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KR20180027596A - 바이폴라 배터리 시일 및 열 리브 구성 - Google Patents

바이폴라 배터리 시일 및 열 리브 구성 Download PDF

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KR20180027596A
KR20180027596A KR1020187004690A KR20187004690A KR20180027596A KR 20180027596 A KR20180027596 A KR 20180027596A KR 1020187004690 A KR1020187004690 A KR 1020187004690A KR 20187004690 A KR20187004690 A KR 20187004690A KR 20180027596 A KR20180027596 A KR 20180027596A
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electrically conductive
bipolar
battery
acid battery
silicon substrate
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KR1020187004690A
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English (en)
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다니엘 제이슨 무모
콜린 콱 렁 무이
에스테반 엠. 이노호사
Original Assignee
그리드텐셜 에너지, 아이엔씨.
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Publication date
Application filed by 그리드텐셜 에너지, 아이엔씨. filed Critical 그리드텐셜 에너지, 아이엔씨.
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Abstract

예를 들면, 바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리는 전기전도성 실리콘 기판 및 이 전기전도성 실리콘 기판에 접합된 프레임을 포함할 수 있다. 이 기판은 표면 기판의 표면을 납산 전해질 화학물질의 존재 하에서 전기적으로 전도성으로 만들고, 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막을 포함하도록 처리되거나 또는 개질될 수 있다. 프레임과 전기전도성 실리콘 기판 사이의 계면은 기밀하게 실링될 수 있다. 일 실시례에서, 프레임은 에지-시일 링 구성을 제공할 수 있다. 일 실시례에서, 케이싱 어셈블리는 케이싱 세그먼트 및 열전도성 리브와 함께 기판에 접합되는 스페이서를 포함할 수 있고, 이 스페이서는 열전도성 리브를 전기전도성 실리콘 기판으로부터 전기적으로 절연시킨다.

Description

바이폴라 배터리 시일 및 열 리브 구성
우선권 주장
본 특허 출원은 (1) Moomaw 등의 2015년 7월 15일에 출원된 "웨이퍼 접합을 이용한 배터리 시일"이라는 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/192,760(대리인 관리 번호 3601.019PRV); (2) Moomaw 등의 2015년 9월 25일에 출원된 "열전도성 리브를 갖는 바이폴라 배터리"라는 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/232,764(대리인 관리 번호 3601.020PRV); 및 (3) Moomaw 등의 2016년 2월 25일에 출원된 "바이폴라 배터리용 실리콘 집전기"라는 명칭의 미국 가특허 출원번호 62/299,877(대리인 관리 번호 3601.019PV2)의 각각의 우선권의 이익을 주장하며, 이들 각각은 전체가 원용에 의해 본원에 포함된다.
바이폴라 배터리는, 예를 들면, 바이폴라 배터리를 많은 현재의 에너지를 소비하는 적용분야에 잘 적합되도록 하는 것과 같은, 모노폴라 구조의 배터리에 비해 구조의 단순성 및 성능의 우수성을 제공할 수 있다. 일반적으로 바이폴라 배터리는 직렬로 접속되는 배터리 셀들을 포함한다. 예를 들면, 각각의 셀은 일반적으로 2 개의 전극, 양의 활성 물질, 음의 활성 물질, 전해질 리저버, 및 케이싱 또는 패키지를 포함한다. 이 바이폴라는 용어는, 양의 활성 재료가 바이폴의 하나의 표면 상에 위치되고, 음의 활성 재료가 반대면 상에 위치되도록, 일반적으로 "바이폴(bipole)" 또는 "바이플레이트(biplate)"로 지칭될 수 있는 집전기 어셈블리가 배터리 내에 위치되는 구성을 의미한다. 전류는 바이폴 기판의 단면을 통해 제 1 표면 상의 하나의 활성 재료층으로부터 반대면의 다른 층으로 균일하게 흐를 수 있다. 일반적으로 전류 경로는 전해질 리저버를 통해 다른 바이폴-활성 재료 어셈블리 또는 단부 전극으로의 경로를 포함한다. 직렬 접속된 바이폴의 수는 배터리의 총 전압을 결정한다. 일반적으로 직렬 접속된 바이폴 스택의 단부는 각각 모노폴을 포함하며, 예를 들면, 스택의 제 1 단부에 하나의 양의 단부 전극을 갖고, 스택의 반대 단부에 음의 단부 전극을 갖는다. 이러한 단부 전극 모노폴의 외향면은 배터리 단자를 위한 전기 접속부를 제공할 수 있다.
일 실시례에서, 예를 들면, 바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리는 전기전도성 실리콘 기판 및 이 전기전도성 실리콘 기판에 접합된 프레임을 포함할 수 있다. 전기전도성 실리콘 기판은 납산 전해질 화학물질의 존재 하에서 전기전도성 실리콘 기판의 표면을 전기전도성으로 만들고 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막을 포함할 수 있다. 프레임과 전기전도성 실리콘 기판 사이의 계면은 기밀하게 실링된다. 일 실시례에서, 케이싱 세그먼트와 열전도성 리브(rib)는 집전기 어셈블리의 일부로서 포함될 수 있고, 열전도성 리브는 케이싱 세그먼트와 프레임에 접합된다. 프레임은 열전도성 리브를 전기전도성 실리콘 기판으로부터 전기적으로 절연시키는 스페이서를 형성할 수 있다.
본 요약은 본 특허 출원의 요지의 개요를 제공하기 위한 것이다. 이것은 본 발명의 배타적이거나 포괄적인 설명을 제공하기 위한 것이 아니다. 상세한 설명은 본 특허출원에 대한 추가의 정보를 제공하기 위해 포함된다.
반드시 축적에 따라 작도되지는 않은 도면에서, 상이한 도면에서의 동일한 번호는 유사한 구성요소를 나타낼 수 있다. 상이한 첨자를 갖는 동일한 번호는 유사한 부품의 상이한 예를 나타낼 수 있다. 일반적으로 도면은 본 문헌에서 논의되는 다양한 실시형태를 일예로서, 그러나 비제한적으로 도시한다.
도 1은 바이폴라 배터리 구조를 포함하는 일 실시례를 개략적으로 도시한다.
도 2는, 예를 들면, 바이폴라 배터리 어셈블리의 일부로서 포함될 수 있는 바이폴라 배터리 플레이트를 포함하는 일 실시례의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 도 3b는 지지 프레임을 포함하는 바이폴라 배터리 집전기(예를 들면, "바이플레이트")의 적어도 일부의 사시도(도 3a) 및 단면도(도 3b)를 포함하는 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 바이폴라 집전기를 넘어 연장되는 링(ring)을 갖는 지지 프레임을 포함하는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리의 적어도 일부의 사시도(도 4a) 및 단면도(도 4b)를 포함하는 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리를 제조하는 단계를 포함할 수 있는 방법과 같은 기법을 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 평면도(도 6a) 및 단면도(도 6b)를 포함하는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리를 제조하는 단계를 포함할 수 있는 방법과 같은 기법을 개략적으로 도시한다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는, 예를 들면, 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리의 일부로서 사용하기 위한 전도성 실리콘 기판에 적용되는 다양한 금속 규화물 재료층의 사입사(glancing incidence) X선 회절(XRD) 스펙트럼을 개략적으로 도시한다.
도 8a, 도 8b, 도 8c, 및 도 8d는, 예를 들면, 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리의 일부로서 사용하기 위한 전도성 실리콘 기판에 적용되는 다양한 금속 규화물 재료층의 사이클릭 볼타메트리 스펙트럼을 개략적으로 도시한다.
도 9는, 예를 들면, 바이폴라 배터리에서 사용하기 위한 집전기 어셈블리의 일부 또는 전부의 주위에 배치될 수 있는 열전도성 리브의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 10은, 예를 들면, 열전도성 리브를 포함할 수 있는 케이싱 구성의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 11은, 예를 들면, 본 명세서의 다른 실시례와 관련하여 도시되고 기술된 바와 같은 케이싱 구성을 포함할 수 있는 바이폴라 배터리 어셈블리의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 12는, 예를 들면, 단자 영역에 인접한 배터리 어셈블리의 일부의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 13은, 예를 들면, 도 9의 실시례와 비교하여 증가된 외향면을 갖는 열전도성 리브의 다른 실시례의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 14는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리를 제조하는 단계를 포함할 수 있는 방법과 같은 기법을 개략적으로 도시한다.
비교적 간단하고 저렴한 비용에도 불구하고, 일반적으로 이용가능한 납산 배터리 기술은 몇가지 결점을 가질 수 있다. 예를 들면, 일반적으로 이용가능한 납산 배터리는 일반적으로 에너지 저장 용량에 기여하지 않으므로 낮은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 또한, 납산 배터리의 사이클링 성능은 종종 높은-전류율 또는 심한 방전 조건 하에서 불량할 수 있다. 납산 배터리는 또한 부분 충전상태 성능이 부족할 수 있고, 높은 자가방전율을 가질 수 있다. 이러한 성능 특성은 적어도 부분적으로 일반적으로 이용가능한 납산 배터리의 구성으로 소급될 수 있고, 사용된 재료에 관련될 수 있다.
부착된 플레이트의 다양한 위치에서 생성되는 전기화학적 전류가, 예를 들면, 전류 밀도의 불균일한 분포와 관련되거나 또는 그로 인해 악화되는, 그리드를 가로질러 전류 접속 탭으로 흐르므로 납산 배터리 집전기 그리드 내에서 저항 강하가 발생될 수 있다. 이러한 효과는 배터리가 높은 전류율로 충전 및 방전되는 경우나 또는 배터리가 심한 방전 상태에 있는 경우에 두드러질 수 있다. 일반적으로 이러한 불균일한 전류 밀도 분포는 페이스트 내의 설페이트 결정 형성에 기인된 비가역적인 용량 손실을 일반적으로 지칭하는 "황산화" 및 밀도가 더 높은 전해질이 배터리 케이싱의 저면으로 침전될 수 있는 "층상화"를 포함하는 특정한 기능불량 메커니즘을 가속시킨다.
일반적으로 집전기 그리드는, 예를 들면, 전기화학적 특성에 영향을 주지 않고 기계적 특성을 향상시키기 위해 납 합금 내에 의도적으로 도입되는 원소를 포함한다. 그러나, 많은 미량원소는 납합금 그리드와 화합물을 형성할 수 있거나, 또는 배터리 작동 중에 부반응을 촉진시킬 수 있다. 부반응은 충전 및 방전의 전기화학 반응과 경합하므로, 배터리 작동 중에 낮은 효율, 높은 자가방전 및 빈약한 부분 충전상태와 같은 "증상"이 나타난다.
전통적인 납산 배터리는 종종 "모노폴라" 구성에 따라 구성된다. 모노폴라 구성에서, 일반적으로 셀들은 셀 용량을 배가시키기 위해 전기적으로 병렬로 배치되며, 모노폴라 플레이트의 표면에 평행한 방향으로 주요 전류 흐름이 발생한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 일반적으로 이용가능한 납산 기술은 그 모노폴라 구성에 관련된, 그리고 집전기 그리그에서 일반적으로 사용되는 재료에 관련된 여러 가지 단점을 갖는다. 대조적으로, "바이폴라" 구조는 모노폴라 구성에 비해 향상된 성능을 제공하기 위해 상이한 기계적 구성을 포함할 수 있고, 상이한 재료의 조합을 이용할 수 있다.
바이폴라 구성에서, 일반적으로 셀들은 특정 셀 전압을 발생시키기 위해 전기적으로 직렬로 배치되며, 전류는 일반적으로 바이폴라 플레이트의 표면에 수직으로 (예를 들면, 하나의 표면으로부터 반대면으로 바이폴라 플레이트를 횡단하여) 흐른다. 바이폴라 배터리의 제조는 다양한 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 바이폴라 집전기는 기판 재료로 제조될 수 있다. 바이폴라 플레이트를 제공하기 위해 바이폴라 집전기의 양면 상에 양극성 및 음극성 활성 재료가 제공될 수 있다.
예를 들면, 서로로부터 실링된 셀 구획실을 제공하기 위해 세퍼레이터를 포함하거나 배열한 바이폴라 플레이트가 압축 및 적층될 수 있다. 이러한 셀 구획실은 전해질로 채워질 수 있고, 이를 통해 캐소드 및 애노드 재료를 활성화시키는 배터리 스택이 형성된다. 바이폴라 구성에서, 집전기 기판 자체는 셀간 전기 접속을 제공할 수 있다. 예를 들면, 바이폴라 집전기의 하나의 표면은 하나의 셀 구획실에 대해 애노드를 제공할 수 있고, 다음 셀의 캐소드는 바이폴라 집전기의 반대측 면에 의해 제공될 수 있다. 바이폴라 납산 기술 설계 및 재료는 일반적으로 이용가능한 납산 기술의 다양한 결점을 완화시킬 수 있다. 예를 들면, 이 집전기를 통해 전류가 흐를 때, 전류 밀도 분포는 일반적으로 집전기의 크기 및 형상에 독립적일 수 있다. 따라서 이러한 전류 밀도는 모노폴라 구성에 비해 고율의 방전 및 심한 방전 작동 중에 감소된다.
바이폴라 집전기에 사용되는 재료는 집전기 그리드의 경우와 같이 납 합금으로 제한되지 않으므로 바이폴라 집전기의 기판 재 료는 기계적 목적 및 전기화학적 목적의 모두를 충족하도록 특정될 수 있다. 예를 들면, 집전기는 각각의 셀 구획실을 절연시키기 위해 에지-실링(edge-sealing)될 수 있고, 이를 통해 기계적 강도 요구사항은 모노폴라 배터리용 납 합금 그리드에서 사용되는 것에 비해 덜 엄격하다. 예를 들면, 모노폴라 구성에서, 집전기의 전체 질량은 일반적으로 전류 탭에 의해 지지된다. 에지 시일을 갖는 바이폴라 구성에서는 이러한 전류 탭에 의한 지지가 요구되지 않는다.
