KR100953890B1 - 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 관한 것으로, 특히 전극조립체가 수납되는 케이스에 관한 것이다. 전극조립체와 케이스 사이에 신뢰성이 높은 전해액격리 격벽수단을 제공하고 케이스를 사용한 전압균등화를 위한 전기적인 연결수단을 갖는 전기화학셀을 제공하는 것으로, 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 양극 활물질층과 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 코어; 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 설치된 전해액격리 격벽수단; 및 하나 이상의 상기 전극과 상기 코어에 감겨져 형성되는 전극 조립체가 수납되는 케이스; 상기 전극조립체가 수납된 상기 케이스의 상기 전해액격리 격벽수단부분에 형성되는 비드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
전극, 비드, 격벽, 전기화학셀

Description

쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀{Electrochemical Cell Having Quasi-Bipolar Structure}
본 발명은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 모듈화된 구조를 갖는 전기화학셀에 관한 것으로, 특히 전극 조립체가 수납되는 케이스에 관한 것으로, 전극 조립체와 케이스 사이에 신뢰성이 높은 전해액격리 격벽수단을 제공하고 케이스를 사용한 전압균등화를 위한 전기적인 연결수단을 갖는 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 전극(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 리튬폴리머전지에서 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 추가로 필요하며 부피와 중량도 증가하며, 전체적인 저항도 증가하게 된다. 도 2에서, 버스바는 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 리튬이온전지에서 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.
바이폴라 구조의 전극에서 집전체 양쪽 면에 서로 반대 극성의 활물질층이 배치되는데 비해, 도 5에 도시된 바와 같이 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀전극(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 쿼지바이폴라전극의 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 가운 데 부분인 집전체 연장부에 전해액이 투과하지 않고 부도체인 재질을 사용한 가스켓이나 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.
도 5는 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 사용되는 전극의 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀 전극(50)은, 집전체(51)와 집전체(52) 상에는 각각 양극 활물질층(53)과 음극 활물질층(54)이 형성되어 모노폴라 전극을 형성하고, 연결부(55)가 형성된 집전체(56) 상에는 양극 활물질층(57)과 음극 활물질층(58)이 연결부(55)를 중심으로 대칭되게 형성되어 쿼지바이폴라 전극을 형성한다.
도 6은 관련 기술의 적층형 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 적층된 대용량 쿼지바이폴라 전기화학셀(60)은, 음극 활물질층들(61, 62), 세퍼레이터(63), 양극 활물질층(64), 집전체(65), 및 가스켓(66)을 구비한다.
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.
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.
이러한 쿼지바이폴라 구조는 쿼지바이폴라 전극과 모노폴라 전극이 코어에 감겨지며 코어의 길이방향으로 직렬로 연결되는 형태로 만들 수 있으며 이러한 형태는 대용량을 구현하는데 용이한 구조이지만 특히 전극 조립체와 케이스 사이에 신뢰성이 높은 전해액격리 격벽을 형성시키는 방법에 대한 연구가 필요하며 또한 바이폴라 및 쿼지바이폴라 구조의 단점 중의 하나인 전해액격리가 완벽하지 않을 경우 단위셀 사이의 누설전류 발생에 의한 단위셀 사이의 전압불균형을 해소하여 신뢰성을 증진시킬 수 있는 전압균등화회로를 단위셀의 전극에 연결하기 위한 전기 적인 연결방법에 대한 연구도 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전극 조립체가 수납된 케이스와 전극 조립체 사이에 견고한 전해액격리 격벽수단을 설치함으로써, 신뢰성이 높은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 케이스와 전해액격리 격벽수단을 사용하여 구조 및 조립이 간단하고 신뢰성이 높은 전압균등화를 위한 전기적인 연결구조를 갖는 쿼지바이폴라 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학셀은, 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 양극 활물질층과 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극; 코어; 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 형성된 전해액격리 격벽수단; 및 하나 이상의 상기 전극을 포함하여 상기 코어에 감겨져 형성된 전극 조립체가 수납되는 케이스; 및 상기 전극조립체가 수납된 상기 케이스의 상기 전해액격리 격벽수단부분에 형성되는 비드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기화학셀은, 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형 성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 양극 활물질층과 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 코어; 상기 전극의 상기 집전체 연장부에 설치된 도전성 전해액격리 격벽수단; 및 하나 이상의 상기 전극을 포함하여 상기 코어에 감겨져 형성된 전극 조립체가 수납되는 케이스;를 포함하되, 상기 케이스는, 다수의 도전성 튜브들과 상기 도전성 튜브들 중에 이웃한 도전성 튜브들을 연결하는 한 개 이상의 절연밀봉수단들을 포함하고 상기 도전성 전해액격리 격벽수단 부분의 상기 도전성 튜브에 비드를 형성시키는 것을 특징으로 한다.
