KR100987849B1 - 바이폴라 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

바이폴라 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

기포의 도입을 최소화하도록 구성된 바이폴라 전지와 이런 전지의 제조 방법이 개시된다. 하나의 바이폴라 전지는 캐소드가 집전체의 일측에 형성되고 애노드가 집전체의 타측에 형성된 바이폴라 전극에서 전해질이 통과할 수 있는 투과성을 갖는 세퍼레이터들을 포함한다. 적층체는 전해질층을 서로 적층함으로써 형성된다. 적층체의 전해질층은 중첩된 세퍼레이터들의 층을 갖는다.
바이폴라 전지, 적층체, 전해질층, 캐소드, 애노드

Description

바이폴라 전지 및 그 제조 방법{BIPOLAR BATTERY AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 출원은 그 전체내용이 본 명세서에 원용되는 2006년 11월 30일 출원된 일본 특허출원 제2006-324678호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 바이폴라 전지 및 바이폴라 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 환경보호를 위해 이산화탄소의 양을 줄이는 것에 대한 요구가 증가하고 있다. 자동차 산업에서는 이산화탄소의 양을 줄이기 위해 전기 및 하이브리드 전기 차량이 도입되고 있다. 이와 관련하여, 이들 차량의 모터를 구동하기 위한 전원으로서 우선적으로 고려되는 것이 바이폴라 전지의 사용이다.
일본 특허 공개 제(평)11-204136호는 캐소드(cathode)가 집전체의 일측에 형성되고 애노드(anode)가 집전체의 타측에 형성된 바이폴라 전극에 전해질층을 마련하고 이들 전해질층을 적층하여 적층체를 형성함으로써 제조되는 바이폴라 전지를 개시한다.
이런 적층체를 형성함에 있어, 캐소드와 애노드를 갖는 전해질층(전해질이 침투하고 캐소드와 애노드를 분할하는 세퍼레이터층, 또는 캐소드 또는 애노드와 세퍼레이터 사이의 전해질층)이 집전체에 마련된다. 이들 전해질층들은 서로 적층된다.
본 발명의 실시예는 내부에 기포가 생성되지 못하도록 억제하여 전력 밀도를 향상시킴으로써 뛰어난 전지 성능을 갖는 바이폴라 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 바이폴라 전지의 일 실시예는 적층체로 배열되고 각각의 전극이 집전체의 일측에 형성되는 캐소드 및 집전체의 타측에 형성되는 애노드를 포함하는 적어도 두 개의 바이폴라 전극과, 적층체 내에서 각 전극의 양측에 배열되고 각각의 세퍼레이터가 전해질이 침투하기에 충분한 투과성을 갖는 한 쌍의 세퍼레이터를 포함한다. 전극들 중 인접 전극들의 세퍼레이터는 서로 접촉하고 있다.
또한, 본 발명은 바이폴라 전지 제조 방법에 관한 것이다. 일 방법은 제1 집전체의 일측에 형성된 제1 캐소드 및 제1 집전체의 대향측에 형성된 제1 애노드를 포함하는 제1 바이폴라 전극을 형성하는 단계와, 제1 바이폴라 전극의 양측에 각각 전해질이 침투하기에 충분한 투과성을 갖는 한 쌍의 제1 세퍼레이터를 배열하는 단계와, 제2 집전체의 일측에 형성된 제2 캐소드 및 제2 집전체의 대향측에 형성된 제2 애노드를 포함하는 제2 바이폴라 전극을 형성하는 단계와, 제2 바이폴라 전극의 양측에 각각 전해질이 침투하기에 충분한 투과성을 갖는 한 쌍의 제2 세퍼 레이터를 배열하는 단계와, 한 쌍의 제1 세퍼레이터의 제1 세퍼레이터와 한 쌍의 제2 세퍼레이터의 제2 세퍼레이터가 서로 접촉하도록 제1 바이폴라 전극 및 제2 바이폴라 전극을 적층하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르는 바이폴라 전지는 내부에 기포가 생성되지 못하도록 억제하여 전력 밀도를 향상시킴으로써 뛰어난 전지 성능을 갖게 된다.
일본 특허 공개 제(평)11-204136호에 설명된 것과 같이 공지된 바이폴라 전지에서, 캐소드와 애노드에는 전해질이 마련되고 세퍼레이터는 단일층을 형성하도록 캐소드나 애노드와 중첩된다. 그 후, 층들이 적층된다. 세퍼레이터를 중첩시킬 때, 캐소드나 애노드와 세퍼레이터 사이의 전해질에는 기포가 도입되어 보유된다.
특히, 캐소드나 애노드에 마련되는 전해질층에 세퍼레이터를 배열할 때, 세퍼레이터에는 주름이 형성됨으로써 전해질층에 미소 간극을 형성한다. 또는, 기포는 중첩으로 인해 전해질층으로 도입된다. 기포가 보유된 상태로 적층체가 형성되는 경우, 캐소드와 애노드가 전해질을 거쳐 세퍼레이터의 양면에 존재하기 때문에 기포를 배출하기가 어려워진다. 또한, 기포가 상술한 바와 같이 적층체에 잔류하면, 이온이 침투할 수 없고 전자가 이동할 수 없는 사공간이 생성된다. 사공간은 전력을 저하시키는 주요인이 될 수 있다. 이는 전력 밀도를 개선하고자 할 때 문제가 된다.
이와 달리, 본 발명의 실시예는 이런 기포를 제한하여 전력 밀도를 개선함으로써 뛰어난 전지 성능을 갖는 바이폴라 전지를 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 하며, 도면에서 유사 도면부호는 유사 부품을 지시한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이폴라 전지의 단면도이다. 도2는 도1에 도시된 바이폴라 전지의 단면도이다. 도3은 도1에 도시된 바이폴라 전지를 사용하도록 구성되는 조전지의 사시도이다. 도4는 도3에 도시된 조전지가 장착된 차량의 개략도이다.
(도2에 도시된) 제1 실시예에 따른 바이폴라 전지(10)에서, 적층체(100)는 바이폴라 전극에 전해질층(120)을 마련하고 이들 전해질층을 서로 적층함으로써 형성된다. 바이폴라 전극은 애노드(112), 캐소드(113) 및 집전체(111)를 갖는다. 캐소드(113)는 집전체(111)의 일측면에 배열되고 애노드(112)는 집전체(111)의 타측면에 배열된다. 즉, 집전체(111)는 캐소드(113)와 애노드(112) 사이에 배치된다.
전해질층(120)은 서로 적층된 세퍼레이터(121, 122)(두 개의 시트)를 포함하는 층과, 세퍼레이터(121, 122)과 캐소드(113) 또는 애노드(112) 사이에 마련되는 전해질의 층을 갖는다. 세퍼레이터(121, 122)는 투과성을 갖고 캐소드(113)나 애노드(112)를 분할하기 위한 다공막이며, 전해질은 이런 부재 내로 침투할 수 있다. 전해질은, 예컨대 폴리머 겔 전해질(겔 폴리머계 전해질)일 수 있다.