도 1은 바이폴라 배터리 구조의 일 실시례를 개략적으로 도시한다. 배터리 팩(202)은 바이폴라 플레이트(121A, 121B, 121C)와 같은 하나 이상의 바이폴라 배터리 플레이트를 포함할 수 있다. 이 바이폴라 플레이트(121A, 121B, 또는 121C)는 본 명세서의 다른 실시례에서 도시되고 설명된 바와 같이 플레이트 어셈블리의 하나 이상의 면 상에 규화물 층과 같은 하나 이상의 박막층을 포함할 수 있다.
도 1에서와 같이, 제 1 단자(130A)는 제 1 극성을 제공할 수 있고, 제 2 단자(130B)는 반대의 제 2 극성을 제공할 수 있다. 바이폴라 플레이트는, 예를 들면, 실링된 셀을 형성하기 위해 영역(116a, 116b)에서 전해질로 샌드위치될 수 있다. 일 실시례에서, 영역(116a)에서 전해질은 전해질 영역(116b)과 같은 인접한 영역으로 바이폴라 플레이트(121A)를 우회할 수 없도록, 또는 팩(202)으로부터 전해질의 누출을 억제하도록 유체적으로 격리되거나 및/또는 기밀하게 실링될 수 있다. 프레임 또는 에지-시일 링은 다른 실시례에 도시되고 기술된 바와 같이 플레이트 어셈블리를 기계적으로 보강하거나 및/또는 실링 작용을 제공하는 것에 포함될 수 있다. 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 셀들은 직렬 구성으로 배치될 수 있다. 셀들은 정렬되어 스택(131A)을 형성할 수 있다.
바이폴라 구조에서, 집전기(예를 들면, 바이폴라 플레이트(121A)의 일부로서 포함되는 실리콘 기판(104))은 하나의 셀의 음의 전극 및 다음 셀의 양의 전극 사이에 공유될 수 있다. 제 1 버스(124a)는 각각의 스택(131A-131N) 내의 제 1 전극에 접속될 수 있고, 제 2 버스(124b)는 각각의 스택(131A-131N) 내의 반대측 전극에 접속될 수 있다. 스택(131A-131N)은 각각 화살표로 도시된 바와 같이 전도성 실리콘 기판의 벌크를 통해 직렬 접속을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 스택(131A-131N)의 외부의 상호연결 버스의 총 수는 모노폴라 플레이트를 사용하는 구조에 비해 감소될 수 있다.
하나 이상의 스택(131A-131N)을 상호연결하는 다른 구성이 사용될 수 있다. 예를 들면, 바이폴라 스택(131A-131N)은 더 낮은 전압 용도로, 예를 들면, 더 낮은 전압 배터리 팩을 조립하기 위해 병렬로 접속될 수 있다. 대안적으로, 많은 셀들을 구비하는 단일의 바이폴라 스택은 더 높은-전압 팩을 형성할 수 있다. 납-산 실시례에서, 단일의 셀 전압은 약 2.1V일 수 있다.
도 1의 바이폴라 구성은 모노폴라 구성에 비해 이점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 바이폴라 구성은 모노폴라 배터리 내의 병렬 셀들의 작동을 조절하기 위한 전기 회로 및 제어 시스템이 제거될 수 있으므로 더 간단해질 수 있다. 다른 예로서, 바이폴라 플레이트(121A)의 전부 또는 거의 전부가 배터리 내부에서 전기 전도를 위해 사용될 수 있으므로, 대응하는 모노폴라 배터리 어셈블리에 필적하는 질량의 바이폴라 배터리 어셈블리를 사용하여 더 높은 전류 밀도 및 이에 따라 더 높은 전력이 전달될 수 있다. 다른 예로서, 일반적으로 납 금속 그리드는 바이폴라 납산 배터리 구성에서 집전기로서 사용되지 않으므로 집전기를 위한 더 강하고 더 가벼운 기판 재료는 배터리의 에너지 밀도를 상당히 향상시킬 수 있다.
전기 전도에 더하여, 일반적으로 바이폴라 집전기 기판은 배터리 내부의 인접한 셀들 사이에서 전해질을 격리시키고, 일반적으로 집전기에 사용되는 재료는 배터리의 수명의 전체에 걸쳐 전해질(예를 들면, H2SO4)에 침지되거나 둘러싸여 있을 때 부식을 억제하도록 특정된다. 전기적으로, 집전기 기판은 높은 전자 전도율을 포함하도록, 그러나 전해질의 셀간 통과-확산을 단절시키는 집전기로서 작용하도록 낮은 이온 전도율을 포함하도록 특정될 수 있다. 화학적으로, 기판은 H2SO4부식에 저항하도록 특정될 수 있고, 그 표면은 H2SO4에서의 부동태화에 대해 불활성이도록 특정될 수 있다. 이러한 부동태화로 인해 집전기는 비전도성이 될 수 있다.
전기화학적으로, 일반적으로 집전기 표면은 배터리의 충전 및 방전 전기화학 반응에 비해 더 넓고 더 안정한 전위 영역을 가지도록 특정될 수 있다. 특히, 납산 화학물질의 실시례에서, 캐소드 및 애노드 표면은 일반적으로 PbO2및 Pb에 대한 것보다 각각 더 높은 산소 및 수소 발생 과도-전위(over-potential)를 갖도록 특정되며, 이 과도-전위는 배터리의 수명의 전체에 걸쳐 비교적 안정하도록 특정된다. 높은 과도-전위는 전극에서의 물의 전기분해 부반응에 기인된 가스 발생을 감소시키거나 최소화시키는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 부반응은 배터리의 쿨롱 효율 감소, 활성 재료 손실, 용량 소실, 또는 조기 고장 중 하나 이상을 초래할 수 있다.
바이폴라 납산 배터리용 기판 재료를 개발하려는 이전의 시도는 여러 가지 장애를 겪는다. 비록 납 금속이 사용될 수 있으나, 납은 비교적 연질의 금속이고, H2SO4중에서 부식된다. 대부분의 다른 금속도 전자적으로 전도성이지만 H2SO4중에서 부식되거나 또는 부동태화된다. 복합 재료는 매우 다양한 조성 및 특성 옵션을 가짐에도 불구하고 종종 낮은 전자 전도율 또는 높은 이온 전도율 중 하나 이상을 겪는다.
본 발명자들은 특히 실리콘, 예를 들면, 기판이 바이폴라 납산 배터리의 집전기용으로 사용될 수 있음을 인식하였다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼는 다양한 크기와 형상으로 쉽게 이용할 수 있고, 다양한 산업에서 널리 사용된다. 단결정질 또는 다결정질 실리콘은 일반적으로 H2SO4에 영향을 받지 않으며, 특정의 전도율을 얻기 위해 도핑될 수 있다. 실리콘 표면 상에 절연성 산화물이 형성될 수 있으나, 원하는 화학적 및 전기화학적 표면 특성을 제공하기 위해 다양한 표면 개질 공정이 이용될 수 있다. 예를 들면, 표면 상에 피복된 금속 박막을 어닐링함으로써 실리콘 표면 상에 금속 규화물이 형성될 수 있다. 금속 규화물은 일반적으로 실리콘과 낮은 저항률의 저항 접촉을 형성하고, 하부의 실리콘을 산화 또는 부동태화로부터 보호하고, 표면의 전기화학적 안정 영역을 연장시킨다. 활성 재료 접착에 대한 표면 특성을 향상시키기 위해 규화물 형성 후에 피복된 하나 이상의 박막과 같은 하나 이상의 박막이 기판 상에 피복될 수 있다.
도 2는, 예를 들면, 바이폴라 배터리 어셈블리(200)의 일부로서 포함될 수 있는, 바이폴라 배터리 플레이트(121A)를 포함하는 실시례의 단면도를 개략적으로 도시한다. 제 1 바이폴라 배터리 플레이트(121A)는 집전기로서 강성의 전도성 실리콘 기판(104)를 포함할 수 있다. 이 실리콘 기판(104)은, 예를 들면, 얇은 웨이퍼를 포함하는, 원형, 절단형, 정사각형, 또는 직사각형 구성을 포함할 수 있다. 실리콘 기판(104)은 반도체 등급, 솔라(solar) 등급, 또는 야금학 등급의 실리콘을 포함할 수 있고, 실리콘 기판(104)은 단결정질일 필요가 없다. 실리콘 기판(104)은, 예를 들면, 본 문헌의 다른 부분의 다른 상세한 실시형태에서 도시 및 설명된 바와 같이, 기판(104)의 벌크 전도율을 향상시키기 위해, 하나 이상의 도펀트 또는 불순물을 포함할 수 있다.
바이폴라 배터리 플레이트(121A)는 전도성 실리콘 웨이퍼(104)의 제 1 표면에 또는 그 부근에 위치된 저항 접촉층(106a) 및 접착층(108a) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기계적 지지체(110A)의 제조 중에 또는 제조 후에 지지되는, 예를 들면, 제 1 극성을 포함하는, 활성 재료(112A)가 플레이트(121A) 상에 적용되거나 피복될 수 있다. 제 2 저항 접촉층(106b)이 제 1 표면의 반대측의 전도성 실리콘 웨이퍼(104)의 제 2 표면 상에 포함될 수 있다. 제 2 저항 접촉층(106b)은, 예를 들면, 배터리 어셈블리의 다른 부분에 접속하기 위한 전극을 제공하기 위해, 또는 내부식성 층을 제공하기 위해, 또는 전도성 실리콘 웨이퍼(104)의 제 1 표면과 유사한 적층을 갖는 거울상 구성을 제공하기 위해, 제 1 저항 접촉층(106a)과 동일한 재료 또는 상이한 재료를 포함할 수 있다. 제 2 접착층(108b)이 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 제 1 활성 재료(112A)와 반대의 극성을 갖는 제 2 활성 재료(112B)가 포함될 수 있다. 본 명세서의 다른 부분에 기술된 하나 이상의 기법을 이용하여, 예를 들면, 순차적으로 또는 동시적으로 어닐링된 규화물 층을 포함하는 제 1 접촉층(106a) 및 제 2 접촉층(106b)이 형성될 수 있다.
제 1 전해질 영역(116a)은 배터리 플레이트(121A)를 인접한 배터리 플레이트(121C)로부터 분리시킬 수 있고, 제 2 전해질 영역(116b)은 배터리 플레이트(121A)를 다른 인접한 배터리 플레이트(121B)로부터 분리시킬 수 있다. 전해질 영역(116a, 116b)은, 예를 들면, 배터리 플레이트들 사이의 특정된 분리를 유지하는 것을 보조하기 위해 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 전해질 영역(116a, 116b)은 전도성 실리콘 기판(104)의 벌크를 통해 직렬로 전도가 발생될 수 있도록 일반적으로 서로 유체적으로 격리되어 있다.
제 1 활성 재료(112A) 및 제 2 활성 재료(112B)는, 예를 들면, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 바이폴라 플레이트(121A)의 양면 상에 위치된(예를 들면, 형성되거나 피복된), 각각의 양의 활성 재료 및 음의 활성 재료를 포함할 수 있다. 실리콘 웨이퍼 기판에 가해지는 표면 개질 공정은 캐소드 및 애노드의 전기화학물질과 호환될 수 있는 표면을 제공하도록 특정될 수 있다. 그러나, 일부의 구성에서, 바이폴라 기판의 양면에 대해 상이한 표면 개질이 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명자들은 또한, 예를 들면, 애노드측 대 캐소드측에 대응하는 각각의 (예를 들면, 상이한) 표면 개질을 이용하여 기판(104)의 캐소드측과 애노드측의 표면의 화학적 및 전기화학적 특성을 조절하는 것이 유리할 수 있다는 것을 인식하였다
기판(104)의 양면 상에 상이한 금속 규화물을 형성하기 위해, 다수의 방법이 이용될 수 있다. 하나의 방법에서, 금속막이 일면 상에 피복될 수 있고, 다음에 기판의 타면 상에 제 2 금속막이 피복될 수 있다. 다음에 기판은 둘 모두의 금속막을 금속 규화물로 전환시키기 위해 어닐링될 수 있다. 그러나, 상이한 금속 규화물은 상이한 소결(전환) 온도를 가질 수 있고, 캐소드 및 애노드 용도에 바람직한 전기화학적 특성을 갖는 2 개의 상이한 규화물을 동일한 온도에서 어닐링하는 것은 불가능할 수 있다. 이러한 실시례에서, 더 고온에서 안정한 더 높은 소결 온도를 갖는 금속은 실리콘 기판(104)의 일면 상에 피복될 수 있고, 제 1 금속 규화물을 형성하도록 어닐링될 수 있다. 다음에 기판(104)의 반대측 면 상에는 제 2 금속이 피복될 수 있고, 기판(104)은 제 1 규화물이 안정한 더 낮은 소결 온도로 어닐링되어 제 2 규화물을 형성할 수 있다.
유사하게, 각각의 (예를 들면, 상이한) 막 스택이 바이폴라 기판의 반대측 면 상에 피복되어 바이폴라 플레이트(121A)의 양면 상이 양의 활성 재료 및 음의 활성 재료의 접착을 향상시킬 수 있다. 바이폴라 납산 배터리를 조립하기 위해, 셀들이 도 1의 바이폴라 스택 및 도 2의 실시예에서 예시적으로 도시된 바와 같은 직렬 구성이 되도록, 개질된 실리콘 집전기 기판이 양의 활성 재료 및 음의 활성 재료로 제조될 수 있고, 개별 셀들을 격리시키도록 실링될 수 있고, 세퍼레이터로 적층될 수 있고, 전해질로 채워질 수 있다.
예를 들면, 웨이퍼 접합을 사용하여 제조될 수 있고, 예를 들면, 에지 시일을 포함할 수 있는 바이폴라 집전기 어셈블리
바이폴라 배터리 어셈블리, 특히 누출될 수 있거나 흐를 수 있는 전해질을 사용하는 어셈블리에서, 개별의 바이폴은 성능을 파괴하는 전기 단락을 방지하기 위해 케이싱 프레임 내로 기밀하게 실링될 수 있다. 단락에 대한 이러한 성향의 결과로서, 바이폴라 배터리 어셈블리의 패키징 구성은 모노폴라 배터리 어셈블리와 같은 다른 구성보다 중요성을 갖는다. 일반적으로, 각각의 바이폴과 더 큰 케이싱 사이의 시일 또는 기타 접합은 견고하고 결함이 없도록 구성되며, 또한 반복가능하게 제조될 수 있도록 구성된다.