상기 구성들을 갖는 본 발명의 전기화학셀은, 전극 조립체와 전극조립체가 수납된 케이스 사이에 견고한 전해액격리 격벽수단을 용이하게 형성시킬 수 있도록 하고 케이스를 사용하여 단순하고 제작이 용이한 전압균등화용 전기적인 연결방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극을 나타낸 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학셀(100)은, 모노폴라 전극(110) 및 쿼지바이폴라 전극(120)을 구비한다.
모노폴라 전극(110)은 집전체(112)와 집전체(112) 상에 형성된 하나의 극성을 갖는 활물질층(111)을 갖는다.
쿼지바이폴라 전극(120)은 집전체(124)을 갖고, 집전체(124) 상에 이격되어 형성된 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)을 갖는다. 그리고, 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122) 사이의 집전체(124) 연장부에 전해액격리 격벽수단이 설치되는 전해액 격리부(123)가 형성된다.
모노폴라 전극(110)은 외부 단자(terminal)에 접속되는 것으로, 이 모노폴라 전극(110)에는 전류를 전달하기 위한 포일(foil) 또는 시트(sheet) 형태의 집전체(112)가 사용된다. 여기에서, 집전체(112)의 상부와 하부에는 전기에너지를 저장하기 위한 양극 또는 음극 활물질층(111)이 형성된다. 또한 모노폴라 전극을 단자에 연결하기 위해 활물질층 외부에 집전체 연장부가 형성된다. 집전체(112)의 양면에 활물질층(111)을 형성시키는 경우 양쪽 면에 형성된 활물질층은 동일한 극성을 가지며 두 개의 활물질층들(111)이 집전체를 사이에 두고 겹쳐지도록 제작된다. 즉 활물질층(111)의 폭과 위치가 동일하도록 제작된다.
쿼지바이폴라 전극(120)에는 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)에 전류를 전달하기 위한 포일 또는 시트 형태의 집전체(124)가 사용된다. 여기에서, 집전체(112) 상부와 하부에는 전기에너지를 저장하기 위한 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)이 형성된다. 집전체(124)의 양쪽 면에 활물질층을 형성시키는 경 우 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)은 집전체(124)의 반대면에 동일한 극성이 위치하도록 제작되어 집전체(124)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.
전기화학셀(100)이 전기이중층캐패시터일 경우 집전체(124)의 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 집전체(124)에 직접 코팅하여 활물질층을 형성시키거나 시트 형태의 활물질층을 제작하여 집전체(124)와 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 집전체(124)가 사용될 수 있다. 리튬이온전지의 경우 집전체(124) 재질로 알루미늄과 구리가 각각 사용된다. 집전체(124)의 재질이 다를 경우 각각의 전극을 제작한 후 이를 용접과 같은 방법으로 접합하여 쿼지바이폴라 전극(120)을 제작할 수도 있다. 이때 접합선이 전해액 격리부(123)내에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학셀의 코어를 나타낸 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학셀은, 도 8의 모노폴라 전극(110)과 쿼지바이폴라 전극(120)이 감겨지는 코어(140)를 구비한다.
그리고, 코어(140) 상에는 테이프들(145 내지 148)이 일정 간격으로 이격되어 부착되며, 이 테이프들(145 내지 148)은 코어(140)에 전극을 감기 시작할 때 전극을 코어에 고정시키기 위해 사용되는 방법 중의 하나를 예시한 것이다.
이러한 코어(140)는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌, PPS (Polyphenylene Sulfide), 페놀수지 같은 플라스틱이나 알루미늄 같은 금속으로 만들어지며 파이프 모양을 갖고 있다.
