1001B)를 포함한다. 임의 구체예는 또한 다수의 평판 전극 재료 및 다수의 막대 전극 재료를 지닌 것들을 포함한다.
도 11은 측면도(1104A) 및 정면도(1104B)를 포함하는, 3차원 전극 어레이(1104)의 도면을 제공한다. 이러한 구체예에서, 얇은 관(1110)은 평판 전극(1101) 내 각각의 구멍을 채운다. 평판 전극들(1101) 사이의 공간은 제 1 유체(1108A)로 채워진다. 명료성을 위해, 전해질(1108A)은 정면도(1104B)에 도시되어 있지 않다. 각각의 얇은 관(1110)은 막대 전극(1103)을 둘러싸는 제 2 유체(1108B)로 채워진다. 여기서, 막대 전극(1103)은 전자 집전체(1107)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 유체(1108B)는 화살표로 표시된 방향으로 흐르도록 흐름이 제공된다.
도 12는 3차원 전극 어레이(1204)의 도면을 제공하며, 투시도(1204A) 및 측면도(1204B)를 제공한다. 이러한 구체예에서, 막대 전극(1203)은, 화살표로 표시된 바와 같이 막대 전극(1203)의 내측을 따라 유체가 흐를 수 있도록, 중공관으로서 구성된다. 중공 막대 전극을 포함하는 특정 구체예가 전극 어레이 온도 조절부, 연료 전지, 금속-공기 배터리 및 플로우 배터리를 포함하는 다수의 적용에 유용하다. 특정 구체예들에서, 막대 전극(1203)은 다공성 재료를 포함한다.
도 13A 및 13B는 투시도(1304A), 정단면도(1304B) 및 평면도(1304C)를 포함하는, 3차원 전극 어레이(1304)의 도면을 제공한다. 이러한 구체예는 3개의 평판 전극(1301) 및 6개의 막대 전극(1303)을 포함한다. 여기서, 평판 전극들(1301) 간의 공간은 제 1 유체(1308A)로 둘러싸인다. 명료성을 위해, 투시도(1304A)는 제 2 유체(1308A)를 도시하지 않고 있다. 각각의 막대 전극(1303)을 둘러싸는 것은 제 2 유체(1308B)로 충전된 얇은 관(1310)이다. 각각의 얇은 관(1310)은 평판 전극(1301)의 전체 구멍을 채운다. 정단면도(1304B) 및 평면도(1304C)에서, 얇은 관(1310)은 점선으로 표시된다. 구체예들에서, 제 1 유체(1308A)는 예를 들어, 정단면도(1304B)의 화살표로 표시된 바와 같이, 얇은 관(1310) 내를 흐르도록 유도된다. 구체예들에서, 제 2 유체(1308B)는 예를 들어, 도 13B의 화살표로 표시된 바와 같이, 평판 전극들(1301) 사이 공간을 가로질러 흐르도록 유도된다. 제 1 유체(1308A)는 평판 전극들(1301) 사이에서 흐르고, 제 2 유체(1308B)는 얇은 관(1310) 내를 흐른다.
임의로, 평판 전극(1301)은 그라파이트를 포함하고, 임의로, 애노드로서 유용하다. 임의로, 막대 전극(1303)은 캐소드로서 유용하다. 임의로, 막대 전극 (1303)은 카본 쉘을 포함하며, 구리를 포함하는 전자 집전체(미도시됨)를 포함한다. 임의로, 제 1 유체(1308A) 및 제 2 유체(1308B)는 독립적으로 전해질을 포함한다. 3차원 전극 어레이(1304)가 반고체 배터리의 구성요소인 구체예에서, 제 1 유체(1308A)는 제 1 전해질 및 제 1 활성 재료를 포함하고, 제 2 유체(1308B)는 제 2 전해질 및 제 2 활성 재료를 포함한다. 3차원 전극 어레이(1304)가 플로우 배터리의 구성요소인 구체예에서, 제 1 유체(1308A)는 제 1 전해질을 포함하고, 제 2 유체 (1308B)는 제 2 전해질을 포함한다. 3차원 전극 어레이(1304)가 연료 전지의 구성요소인 구체예에서, 제 1 유체(1308A)는 연료, 예컨대 H2를 포함하고, 제 2 유체 (1308B)는 산소 함유 유체, 예컨대 공기를 포함한다.
도 14는 단부 도면(1404A) 및 단면도(1404B)를 포함하는, 막대 전극 구체예(1403)의 도면이다. 이러한 구체예에서, 각각의 막대 전극(1403)은 막대 내부 코어(1403A) 및 막대 외부 쉘(1403B)을 포함하는, 전극쌍을 포함한다. 이러한 구체예에서, 막대 내부 코어(1403A)는 제 1 전자 집전체(1407A)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 막대 외부 쉘(1403B)은 제 2 전자 집전체(1408A)를 포함한다. 막대 내부 코어(1403)와 막대 외부 코어(1403B) 사이에는 재료(1408)가 존재한다. 특정 구체예들에서, 각각의 막대 전극(1403)은 전기화학 전지이고, 재료(1408)는 전해질을 포함한다.
도 14에 도시된 구체예의 막대 전극은 예를 들어, 본원에서 기술되는 어떠한 3차원 전극 어레이에 유용하다. 임의로, 막대 전극 내부 코어 및 평판 전극은 동일하거나 실질적으로 동일한 재료를 포함한다. 이러한 양태의 구체예들은 예를 들어, 막대 외부 코어 재료의 양에 대한 막대 내부 코어/평판 재료의 양의 비를 증가시키는데 유용하다.
도 15A 및 15B는 3차원 전극 어레이의 3차원 도면을 제공한다. 이러한 구체예에서, 고체 전해질과 같은 재료가 평판 전극 사이에 샌드위칭되어 다수의 평판 전극이 적층된다. 집전체를 포함하는 다수의 막대 전극이 도시된다. 임의로, 집전체는 장력 하에 유지되어 전극 어레이에 구조적 강성(rigidity)을 제공한다.
도 16A 및 16B는 복합 막대 전극 구조의 도면을 제공한다. 도 16A는 전극(1601), 전극(1602), 집전체(1603) 및 전해질(1604)을 지닌 복합 막대 전극 구조(1600)의 단부 도면을 제공한다. 도 16B는 또한 전극(1601), 전극(1602), 집전체(1603) 및 전해질(1604)을 나타내는 복합 막대 전극(1600)의 측단면도를 제공한다. 일 구체예에서, 전극(1601)은 애노드이고, 전극(1602)은 캐소드이다. 다르게는, 본 발명은 전극(1601)이 캐소드이고, 전극(1602)이 애노드인, 복합 막대 전극을 포함한다. 일 구체예에서, 복합 막대 전극 구조(1600)는 전기화학 전지, 연료 전지, 플로우 전지, 금속 공기 배터리, 또는 수퍼커패시터 장치를 제공한다.
도 17A 내지 17E는 임의로, 하나 이상의 유동 전해질 구성요소를 포함하는 3차원 전극 어레이의 개략도를 제공한다. 도 17A는 평판 전극(1701A), 막대 전극(1702A), 제 1 전해질(1703A), 제 2 전해질(1704A) 및 멤브레인(1705A)을 지닌 전극 어레이 전극 구조 1700A의 측면도를 제공한다. 본 도면에서 도시된 바와 같이, 막대 전극(1702A)은 평판 전극(1701A)에 제공된 홀을 통해 연장된다. 막대 전극(1702A)은 배열 기하구조로 제공되며, 평판 전극(1701A)은 적층된 구조로 제공된다. 일 구체예에서, 평판 전극(1701A) 및 막대 전극(1702A)은 고체 전극이다. 일 구체예에서, 제 1 전해질(1703A) 및 제 2 전해질(1704A)은 독립적으로 고체, 겔, 또는 유체 전해질이다. 일 구체예에서, 예를 들어, 제 1 전해질(1703A) 및 제 2 전해질(1704A)은 동일한 전해질이다. 대안적인 구체예에서, 예를 들어, 제 1 전해질(1703A) 및 제 2 전해질(1704A)은 상이한 전해질이다. 일 구체예에서, 멤브레인(1705A)은 평판 전극(1701A)과 막대 전극(1702A) 사이에 배리어를 제공하는 고체 멤브레인이다.
도 17B는 평판 전극(1701B), 막대 전극(1702B) 및 멤브레인(1705B)을 지닌 전극 어레이 구조(1700B)의 측면도이며, 유동 전해질 구조를 포함하는, 예를 들어, 유동성 제 1 전해질(1703B) 및 유동성 제 2 전해질(1704B)를 갖는 구체예를 나타낸다. 도 17B에서, 화살표는 전해질의 흐름 방향을 나타낸다. 일 구체예에서, 전해질(1703B)은 예를 들어, 산화-환원 반응에 관여하는, 임의로, 활성 나노입자 및/또는 마이크로입자를 포함하는 유동성 유체이다. 일 구체예에서, 전해질(1704)은 임의로, 활성 나노입자 및/또는 마이크로입자, 예를 들어, 산화-환원 반응에 관여하는, 나노입자 및/또는 마이크로입자를 포함하는 유동성 유체이다.
도 17C는 예를 들어, 평판 전극(1701C), 막대 전극(1702C), 제 1 전해질(1703C), 제 2 전해질(1704C), 멤브레인(1705C) 및 공간(1706C)을 지닌 전기화학 전지에 대한 전극 어레이 구조(1700C)의 측면도이다. 일 구체예에서, 예를 들어, 공간(1706C)은 전지의 온도를 제어하기 위해, 또는 전지로부터 원치 않는 생성물을, 예를 들어, 멤브레인(1705C)를 통해 제거하기 위해 액체로 채워진다. 일 구체예에서, 예를 들어, 공간(1706C)은 전해질로, 또는 다공성 PE 또는 다공성 PP 및 전해질로 채워진다.
도 17D 및 17E는 예를 들어, 유동성 제 1 전해질(1703) 및 유동성 제 2 전해질(1704)을 지닌 유동성 전해질 구조에 사용되는, 복합 막대 전극 구조(1700C)의 측면도를 제공한다. 도 17D 및 17E에서, 화살표는 전해질의 흐름 방향을 나타낸다. 도 17D에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 시스템은 유동성 제 1 전해질(1703C) 및 유동성 제 2 전해질(1704C)을 가질 수 있다. 도 17D에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 시스템은 유동성 제 1 전해질(1703C), 유동성 제 2 전해질(1704C) 및 공간 중의 유동성 전해질(1706C)을 가질 수 있다. 제 1 전해질(1703C)과 제 2 전해질(1704C)의 혼합을 막기 위해, 예를 들어, 불활성 재료의 얇은 관을 포함하는, 배리어(1707C)가 임의로 제공된다.
도 18A 및 18B은 다공성 막대를 포함하는 복합 막대 전극의 도면을 제공한다. 도 18A은 애노드 또는 캐소드(1801), 집전체(1803), 전해질(1804), 및 기공(1805)을 지닌 복합 막대 전극 구조(1800)의 단부 도면을 제공한다. 도 18B는 또한 애노드 또는 캐소드(1801), 집전체(1803), 전해질(1804), 및 기공(1805)을 지닌 복합 막대 전극(1800)의 단면도를 제공한다. 일 구체예에서, 전해질(1804)은 유체를 포함한다. 일 구체예에서, 전해질(1804)은 고체를 포함한다. 일 구체예에서, 전해질(1804)은 유체 및 분리막을 포함한다. 일 구체예에서, 기공(1805)은 복합 막대 전극 구조(1800) 내측의 전해질(1804)이 막대 전극 구조(1800)의 외측 구성요소, 예를 들어, 평판 전극 및 평판 전극들 사이 공간으로 유체 소통되게 한다.
도 19는 Ewe 대 시간, 및 전류(I) 대 시간을 포함하는, 3차원 전극 어레이를 포함하는 전기화학 전지 구체예를 사이클링하기 위한 충전-방전 곡선을 보여주는 데이터를 제공한다. 이러한 구체예에 있어서, 전지는 LiMn2O4 평판 전극의 중간에 0.01 mm 두께의 Al 집전체를 지닌, LiMn2O4를 포함하는 두 개의 평행판을 포함하며, 각각의 치수는 10 mm x 10 mm x 0.2 mm이다. 또한, 전지는 0.1 mm 직경의 구리 전자 집전체 코어를 지닌, 2.5mm 직경의 4 개의 그라파이트 막대 전극을 포함한다. 도 18에 도시된 전압, Ewe은 표준 수소 전극(SHE)에 대한 것이다.
도 20은 단일 평판 전극 내에 정위된 다수의 막대 전극(2001)을 나타내는 평판 전극의 단일 구멍의 도면을 제공한다. 여기서, 막대 전극은 전자 집전체(2003)를 포함하고, 구멍은 유체(2004)로 채워진다. 임의로, 유체(2004)는 전해질이다. 일 구체예에서, 유체(2004)는 임의로, 활성 나노입자 및/또는 마이크로입자, 예를 들어, 산화-환원 반응에 관여하는 활성 나노입자 및/또는 마이크로입자를 포함하는, 유동성 유체이다.
도 21은 분지된 막대 전극을 포함하는 3차원 전극 어레이의 개략적인 측단면도를 제공한다. 삽도는 평면도를 나타낸다. 여기서, 전극 어레이는 평판 전극(2101), 막대 전극(2102) 및 전해질(2103)을 포함한다. 평판 전극들(2101) 사이에 공간이 제공되고, 임의로, 고체, 유체 또는 겔 전해질(2104)이 채워진다. 명료성을 위해, 삽도는 전해질(2104)을 도시하지 않고 있다. 막대 전극(2102)은 평판 전극(2101)의 구멍으로부터 측면 치수를 따라 분지된다. 임의로, 평판 전극(2101)으로부터 막대 전극(2102)을 분리시키는 전해질(2103)은 막대 전극(2102) 상에 코팅으로서 적용된다.
도 22는 막대 전극들을 연결하는 브릿지 타입 구조를 포함하는 3차원 전극 어레이의 개략적인 측면도를 제공한다. 삽도는 평면도를 나타낸다. 여기서, 전극 어레이는 평판 전극(2201), 막대 전극(2202) 및 전해질(2203)을 포함한다. 공간(본측단면도에서는 명확하게 도시되어 있지 않음)이 평판 전극들(2201) 사이에 제공되고, 임의로, 고체, 유체, 겔 전해질(2204)로 채워진다. 여기서, 삽도는 막대 전극(2202)을 감싸는 전해질(2204) 및 전해질(2203)을 나타낸다. 막대 전극(2202)은 평판 전극(2101) 내 구멍으로부터 측면 치수를 따라 이웃하는 막대 전극(2203)과 브릿지를 형성한다. 임의로, 평판 전극(2201)으로부터 막대 전극(2202)을 분리시키는 전해질(2203)은 막대 전극(2302) 상에 코팅으로서 적용된다.