즉, 세퍼레이터(121, 122)는 전해질층(120)에서 서로 적층되기 때문에, 비록 기포가 바이폴라 전극의 캐소드나 애노드측에서 전해질에 잔류하더라도 세퍼레이터(121, 122)를 거쳐 이런 기포를 배출하기가 용이하다. 이는 세퍼레이터(121, 122)의 투과성이 전해질이 캐소드(113)나 애노드(112)의 대향하는 측면으로부터 침투할 수 있도록 하는 정도이기 때문이다. 또한, 세퍼레이터(121, 122) 사이의 공간으로부터 기포를 배출하는 것도 용이하다. 캐소드측과 애노드측이 적층체의 전해질층에서 세퍼레이터의 양면에 존재함으로써 기포 배출을 어렵게 만드는 종래 기술과 달리, 제1 실시예에서 캐소드측이나 애노드측은 적층체(100)의 전해질층(120)에서 세퍼레이터(121, 122)의 일측면에 존재함과 동시에 세퍼레이터(121, 122)는 타측면에 존재한다. 따라서, 세퍼레이터(121, 122)의 일측면에서 타측면으로 잔류 기포를 배출하기 용이하다. 또한, 세퍼레이터(121, 122) 사이의 공간으로부터 잔류하는 기포를 배출하기 용이하다.
또한, 바이폴라 전지(10)는 제1 및 제2 시일층(115, 117)을 갖는다. 제1 시일층(115)은 집전체(111)의 일측면에 배열되어 캐소드(113)의 일단을 에워싸도록 연장된다. 전해질층(120)은 캐소드(113)와 제1 시일층(115)을 덮도록 배열된다. 제2 시일층(117)은 제1 시일층(115)과 위치 조절됨으로써 집전체(111)의 타측면에 배열되어 애노드(112)의 일단을 에워싸도록 연장된다. 제1 및 제2 시일층(115, 117)이 배열되는 영역을 충전부라 한다.
집전체(111)는 예컨대 스테인리스 강 포일이다. 그러나, 집전체(111)는 이에 제한되지 않으며 알루미늄 포일, 니켈 및 알루미늄의 클래드재, 구리 및 알루미늄의 클래드재 또는 이들 금속의 조합을 이용한 도금재를 포함할 수 있다.
애노드(112)의 애노드 활성재는 예컨대 경질 카본(비흑연화 카본재)이다. 애노드 활성재는 흑연계 카본재 또는 리튬 전이금속 복합 산화물을 포함할 수 있기 때문에 이에 제한되지 않는다. 임의의 실시예에서, 카본 및 리튬-전이금속 복합 산화물로 구성된 애노드 활성재가 용량 및 전력면에 있어 바람직하다.
캐소드(113)의 캐소드 활성재는 반드시 이에 제한되지는 않지만, 예컨대 LiMn2O4이다. 리튬-전이금속 복합 산화물이 용량 및 전력면에 있어 바람직하다.
캐소드(113)와 애노드(112)의 두께는 사용 목적(예컨대, 전력이나 에너지에 주안점을 둔 용도) 및 이온 도전성에 따라 설정될 수 있다.
제1 및 제2 시일층(115, 117)을 구성하는 충전재는, 예컨대 1액성 미경화 에폭시 수지(one-liquid uncured epoxy resin)이다. 그러나, 충전재는 이에 제한되지 않으며 그 밖의 열경화성 수지(폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌)나 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 임의의 실시예에서, 용도의 유형에 따라 원하는 시일 효과를 갖는 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 각각의 세퍼레이터(121, 122)를 위한 재료는 전해질이 세퍼레이터 안으로 침투할 수 있는 투과성을 갖는 다공성 PE(폴리에틸렌)일 수 있다. 그러나, 임의의 실시예에서, 재료는 PP(폴리프로필렌)과 같은 그 밖의 폴리올레핀, PP/PE/PP의 삼층 구조 적층체, 폴리아미드, 폴리이미드, 아라미드 또는 부직포를 포함할 수 있다. 부직포는 예컨대, 면화, 레이온(rayon), 아세테이트, 나일론 또는 폴리에스테르를 포함한다.
전극의 호스트 폴리머는, 예컨대 10%의 HFP(헥사플루오로프로필렌) 공중합체를 함유하는 PVDF-HFP(불화 폴리비닐이덴 및 헥사플루오로프로필렌의 공중합체)이다. 그러나, 호스트 폴리머는 이에 제한되지 않으며, 리튬 이온 도전성이 없는 그 밖의 폴리머 또는 이온 도전성을 갖는 폴리머(고체 폴리머 전해질)를 포함할 수 있다. 리튬 이온 도전성이 없는 그 밖의 폴리머는 예컨대 PAN(폴리아크릴로니트릴)과 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트)를 포함한다. 이온 도전성을 갖는 폴리머는 예컨대 PEO(산화 폴리에틸렌) 또는 PPO(산화 폴리프로필렌)이다.
호스트 폴리머에 보유되는 전해액은, 예컨대 PC(프로필렌 카보네이트) 및 EC(에틸렌 카보네이트)로 구성된 유기 용매와 지지염인 리튬염(LiPF6)을 포함한다. 유기 용매는 다른 고리형 카보네이트 계열, 디메틸카보네이트와 같은 사슬형 카보네이트 계열 및 테트라하이드로퓨란과 같은 에테르 계열을 포함할 수 있기 때문에 PC 및 EC에 제한되지 않는다. 리튬염은 대안으로서 LiPF6 대신 LiCF3SO3와 같은 유기 음이온염과 그 밖의 무기 음이온염을 포함할 수 있다.
도1 및 도2에 일반적으로 도시된 바와 같이, 바이폴라 전지(10)는 단위 바이폴라 전지의 적층체(100) 형태로 외장 케이스(104)에 수용됨으로서 외부로부터의 충격이나 환경적 열화를 방지한다. 고도전성 부재로 구성되는 말단 리드(101, 102)는 적층체(100)의 최외곽측에 배치되는 각각의 집전체(111)에 연결된다. 고전도성 부재는, 예컨대 알루미늄, 구리, 티탄, 니켈, 스테인리스 또는 이들의 합금을 포함한다. 또한, 도면부호 103은 보강판을 지시한다.
말단 리드(101, 102)는 외장 케이스(104)의 외측부로 연장되어 각각 적층체(100)로부터 전류를 추출하기 위한 전극탭으로서 작용한다. 또한, 독립적인 별도 부재의 전극탭을 배열하고 직접적으로 또는 리드를 이용하여 말단 리드(101, 102)에 연결함으로써, 적층체(100)로부터 전류를 추출하는 것이 가능하다.
무게와 열도전성을 줄이기 위해, 외장 케이스(104)는 알루미늄, 스테인리스, 니켈 또는 구리(이들의 합금을 포함)와 같은 금속이 폴리프로필렌막과 같은 절연체로 도포된 폴리머-금속 복합 적층막과 같은 박판재로 구성될 수 있다. 또한, 외장 케이스(104)는 케이스의 일부 또는 전체 외주연을 열융합으로 접합하여 형성된다.
바이폴라 전지(10)를 독립적으로 사용하는 것이 가능하다. 선택적으로, 예컨대, 도3에 도시된 바와 같은 조전지(130) 형태의 바이폴라 전지(10)를 사용하는 것이 가능하다. 조전지(130)는 바이폴라 전지(10)들을 직렬/병렬로 나열하고 바이폴라 전지(10)들을 다중 연결함으로써 구성된다. 조전지(130)는 도전성 막대(132, 134)를 갖는다. 도전성 막대(132, 134)는 바이폴라 전지(10)의 내부로터 연장되는 말단 리드(101, 102)에 연결된다.
바이폴라 전지(10)가 연결되어 구성될 때, 그 용량과 전압은 적절한 직렬 또는 병렬 배열을 거쳐 자유롭게 조절될 수 있다. 연결 방법으로는, 예컨대 초음파용접 작업, 열용접 작업, 레이저 용접 작업, 리벳 작업, 코킹(caulking) 작업 또는 전자빔이 있다.