한편, 본 발명은 코어(140)에 전극을 감기 시작할 때 코어(140)에 전극을 쉽게 고정시킬 수 있도록 코어(140)의 표면에 테이프들(145 내지 148)을 부착하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 열융착이 가능한 필름을 라미네이션 하거나 또는 단위셀 사이의 전해액격리 격벽 설치를 보다 용이하게 하도록 예를 들면 접착제가 더 잘 붙도록 표면처리를 하거나 필름을 라미네이션 할 수도 있다. 또한 코어(140)의 내부와 외부는 전해액 가교를 방지하기 위하여 코어(140)의 표면에 전해액이 잘 젖지 않도록 소수성처리(Hydrophobic Treatment)를 할 수도 있다.
도 10은 본 발명에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 사시도로서, 도 8의 모노폴라 전극과 쿼지바이폴라 전극을 도 9의 코어에 감는 상태를 나타낸 것이다. 즉, 4개의 단위셀들이 직렬로 연결되어 있는 전기화학셀을 조립하는 과정을 나타낸 것으로서, 모노폴라 전극(110)과 쿼지바이폴라 전극(120)으로 이루어진 전극과 세퍼레이터들(114)을 코어(140)에 감기 위해서 정렬된 모양을 나타내고 있다. 본 발명의 실시예에서는 4개의 단위셀이 직렬로 연결되어 있는 쿼지바이폴라 구조를 예시하고 있지만 본 발명은 특별히 직렬수를 한정하지는 않는다.
쿼지바이폴라 전극(120)들은 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용됨으로써 인접한 셀들이 직렬로 연결되고 단자에 연결되는 두 개의 모노폴라 전극(110)은 반대극성을 갖는 각 쿼지바이폴라(120) 전극의 한쪽 활물질층과 세퍼레이터(114) 양쪽 면에 서로 마주보도록 배열된다.
세퍼레이터(114)의 폭은 집전체에 부착된 활물질층의 폭보다 약간 넓게 만들어진다.
단위셀 사이의 전해액 격리 격벽을 만들기 위해 전극의 전해액 격리부(123)에 접착제(115)를 연속적으로 바르면서 코어(140)에 전극이 감겨진다. 전해액 격리 격벽으로는 전해액이 투과되지 않는 재질이 사용되며 접착제(115) 대신 에폭시나 페이스트, 액상 실런트, 용융된 수지가 사용될 수도 있고 폴리에틸렌 같은 열가소성수지나 고무로 만들어진 스트립이 단독으로 또는 접착제와 함께 전해액 격리격벽으로 사용될 수도 있다. 전극에 도포된 접착제(115)는 전극을 감는 과정에서 이미 감겨진 면 사이에서 인접 단위셀 사이의 전해액을 격리하는 격벽이 만들어진다. 또한 이러한 과정에서 코어와 전극 사이에도 전해액 격리를 위한 격벽이 만들어지는 것이다. 만약 전해액 격리 격벽으로 열가소성 수지로 만들어진 스트립이 사용된 경우 전극을 감은 후 스트립의 녹는점 이상으로 열을 가함으로써 열가소성수지가 집전체에 접착되어 격벽이 만들어진다.
이와 같이 코어에 전극을 감는 과정이 완료되면, 도 11에 도시된 바와 같은 전극 조립체가 제조된다.
도 12는 도 11에 도시된 전극 조립체와 케이스의 분리 사시도이다.
도 12를 참조하면, 코어(140) 양쪽에 단자로 사용되는 커버들(150)을 끼우고 커버(150)와 케이스(160) 사이의 전기적인 단락을 방지하는 가스켓(151)을 커버(150)에 끼운 후 케이스(160)의 중심축과 코어(140)의 중심축을 일치시킨 상태로 전극 조립체(170)를 케이스(160)에 삽입한다. 전극조립체(170)를 케이스(160)에 삽입한 후 전극조립체(170)의 외부로 드러난 전극의 전해액 격리부(123)에 바른 접착제(115) 부분에 도 13에 도시된 바와 같이 비드(Bead)들(171)을 형성시키고, 이에 따라 비드들(171)에 의해 전극조립체(170)의 전극표면의 전해액 격리부(123)에 발라져 있는 접착제(115)가 눌려짐에 의해 전해액 격리를 위한 전극과 케이스(160) 사이의 격벽이 만들어지는 것이다. 전극조립체(170)와 케이스(160) 사이에 전해액격리 격벽을 만들기 위해 접착제 대신 에폭시, 페이스트, 액상 실런트, 용융된 수지가 사용될 수도 있으며 고무나 열가소성수지로 만들어진 스트립이 단독 또는 접착제와 함께 사용될 수도 있다. 또한 비드의 외측에 보강수단을 설치하거나 케이스가 보강튜브에 삽입될 수도 있다. 전극조립체(170)의 전해액 격리부(123)에 접착제(115)를 바른 후 열수축 튜브에 삽입하여 열수축시키고 이를 다시 케이스(160)에 넣고 전극의 전해액 격리부(123)에 비드(171)를 형성시켜 전해액 격리 격벽을 강화하거나 접착제 대신 열가소성수지로 만든 시트로 전극조립체를 감고 이를 케이스(160)에 넣어 전극의 전해액 격리부(123)에 비드들(171)을 형성하고 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 열을 가하여 케이스(160)의 비드들(171)과 전극조립체(170)의 외부에 노출된 전극의 전해액 격리부(123) 사이에 격벽을 만드는 방법도 사용될 수 있다. 또한 경우에 따라서 전해액격리 격벽을 형성하는 재질로 도전성물질이 사용될 수도 있다.