당업자들에게 이해되는 바와 같이, 제시된 도면들은 본 발명의 구체예들의 예시이다. 다르게 명시되지 않는 한, 도면에 도시된 치수는 일정 비율인 것으로 의도되지 않는다. 도시된 구체예의 배향은 수평 및 수직 배향 둘 모두를 포함한다. 즉, 소정 구체예가 단일 배향으로 도시되어 있는 경우, 90°회전한 또 다른 배향 또한 기재되는 것이다.
모든 디자인에 있어서, 일부 홀은 임의로, 금속 또는 세라믹 또는 유리 또는 폴리머 막대, 예를 들어, 스틸 막대를 사용함으로써 구조적 건전성을 위해서만 사용됨을 유의한다. 이들 홀은 임의로, 전극 막대 홀보다 더 큰 직경을 갖는다. 또한, 평행판 저부 공간 일부는 임의로, 금속 또는 세라믹 판을 사용함으로써, 예를 들어, 강판 또는 유리판을 사용함으로써 구조적 건전성을 위해서만 사용된다.
본원에서 기술된 디자인의 이점은 예를 들어, 전지가 다수의 개별 막대 및 판으로 구성되는 경우, 유지(maintenance)가 보다 용이하고, 보다 신속하게 이행될 수 있다는 점이다. 또 다른 이점은 용적/풋프린트(footprint) 표면적, 및 활성 표면적/풋프린트 표면적이 비가 종래 기술의 디자인에 비해 현적히 증가될 수 있기 때문에, 전해질 증발(이는 예를 들어, 금속 공기 배터리 및 연료 전지에서 주된 문제점임) 또는 주위 공기-수분 오염의 문제점이 훨씬 덜 하다는 점이다.
임의로, 집전체는 3차원 전지 내에 포함된다. 집전체는 충전-방전시 전자를 수송하는데 유용할 뿐만 아니라 집전체는 임의로, 전지에 기계적-구조적 안정성을 제공한다. 임의로, 일부 집전체는 전지의 온도 조절을 돕는데 사용되며, 이에 따라 배터리의 과열을 방지할 수 있고, 성능 및 수명을 증대시킬 수 있다.
임의로, 집전체/온도 제어 요소는 관-파이트 내측에 유동하는 용융 금속 또는 용융 염과 같은 고체 또는 액체이거나, 전자를 수송하기 위한 금속성 관, 예를 들어 Al 또는 Cu 또는 Ni일 수 있는데, 이러한 관 내측에는 한 단부에서 다른 단부로 흐를 수 있는 오일 또는 물 또는 열전달 유체와 같은 액체 냉각제 또는 공기와 같은 유체가 존재하며, 집전체/온도 제어 요소는 전지의 온도를 제어하는데 유용한데, 예를 들어, 전기 자동차, 재생 에너지 저장 및 그리드 저장과 같은 중대형 규모의 적용에 대해 전지의 온도를 제어하는데 유용하다.
유체 전해질을 포함하는 구체예에 있어서, 분리막이 임의로, 막대와 판벽 간에 이들의 접촉을 피하기 위해 포함된다. 예를 들어, 유용한 재료는 PE 또는 PP, 또는 Celgard co.로부터의 조합물을 포함한다. 두께는 예를 들어, 0.010 mm 내지 0.5 mm, 또는 약 0.02 mm이다.
금속, 예컨대 Al과 함께, 또는 단독으로 그라파이트는 임의로, 집전체로서 유용함을 유의한다. 임의로, 전해질 이미드 염을 포함한다.
전류 디자인의 중요한 이점은 보다 긴 사이클 수명이다. 전지가 종래의 디자인과 비교하여 훨씬 더 균일함에 따라, 재료 변형 및 온도 분포가 더욱 균일하게 되고, 이로써 보다 낮은 응력, 보다 적은 균열, 보다 적은 피로도를 유도하고, 따라서 전지의 사이클 수명을 보다 높인다.
평행판 간의 간격은 임의로, 열전도도 및 상 전이를 이용할 수 있는 히트 파이프 또는 히트 핀(heat pin)과 같은 온도 제어를 위한 재료 만으로 채워진다. 이는 전기 자동자 및 그리드 저장에서와 같은 중대형 규모에서 특히 유용하다. 예로서, 이러한 재료는 금속, 예컨대 얇은 스틸 또는 구리(예를 들어, 소형 전지에 대해 수 마이크로미터 두께 내지 보다 큰 전지에 대해 수 센티미터 두께)로 제조된 스크린이다. 상기 스크린과 막대 간에는 접촉이 이루어지지 않는다.
임의로, 판들 간의 공간은 임의로, 온도조절장치를 사용함으로써 특정 온도에서 전지의 온도를 유지시키기 위해 오일 또는 물 또는 열전달 유체로 채워진다. 이러한 액체는 임의로, 판들 사이에 완전히 고체이고 홀 벽의 근접부에서 80% 초과로 개방되어 있는, 홀의 외경과 동일한 외경 및 예로서, 약 1 mm의 직경을 갖는 장형의 원통(막대이기만 하면) 모양을 지닌 불활성 재료 (예로서, PTFE 또는 실리콘) 가스켓을 사용함으로써 막대와 홀-벽 사이 전해질로부터 분리된다. 또한, 각각의 홀에 대해, 각각 0.05 폭 및 0.05 두께인 도넛 모양의 두 개의 격막이 임의로 냉각 액체의 전해질과의 혼합물을 완전히 방지하기 위해 홀의 상부 및 저부에 배치된다.
임의로, 가스 또는 액체 냉각제가 전극 어레이 온도를 조절하기 위해 사용된다. 유용한 가스 냉각제는 공기, 수소, 불활성 가스, 예컨대 질소, 헬륨 또는 이산화탄소 또는 설퍼 헥사플루오라이드 또는 스팀을 포함한다. 유용한 액체 냉각제는 오일, 광유, 캐스터유(castor oil), 물, 탈이온수, 중수(heavy water), 액화 네온, 용융 염, NaF-NaBF4, FLiBe, FLiNaK, 액체 납, 액체 납-비스무트 합금, 실리콘 오일, 플루오로카본 오일, 프레온(Freon), 할로메탄(Halomethane), 암모니아, 이산화황, 이산화탄소, 폴리알킬렌 글리콜을 포함하거나, 수중 유기 화학물의 용액, 예컨대, 베타인, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜일 수 있다. 유용한 냉각제는 추가로 액체, 예컨대 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 수소를 포함한다. 냉각제는 임의로, 고체, 예컨대 드라이 아이스 또는 워터 아이스이다. 유용한 냉각제는 또한 캐리어 액체, 예컨대 CuO, 알루미나, 이산화티타늄, 탄소 나노튜브, 탄소 분말, 실리카, 또는 금속, 예컨대 구리 또는 은으로 만들어진 작은 (10 nm 내지 수 mm 크기) 입자가 분산된 물로 이루어진 나노유체 또는 반고체를 포함한다.
임의로, 각각의 전극 또는 전해질 또는 유전 재료는 불균질 재료, 예컨대 층형성된 복합물, 예컨대 제 1 재료의 적어도 한면 상에 제 2 코팅을 지닌 제 1 재료이다.
본 발명은 추가로 하기 비-제한적 실시예에 의해 이해될 수 있다.
실시예 1 : 산업상 적용
세계적으로 전기에 대한 수요는 점점 커지고 있다. 동시에, 이러한 증가하는 전기 수요에 부합하게 돕도록 에너지 재생원을 이용하고, 전세계의 천연 자원을 지속적으로 고갈시키는 전통적인 탄소 기반 생성장치를 상쇄 및/또는 대체하게 하는 압박이 증가하고 있다.
재생가능한 에너지원, 예컨대 태양 전지, 태양 거울 어레이, 및 풍력 발전기의 이점을 수집하고, 이용하는 많은 방안이 개발되었다. 태양 전지는 반도체 기술을 사용하여 일광으로부터 직접 전류 에너지를 생성한다. 태양 거울 어레이는 태양 복사 열에너지를 흡수하는 열전달 유체를 함유하는 리시버 파이프(receiver pipe) 상에 일광을 집중시킨다. 이후, 이러한 가열된 열전달 유체는 터빈으로 펌핑되고, 터빈은 물을 가열하여 스팀을 생성하고, 이로써 터빈을 구동시키고, 전기를 생성한다. 풍력 발전기는 하나 이상의 에어호일(airfoil)을 사용하여 풍력 에너지를 회전 에너지로 전달하고, 회전 에너지가 발전기에 결합된 로터(rotor)를 회전시킴으로써 바람이 불때 전기를 생성한다. 세 가지 모든 해결책은 이들의 관련된 재생 전력원(태양 또는 풍력)이 이용가능한 경우에 전기를 생성하고, 많은 단체가 이들 청정하고, 재생가능한 형태의 전력으로부터 이점을 갖는다.
태양 또는 풍력이 이용가능하지 않는 경우, 이러한 해결책은 어떠한 동력도 생성하지 않으며, 따라서 비재생가능한 에너지 해결책이 종종 변화되어, 재생가능한 동력원이 이용가능하지 않거나, 에너지에 대한 최고 수요에 부합할 수 없는 경우, 에너지 수요를 맞추기 위해 동력 생성 기간 동안 재생가능한 동력원으로부터 과잉의 에너지를 저장하기 위해 소정 형태의 에너지 저장이 요구된다. 지금까지 사람들은 에너지의 형태로서 열을 저장하기 위한 후보로서 용융 염 열적 저장을 시도하였으나, 그러한 기술은 매우 비용이 많이 든다.
본 실시예는 전기화학적 에너지 저장 장치를 기술한다. 전기화학적 에너지 저장 장치는 적어도, 서로 전기적으로 절연되어 있는, 포지티브 단자 및 네거티브 단자를 갖는다. 또한, 두 단자 사이에 고체 또는 유체 또는 가스일 수 있는 비-전기-전도성 재료를 갖는다. 이러한 매질은 단자에 사용되는 재료의 소정 이온에 대한 전도체이다. 전기 전도성 재료, 예컨대 금속은 전자의 통과를 용이하게 하기 위해 단자의 외측 표면 상에 사용될 수 있다. 또한, 전기화학적 에너지 저장 시스템을 구성하고 제어하는 관련 방법들이 기재된다. 전기화학적 에너지 저장 시스템에 대한 전하 교환기(charge exchanger)인 것으로서, 전기화학적 에너지 저장 장치를 이용하는 전기화학적 에너지 동력 시스템이 추가로 기재된다.
단자 간의 매질은 염, 염 혼합물, 공융 염 혼합물, 리튬 니트레이트, 포타슘 니트레이트, 소듐 니트레이트, 소듐 니트라이트, 칼슘 니트레이트, 리튬 카보네이트, 포타슘 카보네이트, 소듐 카보네이트, 루비듐 카보네이트, 마그네슘 카보네이트, 리튬 하이드록사이드, 리튬 플루오라이드, 베릴륨 플루오라이드, 포타슘 플루오라이드, 소듐 플루오라이드, 칼슘 설페이트, 바륨 설페이트, 리튬 설페이트, 리튬 클로라이드, 포타슘 클로라이드, 소듐 클로라이드, 아이언 클로라이드, 틴 클로라이드, 및 징크 클로라이드, 황산, 물 및 이들의 어떠한 조합물으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
단자는 어떠한 모양 및 기하 구조, 예컨대, 판 또는 관 또는 실린더, 또는 이들의 일부를 지닐 수 있다.
임의로, 전체 저장 시스템은 비전도성 용기에 함유된다.
임의로, 비전도성 스페이서가 물리적 접촉을 통한 단락을 방지하기 위해, 특히 매질이 유체 또는 가스인 경우에 단자 사이에 사용될 수 있다.
임의로, 용기는 전도성 재료 또는 비전도성 재료, 예컨대 플라스틱, 세라믹, 내화벽돌(firebrick), 내화재, 캐스터블 내화물(castable refractories), 내화 벽돌(refractory brick); 알루미나 (Al2O3), 실리카 (SiO2), 마그네시아(MgO), 지르코니아(ZrO2), 크롬 옥사이드(Cr2O3), 아이언 옥사이드(Fe2O3), 칼슘 옥사이드(CaO), 실리콘 카바이드(SiC), 탄소(C)의 혼합물; 금속성 재료, 플레인 탄소강(plain carbon steel); 합금 스틸, 망간, 실리콘, 실리콘-망간, 니켈, 니켈 크롬, 몰리브덴, 니켈-몰리브덴, 크롬, 크롬-몰리브덴, 크롬 몰리브덴-코발트, 실리콘-몰리브덴, 망간-실리콘-몰리브덴, 니켈-크롬 몰리브덴, 실리콘-크롬-몰리브덴, 망간-크롬-몰리브덴, 망간 실리콘-크롬-몰리브덴, 바나듐, 크롬-바나듐, 실리콘-크롬-바나듐, 망간-실리콘-크롬-바나듐, 크롬-바나듐-몰리브덴, 망간-실리콘 크롬-바나듐-몰리브덴, 크롬-텅스텐, 크롬-텅스텐-몰리브덴, 크롬-텅스텐-바나듐, 크롬-바나듐-텅스텐-몰리브덴, 크롬 바나듐-텅스텐-코발트, 크롬-바나듐-텅스텐-몰리브덴-코발트; 스테인레스 스틸, 오스테나이트(austenitic), 페라이트(ferritic), 마르텐사이트(martensitic), 듀플렉스(duplex), 석출 경화(precipitation-hardening), 수퍼오스테나이트(superaustenitic), 수퍼페라이트(superferritic); 니켈 합금, 니켈-크롬-아이언, 니켈-크롬-아이언-알루미늄, 니켈-크롬-아이언 알루미늄-티타늄, 니켈-크롬-아이언-알루미늄-티타늄-니오븀, 니켈-크롬-아이언 코발트-몰리브덴, 니켈-크롬-아이언-니오븀, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴 니오븀, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-니오븀-티타늄-알루미늄, 니켈-크롬 몰리브덴-아이언-텅스텐, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-구리-티타늄, 니켈 크롬-아이언-몰리브덴-티타늄, 니켈-아이언-코발트-알루미늄-티타늄-니오븀, 니켈 구리, 니켈-구리-알루미늄-티타늄, 니켈-몰리브덴-크롬-아이언, 니켈 크롬-몰리브덴-구리, 니켈-크롬-몰리브덴-아이언-텅스텐-구리, 및 니켈-크롬-몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다.
