KR100922855B1 - 쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀 - Google Patents

쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신뢰성과 생산성이 향상된 단순한 구조의 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 제공하는 것으로, 본 발명의 전기화학셀은, 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극; 다수의 상기 전극들을 포함하여 적층된 형태로 만들어진 전극조립체; 및 상기 전극조립체에서 직렬연결 순번이 동일한 상기 전극들이 병렬로 연결되도록 하는 전기적인 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전극, 도전성스트립, 적층, 병렬, 전기화학셀, 쿼지바이폴라

Description

쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀{Stacking Type Electrochemical Cell Having Quasi-Bipolar Structure}
본 발명은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀에 관한 것으로, 특히 직렬연결 순번이 동일한 전극들이 병렬로 연결된 전기화학셀에 관한 것이다.
일반적으로 전기화학셀은 모노폴라(Mono Polar) 구조를 가지며 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극은 집전체(Current Collector)에 형성된 양극 활물질(Positive Active Material)에 의해 만들어지는 양극전극(Positive Electrode)과 다른 집전체에 형성된 음극 활물질(Negative Active Material)에 의해 만들어지는 음극전극(Negative Electrode)으로 구성된다. 이러한 전극들은 반대 극성이 서로 마주보도록 배치되며 그 사이에 세퍼레이터(Separator)가 삽입된 단위셀(Unit Cell)을 구성한다.
도 1은 관련 기술의 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 관련 기술의 전기화학셀(10)은, 양극 전극(11), 음극 전 극(12), 세퍼레이터(13), 전해액(14), 단자(Terminal)들(15-1, 15-2), 케이스(16)로 구성된다. 이렇게 구성된 전기화학셀은 동작을 위한 최소한의 기본단위이며 이를 단위셀이라고 불리운다.
양극 전극(11)과 음극 전극(12)에는 전기에너지가 저장된다.
양극 전극(11)과 음극 전극(12) 사이에 삽입되는 세퍼레이터(13)는 전기적으로는 부도체이다. 그러나, 양극 전극(11)과 음극 전극(12)이 접촉되지 않는다면, 세퍼레이터(13)는 반드시 필요한 구성요소는 아니다. 최근 리튬폴리머전지 등에서 세퍼레이터 대신 사용되고 있는 고체전해질(Solid Polymer Electrolyte)은 액체전해질을 함유하고 있으며 여기에 함유된 이온에 의해 전기화학적인 반응이 이루어지므로 액체전해질을 사용하는 세퍼레이터 범주를 크게 벗어나지는 않는다.
세퍼레이터(13)는 전해액(14) 투과성을 갖도록 다공성 폴리머, 유리섬유 매트(Mat), 종이 등으로 만들어진다.
이러한 구조를 갖는 대부분의 전기화학 단위셀의 동작전압은 수 볼트에 불과하다. 전기화학셀 중에서 동작전압이 높은 리튬이온전지의 경우에도 단위셀의 공칭전압(Nominal Voltage)은 3.6V에 불과하다.
그러나 전기화학셀이 수십 볼트 내지는 수백 볼트가 요구되는 산업용 및 자동차용으로 사용되기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이 단위셀들(21, 22, 23)을 직렬로 연결해야 한다.
이렇게 여러 개의 단위셀들(21, 22, 23)을 직렬로 연결하는 것은 복잡한 구조 및 복잡한 조립공정이 필요하고 버스바(Bus Bar) 및 나사 등과 같은 부품이 추 가로 필요하며 부피와 중량도 증가하며, 전체적인 저항도 증가하게 된다. 도 2에서, 버스 바는 이웃한 단위셀들을 연결시켜 주고, 나사는 버스 바와 단위셀을 고정시켜 주는 역할을 한다.
이러한 단점들을 해소하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 바이폴라(Bipolar) 구조를 갖는 전기화학셀(30)이 개발되었다.
바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀(30)에서 전극은 집전체(31)의 양쪽 면이 서로 반대 극성을 갖도록 배치되며, 여기에서 전극들은 반대극성이 마주보도록 배치되고 그 사이에 세퍼레이터(32)가 삽입된다. 물론 이 구조에서 가장 아래쪽에 배치되는 전극과 가장 위쪽에 배치되는 전극은 집전체(31)의 단면에만 활물질층이 성형된다.
바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀(30)에 사용되는 전극을 제작하는데 있어서 양극 전극과 음극 전극에 사용되는 집전체(31)의 재질이 동일할 경우 시트 형상의 집전체(31) 양면에 양극 활물질층(33)과 음극 활물질층(34)이 만들어지지만 양극과 음극에 사용되는 집전체(31) 재질이 다른 경우 이종재질이 라미네이션된 형태를 가진 복합집전체가 사용된다. 도 3에서, 도면 부호 35는 가스켓이고, 도면 부호 36과 37은 단자이다. 여기서, 가스켓(35)은 단위셀을 밀봉하고 단위셀 사이의 전해액이 서로 격리되지 않을 경우 단위셀과 단위셀 사이에서 발생되는 누설전류, 부반응 (Side Reaction), 부반응에 의한 부식 등을 방지하는 전해액 밀봉 격리수단이다.
일반적으로 리튬이온전지의 양극에 사용되는 집전체의 재질은 알루미늄이며 음극에 사용되는 집전체의 재질은 구리이다. 바이폴라 구조를 갖는 리튬이온전지에 서 사용되는 집전체는 알루미늄 시트와 구리 시트가 라미네이션된 형태인 복층구조의 집전체가 사용될 수 있다. 일반적으로 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 사용되는 전극의 가장자리 부분에는 인접하는 단위셀 사이의 전해액이 서로 격리되지 않을 경우 단위셀과 단위셀 사이에서 발생되는 누설전류, 부반응 (Side Reaction), 부반응에 의한 부식 등을 방지하기 위해 가스켓이나 접착제 같은 전해액 격리수단이 설치된다. 같은 이유로 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에서 사용되는 전극의 집전체를 통하여 전해액이 투과하지 않도록 해야 한다.
이러한 바이폴라 구조는 인접하는 단위셀들 사이의 전해액 격리가 완벽하지 않을 경우 발생되는 단위셀 사이의 누설전류와 부식에 취약하며 이것의 원인이 되는 인접하는 단위셀 사이의 전해액 격리를 여러 가지 동작환경에서 장시간 동안 완벽하게 수행하는 것은 상당히 어려운 문제이다.
바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀이 갖는 또 하나의 단점은 용량(Capacity)이 큰 전기화학셀 제조가 어렵다는 것이다. 바이폴라 구조를 갖는 용량이 큰 전기화학셀을 제조하기 위해서는 전극의 면적을 증가시켜야 하지만 전극의 면적이 넓어질수록 구조적으로 취약해지며 서로 인접하는 단위셀 사이의 전해액 격리도 점점 어려워지며 각 단위셀에 전해액을 주입하는 것도 어려워진다. 더욱이 전해액이 스며든 전극과 세퍼레이터를 가지고 전기화학셀을 조립하는 것은 매우 번거로운 공정을 수반할 수밖에 없다.
한편, 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀과 유사한 구조를 갖는 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀도 개발되었다.