케이스의 재질로는 일반적으로 알루미늄이나 스테인레스 스틸 같은 금속이 많이 사용되며 전기화학적인 안정성을 고려하여 전극의 집전체와 동일한 계열을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 케이스를 단자의 한쪽 극으로 사용하는 경우 전기화학적인 안정성은 필수적이다. 케이스 재질로 금속 대신 수지로 만들어진 것이 사용될 수도 있으며 금속층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이렇게 전극조립체를 케이스에 삽입하고 커버 외부에서 커버에 만들어진 그루브(Groove)(172)에 레이저빔을 조사하여 전극 권취체의 양쪽에 노출되어 있는 모노폴라 전극의 집전체 연장부와 단자로 사용되는 커버와의 접속부를 용접과 같은 방법으로 전기적으로 연결시킨다.
전기이중층캐패시터 특히 유기전해액을 사용하는 경우 다른 전기화학셀과 마찬가지로 전해액을 주입하기 전에 수분이나 기타 불순물을 제거하기 위해 건조공정을 거친다. 건조온도는 활물질의 종류 및 기타 재료의 종류에 따라 달라지지만 전기이중층캐패시터의 경우 낮게는 70℃ 정도 높게는 180℃ 정도까지 이른다. 따라서 전해액 격리 격벽을 형성시키기 위한 재료로 접착제 대신 열경화성 에폭시나 폴리프로필렌 같은 열가소성 수지로 만들어진 시트나 스트립 또는 용융된 폴리에틸렌 같이 용융된 레진을 사용하는 경우 코어에 전극을 감는 과정에서 격벽을 이루는 재료와 코어, 집전체, 케이스와의 접착이 불완전하더라도 건조과정에서 완전한 접착이 가능하므로 전해액 격리수단으로서 격벽을 충분히 형성시킬 수 있는 것이다.
도 14는 도 13에 도시된 전기화학셀의 단면도로서, 파이프 형태의 금속케이스를 사용하고 코어에 전극이 감겨진 4-직렬 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 나타낸 것이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 케이스(160)에 형성된 비드들(171)에 의해 전극 조립체와 케이스 사이에 전해액격리 격벽(174)이 형성된다. 특히 케이스가 금속인 경우 전기화학셀 전체를 견고하게 제작할 수 있으며 또한 금속으로 만들어진 비드에 의해 견고한 전해액격리 격벽을 형성시킬 수 있어 단위셀 사이의 전해액을 격리시키는 격벽의 신뢰성을 증진시킬 수 있다.
또한 케이스를 전압균등화를 위한 전기적인 연결수단으로 사용할 수도 있다.
도 15는 다수의 도전성 튜브들로 구성된 본 발명에 따른 전기화학셀의 케이스를 나타낸 사시도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학셀의 케이스(450)는, 다수의 도전성 튜브들(451-1 내지 451-5)을 연결하여 구현될 수도 있다. 이 경우, 각 도전성 튜브는 절연밀봉수단(452)에 의해 연결된다.
이러한 본 발명의 케이스(450)는 시밍(Seaming)이나 헤밍(Hemming) 같은 방법으로 절연밀봉제(452)를 사용하여 다수의 도전성 튜브들(451-1 내지 451-5)들을 연결시킴으로써, 각 도전성 튜브가 절연밀봉제(452)에 의해 전기적으로 절연된다.