저장 시스템에 대한 염기는 흙, 내화벽돌, 내화재, 콘크리트, 캐스터블 내화물, 내화 콘크리트, 내화 시멘트, 단열 내화물, 거닝 믹스(gunning mixes), 램믹스(ramming mixes), 내화 플라스틱, 내화 벽돌; 알루미나 (Al2O3), 실리카 (SiO2), 마그네시아(MgO), 지르코니아(ZrO2), 크롬 옥사이드(Cr2O3), 아이언 옥사이드(Fe2O3), 칼슘 옥사이드(CaO), 실리콘 카바이드(SiC), 탄소(C)의 혼합물; 금속성 재료, 탄소강; 합금 스틸, 망간, 실리콘, 실리콘-망간, 니켈, 니켈-크롬, 몰리브덴, 니켈-몰리브덴, 크롬, 크롬-몰리브덴, 크롬-몰리브덴-코발트, 실리콘-몰리브덴, 망간-실리콘-몰리브덴, 니켈 크롬-몰리브덴, 실리콘-크롬-몰리브덴, 망간-크롬-몰리브덴, 망간-실리콘-크롬-몰리브덴, 바나듐, 크롬-바나듐, 실리콘- 크롬 바나듐, 망간-실리콘-크롬-바나듐, 크롬-바나듐-몰리브덴, 망간-실리콘-크롬-바나듐-몰리브덴, 크롬-텅스텐, 크롬-텅스텐 몰리브덴, 크롬-텅스텐-바나듐, 크롬-바나듐-텅스텐-몰리브덴, 크롬-바나듐-텅스텐-코발트, 크롬-바나듐-텅스텐-몰리브덴-코발트; 스테인레스 스틸, 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트, 듀플렉스, 석출 경화, 수퍼오스테나이트, 수퍼페라이트; 니켈 합금, 니켈-크롬-아이언, 니켈-크롬-아이언-알루미늄, 니켈 크롬-아이언-알루미늄-티타늄, 니켈-크롬-아이언-알루미늄-티타늄-니오븀, 니켈 크롬-아이언-코발트-몰리브덴, 니켈-크롬-아이언-니오븀, 니켈-크롬-아이언 몰리브덴-니오븀, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-니오븀-티타늄-알루미늄, 니켈 크롬-몰리브덴-아이언-텅스텐, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-구리-티타늄, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-티타늄, 니켈-아이언-코발트-알루미늄-티타늄-니오븀, 니켈-구리, 니켈-구리-알루미늄-티타늄, 니켈-몰리브덴-크롬-아이언, 니켈 크롬-몰리브덴-구리, 니켈-크롬-몰리브덴-아이언-텅스텐-구리, 및 니켈-크롬-몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다.
구체예들에서, 에너지 저장 시스템은 단자가 수직으로 접하도록, 단자가 접지면에 접하도록, 단자가 수평으로 접하도록, 단자가 접지면에 접하지 않도록, 예를 들어, 접지면에 수직으로 정위될 수 있다.
임의로, 일군의 단자가 병렬로 또는 연달아 있는 구성으로 사용될 수 있다.
임의로, 단자는 아이언 옥사이드; 금속; 리튬 포스페이트; 소듐 포스페이트; 플레인 탄소강; 그라파이트, 납 금속, 리드 디옥사이드, 합금 스틸, 망간, 실리콘, 실리콘-망간, 니켈, 니켈-크롬, 몰리브덴, 니켈-몰리브덴, 크롬, 크롬-몰리브덴, 크롬-몰리브덴-코발트, 실리콘-몰리브덴, 망간-실리콘-몰리브덴, 니켈-크롬-몰리브덴, 실리콘- 크롬-몰리브덴, 망간-크롬-몰리브덴, 망간-실리콘-크롬 몰리브덴, 바나듐, 크롬-바나듐, 실리콘-크롬-바나듐, 망간-실리콘 크롬-바나듐, 크롬-바나듐-몰리브덴, 망간-실리콘-크롬 바나듐-몰리브덴, 크롬-텅스텐, 크롬-텅스텐-몰리브덴, 크롬 텅스텐-바나듐, 크롬-바나듐-텅스텐-몰리브덴, 크롬-바나듐-텅스텐 코발트, 크롬-바나듐-텅스텐-몰리브덴-코발트; 스테인레스 스틸, 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트, 듀플렉스, 석출 경화, 수퍼오스테나이트, 수퍼페라이트; 니켈 합금, 니켈 크롬-아이언, 니켈-크롬-아이언-알루미늄, 니켈-크롬-아이언-알루미늄-티타늄, 니켈-크롬-아이언-알루미늄-티타늄-니오븀, 니켈-크롬-아이언-코발트-몰리브덴, 니켈-크롬-아이언-니오븀, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-니오븀, 니켈-크롬 아이언-몰리브덴-니오븀-티타늄-알루미늄, 니켈-크롬-몰리브덴-아이언-텅스텐, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴-구리-티타늄, 니켈-크롬-아이언-몰리브덴 티타늄, 니켈-아이언-코발트-알루미늄-티타늄-니오븀, 니켈-구리, 니켈-구리 알루미늄-티타늄, 니켈-몰리브덴-크롬-아이언, 니켈-크롬-몰리브덴-구리, 니켈-크롬-몰리브덴-아이언-텅스텐-구리, 및 니켈-크롬-몰리브덴으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함한다.
예로서, 400 MWh 저장에 사용되는 시스템은 단자로서 수 센티미터의 두께를 지닌 35 m x 35 m의 판 및 단자 사이에 수 센티미터 두께의 매질로 제조될 수 있다. 판은 서로 평행하게 있을 수 있으며, 접지면 내에 또는 접지면 위에 수직으로 세워져 있을 수 있거나, 접지면 내에 또 접지면 위에 평행하게 있을 수 있다.
예로서 사용되는 재료는 유기 용매, 예컨대 에테르 중의 리튬 염, 예컨대 LiPF6, LiBF, 또는 LiClO4의 매질과 함께, 옥사이드, 예컨대 리튬 이온 포스페이트, 및 판으로서 그라파이트일 수 있다. 사용되는 재료에 의거하여, 실온을 포함하는 상이한 작동 온도가 고려된다.
또 다른 예는 상기와 같은 동일한 기하 구조일 수 있지만, 약 33.5% v/v (6 몰) 황산(H2SO4)의 매질 중 납 금속 (Pb) 및 이산화납(IV)(PbO2)을 지닐 수 있다.
에너지원으로부터 전원은 두개의 단자에 연결된다. 전기 에너지는 단자 중 하나는 환원되게 하고, 나머지 단자는 산화되게 한다. 이러한 방식으로 한 단자로부터의 이온이 단자에서 이탈하여 매질로 들어간다. 매질은 이온을 반대 단자에 전달한다. 이러한 방식으로, 화학적 에너지가 시스템에 저장된다. 이후, 전원이 저장 시스템으로부터 개방된다.
저장된 에너지를 사용하는 것이 요망되는 경우, 두 판이 전도성 재료의 두 말단 사이의 유저 어플리케이션(user application)과 함께 전도성 재료에 의해 서로 연결된다.
시스템에 사용되는 화학구조는 배터리, 예컨대 납-산 배터리, NaS 배터리, 금속-공기 배터리, Li-이온 배터리 등의 어떠한 공지된 화학구조일 수 있지만, 전극 기하구조는 상이하다. 임의로, 그것은 보다 큰 규모이고, 벌집 구조 또는 어떠한 다른 다공성 기하구조일 수 있다. 충전/방전시 모양 변화로 인한 스트레스를 최소화하기 위해 얇은 벌집 구조가 임의로 사용된다. 임의로, 전극 재료로 충전된 스폰지 타입 매트릭스가 사용될 수 있다. 판의 두께 또는 케이블/막대/와이어의 직경은 임의로, 밀리미터 또는 센티미터일 수 있다. 판의 폭 및 길이, 및 케이블/막대/와이어의 길이는 임의로, 센티미터 또는 미터일 수 있다. 판, 및 케이블/막대/와이어는 병렬 또는 직렬의 어떠한 조합으로 연결될 수 있다.
시스템은 지면 하에 묻힐 수 있거나, 온도 변화를 포함하는 환경적 위험으로부터 떨어져 있도록 실내에 놓여질 수 있다. 모든 고체 부분은 시스템내 전기 단락의 위험을 최소화하기 위해 케이블/막대/와이어를 뽑음으로써와 같이 경계에서 제어될 수 있다.
실시예 2: 전기화학 전지
많은 과학자들이 배터리의 화학을 연구하여 왔다. 본 실시예는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 어떠한 화학에 대해 사용될 수 있는 전극의 새로운 구성을 기술하고 있으며, 이는 보다 높은 동력/에너지 밀도 배터리, 보다 빠른 배터리, 보다 경량의 배터리, 보다 저렴한 배터리, 및 보다 내구성의 배터리를 형성할 수 있다.
역사적으로 가장 성공적인 산업적 배터리를 디자인함에 있어서, 납-산 배터리 구성이 중요한 역할을 하였다. 플란테(Plante)와 포레(Faure)의 구성 변화는 납-산 배터리의 상용화(commercializaton)를 이끌었으며, 이는 백년이 넘는 동안 주된 배터리가 되었다.
본원에서 기술되는 신규 구성은 일차 및 이차 배터리에 대해 사용될 수 있다. 그것은 일차 배터리를 이차 배터리로 변형시킬 수 있으며, 이차 배터리에 대해 보다 우수한 순환력(cyclability) 및 안전성을 제공할 수 있다. 예로서, 신규 구성은 일차 및 이차 리튬 배터리에 대해 사용될 수 있다. 리튬 기반 배터리 내 리튬 금속 애노드는 최근 사용되는 탄소 애노드보다 높은 크기 정도의 에너지 밀도를 지닌다. 그렇지만, 재충전 공정 동안 리튬 애노드 상의 덴드라이트 형성으로 인해, 전지는 단락되고 폭발될 수 있다. 이러한 이유로, 재충전가능한 배터리에서, 최근, 탄소 애노드는 단지 선택사항이다. 리튬 금속에 비교하여 보다 낮은 에너지 밀도 이외에, 탄소 애노드는 비용을 추가하는 특정 전해질을 필요로 한다. 본원에서 기술되는 새로운 구성은 L-금속 애노드에서 단락 문제를 해소한다. 이는 이용가능한 리튬 기반 배터리보다 더 오래 지속할 수 있는, 보다 저렴한 재충전가능한 배터리를 형성할 것이다.
최근, 활성 전기화학적 재료는 배터리 팩 중량의 1/3 만을 구성한다. 문제는 종래 기술의 배터리 구성이 배터리 크기를 제한한다는 점이다. 거시-규모(macro-scale)에서, 본 시스템의 한 목표는 구성을 변경함으로써 배터리 팩의 크기에 대한 제한을 제거하는 것이다. 이는 배터리를 더욱 효율적이게 하는데, 그 이유는 어떠한 전기화학적 역할을 하지 않는 지지 재료에 대한 필요성이 덜하기 때문이다. 그것은 전기 자동차에 대한 이상적인 배터리 시스템에 보다 근접하게 한다. 또한, 그것은 그리드 전기 저장 및 또한 재생가능한 에너지원, 예컨대 태양발전단지 및 풍력발전단지에 요구되는 대규모 에너지 저장 시스템에 사용될 수 있는 보다 경량이고 보다 저렴한 배터리가 되게 한다.
본원에서 기술되는 신규의 구성/기하구조는 Li-금속 애노드를 지닌 것들을 포함하는 모든 배터리 화학을 개선시킬 수 있다. 이러한 신규의 3차원 구성에서, 천공된 애노드 (또는 캐소드)판은 그 사이의 전해질과 함께 서로 병렬로 배치된다. 캐소드(또는 애노드) 막대는 판 홀을 통과하여 메쉬를 형성한다. 각 막대의 반경은 홀의 반경보다 작아서 막대와 홀 간에 전해질이 통과하게 한다. 리튬 금속 판을 사용하는 경우, 덴드라이트가 반대 전극들 간에 일어나지 않고 리튬 판들 간에 일어나도록 홀 벽은 불활성 재료로 피복될 수 있다.
각각의 판은 상이한 기하구조, 예컨대 직사각형 판, 원통형 판, 또는 어떠한 다른 기하구조를 가질 수 있다. 각각의 판의 두께는 20 nm 내지 5 cm일 수 있으며, 예로서, 리튬 배터리에 대해 대략 100 마이크로미터이고, 납-산 배터리에 대해 2 mm이다. 판의 홀은 상이한 기하구조, 예컨대 원통형 또는 직사각형, 또는 어떠한 다른 기하구조를 가질 수 있다. 홀의 반경은 10 nm 내지 2 cm일 수 있으며, 예로서, 리튬 배터리에 대해 50 마이크로미터이고, 납-산 배터리에 대해 500 마이크로미터이다. 막대는 반경이 홀보다 작으면서 홀과 유사하게 상이한 기하구조를 가질 수 있다. 홀의 표면 분율은 임의적이다. 홀 간의 간격은 수 나노미터 내지 수 밀리미터일 수 있으며, 예로서, 리튬 배터리에서는 수 마이크로미터일 수 있고, 납 산 배터리에서는 수백 마이크로미터일 수 있다. 판은 20 nm 내지 20 미터 폭/너비일 수 있으며, 예로서, 리튬 배터리에 대해 10 mm일 수 있고, 납-산 배터리에 대해 10 cm일 수 있다. 어떠한 두 판 간의 간격은 10 nm 내지 5 cm, 예로서, 10 마이크로미터일 수 있으며, 리튬 배터리에 대해 1 마이크로미터이고, 납산 배터리에 대해 1 mm일 수 있다. 도면에 도시된 바와 같은 불활성 재료가 홀의 벽을 피복한다. 전극 또는 전해질과의 어떠한 화학적 또는 전기적 반응을 갖지 않는 어떠한 재료, 예컨대, 고무, 플라스틱 또는 세라믹으로 제조될 수 있다. 두께는 수 나노미터 내지 수 밀리미터일 수 있다.