도 4는 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀(40)은, 집전체(41), 세퍼레이터(42), 양극 활물질층(43), 음극 활물질층들(44, 45), 가스켓(46)을 구비한다.
도 5는 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 사용되는 전극의 사시도이다. 바이폴라 구조의 전극에서 집전체 양쪽 면에 서로 반대 극성의 활물질층이 배치되는데 비해, 도 5에 도시된 바와 같이 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀(50)은, 집전체(51)와 집전체(52) 상에는 각각 양극 활물질층(53)과 음극 활물질층(54)이 형성되고 단자에 연결되는 모노폴라 전극, 집전체(56) 상에는 양극 활물질층(57)과 음극 활물질층(58)이 집전체 연장부(55)를 중심으로 이격되어 형성된 쿼지바이폴라 전극으로 구성된다.
이렇게 제작된 전극들을 서로 마주보는 전극면이 서로 반대극성을 갖도록 배치하고 그 사이에 세퍼레이터가 삽입된다. 쿼지바이폴라 구조에서는 쿼지바이폴라 전극의 나머지 한쪽이 인접하는 단위셀의 반대전극 역할을 하게 되는 것이다. 즉 서로 인접하는 단위셀들이 쿼지바이폴라 전극에 형성되어 있는 집전체 연장부에 의해 서로 직렬로 연결되는 구조이다. 바이폴라구조의 경우 전극의 수직한 방향으로 전류가 흐르는데 비하여 쿼지바이폴라 구조에서는 전극의 수평방향인 집전체면 방향으로 전류가 흐르게 되는 것이다. 한편 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에서 인접하는 단위셀 사이의 전해액을 격리하기 위해서는 쿼지바이폴라 전극의 가운데 부분인 집전체 연장부에 전해액이 투과하지 않고 부도체인 재질을 사용한 가스 켓이나 접착제 같은 전해액 격리수단이 사용된다. 그러나 전극의 활물질층과 세퍼레이터 이외에 여분의 전해액이 없는 경우 이러한 전해액 격리수단이 반드시 필요한 것은 아니다. 밀폐된 재결합 납축전지(Sealed Recombination Lead Acid Battery)의 경우 전극의 활물질층과 세퍼레이터를 제외한 나머지 부분에 여분의 전해액이 없으며 여분의 전해액이 존재하는 경우 전기화학반응에 의해 가스로 변환된다. 따라서 제한된 경우에 한하여 전해액 격리수단이 없는 경우도 존재할 수 있다.
한편 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 사용되는 전극을 만드는데 있어서 양극과 음극에 사용되는 집전체의 재질이 동일할 경우 시트, 메쉬, 그리드 형태의 집전체에 일반적인 활물질성형방법을 사용하여 전극이 만들어지지만 양극과 음극에 사용되는 집전체의 재질이 다른 경우 집전체의 가장자리 부분에 활물질이 존재하지 않도록 양극전극과 음극전극을 만든 후 활물질이 존재하지 않는 부분을 용접 같은 전기적인 접속방법을 이용하여 전기적으로 연결하여 전극을 만들 수도 있다. 또한 일반적으로 활물질층이 집전체 표면에 잘 부착되도록 하기 위해 알루미늄 에칭포일처럼 집전체의 표면을 처리함으로써 표면적을 증가시킨 집전체가 많이 사용된다.
대용량 쿼지바이폴라 구조 중의 하나는 단위셀을 여러 개의 전극으로 적층하는 방법으로, 이 방법에서는 전극의 집전체 한 쪽에 양극 또는 음극을 형성시키고 다른 쪽에 반대 극성을 갖는 전극을 형성시키고, 집전체의 반대쪽 면에도 앞뒷면이 동일한 극성을 갖도록 양극과 음극을 형성시키고, 양극과 음극 사이에 활물질이 존재하지 않는 집전체 연장부를 앞뒷면에 형성한다. 이렇게 만들어진 전극은 한쪽 극 성이 인접하는 셀에서 반대극성으로 사용됨으로서 단위셀들이 직렬로 연결된다. 이러한 것들을 도 6에 도시된 바와 같이 전극들이 서로 반대 극성을 갖는 면이 마주보도록 배치하고 그 사이에 세퍼레이터를 삽입하는 방법으로 여러 개를 적층한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이 적층된 쿼지바이폴라 전기화학셀(60)은, 음극 활물질층들(61, 62), 세퍼레이터(63), 양극 활물질층(64), 집전체(65), 및 가스켓(66)을 구비한다. 여기에서, 전극의 가운데에 위치하는 집전체 연장부인 집전체 사이와 전극과 케이스 사이에는 전기적으로 부도체이며, 전해액이 투과하지 못하는 재질로 만들어진 가스켓이나 접착제 등을 사용하여 인접하는 단위셀 사이의 전해액을 격리하는 수단이 설치될 수도 있다.
미국특허 US3167456은 세퍼레이터를 사용하지 않고 전해액 격리수단으로 사용한 스페이서(Spacer)에 의해 전극의 양쪽 부분이 지지된 구조를 제안하고 있다. 미국특허 US3941615과 미국특허 US4734977은 전해액 격리수단과 세퍼레이터를 사용한 구조를 제안하고 있다. 미국특허 US4504556, US4964878은 단위셀 사이의 전해액을 격리하기 위한 수단을 사용하지 않은 구조를 제안하고 있다.
이러한 적층형 쿼지바이폴라 구조는 단위셀 사이의 전해액을 격리시키기 위한 수단을 사용하지 않거나 사용하는 경우에도 전기적으로 부도체인 재질이 사용되므로, 단위셀 내에서 적층된 같은 극성의 전극들이 병렬로 연결되지 않게 된다. 이러한 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전압 변화에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 관련 기술의 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전압 변 화를 설명하기 위한 예시도이다. 도 7에서, 도면 부호 71, 72, 73, 74는 각각 집전체, 전해액 격리벽, 활물질층, 세퍼레이터이다. 여기서, 하나의 활물질층의 용량은 "2C+Δ"이며 나머지는 2C이다.
도 7을 참조하면, 부도체로 형성된 각 격리벽 내에 전극들이 2개의 층으로 적층되어 있는 2직렬 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는다. 계산을 용이하게 하기 위해 전기화학셀이 전기이중층캐패시터라고 가정하면 전기이중층 캐패시터를 방전상태에서 충전할 때 전압변화들은 다음 수학식들과 같이 계산된다.