일반적으로, 바이폴라 배터리 구성은 다른 배터리 기술에 비해 높은 배터리 출력 전압을 통해 출력 전력을 전달한다. 이러한 더 큰 전압은 유체적으로 격리된 것과 같이 서로로부터 절연되어 유지되는 전해질 영역을 형성하는 셀의 스택에 의해 발생될 수 있다. 본 발명자들은 셀의 수가 증가함에 따라 이러한 절연을 유지하는 것이 제조 환경 하에서 매우 곤란할 수 있다는 것을 인식하였다. 이는 견고한 절연이 결핍된 다른 바이폴라 배터리 구성의 경우에 고장 모드였다. 특히 바이플레이트가 케이싱과 현저히 상이한 재료로 제조되는 경우에 어려움이 발생될 수 있다. 일반적으로, 케이싱 프레임(예를 들면, 케이싱 "세그먼트")은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 또는 또 다른 재료와 같은 열가소성 재료로 형성될 수 있다. 이러한 재료의 낮은 용융 온도는 바이플레이트가 금속 또는 세라믹 블렌드로 제조될 수 있으므로 바이폴라 배터리에 대해 사용가능한 실링 방법을 제한할 수 있다. 따라서, 바이플레이트 어셈블리를 형성하는 재료 또는 재료들에 비해 케이싱 재료의 용융 온도가 크게 상이한 경우에 다양한 용접 공정 또는 용융 공정을 이용할 수 없다.
하나의 방법에서, 이러한 시일을 제공하기 위해 개스킷이 사용될 수 있다. 이러한 개스킷은 다른 산업 분야에서 사용하기 위해 입수할 수 있으며, 고무 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 일반적으로 쉽게 입수할 수 있는 비부식성 재료로 제조된다. 충분한 압축을 통해, 이러한 재료를 사용하면 신뢰할 수 있는 시일을 얻는 것이 가능하다. 그러나, 배터리 어셈블리의 수명에 걸에 일관된 압축 수준을 유지하기가 어렵고, 대형 배터리 스택의 경우에 개스킷은, 예를 들면, 개스킷 내의 변동으로 인해 유발되는 제조 변동으로 인해 상이하게 압축될 수 있다. 더욱이, 예를 들면, 바이폴과 개스킷 사이에서 발생될 수 있는 미세공극을 방지하기 위해 일반적으로 신중하게 표면을 준비해야 한다. 이러한 공극은 셀들 사이에 원하지 않는 이온 전도율을 허용할 수 있다.
다른 방법에서, 개스킷 기반의 방법 대신 다양한 유형의 접착제가 사용될 수 있다. 이러한 접착제는, 예를 들면, 에폭시를 포함할 수 있다. 접착제는 그 초기의 액체 형태가, 적어도 이론 상으로는, 바이폴 또는 패키징 프레임 내의 임의의 공극 또는 기타 불규칙성을 충진하여 이온 누출의 가능성을 크게 줄이므로 매력적인 선택지이다. 더욱이, 접착제 분배 장비는 일반적으로 입수될 수 있으며, 특정 접착제의 반복가능한 적용의 자동화를 제공할 수 있고, 다른 방법에 비해 높은 제조 처리능력을 촉진할 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, 본 발명자들은 또한 이러한 자동화가 압축 시에 에폭시 접착제 비드의 일관성을 거의 향상시키지 않는다는 것을 인식하였다. 공극 및 공기 포켓은 여전히 경화 공정 중에 용이하게 형성될 수 있으며, 이러한 결함은 바이플레이트의 전도성 기판을 우회하여(예를 들면, 원하지 않는 전기 단락 회로를 생성하여) 바이플레이트의 반대측 면으로 전해질의 누출을 허용할 수 있다. 접착제는 또한 비교적 고가인 경향이 있고, 접착제의 작업 수명은 조립을 위해 이용할 수 있는 시간을 제한할 수 있다. 예를 들면, 고전압 스택의 어셈블리는 접착제 기반의 시일 구성을 사용하는 경우에 문제가 될 수 있다. 화학적 부식은, 예를 들면, 장기화된 노출 시에 접착제 기반의 시일을 점진적으로 열화시킬 수 있다. 이로 인해 단순히 디바이스의 노화에 기인된 시일 파단의 가능성이 발생된다. 접착제는 액체 형태로 도포되므로 흐르는 경향이 있다. 예를 들면, 접착제는 통상적으로 압축 중에 접합부 자체로부터 주변으로 밀려나온다. 이로 인해 시판 제품으로 허용불가능한 시각적으로 매력없는 시일이 얻어질 수 있다.
또 다른 방법에서, 바이플레이트용으로 세라믹-플라스틱 구성이 사용될 수 있다. 바이플레이트를 케이싱에 융합시키기 위해 유도 용접 공정이 이용될 수 있다. 예를 들면, 조립 중에 세라믹-플라스틱 바이폴과 케이싱 프레임 요소 사이에 금속 와이어가 위치될 수 있다. 케이싱 프레임 요소와 바이폴을 포함하는 배터리 스택은 압축되고, 유도 체임버 또는 유도 코일 내에 배치될 수 있다. 외부의 유도 코일에 급전함으로써, 어셈블리 내에 배치된 금속 와이어 내에 열을 유도하는 자기장이 발생된다. 이 열로 인해 주변의 프레임 재료가 용융되어 기밀성 시일을 생성한다. 유도 용접은 신뢰할 수 있는 시일을 생성하는데 이용될 수 있는 일반적으로 이용가능한 용접 기법이다. 그러나, 특수 장비는 고가일 수 있고, 와이어의 금속은 특수화될 수 있고, 예를 들면, 오염으로부터 보호하기 위해 배터리 화학물질과의 호환성을 위해 특정될 수 있다. 더욱이, 유도 용접은 일반적으로 많은 가능한 고장 모드을 가진 더 복잡한 바이폴 재료 매트릭스의 사용을 포함한다. 따라서, 견고한 시일을 갖는 바이폴라 배터리 어셈블리의 제조에 대한 제조가능성은 심각한 난제로 남아있다. 실험실 규모에서 강한 시일이 제공될 수 있으나, 이러한 방법을 대규모 조립으로 확장하려고 시도하는 경우에 다양한 방법이 실패한다.
전술한 바와 같이, 본 발명자들은, 특히 바이폴라 구성이, 이를 테면, 기판 재료 선택 및 구성, 예를 들면, 신뢰성을 제공하기 위한 셀간 시일 구성, 및 열관리 중 하나 이상에 관련되는 난제를 제공할 수 있다는 것을 인식하였다. 일례로서, 기판 재료는 셀간 접속용 전기전도성 매체를 제공하도록 특정될 수 있고, 셀간 누출을 방지하기 위해 이온적으로 불침투성일 수 있고, 황산 전해질에 의한 부식에 대해 내화학성일 수 있고, 배터리 화학물질(예를 들면, 납산 화학물질)의 작동 범위 내에서 부반응을 억제하도록 전기화학적으로 안정할 수 있다.
기판 재료는 에지 실링을 촉진하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판 또는 지지 프레임 중 하나 이상을 위해 열전달 또는 열제거를 촉진시키기 위해 높은 열전도율을 갖는 재료가 사용될 수 있다. 기판 재료의 선택을 위한 다른 고려사항은 비용, 이용가능성, 부존량, 및 배터리 어셈블리의 폐기 시에 리사이클가능성을 포함할 수 있다.
본원의요지는 일반적으로 집전기 및 바이폴라 배터리 구성에 관련된다. 일 실시례에서, 실리콘 웨이퍼와 같은 실리콘 기판은 집전기의 기판으로서 사용될 수 있다. 실리콘은 납보다 밀도가 훨씬 낮으며, 실리콘은 일반적으로 납보다 높은 열전도율을 제공한다. 실리콘은, 예를 들면, 용인할 수 있는 벌크 전기전도율을 달성하기 위해 실리콘의 전도율을 조절하는 도너 불순물 또는 억셉터 불순물로 도핑될 수 있다. 실리콘은 일반적으로 황산에 대해 불침투성이므로 황산 부식에 대해 내화학성이다. 예를 들면, 실리콘 기판의 표면을 전기화학적으로 안정하게 만들기 위해 실리콘 기판의 표면를 개질시키기 위해 매우 다양한 공정이 적용될 수 있다. 예를 들면, 배터리 어셈블리에서 실리콘 기판의 팩키징을 촉진시키기 위해 웨이퍼 접합 기술이 이용될 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼 접합 기법을 사용하여, 실리콘 기판은 기밀하게-실링된 셀 또는 어셈블리의 일부로서 포함될 수 있다. 실리콘은 풍부하고 대량 생산에서의 사용을 위해 경제적이다.
일 실시례에서, 실리콘 웨이퍼는, 예를 들면, 하나 이상의 공정에 따라, 기판을 바이폴라 집전기로서의 사용을 위해 적합하도록 만들기 위해 개질될 수 있다. 예를 들면, 표면 상에 저항 접점을 형성하고, 이것을 자연 산화물 형성으로부터 보호하기 위해, 웨이퍼 상에 피복된 얇은 금속층을 어닐링시킴으로써 실리콘 웨이퍼의 일면 또는 양면 상에 금속 규화물이 형성될 수 있다. 저항 접촉층으로서 사용하는 것에 더하여, 특정 금속 규화물은 납산 화학물질의 작동 범위 내에서 부반응없이 전기화학적으로 안정하므로 저항층은 또한 부동태화층의 역할도 할 수 있다.
실리콘 웨이퍼는, 예를 들면, 고온에서, 예를 들면, 직접 웨이퍼 접합 또는 접착제 웨이퍼 접합을 사용하여 에지 실링될 수 있다. 예를 들면, 양의 활성 재료 및 음의 활성 재료의 접착을 촉진시키거나 또는 향상시키기 위해, 납 또는 납 합금의 박층이 실리콘 웨이퍼의 하나 이상의 표면에 피복되거나 또는 부착될 수 있다. 이러한 활성 재료는 실리콘 웨이퍼 집전기의 반대면 상에 피복될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시례에서, 예를 들면, 원용에 의해 전체가 본원에 포함되는 미국 특허 출원 공개 번호 US 2014/0370369 A1에 도시 및 기술된 구성을 갖는 실리콘 기판을 갖는 바이폴라 집전기가 사용될 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 요지의 범위로부터 벗어나지 않는 한 다른 바이폴라 집전기 재료가 사용될 수 있다. 실리콘을 사용하면 반도체 산업 및 솔라 산업의 모두에서 실리콘 재료를 처리하기 위해 개발된 기존의 규모의 경제로부터의 이익이 촉진된다. 예를 들면, 하나의 공정은 웨이퍼 접합을 포함할 수 있다. 웨이퍼 접합은, 예를 들면, 반도체 분야의 경우에 실리콘 웨이퍼들 사이에 영구 접합을 형성하는 것을 의미한다. 접합부는 작동 중이나 또는 특정의 제조 작업 중에 반도체가 겪는 큰 온도 변동을 견디도록 특정된다. 일반적으로 웨이퍼 접합은 웨이퍼 표면 상의 민감한 구성요소의 오염을 방지히기 위해 엄격한 공정 제어 하에서 완료된다. 웨이퍼 접합은 환경적으로 제어된 체임버 내에서, 예를 들면, 진공 하에서 수행될 수 있다. 이러한 공정으로 인해 고도로 반복가능한 접합부가 대규모로 생성될 수 있다.
더 큰 분야의 웨이퍼 접합에서, 특정 재료를 취급하기 위해 많은 특정 공정이 사용될 수 있다. 직접 웨이퍼 접합 및 접착제 웨이퍼 접합은 두 가지 실시례이다. 직접 웨이퍼 접합은 일반적으로 실리콘-투-실리콘 접합으로 지칭되며, 바이폴라 배터리 플레이트 기술에 반드시 적용될 수 있는 것은 아니다. 대조적으로, 접착제 웨이퍼 접합은 표면에 비의존적이므로 바이폴라 배터리에 직접 적용된다. 적절한 표면 세정을 이용하면 접착제 웨이퍼 접합을 통해 임의의 재료를 접합시킬 수 있다. 더욱이, 대부분의 접착제는 이것이 접합될 표면에 웨팅(wetting)될 수 있는 한 기능을 발휘한다. 일반적으로, 접착제 웨이퍼 접합은 기밀성 시일을 형성하지 않는 것으로 알려져 있으나, 이것은 반도체 가공 산업에서 사용되는 일반적으로 이용가능한 접착제에 기인한다. 이러한 접착제는 주로 일시적이므로 엄격한 기밀성 접합을 필요로 하지 않는다.
그러나, 본 발명자들은, 만일 기밀성 접합이 요구된다면, 영구적으로 접합되는 광범위한 접착제가 또한 진공 하에서 적절하게 웨팅될 수 있다는 것을 인식하였다. 완성된 접합은 높은 강도, 기밀성, 및 슬림한 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 슬림함은 전해질로부터의 부식에 대해 보다 작은 표면적을 제공하므로 접합의 수명을 연장시키는 장점을 갖는다.