실시예 3: 리튬 배터리
본 실시예는 리튬 배터리에 초점을 둔다. 지난 수십년 동안 재충전가능한 리튬 배터리가 크게 주목받아왔지만, 면밀히 조사되어야 할 미지의 것들이 여전히 많다. 여기서, 전극의 새로운 구성이 기술된다. 예로서, Li-금속 애노드가 고려된다. 애노드 활성 재료로서 사용되는 리튬 금속은 3860 Ah/kg의 매우 높은 이론적 커패시티를 지니며, 이는 금속성 애노드 재료 중에서 가장 높은 것이다. 또한, 리튬의 전극 전위가 높다(-3.045V vs SHE). 이는 리튬 금속을 매우 유망한 애노드 재료이게 한다.
안전성 문제로 인해, 보다 안전한 리튬 전지인, 리튬 이온 전지가 개발되었으며, 이것은 이제 상업적으로 입수가능하다. 현재 Li-금속 애노드는 일차 리튬 배터리에서만 사용된다. 이들은 재충전 과정에서 리튬 금속 애노드 상에 형성되는 리튬 덴드라이트로 인해 재충전가능한 전지에 사용될 수 없다. 덴드라이트는 반대 전극들 간에 단락을 생기게 하고, 전지의 화염 및 폭발의 원인이 된다.
그러나, 안전성 문제가 해결될 수 있다면, 고에너지 밀도의 리튬 금속 전지는 여전히 매우 유망하다. AA-크기 리튬 금속 애노드 프로토타입 전지에 사용되는 비수성 전해질의 전도도는 수성 시스템의 전도도보다 10배 더 낮다. 따라서, 안전성 문제를 해결할 수 있다면, 배터리의 충전률이 많이 개선될 것이다.
Li-금속 애노드를 지닌 것들을 포함하여 본원에서 기술된 새로운 구성/기하구조는 모든 배터리 화학을 개선시킨다. 이러한 신규한 3-차원 구성에서, 천공된 애노드 판은 이러한 판 사이에 전해질을 지니면서 서로 평행하게 배치된다. 캐소드 막대는 판 홀을 통과하여 메시를 형성한다. 각각의 막대의 반경은 막대와 홀 사이를 전해질이 통과하도록 홀의 반경보다 작다. 리튬 금속 판을 사용하는 경우, 홀 벽은 반대 전극들 간에 덴드라이트가 생기지 않고, 리튬 판 사이에 생기도록 불활성 재료로 피복될 수 있다. 각각의 판은 상이한 기하구조, 예컨대 직사각형 판, 원통형 판, 또는 어떠한 다른 기하구조를 가질 수 있다. 각각의 판의 두께는 20 nm 내지 5 cm, 예로서, 대략 100 마이크로미터일 수 있다. 판의 홀은 상이한 기하구조, 예컨대 원통형 또는 직사각형, 또는 어떠한 다른 기하구조를 가질 수 있다. 홀의 반경은 10 nm 내지 2 cm, 예로서, 50 마이크로미터일 수 있다. 막대는 반경이 홀보다 작으면서 홀과 유사하게 상이한 기하구조를 가질 수 있다. 판은 20 nm 내지 20 미터 폭/너비일 수 있다. 어떠한 두 판 간의 간격은 10 nm 내지 5 cm, 예로서, 10 마이크로미터일 수 있다.
캐소드에 대해 많은 선택이 가능하다. 가장 일반적인 것은 리튬 망간 디옥사이드, 리튬 코발트, 및 FeS2이다. 제안된 구성/기하구조는 리튬-공기 화학구조를 포함하는 어떠한 화학구조의 배터리에 유효하다.
또한, 전지의 온도가 배터리의 안정성 및 순환력에 중요한 역할을 한다. 신규한 방법이 본원에서 제안된다. 집전체가 요구되는 경우, 캐소드 집전체는 막대의 코어에 존재하고; 필요에 따라 애노드 집전체가 판의 그리드로 형성될 수 있다. 집전체를 열 전도성 재료로서 사용함으로써 각각의 집전체가 전체 전지에서 작동함에 따라, 전지 온도를 매우 저가로, 그리고 효율적으로 설정할 수 있다.
실시예 4: 납-산 배터리
두 전극에 대한 시트 납 판을 사용함으로써 납 산 전지가 입증될 수 있다. 그러나, 이러한 구성은 대략 엽서 크기 판에 대해, 그리고 단지 수분 동안 단지 대략 1 암페어 만을 생성한다. 판 치수는 전형적으로 약 50 x 50 x 1.5 mm이다. 납-산 배터리의 커패시티는 전해질에 노출되는 전극의 표면적에 비례하기 때문에, 용적 또는 중량 당 전극의 표면적을 증대시키기 위해 다양한 방안이 사용된다. 판은 표면적을 증대시키기 위해 그루빙되거나(grooved), 천공된다. 포레 페이스트식-판 구성(Faure pasted-plate construction)은 자동차 배터리에 전형적이다. 각각의 판은 기계적 특성을 향상시키기 위해 안티몬 또는 칼슘과 합금된 직사각형 납 그리드로 구성된다. 각각의 판은 기계적 특성을 향상시키기 위해 안티몬 또는 칼슘과 합금된 직사각형 납 그리드로 구성된다.
그리드의 홀은 적연(red lead)과 33% 희석 황산의 페이스트로 채워진다. (상이한 제조업자에 의해 혼합물은 달라짐). 페이스트는 페이스트를 보다 잘 보유하기 위해 양 측부가 약간 테이퍼링된 그리드 내 홀 내로 프레싱된다. 이러한 다공성 페이스트는 산이 판 내측의 납과 반응하게 하여 표면적을 몇배 증대시킨다. 이러한 단계에서, 양극판 및 음극판은 유사하지만, 확장제(expander) 및 첨가제가 작동을 보조하기 위해 그것들의 내부 화학구조를 달라지게 한다.
본 디자인은 보다 높은 에너지 밀도가 되게 하고, 또한 전극의 용량 변화로 인해 문제점을 적게 한다. 본 디자인은 보다 균일한 전지 디자인으로 인해 보다 큰 순환력이 되게 하고, 양극을 서로, 그리고 접지면에 평행하게 둠으로써 활성 재료가 상부층에서 저부층을 이동할 것이지만, 손실되지는 않을 것이다. 이는 또한 단락 가능성을 감소시킴으로써 전지의 안정성을 부가한다.
예로서, 양극: 홀간, 즉 벽 대 벽에 5mm 간격이 있는 5.5mm 직경의 홀을 갖는 그리드로서 400x400x5 mm의 20개의 판; 음극: 및 5mm의 직경을 갖는 막대로 이루어진 구성이 있다. 막대는 수평으로 배치될 수 있으며; 임의로, 금속, 예컨대 스틸 코어가 막대를 기계적으로 지지하기 위해 사용된다.
실시예 5: 샘플 전기화학 전지
본 실시예는 하기와 같은 새로운 디자인으로 1-mol LiClO4-PC 전해질과 함께 LiMn2O 캐소드 (이들 사이에 알루미늄 집전체 15 마이크로미터가 양측면에 0.2mm 두께로 있는) 및 그라파이트 애노드 (이들 사이에 구리 집전체 15 마이크로미터가 양측면에 0.2mm 두께로 있는)의 사용을 기술한다.
본 디자인은 통상적인 애노드 및 캐소드의 두 평행판과 유사한, 동일량의 활성 재료(캐소드 및 애노드)를 갖는다: 0.1 mm의 단면 두께를 가지면서, 각각의 표면적은 48.5 mm x 48.5 mm = 2350 mm2임. 이는 235 mm3의 활성 재료 용량을 제공한다. 요약하면, 표면적은 3250mm2이고, 용량은 235 mm3이다.
상기 샘플 전기화학 전지는 1cm3 용량의 정육면체 형태이다. (재료: LiMn2O4 캐소드의 40개의 천공된 판, 각각은 균일하게 분포된 10 x 10홀의 어레이를 지닌 10 mm x 10 mm). 막대는 0.65 mm 직경의 구리 와이어(코어) 둘레에 그라파이트 10mm 길이 및 0.1mm 두께(내부 쉘)를 갖는다. 또한, 막대는 막대 둘레에 0.05 mm 두께의, 외부 쉘인 분리막, 예를 들어, Celgard로부터의 PP 또는 PE를 갖는다.
판 내 홀은 직경이 각각 0.95 mm이다. 이에 따라 홀간의 간격, 즉 벽 대 벽의 간격은 0.05 mm이다.
이에 따라, 본원에서 LiMn2O 캐소드의 활성 표면적은 홀 (40개 양면이 천공된 판) 간의 표면에 대해 2350 mm2 및 홀의 벽에 대해 2390 mm2를 포함한다. 이는 상기 신규 디자인이 통상적인 동일량의 캐소드 재료를 지닌 평행판과 비교하여 약 2배 더 큰 표면적인 4740 mm2의 표면적을 지님을 나타낸다.
그라파이트 애노드의 활성 표면적은 통상적인 디자인보다 여전히 약간 더 높은 2665 mm2이다.
이는 절반의 재료가 캐소드 판에 대해 사용되어 배터리의 가장 고가 부분에 대한 비용을 절감시키고, 여전히 저장 시스템으로부터 동일한 에너지 밀도에 도달함을 나타낸다. 이는 단지 예시적인 실시예이므로, 하기 파라미터 및 기하구조는 최적화될 수 있다: 홀의 수, 판의 수, 및 홀의 크기. 또한, 대안적으로, 본 실시예는 그라파이트 천공된 판 및 LiMn2O 막대를 사용할 수 있다.
실시예 6: 금속-공기 배터리
임의로, 펌프를 사용함에 의해서와 같이 전지 내측으로의 공기 흐름을 가속화시키기 위한 방법이 사용된다. 임의로, 평행판 간의 공간은 적어도 바로 위층 및 바로 아래층 상의 천공된 판에 의해 채워진다. 예를 들어, 이는 제습제(desiccant), 예컨대, 실리카 겔, 활성탄, 칼슘 설페이트, 칼슘 클로라이드, 몬트모릴로나이트 클레이(montmorillonite clay), 및 분자체(molecular sieves) 재료로 제조된다. 상기 재료는 매우 얇은 불활성 코팅, 예컨대 0.01 mm PTFE로 피복될 수 있다. 이는 Li 배터리, 특히 Li-공기 배터리의 안전성, 성능, 및 수명을 증대시키는데 도움을 준다. 제습제 층은 물로 포화된 후 제거되고, 교체될 수 있다.
이러한 디자인의 유용한 배터리 화학은 알칼리 배터리, Zn-MnO2 일차, Zn-MnO2 이차, Zn-공기, Zn-AgO, Ni-Zn, Cd-AgO, Zn-HgO, Cd-HgO Ni-Cd, Ni-금속 하이드라이드, 또는 Ni-H2 배터리를 포함한다.
임의로, 상이한 전해질, 즉, 각각의 막대와 판 홀의 상응하는 벽 사이 전해질, 및 천공된 판 사이의 또 다른 전해질을 사용하는 경우, 얇은 멤브레인이 유용하다. 예로서 얇은 O-링과 유사한, 두 전해질 시스템 간에 이들을 분리시키기 위한 두께는, 예를 들어 이들이 둘 모두 유체, 예컨대 액체인 경우, 약 수십 마이크로미터이다. 임의로, 멤브레인은 전지로부터 원치 않는 생성물을 제거하거나 전지에 보조 재료를 첨가하기 위해 사용된다. 전지로부터 원치않는 생성물을 제거하는 예는, 예를 들어, 플로우 배터리 또는 납산 배터리, 특히 개방형 납-산 배터리에서 발생하는 것과 같이, 화학 전지 반응의 생성물, 예컨대 수소 가스로서 발생하는, 소정의 가스 상들을 포함한다. 본원에서 사용되는 멤브레인은 임의로 불활성 재료, 예컨대 PTFE 또는 PE, 또는 요망하는 기공 크기 또는 화학구조, 또는 표면 거동을 지닌 그 밖의 멤브레인 제품이다.
실시예 7: Zn-공기 배터리
본 실시예는 Zn-공기 배터리 구체예를 기술한다. 각각의 막대는 Ni의 스크린 상에 망간 기재 촉매작용 탄소 층을 포함하는 (Ni-메시 탄소-층) 관이다. 전해질은 KOH이고, 예를 들어, 수중 5M이다. 애노드는 천공된 판으로서 예를 들어 그 위에 샌드 페이퍼(sand paper)를 적용하는 것에 의한 것과 같은 거친 표면을 갖는 아연 금속이다. 공기 캐소드는 소수성 테플론 층(예를 들어, 산소는 허용하나 증기는 막는 다공성인, 관의 내측부), 집전체로서 작용하고, 구조적으로 지지하는 얇은 니켈 메시 층(관의 중간층), 및 탄소 촉매 층(관의 외측부)을 함유한다.
망간-기반 촉매작용 탄소 층의 두께는, 예를 들어, 0.5 mm이다. 관의 내측 반경은 예를 들어, 1 mm이다. 각각의 막대와 관련된 홀 사이에는 0.02 mm 분리막이 존재한다. 분리막은 예를 들어, PVA일 수 있다. Zn 판의 두께는 예를 들어, 2 mm이다. 전지의 치수는 예를 들어, 높이가 1cm인, 1 cm 직경 원통이다.
이러한 실시예에서, 4개의 Zn 평행판이 존재한다. Zn 판 사이의 길이는 임의로, 부분적으로 전해질로, 여기서는 수중 KOH 용액으로, 그리고 부분적으로 0.2 mm 천공된 강판으로, 그리고, 부분적으로 공기로 채워진다. 부분적으로 액체 전해질 및 공기로 채워진 공간은 배터리의 수명에 도움을 준다.
임의로, Zn 판들 사이에 제로 공간이 사용되며, 제로 공간은 각각 2mm인 5개의 Zn 평행판을 지녀, 1cm 두께의 하나의 Zn 판과 유사하다.
전체 전지는 스틸로 제조된 케이스 내측에 있으며, PTFE로 제조된 외피로 피복된다. 케이스는 두개의 평행한 측부, 즉, 상부 및 저부 상에 개구를 지니 공기가 흐르게 한다. 이러한 신규 디자인의 이점은 관들이 양 단부로부터 개방되어 있어 전지가 더 많은 공기를 얻을 수 있다는 점이다.
