KR100308692B1 - 전기화학 셀 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단위 셀들이 복수개 적층된 캐패시터 셀로 구성된 전기화학 셀을 제공한다. 상기 단위 셀은 하부 커버판과, 상기 하부 커버판의 둘레에 형성된 제1 가스킷과, 상기 제1 가스킷 및 하부 커버판 상에 형성되고 상기 하부 커버판의 중앙부에 대응되게 제1 전극이 입혀진 제1 콜렉터와, 상기 제1 전극 상에 형성된 다공성 분리기와, 상기 제1 가스킷 및 하부 커버판 상에 형성되고 상기 다공성 분리기 상에 대응되게 제2 전극이 입혀진 제2 콜렉터를 포함한다. 그리고, 상기 제1 가스킷 상의 제1 콜렉터 및 제2 콜렉터 상에 위치하는 제2 가스킷과, 상기 제2 가스킷, 제1 가스킷 및 제2 전극의 전면에 위치하고 상기 제1 가스킷 및 제2 가스킷을 이용하여 상기 하부 커버판과 실링할 수 있는 상부 커버판을 포함한다. 상기 제1 및 제2 가스킷은 아크릴레이트계의 양면 접착 필름으로 구성할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 가스킷으로 양면 접착 필름을 사용함으로 조립공정에서 가열 공정이 필요 없으며 다수개의 단위 셀을 적층하여도 적층된 단위 셀간의 두께의 편차를 줄일 수 있다.

Description

전기화학 셀 및 그 제조방법 {ELECTROCHEMICAL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전기화학 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위 셀간의 두께 편차가 작은 전기화학 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기화학 셀은 전지, 캐패시터, 연료전지 등에 이용된다. 상기 전기화학 셀은 제1 전극(양극), 제2 전극(음극), 상기 제1 전극과 제2 전극 사이를 절연하는 분리기(separator) 및 전해질로 구성된 단위 셀(unit cell)을 복수개 적층하여 형성된다.

전기화학 셀을 제조하기 위하여는 분리기를 포함하는 전극들에 전해질을 함침시키거나 전해질을 주입한 후 실링 공정을 진행해야 한다. 실링 공정은 먼저 전해질을 포함하는 단위 셀을 유기 폴리머로 구성된 진공팩에 넣는다. 이어서, 전해질의 누수가 없도록 가열 압착법에 의하여 유기 폴리머를 가열시켜 녹이고 이를 압착시킴으로써 완성한다. 상기 진공팩은 알루미늄과 같은 금속 박막 위에 절연용 유기 박막 및 저융점 유기 폴리머가 순차적으로 코팅되어 구조이다.

그런데, 종래의 진공팩을 이용한 전기화학 셀의 실링법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째로, 실링을 위한 가열압착시 외부로 노출되어 있는 콜렉터 전극과 진공팩 사이에서 누설이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

둘째로, 실링 공정을 효과적으로 수행하기 위해서 진공팩에 가열 압착되는 부분의 폭을 넓게 해야 하는 단점이 있다.

셋째로, 전해질의 주입시 내부의 기포 제거에 충분할 만큼의 진공처리를 하기 어려운 단점이 있다.

넷째, 종래의 실링법은 유기계 전해질을 이용할 수 있지만 수용액계 전해질을 이용하는 전기화학 셀에서는 수 볼트 급의 전기화학 셀을 만들기 위해서 단위셀마다 전해질을 격리시켜야 된다. 따라서, 단위 셀마다 진공팩으로 실링하고 이를 외부에서 연결해 주어야 하므로 최종 제품의 부피가 커지고 단위 셀간의 두께 편차가 커지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 일 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 전기화학 셀을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 전기화학 셀의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1 내지 도 6은 본 발명에 의한 전기화학 셀의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.

도 7은 본 발명에 의한 전기화학 셀이 최종적으로 완성된 상태를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 제1 콜렉터 3 : 제1 전극