V1 = 2(4C+Δ)It/C(16C+7Δ)
V2 = 4(2C+Δ)It/C(16C+7Δ)
V3 = (8C+3Δ)It/C(16C+7Δ)
V4 = (8C+3Δ)It/C(16C+7Δ)
상기 수학식들을 통해 계산된 결과에서 나타나듯이 격리벽 내에서 전극의 용량이 다를 경우 동일한 극성이라 하더라도 전압편차가 발생되는 것이다. 또한 격리벽 내에 존재하는 적층된 전극들 중에서 일부가 단락되는 경우에도 전압편차가 발생되는 것이다. 또한 전술한 바와 같이 바이폴라 또는 쿼지바이폴라 구조의 가장 큰 단점중의 하나는 단위셀 사이의 전해액 가교(Electrolyte Bridge)에 의한 단위 셀 사이에 누설전류가 발생한다는 것이며 적층형 쿼지바이폴라 구조의 경우에는 부분적인 전해액 가교에 의한 누설전류에 의해 격리벽 내에 존재하는 동일극성의 전극 사이에 전압편차가 발생될 가능성도 존재하는 것이다. 이러한 전압편차는 전기화학셀의 수명 및 신뢰성에 매우 큰 영향을 미친다. 따라서 바이폴라 구조나 쿼지바이폴라 구조는 구조적인 취약점 때문에 전압균등화 수단이 더욱 더 필요한 것이다. 그러나 적층형 쿼지바이폴라 구조의 경우 전압균등화를 위해 각 격리벽 내에 설치된 모든 전극에 전압균등화를 위한 연결도체를 모든 전극에 연결해야 한다. 이를 위해서는 매우 복잡한 구조가 필요하게 되며 조립도 매우 복잡해진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 직렬연결 순번이 동일한 전극들이 병렬로 연결된 쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전압균등화를 위해 외부에서 전극과의 전기적인 연결수단을 제공함으로써 신뢰성이 향상된 쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 생산성이 높고 단순한 구조를 갖는 쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 쿼지바이폴라 구조를 갖게 함으로서 모듈화된 전기화학셀들을 직렬로 연결하는데 있어서, 구조를 단순화시키고 조립의 용이성을 높일 수 있는 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학셀은, 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극; 다수의 상기 전극들을 포함하여 적층된 형태로 만들어진 전극조립체; 및 상기 전극조립체에서 직렬연결 순번이 동 일한 상기 전극들이 병렬로 연결되도록 하는 전기적인 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기화학셀은, 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극; 다수의 상기 전극들을 포함하여 적층된 형태로 만들어진 다수의 전극조립체들; 및 두 개의 상기 전극조립체들이 직렬로 연결되도록 전기적인 연결부를 갖고 직렬로 연결되는 두 개의 상기 전극조립체들의 단자로 사용되는 한 개 이상의 일체형 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성들을 갖는 본 발명의 전기화학셀은, 신뢰성을 향상시키고 구조를 단순화시키며 조립의 용이성을 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 전기화학셀은, 모듈화된 전기화학셀들을 직렬로 연결하는데 있어서, 구조를 단순화시키고 조립의 용이성을 높일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 적 층형 전극을 나타낸 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학셀은, 모노폴라 전극(110)과 쿼지바이폴라 전극(120)을 구비한다.
모노폴라 전극(110)은 외부 단자(terminal)에 접속되며 포일(foil) 형태의 집전체(111), 집전체 연장부(111-1), 및 집전체(111) 상에 형성된 양극 또는 음극 활물질층(112)을 갖는다. 집전체(111)의 양면에 활물질층(112)을 형성시키는 경우 양쪽 면에 형성된 활물질층은 동일한 극성을 가지며 두 개의 활물질층들(112)이 집전체(111)를 사이에 두고 겹쳐지도록 제작된다. 즉 활물질층(112)의 폭과 위치가 동일하도록 제작된다.
쿼지바이폴라 전극(120)은 포일 형태의 집전체(121)의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층(122)과 음극 활물질층(123)을 갖고 양극 활물질층(122)과 음극 활물질층(123) 사이에 집전체 연장부(121-1)가 만들어진다. 쿼지바이폴라 전극(120)은 서로 반대 극성을 갖는 면이 마주보도록 겹쳐지고 그사이에 세퍼레이터가 삽입되어 하나의 단위셀을 형성한다. 그리고 쿼지바이폴라 전극(120)의 나머지 반쪽은 인접하는 단위셀의 반대극으로 사용된다. 집전체(121)의 양쪽 면에 활물질층을 형성시키는 경우 양극 활물질층(122)과 음극 활물질층(123)은 집전체(121)의 반대면에 동일한 극성이 위치하도록 제작되어 집전체(121)를 기준으로 양쪽 면에 위치하는 동일극성을 갖는 활물질층의 폭과 위치는 같으며 일반적으로 쿼지바이폴라 전극의 양극 활물질층과 음극 활물질층, 모노폴라 전극의 양극 활물질층과 음극 활물질층의 폭은 모두 동일하다.
전기화학셀이 전기이중층캐패시터일 경우 집전체의 재질로는 알루미늄이 많이 사용되며, 양극과 음극용 활물질로는 분말상의 활성탄소가 많이 사용되고 분말상의 활성탄소는 바인더, 도전제, 용매와 함께 혼합되어 슬러리(slurry)나 페이스트(paste)로 만들어진 후 집전체에 직접 코팅하여 활물질층을 형성시키거나 시트 형태의 활물질층을 제작하여 집전체와 접착하여 전극으로 사용된다. 또한 다른 전기화학셀의 전극처럼 활물질층이 집전체면에 잘 부착되도록 하기 위해 알루미늄 에칭포일과 같이 표면처리로 표면적을 증가시킨 집전체가 많이 사용된다. 전기이중층캐패시터에서 대부분의 경우 양극과 음극을 특별히 구분하지는 않는다. 그러나 일반적으로 전기화학셀에서 양극과 음극에는 다른 종류의 활물질이 사용되므로 양극과 음극은 구분된다. 또한 양극과 음극에 다른 재질의 집전체가 사용될 수 있다. 리튬이온전지의 경우 집전체 재질로 알루미늄과 구리가 각각 사용된다. 집전체의 재질이 다를 경우 각각의 전극을 제작한 후 이를 용접과 같은 방법으로 접합하여 쿼지바이폴라 전극을 제작할 수도 있다. 이때 접합선이 집전체 연장부내에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 전극들을 케이스에 적층시키는 상태를 나타낸 도면으로서, 도 8에서와 같이 제조된 본 발명의 전극들을 이용하여 적층형 4직렬 쿼지바이폴라 전기화학셀을 제조하는 과정을 개시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 케이스 내에 전극들이 적층되고 있는 과정을 나타낸 사시도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 전기화학셀은, 도 8에 도시된 다수의 모노폴라 전극들(110)과 다수의 쿼지바이폴라 전극들(120)을 구비하고, 다수의 모노폴라 전극들(110)과 다수의 쿼지바이폴라 전극들(120)이 적층될 수 있는 수납 공간을 갖는 케이스(130)를 구비한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 좌측과 우측에는 서로 반대 극성의 모노폴라 전극들(110)이 배치된다. 또한 쿼지바이폴라 전극(120)의 활물질층은 세퍼레이터 양쪽 면에 다른 쿼지바이폴라 전극(120)의 반대 극성을 가진 활물질층 또는 반대 극성을 가진 모노폴라 전극(110)과 마주보도록 배치된다. 그리고 쿼지바이폴라 전극들(120)의 집전체 연장부에는 도전성 스트립(140)이 배치된다.
도 10에서 개시된 것처럼, 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부에 설치된 도전성 스트립(140)은 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부에 삽입되어 동일한 위치에 적층된 인접한 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부를 전기적으로 연결한다.