실시예 8: 보조 흐름을 지닌 Zn-공기 배터리
본 실시예는 보조 흐름을 지닌 Zn-공기 배터리를 기술한다. 각각의 막대는 Ni 스크린 상에 망간 기반 촉매작용 탄소층을 포함하는 (Ni-메시 탄소 층) 관이다. 전해질은 KOH이다. 애노드는 천공된 판으로서 예를 들어 그 위에 샌드 페이퍼를 적용하는 것에 의한 것과 같은 거친 표면을 갖는 아연 금속이다. 공기 캐소드는 소수성 테플론 층(예를 들어, 산소는 허용하나 증기는 막는 다공성인, 관의 내측부), 집전체로서 작용하고, 구조적으로 지지하는 얇은 니켈 메시 층(관의 중간층), 및 탄소 촉매 층(관의 외측부)을 함유한다.
여기서, 금속 전극의 판, 예를 들어, Zn 천공된 판 내 홀은, 각각의 판에 대해서는 동일한 크기를 갖지만, 상이한 판에 대해서는 상이한 크기를 갖는다.
망간-기반 촉매작용 탄소층의 두께는 0.5 mm이다. 관 내측 반경은 가변성이며, 예를 들어, 한 측부로부터 0.5 mm에서 다른 측부에 대해 2mm까지 선형으로 달라진다. 홀 내측 반경의 크기는 캐소드 전극의, 이들을 통과하는, 여기서는 공기의 효율적인 흐름을 위해, 밀도 및 온도, 및 점도 및 그 밖의 유동 파라미터에 기초한 유체 역학 이론을 사용하여 최적화될 수 있다. 추가의 보조 흐름은 예를 들어, 캐소드 재료, 여기서는 공기의 흐름을 용이하게 하기 위해 공기에 접근하는 전지의 두 단부에서, 펌프를 사용함으로써 적용될 수 있다.
각각의 막대와 관련된 홀 사이에는 0.02 mm 분리막이 존재한다. 분리막은 예를 들어, PVA일 수 있다. Zn 판의 두께는 예를 들어, 2 mm이다. 전지의 치수는 예를 들어, 높이가 1cm인, 1 cm 직경 원통이다.
이러한 실시예에서, 4개의 Zn 평행판이 존재한다. Zn 판 사이의 길이는 임의로, 부분적으로 전해질로, 여기서는 수중 KOH 용액으로, 그리고 부분적으로 0.2 mm 천공된 강판으로, 그리고, 부분적으로 공기로 채워진다. 부분적으로 액체 전해질 및 공기로 채워진 공간은 배터리의 수명에 도움을 준다.
임의로, Zn 판들 사이에 제로 공간이 사용되며, 제로 공간은 각각 2mm인 5개의 Zn 평행판을 지녀, 1cm 두께의 하나의 Zn 판과 유사하다.
전체 전지는 스틸로 제조된 케이스 내측에 있으며, PTFE로 제조된 외피로 피복된다. 케이스는 두개의 평행한 측부, 즉, 상부 및 저부 상에 개구를 지니 공기가 흐르게 한다.
실시예 9: Li-공기 배터리
본 실시예는 Li-공기 배터리를 기술한 것이다. 전지의 셋업은 애노드로서 금속성 리튬, 세개의 멤브레인 라미네이트(두개의 PC 층 및 하나의 LAGP 층), 및 캐소드를 포함한다. 멤브레인은 두께가 1.5mm인 PC(BN)/LAGP/PC(BN)이고, PC의 각층의 두께는 약 200-300 마이크로미터이다. 판들은 20mm x 20mm x 0.4mm이다. 캐소드는 Ni 메시 관 상에 25% C* + 75% LAGP이다. 캐소드 관은 1mm 직경의 내측 개구를 갖는다. 이의 두께는 0.5mm이다. C*는 60% PWA 활성 탄소 + 40% Ketjen 카본 블랙이다.
공기 캐소드는 내측 크기에 대해 0.01의 두께의 소수성 테플론 층(예를 들어, 산소는 허용하나 증기는 막는 다공성인, 관의 내측부), 집전체로서 작용하고, 구조적으로 지지하는 얇은 니켈 메시 층(관의 중간층), 및 탄소 촉매 층(관의 외측부)을 함유한다.
전지는 4개의 Li 천공된 평행판을 포함한다. 판들 사이에 간격은 임의로, 부분적으로 액체 비수성 전해질, 예를 들어, 1 M LiPFe/PC/EC/DMC (1:1:3), 그리고 부분적으로 0.2 mm 천공된 강판으로 채워지고, 부분적으로 건조 산소로 채워질 수 있다.
임의로, 판들 사이에 제로 공간이 사용되며, 각각 0.4mm인 5개의 평행판을 지녀, 1mm 두께의 하나의 판과 유사하다.
전체 전지는 스틸로 제조된 케이스 내측에 있으며, PTFE로 제조된 외피로 피복된다. 케이스는 두개의 평행한 측부, 즉, 상부 및 저부 상에 개구를 지니 공기가 흐르게 한다.
상기 실시예의 흐름 보조 Zn-공기 배터리에서 기술된 바와 같이, 홀-크기 및 펌프를 달리하는 보조 흐름의 개념은 또한 본 실시예의 Li-공기 배터리의 경우 유용하다.
실시예 10: 플로우 배터리
본 실시예는 플로우 배터리를 기술한다. 플로우 배터리에 유용한 전극은 바나듐, 브롬, 아이언, H2-아연, 세륨, B2, 크롬, 폴리설파이드 및 이들의 어떠한 조합물을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
하나는 애노드를 감싸며, 하나는 캐소드를 감싸고 있는 두개의 전해질이 사용된다. 유용한 전해질은 H2SO4, VCls-HCl, NaBr-HCl NaS2, NaBr, HCl, 폴리머 전해질 멤브레인-HBR, ZnBr2, CH3SO3H 및 이들의 어떠한 조합물을 포함하나, 이로 제한되는 것은 아니다.
레독스 플로우 배터리는 천공된 전지의 스택(stack) 및 일군의 막대(예를 들어, 임의의 가로세로 비로; 원형 단면인것으로부터 직사각형 단면인 매우 다수까지; 단면 자체는 예를 들어 크기가 달라질 수 있음); 이온 선택적이고, 전도성인 분리막에 의해 서로 분할되고 각각의 전극을 지닌 애노드액 구획 및 캐소드액 구획을 지닌다. 사이 배터리는 각각의 펌프 및 배관을 지닌 애노드액 및 캐소드액 탱크를 지닌다. 사용시, 펌프는 탱크에, 그리고 탱크로부터, 구획에, 그리고 탱크로 다시 전해질을 순환시킨다. 전기는 임의로, 로드로 흐른다. 전해질 라인에는 임의로 새로운 전해질이 첨가될 수 있는 태핑, 및 소비된 전해질이 배출될 수 있는 추가의 태핑이 구비될 수 있으며, 각각의 태핑은 애노드액 및 캐소드액에 대한 것이다. 재충전시, 전형적으로 모든 태핑으로의 라인에 대한 커플링을 통해, 리모트 펌프(remote pump)가 리모트 저장고로부터 새로운 애노드액 및 새로운 캐소드액을 펌핑하고, 소비된 전해질을 다른 리모트 저장고로 배출시킨다.
일 구체예에서, 전지는 캐소드액 구획 내에 애노드, 애노드액 구획 내에 캐소드, 이들 구획 간에 이온 선택적 멤브레인 분리막, 한쌍의 전해질 저장기, 애노드액을 그것의 저장기로부터, 전지 내 애노드액 구획으로, 다시 그것의 저장기로 순환시키기 위한 전해질 공급 수단, 및 캐소드액에 대해서도 유사한 순환 수단을 포함하며, 배터리는 소비된 전해질을 배출시키고, 그것을 새로운 전해질로 대체함으로써 배터리가 재충전될 수 있도록 그것의 전해질 저장기 및/또는 그것의 전해질 공급 수단으로의 커넥션을 포함한다.
이러한 디자인에서, 전해질 디바이더 또는 멤브레인은 임의로 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이에 있는 격막이다. 임의로 내경 및 외경이 막대와 상응하는 벽 사이에 맞도록 선택되는 얇은 관 모양이고, 각각의 막대 길이 정도이거나, 각각의 천공된 판의 두께 정도의 길이의 얇은 관 모양이다.
실시예 11 : 플로우 배터리 제 1 예
본 실시예는 플로우 배터리 구체예를 기술한다. 전해질 1 및 2, 즉 막대와 홀 벽 사이에 있는 전해질, 및 판들 사이에 있는 전해질이 본 실시예에서 동일하다: 2M H2SO4 중의 2M VOSO4. 온도: 섭씨 25 도.
음극: 1mm 직경의 구리 와이어 상의 길이 100 mm, 두께 1 mm의 그라파이트 막대. 와이어가 전지의 상부 및 저부로부터 외측에 장력 하에 보유되어 직선형으로 유지된다. 전해질이 전지의 외측으로부터 전지에, 한 단부로부터, 막대와 판들 내 홀 벽 사이의 홀로부터 흐르고, 반대 단부로부터 배출된다. 펌핑 시스템이 전해질 1을 흐르게 하도록 임의로 사용된다.
양극: 100 x 100 x 3 mm인, 10개의 백금도금 티타늄 천공판. 홀은 5 mm 직경 및 5mm 벽 대 벽으로 면 내에 주기적으로 존재한다. 천공판들 간에 5 mm 간격이 있다. 전해질 2는 전지의 외측으로부터 이러한 공간을 통해 전지로 흐르고, 반대 단부로부터 배출된다. 펌핑 시스템이 전해질 2를 흐르게 하도록 임의로 사용된다.
멤브레인은 CMV 폴리스티렌 황산 양이온-선택성 타입 멤브레인이고, 판벽 다음에 위치한다. 그것은 5mm의 외측 반경 및 0.02mm의 두께를 지닌 얇은 관의 형태로 존재한다.
실시예 12: 플로우 배터리 제 2 예
본 실시예는 플로우 배터리 구체예를 기술한다.
전해질 1 및 2는 막대와 홀 벽 사이에 존재한다. 포지티브 전해질은 4.0 mol dm-3 메탄설폰산 중의 0.8 mol dm-3 Ce(III) 메탄설포네이트이다. 네가티브 전해질 구획은 1.0 mol dm-3 메탄설폰산 중의 1.5 mol dm-3 Zn(II) 메탄설포네이트를 함유한다.
전해질은 전지의 한 면 상에 고압 튜빙(high-pressure tubing)(Cole-Parmer, 6 mm 내측 직경)을 지닌 두 개의 연동(peristaltic pump)를 사용하여 4 cm/s로 전지를 통해 순환된다.
전해질 (각각 200 cm3)은 별개의 탱크에 함유된다.
탄소 폴리비닐-에스테르 복합체가 음극으로서 사용된다.
백금도금 티타늄 메시(70 g Pt/m2 로딩)가 양극으로서 사용된다.
음극은 1mm 직경의 구리 와이어 상의 길이 100 mm, 두께 1 mm의 음극 재료(여기서, 카본 폴리비닐-에스테르) 쉘의 3mm 직경의 막대이다. 와이어가 전지의 상부 및 저부로부터 외측에 장력 하에 보유되어 직선형으로 유지된다.
양극: 100 x 100 x 4 mm인, 10개의 백금도금 티타늄 천공판. 홀은 10 mm 직경 및 10mm 벽 대 벽으로 면 내에 주기적으로 존재한다. 각각 두개의 평행판 사이 공간의 5%는 육방체 또는 원통과 같은 임의 모양을 갖고, 주기적 배열로 되어 있는 5mm 두께이고, 수 밀리미터 표면적의, 판과 동일한 재료인 스페이서로 채워진다. 나머지는 네거티브 전해질로 채워진다.
멤브레인은 CMV 폴리스티렌 황산 양이온-선택성 타입 멤브레인이고, 판벽 다음에 위치한다. 그것은 5mm의 외측 반경 및 0.02mm의 두께를 지닌 얇은 관의 형태로 존재한다. 멤브레인 또한 길이가 100mm이다.
포지티브 전해질은 전지의 한 면으로부터 도입되어 막대와 판내 홀 벽 사이의 홀에서 흐르고, 반대 단부로부터 배출된다. 포지티브 전해질은 전지의 한 면으로부터 도입되어, 판의 면에 대해 평행으로 흐르고, 반대 면으로부터 배출된다. 막대와 홀 벽은 두개의 실리콘 가스켓 사이에 끼어 있는 멤브레인에 의해 분리된다. 가스켓은 각각 길이가 100mm이고, 각각 두께가 약 1 mm인 관이다. 내측 가스켓은 내경이 6 mm이다(즉, 1.5 mm 두께의 쉘이 포지티브 전해질의 흐름을 위해 남겨져 있다). 외측 가스켓은 외경이 10 mm이다. 내측 가스켓은 판-홀의 벽에 근접하여 큰 개구를 지며, 이들의 원통형 단면은 80% 이상의 개구를 갖지만, 평행판 사이의 개구는 보다 적다. 외측 가스켓은 어디에서나 80% 이상의 큰 개구를 갖는다.
외측으로부터 내측으로, 막대의 구성은 다음과 같다: 실리콘 가스켓 (8.04 mm 내경, 10 mm 외경) (분리막): 멤브레인 (8 mm 내경, 8.04 mm 외경): 실리콘 가스켓 (6 mm 내경, 8 mm 외경) (분리막) : 음극 막대 (카본 폴리비닐-에스테르 1 mm 두께) 및 구리 와이어 (3 mm 직경) : 구리 와이어 (1 mm 직경)(집전체).
실시예 13: 연료 전지
3차원 전극 디자인이 알칼리 연료 전지 (AFC), 폴리머-전해질-멤브레인 연료 전지 (PEMFC) 및 인산 연료 전지 (PAFC) 및 용융-카보네이트 연료 전지 (MCFC) 및 고체-옥사이드 연료 전지 (SOFC)에 적용된다.