a, c: 제1 및 제2 콜렉터 전극 b : 캐소드 전극

5 : 제2 콜렉터 7 : 제 2 전극

9 : 다공성 분리기 11 : 하부 커버판

13, 15 : 제1 및 제2 가스킷 17 : 상부 커버판

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단위 셀들이 복수개 적층된 캐패시터 셀로 구성된 전기화학 셀을 제공한다. 상기 단위 셀은 하부 커버판과, 상기 하부 커버판의 둘레에 형성된 제1 가스킷과, 상기 제1 가스킷 및 하부 커버판 상에 형성되고 상기 하부 커버판의 중앙부에 대응되게 제1 전극이 입혀진 제1 콜렉터와, 상기 제1 전극 상에 형성된 다공성 분리기와, 상기 제1 가스킷 및 하부 커버판 상에 형성되고 상기 다공성 분리기 상에 대응되게 제2 전극이 입혀진 제2 콜렉터를 포함한다. 그리고, 상기 제1 가스킷 상의 제1 콜렉터 및 제2 콜렉터 상에 위치하는 제2 가스킷과, 상기 제2 가스킷, 제1 가스킷 및 제2 전극의 전면에 위치하고 상기 제1 가스킷 및 제2 가스킷을 이용하여 상기 하부 커버판과 실링할 수 있는 상부 커버판을 포함한다.

상기 제1 및 제2 가스킷은 아크릴레이트계의 양면 접착 필름으로 구성할 수있으며, 상기 제1 및 제2 가스킷은 가운데에 두께를 유지하여 주는 아크릴 폼이 위치하고 위아래에는 접착력이 뛰어난 아크릴레이트계의 접착제가 입혀져 있는 삼중 구조로 구성할 수 있다. 상기 하부 커버판 및 상부 커버판은 폴리에틸렌, 폴리에스터, 폴리프로필렌 또는 폴리비닐크로라이드로 구성할 수 있다. 상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속 산화물, 탄소계 물질 또는 그 복합체, 또는 금속 질화물로 구성할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단위 셀들이 복수개 적층된 캐패시터 셀로 구성된 전기화학 셀의 제조방법을 제공한다. 상기 단위 셀의 제조방법은 외부에서 연결되는 제1 콜렉터 전극을 갖는 제1 콜렉터 상에 제1 전극을 형성하는 단계와, 외부에서 연결되는 제2 콜렉터 전극을 갖는 제2 콜렉터 상에 제2 전극을 형성하는 단계와, 상기 제1 콜렉터 상의 제1 전극과 제2 콜렉터 상의 제2 전극을 적층시키고 그 사이에 다공성 분리기를 삽입하는 단계와, 하부 커버판의 중앙부분을 노출시키면서 둘레 부분에 제1 가스킷을 부착하는 단계와, 상기 노출된 하부 커버판의 중앙부분에 상기 제1 전극, 다공성 분리기 및 제2 전극의 적층체를 위치시키는 단계와, 상기 제1 가스킷 상의 제1 콜렉터 전극 및 2 콜렉터 전극 상에 제2 가스킷을 부착시키는 단계와, 상기 제2 가스킷, 제1 가스킷 및 제2 전극의 전면에 상부 커버판을 부착시키는 단계를 포함한다.

이상과 같이 본 발명은 가스킷으로 양면 접착 필름을 사용함으로 조립공정에서 가열공정이 필요 없으며 다수개의 단위 셀을 적층하여도 적층된 단위 셀간의 두께의 편차를 줄일 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 전기화학 셀의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 개략도이다. 도 1 내지 도 6에 있어서, 각 도에 도시된 도면들 중, 상부 도면은 전기화학 셀의 구조를 설명하기 위한 개략도이고, 하부 도면은 전기화학 셀을 설명하기 위한 평면도이다.

도 1을 참조하면, 전기화학 셀에 이용되는 제1 콜렉터(1)를 준비한다. 상기 제1 콜렉터(1)는 전기 전도성이 높은 박막, 예컨대 얇은 금속판으로 두께는 20∼500㎛ 정도로 준비한다. 본 실시예에서 상기 제1 콜렉터(1)는 염산을 사용하여 표면 처리한 티타늄 박판을 이용한다.

이어서, 상기 제1 콜렉터(1)의 일부 표면 상에 제1 전극(3, 양극이나 음극)을 딥 코팅, 롤 캐스팅 또는 스크린 프린팅 등의 방법으로 형성한다. 이렇게 되면, 제1 콜렉터(1)는 제1 콜렉터 전극(a)과 그 외 부분(b)으로 나뉘어진다. 상기 제1 전극(3)은 금속 산화물, 탄소계 물질 또는 그 복합체, 또는 금속 질화물로 형성할 수 있다. 본 실시예에서 상기 제1 전극(3)은 망간 산화물을 도전체, 바인더 등과 혼합한 후 페이스트를 만든 후 스크린 프린팅법을 이용하여 형성한다. 이후에 상기 제1 전극(3)에 포함된 솔벤트를 120℃ 정도에서 휘발시킨다.