조전지(130)들을 직렬/병렬 배열하고 다중 연결함으로써 도4에 도시된 바와 같은 조전지 모듈(대형 조전지)(136)을 제공하는 것이 가능하다. 조전지 모 듈(136)은 보다 높은 전력을 보장할 수 있기 때문에, 예컨대 차량(138)의 모터용 전원으로서 장착될 수 있다. 차량으로는, 예컨대 전기차량, 하이브리드 차량 또는 전기 열차가 있다.
조전지 모듈(136)은 예컨대 내부의 모든 바이폴라 전지(10) 또는 모든 조전지(130)에서의 충전 제어를 수행하는 것과 같은 아주 고도의 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 일회 충전당 구동거리의 연장 또는 차량에 장착되는 전지의 수명 연장과 같은 기능적 개선을 달성하는 것이 가능하다.
도5는 제1 실시예에 따른 바이폴라 전지를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다. 본 방법은 전해질과 세퍼레이터가 바이폴라 전극의 양측에 순차적으로 배열된 서브-조립체 유닛으로서의 조립체 유닛을 형성하는 단계와, 조립체 유닛(서브-조립체 유닛들)들이 적층되어 합착된 적층체(접합체)를 형성하기 위한 조립 단계로서 접합체 형성 단계와, 외장 케이스 내에 합착된 적층체를 수용하기 위한 조립 단계를 포함한다.
접합체 형성 단계(조립 단계)는 후술하는 바와 같이 전해질층을 개재함으로써 바이폴라 전지들을 서로 적층하기 위한 적층 단계를 포함한다. 적층 단계에서, 전해질들이 침투할 수 있는 세퍼레이터들은 서로 중첩되기 때문에, 바이폴라 전극의 캐소드측이나 애노드측에 남아 있는 기포와 같은 것을 전해질이 내부로 침투할 수 있도록 하는 특성을 갖는 세퍼레이터를 거쳐 캐소드측이나 애노드측에 대향하는 면으로부터 배출하는 것이 용이하게 된다. 또한, 세퍼레이터들 사이의 공간으로부터 기포를 배출하는 것도 용이하다.
즉, 단지 단일층인 경우는 캐소드 및 애노드측이 세퍼레이터의 양면에 존재하는 상황을 가져온다. 이런 구조는 기포를 배출하기 어렵게 만든다. 그러나, 캐소드측이나 애노드측은 세퍼레이터의 일측면에 존재하고 세퍼레이터는 다른 측면에 존재하기 때문에, 남아 있는 기포를 일측면에서 타측면으로 배출하기가 용이하게 된다. 또한, 세퍼레이터들 사이의 공간으로부터 기포를 배출하는 것도 용이하다.
도6은 도5에 도시된 조립체 유닛을 형성하기 위한 공정의 흐름도이다. 도7은 도6에 도시된 전극 형성 공정의 평면도이고 도8은 도6에 도시된 전극 형성 공정의 단면도이다. 도9는 도6에 도시된 전해질 배치 공정의 단면도이고 도10은 도6에 도시된 시일재 배치 공정의 평면도이다. 도11은 도6에 도시된 시일재 배치 공정 의 단면도이다. 도12a는 도6에 도시된 세퍼레이터 배치 공정과 서브-조립체로서의 조립체 유닛(108)을 도시한 단면도이다.
도6에 도시된 바와 같이, 조립체 유닛을 형성하는 공정은 전극 형성 단계와, 전해질 배치 단계와, 시일재 배치 단계와, 세퍼레이터 배치 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 우선 캐소드 슬러리가 전극 형성 공정에서 조제된다. 캐소드 슬러리는, 예컨대 85 중량%의 캐소드 활성재와 5 중량%의 도전성 보조제와 10 중량%의 결합제를 갖도록 제조된다. 캐소드 슬러리는 점성도 조절 용매를 첨가함으로써 원하는 점성도를 얻게 된다. 캐소드 활성재는 예컨대 LiMn2O4이고 도전성 보조제는 아세틸렌 블랙(acetylene black)이다. 결합제는 PVDF(불화 폴리비닐이 덴)이다. 점성도 조절 용매는 NMP(N-메틸-2-파이롤리돈)이다. 캐소드 슬러리는 스테인리스강 포일로 구성된 집전체(111)의 일 측면에 도포된다.
도전성 보조제는 예컨대 카본 블랙 또는 흑연을 포함할 수 있다. 결합제와 점성도 조절 용매는 PVDF 및 NMP로 제한되지 않는다.
다음으로, 애노드 슬러리가 조제된다. 애노드 슬러리는 예컨대 90 중량%의 애노드 활성제와 10 중량%의 결합제를 갖도록 제조된다. 애노드 슬러리는 점성도 조절 용매를 첨가함으로써 원하는 점성도를 얻게 된다. 애노드 슬러리는 집전체(111)의 타 측면에 도포된다. 본 예에서 애노드 활성재는 경질 카본이고 결합제 및 점성도 조절 용매는 PDVF 및 NMP이다. 애노드 슬러리는 집전체(111)의 타 측면에 도포된다.
캐소드 슬러리와 애노드 슬러리의 도포막은 예컨대 진공 오븐을 이용하여 건조되며, 각각 캐소드 활성재로 구성되는 캐소드(113)와 애노드 활성재로 구성되는 애노드(112)를 형성한다(도7 및 도8 참조). 이 때, NMP는 휘발되어 제거된다.
캐소드(113)와 애노드(112)의 두께는 제한되지 않으며, 사용 목적(예컨대, 전력이나 에너지에 주안점을 둔 용도) 및 이온 도전성에 따라 설정될 수 있다.
전해질 배치 공정에서, 전해질(124, 125)이 각각 캐소드(113)와 애노드(112)의 전극부에 도포된다(도9 참조).
전해질(124, 125)은 예컨대 90 중량%의 전해액과 10 중량%의 호스트 폴리머를 갖도록 제조된다. 전해질(124, 125)은 점도 조절 용매를 첨가함으로써 적절한 점도를 얻는다.
전해액은 PC(프로필렌 카보네이트) 및 EC(에틸렌 카보네이트)로 구성된 유기 용매와 지지염으로서 리튬염(LiPF6)을 포함한다. 리튬염의 농도는 예컨대 1M이다.
호스트 폴리머는 예컨대 10%의 HFP(헥사플루오로프로필렌) 공중합체를 함유하는 PVDF-HFP(불화 폴리비닐이덴 및 헥사플루오로프로필렌의 공중합체)이다. 점성도 조절 용매는 DMC(디메틸 카보네이트)이다. 점성도 조절 용매는 DMC로 제한되지 않는다.
도10을 참조하면, 시일재 배치 공정에서 우선 제1 시일재(114)가 캐소드(113)의 모서리뿐 아니라 집전체(111)가 노출되는 캐소드측의 외주연에서 연장되도록 배치된다. 제1 시일재(114)의 배열을 위해, 예컨대 배분기를 이용한 도포가 이루어진다.
다음으로, 도11에 도시된 바와 같이, 제2 시일재(116)가 애노드(112)의 모서리뿐 아니라 집전체(111)가 노출되는 애노드측의 외주연에서 연장하도록 배치된다. 이때, 제2 시일재(116)는 제1 시일재(114)에 대향하도록(중첩되도록) 위치된다. 제2 시일재(116)의 배열을 위해, 예컨대 배분기를 이용한 도포가 이루어진다. 또한, 제1 및 제2 시일재는 본 예에서 1액성 미경화 에폭시 수지로 구성되는 충전재이다.