몇몇 연료 전지 또는 금속 공기 배터리에 있어서, 신규 디자인의 주된 이점은 특히 용융-카보네이트 연료 전지에 요구되는, 애노드 유출물로부터 캐소드 도입으로의 CO2 재순환이 용이하다는 점이다. 이는 두 개의 공간, 즉, 막대와 홀 벽 간의 공간, 및 평행판들 사이의 공간 사이에 특정 멤브레인을 사용함으로써 달성된다.
몇몇 연료 전지 또는 금속 공기 배터리에 있어서, 또 다른 이점은 특히 폴리머-전해질-멤브레인 연료 전지, 더욱 특히 리포메이트(reformate) 전극 및 메탄올 산화를 위한 폴리머-전해질-멤브레인 연료 전지에서 흡착된 CO 종을 제거한다는 점이다. 이는 두 개의 공간, 즉, 막대와 홀 벽 간의 공간, 및 평행판들 사이의 공간 사이에 특정 멤브레인을 사용함으로써 달성된다.
신규 디자인의 이점은 통상적인 연료 전지에서 필수적인(그리고, 고가의 재료로 제조되지 않을 경우 부식 문제를 갖는) 이극성 판이 임의로 신규 디자인으로부터 생략된다는 점이다. 신규 디자인에서, 진정한 3차원 디자인으로 인해, 이극성 판은 임의로 전지의 내측이 아니라 전지의 면 상에 배치된다. 이는 신규 디자인에서 집전체가 판과 막대의 중간에 있을 수 있어, 이들이 전해질과 접촉하지 않기 때문에, 연료 전지의 수명 및 비용에 도움을 주어 주된 이점을 제공한다. 또한, 집전체는 임의로, 전지에 요망하는 구조적 강도를 제공하고; 이것은 막대와 홀 벽 간의 꼭 맞는 접촉의 패킹된 시스템으로 인해 구조적 건전성에 부가적인 것이다.
신규 디자인의 주된 이점은 통상적인 시스템과 비교하여 훨씬 더 우수하게, 히트 쇼크를, 특히 연료 전지에서의 히트 쇼크를 처리할 수 있다는 점이다. 이는 시스템의 수명을 부가시킨다.
수소 이외에, 또한 바이오가스(이는 작물의 헥타르당 가장 많은 에너지를 전달함), 천연 가스, 프로판, 에탄올, 디젤 또는 바이오디젤로 수행할 수 있다. 이는 신규 디자인으로 인해 전지 내 부가된 연료 분해 능력때문이다.
전형적인 평면 연료 전지 디자인에서는, 개별 전지 판이 결함이 생기면, 스택 내 이극성 인터커넥트와 전지 간의 영구적인 인터커넥션 특성으로 인해 전지 판의 교체가 어렵다. 따라서, 다수의 전지 판 및 관련된 비전지 구성요소로 이루어진 전체 서브스택(substack)이 일반적으로 교체되어야 한다. 전지 함유 패킷(packet) 그 자체가 교체될 수 있는, 비전지 구성요소가 최소로만 교환되는 연료 전지 스택 디자인은 상당히 경제적인 이점을 제공할 것이다.
신규 디자인의 한 이점은, 반응 생성물의 기체 및 액체 상이 판의 시작 및 끝의 수준에서 막대와 판 사이에 멤브레인(기체에 투과성이나 액체에는 비투과성; 예를 들어, PP 또는 PE, 또는 요망하는 기공 크기를 지닌 그 밖의 불활성 재료)을 부가함으로써 분리가능하다는 점이다. 즉, 멤브레인들 사이의 간격이 천공된 판의 두께와 동일하고, 멤브레인이 (막대와 판 사이의 공간을 채우기 위해) 얇은 도넛, 즉, 0.01mm 두께, 약 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 폭과 유사할 수 있다. 이는 예로서 통상적인 디자인에서 브롬 가스를 제거하는 것이 어려운 수소 및 브롬 플로우 배터리에 대해 매우 유용하다. 신규 디자인에서, 가스는 판들 사이의 공간으로 확산되고, 이는 액체 중에 용해되거나 또 다른 가스와 부분적으로 혼합되어, 시스템 밖으로 확산시킴으로써, 또는 보조 흐름에 의해, 즉, 펌프에 의해 전지로부터 제거될 수 있다.
전해질은 임의로, 알칼리성 수용액 또는 알칼리성 수용액, 폴리머 멤브레인(아이오노머(ionomer)), 폴리머 멤브레인 또는 흄산(humic acid), 용융 인산(H3PO4) 또는 용융 알칼리성 카보네이트 또는 O2-전도성 세라믹 옥사이드 또는 염 수 또는 H+-전도성 세라믹 옥사이드 또는 이트리아-안정화된 지르코니아 (YSZ) 또는 리튬 포타슘 카보네이트 염 또는 세리아이다.
일반적으로, 컴플라이언트(compliant) 다중-전지-시트 구조의 구성에 사용되는 전해질 시트는 두께가 45 마이크론 미만, 바람직하게는 두께가 30 마이크론 미만, 가장 바람직하게는 두께가 5 내지 20 마이크론 범위이다. 가요성 다결정질 세라믹 전해질 시트는 히트 쇼크 저항성 및 전기화학적 성능 둘 모두를 개선시키며; 이러한 시트의 예는 본원에 참조로 통합되는 미국 특허 제5,089,455호(Ketcham 등)에 기술되어 있다. 이러한 전해질에 대한 적합한 조성물의 예는 Y, Ce, Ca, Mg, Sc, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, In, Ti, Sn, Nb, Ta, Mo, 및 W의 옥사이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 안정화 첨가제로 도핑된 부분적으로 안정화된 지르코니아 또는 안정화된 지르코니아를 포함한다.
사전-소결된 전해질과 함께 유용한 전극 재료 중에는 서멧(cermet) 재료, 예컨대 니켈/이트리아 안정화된 지르코니아 서멧, 귀금속/ 이트리아 안정화된 지르코니아 서멧이 있으며, 이들은 애노드 재료로서 특히 유용하지만, 사용하는 것이 제한되는 것은 아니다. 유용한 캐소드 재료는, 이러한 세라믹 및 스트론튬-도핑된 란타늄 망가나이트(strontium-doped lanthanum manganite)로서 서멧 재료, 그 밖의 알칼리 토류-도핑된 코발타이트 및 망가나이트 뿐만 아니라 귀금속/이트리아 안정화된 지르코니아 서멧을 포함한다. 물론, 상술된 예는 단지 유용한 여러 전극 및 인터커넥스 재료의 예시이며, 제한되는 것으로서 의도되지 않는다.
연료 전지 구성에 유용한 캐소드 및 애노드 재료는 바람직하게는 매우 전도성이지만, 비교적 내화성인 금속 합금, 예컨대 귀금속 및 합금, 귀금속 중에서, 예를 들어, 은 합금을 포함한다. 이러한 타입의 특정 합금 전극 조성물의 예는 은 팔라듐, 은-백금, 은-금 및 은-니켈로 이루어진 군으로부터 선택된, 은 합금을 포함하며, 가장 바람직한 합금은 은-팔라듐 합금이다. 대안적인 전극 재료는 이들 금속 또는 금속 합금의 다결정질 세라믹 필터 상과의 블렌드로 형성된 서멧 전극을 포함한다. 이러한 용도를 위한 바람직한 다결정질 세라믹 필터는 안정화된 지르코니아, 부분적으로 안정화된 지르코니아, 안정화된 하프니아, 부분적으로 안정화된 하프니아, 지르코니아와 하프니아의 혼합물, 세리아와 지르코니아의 혼합물, 비스무트와 지르코니아의 혼합물, 가돌리늄 및 게르마뮴을 포함한다. 또한, 그라펜은 임의로, 전극 중 어느 하나로서 사용된다.
SOFC에서 가장 보편적인 세가지 전해질 재료는 도핑된 세리아(CeO2), 도핑된 란타늄 갈레이트(LaGaO3)(둘 모두 산소 이온 전도체임) 및 도핑된 바륨 지르코네이트(BaZrO3)(양성자 전도체)이다.
연료 전지에서, 애노드는 보통 수소, 또는 디젤, 메탄올 및 하이드라이드 화학제를 포함하는 탄화수소 연료이다.
멤브레인은 임의로, 나피온(Nafion) 또는 폴리아릴렌, 또는 인산과 함께 폴리벤즈이미다졸(PBI)이다.
일반적으로 통상적인 연료 전지는 반응 속도가 느려서 낮은 전류 및 동력(power)을 유도한다. 신규 디자인은 활성 표면적을 증대시킴으로써, 또한 반응 생성물의 보다 양호한 관리, 및 또한 전지를 보다 균일하게 함으로써 반응 속도를 훨씬 더 빠르게 한다.
실시예 14: SOFC 연료 전지
본 실시예는 700℃ 이하의 온도에서 작동하는 단일 옥사이드 연료 전지를 기술한다. 기하구조: 여기서 막대는 중공이며, 사각형 단면을 갖는다. 각각의 막대는 길이가 100mm이고, 외측 크기가 14.95 mm x 14.95 mm이다. 각각의 막대의 외층은 낮은 다공성 및 작은 평균 기공 직공(1 ㎛ 또는 그 미만)을 갖는 0.2 mm 두께의 캐소드 활성 재료(도핑된 LaMnO3)이다. 내층은 보다 높은 다공성 및 보다 큰 평균 기공 직경(2 ㎛ 또는 그 초과)을 지닌 1mm 두께의 지지 재료이다.
전해질은 단단한 얇은 관이고, 길이가 100 mm이고, 두께가 0.05mm 이다. 막대는 막대와 판들의 홀 벽 사이이 공간을 채우는 전해질로 코팅된다. 전해질 재료는 YSZ이다.
판들은 두께가 2 mm이다. 이들은 중앙에 애노드 재료 (Ni/YSZ)로 제된 각각의 측면 상에 0.1 mm 두께의 코팅을 지닌 1.8 mm 스틸이 있다. 이들의 폭-길이는 100 mm x 100 mm이다. 이들은 15 mm x 15 mm 크기의 사각형 홀을 갖는다. 홀은 주기적으로 분포된다. 홀 간의 최소 간격은 벽 대 벽으로 10 mm이다. 평행판 간의 간격은 10 mm이다.
연료는 판들 사이 공간을 흐른다. 산화 유체, 예컨대, 산소 가스가 중공 막대의 내측 공간에서 흐른다.
실시예 15: 수퍼커패시터, 제 1 예
본 실시예는 전기화학 수퍼커패시터를 기술한다. 이 장치의 기하구조는 1 x 1 x 1 cm의 박스이다. 이러한 실시예에서, 막대 전극은 직경이 0.02 mm이고, 길이가 10 mm이다. 10 개의 평행한 평판 전극이 있으며, 각각은 10 x 10 x 0.02 mm이다. 평판 전극은 직경이 0.03 mm인 주기적 홀을 지니며, 홀들간의 간격은 벽 대 벽으로 0.02 mm이다. 평행 판들 간의 간격은 0.08 mm이다. 평행판들 사이, 및 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이의 공간은 전해질로 채워진다.
모든 막대는 0.01 mm 직경의 구리 코어를 갖는다. 활성 재료는 막대의 절반이 MnO2 제조되고, 나머지 절반이 활성 탄소로 제조되는 쉘이다. 이들은 서로 나란히 어셈블링되며, 각각의 MnO2 막대는 4개의 최단 이웃하는 탄소(nearest neighbors of Carbon)을 지니며, 각각의 탄소는 4개의 최단 이웃하는 MnO2를 갖는다.
모든 판은 0.01 mm 두께의 구리 코어를 갖는다. 활성 재료는 판의 절반이 활성 탄소로 제조되는 쉘이다. 나머지 절반은 MnO2로 제조된다. 각각의 탄소 판은 두개의 이웃하는 MnO2(상부 및 저부)을 가지며, 각각의 MnO2 판은 두개의 이웃하는 탄소 판을 갖는다.
전해질은 수중 0.5M H2SO4이다. 막대는 양 하전되고, 판은 음 하전된다.
연료는 판들 사이 공간에서 흐른다. 산화 유체, 예컨대 산소 함유 가스는 중공형 전극의 내부 공간에서 흐른다.
실시예 16: 수퍼커패시터, 제 2 예
본 실시예는 수퍼커패시터를 기술한다. 기하 구조는 1 x 1 x 1 cm의 박스이다. 이러한 실시예에서, 막대 전극은 직경이 0.02 mm이고, 길이가 10 mm이다. 평판 전극은 10 x 10 x 0.02 mm이며, 직경이 0.03 mm인 주기적 홀을 지닌다. 홀들 간의 간격은 벽 대 벽으로 0.02 mm이다. 평행 판들 간의 간격은 0.08 mm이다. 10개의 평행판이 존재한다. 평행판들 사이, 및 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이의 공간은 전해질로 채워진다. 본 실시예에서, 전해질은 프로필렌 카보네이트 중의 1M LiClO4이다.
모든 막대는 0.01 mm 직경의 구리 코어를 갖는다. 활성 재료는 막대의 절반이 MnO2 제조되고, 나머지 절반이 활성 탄소로 제조되는 쉘이다. 이들은 서로 나란히 어셈블링되며, 각각의 MnO2 막대는 4개의 최단 이웃하는 탄소를 지니며, 각각의 탄소는 4개의 최단 이웃하는 MnO2를 갖는다.
모든 판은 0.01 mm 두께의 구리 코어를 갖는다. 활성 재료는 판의 절반이 활성 탄소로 제조되는 쉘이다. 나머지 절반은 MnO2로 제조된다. 각각의 탄소 판은 두개의 이웃하는 MnO2(상부 및 저부)을 가지며, 각각의 MnO2 판은 두 개의 이웃하는 탄소 판을 갖는다.
MnO2 막대는 양 하전되고, 탄소 막대 및 판은 음 하전된다.
MnO2 막대 및 판은 전지의 저부 및 좌측으로부터 양 하전되고, 탄소 막대 및 판은 전지의 상부 및 우측으로부터 음 하전된다.
실시예 17: 수퍼커패시터, 제 3 예
본 실시예은 소형의 수퍼커패시터 디자인을 기술한다. 이 장치의 기하구조는 내부 크기 0.1 x 0.1 x 0.1 mm의 박스이다. 막대 전극은 직경이 0.01 mm이다. 길이는 0.1 mm이다. 평판 전극은 0.1 x 0.1 x 0.005 mm이고, 직경이 0.015 mm인 주기적 홀을 지니며, 홀들 간의 간격은 벽 대 벽으로 0.01 mm이다. 평행 판들 간의 간격은 0.005 mm이다. 10개의 평행판이 존재한다. 평행판들 사이, 및 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이의 공간은 전해질로 채워진다. 본 실시예에서, 전해질은 프로필렌 카보네이트 중의 1M LiClO4이다.