도 13에 도시된 전극 조립체의 전해액 격리 격벽이 만들어지는 부분에 빙 둘러서 발라진 접착제 대신 도전성 접착제를 사용하고 케이스에 넣은 후 전해액 격리 격벽이 만들어지는 부분에 해당되는 케이스 부분에 비드(171)를 형성시킴으로서 비 드(171)와 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연결부 사이에 격벽이 만들어지고 전기적으로 연결된다. 같은 방법으로 케이스(450)에 전극조립체를 삽입하고 케이스(450)에 비드를 형성시킴으로써 케이스(450)의 각 도전성 튜브는 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부와 전기적으로 연결되어 있으므로 각 도전성 튜브와 전압균등화장치를 전기적인 연결수단으로 연결함으로서 전압균등화 및 전압검출을 행할 수 있다.
케이스를 전압균등화용 전기적인 연결수단으로 사용하는 방법에 있어서 쿼지바이폴라 전극과 모노폴라 전극 그리고 세퍼레이터를 코어에 감고 쿼지바이폴라 전극의 집전체 연장부의 전해액격리 격벽 설치부에 전해액격리 격벽을 형성시켜 전극조립체를 제작할 때 전해액격리 격벽은 도전성일 수도 있고 비도전성일 수도 있지만 도전성물질을 사용하면 전극조립체에서 전압균등화를 위해 전류가 전극의 길이 방향으로만 흐르는 것이 아니라, 도전성 전해액격리 격벽에 의해 방사상 방향으로도 흐르므로 저항을 감소시킬 수 있고, 열전도도를 증가시킬 수 있어 전기화학셀의 냉각에 유리하다. 또한 도전성 튜브의 재질로는 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 전극의 집전체 재질과 동일한 계열의 재질을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
이상에서 설명된 본 발명의 전기화학셀은 주로 전기이중층캐패시터를 이용하는 것으로 개시하였지만, 전기이중층캐패시터에만 한정되어 구현되는 것은 아니다.
전술한 바와 같은 본 발명은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 모듈화된 전기화학셀을 제공하는 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 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극을 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학셀의 코어를 나타낸 사시도.
도 10은 도 8의 모노폴라 전극과 쿼지바이폴라 전극을 도 9의 코어에 감는 상태를 나타낸 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 전기화학셀의 전극 조립체의 사시도.
도 12는 도 11에 도시된 전극 조립체와 케이스의 분리 사시도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 비드를 갖는 전기화학셀의 외형도.
도 14는 도 13에 도시된 본 발명에 따른 전기화학셀의 단면도.
도 15는 다수의 도전성 튜브로 구성된 본 발명에 따른 전기화학셀의 케이스 를 나타낸 사시도.

Claims (11)

  1. 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 양극 활물질층과 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극;
    코어;
    상기 전극의 상기 집전체 연장부에 형성된 전해액격리 격벽수단;
    하나 이상의 상기 전극을 포함하여 상기 코어에 감겨져 형성된 전극 조립체가 수납되는 케이스; 및
    상기 전극 조립체가 수납된 상기 케이스에 형성되되, 상기 전해액격리 격벽수단 부분에 형성되는 비드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  2. 집전체와 상기 집전체의 양측에 이격되어 형성된 양극 활물질층과 음극 활물질층을 갖고 양극 활물질층과 음극 활물질층 사이에 집전체 연장부가 만들어지며 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용되는 전극;
    코어;
    상기 전극의 상기 집전체 연장부에 설치된 도전성 전해액격리 격벽수단; 및
    하나 이상의 상기 전극을 포함하여 상기 코어에 감겨져 형성된 전극 조립체가 수납되는 케이스;를 포함하되,
    상기 케이스는, 다수의 도전성 튜브들과 상기 도전성 튜브들 중에 이웃한 도 전성 튜브들을 연결하는 한 개 이상의 절연밀봉수단들을 포함하고 상기 도전성 전해액격리 격벽수단 부분의 상기 도전성 튜브에 비드를 형성시키는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전해액격리 격벽수단이 접착성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전해액격리 격벽수단이 고무로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스 재질은 금속인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 튜브의 재질은 금속인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  7. 제 5 항 또는 6 항에 있어서,
    상기 케이스의 금속 재질은 상기 전극의 집전체 재질과 동일한 계열인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 열가소성수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 케이스에 형성된 비드의 외측에 보강수단이 설치된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 케이스에 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  11. 제 2 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 전극조립체가 수납된 상기 케이스가 보강튜브에 삽입된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
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