도12a에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터 배치 공정에서, 세퍼레이터(121, 122)는 집전체(111)의 캐소드 측면 및 애노드 측면 모두를 덮도록 배열된다. 이렇게 함으로써, 전해질(124, 125)과 세퍼레이터(121, 122)가 바이폴라 전극의 양측에 순차대로 배열된 조립체 유닛(108)이 형성된다. 또한, 세퍼레이터(121, 122)는 다공성 PE이다.
이처럼, 조립체 유닛(108)은 집전체(111)의 캐소드 측면 및 애노드 측면 모두를 덮도록 배열되기 때문에, 조립체 유닛(108)은 전극과 전해질을 노출시키지 않고 PE와 같은 세퍼레이터에 의해 포장되는 서브-조립체 구성요소가 된다. 이로써, 전극 및 전해질을 변경시키거나 열화시키지 않고도 운반이 용이하게 된다. 또한, 서브-조립체 구성요소들은 다음 공정에서 서로 적층되기 때문에, 적층 작업이 아주 용이하게 된다.
또한, 조립체 유닛(서브-조립체)(108)는 진공 용기에 수용되거나 진공 컵을 이용하여 양측에 있는 세퍼레이터의 모서리로부터 흡입될 수 있다. 이때, 기포는 투과성을 갖는 세퍼레이터(121, 122)를 거쳐 바이폴라 전극의 양측에 있는 전해질(124, 125)로부터 배출될 수 있기 때문에, 잔류하는 기포는 후술하는 바와 같이 적층체(100)를 형성한 후 기포를 배출하는 것과 더불어 더욱 제한될 수 있다.
시일재 배치 공정에서, 충전부가 집전체(111)와 전해질층(120) 사이의 공간에 형성된다. 충전재는 캐소드(113)와 애노드(112)의 모서리를 에워싸도록 충전부에 배열된다.
또한, 임의의 실시예에 따른 시일재 배열 공정에서, 제1 시일재(114)의 두께는 캐소드(113) 및 전해질(124)의 총 두께보다 작도록 사전 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 이들 실시예 중 일부에서, 제2 시일재(116)의 두께는 애노드(112) 및 전해질(125)의 총 두께보다 작도록 사전 설정되는 것이 바람직하다. 세퍼레이터(121, 122)는 외주연에 배열되는 제1 및 제2 시일재(114, 116)와 접촉시키기 전에 전해질(124, 125)이 배열된 중심부와 접촉하기 때문에, 제1 및 제2 시일재(114, 116)에 의해 에워싸인 내부에 남아 있는 기포가 억제된다.
도12b는 도5에 도시된 접합체 형성 공정에서 도12a에 도시된 조립체 유닛(108)이 부분 적층된 때를 도시한 단면도이다. 도13은 도5에 도시된 접합체를 형성하기 위한 흐름도이고, 도14는 도13에 도시된 조립체 유닛 설치 공정의 단면도이다. 도15는 도13에 도시된 적층 및 가압 공정의 개략도이다. 도16은 도13에 도시된 시일층 형성 공정의 개략도이고 도17은 도13에 도시된 계면 형성 공정의 개략도이다. 도18은 도13에 도시된 초기 충전 공정의 개략도이다.
도13에 도시된 바와 같이, 접합체 형성 공정은 조립체 유닛을 설정 적층 단계와, 시일층 가압 형성 단계와, 계면 형성 단계와, 초기 충전 단계와, 기포 배출 단계를 포함한다.
도14에 도시된 바와 같이, 조립체 유닛 설정 공정에서, (복수의 서브-조립체로서) 조립체 유닛(108)들이 틀(150)에 순차적으로 설정된다. 이때, 도12a에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(121, 122)는 제1 및 제2 시일재(114, 116)와 조립체 유닛(108)에 포함된 바이폴라 전극의 양측에 배치되는 전해질(124, 125)의 외측에 배열되기 때문에, 전해질(124, 125)과 제1 및 제2 시일재(114, 116)는 외부로 노출되지 않는다. 이로써, 조립체 유닛(108)을 조작하기가 용이하고 이는 바람직한 작업성을 보장한다.
다시 도14를 참조하면, 조립체 유닛(108)을 설정할 때의 충돌을 방지하기 위 해, 틀(150)은 프레임 형상이고 조립체 유닛(108)의 외주연부를 감쌀 수 있는 파지기구(152)를 갖는다.
파지기구(152)는 조립체 유닛(108)들이 서로 접촉하지 않도록 빈틈을 갖고 적층 방향으로 배열된다. 적층 방향은 조립체 유닛(108)의 표면 방향에 수직이다.
파지기구(152)는 예컨대 스프링으로 구성된 탄성부재를 갖고 탄성력에 기초하여 조립체 유닛(108)에 인장력이 부여될 때 주름이 생성되지 않도록 보유 가능하고 지지 가능하게 구성된다. 파지 기능을 수행하기 위한 다른 기구도 가능하다. 이런 기구는 기술분야에 공지되어 있기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
조립체 유닛 적층 공정에서, 틀(150)은 도15에 도시된 바와 같이 진공처리 장치(160) 내에 배열된다. 조립체 유닛(108)의 적층체(100)는 예컨대 0.2 내지 0.5×105 Pa의 범위의 진공 하에서 형성된다.
조립체 유닛(서브-조립체)(108)에 포함되는 전해질(124, 125)과 제1 및 제2 시일재(114, 116)는 세퍼레이터(121, 122)에 의해 덮히기 때문에 외부로 노출되지 않는다. 이로써, 조립체 유닛(108)을 조작하기가 용이하고 이는 작업성을 보장한다. 또한, 세퍼레이터(121, 122)는 서로 단순히 중첩되기 때문에, 여하한 잔류 기포를 억제하면서도 적층 작업을 수행하는 것이 용이하다. 또한, 세퍼레이터는 서로 중첩되기 때문에 주름이 거의 생성되지 않음으로써 내부에 잔류하는 기포를 최소화한다. 조립체 유닛(108)은 진공 상태에 있기 때문에, 기포는 전극와 전해질층의 적층 계면으로 도입되어 세퍼레이터를 통과하고 세퍼레이터들 사이의 공간으로부터 외부로 효과적으로 배출된다. 이는 남아 있는 기포를 추가로 감소시킨다.
도12b는 접합체 형성 공정에서 조립체 유닛(108)의 일부가 적층된 때를 도시한 단면도이다. 비록 세퍼레이터(121, 122)는 서로 중첩되지만, 기포(N)이 어떻게 배출되는지에 대한 이론을 쉽게 설명하기 위해 편의상 도12b는 사이에 공간이 형성되어 있는 세퍼레이터(121, 122)를 도시한다. 도12b에 도시된 바와 같이, 전해질(124, 125)이 내부에 침투할 수 있는 세퍼레이터(121, 122)(즉, 두 개의 시트)는 서로 중첩되기 때문에, 비록 기포(N)는 바이폴라 전극의 캐소드측(113) 또는 애노드측(112)에 남지만, 투과성을 갖는 세퍼레이터(121, 122)를 거쳐 캐소드측(113) 또는 애노드측(112)에 대향하는 면으로부터 기포(N)를 배출하는 것이 용이하게 된다. 이는 전해질(124, 125)이 내부로 침투할 수 있고 세퍼레이터(121, 122) 사이의 공간으로부터 기포(N)을 추가로 배출하도록 한다. 또한, 세퍼레이터(121, 122) 사이에는 전해질(124, 125)이 침투하므로, 이온 및 전자는 세퍼레이터(121, 122) 사이를 이동할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 기포(N)는 조립체 유닛(108)에 배열된 경우에도 세퍼레이터(121, 122)를 거쳐 배출될 수 있다. 선택적으로, 기포(N)는 조립체 유닛(108)을 적층한 후 계면을 가압하거나 형성하는 것과 같은 여하한 공정에서 세퍼레이터(121, 122) 사이의 공간으로부터 배출될 수 있다. 또한, 기포(N)는 수용된 후 배출될 수 있다.