막대의 절반이 MnO2 제조되고, 나머지 절반이 활성 탄소로 제조되는 쉘이다. 이들은 서로 나란히 어셈블링되며, 각각의 MnO2 막대는 4개의 최단 이웃하는 탄소를 지니며, 각각의 탄소는 4개의 최단 이웃하는 MnO2를 갖는다.
판의 절반은 활성 탄소로 제조된다. 나머지 절반은 MnO2로 제조된다. 각각의 탄소 판은 두개의 이웃하는 MnO2(상부 및 저부)을 가지며, 각각의 MnO2 판은 두 개의 이웃하는 탄소 판을 갖는다.
MnO2 막대 및 판은 양 하전되고, 탄소 막대 및 판은 음 하전된다.
실시예 18: 하프(half) 반고체 배터리
본 실시예는 반고체 배터리를 기술한다. 장치의 기하구조는 내부 크기 100 x 100 x 100 mm의 박스이다. 막대 전극은 직경이 6 mm이고, 길이가 100 mm이다. 평판 전극은 100 x 100 x 2 mm이고, 직경이 6 mm인 주기적 홀을 지니며, 홀들 간의 간격은 벽 대 벽으로 2 mm이다. 평행 판들 간의 간격은 0.5 mm이다. 본 실시예에서는 40개의 평행판이 존재한다.
평행판들 사이, 및 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이의 공간은 전해질 및 캐소드 입자로 채워진다. 전해질 및 캐소드 입자는 전지의 외측으로부터 막대와 판내 홀 벽 사이, 그리고 또한 판들 사이의 개방된 공간을 통해 유입된다. 하나 또는 수개의 펌프가 이를 위해 사용될 수 있다.
캐소드 입자는 90 내지 10 중량%의, 카본 블랙 분말(나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기)과 혼합된 LiCoO2 분말(나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기)이다. 전해질은 알킬 카보네이트 블렌드 중의 1M LiPF6 이다.
막대는 구리로 제조된다. 판은 두께가 0.010 mm인 두 개의 천공된 구리 판에 의해 분리되는 세 개의 실리콘 (애노드) 층으로 제조된다. 구리 판들 간의 간격은 1 mm이다.
홀 벽의 에지를 포함하는, 판의 표면은 코팅으로서 불활성 마이크로-다공성 재료, 여기서는 0.1 mm PE 분리막으로 피복된다.
실시예 19: 풀(full) 반고체 배터리
본 실시예는 반고체 배터리를 기술한다. 장치의 기하구조는 내측 크기가 100 x 100 x 100 mm의 박스이다. 막대 전극은 직경이 5 mm이고, 길이가 100 mm이다.
판은 100 x 100 x 2 mm이고, 직경이 6 mm인 주기적 홀을 지니며, 홀들 간의 간격은 벽 대 벽으로 2 mm이다. 평행 판들 간의 간격은 0.5 mm이다. 본 실시예에서는 40개의 평행판이 존재한다.
평행판들 사이, 및 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이의 공간은 전해질 및 캐소드 입자로 채워진다.
전해질 1 및 캐소드 입자는 전지의 외측으로부터 막대와 판내 홀 벽 사이, 그리고 또한 판들 사이의 개방된 공간을 통해 유입된다.
전해질 2 및 애노드 입자는 전지의 외측으로부터 판들 사이의 개방 공간을 통해 유입된다. 하나 또는 수개의 펌프가 이를 위해 사용될 수 있다.
캐소드 입자는 90 내지 10 중량%의, 카본 블랙 분말(나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기)과 혼합된 LiFePO4 분말(나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기)이다.
전해질은 알킬 카보네이트 블렌드 중의 1M LiPF6 이다.
애노드 입자는 90 내지 10 중량%의, 카본 블랙 분말(나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기)과 혼합된 Li4Ti5O12 분말(나노미터 크기 내지 마이크로미터 크기)이다.
전해질 2는 70:30 (중량)의 1,3-디옥솔란 및 LiBETI이다.
막대는 구리로 제조되고, 판은 구리로 제조된다.
각각의 막대와 판의 홀 벽 사이에는 두께가 0.05 mm이고, 막대와 동일한 길이 100mm를 지니며, 외경이 6mm인 PE 분리막의 관이 존재한다.
이러한 디자인의 전극 어레이를 구성하기 위해, 모든 판들이 배열된 후, 그리고 막대가 홀을 통해 배치되기 전에 관이 배치된다. 이후, 외측으로부터 관이 양 말단으로부터 장력 하에 있으면서, 관은 유체, 예컨대 헥산 또는 캐소드 전해질을 양 말단(또는 한 단부는 폐쇄되어 유지되면서, 다른 한 단부로부터)을 통해 그것들에 도입시킴으로써 팽윤된다. 임의로, 벌룬이 팽윤을 돕기 위해 관 내측에 배치될 수 있으며, 이는 벌룬을 팽윤시킴으로써 관이 판의 홀벽에 대해 밀봉됨으로써 작용한다. 벌룬은 불활성 관이 홀 벽에 꼭 맞게 된 후 제거된다. 임의로, 모든 판은 먼저 서로 부착된 후, 관이 팽윤되고, 상기 방법 중 어느 하나로 관을 여전히 팽윤시키면서 판들 간의 간격이 조절된다.
실시예 20: 소형 반고체 배터리
본 실시예는 소형/나노 등급 배터리를 기술한다. 장치의 기하구조는 내측 크기 0.01 x 0.01 x 0.01 mm의 박스이다. 막대 전극은 직경이 0.001 mm이고, 길이가 0.01 mm 이다. 평판 전극은 0.01 x 0.01 x 0.0005 mm이고, 직경이 0.0015 mm인 주기적 홀을 가지며, 홀들 간의 간격은 벽 대 벽으로 0.001 mm이다. 평행 판들 간의 간격은 0.0005 mm이다. 본 실시예에서는 10개의 평행판이 존재한다.
평행판들 사이, 및 각각의 막대와 상응하는 홀 벽 사이의 공간은 전해질로 채워진다. 본 실시예에서, 전해질은 프로필렌 카보네이트 중의 1M LiClO4이다.
막대는 LiCoO2로 제조되고, 판은 실리콘으로 제조된다.
실시예 21 : 복합 막대 전극
본 실시예는 복합 전극 그 자체인 막대 전극을 기술한다. 예를 들어, 도 14에 도시된 구체예를 참조하면, 막대 전극은 집전체 재료, 예컨대 알루미늄의 코어를 지닌다. 집전체를 둘러싸는 것은 예를 들어, 0.1 mm 두께의 LiCoO2 층이다. LiCoO2 층을 둘러싸는 것은 예를 들어, 0.2 mm 두께의 PE 또는 PP 또는 Celgard 층이다. 상기 층을 둘러싸는 것은 예를 들어, 0.10 mm 두께의 Si 층이다. Si 층을 둘러싸는 것은 예를 들어, 0. 01 mm 구리로 된 층이 제 2 집전체이다. 제 2 집전체를 둘러싸는 것은 예를 들어, 0.01 mm 두께의 Si 층이다.
이러한 실시예에서, 3차원 전극 어레이는 각각 두께가 0.2 mm(임의로, 중간부에서는 0.01 mm 두께의 Al 집전체를 지님)이고, 길이 및 폭이 7.5 mm x 7.5 mm 인, 30개의 LiCoO2의 평행판을 포함한다.
본 실시예의 풋프린트 면적은 통상적인 디자인보다 41배 더 작으며, 이는 소형 전자 장치, MEMS, 및 바이오메디컬 장치에 대해 이상적이게 되게 한다.
본 실시예에서의 디자인의 용량은 통상적인 디자인보다 훨씬 더 작은, 통상적인 디자인의 용량의 약 0.67 배이다.
평판 전극 및 막대 전극의 표면적은 각각 통상적인 디자인으로부터 증가된 각각 1.52 및 1.02 배이다.
참고문헌
US 특허 7,553,584, 528,647, 3,168,458, 4,346,152, 4,871,428, 4,981,672, 6,781,817, 7,618,748, 5,089,455, 5,510,209, 4,786,567, 4,041,211.
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국제 특허 출원 공개 WO 2008/019398, WO 2010/0057579, WO 1997/006569, WO 2008/049040, WO 2008/153749, WO 2010/062391.
http://www.liquicel.com/uploads/documents/Membrane%20Contactors %20-%20An%20Introduction%20To%20The%20Technology.pdf
Journal of The Electrochemical Society, 157, 1, A50-A54 (2010).
참고문헌 및 변형예에 의한 통합에 관한 진술
본 출원 전반에서 모든 참고문헌, 예를 들어, 공고 또는 등록 특허 또는 등가물; 특허 출원 공개 문헌; 및 비특허 문헌 서류 또는 그 밖의 공급물을 포함하는 특허 문헌은, 각 참고문헌이 적어도 부분적으로 본 출원에서의 기재에 부합하는 것과 같이 그 전체 내용이 본원에 참고로 포함된다(예를 들어, 부분적으로 부합하지 않는 참고문헌은 참고문헌의 부분적으로 부합하지 않는 부분을 제외하고 참조로 포함된다).
명세서에서 언급된 특허 및 공개문헌은 본 발명이 속하는 당해 기술자들의 기술 수준을 보여준다. 본원에서 인용된 참고문헌은 일부 경우에는 그것들의 출원일으로서 기술 상태를 나타내기 위해, 그 전부가 본원에 참고로 포함되며, 이러한 정보는 종래 기술에 있는 특정 구체예를 제외시키기 위해(예를 들어, 권리 포기를 위해) 본원에서 필요에 따라 사용되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 화합물이 청구되는 경우, 본원에 기재된 참고문헌(특히 참조된 특허 문헌)에 개시되어 있는 특정 화합물을 포함하는 종래 기술에서 공지된 화합물은 특허청구범위에 포함되지 않는 것으로 의도되는 것으로 이해해야 한다.
치환체의 그룹이 본원에 기술되는 경우, 그러한 그룹의 모든 개개의 일원 및 치환체를 사용하여 형성될 수 있는 모든 서브그룹 및 부류가 개별적으로 기술되는 것으로 이해해야 한다. 마쿠시 그룹 또는 그 밖의 그룹이 본원에서 사용되는 경우, 그러한 그룹의 모든 개별 일원 및 그러한 그룹의 가능한 모든 조합 및 서브조합이 그러한 기재에 개별적으로 포함되는 것으로 의도된다. 본원에서 사용되는 "및/또는"은 "및/또는"으로 분리되어 있는 리스트의 항목 중 하나, 전부 또는 어떠한 조합을 의미하며, 예를 들어, "1 , 2 및/또는 3"은 "'1' 또는 '2' 또는 '3' 또는 '1 및 2' 또는 '1 및 3' 또는 '2 및 3' 또는 '1, 2, 및 3'"에 해당한다.
다르게 명시되지 않는 한, 기술되거나 예시된 구성요소의 모든 포뮬레이션 또는 조합이 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다. 재료의 특정 명칭은 당업자가 동이한 재료를 다르게 명명할 수 있는 것으로 알려져 있는 바, 예시적인 것으로 의도된다. 당해 기술자는 그러한 구체적으로 예시된 것들 이외에 방법, 장치 요소, 출발 재료 및 합성 방법이 과도한 실험에 대한 수단 없이 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있는 것으로 인지할 것이다. 어떠한 이러한 방법의 모든 기술-공지된 기능적 등가물, 장치 요소, 출발 재료 및 합성 방법이 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 소정 범위, 예를 들어, 온도 범위, 시간 범위 또는 조성 범위가 명세서에서 제시되는 모든 경우, 모든 중간 범위 및 서브범위, 및 제시된 범위 내에 포함되는 모든 개별 값은 그러한 기재 내에 포함되는 것으로 의도된다.
본원에서 사용되는 "포함하는(comprising)"은 "포함하는(including)" 또는 "함유하는", 또는 "특징으로 하는"과 동의어이고, 포괄적이거나 양단 개방(open-ended)이고, 추가적이거나, 비인용된 요소 또는 방법 단계를 배제시키지 않는다. 본원에서 사용되는 "구성되는"은 청구하는 요소에서 특정되지 않은 어떠한 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 본원에서 사용되는 "필수적으로 포함하는"은 특허청구범위의 기본적이고 신규한 특징에 물질적으로 영향을 미치지 않는 재료 또는 단계를 배제하지 않는다. 용어 "포함하는"에 대한 본원에서의 어떠한 서술, 특히 조성물의 성분에 대한 기술에서 또는 장치의 요소의 기술에서의 그러한 서술은 인용된 성분 또는 요소를 필수적으로 포함하거나, 그러한 성분 또는 요소로 구성된 그러한 조성물 및 방법을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 본원에서 예시적으로 기술된 본 발명은 적합하게는 어떠한 요소 또는 요소들의 부재 하에서 실시될 수 있으며, 그러한 제한 또는 제한들은 본원에서 구체적으로 기재되지 않는다.
사용된 용어 및 표현은 기재 조건에 따라, 그리고 제한을 두지 않고 사용되며, 그러한 용어 표현의 사용이 제시되거나 기재된 특징들의 어떠한 등가물 또는 이들의 일부를 제외시키려는 의도가 있는 것이 아니라, 청구되는 본 발명의 범위내에서 다양한 변경이 가능한 것으로 인지된다. 따라서, 본 발명은 바람직한 구체예 및 임의적 특징에 의해 구체적으로 기술되었지만, 본원에서 기술되는 개념의 변형 및 변경이 당업자들에 의해 참고될 수 있으며, 이러한 변형 및 변경은 첨부되는 특허청구범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것이라 간주되는 것으로 이해해야 한다.