도 10을 참조하여 더 구체적으로 설명하면, 모노폴라 전극(110)들은 단자에 연결되어 병렬로 연결되고 도 10에서 왼쪽 모노폴라 전극(110)들과 마주보도록 배치되어 적층된 첫 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들은 첫 번째 직렬을 형성하고, 왼쪽에서 첫 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들과 마주보도록 배치되어 적층된 왼쪽에서 두 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들은 두 번째 직렬을 형성하며, 왼쪽에서 두 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들과 마주보도록 배치되어 적층된 왼쪽에서 세 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들은 세 번째 직렬을 형성하고, 왼쪽에서 세 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들과 마주보도록 배치되어 적층된 오른쪽 모노바이폴라 전극(110)들은 네 번째 직렬을 형성하게 된다. 이렇게 적층된 전극조립체에서 첫 번째 직렬을 형성하는 쿼지바이폴라 전극(120)들을 서로 전기적으로 연결하고, 두 번째 직렬을 형성하는 두 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들을 서로 전기적으로 연결하고, 세 번째 직렬을 형성하는 세 번째 쿼지바이폴라 전극(120)들을 서로 전기적으로 연결하는 방식에 의해, 적층된 전극들 중에서 직렬연결 순번이 동일한 쿼지바이폴라 전극(120)들은 서로 전기적으로 연결된다. 직렬연결 순번이 동일한 전극들은 당연히 극성이 동일하며 대부분의 경우 동일한 위치에 적층된다.
도 9에서 개시된 것과 같이 두께가 두꺼운 도전성 스트립(140)을 사용하거나 보다 안정된 전기적인 연결을 위해 도전성 스트립(140)에 도전성 접착제(150)을 도포하여 도전성 스트립(140)과 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부를 접착할 수 있다.
도전성 스트립(140)은 금속으로 만들어진 것과 필러로 흑연분말이나 탄소섬유 같은 도전성 물질을 함유한 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 같은 도전성 수지로 만들어진 것 등이 사용될 수 있다. 도전성 스트립(140)의 재질로 금속을 사용하는 경우 집전체 재질과 동일한 계열의 재질을 사용하는 것이 더욱 바람직하며 도전성 스트립(140)이 금속으로 만들어진 경우 집전체 연장부와 용접이나 솔더링 같은 방법을 이용하여 접속될 수도 있다. 또한 도전성 스트립(140)이 폴리에틸렌 같은 열가소성수지를 사용하여 만들어진 경우 열융착을 통해 집전체 연장부에 접착될 수도 있다. 또한 도전성 스트립(140)을 사용하지 않고 도전성 접착제만을 사용하여 동일한 위치에 적층된 인접한 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부를 전기적으로 연결하는 것도 가능하다.
또한 도전성 스트립이나 도전성 접착제 같은 전기적인 연결수단은 단위셀 사이의 전해액을 격리시키는 전해액 격리수단으로 사용될 수도 있다. 전해액 격리수단으로 사용되기 위해서는 도전성 스트립 및 도전성 접착제가 전해액이 투과하지 않는 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 방법으로 동일한 위치에 적층된 동일한 극성을 갖는 쿼지바이폴라 전극들은 병렬로 연결되며 전체적으로 병렬로 연결된 단위셀들이 직렬로 연결되는 구조를 갖게 된다.
이와 같이 단위셀을 구성하는 동일한 극성을 갖는 쿼지바이폴라 전극들을 병렬로 연결함으로써 특정 전극에서 용량차이가 발생하더라도 전극들이 병렬로 연결됨에 따라 전체용량은 증가하므로 용량차이가 차지하는 비율은 작아진다. 실제 전압편차에 영향을 미치는 것은 비율이므로 전압편차가 작아지게 된다. 도 7에서처럼 동일한 극성을 갖는 전극들이 병렬로 연결되지 않을 경우 용량이 2C+Δ인 활물질층의 용량편차를 비율로 환산하면 Δ/2C가 되며 도 7에서 격벽이 도체로 만들어져 동일한 극성을 갖는 전극이 병렬로 연결되면 용량은 4C+Δ가 되고 이를 비율로 환산하면 Δ/4C가 된다. 따라서 동일한 극성을 가진 전극들을 병렬로 연결하면 용량편차가 작아지게 되며 전압편차도 작아지게 된다.
일반적으로 전극제조과정에서 용량편차는 평균값을 기준으로 양(Positive)의 값을 갖거나 음(Negative)의 값을 갖는다. 따라서 각각은 약간의 편차를 가지고 있지만 이들을 병렬로 연결하면 점점 평균값에 가까워지게 된다. 이러한 이유로 동일 한 극성을 갖는 전극들이 병렬로 연결되어 형성된 단위셀들이 직렬로 연결된 전기화학셀에서 단위셀 사이의 전압편차를 축소할 수 있다.
또한 각 전극에 누설전류 편차가 존재하거나 일부 전극에 미세한 단락이 발생하더라도 동일한 위치에 적층된 동일한 극성을 갖는 전극들을 병렬로 연결하여 단위셀을 구성함으로서 직렬로 연결된 단위셀 사이의 전압편차를 완화시킬 수 있게 된다.
전술한 바와 같이 동일한 위치에 적층되는 동일한 극성을 갖는 쿼지바이폴라 전극들을 병렬로 연결하여 단위셀을 구성함으로서 직렬로 연결된 단위셀 사이의 전압편차를 억제하여 전기화학셀의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 이러한 구조를 사용함으로서 단위셀 사이의 전압균등화를 위해 각 단위셀에 하나의 도선 연결만이 필요하므로 전압균등화를 위해 전극과 전기적인 연결이 간단하고 쉬워진다.
동일한 위치에 적층되는 쿼지바이폴라 전극들을 병렬로 연결하는 방법으로 전술한 방법과는 다른 방법이 사용될 수 있다.
다른 예로서, 도 11a에 도시된 바와 같이 도전성 스트립과 집전체를 일체화시킨 일체형 스트립 형태의 집전체를 이용하여 동일한 위치에 적층되는 쿼지바이폴라 전극들을 병렬로 연결시킬 수 있다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 모노폴라 전극(110)은 스트립 형태의 집전체(160)를 구비할 수 있다. 이 경우, 모노폴라 전극(110)의 집전체(160)의 일측단은 두껍게 형성되어 도전성 스트립(140)이 집전체 연장부에 설치된 것과 동일한 형 태를 갖는다. 물론 모노폴라 전극들은 단자에 연결되어 단자를 통해 병렬로 연결되기 때문에 도 11a와 같은 구조가 반드시 필요한 것은 아니다.
쿼지바이폴라 전극(120)도 일체형 스트립 형태의 집전체(170)를 구비할 수 있으며, 이 경우 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체(170)의 집전체 연장부 또는 집전체 연장부의 일부분이 두껍게 형성되어 도전성 스트립(140)이 집전체 연장부에 설치된 것과 동일한 형태를 갖는다.
또한 도 11b에 도시된 바와 같이, 일체형 스트립 형태의 집전체들(160, 170)의 집전체 연장부에 두꺼운 부분의 상단과 하단을 요철 형상으로 형성시킬 수도 있다.
도 12는 도 11b에 개시된 전극들의 적층 상태를 나타낸 사시도로서, 적층형 4직렬 쿼지바이폴라 전기화학셀의 전극조립체를 개시한 것이다.
도 12에서와 같이, 일체형 스트립 형태의 집전체들(160, 170)의 집전체 연장부는 용접이나 도전성 접착제(150) 같은 접합수단에 의해 접합될 수도 있다.