따라서, 이온이 투과할 수 없고 전자가 이동될 수 없는 사공간이 억제되기 때문에, 사용중 이온과 전자의 이동이 방해되지 않게 되어 높은 전력 밀도를 달성 한다.
적층체(100) 형성 방법은, 예컨대 틀(150)의 하부에 배열된 안착부에 적층되도록 하측으로부터 조립체 유닛(108)을 감싸기 위한 파지기구(152)를 순차로 해제하는 단계를 포함한다. 본 방법은 반드시 이에 제한되지 않는다.
또한, 하측에서 상측으로 파지기구를 순차로 해제하는 것 외에, 안착부는 과도하게 변위되지 않고 조립체 유닛(108)를 바로 옆에 적층하기 위해 틀(150)의 하측에서 상측으로 이동될 수 있다. 다르게는, 틀은 안착부를 체결함으로써 상측에서 하측으로 이동될 수 있다.
도15에 도시된 진공처리 장치(160)는 진공 기능을 수행하기 위한 장치(162)와 가압 기능을 수행하기 위한 장치(170)와 제어부(178)를 갖는다.
진공 장치(162)는 진공 챔버(163)와 진공 펌프(164)와 배관 시스템(165)을 갖는다. 진공 챔버(163)는 착탈식(개방식) 커버부와, 틀(150) 및 가압 장치(170)가 배열된 고정 기부를 갖는다. 진공 펌프(164)는 예컨대 원심형이며 진공 챔버(163)의 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 것이다. 배관 시스템(165)은 진공 펌프(164)와 진공 챔버(163)를 연결하기 위한 것이며 누출 밸브(미도시)가 그 내부에 배열된다.
가압 장치(170)는 기부판(171)과 기부판(171)에서 이격된 가압판(173)을 갖는다. 선택적으로, 판상의 탄성체가 기부판(171)과 가압판(173) 상에 배열될 수 있다. 제어부(178)는 가압판(173)의 이동 및 가압력을 제어하기 위해 사용된다. 제어부(178)는 다양한 입력 및 출력 연결부와 함께 예컨대 임의접근 기억장치(RAM), 판독전용 기억장치(ROM) 및 중앙처리장치(CPU)를 포함하는 마이크로컴퓨터일 수 있다. 일반적으로, 제어 기능은 ROM에 저장된 하나 이상의 프로그램을 CPU가 실행함으로써 수행된다.
도15에 도시된 바와 같이, 가압 과정에서, 적층체(100)는 진공 상태를 유지하며 가압판 및 기부판(171)에 의해 가압된다. 이렇게 함으로써, 제1 및 제2 시일재(114, 116)가 원하는 두께를 갖도록 제조된다. 가압 과정에 사용되는 압력은 예컨대 1~2×106 Pa이다.
이제 도16을 참조하며, 시일층 형성 과정에서 적층체(100)는 오븐(190)에 배열되어 가열되기 때문에, 적층체(100)에 포함되는 제1 및 제2 시일재(114, 116)가 열경화되어 제1 및 제2 시일층(115, 117)을 형성한다. 가열 조건은 예컨대 80 ℃이다. 적층체 가열은 오븐이 아닌 것에서도 수행될 수 있다.
비록 리튬 2차 전지는 수분을 싫어하지만, 제1 및 제2 시일층(115, 117)은 수지로 구성되기 때문에 수분 도입이 방지될 수 없다. 이로써, 가압 공정에서 제1 및 제2 시일재(114, 116)의 원하는 두께는 제1 및 제2 시일층(115, 117)의 외기와 접촉하는 두께를 최소화함으로써 침입 습기를 감소시키도록 설정된다.
선택적으로, 열가소성 수지가 제1 및 제2 시일재(114, 116)에 적용될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 시일재(114, 116)는 제1 및 제2 시일층(115, 117)을 형성하기 위해 가열함으로서 가소화된다.
계면 형성 공정에서, 적층체(100)는 가압 장치(180)에 배열되어 가압 가열되 기 때문에, 전해질(124, 125)은 적층체(100)에 포함된 세퍼레이터(121, 122)로 침투하고 도17에 도시된 바와 같이 겔 계면이 그 위에 형성된다. 가열 및 가압 조건은 예컨대 각각 80 ℃ 및 1~2×106 Pa이다. 이런 가압 가열을 수행함으로써, 조립체 유닛(108)은 합착된 적층체(접합체)(100)가 얻어질 수 있도록 적층된다.
여기에서, 전해질(124, 125)이 적층체(100)에 포함된 세퍼레이터(121, 122)로 침투할 때, 비록 기포(N)는 전해질(124, 125)과 세퍼레이터(121, 122) 내에 남지만, 기포(N)는 배출된다. 즉, 기포(N)는 세퍼레이터(121)를 거쳐 전해질(124)로부터 배출되고 세퍼레이터(122)를 거쳐 전해질(125)로부터 배출되고 세퍼레이터(121, 122) 사이의 공간으로부터 외부로 배출된다.
가압 장치(180)는 기부판(181), 기부판(181)에 인접하지만 이격된 가압판(183), 하부 가열부(185), 상부 가열부(187) 및 제어부(188)를 갖는다. 하부 가열부(185)와 상부 가열부(187)는 예컨대 저항 가열소자를 가지며, 이들 두 부분(185, 187)은 기부판(181)과 가압판(183) 내에 배열되어 기부판(181)과 가압판(183)의 온도를 증가시키기 위해 사용된다. 제어부(188)는 제어부(178)와 마찬가지로 가압판(183)의 이동 및 가압력을 제어하기 위해 사용되며, 하부 가열부(185)와 상부 가열부(187)의 온도를 제어하기 위해서도 사용된다.
선택적으로, 하부 가열부(185)나 상부 가열부(187) 중 어느 것이라도 생략될 수 있다. 대안으로서, 하부 가열부(185)와 상부 가열부(187)는 기부판(181)과 가압판(183)의 외부에 배열될 수 있다. 또한, 판상 탄성체가 기부판(181)과 가압 판(183)에 배열될 수 있다.
도18에 도시된 바와 같이, 도13과 관련하여 설명된 초기 충전 작업은 적층체(100)에 전기 접속되는 충/방전 장치(192)에 의해 수행된다. 버블이 생성된다. 초기 충전조건은 예컨대 21 V-0.5 C으로 4 시간과 같이 캐소드의 적용 중량으로 대략 계산된 용량 기반이다.