접착제 웨이퍼 접합은 3 개의 작업 공정을 포함할 수 있다. 제 1 작업에서, 접착제가 접합될 표면에 도포될 수 있다. 이것은 스핀-코팅(spin-coating)에 의해 수행될 수 있다. 특정 영역에만 접착제가 요구되는 경우, 접착제의 흐름을 제어하기 위해 마스킹 기법이 이용될 수 있다. 스핀 코팅 공정은 접합 구역의 표면의 전역에서 균일한 접착제 비드를 보장한다. 제 2 작업은 접합 부재의 고정밀도의 정렬을 포함할 수 있다. 이러한 정렬은 반도체 산업에서 실리콘 표면 상에 구축된 디바이스가 하나의 표면으로부터 다음 표면으로 적절하게 접촉되도록 보장하기 위해 이용된다. 배터리 분야에서, 이러한 정렬 기법은 덜 엄격할 수 있으나, 이러한 정렬은 여전히, 예를 들면, 접착제 층 내에 공극이 생성되지 않도록 사용된다. 제 3 작업을 압축을 포함할 수 있다. 정렬되고 코팅된 부재는, 예를 들면, 고진공 하에서, 환경적으로 제어된 체임버 내로 이동될 수 있다. 다음에 이 코팅된 표면들은 신속하게 서로 압착된다. 체임버의 온도는 초기의 경화를 촉진시키기 위해 이러한 압축 중에 또는 압축 후에 상승될 수 있다. 압축 속도 및 구성요소들을 함께 유지시키는 힘 중 하나 이상은 전자적으로 제어될 수 있다. 접착제 접합의 품질은 압축 기법에 관련될 수 있다. 지나치게 느리거나 지나치게 빠르게 수행되는 압축은 원하지 않는 기포나 또는 기타 결함의 형성을 촉진시킬 수 있다. 초기 경화가 완료되면, 현재-접합된 구성요소들은 처리 체임버로부터 제거되어 추가의 조립 또는 가공을 위해 준비될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 지지 프레임(332)을 포함하는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리(예를 들면, "바이플레이트")(300)의 적어도 일부의 사시도(3a) 및 단면도(3b)를 포함하는 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 도 4b는 바이폴라 집전기를 넘어 연장되는 링을 포함하는 지지 프레임(436)을 포함하는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리(400)의 적어도 일부의 사시도(도 4a) 및 단면도(도 4b)를 포함하는 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b에서, 전도성 집전기 기판, 예를 들면, 전기전도성 웨이퍼(304)는, 예를 들면, 전기전도성 웨이퍼(304)와 지지 프레임(332) 사이의 계면에서 접착제 층(334)을 사용하여 지지 프레임(332)에 접합될 수 있다. 유사하게, 도 4a 및 도 도 4b에서, 전기전도성 웨이퍼(404)는, 예를 들면, 전기전도성 웨이퍼(404)와 지지 프레임(436) 사이의 계면(438)에서 접착제를 사용하여, 지지 프레임(436)에 접합될 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 지지 프레임(332) 또는 도 4a 및 도 4b의 지지 프레임(436)은 폴리머 또는 플라스틱 재료, 또는 하나 이상의 다른 재료를 포함할 수 있다.
일반적으로, 바이폴라 배터리 어셈블리 케이싱은 개별의 구성요소 또는 요소로 분할될 수 있고, 집전기 기판에 접합되는 비전도성(예를 들면, 플라스틱) 프레임은 외부 케이싱 자체의 세그먼트를 형성할 수 있다. 그러나, 외부 케이싱이 바이플레이트로부터 분리되면, 지지 프레임(예를 들면, 예시적인 실시례로서 도 3a 및 도 3b의 지지 프레임(332), 또는 도 4a 및 도 4b의 지지 프레임(436))은 캐리어의 역할을 할 수 있다. 캐리어는 다수의 기계적 특징을 제공할 수 있다. 예를 들면, 캐리어 또는 프레임은 이후의 조립 작업 중에 바이플레이트의 에지를 보호하여 손상의 가능성을 감소시킴으로써 바이플레이트의 취급을 용이하게 한다. 이러한 플라스틱 캐리어는 잘 확립된 플라스틱 용접 기법을 이용하여 모든 재료의 바이플레이트를 더 큰 바이폴라 케이싱에 쉽게 융합시킬 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 실링된 케이싱 어셈블리가 형성될 수 있다.
예를 들면, 바이플레이트는 캐리어에 접합되고, 다음에 캐리어는 케이싱에 융합되어 통합된 어셈블리를 제공할 수 있다. 일반적으로 이용가능한 플라스틱 용접 기법을 사용하면 제조가 용이해진다. 캐리어 또는 "보조" 플라스틱 프레임은 다양한 형태로 제공될 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 실시례에서, 지지 프레임(332)은 전도성 집전기 기판의 치수와 정확하게 일치될 수 있는 (예를 들면, 웨이퍼(304)의 치수와 일치되는) 주변을 갖는다 이는 최소의 중량 증가를 보장하고, 기존의 바이플레이트 기판보다 넓은 설치면적을 갖는 케이싱에 대해 재설계할 필요없이 바이폴라 구조에서 본 명세서에 기술된 기법을 용이하게 채택할 수 있게 한다.
다른 실시례에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 지지 프레임(436)은, 예를 들면, 플라스틱 용접 또는 기타 조립 작업을 촉진시키기 위해 더 큰 표면적을 생성하도로고 웨이퍼(404)를 넘어 연장되는 약간 상이한 구성을 포함한다. 예를 들면, 지지 프레임(436)을 포함하는 여분의 재료는 웨이퍼(404)의 설치면적을 넘어서 연장되는 영역에 혼(horn)을 위한 공간을 남김으로써 초음파 용접의 사용을 촉진시킬 수 있으나, 다른 용접 공정도 이용될 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 웨이퍼(304)가 이러한 공정의 열 또는 진동으로부터 손상되지 않도록 보호되는 경우에 플라스틱 용접 기법이 또한 사용될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서, 연장된 지지 프레임(436)은 다른 방법에 비해 내구성을 향상시키기 위해 용접 작업으로부터 웨이퍼(404)를 분리시킨다.
도 3a의 예시적인 실시례에서, 지지 프레임(332)은 웨이퍼(304)의 일면에만 적용되는 것으로 도시되어 있으나 웨이퍼(304)의 양면에 접합되는 것도 또한 가능하다. 예를 들면, 단일면에의 접합은 양면에의 접합에 비해 더 엄격한 공정 제어를 촉진할 수 있다. 접착제 접합의 가열 단계 시에, 양면이 동시에 처리되는 경우, 웨이퍼(304) 내에서 열의 축적이 발생될 수 있다. 도 3b의 실시례에 도시된 바와 같이 계면(334)에 위치된 접착제가 얇으면 다량의 열 에너지를 사용하지 않고 접합을 용이하게 할 수 있으나, 가해지는 열의 양은 적어도 부분적으로 접착제의 적절한 웨팅을 도출하도록 특정될 수 있다.
도 4b는 웨이퍼(404)와 연장된 지지 프레임(436) 사이에서 접합이 수행되는 방법을 예시한다. 예를 들면, 연장된 지지 프레임(436)은, 예를 들면, 조립 시에 웨이퍼(404)의 "포획(capturing)" 또는 위치설정을 돕기 위해 공동 또는 인셋(inset)을 포함할 수 있다. 이러한 인셋은 접착제가 흐를 수 있는 웨팅 면적을 증가시킬 수 있다. 이러한 특징의 결과로서 더 강한 접합 및 더 큰 바이플레이트 보호가 얻어질 수 있다. 특히 지지 프레임 및 기판(예를 들면, 웨이퍼)의 크기 및 형상이 접착제 접합 장비 내에서 처리되도록 결정된다면, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 및 도 4b에 예시적으로 도시된 구성의 많은 변경 및 조합이 가능하다. 보조 지지 프레임(예를 들면, 지지 프레임(332) 또는 지지 프레임(436))이 집전기 기판(예를 들면, 웨이퍼(304) 또는 웨이퍼(404))을 보호하기 위해 사용될 수 있으나, 또한 별도의 지지 프레임을 필요로 함이 없이 배터리 케이싱 세그먼트에 직접 접착제 웨이퍼 접합을 수행하는 것도 가능하다.
지지 프레임 및 집전기 기판의 형상은 복수의 바이폴라 기술을 수용하기 위해 변화될 수 있으나, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시례는 각각의 케이싱에 바이폴라 배터리 집전기를 실링하기 위한 반도체-등급의 웨이퍼 접합에 관한 것이다. 일반적으로 웨이퍼 접합 기법을 지칭하기 위해 "반도체-등급"이라는 문구가 사용되지만, 재료 및 처리 기법은 일반적으로 이용가능한 반도체 공정에서 사용되는 조건을 엄격하게 준수할 필요는 없다. 예를 들면, 집전기 기판 재료는 반도체-등급일 필요가 없고, 반도체 유형의 웨이퍼 접합 기법이 이용되는 경우에도 다결정질 재료 또는 야금학 등급의 재료를 포함할 수 있다.
도 5는 하나의 기법(500), 예를 들면, 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리를 제조하는 단계를 포함할 수 있는 방법을 개략적으로 예시한다. 502에서, 전도성 집전기 기판이 제공된다. 예를 들면, 이 전도성 집전기 기판은 본 명세서의 다른 실시례에 관련하여 기술된 바와 같은 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다. 504에서, 선택적으로, 집전기 기판이 처리되거나 또는 개질될 수 있다. 예를 들면, 저항 접촉층(예를 들면, 금속 규화물)이 전도성 집전기의 하나 이상의 표면 상에 형성될 수 있다. 506에서, 예를 들면, 예시적인 실시례로서, 도 3a 또는 도 3b에 도시된 바와 같은 지지 프레임 구성을 포함하는 비금속 지지체가 제공될 수 있다. 508에서, 이 비금속 지지 프레임이, 예를 들면, 접착제를 사용하여 집전기 기판에 접착될 수 있다. 예시적인 실시례로서, 예를 들면, 비전도성 지지 프레임을 집전기 기판에 접착시키기 위해 웨이퍼-접합용 접착제 또는 공정이 사용될 수 있다. 일 실시례에서, 지지 프레임은 에지-시일 링을 제공할 수 있다.
플라스틱 지지체의 형상 및 집전기와 기타 층을 포함하는 바이플레이트의 형상은 다양한 상이한 바이폴라 기술을 수용하기 위해 달라질 수 있다. 본 명세서에 기술된 예시적인 실시례는 일반적으로 각각의 케이싱에서 바이폴라 배터리 집전기를 실링하기 위해 반도체-등급의 웨이퍼 접합을 사용하는 것에 관한 것이다. 일반적으로 웨이퍼 접합 기법을 지칭하기 위해 "반도체-등급"이라는 문구가 사용될 수 있지만, 재료 및 처리 기법은 일반적으로 이용가능한 반도체 공정에서 사용되는 조건을 엄격하게 준수할 필요는 없다. 예를 들면, 집전기 기판 재료는 반도체-등급일 필요가 없고, 반도체 유형의 웨이퍼 접합 기법이 이용되는 경우에도 다결정질 재료 또는 야금학 등급의 재료를 포함할 수 있다.
예를 들면, 바이폴라 배터리의 일부로서 사용하기 위한, 그리고 예를 들면, 다양한 에지-시일 구성을 포함할 수 있는 전기전도성 집전기의 예시적인 실시례
본 명세서의 실시례는 특히, 예를 들면, 바이폴라 납산 배터리에서 사용하기 위한 실리콘을 포함하는 집전기 및 그 제조를 포함한다. 실리콘은 풍부하고, 집전기의 일부로서 사용하기 위한 실리콘 기판은 반도체 또는 솔라 제조 기술을 이용하여 경제적으로 제조될 수 있다. 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해, 그리고 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성 및 화학적 특성을 변화시키기 위해 다양한 공정이 이용될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 평면도(도 6a) 및 단면도(도 6b)를 포함하는 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리를 제조하는 단계를 포함할 수 있는 방법과 같은 기법을 개략적으로 도시한다. 예를 들면, 604에서, 전기전도성 실리콘 기판이 제공되거나 형성될 수 있다. 예시적인 실시례로서, 반도체 웨이퍼는, 예를 들면, 200 밀리미터 또는 300 밀리미터 이상의 직경을 포함하는 대체로 원형 형상을 갖는, 전형적으로 9N 내지 11N 순도(1 ppb 미만의 불순물 농도)의 전자 등급의 실리콘으로 제조될 수 있다. 솔라-등급의 웨이퍼는 전형적으로 6N 내지 9N(ppm의 불순물 농도)의 순도를 가지며, 예를 들면, 예시적인 실시례로서 125 밀리미터 또는 156 밀리미터의 표준 크기로 제공될 수 있는 정사각형 형상을 포함할 수 있다. 바이폴라 납산 배터리의 집전기로서 사용하기 위해, 업그레이드된 야금학 등급(5N 내지 6N) 또는 심지어 야금학 등급 실리콘(> 98% 순도)은 집전기 기판으로서 사용하기 위해 바람직한 실리콘 특성을 유지하기에 충분할 수 있다.
도핑되지 않은 고순도 실리콘은 대체로 반도체로서 거동하지만, 실리콘은 전도성 기판을 제공하도록 그 저항률을 저하시키기 위해 도핑될 수 있다. 예를 들면, 솔라 실리콘을, 예를 들면, 잉곳 주조 공정 시에 약 50 ppm 중량의 붕소로 도핑시키면, 실리콘 저항률을 약 5 밀리옴-센티미터(mΩ-cm)까지 저하시킬 수 있다. 실리콘의 정제는 일반적으로 불순물의 제거를 포함하지만, 바이폴라 집전기로서의 용도의 경우에는 실리콘의 저항률을 저하시키기 위해 도펀트가 사용될 수 있다. 업그레이드된 야금학 등급(UMG) 또는 야금학 등급(MG) 실리콘이 사용되는 실시례에서, 용인할 수 있는 전도율을 달성하기 위해 도펀트의 첨가가 반드시 필요한 것은 아니다.
예시적인 실시례로서, 잉곳은 노 내에서 UMG 실리콘 또는 MG 실리콘으로 주조될 수 있다. 일반적으로 이용가능한 실리콘 잉곳은 86 x 86 x 26 센티미터(예를 들면, "G5" 크기) 또는 105 x 105 x 30 센티미터(예를 들면, "G6" 크기)의 치수를 가질 수 있다. 이 잉곳은, 예를 들면, 하나 이상의 웨이퍼 치수에 대응하는 치수를 갖는, 브릭(brick)이나 기타 유닛으로 톱절단될 수 있다. 적어도 부분적으로 최종 배터리 어셈블리의 특정 에너지에 기초하여, 또는, 예를 들면, 하나 이상의 산업적 표준 배터리 크기에 부합하도록 정사각형 또는 직사각형 웨이퍼가 집전기로서 사용될 수 있다. 예시적인 실시례로서, G5 잉곳은 BCI(Battery Council International)에 의해 확립된 그룹 크기에 따라, 예를 들면, U1-크기의 납산 배터리에서 사용하기 위해, 146 x 190 x 250 밀리미터(mm)의 치수를 갖는 20 개의 브릭으로 절단될 수 있거나, GC2-크기의 배터리를 제조하기 위해 173 x 240 x 250 밀리미터의 치수의 12 개의 브릭으로 절단될 수 있다.