이러한 일체형 스트립 형태의 집전체를 갖는 구조는 전극과 세퍼레이터를 사용하여 전극조립체를 조립하는 공정에서 각 전극들을 일정한 위치에 정렬시킬 수 있으므로 용이하게 정밀한 조립을 행할 수 있다. 또한 전극조립체가 수납되는 케이스에 일체형 스트립 형태의 집전체가 맞물리는 부분을 형성시키면 조립의 용이성은 물론 케이스에 전극조립체를 고정시킬 수 있어 전기화학셀 사용 중 진동 등에 의해 케이스에서 전극조립체가 이동하는 것을 방지할 수 있다.
또한 쿼지바이폴라 구조를 갖는 적층형 전기화학셀에는 각 단위셀에 전해액 을 주입하고 전압균등화 같은 전기적인 동작을 위하여 외부에서 전극과의 전기적인 연결을 위한 연결수단을 갖출 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 적층된 전극조립체의 하단부에 설치되는 코어의 사시도이다.
도 13a를 참조하면, 도 10이나 도 12에서와 같이 적층된 전극조립체의 하단부에 설치되는 코어는, 제 1 단위셀의 전극들이 위치하는 제 1 단위셀 구역(181-1)과, 제 2 단위셀의 전극들이 위치하는 제 2 단위셀 구역(181-2)과, 제 3 단위셀의 전극들이 위치하는 제 3 단위셀 구역(181-3)과, 제 4 단위셀의 전극들이 위치하는 제 4 단위셀 구역(181-4)을 구비한다.
그리고, 본 발명에 따른 전기화학셀의 코어(180)는, 제 1 단위셀 구역(181-1)의 외측단에 부착된 제 1 도전성 스트립(182-1)과, 제 1 및 제 2 단위셀 구역(181-1, 181-2) 사이에 부착된 제 2 도전성 스트립(182-2)과, 제 2 및 제 3 단위셀 구역(181-2, 181-3) 사이에 부착된 제 3 도전성 스트립(182-3)과, 제 3 및 제 4 단위셀 구역(181-3, 181-4) 사이에 부착된 제 4 도전성 스트립(182-4)과, 제 4 단위셀 구역(181-4)의 외측단에 부착된 제 5 도전성 스트립(182-5)을 구비한다.
제 1 도전성 스트립(182-1)과 제 5 도전성 스트립(182-5)은 단자에 연결되는 모노폴라 전극에 연결되는 것으로 외부에 노출된 단자에 직접 연결하는 것이 가능하므로 반드시 필요한 것은 아니다.
제 1 도전성 스트립(182-1)의 외측단의 코어(180)의 가운데 부분에는 도선을 삽입하기 위한 5개의 도선 홀들(183-1 내지 183-5)이 형성된다.
제 5 도전성 스트립(182-5)의 외측단의 코어(180)의 가운데 부분에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입홀(184)이 형성된다.
제 1 단위셀 구역(181-1)에는 전해액 주입홀(184)과 연결된 2개의 전해액 주입홀들(185-1, 185-2)이 형성되며, 이 전해액 주입홀들(185-1, 185-2)은 전해액 주입홀(184)을 통해 주입된 전해액이 제 1 단위셀로 유입되도록 한다.
제 2 단위셀 구역(181-2)에는 전해액 주입홀(184)과 연결된 2개의 전해액 주입홀들(185-3, 185-4)이 형성되며, 이 전해액 주입홀들(185-3, 185-4)은 전해액 주입홀(184)을 통해 주입된 전해액이 제 2 단위셀로 유입되도록 한다.
제 3 단위셀 구역(181-3)에는 전해액 주입홀(184)과 연결된 2개의 전해액 주입홀들(185-5, 185-6)이 형성되며, 이 전해액 주입홀들(185-5, 185-6)은 전해액 주입홀(184)을 통해 주입된 전해액이 제 3 단위셀로 유입되도록 한다.
제 4 단위셀 구역(181-4)에는 전해액 주입홀(184)과 연결된 2개의 전해액 주입홀들(185-7, 185-8)이 형성되며, 이 전해액 주입홀들(185-7, 185-8)은 전해액 주입홀(184)을 통해 주입된 전해액이 제 4 단위셀로 유입되도록 한다.
이러한 전해액 주입홀들(185-1 내지 185-8)은 전극조립체의 전극의 집전체 연장부 내에 위치하도록 형성된다.
제 1 도전성 스트립(182-1) 하부의 코어(180)에는 도선 홀(183-1)과 연결된 연결 홀(186-1)이 형성된다.
제 2 도전성 스트립(182-2) 하부의 코어(180)에는 도선 홀(183-2)과 연결된 연결 홀(186-2)이 형성된다.
제 3 도전성 스트립(182-3) 하부의 코어(180)에는 도선 홀(183-3)과 연결된 연결 홀(186-3)이 형성된다.
제 4 도전성 스트립(182-4) 하부의 코어(180)에는 도선 홀(183-4)과 연결된 연결 홀(186-4)이 형성된다.
제 5 도전성 스트립(182-5) 하부의 코어(180)에는 도선 홀(183-5)과 연결된 연결 홀(186-5)이 형성된다.
도 13b에 도시된 바와 같이, 도선 홀(183-1)을 통해 삽입된 제 1 도선(187-1)은 연결 홀(186-1)을 통해 제 1 도전성 스트립(182-1)에 접합된다. 여기서, 제 1 도전성 스트립(182-1)은 제 1 단위셀에서 단자와 연결되는 모노폴라 전극(110)의 집전체 연장부(111-1)에 연결된다.
도선 홀(183-2)을 통해 삽입된 제 2 도선(187-2)은 연결 홀(186-2)을 통해 제 2 도전성 스트립(182-2)에 접합된다. 여기서, 제 2 도전성 스트립(182-2)은 제 2 도전성 스트립(182-2)을 지나는 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부(121-1)에 연결된다.
도선 홀(183-3)을 통해 삽입된 제 3 도선(187-3)은 연결 홀(186-3)을 통해 제 3 도전성 스트립(182-3)에 접합된다. 여기서, 제 3 도전성 스트립(182-3)은 제 3 도전성 스트립(182-3)을 지나는 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부(121-1)에 연결된다.
도선 홀(183-4)을 통해 삽입된 제 4 도선(187-4)은 연결 홀(186-4)을 통해 제 4 도전성 스트립(182-4)에 접합된다. 여기서, 제 4 도전성 스트립(182-4)은 제 4 도전성 스트립(182-4)을 지나는 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부(121-1)(121-3)에 연결된다.
도선 홀(183-5)을 통해 삽입된 제 5 도선(187-5)은 연결 홀(186-5)을 통해 제 5 도전성 스트립(182-5)에 접합된다. 여기서, 제 5 도전성 스트립(182-5)은 제 4 단위셀에서 단자와 연결되는 모노폴라 전극(110)의 집전체 연장부(111-1)에 연결된다. 제 5 도선(187-5)이 삽입되는 도선 홀(183-5)에는 전해액 주입홀이 만들어지지 않는 반면에, 제 1 내지 제 4 도선(187-1 내지 187-4)이 삽입되는 도선 홀에는 전해액 주입홀이 형성된다.