도 2를 참조하면, 도 1과 동일한 방법 및 구조로 제2 전극(7)이 형성된 제2 콜렉터(5)를 준비한다. 즉, 도 1과 같이 제2 콜렉터(5)를 준비한 후 제2 콜렉터(5) 상에 제2 전극(7)을 형성한다. 이렇게 되면 제2 콜렉터(5)는 제2 콜렉터 전극(c)과 그 외 부분(d)으로 구분된다.

이어서, 제1 전극(3)과 제2 전극(7)을 서로 서로 마주보게 위치시킨 후 그 사이에 다공성 분리기(9)를 삽입한다. 이렇게 되면, 제1 콜렉터 전극(a)과 제2 콜렉터 전극(c)이 외부로 돌출된 상태이며, 그 사이에는 다공성 분리기를 게재한 제1 전극(3) 및 제2 전극(7)이 위치한다.

도 3을 참조하면, 하부 커버판(11)을 준비한다. 상기 하부 커버판(11)은 절연 및 누수 방지를 위한 것으로 10∼2000㎜의 두께로 폴리에틸렌, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에스터 등의 유기 폴리머 재질의 필름을 이용한다.

다음에, 하부 커버판(11)의 둘레로 전해질의 누설을 방지할 수 있도록 수밀성과 기밀성을 갖고 절연 역할을 하는 제1 가스킷(13)을 접착시킨다. 상기 제1 가스킷(13)은 50㎛∼10㎜의 두께로 양면 접착 필름을 이용한다. 특히, 상기 제1 가스킷(13)은 가운데에 두께를 유지하여 주는 아크릴 폼이 위치하고 위아래에는 접착력이 뛰어난 아크릴레이트계의 접착제가 입혀져 있는 삼중 구조로 된 것을 이용할 수도 있고, 상기 아크릴 폼 없이 아크릴레이트계의 접착제로만 구성된 것을 이용할 수 도 있다. 이렇게 되면, 하부 커버판(11)의 중앙부는 노출되며, 둘레부는 제1 가스킷(13)이 접착되어 있다. 상기 제1 가스킷(13)의 한쪽 부분에는 전해질을 주입할 수 있는 통로가 형성되어 있을 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 3에 의하여 내부가 노출된 하부 커버판(11) 상에 도 2에 의하여 콜렉터들(1,5)과 다공성 분리기(9)가 겹쳐진 부재를 위치시킨다. 즉, 상기 노출된 하부 커버판(11)의 중앙 부분에 상기 제1 전극(3), 다공성 분리기(9) 및 제2 전극(7)의 적층체를 위치시킨다.

도 5를 참조하면, 제1 가스킷(13) 위에 위치한 제1 콜렉터 전극(a) 및 제2 콜렉터 전극(c) 상에 누수 방지를 위하여 양면 접착 필름으로 구성된 제2 가스킷(15)을 붙인다. 상기 제2 가스킷(15)은 제1 가스킷과 동일한 물질로 구성한다.

도 6을 참조하면, 상기 제2 가스킷(15) 및 제2 전극(7) 상의 전면에 상부 커버판(17)을 붙여 하나의 단위 셀을 제작한다. 이렇게 되면, 제1 콜렉터(1) 상에 제1 전극(3), 다공성 분리기(9), 제2 전극(7) 및 제2 콜렉터(5)가 순차적으로 형성된 구조의 단위 셀이 형성된다.

계속하여, 상기 단위 셀의 형성 과정을 수회 반복하면 단위 셀이 복수개 적층된 캐패시터 셀이 완성된다. 캐패시터 셀을 만들때는 상하부 커버판은 외부로 노출되는 부분은 두꺼운 것으로 내부에 격리막으로 사용되는 것은 얇은 것으로 사용하여 캐패시터 셀의 전체 두께를 줄이는 것이 유리하다. 이렇게 본 발명은 가스킷으로 양면 접착 필름을 사용함으로 종래와 같은 가열공정이 필요 없고 다수개의 단위 셀을 적층하여도 적층된 단위 셀간의 두께 편차를 줄일 수 있다.

다음에, 상기 복수개로 적층된 캐패시터 셀에 염화 칼슘 등의 전해질을 주입한 후 기포를 제거하여 전기화학 셀의 조립을 완료한다. 상기 전해질은 수용액계나 유기계 모두 사용할 수 있다. 그리고, 상기 전해질은 가스킷의 한쪽 면에 미리 제작된 전해질 주입구를 통하여 주입하거나 전해질을 전극에 미리 함침시킨다. 상기 전해질 주입구는 에폭시 수지로 밀봉시켜 전기화학 셀을 완성한다.