예를 들면, 슬러리 톱(slurry saw) 또는 다이아몬드 와이어 톱을 사용하여 실리콘 브릭으로부터 얇은 기판(예를 들면, 웨이퍼)이 절단된다. 예시적인 실시례로서, 약 200 내지 약 1000 마이크로미터이 웨이퍼 두께는 바이폴라 납산 배터리용 집전기로서 적합하다. 집전기의 기판은 일반적으로 저장 용량에 기여하지 않으므로, 더 얇은 웨이퍼는 중량을 감소시킬 수 있다. 그러나, 더 두꺼운 웨이퍼는 더 우수한 기계적 강도를 제공한다. 기계적 견고성과 웨이퍼의 두께 사이에 절충이 존재할 수 있다. 예를 들면, 기계적 강도와 중량 사이의 절충을 제공하는 약 450 내지 700 마이크로미터의 범위로부터 선택되는 웨이퍼의 두께가 사용될 수 있다.
실리콘 웨이퍼는 표면 오염물의 제거하기 위해 및/또는 추가의 처리를 위해 웨이퍼 표면을 텍스처링(texturing)하기 위해 처리될 수 있다. 본 명세서의 다른 부분에서 반도체 웨이퍼 또는 솔라 웨이퍼 처리를 위해 이용되는 세정법이 이용될 수 있다. 일 실시례에서, "RCA" 세정 공정이 웨이퍼 표면으로부터 유기 오염물 및 금속 오염물을 제거하기 위해 사용될 수 있다(참조, 예를 들면, W. Kern and D. A. Puotinen: RCA Rev. 31 (1970) 187). 다른 실시례에서, 웨이퍼 표면을 텍스처링하기 위해 에천트로서 수산화칼륨 처리가 이용될 수 있다. 일 실시례에서, 실리콘 웨이퍼의 특정의 표면 텍스처링 및 화학적 특성을 얻기 위해 상이한 온도 및 농도에서의 수산화칼륨 세정이 이용될 수 있다.
일 실시례에서, 추후의 에지-실링을 촉진시키기 위해 실리콘 웨이퍼의 일면 또는 양면 상에 에지 배제 영역이 형성될 수 있다. 에지 배제 영역을 형성하기 위해, 웨이퍼는 에지 배제 영역을 노출시키도록 마스킹될 수 있고, 이 배제 영역 내의 실리콘은 열산화에 의해 개질되어 실리콘 이산화물을 제공하거나, 또는 질화에 의해 실리콘 질화물을 제공하거나, 또는 화학증착에 의해 처리되어 실리콘 탄화물을 제공할 수 있다. 에지 배제를 개질하기 위한 기타 방법은 기계적 러프닝(roughening) 또는 폴리싱(polishing)을 포함한다.
표면 상의 원하지 않는 절연성 실리콘 산화물층의 형성과 같은 다른 곳에서 산화로부터 실리콘 웨이퍼 표면을 보호하기 위해, 예를 들면, 606에서 웨이퍼의 큰 일면 또는 양면 상에 저항 접촉층이 형성될 수 있다. 예를 들면, 낮은 전기저항, 황산에 대한 내부식성, 및 특정된 배터리 화학물질에 대해 안정한 전기화학물질을 제공하기 위해, 하나 이상의 금속 규화물이 저항 접촉층으로서 사용될 수 있다. 금속 규화물은 직접 코-스퍼터링(co-sputtering)에 의해 실리콘 표면 상에 피복될 수 있으나, 다른 방법도 이용될 수 있다. 예를 들면, 금속 증착 작업이 이용될 수 있고, 다음에 예를 들면, 어닐링 작업이 이어질 수 있다. 금속 증착 작업에서, 예를 들면, 약 50 내지 약 200 나노미터의 범위로 부터 선택되는 두께를 갖는 금속 박층이 실리콘 웨이퍼의 일면 또는 양면 상에 증착될 수 있다. 실리콘 웨이퍼 표면 상에 얇은 금속층을 퇴적시키기 위해 물리적 증착, 화학적 증착, 또는 전기도금과 같은 기법이 이용될 수 있다.
어닐링 작업에서, 금속-코팅된 웨이퍼는, 금속이 하측의 실리콘과 반응하여 실리콘 표면 상에 금속 규화물층을 형성하도록, 고온까지 가열될 수 있다. 실리콘이 소모되어 규화물층 내로 혼입됨에 따라, 금속 규화물 저항 접촉층은 웨이퍼 상의 실리콘과 융합된다. 어닐링은 질소(N2)또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 분위기 하에서 수행될 수 있다. 튜브로(tube furnace), RTP(rapid thermal processing) 시스템, 또는 컨베이어벨트로(conveyor belt furnace)를 포함하는 반도체 제조 장비 또는 솔라 제조 장비가 사용될 수 있다. 타이타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 및 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는 많은 천이 금속이 규화물을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 일 실시례에 따르면, 50 나노미터의 타이타늄이 물리적 증착에 의해 실리콘 웨이퍼의 양면 상에 증착될 수 있고, 다음에 질소 하에서 5 분 동안 800℃까지의 어닐링에 의해 약 120 내지 약 130 나노미터의 타이타늄 이규화물(TiSi2)을 형성할 수 있다. 질소 환경 하에서 타이타늄을 어닐링하면 표면 상에 극박층의 타이타늄 질화물(TiN)이 얻어진다. 웨이퍼는 표면으로부터 선택적으로 타이타늄 질화물을 제거하기 위해 고온의 과산화수소(H2O2)로 세정될 수 있다.
예시적인 일 실시례에서, 50 나노미터의 니켈이 물리적 증착에 의해 실리콘 웨이퍼의 양면 상에 증착될 수 있다. 이 니켈 막은 질소 하에서 5 분 동안 450℃까지 어닐링되어 실리콘 웨이퍼 상에 110 내지 120 나노미터의 니켈 규화물(NiSi)을 형성한다. 다음에 니켈 규화물 표면은 희석 불화수소산(HF) 또는 암모늄 비플루오라이드(NH4HF2)로 세정될 수 있다. 전기 도금에 의해 니켈 박막이 피복될 수도 있다.
예시적인 일 실시례에서, 50 나노미터의 탄탈럼(Ta)이 물리적 증착에 의해 실리콘 웨이퍼의 양면 상에 증착될 수 있고, 다음에 질소 하에서 5 분 동안 800℃까지 어닐링되어 120 나노미터의 탄탈럼 이규화물(TaSi2)을 형성할 수 있다. 다음에 표면은 추가의 처리 전에 고온의 과산화수소나 완충 산화물 에칭으로 세정될 수 있다.
예시적인 일 실시례에서, 50 나노미터의 텅스텐이 물리적 증착에 의해 실리콘 웨이퍼의 양면 상에 증착되고, 다음에 질소 하에서 5 분 동안 800℃까지 어닐링되어 텅스텐 이규화물(WSi2)을 형성할 수 있다. 다음에 표면 상의 반응되지 않은 텅스텐 금속(W)은 과산화수소(H2O2)로 선택적으로 에칭 제거된다.
실리콘 웨이퍼는, 예시적인 실시례에 따라, 예를 들면, 608에서 저항 접점 형성 후에 에지-실링될 수 있다. 바이폴라 배터리에서, 각각의 셀 구획실은 일반적으로 이웃의 셀 구획실로부터 기밀하게 실링되어 셀간 단락을 유발하는 전해질 유출을 방지한다. 에지-실링 작업에서, 실리콘 웨이퍼 집전기는 배터리 제조와 호환될 수 있는 재료로 제작된 에지-링(edge-ring)에 접합될 수 있다. 예를 들면, 에지 링은 이온에 대해 불투과성인 전기절연체일 수 있고, 기밀하게 실링된 구조물의 일부를 형성할 수 있다. 에지-실링 재료의 예는 플라스틱, 세라믹, 유리, 또는 일반적으로 전술한 특성을 제공하는 복합 재료를 포함한다. 일 실시례에서, 웨이퍼는 분자간 힘에 의해 직접 에지 링에 접합될 수 있다. 일 실시례에서, 웨이퍼는 제어된 온도 및 압력 하에서 접착제의 도포에 의해 에지 링에 접합된다. 플라즈마 활성화된 접합, 글래스 프릿 접합, 및 양극 접합을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 다른 웨이퍼 접합 기법도 이용될 수 있다.
610에서, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 집전기의 표면에 대한 활성 재료의 접착을 촉진시키기 위해, 웨이퍼의 금속 규화물 표면 상에 접착층이 피복될 수 있다. 에지-시일은 셀간 단락을 초래할 수 있는 웨이퍼 에지 주위의 접착층의 퇴적을 방지할 수 있다. 일 실시례에서, 웨이퍼는 희석된 불화수소산(HF), 완충된 산화물 에치(BOE) 또는 암모늄 비플루오라이드(NH4HF2)를 포함하는 일련의 용액으로 세정될 수 있고, 약 10 내지 100 마이크로미터의 범위로부터 선택되는 두께를 갖는 금속 납(Pb)의 층이 전기도금에 의해 웨이퍼의 양면 상에 피복될 수 있다.
일 실시례에서, 예를 들면, 약 0.5 내지 약 2 퍼센트의 주석 농도를 갖는 납 주석(PbSn) 합금이 접착층으로서 사용될 수 있다. 전기도금은, 예를 들면, 플루오로보레이트기반의 배스(bath) 화학물질, 또는 메탄설포네이트 기반의 배스 화학물질을 사용하여 달성될 수 있다. 일 실시례에서, 납 또는 납-주석은 양의 활성 재료 또는 음의 활성 재료 중 하나 이상을 위한 접착층으로서 사용된다. 예를 들면, 납 또는 납-주석은 웨이퍼의 음극면 상에만 사용된다. 이러한 실시례에서, 납 이산화물(PbO2)또는 납-주석 이산화물(PbxSn1-xO2)은 양의 활성 재료에 접착을 제공하도록 사용될 수 있다.
일 실시례에서, 예를 들면, 약 50 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 범위로부터 선택되는 두께를 갖는 납(Pb) 포일은, 예를 들면, 열 및 압축력의 조합을 이용하여 집전기의 하나 이상의 금속 규화물 표면 상에 부착될 수 있다. 납-주석(PbSn) 및 납-칼슘-주석(PbCaSn)을 포함하는 금속 합금도 사용될 수 있다. 일 실시례에서, 약 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터의 범위로부터 선택되는 두께의 납 또는 납-주석이 집전기의 하나 이상의 금속 규화물 표면 상에 피복될 수 있고, 이어서, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 집전기 상에 약 50 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 납(Pb) 또는 납-주석(PbSn) 또는 납-칼슘-주석(PbCaSn) 포일이 열압축될 수 있다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는, 예를 들면, 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리의 일부로서 사용하기 위한 전도성 실리콘 기판에 적용되는 다양한 금속 규화물 재료층의 사입사(glancing incidence) X선 회절(XRD) 스펙트럼을 개략적으로 도시한다.
일부의 규화물은 상이한 특성을 갖는 다상을 갖는다. 그러나, 상이한 규화물 상은 별개의 어닐링 온도를 가질 수 있다. 예를 들면, 타이타늄은 2 개의 상이한 규화물, C49-TiSi2및 C54-TiSi2를 형성한다. 니켈은 3 개의 상이한 규화물, Ni2Si,NiSi,및 NiSi2를 형성한다. X선 회절은 저항 접촉층의 형성 후에 바람직한 규화물 상을 식별하기 위해 이용될 수 있다. 도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d은 각각 타이타늄 이규화물(TiSi2),니켈 규화물(NiSi), 탄탈럼 이규화물(TaSi2),및 텅스텐 이규화물(WSi2)의 X선 회절 스펙트럼을 도시한다.
도 8a, 도 8b, 도 8c, 및 도 8d는, 예를 들면, 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리의 일부로서 사용하기 위한 전도성 실리콘 기판에 적용되는 다양한 금속 규화물 재료층의 사이클릭 볼타메트리 스펙트럼을 개략적으로 도시한다.
규화물을 사용한 실리콘 웨이퍼 표면의 메탈라이제이션은 이 표면을 산화로부터 보호하고, 표면의 전기전도율을 보존하고, 본 발명자들은 또한 금속 규화물이 전기화학적으로 안정하다는 것을 인지하였다. 실리콘 표면 상의 여러 가지 금속 규화물이 사이클릭 볼타메트리에 의해 조사되었고, 여기서 금속 규화물(동작 전극)의 전위는 수은-황화제1수은 기준 전극에 대해 스캐닝되고, 금속 규화물 표면에서의 전기화학 반응으로부터 발생되는 전류는 흑연 대전극에 대해 측정된다.
도 8a, 도 8b, 도 8c, 및 도 8d의 실험적으로 얻어진 사이클릭 볼타메트리 스펙트럼은 타이타늄 이규화물(TiSi2),니켈 규화물(NiSi), 탄탈럼 이규화물(TaSi2),및 텅스텐 이규화물(WSi2)이 표면 전기화학 반응으로부터의 극히 낮은 측정 전류의 넓은 전위 영역에 의해 입증되는 바와 같이 안정한 전기화학성질을 갖는다는 것을 보여준다. 특히, 모든 금속 규화물은 납산 배터리 화학물질의 작동 범위를 벗어난 산소 및 수소 발생 과도-전위을 갖는다.
열전도성 리브를 포함하는 예시적 실시례
바이폴라 배터리 구조의 단순한 전류 경로는 스루-저항(thru-resistance)를 크게 감소시키고, 재료 사용효율을 향상시키므로, 활성 재료를 손상시키지 않고 더 많은 사이클링을 가능하게 한다. 고전력 용도 하에서 배터리 작동은 상당량의 열을 발생시키고, 이러한 열의 발생은 재생 에너지 백업과 같은 더 고온의 주위 환경 또는 기타 가혹한 환경의 어플리케이션에서 악화될 수 있다.