한편, 동일한 도선 홀에 형성되는 전해액 주입홀과 연결 홀은 하나의 장공형태의 홀로 대치할 수 있다.
본 발명에서, 도전성 스트립과 도선의 재질은 알루미늄이나 구리 같은 금속을 사용하는 것이 바람직하며 집전체 재질과 동일한 계열의 재질을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 도선과 도전성 스트립은 용접과 같은 방법으로 접합될 수 있으며 도전성 스트립을 사용하지 않고 도선을 코어 표면에 약간 돌출시키거나 코어의 외부로 인출된 도선의 일부를 도전성 스트립 대신 사용할 수도 있다. 도전성 스트립은 접착제나 테이프 같은 접착수단을 통해 코어(180)의 표면에 부착될 수 있다.
코어(180)의 재질은 열가소성 수지, 열경화성 수지, 에폭시 같은 레진을 사용하여 만들거나 알루미늄과 같은 금속을 사용하여 만들 수 있다. 만약 금속으로 만들어진 코어(180)을 사용할 경우 코어(180)의 내부에 삽입되는 도선은 열가소성 수지 같은 절연피복으로 보호되어 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 코어(180)의 표면은 전기화학적인 특성을 강화하기 위해 폴리에티렌, 폴리프로필렌, PTFE, PPS 같은 필름이나 코팅으로 보호될 수 있으며 코어(180)에 설치되는 전극을 고정시키기 위해 코어(180)의 표면에 접착제, 테이프, 열가소성 수지필름 같은 것으로 만들어진 접착층이 설치될 수 있으며 또한 코어(180)의 표면에 단위셀 사이에 설치되며 전해액 격리수단으로도 사용될 수 있는 도전성 접착성 물질을 포함하는 전기적인 연결수단과의 접착력을 강화시킬 수 있는 수단이 설치될 수 있다. 예를 들어 전기적인 연결수단으로 흑연분말이나 탄소섬유 같은 필러를 함유한 도전성 폴리에틸렌을 사용하는 경우에 코어(180) 표면을 폴리에틸렌 필름으로 라미네이션하여 사용하고 조립 후 폴리에틸렌 녹는점 이상의 온도에서 전극조립체를 건조시키면 코어(180) 표면과의 접착력을 강화시킬 수 있다. 또한 코어(180)가 알루미늄과 같은 금속으로 만들어져 있는 경우 전기적인 절연을 위해 코어(180)의 표면에 절연층을 형성시키는 것도 필요하다.
도 14는 본 발명에 따른 적층형 전극들과 도 13b에 도시된 코어의 분리 상태를 나타낸 사시도로서, 각 단위셀의 전극과 도선을 연결하기 위해 도전성 스트립이 부착된 코어을 사용하여 전기화학셀을 조립하는 것을 개시한 것이다.
도 14를 참조하면, 모노폴라 전극의 집전체 연장부(111-1)나 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부(121-1)와 접착되는 코어(180)의 제 1 내지 제 5 도전성 스트립(182-1 내지 182-5) 상부에는 도전성 접착제(190)가 도포된다. 따라서, 모노폴라 전극의 집전체 연장부(111-1)나 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부(121-1)는 도전 성 접착제(190)에 의해 대응되는 도전성 스트립에 접착되어 전기적으로 접속된다. 또한 도전성 접착제 대신 용접이나 솔더링을 이용하여 모노폴라 전극의 집전체 연장부(111-1)나 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부(121-1)와 코어(180)의 제 1 내지 제 5 도전성 스트립(182-1 내지 182-5)을 접속시킬 수도 있다.
서로 마주보도록 배치된 반대극성을 갖는 전극들의 활물질층들 사이에는 세퍼레이터(210)가 배치된다.
쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부(121-1) 상에 배치되는 도전성 스트립(140)은 동일한 위치에 적층되는 동일한 극성의 쿼지바이폴라 전극을 병렬로 연결시키며 단위셀 사이의 전해액 격리수단으로 사용될 수 있다. 도전성 스트립(140)과 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부 사이를 전기적으로 안정되게 접속시키고 전해액 격리효과를 높이기 위해 도전성 스트립(140)과 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부를 도전성 접착수단을 사용하여 접착시키는 것이 바람직하다.
도 15a는 도 14에서와 같이 조립된 코어와 적층된 전극들을 케이스 내에 수납하여 본 발명에 따른 전기화학셀을 조립하는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 15b는 본 발명에 따른 전기화학셀의 외형을 나타낸 사시도로서, 조립된 적층형 4직렬 쿼지바이폴라 전기화학셀이다.
도 15a를 참조하면, 도 14에서와 같이 조립된 코어(180)와 적층된 전극들이 케이스(130) 내에 수납된 상태에서, 커버(131)를 이용하여 케이스(130)의 상단을 덮고, 케이스(130)의 개방된 양측단들을 단자들(132)을 이용하여 밀봉한다. 여기서, 케이스(130)의 양측단에 단자들(132)을 끼운 후, 단자(132)의 그루브(132-1)에 레이저를 조사하여, 양쪽 끝에 위치하는 단위셀들의 모노폴라 전극(110)의 집전체 연장부(111-1)와 단자(132)를 접속한다.
이와 같은 구조를 사용함으로서 단위셀 사이에 전해액 격리수단을 설치하더라도 단위셀들은 코어 내부에 형성된 도선 홀에 연결되어 있는 연결 홀이나 전해액 주입홀에 의해 서로 연결되므로 모든 단위셀에는 동일한 압력이 인가되어 전해액 격리수단에 외력이 작용하지 않으므로 전해액 격리수단의 신뢰성을 증진시킬 수 있고 전해액 격리수단을 용이하게 형성시킬 수 있다. 또한 케이스에 설치된 전해액 주입구에 안전벤트를 설치함으로서 안전벤트를 한 개로 통합시킬 수 있다. 또한 전기화학셀 작동중 발생되는 가스에 의한 내부 압력 상승을 방지하기 위해 케이스에 설치된 전해액 주입구에 가스투과성 멤브래인이 설치될 수도 있으며 가스투과성 멤브래인을 파열판으로 사용하여 안전벤트와 가스투과성 멤므래인을 하나로 통합시킬 수도 있다.
도 16은 본 발명에 따른 적층형 전극들의 측면에 코어를 부착한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 도 13b에 도시된 코어(180)는 적층형 전극들의 측면에 부착될 수도 있다.
도 17은 본 발명에 따른 전기화학셀의 커버를 사용하는 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 커버(131) 상에는 일정 간격으로 이격되어 형성된 5개의 홀들(131-1)이 형성되고 아울러 일정 간격으로 이격된 5개의 알루미늄이 나 구리 같은 도전성 재질로 만들어진 도전성 스트립들(131-2)이 부착되되, 각 도전성 스트립(131-2)은 자신과 대응되는 홀(131-1) 상에 부착된다. 여기서, 홀들(131-1)은 전극연결포트용으로 사용된다.