다시 도13을 참조하면, 기포 배출 공정에서, 예컨대 적층체(100)의 중심부에 있는 기포는 적층체(100)의 표면에 롤러를 가압함으로써 외주연으로 이동되어 제거된다. 또한, 기포는 계면 형성 공정에서 충분히 배출되기 때문에 기포 배출 공정은 필수적이지 않다. 그러나, 이런 공정을 통해 기포를 더욱 제한함으로써 전지의 전력 밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
포장 공정에서, 합착된 적층체(접합체)(100)는 외장 케이스(104)에 수용됨으로써(도2 참조) 바이폴라 전지(10)(도1 및 도2 참조)를 제조한다. 외장 케이스(104)는 두 개의 판상 외장재 사이에 적층체(100)를 배열하고 외장재의 외주연을 접합함으로써 형성된다. 외장재는 폴리프로필렌막과 같은 절연체에 의해 도포되고 열융합을 적용함으로써 접합되는 폴리머-금속 복합체 적층막일 수 있다.
또한, 합착된 적층체(100)를 추가로 서로 적층하고 외장 케이스(104) 내에 그 배열체를 수용함으로써 추가 바이폴라 전지층의 고용량 및/또는 고전력을 달성하는 것이 가능하다. 선택적으로, 대기 조건에서 적층 및 가압하는 공정 또는 진공 하에서 시일층 및 계면을 형성하는 공정을 수행하는 것이 가능하다.
전해질(124, 125)과 제1 및 제2 시일재(114, 116)를 적절히 선택함으로써, 시일층 형성 공정 및 계면 형성 공정은 통합된다. 제1 및 제2 시일재(114, 116)의 경화와 전해질층의 완성은 동시에 수행된다. 이렇게 함으로써, 제조 공정의 수를 줄일 수 있다. 선택적으로, 적층체(100)의 각 층(바이폴라 단위 전지)의 전위를 조절하기 위한 탭(리드 라인)을 부착하는 공정이 시일층 형성 공정과 계면 형성 공정 사이에 추가될 수 있다.
도19는 제1 실시예에 따른 개량예의 단면도이다. 상술한 제1 실시예의 예에서, 제1 및 제2 시일재(114, 116)는 집전체(111)와 세퍼레이터(121, 122) 사이에 배열되어 캐소드(113)와 애노드(112)의 단부까지 연장된다. 그러나, 시일 구조는 이런 구조로 제한되지 않는다. 예컨대, 도19에 도시된 바와 같이, 캐소드(113), 집전체(111) 및 애노드(112)의 모서리까지 연장되도록 시일재(118)를 배열하는 것이 가능하다.
이처럼, 제1 실시예는 기포의 도입을 최소화하는 바이폴라 전지와 이런 전지를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 폴리머 겔 전해질은 폴리머 골격 내에 전해질을 함유한 열가소성 물질이기 때문에, 누액이 방지됨으로써 액체 연결을 방지하여 신뢰도가 높은 바이폴라 전지를 구성하게 된다. 또한, 폴리머 겔 전해질은 열경화성일 수 있기 때문에 열가소성 물질로 제한되지 않는다. 이런 경우, 누액은 가열과 동시에 가압하여 전해질층을 경화시킴으로써 누액이 방지되어 액체 연결을 방지한다.
계면 가압 및 형성 공정에서 표면 압력은 적층체(100)이 재료 강도와 같은 재료 성질을 고려하여 적절히 설정될 수 있기 때문에 1~2×106 Pa로 제한되지 않는다. 시일층 가열 공정에서 가열 온도는 80 ℃로 제한되지 않는다. 가열 온도는 전해액의 내열성 또는 제1 시일재(114)(제1 시일층(115)) 및 제2 시일재(116)(제2 시일층(117))의 경화 온도와 같은 재료적 성질을 고려할 때, 예컨대 60 ℃ 내지 150 ℃ 사이의 범위에 있는 임의의 온도일 수 있다.
전해질(124, 125)은 전해액 계열을 포함할 수 있기 때문에 겔 폴리머 계열로 제한되지 않는다. 이런 경우, 전해질 배열 공정에서, 예컨대 전해액은 마이크로피페트를 사용하여 캐소드(113) 및 애노드(112)의 각 전극부에 도포되어 그 내에 스며든다(도9 참조).
전해액은 PC(프로필렌 카보네이트) 및 EC(에틸렌 카보네이트)로 구성된 유기 용매와 지지염으로서 리튬염(LiPF6)과 소량의 계면활성제를 포함한다. 유기 용매의 농도는 예컨대 1 M이다.
유기 용매는 다른 고리형 카보네이트 계열, 디메틸카보네이트와 같은 사슬형 카보네이트 계열 및 테트라하이드로퓨란과 같은 에테르 계열을 포함할 수 있기 때문에 PC 및 EC로 제한되지 않는다. 리튬염은 LiCF3SO3와 같은 유기 음이온염과 그 밖의 무기 음이온염을 포함할 수 있기 때문에 LiPF6로 제한되지 않는다.
다음으로, 제2 실시예에 따른 집전체 형성 공정의 흐름도인 도20을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 도21은 도20에 도시된 시일재 침투 공정을 도시한 개략도이다.
제2 실시예는 시일층 가압 및 형성 공정 사이에 시일재 침투 공정을 포함한다는 점에 있어 제1 실시예와 상이하다.
도21을 참조하면, 기포가 제1 및 제2 시일재에 의해 에워싸인 내부에 잔류하는 것을 제한하기 위해, 제1 및 제2 시일재의 두께가 각각 캐소드와 전해질의 총두께 및 애노드와 전해질의 총두께보다 작게 설정될 때, 적층체(200)를 가압함에도 불구하고 가압력은 제1 및 제2 시일재가 배열되는 부분(충전부)으로 충분히 전달되지 않는다. 이는 밀봉 결함을 일으킨다.
이로써, 제1 및 제2 시일재는 가압 장치(280)를 이용하여 적층체(200)의 충전부를 가압하기 위해 시일재 침투 공정을 추가함으로써 세퍼레이터로 충분히 침투된다.
시일층 형성 공정에서, 제1 및 제2 시일재가 침투되는 부분은 열적으로 경화되도록 가열된다. 따라서, 제1 및 제2 시일재의 접착성은 제1 실시예에 비해 향상된다. 또한, 제1 및 제2 시일재는 제1 및 제2 시일층에 대향하는 제조된 바이폴라 전지의 세퍼레이터 부분으로 침투된다.
가압 장치(280)는 적층체(200)가 배열되는 기부판(281), 기부판(281)에 인접하지만 이격된 가압판(283), 및 도21에 도시되지 않은 제어부(178, 188)와 유사한 제어부를 갖는다. 가압판(283)은 중심 가압판(284)과 외주연 가압판(285)을 갖도록 분할된다.
중심 가압판(284)은 전극부(즉, 캐소드 및 애노드)가 배열되는 적층체(200)의 부분을 지지하기 위한 것이다. 외주연 가압판(285)은 적층체(200)의 충전부를 가압하기 위한 것이다. 제어부는 중심 가압판(284)과 외주연 가압판(285)의 이동이나 가압력을 제어하기 위한 것이다. 따라서, 가압 장치(280)는 기부판(281)에 배열된 적층체(200)의 외주연 가압판(285)을 이용하여 충전부만을 가압할 수 있다.
비록 필수적이지는 않지만, 외주연 가압판(285)에 의한 가압 작업은 중심 가압부(284)에 의해 적층체(200)의 전극부를 가압한 후 수행되는 것이 바람직하다. 이런 경우, 전극부에 있는 기포를 외주연부로 이동시킴으로써 전극부의 잔류 기포를 더욱 최소화시킬 수 있다.