배터리와 같은 에너지 저장 디바이스에 대한 수요가 점점 더 많아지고 있다. 역사적으로, 충전식 보조 배터리는 전류 및 전력 요구사항이 사이클마다 대체적으로 매우 일관된 이동성 어플리케이션에서 사용되었다. 현대의 하이브리드/전기 차량 및 재생 에너지 시스템은 배터리 제조업체게게 고유한 과제를 부여한다. 이러한 어플리케이션은 종종 쇼트 버스트에 대한 대용량의 반복된 전력 공급을 포함하지만, 여전히 이러한 버스트 전력 이벤트 사이에 일관된 전류 흐름(current draw)을 포함한다. 게다가, 일반적으로 현대의 원격통신국 및 데이터 센터는 정전의 경우에 에너지를 공급하도록 준비된 트리클 충전을 유지하기 위한 다수의 배터리를 포함한다. 이러한 데이터 센터 중 상당수는 배터리에 가혹한 환경을 생성하는 고온 환경 하에 위치된다. 더 심각한 듀티 사이클과 더 가혹한 주위 조건의 조합은 모든 전기화학적 저장에 대해 공통의 문제(열의 축적)를 일으킨다. 배터리는 일반적으로 가장 효율적으로 동작하는 온도 범위를 갖는다. 특정된 온도 범위를 벗어난 동작은 최소한 조기 열화 및 최악으로는 제어되지 않은 열폭주(thermal runaway)를 초래할 수 있다.
바이폴라 배터리는 현대의 배터리 시스템에 대해 특정된 더 가혹한 듀티 사이클을 처리하기 위한 주요 후보로 부상하였다. 바이폴라 배터리는 셀의 직렬 스태킹을 통해 전압을 특정하거나 또는 선택할 수 있는 간편성과 결합된 간단하고, 낮은 저항 구성을 제공하여 고전력의 효율적인 전달이 필요한 어플리케이션에 이상적이다. 바이폴라 배터리는 이들 이점을 제공하기 위해 고도로 압축된 얇은 활성 재료층을 포함하는 경향이 있으며, 그 결과 가혹한 듀티 사이클 하이에서 사이클 수명이 향상된다. 더 얇은 활성 재료층은 고전력 사이클링 시에 더 낮은 응력을 받지만, 또한 압축 효과로 인해 비활성 기간 동안 덜 열화된다. 예를 들면, 바이폴라 납-산 배터리는 다른 구성에 비해 대기 기간 중에 훨씬 적은 황산염을 보여주고, 고전력 이벤트 시에 활성 재료가 더 적게 유출된다. 그러나, 바이폴라 배터리는 에너지 밀도를 향상시키기 위해 높은 셀 밀도를 갖는다. 바이폴라 구성에서 단위 체적 당 더 많은 수의 셀은 다른 배터리 구성에 비해 까다로운 주위 환경에 상당한 열 문제를 발생시킬 수 있다. 바이폴라 배터리 구성에서, 활성 재료 내에서 발생되는 열은 외부로의 전달을 위한 적절한 경로가 제공되지 않은 경우에 인접 셀로 직접 전도될 수 있다. 실링된 바이폴라 납-산 배터리에서, 인접 셀들 사이의 이러한 열적 결합은 재조합 반응이 일반적으로 셀 온도의 증가에 따라 증가하므로 불리하다. 더욱이, 음의 활성 재료는 양의 활성 재료에 2 배의 열량을 발생할 수 있다. 양의 활성 재료 영역과 음의 활성 재료 영역이 단지 얇은 바이플레이트를 개재하여 서로 직접 대향 배치된 경우, 반응은, 예를 들면, 열폭주 고장을 초래하거나 유지하도록 본질적으로 서로 작용할 수 있다.
배터리 내의 열방산 문제를 해결하기 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다. 하나의 방법에서, 각각의 배터리는 실시간으로 배터리 온도를 모니터링하는, 그리고 충전 또는 방전 특성을 조절하여 가열을 보상하는, 예를 들면, 가열을 억제하거나 감소시키는 제어 시스템에 결합될 수 있다. 유감스럽게도, 이러한 폐쇄루프제어 방법은 모든 어플리케이션에서 사용될 수 있는 것은 아닌 복잡하고 고비용의 해결책이다. 중앙 사무소 설비의 백업 전역을 포함한 원격통신 어플리케이션과 같은 일반적으로 배터리 사용을 엄격히 제어하는 어플리케이션 조차도 폐쇄 루프 제어 시스템을 사용하지 않고 온도를 더 잘 조절할 수 있는 배터리로부터 큰 이익을 얻을 수 있다. 제어 시스템은 열폭주가 결코 발생하지 않도록 도움을 줄 수 있으나, 이러한 제어 시스템은 또한 효율 및 피킹 성능(peaking capability)을 희생시키면서 시스템을 열적으로 안정화시키도록 충전 또는 방전을 차단함으로써 배터리의 전위 효율성을 제한할 수 있다. 장시간 동안 더 많은 전력을 공급하는 것을 수동적으로 허용할 수 있는 배터리는 일반적으로 최종 사용자에게 도 매력적이다. 본 발명자들은 특히 열전달 특성을 수동적으로 개선시키면 열관리를 수행하기 위한 폐쇄루프제어의 필요성을 제거하거나 또는 감소시킬 수 있음을 인지하였다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수동적인 열방산 성능을 개선하면, 폐쇄루프제어를 사용하는 경우, 개선된 열방산 성능이 결여된 다른 배터리 구성에 비해, 개선된 효율 또는 피크 전력 성능을 제공할 수 있다.
하나의 방법에서, 배터리 내에 열교환기가 포함될 수 있다. 활성 재료 자체는 케이싱 내에 수용될 수 있고, 다음에 그 케이싱은 추가의 케이싱에 의해 둘러싸일 수 있다. 이들 케이싱 벽들 사이에는 유체가 주입될 수 있다. 일반적으로 이러한 유체는 과잉의 환경 열이 디바이스 내로 진입하는 것을 억제한다. 둘째, 일반적으로 유체는 활성 재료에서 나오는 열을 위한 일종의 열 싱크를 제공한다. 유체로 채워진 공동을 이용하면 배터리 팩의 중량 및 크기가 증가될 수 있고, 잠재적인 누출원을 제공함으로써 배터리의 취약성을 증가시킬 수 있다.
다른 방법에서, 배터리 케이싱은 공기 흐름을 위한 설계된 채널을 포함할 수 있다. 예를 들면, 각각의 배터리 셀은 에어갭에 의해 서로로부터 분리될 수 있다. 다음에 외부의 팬이 이들 채널을 통해 공기를 송풍하여 배터리 자체 내의 어떤 추가의 중량도 필요로 함이 없이 배터리를 냉각시킬 수 있다. 이것은 잠재적으로 훌륭한 해결책이지만 바이폴라 배터리용으로 전적으로 적합한 것을 아닐 수 있다. 바이폴라 배터리의 패키징 효율은 우수한 에너지 밀도를 제공할 수 있는 하나의 속성이다. 케이싱 내에 공극 공간을 추가하면 이러한 에너지 밀도를 감소시킬 수 있다. 게다가, 바이폴라 배터리는 고전력을 전달하기 위해 공간적으로 짧은 전류 경로 및 큰 짐전기 표면적에 의존한다. 케이싱 내의 공극 공간은 전류 경로를 복잡하게 하거나 또는 저항을 증가시킬 수 있고, 따라서 공극 구성을 갖는 바이폴라 배터리를 이러한 공극 공간이 없는 다른 구성에 비해 덜 효율적으로 만들 가능성이 있다.
또 다른 방법에서, 전도성 겔이 흡수성 매트 납-산 배터리 내에서 활성 재료 플레이트와 케이싱 벽 사이에 설치될 수 있다. 전도성 셀 코어를 갖는 배터리가 사용될 수 있다. 이러한 전도성 코어는 활성 재료의 중심으로부터 단자가 위치된 금속 스트랩(strap)까지 직접 열을 운반할 수 있다. 또 다른 방법에서, 외벽의 수 밀리미터 내에 바이플레이트를 도입하여 환경으로 전달될 수 있는 열량을 증가시키도록 케이싱이 구성될 수 있다. 이것은 바이플레이트로부터 추출된 열이 셀의 양의 활성 물질 및 음의 활성 물질의 모두로부터 직접 열을 제거하므로 유용할 수 있다.
전술한 방법의 모두가 개별적으로 완전한 해결책을 제공하는 것은 아니다. 모노폴라 배터리 구성에서 실리카 전도성 페이스트가 사용될 수 있으나, 실리카는 또한 전기전도성이다. 바이폴라 배터리에서, 실리카의 사용은 인접 셀들 사이에 전기적 단락을 제공할 수 있다. 전도성 코어 방법은 적절한 단일-셀 배터리일 수 있으나, 바이폴라 구성에 대해서는 난제를 부여할 수 있다. 예를 들면, 배터리 에지로의 열 경로 및 전류 경로는 디바이스가 배터리 랙(rack)과 같은 전도성 표면 상에 배치된 경우에 즉각적인 단락을 초래할 수 있다. 전류는 하나의 셀로부터 인접 셀 내로 즉각 흐르고, 활성 재료를 우회한다.
전술한 바와 같이, 바이폴라 전극을 게이싱 벽에 가능한 가깝게 이동시키는 것이 가능하지만, 케이싱이 균질의 폴리머를 포함하는 경우, 짧은 거리에서도 여전히 상당한 열저항이 존재한다. 이러한 열저항은 많은 폴리머(예를 들면, 플라스틱)가 명확한 열경로를 제공하지 않으므로 증폭될 수 있다. 발생된 열은 더 저온의 주위로 향하기 보다 플라스틱을 통해 확산(예를 들면, 대량으로 확산)되는 경향이 있다. 게다가, 바이플레이트를 외부에 매우 근접하여 배치하면 바이플레이트는 균열을 발생시키는 충격 응력에 쉽게 노출되어 배터리의 고장을 초래할 수 있다.
본 발명자들은 특히 성능 열화를 초래하지 않고, 또는 케이싱 약화를 촉진하지 않는 바이폴라 배터리에 대한 개선된 열전달을 제공하는데 문제가 있음을 인지하였고, 본 발명자들은 본 명세서에서 이러한 해결책을 기술한다. 예를 들면, 복잡한 열교환기 또는 첨가 재료 대신에, 배터리 케이싱 자체가 열 에너지의 효율적인 교환(예를 들면, 방산)을 촉진시키는 재료를 포함할 수 있다. 특히, 높은 열전도성 재료는, 예를 들면, 모든 집전기에 하나씩 포함하여 배터리 어셈블리의 길이를 따라 리브로서 설치될 수 있다. 이러한 리브는 전류가 배터리로부터 그 외부로 흐를 수 없도록 간극을 남기면서 집전기를 향해 내측으로 연장될 수 있다. 이러한 간극은 열가소성물질과 같은 전기 절연성 재료로 채워질 수 있다. 열가소성물질 또는 기타 전기 차단벽은 간극을 통과하는 전류를 감소시키거나 억제할 수 있으나, 다른 방법에 비해 합리적으로 높은 효율로 열 에너지의 이동을 허용하는 크기 및 형상을 가질 수 있다.
더욱이, 본 발명자들은 특히, 예를 들면, 분할된 배터리 스택과 함께 전도성 리브를 사용하여 가요성 및 견고한 바이폴라 배터리 어셈블리가 제공될 수 있음을 인지하였다. 배터리 어셈블리를 개별의 동일한(또는 거의 동일한) 셀들로 분리함으로써, 배터리 어셈블리는 모듈형의 다양한 전압의 배터리가 될 수 있다. 각각의 집전기의 주위에 리브를 사용하면 각각의 리브에 대한 실링이 촉진된다. 다음에 이러한 리브는 전해질 리저버를 포함하는 플라스틱 케이싱에 실링될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 전체 배터리 어셈블리는 단지 3 개나 4 개의 상이한 하위어셈블리를 사용하여 제조될 수 있다. 하위어셈블리의 변화를 삼소시키면 제조 비용을 감소시킴과 동시에 특정 어플리케이션을 위한 배터리의 열 특성을 더 쉽게 조절할 수 있다. 본 발명자들은 특히 본 명세서에 기술된 리브 구성과 조합될 수 있는 다양한 실링 실시형태를 개발하였다. 리브는 집전기를 위한 부가적 구조 및 보호기능을 제공할 수 있으므로 더 얇은 재료가 사용되도록 허용하고, 내부 저항을 더 낮출 수 있다.
도 9는, 예를 들면, 바이폴라 배터리에서 사용하기 위한 집전기 어셈블리를 제공하기 위해 집전기의 일부 또는 전부의 주위에 배치될 수 있는 열전도성 리브(940)의 사시도(900)를 개략적으로 도시한다. 열전도성 리브(940)는, 예를 들면, 스페이서에 의해 전기전도성 기판으로부터 분리된 바이폴라 배터리 내의 집전기의 주위에 배치될 수 있다. 열전도성 리브(940)는 높은 열전도성 재료, 예를 들면, 금속 또는 섬유 주입 플라스틱으로 제조될 수 있다.