커버(131) 상의 각 홀(131-1)은 적층된 전극조립체의 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부와 양쪽 끝부분에 위치하는 모노폴라 전극(110)의 집전체 연장부(111-1)에 위치되도록 한다. 전술한 바와 같이 모노폴라 전극은 단자에 접속되므로 모노폴라 전극의 집전체 연장부에 위치하는 도전성 스트립은 반드시 필요한 것은 아니다.
이러한 커버(131)의 각 도전성 스트립(131-2) 상에 도전성 접착제를 바른 후, 도 17에 도시된 커버(131)로 케이스(130) 상단을 덮는다. 이 경우, 커버(131)의 각 도전성 스트립(131-2)은 케이스(130) 내부에 위치된다.
커버(131)의 각 도전성 스트립(131-2)은 적층된 전극조립체의 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부와 양쪽 끝부분에 위치하는 모노폴라 전극(110)의 집전체 연장부(111-1)에 접속되어 동일한 극성을 갖는 전극들이 병렬로 연결되어진 각 단위셀의 전극과 전기적으로 연결된다.
이와 같이 커버(131) 상에 전극연결포트용 홀들(131-1)을 형성하고 도전성 스트립(131-2)을 부착할 경우, 전압균등화를 위해 전극과 연결되는 도선들(187-1 내지 187-5)을 코어(180)에 삽입하지 않아도 된다.
도 18은 본 발명에 따른 전기화학셀의 케이스의 상단를 도 17에 도시된 커버를 이용하여 덮은 상태를 나타낸 외부 사시도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 도 17에 도시된 커버(131)의 도전성 스트립들(131-2)이 케이스(130) 내부에 위치되도록, 커버(131)로 케이스(130) 상단를 덮는다. 이렇게 함으로서, 5개의 전극연결포트용 홀들(131-1)은 외부에 노출된다.
본 발명은 전술한 것과 다른 형태로 적층되는 적층형 쿼지바이폴라 전기화학셀에 이용될 수 있다.
도 19는 본 발명에 따른 권취된 2직렬 쿼지바이폴라 전극조립체가 적층되어 형성된 전극조립체의 사시도이다.
도 19에서 권취된 2직렬 쿼지바이폴라 전극조립체는 집전체상에 한 개의 극성을 갖는 활물질층이 형성되고 집전체 연장부를 갖는 극성이 반대인 두 개의 모노폴라 전극과 집전체 양측에 극성이 반대인 활물질층을 갖고 활물질층 사이에 집전체 연장부를 갖는 한 개의 쿼지바이폴라 전극 그리고 세퍼레이터를 함께 감아서 형성된 것이다. 권취된 전극조립체(310)에 전해액을 주입하기 위해 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부(320)에는 전해액 주입홀(330)이 형성될 수 있다.
이와 같이 권취된 쿼지바이폴라 전극조립체를 적층하고 적층된 전극조립체들의 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부(320) 사이에 도전성 스트립(340) 또는 도전성 접착제와 같은 전기적인 연결수단을 사용하여 병렬로 연결함으로서 병렬로 연결된 단위셀이 직렬로 연결된다. 이렇게 함으로서 각 단위셀을 구성하는 동일한 극성의 전극에 동일한 전압이 인가되도록 할 수 있어 전술한 바와 같이 단위셀 사이의 전압편차를 억제할 수 있다. 그리고, 도 19에서 도면 부호 350 및 360은 모노폴라전극의 집전체 연장부이다.
전술한 바와 같은 쿼지바이폴라 구조를 바탕으로 전기화학셀을 모듈화하는 구조를 개시하였지만 모듈화할 수 있는 직렬 수는 제한적이다. 수십 직렬 또는 더 나아가 수백 직렬을 쿼지바이폴라 구조를 이용하여 모듈화하는 것은 현실적으로 어렵다. 따라서 쿼지바이폴라 구조를 이용한 모듈화된 전기화학셀을 모노폴라 셀처럼 외부에서 직렬로 연결하는 것이 필요하다. 따라서 쿼지바이폴라 구조를 이용하여 모듈화된 전기화학셀을 효과적으로 직렬로 연결하는 본 발명의 방법에 대하여 구체적으로 개시한다.
일반적으로 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 직렬로 연결하기 위해서는 직렬 연결수단인 버스바와 나사를 사용하여 연결시키거나 저항용접이나 레이저용접 방법 또는 솔더링과 같은 방법 등이 많이 사용된다. 물론 모듈화된 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에도 이러한 방법을 사용할 수 있다. 그러나 쿼지바이폴라 구조가 갖는 저저항이라는 장점을 충분히 살리고 또한 높은 신뢰성을 제공하는 직렬 연결 방법이 필요하다.
도 20은 발명의 다른 실시예에 따른 모듈화된 전기화학셀의 일체형 단자의 사시도이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈화된 전기화학셀의 일체형 단자(230)는 가운데 부분에 위치된 단자 연결부(231)에 의해 연결되어 일체화된다. 즉, 일체형 단자(230)는 도 15a에 도시된 단자(132)와 동일한 2개의 단자들이 단자 연결부(231)을 통해 연결된 것이다. 여기서, 일체형 단자(230)에는 도 15a에 도시된 독립형 단자(132)의 그루브(132-1)와 동일한 그루브들(232)이 일정 간격으로 이 격되어 형성된다.
이에 따라 본 발명의 모듈화된 전기화학셀들을 직렬로 연결할 때 추가적인 용접 또는 나사를 조이는 작업을 생략할 수 있다. 이러한 연결 방법은 직렬로 연결되는 모든 모듈화된 전기화학셀 뿐만 아니라 모듈화 과정에서 전기화학셀의 일부에 대해 부분적으로 사용될 수도 있다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈화된 전기화학셀의 사시도로서, 도 20에 도시된 일체형 단자에 의해 4개의 전기화학셀들이 직렬 연결된 것을 나타낸 것이다.
도 21a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈화된 전기화학셀의 일측면에는, 2개의 독립형 단자들(132)과 하나의 일체형 단자(230)가 부착된다. 여기서, 모듈화된 4개의 전기화학셀들 중 내측에 위치된 2개의 전기화학셀들의 일측면에는 일체형 단자(230)가 부착되고, 모듈화된 4개의 전기화학셀들 중 외측에 위치된 2개의 전기화학셀들의 일측면에는 독립형 단자(132)가 부착된다.
도 21b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈화된 전기화학셀의 일측면에는, 2개의 일체형 단자들(230)이 부착된다.
이와 같이 본 발명은 4개의 전기화학셀들을 일체형 단자들을 이용하여 직렬로 연결함으로써, 조립을 용이하게 하고 구조를 단순화시킬 수 있도록 한다.
이상에서 설명된 본 발명의 전기화학셀은 일부 울트라캐패시터의 일종인 전기이중층캐패시터를 이용하는 것으로 개시하였지만, 전기이중층캐패시터에만 한정되어 구현되는 것은 아니다. 다른 예로, 본 발명은 액체 전해질을 사용하는 전지, 울트라캐패시터, 알루미늄 전해캐패시터 같은 전기화학셀에 적용될 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 본 발명은 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 모듈화된 전기화학셀을 제안하는 것으로, 전기이중층캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)와 같은 울트라캐패시터(Ultracapacitor) 뿐만 아니라 납축전지(Lead Acid Battery), 니켈수소전지(NiMH Battery), 니켈카드뮴전지(NiCd Battery), 리튬이온전지(Lithium Ion Battery), 알루미늄 전해캐패시터(Aluminum Electrolytic Capacitor) 같은 전기에너지저장장치에 응용될 수 있다.