이와 같이, 제1 실시예에 비해 시일 특성이 더욱 향상된다. 또한, 필요에 따라 시일재를 가압하고 침투시키는 공정을 적절히 통합하는 것이 가능하다.
다음으로 도22 및 도23을 참조로 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 도22는 제3 실시예에 따른 시일재 배열 공정의 평면도이고 도23은 제3 실시예에 따른 가압 공정의 개념도이다.
제3 실시예는 시일재를 배열하고 적층하고 가압하는 공정과 관련하여 제1 실시예와 다르다.
도22를 참조하면, 시일재 배열 공정에서 제1 및 제2 시일재(314, 316)는 애노드와 캐소드를 에워싸도록 불연속적으로 연장된다. 제1 및 제2 시일재(314, 316)가 배열되지 않은 부분에는 노치형 간극부(315, 317)가 형성된다. 즉, 간극부는 충전부에 형성된다. 또한, 도면부호 311은 집전체를 지시한다.
적층 공정은 기포 배출 공정을 포함한다. 적층체를 형성할 때, 집전체, 전해질층 그리고 제1 및 제2 시일재(314, 316)에 의해 에워싸인 내부 공간에 잔류하 는 기포는 간극부(315, 317)를 통해 배출된다.
가압 공정은 기포 배출 공정 및 간극 폐쇄 공정을 포함한다. 적층체는 상술한 바와 같이 가압판과 기부판에 의해 바이폴라 전극이 적층되는 방향을 따라 가압된다. 이때, 제1 및 제2 시일재(314, 316)가 배열된 적층체의 부분(충전부)이 가압된다.
이로써, 집전체, 전해질층, 제1 및 제2 시일재(314, 316)에 의해 에워싸인 내부 공간에 잔류하는 기포는 가압 초기에 간극부(315, 317)를 거쳐 배출된다. 또한, 간극부(315, 317) 둘레에 배치되는 제1 및 제2 시일재(314, 316)는 도23에 도시된 바와 같은 가압 작업을 진행함으로써 간극부(315, 317) 쪽으로 배향된다. 간극부(315, 317)는 간극부(315, 317)를 피복하여 폐쇄됨으로써 배출 기능을 중지한다.
이런 경우, 간극부(315, 317)가 폐쇄될 때까지 적층체에 포함되는 전극부 내의 기포는 간극부(315, 317)를 거쳐 외주연으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 전극부에 잔류하는 기포는 더욱 제한된다.
도24는 제3 실시예에 따른 개량예의 평면도이다. 개량예에서, 간극부(315, 317) 둘레의 제1 및 제2 시일재(314, 316)의 단부면은 적절한 원형 형상을 갖는다. 간극부(315, 317) 사이의 거리는 일정하지 않다. 즉, 제1 및 제2 시일재의 유동성은 제1 및 제2 시일재(314, 316)의 양이 증가됨에 따라 향상된다. 또한, 간극부(315, 317) 사이의 공간이 좁아지는 부분이 있기 때문에, 간극부(315, 317)를 용이하게 폐쇄하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 기포의 도입은 제1 실시예에 비해 제3 실시예에서 더욱 제한될 수 있다.
또한, 전해질이 침투된 다공성 세퍼레이터는 제1 내지 제3 실시예에서 서로 중첩된다. 따라서, 비록 기포가 바이폴라 전극의 캐소드와 애노드에 잔류하더라도, 전해질이 침투할 수 있는 세퍼레이터를 통해 캐소드나 애노드에 대향하는 표면으로부터 이런 기포를 쉽게 배출할 수 있다. 또한, 세퍼레이터 사이의 공간으로부터 기포를 배출하는 것이 용이하다.
또한, 비록 캐소드와 애노드는 바이폴라 전극의 양측에 배치되지만, 세퍼레이터는 캐소드와 애노드의 양측에 배열된다. 이로써, 세퍼레이터는 캐소드와 애노드의 양측에 배열되어 유닛을 형성한다. 이는 유닛이 캐소드, 애노드 및 전해질을 노출시키지 않고도 세퍼레이터에 의해 덮혀서 보유됨으로써 적층될 수 있도록 한다. 따라서, 세퍼레이터에는 주름이 거의 생성되지 않고 적층 작업은 용이하게 되어 대량 생산을 촉진시킨다.
또한, 전해질이 침투할 수 있는 세퍼레이터들은 서로 중첩되기 때문에, 비록 과다 침투부(즉, 미소균열)가 세퍼레이터의 일부에 생성되더라도, 캐소드와 애노드는 중첩 세퍼레이터의 존재로 인해 서로 뚜렷이 분할된다. 따라서, 세퍼레이터의 기능이 확보된다. 따라서, 생산성이 증가될 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 실시예는 두 개의 세퍼레이터가 서로 중첩되는 세퍼레이터들의 예를 예시한다. 그러나, 본 발명은 예컨대 세 개의 세퍼레이터가 서로 중첩되는 세퍼레이터들을 포함할 수 있기 때문에 이에 제한되지 않는다. 이런 경우, 전력 밀도의 측면에서 세퍼레이터들을 가능한 얇게 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 실시예는 본 발명의 용이한 이해를 위해 설명된 것으로 본 발명을 제한하지 않는다. 반대로, 본 발명은 그 범위가 법적으로 허용되는 모든 변경예와 균등 구조를 포괄하는 최광의 해석에 따라야 하는 첨부한 특허청구범위에 속하는 다양한 변경예 및 균등 구조를 포괄하는 것으로 간주되어야 한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이폴라 전지의 단면도이다.
도2는 도1에 도시된 바이폴라 전지의 단면도이다.
도3은 도1에 도시된 바이폴라 전지를 사용하도록 구성되는 조전지의 사시도이다.
도4는 도3에 도시된 조전지가 장착된 차량의 개략도이다.
도5는 제1 실시예에 따른 바이폴라 전지를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도6은 도5에 도시된 조립체 유닛을 형성하기 위한 공정의 흐름도이다.
도7은 도6에 도시된 전극 형성 공정의 평면도이다.
도8은 도6에 도시된 전극 형성 공정의 단면도이다.
도9는 도6에 도시된 전해질 배열 공정의 단면도이다.
도10은 도6에 도시된 시일재 배열 공정의 평면도이다.
도11은 도6에 도시된 시일재 배열 공정 의 단면도이다.
도12a는 도6에 도시된 세퍼레이터 배열 공정과 조립체 유닛을 도시한 단면도이다.
도12b는 도5에 도시된 접합체 형성 공정에서 도12a에 도시된 조립체 유닛이 부분 적층된 때를 도시한 단면도이다.
도13은 도5에 도시된 접합체를 형성하기 위한 흐름도이다.
도14는 도13에 도시된 조립체 유닛 설치 공정의 단면도이다.
도15는 도13에 도시된 적층 및 가압 공정의 개략도이다.
도16은 도13에 도시된 시일층 형성 공정의 개략도이다.
도17은 도13에 도시된 계면 형성 공정의 개략도이다.
도18은 도13에 도시된 초기 충전 공정의 개략도이다.
도19는 제1 실시예에 따른 개량예의 단면도이다.
도20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 집전체 형성 공정의 흐름도이다.
도21은 도20에 도시된 시일재의 투과 공정을 도시한 개략도이다.
도22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 시일재 배열 공정의 평면도이다.
도23은 제3 실시예에 따른 가압 공정의 개념도이다.