도 10은, 예를 들면, 열전도성 리브(1040)를 포함할 수 있는 케이싱 구성의 단면도(1000)를 개략적으로 도시한다. 전기전도성 실리콘 기판(1004)과 같은 집전기 기판은 프레임(1042)에 접합될 수 있다. 프레임(1042)은, 예를 들면, 기판(1004)과 열전도성 리브(1040) 사이에 전기 저항 차단벽을 제공하기 위해 비전도성 재료를 포함할 수 있다. 기판(1004)과 열전도성 리브(1040) 사이의 위치에서 프레임(1042)의 두께는 열전도성 리브(1040)를 이용한 효과적인 열전달을 보장하도록 약 3 밀리미터(mm) 이하가 되도록 특정될 수 있다. 다음에 이들 3 개의 요소는, 예를 들면, 열가소성 재료를 포함하는 케이싱 세그먼트(1022)와 같은 하나 이상의 케이싱 세그먼트에 접합될 수 있다. 구성요소들 사이의 기밀성 끼워맞춤을 제공하기 위해 용접, 열 실링, 또는 접착제 접합을 포함하는 기법이 이용될 수 있다. 일 실시례에서, 프레임(1042)은 본 명세서의 다른 실시례와 관련하여 설명된 바와 같은 지지 프레임 또는 에지-시일 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 9 및 도 10의 예시적인 실시례에서, 열전도성 리브(940, 1040)는 직사각형 단면을 가지는 것으로 도시되어 있다. 예를 들면, 배터리가 강제 대류 하에 배치되는 다른 실시례에서, 도 13에 예시적으로 도시된 바와 같이 리브의 표면적이 증가될 수 있다. 예를 들면, 수직 에지를 따라 케이싱 벽을 약간 넘어 연장될 수 있는 (예를 들면, 하나 이상의 케이싱 세그먼트에 의해 형성되는 외면을 넘어 돌출하는) 톱니모양의 표면이 형성될 수 있다. 공기가 배터리의 주위에서 또는 배터리를 통과하여 순환되고 있는 경우, 전술한 직사각형 단면을 이용한 것보다 증가된 표면적으로 인해 더 큰 열전달이 발생되고, 매우 가혹한 또는 고온인 환경을 위해 증가된 열전달을 제공한다. 많은 다른 가능한 단면이 사용될 수 있다. 다시 도 10을 참조하면, 열전도성 리브(1040)의 외부 프로파일 또는 특징에 무관하게, 이 열전도성 리브(1040)는, 예들 들면, 약 3mm의 전기 절연성 재료에 의해 전도성 기판(1004)으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 이러한 절연을 제공하기 위해, 일반적으로 열전도성 리브(이것도 역시 전기전도성일 수 있음)는 집전기 기판과 물리적 접촉을 방지하도록 배치된다. 재료를 개재하지 않은 이러한 물리적 접촉은 배터리 외부로 이어질 수 있는 전류 경로를 형성하여, 배터리가 전기전도성 서비스에 놓였을 경우에 치명적인 단락의 가능성을 발생시킬 수 있다. 집전기와 리브 사이의 전기 절연성 재료는 열가소성물질 폴리머 또는 세라믹 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 재료는 기판(1004)과 리브(1040) 사이의 간극 내에서 불균일한 가열이 발생되지 않도록 특정된 열전도율을 가질 수 있다. 효율적인 열전달을 확보하기 위해, 전기 부품을 히트싱크 또는 인쇄 회로 열 패드(printed circuit thermal pad)에 열접합하기 위한 인쇄회로보드용으로 사용되는 열전도성 페이스트를 열전도성 리브(1040)와 프레임(1042) 사이에 도포할 수 있다. 각각의 바이폴라 집전기 어셈블리는 함께 조립되어 도 11에 도시된 바와 같은 배터리 어셈블리를 제공할 수 있다.
도 11은, 예를 들면, 본 명세서의 다른 실시례와 관련하여 도시 및 설명된 바와 같은 에이싱 구성을 포함할 수 있는 바이폴라 배터리 어셈블리(1100)의 사시도를 개략적으로 도시한다. 배터리 어셈블리(1100)의 백본(backbone)은 적어도 부분적으로 케이싱 링(예를 들면, 케이싱 세그먼트(1122))과 열전도성 리브(예를 들면, 열전도성 리브(1140)를 포함함)의 교번(alternating)을 이용하여 제공될 수 있고, 폐쇄된 집전기 기판을 포함한다. 이들 부재를 연속적으로 적층시킴으로써 충분한 기계적 무결성(integrity)을 갖는 특정 전압을 갖는 배터리 스택을 구성할 수 있다. 본 예시적인 실시례에서, 배터리 어셈블리는 18 개의 개별 셀을 포함한다. 배터리의 단부는 케이싱 세그먼트와 동일한 재료(예를 들면, 열가소성물질)를 포함할 수 있는 단부 캡(1150)과 같은 단부 캡을 특징으로 한다. 또한 단자(1130)와 같은 금속 단자가 제공될 수 있다.
시뮬레이션 및 실험을 통해, 본 발명자들은 특히 강제 대류가 없는 40℃의 주위 온도에서 정상 플로트(normal float) 작동 하에서 약 5℃ 만큼 낮은 내부 온도가 얻어진다는 것을 인지하였다. 더욱이, 이러한 리브는 바이폴라 배터리가 이러한 리브 구조를 결여한 구성에 비해 더 높은 쿨롱 효율을 유지할 수 있도록 온도 변동 중에 배터리 성능을 안정화시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 효율은 부분적으로 배터리 스택 내에 더욱 균일한 온도를 설정함으로써 제공될 수 있다.
열교환 보조구가 없으면, 배터리 스택의 중앙에 위치한 부분이 최고 온도에 도달한다. 이러한 온도 기울기는 더 많은 셀의 추가에 의해 배터리의 전압이 증가함에 따라 더 현저해질 수 있다. 셀 밀도로 인해, 열은 집전기를 통해, 그리고 배터리의 주변을 통한 외면이 아닌 배터리를 따라 환경 내로 더 쉽게 흐를 수 있다. 본 발명자들은 배터리의 중심 영역에 열전달 특징이 없는 경우에 단부 캡까지 효율적으로 열을 전달하는 구성을 확립하기가 어렵고, 따라서 열전달이 지연되어 국부적인 온도 상승이 발생됨을 인지하였다. 열전도성 리브는 더 많은 열이 외부로 전달될 수 있도록 하여 셀이 더욱 일관된 온도로 동작하도록 한다(예를 들면, 평형 온도는 배터리 어셈블리의 외부를 따라 및/또는 배터리 어셈블리의 체적의 내부에서 더 균일함). 직렬 접속으로 인해, 이러한 향상된 열전달 및 감소된 온도 기울기는 효율을 안정화시킴으로써 배터리의 수명을 크게 향상시킬 수 있고, 더 균일한 활성 재료의 노화가 얻어질 수 있다.
배터리의 열폭주 상태 및 열안정 상태 사이의 차이는 내부 평형 온도에서 단지 섭씨 몇도의 차이로 결정될 수 있다. 열폭주는 대부분의 배터리 화학물질에 악영향을 줄 수 있고, 일반적으로 이것의 발현은 배터리가 자가-유지되는 반응성 수준에 도달하는 내부 온도로서 정의될 수 있다. 더 구체적으로, 열폭주는 활성 재료 내의 전기화학 반응이 온도에 독립적인 속도에 도달하는 경우에 발생된다. 그후 배터리 온도는 일반적으로 주위 환경에 무관하게 계속 증가한다. 열폭주로의 천이가 발생하는 임계치는 주변 환경과의 열교환이 향상되도록 구성된 배터리 케이싱을 사용하여 조절될 수 있다.
집전기의 주위에 개별적인 리브를 사용하면 바이폴라 배터리 어셈블리의 전체적인 단순성이 제공된다. 예를 들면, 집전기의 주변에 걸친 리브의 존재는 필연적으로 활성 재료의 처리를 더 용이화하는 편리한 어셈블리를 형성한다. 예를 들면, 도 10을 다시 참조하면, 집전기 기판(1004), 전기 저항성 프레임(1042), 및 열전도성 리브(1040)를 접합하여 단일의 어셈블리를 형성하면, 집전기 어셈블리 자체는 모든 공정을 위해 보강된다. 다른 곳에서 언급한 바와 같이, 위의 다른 곳에서 기술된 바와 같은 다양한 형상의 프레임(1042)이 사용될 수 있다.
집전기가 전도성 기판 또는 웨이퍼와 같은 취약한 재료인 경우, 에지는 리브(1040) 및/또는 프레임(1042) 구조에 의해 충격으로부터 보호될 수 있다. 이는 집전기가 실리콘과 같은 취약하거나 취성인 재료를 포함할 수 있는 경우에도 덜 특화된 처리 장비의 사용을 촉진시킬 수 있고, 따라서 배터리의 전체 비용을 저감시킬 수 있다. 이들 구성요소들이 함께 실링되는 방식은 배터리 어셈블리에 대해 사용되는 재료 시스템에 의해 부분적으로 결정될 수 있으나, 프레임(1042)이 플라스틱으로 제조되고, 열전도성 리브(1040)가 탄소 복합재 또는 기타 재료로 제조된다고 가정하면, 저비용의 플라스틱 용접 공정이 이용된다. 다음에 완성된 기판-프레임-리브 어셈블리는 케이싱 세그먼트(1022)와 같은 케이싱 세그먼트 내로 조립(예를 들면, 실링)될 수 있다. 인접한 케이싱 세그먼트 및 기판-프레임-리브 어셈블리는 기밀하게 실링된 전해질 리저버를 형성할 수 있다.
위에서 개략적으로 기술된 방식으로 바이폴라 배터리를 조립하면 하나 이상의 장점이 제공될 수 있다. 첫째, 구성요소 하위어셈블리의 일반적인 단순성은 그러한 구성요소를 배터리 어셈블리를 제공하기 위해 반복적으로 사용(예를 들면, 복제)할 수 있도록 한다. 이것은 전체적인 재료 비용을 저감시키고, 조립 작업을 더 단순하게 만든다. 집전기 기판의 주위에 배터리를 직접 실링하면 구조적으로 약하거나 취약한 배터리의 부분을 보강할 수 있으므로 충격 및 진동에 대해 훨씬 탄력적인 어셈블리를 얻을 수 있다. 셋째, 집전기 어셈블리 및 활성 재료 케이싱으로 분리로 인해, 조립 시에 상이한 수의 구성요소를 함께 적층시킴으로써 전체 배터리 전압을 변화시킬 수 있다. 바이폴라 배터리는 전력 어플리케이션에 매우 적합하며, 복잡한 배터리 관리 시스템을 사용함이 없이 이러한 환경에서 자연적으로 배터리를 사용하는 능력은 전체적인 안정성 및 신뢰성의 수준을 동일하게 유지하면서 (또는 향상시키면서) 시스템 비용을 저감시킨다.
리브(1040)는 높은 열전도율을 갖는 재료를 사용하여 제조될 수 있고, 환경적 부식 및 배터리 자체의 화학적 부식에 대해 우수한 내식성을 제공할 수 있다. 리브 재료는 배터리 화학물질을 위한 기존의 흐름 중에서 쉽게 리사이클링될 수 있도록 특정될 수 있다. 예를 들면, 납-산 화학물질용의 예시적인 실시례로서, 금속 리브는 316 스테인리스강 또는 하스텔로이 B를 사용하여 제조될 수 있다. 알루미늄은 리사이클링 흐름의 유도된 복잡성으로 인해 덜 바람직할 수 있으나 높은 열전도율도 제공한다. 예를 들면, 강화된 열정달을 위해 정렬된 섬유를 포함하는 전도성 탄소 복합재가 사용될 수 있다. 재료에 관계없이, 전도성 리브는, 예를 들면, 주변 환경과의 열교환을 향상시키기 위해 큰 표면적을 제공하는 크기 및 형상을 가질 수 있다. 전도성 리브의 형상은 주변 환경에 따라 많은 형태를 취할 수 있다.
도 12는, 예를 들면, 단자 영역에 근접한 배터리 어셈블리의 일부의 평면도(1200)을 개략적으로 도시한다. 전도성 리브(1240)가 전기전도성 뿐만 아니라 열전도성을 가지는 실시례에서, 열전도성 리브(1240)와 전도성 배터리 단자(1230) 사이에 전기 절연성 스페이서(1242)가 배치될 수 있다. 이는 충분한 전기 절연을 보장하여, 전도성 표면 상에 배터리를 배치하는 경우에 단락을 방지하기 위한 것이다. 도 1200에서, 열전도성 리브는 단일 평면에 국한되지 않고, 예를 들면, 스페이서(1242)를 수용하기 위한 삽입부를 포함하여 단자(1230)의 부근의 영역에서 측방향으로 급하게 만곡된다. 단자(1230)가 배터리 어셈블리의 단부에 인접하여 위치되는 실시례에서, 단부캡 케이싱 세그먼트(1250)는 열전도성 리브(1240)의 일면에 위치될 수 있고, 케이싱 세그먼트(1222) 또는 케이싱의 다른 부분은 단부캡 세그먼트(1250)의 반대측 면 상에 위치될 수 있다.
도 13은, 예를 들면, 도 9의 실시례와 비교하여 증가된 외향면적을 갖는 열전도성 리브(1340)의 다른 실시례의 사시도(1300)를 개략적으로 도시한다. 열전도성 리브(1340)의 톱니모양의 프로파일은 이러한 톱니모양이 없는 프로파일에 비해 강제 대류 하에서 열교환을 향상시킬 수 있다.
도 14는 하나의 기법(1400), 예를 들면, 바이폴라 배터리 집전기 어셈블리를 제조하는 단계를 포함할 수 있는 방법을 개략적으로 예시한다. 1402에서, 예를 들면, 본 명세서의 다른 곳에서 하나 이상의 실시례에서 기술된 기법을 사용하여 전기전도성 집전기 기판이 제공될 수 있다. 1404에서, 선택적으로, 집전기 기판은, 예를 들면, 하나 이상의 박막층을 형성하는 단계를 통해 처리되거나 개질될 수 있다. 1406에서, 전기전도성 집전기 기판은, 예를 들면, 프레임 또는 에지-시일 링(또는 스페이서로서 구성된 다른 구조)을 사용하여 열전도성 리브에 열적으로 결합될 수 있다. 1408에서, 예를 들면, 프레임 또는 에지-시일 링, 또는 스페이서는 열전도성 리브로부터 전기전도성 집전기 기판을 전기적으로 절연시킬 수 있고, 동시에 여전히 기판으로부터 리브까지 열전달을 안내할 수 있다.
다양한 주해 및 실시예
실시례 1은, 예를 들면, 바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리를 포함하거나 또는 사용할 수 있는 요지(예를 들면, 장치, 방법, 작용을 수행하기 위한 수단, 또는 디바이스에 의해 수행될 때 디바이스가 작용을 수행할 수 있게 하는 명령을 포함하는 디바이스 판독가능 매체)를 포함하거나 또는 사용할 수 있고, 상기 집전기 어셈블리는 전기전도성 실리콘 기판 및 이 전기전도성 실리콘 기판에 접합된 프레임을 포함하고, 상기 기전도성 실리콘 기판은 납산 전해질 화학물질의 존재 하에서 상기 전기전도성 실리콘 기판의 표면을 전기전도성으로 만들고 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막을 포함하고, 상기 프레임과 전기전도성 실리콘 기판 사이의 계면은 기밀하게 실링된다.