또한, 본 발명의 설명에서 다양한 실시예로 본 발명의 구조 및 동작 그리고 제조방법을 개시하였지만 해당분야에 종사하거나 해당분야에 대한 지식을 가진 사람이면 본 발명의 범주 내에서 다양한 형태로 변형시킬 수 있을 것이다.
도 1은 관련 기술의 전기화학셀의 구성도.
도 2는 관련 기술의 단위셀들의 직렬 연결 구조를 나타낸 도면.
도 3은 관련 기술의 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 단면도.
도 4는 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 단면도.
도 5는 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 사용되는 전극의 사시도.
도 6은 관련 기술의 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 단면도.
도 7은 관련 기술의 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전압 변화를 설명하기 위한 예시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적층 구조를 갖는 전기화학셀의 전극을 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 적층형 전극들을 케이스에 적층시키는 상태를 나타낸 도면.
도 10은 도 9에 도시된 케이스 내에 전극들이 적층되고 있는 과정을 나타낸 사시도.
도 11a 및 도 11b는 일체형 스트립 형태의 집전체를 갖는 전극들의 사시도.
도 12는 도 11b에 개시된 전극들의 적층 상태를 나타낸 사시도.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 적층된 전극조립체의 하단부에 설치되는 코어의 사시도.
도 14는 본 발명에 따른 적층형 전극들과 도 13b에 도시된 코어의 분리 상태를 나타낸 사시도.
도 15a는 도 14에서와 같이 조립된 코어와 적층형 전극들을 케이스 내에 수납하여 본 발명에 따른 전기화학셀을 조립하는 상태를 나타낸 사시도.
도 15b는 본 발명에 따른 전기화학셀의 외형을 나타낸 사시도.
도 16은 본 발명에 따른 적층형 전극들의 측면에 코어를 부착한 상태를 나타낸 사시도.
도 17은 본 발명에 따른 전기화학셀의 커버를 사용하는 다른 실시예를 나타낸 사시도.
도 18은 본 발명에 따른 전기화학셀의 케이스의 상단를 도 17에 도시된 커버를 이용하여 덮은 상태를 나타낸 외부 사시도.
도 19는 본 발명에 따른 권취된 2직렬 쿼지바이폴라 전극조립체가 적층되어 형성된 전극조립체의 사시도.
도 20은 발명의 다른 실시예에 따른 모듈화된 전기화학셀의 일체형 단자의 사시도.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈화된 전기화학셀의 사시도.

Claims (25)

  1. 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극;
    다수의 상기 전극들을 포함하여 적층된 형태로 만들어진 전극조립체; 및
    상기 전극조립체에서 직렬연결 순번이 동일한 상기 전극들이 병렬로 연결되도록 하는 전기적인 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적인 연결수단이 상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적인 연결수단으로 상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 도체를 설치하여 상기 도체에 의해 인접한 상기 전극들의 상기 집전체 연장부가 전기적으로 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도체는 도전성 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 도체는 도전성 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도전성 스트립은 금속으로 만들어진 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 도전성 스트립은 상기 전극의 상기 집전체 재질과 동일한 계열인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 도전성 스트립이 상기 전극의 상기 집전체와 용접으로 접속된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 상기 집전체 연장부 또는 상기 집전체 연장부의 일부분이 상기 집전체의 상기 활물질층이 형성된 부분보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극의 상기 집전체 연장부의 두꺼운 부분의 면이 인접하는 상기 전극의 상기 집전체 연장부의 두꺼운 부분의 면과 서로 맞물리는 형태를 갖도록 상기 집전체 연장부의 두꺼운 부분 상부와 하부에 요철형상이 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극의 상기 집전체 연장부의 두꺼운 부분이 인접하는 상기 전극의 상기 집전체 연장부의 두꺼운 부분과 용접, 도전성 접착수단, 솔더링 중 한 가지 이상을 이용하여 연결된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적인 연결수단을 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 설치하여 상기 전기적인 연결수단을 인접하는 단위셀 사이의 전해액 격리수단으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  13. 제 1 항에 있어서,
    외부에서 상기 전극조립체의 상기 전극과 전기적으로 연결할 수 있는 연결수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전극조립체가 수납되는 케이스에,
    상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 대응되는 부분에 형성된 한 개 이상의 홀; 및
    상기 홀의 상기 케이스 내측에 부착된 도전성 스트립;을 구비하여, 상기 도전성 스트립을 상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 전기적으로 접속시킨 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 전극조립체의 옆면에 설치되는 코어에,
    상기 코어의 내부에 한 개 이상의 도선 홀; 및
    상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 대응되는 부분에 형성되어 상기 코어의 내부에 형성된 상기 도선 홀과 연결되는 연결 홀;을 형성시키고,
    상기 도선 홀에 삽입되어 상기 연결 홀을 통해 상기 코어 외부로 인출된 도선과 상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부를 용접, 도전성 접착수단, 솔더링 중 한가지 이상을 이용하여 접속하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 코어의 외부로 인출된 상기 도선의 일부가 스트립 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 코어의 외부로 인출된 상기 도선에 도체를 접합하여 상기 도체와 상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부를 용접, 도전성 접착수단, 솔더링 중 한가지 이상을 이용하여 접속시킨 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 형성되는 전해액 격리수단;
    상기 전극조립체 옆면에 설치되고 내부에 한 개 이상의 전해액 주입홀이 형성된 코어;
    상기 코어에서 상기 전극조립체의 상기 집전체 연장부에 대응되는 위치에 형성되고 상기 전해액 주입홀과 연결되는 한 개 이상의 연결홀; 및
    상기 전극조립체가 수납되는 케이스 측면에 형성되어 상기 코어의 상기 전해액 주입홀과 연결되는 전해액 주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전해액 주입구에 안전벤트를 설치한 것을 하는 전기화학셀.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 전해액 주입구에 가스투과성 멤브래인을 설치한 것을 하는 전기화학셀.
  21. 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극;
    한 개 이상의 상기 전극들을 포함하여 권취된 형태로 만들어진 권취 전극조립체;
    다수의 상기 권취 전극조립체가 적층되어 형성된 적층 전극조립체; 및
    상기 적층 전극조립체에서 직렬연결 순번이 동일한 상기 권취 전극조립체의 상기 전극들이 병렬로 연결되도록 하는 전기적인 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전기적인 연결수단은 상기 권취 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 권취 전극조립체의 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 전해액 주입홀이 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 상기 집전체는 양극 활물질층이 형성된 부분과 음극 활물질층이 형성된 부분이 다른 재질로 만들어지며 접합선이 상기 집전체 연장부에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  25. 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 상기 양극 활물질층과 상기 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극;
    다수의 상기 전극들을 포함하여 적층된 형태로 만들어진 다수의 전극조립체들; 및
    두 개의 상기 전극조립체들이 직렬로 연결되도록 전기적인 연결부를 갖고 직렬로 연결되는 두 개의 상기 전극조립체들의 단자로 사용되는 한 개 이상의 일체형 단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
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