Claims (129)

  1. 복수의 평판 전극, 복수의 막대 전극 및 추가로 전해질을 포함하는, 3차원 전극 어레이로서,
    각각의 평판 전극은 독립적으로 집전체를 포함하고, 각각의 평판 전극은 일련의 구멍을 포함하고, 평판 전극은, 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 다른 모든 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 병렬 배향으로 배열되고,
    복수의 막대 전극은 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되고, 각각의 막대 전극이 복수의 평판 전극을 통해 개별적으로 연장되도록 복수의 막대 전극이 배열되며,
    제 1 표면적이 복수의 평판 전극의 누적 표면적을 포함하고, 제 2 표면적이 각각의 구멍 어레이의 누적 표면적을 포함하고, 제 3 표면적이 각각의 복수의 막대 전극의 누적 표면적을 포함하고,
    각각의 복수의 평판 전극은 20 nm 내지 20 m 범위에 걸쳐서 선택된 하나 이상의 측면 치수 및 20 nm 내지 5 cm 범위에 걸쳐서 선택된 두께 치수를 가지고; 각각의 복수의 평판 전극 간의 간격이 10 nm 내지 5 cm 범위에 걸쳐서 선택되고; 각각의 복수의 막대 전극이 50 nm 내지 20 m 범위에 걸쳐서 선택된 길이 및 9 nm 내지 20 cm 범위에 걸쳐서 선택된 직경 또는 측면 치수를 가지고; 각각의 구멍은 10 nm 내지 20 cm 범위에 걸쳐서 선택된 직경 또는 측면 치수를 가지고;
    전해질은 다른 평판 전극 및 막대 전극으로부터 각각의 평판 전극을 분리하는, 3차원 전극 어레이.
  2. 제 1항에 있어서, 복수의 막대 전극이 복수의 평판 전극과 전기적으로 접촉하지 않는, 3차원 전극 어레이.
  3. 제 1항에 있어서, 3차원 전극 어레이가 일차 전기화학 전지, 이차 전기화학 전지, 연료 전지, 커패시터, 수퍼커패시터, 플로우 배터리(flow battery), 금속-공기 배터리 및 반고체 배터리로 이루어진 군으로부터 선택된 장치의 구성요소인, 3차원 전극 어레이.
  4. 제 1항에 있어서, 제 1 표면적에 대한 제 2 표면적의 비가 1 내지 5의 범위에 걸쳐서 선택되는, 3차원 전극 어레이.
  5. 제 1항에 있어서, 제 3 표면적에 대한 제 2 표면적의 비가 0.2 내지 5의 범위에 걸쳐서 선택되는, 3차원 전극 어레이.
  6. 제 1항에 있어서, 5 개 이상의 평판 전극 및 50 개 이상의 막대 전극을 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  7. 제 1항에 있어서, 3차원 전극 어레이가 전기화학 전지의 구성요소이고, 전기화학 전지는 일차 전지, 이차 전지, 납산 전지, 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 아연-탄소 전지, 알칼리 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈 금속 하이드라이드 전지, 산화은 전지, 나트륨 황 전지, 고체 전기화학 전지, 유체 전기화학 전지, 플로우 배터리, 연료 전지, 반고체 배터리 또는 금속-공기 배터리로 이루어진 군으로부터 선택되는, 3차원 전극 어레이.
  8. 제 1항에 있어서, 3차원 전극 어레이가 커패시터 또는 수퍼커패시터의 구성요소이고, 3차원 전극 어레이가 각각의 복수의 평판 전극과 각각의 하나 이상의 막대 전극 사이에 위치한 유전 재료를 추가로 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  9. 제 1항에 있어서, 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  10. 제 9항에 있어서, 하나 이상의 집전체가 히트 싱크(heat sink) 또는 열원(heat source)과 열소통식으로 배치되는, 3차원 전극 어레이.
  11. 제 9항에 있어서, 각각의 집전체가 히트 파이프(heat pipe)를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  12. 제 9항에 있어서, 각각의 집전체가 3차원 전극 어레이의 구조적 요소이거나, 3차원 전극 어레이에 대한 구조적 지지를 제공하는, 3차원 전극 어레이.
  13. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 열 전달 막대를 추가로 포함하고, 각각의 열 전달 막대는 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정의 길이로 연장되도록 배열되고, 하나 이상의 열 전달 막대 중 적어도 하나는 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 배치되는, 3차원 전극 어레이.
  14. 제 1항에 있어서, 각각의 구멍 표면 상에 불활성 코팅을 추가로 포함하고, 불활성 코팅은, 불활성 코팅에 의해 피복되는 위치에서의 평판 전극 구멍에서 발생하는 산화 반응 또는 환원 반응을 방지하는, 3차원 전극 어레이.
  15. 전기화학 전지의 온도를 제어하기 위한 방법으로서,
    복수의 평판 전극 및 복수의 막대 전극을 포함하는 전기 화학 전지를 제공하는 단계; 및 하나 이상의 집전체를 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 위치시키는 단계를 포함하며,
    각각의 평판 전극은 일련의 구멍을 포함하고, 평판 전극은, 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 다른 모든 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 병렬 배향으로 배열되고,
    복수의 막대 전극은 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며,
    제 1 표면적이 복수의 평판 전극의 누적 표면적을 포함하고, 제 2 표면적이 각각의 구멍 어레이의 누적 표면적을 포함하고, 제 3 표면적이 각각의 복수의 막대 전극의 누적 표면적을 포함하며,
    각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하고 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하는 방법.
  16. 전기화학 전지의 온도를 조절하기 위한 방법으로서,
    복수의 평판 전극, 복수의 막대 전극 및 하나 이상의 열전달 막대를 포함하는 전기화학 전지를 제공하는 단계; 및 하나 이상의 열전달 막대를 히트 싱크 또는 열원과 열 소통식으로 위치시키는 단계를 포함하며,
    각각의 평판 전극은 일련의 구멍을 포함하고, 평판 전극은, 개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 다른 모든 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 병렬 배향으로 배열되고,
    복수의 막대 전극이 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극은 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며,
    하나 이상의 열전달 막대는 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되며,
    제 1 표면적이 복수의 평판 전극의 누적 표면적을 포함하고, 제 2 표면적이 각각의 구멍 어레이의 누적 표면적을 포함하고, 제 3 표면적이 각각의 복수의 막대 전극의 누적 표면적을 포함하며,
    각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하거나, 각각의 복수의 평판 전극이 집전체를 포함하고 각각의 복수의 막대 전극이 집전체를 포함하는 방법.
  17. 전극 어레이를 제조하는 방법으로서,
    각각의 평판 전극이 독립적으로 집전체를 포함하고, 각각의 평판 전극이 일련의 구멍을 포함하는, 복수의 평판 전극을 제공하는 단계;
    개개의 평판 전극의 각각의 구멍이 각각의 모든 다른 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 정렬되도록 병렬 배향으로 복수의 평판 전극을 배열하는 단계;
    복수의 막대 전극을 제공하는 단계; 및
    복수의 막대 전극이 복수의 평판 전극과 물리적으로 접촉하지 않고, 각각의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되며, 각각의 막대 전극이 복수의 평판 전극을 통해 개별적으로 연장되도록 복수의 막대 전극을 배열하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 레독스 플로우 에너지 저장 장치(redox flow energy storage device)로서,
    막대 형태의 제 1 전극 집전체, 그리드(grid) 또는 교차된 바의 격자(grating of crossed bar) 형태의 제 2 전극 집전체, 상기 제 1 전극 집전체 및 제 2 전극 집전체를 분리시키는 이온 투과성 멤브레인;
    제 1 전극 집전체와 이온 투과성 멤브레인 사이에 배치된 제 1 전극; 및
    제 2 전극 집전체와 이온 투과성 멤브레인 사이에 배치된 제 2 전극을 포함하며;
    제 1 전극 집전체 및 이온 투과성 멤브레인은 제 1 전극을 수용하는 제 1 전기활성 구역의 경계이며;
    제 2 전극 집전체 및 이온 투과성 멤브레인은 제 2 전극을 수용하는 제 2 전기활성 구역의 경계이며;
    제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나 이상은 전지 작동 중에 이온을 흡수하거나 방출할 수 있는 유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 포함하며,
    제 1 전극은 양극이고, 제 1 전극 집전체는 양극 집전체이고, 제 1 전기활성 구역은 포지티브 전기활성 구역이고, 제 2 전극은 음극이고, 제 2 전극 집전체는 음극 집전체이고, 제 2 전기활성 구역은 네가티브 전기활성 구역이거나; 제 1 전극이 음극이고, 제 1 전극 집전체는 음극 집전체이고, 제 1 전기활성 구역은 네거티브 전기활성 구역이고, 제 2 전극은 양극이고, 제 2 전극 집전체는 양극 집전체이고, 제 2 전기활성 구역은 포지티브 전기활성 구역인, 레독스 플로우 에너지 저장 장치.
  19. 레독스 플로우 에너지 저장 장치를 작동시키는 방법으로서,
    제 18항의 레독스 플로우 에너지 저장 장치를 제공하는 단계; 및
    유동성 반고체 또는 농축된 액체 이온 저장 레독스 조성물을 장치의 작동 중에 전기활성 구역으로 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 천공된 평판 전극의 스택(stack) 및 일군의 막대 전극; 이온 선택적이고 전도성인 분리막에 의해, 서로 분할된 애노드액 구획 및 캐소드액 구획으로서, 애노드액 구획 내에 양극이 위치하고, 캐소드액 구획 내에 음극이 위치하는, 애노드액 구획 및 캐소드액 구획; 및 각각의 애노드액 및 캐소드액 탱크와 구획 간에 유체 소통을 제공하기 위한 각각의 펌프 및 배관을 지닌, 애노드액 및 캐소드액 탱크를 포함하는 레독스 플로우 배터리로서,
    각각의 막대 전극은 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하고; 펌프는 전해질을 탱크로, 그리고 탱크로부터 구획으로, 그리고 다시 탱크로 순환시키고, 전해질 라인에는 새로운 전해질이 첨가될 수 있는 태핑(tapping), 및 소비된 전해질이 배출될 수 있는 추가의 태핑이 구비되고, 각각의 태핑은 애노드액 및 캐소드액에 대한 것이며; 재충전시, 새로운 전해질이 첨가될 수 있는 태핑 및 소비된 전해질이 배출될 수 있는 추가의 태핑 둘 모두로의 라인에 대한 커플링을 통해, 리모트 펌프(remote pump)가 리모트 저장고로부터 새로운 애노드액 및 새로운 캐소드액을 펌핑하고, 소비된 전해질을 다른 리모트 저장고로 배출시키는, 레독스 플로우 배터리.
  21. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 막대 전극이 복합 막대 전극을 포함하고, 상기 복합 막대 전극이 막대 전극 내부 코어, 및 막대 전극 내부 코어를 둘러싸고 있는 막대 전극 외부 쉘을 포함하고, 막대 전극 내부 코어가 제 1 전극 재료를 포함하고, 막대 전극 외부 쉘이 제 1 전극 재료와 상이한 제 2 전극 재료를 포함하고, 하나 이상의 평판 전극이 제 1 전극 재료를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  22. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 평판 전극이 복합 평판 전극을 포함하고, 복합 평판 전극이 평판 전극 내층, 및 평판 전극 내층을 둘러싸는 평판 전극 외부 쉘을 포함하고, 평판 전극 내층이 제 1 전극 재료를 포함하고, 평판 전극 외부 쉘이 제 1 전극 재료와 상이한 제 2 전극 재료를 포함하고, 하나 이상의 막대 전극이 제 1 전극 재료를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  23. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 막대 전극이 일군의 막대 전극을 포함하며, 일군의 막대 전극은, 일군의 막대 전극이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되는, 3차원 전극 어레이.
  24. 제 1항에 있어서, 3차원 전극 어레이가 연료 전지의 구성요소를 포함하고, 3차원 전극 어레이가 하나 이상의 평판 전극, 하나 이상의 막대 전극, 또는 하나 이상의 평판 전극 및 하나 이상의 막대 전극 둘 모두와 접촉하여 배치되는 연료 유체를 추가적으로 포함하고, 3차원 전극 어레이가 하나 이상의 평판 전극, 하나 이상의 막대 전극, 또는 하나 이상의 평판 전극 및 하나 이상의 막대 전극 둘 모두와 접촉하여 배치되는 산소 함유 유체를 추가로 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  25. 제 1항에 있어서, 3차원 전극 어레이가 금속-공기 배터리의 구성 요소를 포함하며, 하나 이상의 막대 전극이 금속을 포함하거나, 하나 이상의 평판 전극이 금속을 포함하거나, 하나 이상의 막대 전극 및 하나 이상의 평판 전극 둘 모두가 금속을 포함하며, 3차원 전극 어레이가 하나 이상의 평판 전극, 하나 이상의 막대 전극, 또는 하나 이상의 평판 전극 및 하나 이상의 막대 전극 둘 모두와 접촉하여 배치되는 산소 함유 유체를 추가로 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  26. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 막대 전극이 다공성 막대를 포함하거나, 하나 이상의 막대 전극이 다공성 벽을 지닌 중공 막대 전극을 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  27. 제 1항에 있어서, 복수의 관을 추가로 포함하며, 복수의 관은 각각의 관이 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 소정 길이로 연장되도록 배열되고, 하나 이상의 막대 전극이 각각의 관내에 위치되는, 3차원 전극 어레이.
  28. 제 27항에 있어서, 관의 내부벽과 막대 전극의 표면 사이의 각각의 관 내 공간이 유체, 전해질, 수용액 또는 가스로 채워지는, 3차원 전극 어레이.
  29. 제 28항에 있어서, 유체, 전해질, 수용액 또는 가스가 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 흐르는, 3차원 전극 어레이.
  30. 제 27항에 있어서, 각각의 관의 외벽과 하나 이상의 구멍의 벽 사이 공간이 유체, 전해질, 수용액 또는 가스로 채워지는, 3차원 전극 어레이.
  31. 제 30항에 있어서, 유체, 전해질, 수용액 또는 가스가 각각의 평판 전극의 구멍을 통과하는 정렬축을 따라 흐르는, 3차원 전극 어레이.
  32. 제 1항에 있어서, 복수의 평판 전극이 캐소드 재료 또는 애노드 재료 중 하나를 포함하고, 복수의 막대 전극이 캐소드 재료 또는 애노드 재료 중 다른 하나를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  33. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 막대 전극이 제 1 활성 재료를 포함하고, 하나 이상의 막대 전극이 제 1 활성 재료와 상이한 제 2 활성 재료를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  34. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 평판 전극이 제 1 활성 재료를 포함하고, 하나 이상의 평판 전극이 제 1 활성 재료와 상이한 제 2 활성 재료를 포함하는, 3차원 전극 어레이.
  35. 제 9항에 있어서, 복수의 평판 전극 각각이 내부 집전체를 포함하는, 3차원 전극 어레이.

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