실시례 2에서, 실시례 1의 요지는 선택적으로 케이싱 세그먼트 및 열전도성 리브를 포함하고, 열전도성 리브는 케이싱 세그먼트 및 프레임에 접합되고, 프레임은 열전도성 리브를 전기전도성 실리콘 기판으로부터 전기적으로 절연시키는 스페이서를 형성한다.
실시례 3에서, 실시례 1 내지 실시례 2 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 지지 프레임을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 4에서, 실시례 3의 요지는 선택적으로 지지 프레임이 바이폴라 배터리 케이싱의 케이싱 세그먼트에 접합되는 것을 포함한다.
실시례 5에서, 실시례 1 내지 실시례 4 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 전기전도성 실리콘 기판의 표면의 주변의 전부의 주위에 연장되는 에지-시일을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 6에서, 실시례 1 내지 실시례 5 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 전기전도성 기판 상에 에지-배제 영역을 형성하는 것을 포함한다.
실시례 7에서, 실시례 6의 요지는 선택적으로 하나 이상의 박막의 피복이 에지-시일에 의해 에지-배제 영역에서 억제되는 것을 포함한다.
실시례 8에서, 실시례 1 내지 실시례 7 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 하나 이상의 박막 중의 하나의 박막이 전기전도성 실리콘 기판의 하나 이상의 표면 상에 형성된 금속 규화물을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 9에서, 실시례 8의 요지는 선택적으로 금속이 타이타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 또는 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 10에서, 실시례 8 내지 실시례 9 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 활성 재료의 접착을 촉진시키기 위해 금속 규화물 상에 추가의 막이 피복되는 것을 포함한다.
실시례 11에서, 실시례 10의 요지는 선택적으로 추가의 막은 납 금속(Pb) 또는 납-주석 합금(PbSn)을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 12에서, 실시례 1 내지 실시례 11 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 웨이퍼 접합용 접착제를 사용하여 웨이퍼에 접합되는 것을 포함한다.
실시례 13에서, 실시례 1 내지 실시례 12 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 플라스틱, 세라믹, 또는 복합 재료를 포함하는 것을 포함한다.
실시례 14는 예를 들면, 바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리를 포함할 수 있는 요지(예를 들면, 장치, 방법, 작용을 수행하기 위한 수단, 또는 기계에 의해 수행될 때 기계가 작용을 수행할 수 있게 하는 명령을 포함하는 기계 판독가능 매체)를 포함하도록 실시례 1 내지 실시례 13 중 하나 또는 이들의 임의의 조합의 요지를 포함하거나 또는 선택적으로 이들 요지와 조합될 수 있고, 케이싱 어셈블리는 전기전도성 실리콘 기판; 전기전도성 실리콘 기판에 접합된 스페이서 - 상기 전기전도성 실리콘 기판은 상기 전기전도성 실리콘 기판의 표면을 전기전도성으로 만들고 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막을 포함함 -; 케이싱 세그먼트; 및 열전도성 리브를 포함하며, 열전도성 리브는 케이싱 세그먼트 및 스페이서에 접합되고, 스페이서는 열전도성 리브를 전기전도성 실리콘 기판으로부터 전기적으로 절연시킨다.
실시례 15에서, 실시례 14의 요지는 선택적으로 하나 이상의 박막 중의 하나의 박막이 전기전도성 실리콘 기판의 하나 이상의 표면 상에 형성된 금속 규화물을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 16에서, 실시례 13 내지 실시례 15 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 금속이 타이타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 또는 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 17에서, 실시례 15 내지 실시례 16 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 활성 재료의 접착을 촉진시키기 위해 금속 규화물 상에 추가의 막이 피복되는 것을 포함한다.
실시례 18에서, 실시례 17의 요지는 선택적으로 추가의 막이납 금속(Pb) 또는 납-주석 합금(PbSn)을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 19는 바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법을 포함할 수 있는 요지(예를 들면, 장치, 방법, 작용을 수행하기 위한 수단, 또는 기계에 의해 수행될 때 기계가 작용을 수행할 수 있게 하는 명령을 포함하는 기계 판독가능 매체)를 포함하도록 실시례 1 내지 실시례 18 중 하나 또는 이들의 조합의 요지를 포함하거나 또는 선택적으로 이들 요지와 조합될 수 있고, 본 방법은 전기전도성 실리콘 기판에 접합된 프레임을 접합시키는 단계, 납산 전해질 화학물질 하에서 실리콘의 표면을 전도성으로 만들고 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막으로 전기전도성 실리콘 기판을 개질시키는 단계를 포함하며, 프레임과 전기전도성 실리콘 기판 사이의 계면을 기밀하게 실링된다.
실시례 20에서, 실시례 19의 요지는 선택적으로 프레임은 전기전도성 실리콘 기판의 표면의 주변의 전부의 주위에 연장되는 에지-시일을 포함하는 것을 포함한다.
실시례 21에서, 실시례 19 내지 실시례 20 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 전기전도성 기판 상에 에지-배제 영역을 형성하는 것을 포함한다.
실시례 22에서, 실시례 21의 요지는 선택적으로 하나 이상의 박막의 피복이 에지-시일에 의해 에지-배제 영역에서 억제되는 것을 포함한다.
실시례 23에서, 실시례 19 내지 실시례 22 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임은 분자간 힘에 의해 직접 전기전도성 실리콘 기판에 접합되는 것을 포함한다.
실시례 24에서, 실시례 19 내지 실시례 23 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임은 압축력 하에서 고온에서 접착제로 웨이퍼에 접합되는 것을 포함한다.
실시례 25에서, 실시례 19 내지 실시례 24 중 어느 하나 이상의 요지는 선택적으로 프레임이 이상의 of 플라즈마 활성화된 접합, 글래스 프릿 접합, 또는 양극 접합 중 하나 이상을 이용하여 웨이퍼에 접합되는 것을 포함한다.
위의 상세한 설명은 이 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면에 대한 참조를 포함한다. 도면은 예시로서 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시형태를 도시한다. 이들 실시형태는 본 명세서에서 "실시례"로도 지칭된다. 이러한 실시례는 도시되거나 또는 설명된 것 이외의 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 도시되거나 또는 설명된 요소만이 제공되는 실시례도 고려한다. 더욱이, 본 발명자들은 또한 본 명세서에서 도시되거나 기술된 특정 실시례(또는 이것의 하나 이상의 양태)에 관하여, 또는 다른 실시례(또는 이것의 하나 이상의 양태)에 관하여 도시되거나 또는 기술된 요소(또는 이것의 하나 이상의 양태)의 임의의 조합 또는 치환을 이용하는 실시례를 고려한다.
본 문헌과 원용에 의해 포함된 임의의 문헌 사이에 일치하지 않는 사용법의 경우, 본 문헌에서의 사용법이 우선한다.
본 명세서에서, 용어 "하나"는, 특허 문헌에서 일반적으로 사용되는 바와 같이, 임의의 다른 예나 또는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 사용법에 무관하게 1 이상을 포함하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, 용어 "또는"은 포괄적인 "또는"을 지칭하기 위해 사용되므로 "A 또는 B"는 달리 표시되지 않는 한 "A", "B" 및 "A와 B"를 포함한다. 본 명세서에서, 용어 "포함(including)" 및 "여기서(in which)"는 각각 "포함(comprising)" 및 "여기서(wherein)"의 평이한 영어이다. 또한, 이하의 청구항에서, 용어 "포함"은 확장가능한 용어이므로, 청구항에서 이러한 용어 다음에 기록된 요소 이외의 시스템, 장치, 물품, 조성, 제제, 또는 공정도 그 청구항의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 더욱이, 다음의 청구항에서, 용어 "제 1", "제 2" 및 "제 3" 등은 단순한 표식으로서 사용된 것이고, 그 대상물 상에 수치적 요건을 부여하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에 기술된 방법 실시례는 적어도 부분적으로 기계나 컴퓨터로 구현되는 것이다. 일부의 실시례는 위의 실시례에 기술된 바와 같은 방법을 수행하도록 전자 디바이스를 구성하도록 동작가능한 명령어로 인코딩된 컴퓨터 판독가능 매체 또는 기계 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 이러한 방법의 구현형태는 마이크로코드, 어셈블리어 코드, 더 높은 수준의 언어 코드 등과 같은 코드를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 다양한 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능 명령을 포함할 수 있다. 이 코드는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다. 또한, 일 실시례에서, 코드는, 예를 들면, 실행 중이나 또는 다른 시간에 하나 이상의 휘발성, 비일시적, 또는 비휘발성 유형의 컴퓨터 판독가능 매체 상에 명백하게 저장될 수 있다. 이들 유형의 컴퓨터 판독가능 매체의 예는 하드디스크, 착탈식 자기 디스크, 착탈식 광 디스크(예를 들면, 컴팩트 디스크 및 디지털 비디오 디스크), 자기 카세트, 메모리 카드 또는 스틱, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기전용 메모리(ROM) 등을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
위의 설명은 예시를 위한 것이지, 제한을 위한 것이 아니다. 예를 들면, 위에서 설명된 실시예(또는 그것의 하나 이상의 양태)는 상호 조합되어 사용될 수 있다. 본 기술분야의 당업자는 위의 설명을 검토한 후에 다른 실시형태를 사용할 수 있다. 요약서는 독자가 기술적 개시시의 특질을 신속하게 확인할 수 있도록 37 C.F.R. §1.72(B)에 부합하기 위해 제공된다. 이것은 청구항 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하기 위해 사용되지 않는다는 양해 하에 제출되었다. 또한, 위의 상세한 설명에서, 다양한 특징들은 본 개시를 효율화하기 위해 병합될 수 있다. 이것은 청구되지 않은 개시된 특징이 임의의 청구항에 본질임을 의도하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 발명의 요지는 특정의 개시된 실시형태의 모든 특징보다 적은 수의 특징에 있을 수 있다. 따라서, 이하의 청구항은 실시례 또는 실시형태로서 상세한 설명에 포함되며, 각각의 청구항은 별개의 실시형태로서 독자적으로 존재하며, 이러한 실시형태는 다양한 조합 또는 치환으로 다른 실시형태와 조합될 수 있다. 본 발명 범위는 이러한 청구항에 속하는 등가의 모든 범위와 함께 첨부된 청구항에 준거하여 결정되어야 한다.

Claims (25)

  1. 전기전도성 실리콘 기판 및 상기 전기전도성 실리콘 기판에 접합된 프레임을 포함하는 바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리로서,
    상기 전기전도성 실리콘 기판은 납산 전해질 화학물질의 존재 하에서 상기 전기전도성 실리콘 기판의 표면을 전기적으로 전도성으로 만들고, 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막을 포함하고,;
    상기 프레임과 상기 전기전도성 실리콘 기판 사이의 계면은 기밀하게 실링되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    케이싱 세그먼트 및 열전도성 리브(rib)를 포함하고, 상기 열전도성 리브는 상기 케이싱 세그먼트 및 상기 프레임에 접합되고, 상기 프레임은 상기 열전도성 리브를 상기 전기전도성 실리콘 기판로부터 전기적으로 절연시키는 스페이서를 형성하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 지지 프레임을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은 바이폴라 배터리 케이싱의 케이싱 세그먼트에 접합되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 전기전도성 실리콘 기판의 표면의 주변의 전체의 주위에 연장되는 에지-시일(edge-seal)을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 전기전도성 기판 상에 에지-배제 영역(edge-exclusion region)을 형성하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 박막의 피복은 상기 에지-시일에 의해 상기 에지-배제 영역에서 억제되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 박막 중의 하나의 박막은 상기 전기전도성 실리콘 기판의 하나 이상의 표면 상에 형성된 금속 규화물을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속은 타이타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 또는 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    활성 재료의 접착을 촉진시키기 위해 상기 금속 규화물 상에 추가의 막이 피복되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 추가의 막은 납 금속(Pb) 또는 납-주석 합금(PbSn)을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 웨이퍼 접합용 접착제를 사용하여 웨이퍼에 접합되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 플라스틱, 세라믹, 또는 복합 재료를 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  14. 바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리로서,
    전기전도성 실리콘 기판;
    상기 전기전도성 실리콘 기판에 접합되는 스페이서 - 상기 전기전도성 실리콘 기판은 상기 전기전도성 실리콘 기판의 표면을 전기적으로 전도성으로 만들고, 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막을 포함함 -;
    케이싱 세그먼트; 및
    상기 케이싱 세그먼트 및 상기 스페이서에 접합된 열전도성 리브를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 열전도성 리브를 상기 전기전도성 실리콘 기판으로부터 전기적으로 절연시키는,
    바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 박막 중의 하나의 박막은 상기 전기전도성 실리콘 기판의 하나 이상의 표면 상에 형성된 금속 규화물을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속은 타이타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 팔라듐(Pd), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 또는 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리.
  17. 제 15 항에 있어서,
    활성 재료의 접착을 촉진시키기 위해 상기 금속 규화물 상에 추가의 막이 피복되는,
    바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 추가의 막은 납 금속(Pb) 또는 납-주석 합금(PbSn)을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 케이싱 어셈블리.
  19. 바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법으로서,
    전기전도성 실리콘 기판에 접합된 프레임을 접합하는 단계; 및
    납산 전해질 화학물질 중에서 상기 실리콘의 표면을 전도성으로 만들고 전기화학적으로 안정하게 만드는 하나 이상의 박막으로 상기 전기전도성 실리콘 기판을 개질시키는 단계를 포함하고,
    상기 프레임과 상기 전기전도성 실리콘 기판 사이의 계면은 기밀하게 실링되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기 어셈블리.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 전기전도성 실리콘 기판의 표면의 주변의 전체의 주위에 연장되는 에지-시일을 포함하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 전기전도성 기판 상에 에지-배제 영역을 형성하는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 박막의 피복은 상기 에지-시일에 의해 상기 에지-배제 영역에서 억제되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 프레임은 분자간 힘에 의해 직접 상기 전기전도성 실리콘 기판에 접합되는
    바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 프레임은 압축력 하에서 고온에서 접착제로 상기 웨이퍼에 접합되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 프레임은 플라즈마 활성화된 접합, 글래스 프릿(glass frit) 접합, 또는 양극 접합 중 하나 이상을 이용하여 상기 웨이퍼에 접합되는,
    바이폴라 납산 배터리용 집전기를 제공하는 방법.
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