도 7은 본 발명에 의한 전기화학 셀이 최종적으로 완성된 상태를 설명하기위하여 도시한 개략도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 의한 전기 화학 셀은 단위 셀(e)이 복수개 증착된 구조이다. 상기 단위 셀은 하부 커버판(11)과, 상기 하부 커버판(11)의 둘레에 형성된 양면 접착 필름으로 가스킷(13)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부 커버판(11) 상에 상기 하부 커버판(11)의 중앙부에 대응되게 제1 전극(도시 안됨)이 입혀진 제1 콜렉터(1)가 형성되어 있으며, 제1 전극이 형성된 제1 콜렉터(1) 상에 다공성 분리기(9)가 형성되어 있다. 상기 가스킷(13) 및 다공성 분리기(9) 상에 제2 전극(도시 안됨)이 입혀진 제2 콜렉터(5)가 형성되어 있으며, 상기 가스킷(13) 및 제2 전극의 전면에 위치하고 상기 가스킷을 이용하여 상기 하부 커버판(11)과 실링할 수 있는 상부 커버판(17)이 형성되어 있다. 이렇게 본 발명은 양면 접착 필름을 가스킷으로 하여 실링하므로 가열공정이 필요 없으며 다수개의 단위 셀을 적층하여도 적층된 셀간의 두께의 편차를 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학 셀 및 그 제조방법에 의하면, 가스킷으로 양면 접착 필름을 사용함으로 기존의 폴리머를 녹여서 실링하는 작업에 비하여 조립공정에서 가열공정이 필요 없으며 다수개의 단위 셀을 적층하여도 적층된 셀간의 두께의 편차를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 전기 화학 셀은 종래의 진공팩 방법에 비하여 용이하게 다수개의 셀을 적층할 수 있으며, 전해질의 주입도 용이하고 전해질의 주입시 내부의 기포 제거에 충분할 만큼의 진공처리를 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 단위 셀들이 복수개 적층된 캐패시터 셀로 구성된 전기화학 셀에 있어서, 상기 단위 셀은 하부 커버판;

   상기 하부 커버판의 둘레에 형성된 제1 가스킷;

   상기 제1 가스킷 및 하부 커버판 상에 형성되고 상기 하부 커버판의 중앙부에 대응되게 제1 전극이 입혀진 제1 콜렉터;

   상기 제1 전극 상에 형성된 다공성 분리기;

   상기 제1 가스킷 및 하부 커버판 상에 형성되고 상기 다공성 분리기 상에 대응되게 제2 전극이 입혀진 제2 콜렉터;

   상기 제1 가스킷 상의 제1 콜렉터 및 제2 콜렉터 상에 위치하는 제2 가스킷; 및

   상기 제2 가스킷, 제1 가스킷 및 제2 전극의 전면에 위치하고 상기 제1 가스킷 및 제2 가스킷을 이용하여 상기 하부 커버판과 실링할 수 있는 상부 커버판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스킷은 아크릴레이트계의 양면 접착 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스킷은 가운데에 두께를 유지하여 주는아크릴 폼이 위치하고 위아래에는 접착력이 뛰어난 아크릴레이트계의 접착제가 입혀져 있는 삼중 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
4. 제1항에 있어서, 상기 하부 커버판 및 상부 커버판은 폴리에틸렌, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 및 폴리비닐크로라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속 산화물, 탄소계 물질, 금속 질화물 및 그 복합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
6. 단위 셀들이 복수개 적층된 캐패시터 셀로 구성된 전기화학 셀의 제조방법에 있어서, 상기 단위 셀의 제조방법은

   외부에서 연결되는 제1 콜렉터 전극을 갖는 제1 콜렉터 상에 제1 전극을 형성하는 단계;

   외부에서 연결되는 제2 콜렉터 전극을 갖는 제2 콜렉터 상에 제2 전극을 형성하는 단계;

   상기 제1 콜렉터 상의 제1 전극과 제2 콜렉터 상의 제2 전극을 적층시키고 그 사이에 다공성 분리기를 삽입하는 단계;

   하부 커버판의 중앙부분을 노출시키면서 둘레 부분에 제1 가스킷을 부착하는단계;

   상기 노출된 하부 커버판의 중앙부분에 상기 제1 전극, 다공성 분리기 및 제2 전극의 적층체를 위치시키는 단계;

   상기 제1 가스킷 상의 제1 콜렉터 전극 및 2 콜렉터 전극 상에 제2 가스킷을 부착시키는 단계; 및

   상기 제2 가스킷, 제1 가스킷 및 제2 전극의 전면에 상부 커버판을 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀의 제조방법.