도24는 제3 실시예에 따른 개량예의 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 바이폴라 전지
100: 적층체
120: 전해질층
112: 애노드
113: 캐소드
111: 집전체
121, 122: 세퍼레이터
115: 제1 시일층
117: 제1 시일층

Claims (18)

  1. 적층체로 배열되고 각각의 전극이 집전체의 일측에 형성되는 캐소드 및 집전체의 타측에 형성되는 애노드를 포함하는, 적어도 두 개의 바이폴라 전극과,
    각각의 바이폴라 전극의 캐소드측 및 애노드측에 배열되는 전해질층과,
    적층체 내에서 각 전극의 양측에 배열되고 각각의 세퍼레이터가 전해질이 침투하기에 충분한 투과성을 갖는, 한 쌍의 세퍼레이터와,
    각각의 집전체와 인접 세퍼레이터 사이의 공간에 배열되고 해당 캐소드 및 애노드의 단부를 에워싸는 충전재를 포함하는 충전부를 포함하며,
    전극들 중 인접 전극들의 세퍼레이터는 서로 접촉하여 중첩되고, 중첩된 세퍼레이터 사이를 통해 기포를 배출시킬 수 있도록 구성되고,
    전해질층은 폴리머 겔 전해질이며,
    충전부의 충전재의 두께는 인접 캐소드 또는 애노드와 폴리머 겔 전해질의 총 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지.
  2. 제1항에 있어서, 한 쌍의 세퍼레이터는 제1 바이폴라 전극의 캐소드와 제2 인접 바이폴라 전극의 애노드를 분할하는 다공막인 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 충전부는 적층체의 형성 동안 폐쇄되는 간극부를 갖는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1 집전체의 일측에 형성된 제1 캐소드 및 제1 집전체의 대향측에 형성된 제1 애노드를 포함하는 제1 바이폴라 전극을 형성하는 단계와,
    제1의 한 쌍의 세퍼레이터에 인접한 전해질을 포함하고 제1 바이폴라 전극의 제1 캐소드측 및 제1 애노드측에 개재되는 전해질층을 형성하는 단계와,
    제1 캐소드 및 제1 애노드의 모서리를 에워싸도록 제1 집전체와 제1의 한 쌍의 세퍼레이터의 각 세퍼레이터 사이에 형성된 공간에 충전부를 형성하기 위한 충전재를 배열하는 단계와,
    제1 바이폴라 전극의 양측에 각각 전해질이 침투하기에 충분한 투과성을 갖는 제1의 한 쌍의 세퍼레이터를 배열하는 단계와,
    제2 집전체의 일측에 형성된 제2 캐소드 및 제2 집전체의 대향측에 형성된 제2 애노드를 포함하는 제2 바이폴라 전극을 형성하는 단계와,
    제2의 한 쌍의 세퍼레이터에 인접한 전해질을 포함하고 제2 바이폴라 전극의 제2 캐소드측 및 제2 애노드측에 개재되는 전해질층을 형성하는 단계와,
    제2 캐소드 및 제2 애노드의 모서리를 에워싸도록 제2 집전체와 제2의 한 쌍의 세퍼레이터의 각 세퍼레이터 사이에 형성된 공간에 충전부를 형성하기 위한 충전재를 배열하는 단계와
    제2 바이폴라 전극의 양측에 각각 전해질이 침투하기에 충분한 투과성을 갖는 제2의 한 쌍의 세퍼레이터를 배열하는 단계와,
    제1의 한 쌍의 세퍼레이터의 제1 세퍼레이터와 제2의 한 쌍의 세퍼레이터의 제2 세퍼레이터가 서로 접촉하여 중첩되고, 중첩된 세퍼레이터 사이를 통해 기포를 배출시킬 수 있게 구성되도록 제1 바이폴라 전극 및 제2 바이폴라 전극을 적층하는 단계를 포함하며,
    각각의 전해질층의 전해질은 폴리머 겔 전해질이고,
    충전부의 충전재의 두께는 캐소드 또는 애노드와 폴리머 겔 전해질의 총 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 각각의 세퍼레이터는 다공막인 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제11항에 있어서, 상기 충전부에 간극부가 형성되며,
    집전체와 제1의 한 쌍의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터와 충전재에 의해 형성되는 제1 전극의 내부 공간에 잔류하는 기포를 간극부를 통해 배출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 기포를 배출한 후, 적층체의 적층 방향을 따라 충전부를 가압함으로써 상기 간극부의 간극을 폐쇄하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전지 제조 방법.
  18. 삭제
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5358906B2 (ja) 2006-12-08 2013-12-04 日産自動車株式会社 バイポーラ電池の製造方法
JP5708607B2 (ja) * 2006-12-08 2015-04-30 日産自動車株式会社 バイポーラ電池の製造装置
US8163421B2 (en) * 2009-03-09 2012-04-24 Tsun-Yu Chang High durability lithium-ion cells
JP5970379B2 (ja) * 2010-03-05 2016-08-17 エーアイシー ビーエルエービー カンパニー 軽量なバイポーラ式密閉形鉛蓄電池およびその方法
WO2012164642A1 (ja) * 2011-05-27 2012-12-06 トヨタ自動車株式会社 バイポーラ全固体電池
JP5798050B2 (ja) * 2012-01-30 2015-10-21 シャープ株式会社 二次電池、この二次電池を用いた蓄電池システムおよびメンテナンス方法
EP2833462A4 (en) * 2012-03-28 2015-12-23 Oceans King Lighting Science BATTERY WITH FIXED ELECTROLYTE
KR20130113301A (ko) * 2012-04-05 2013-10-15 주식회사 엘지화학 계단 구조의 전지셀
CN106033823B (zh) * 2015-03-11 2018-11-13 北京好风光储能技术有限公司 一种注液量可控的高电压动力电池及其制备方法
JP6870914B2 (ja) * 2016-03-15 2021-05-12 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び車両
EP3425412A1 (en) * 2016-11-04 2019-01-09 LG Chem, Ltd. Reaction estimation method for secondary battery and secondary battery comprising battery cell used for same
CN107887656A (zh) * 2017-11-13 2018-04-06 桑顿新能源科技有限公司 一种凝胶态锂离子电池及其制备方法
CN115552706A (zh) * 2020-06-30 2022-12-30 宁德新能源科技有限公司 一种电化学装置用隔板、电化学装置及电子装置
CN113261151B (zh) * 2020-06-30 2024-06-07 宁德新能源科技有限公司 一种电化学装置用隔板、电化学装置及电子装置
CN114824154B (zh) * 2021-01-22 2024-01-26 中国科学院物理研究所 一种双极性电池及其制备方法和用途

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990028977A (ko) * 1995-08-28 1999-04-15 야마모토 가즈모또 전지 및 그의 제조 방법
US5916515A (en) * 1997-02-27 1999-06-29 Valence Technology, Inc. Two-stage lamination process
JP2004185813A (ja) * 2002-11-29 2004-07-02 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池、バイポーラ電池の製造方法、組電池および車両
JP2005340089A (ja) * 2004-05-28 2005-12-08 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池、組電池、およびこれらを搭載した車両

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4874681A (en) * 1988-04-14 1989-10-17 Rippel Wally E Woven-grid sealed quasi-bipolar lead-acid battery construction and fabricating method
JP4016464B2 (ja) * 1997-09-30 2007-12-05 ソニー株式会社 ゲル電解質二次電池
JP2004220829A (ja) * 2003-01-10 2004-08-05 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池
US8076021B2 (en) * 2004-12-10 2011-12-13 Nissan Motor Co., Ltd. Bipolar battery
JP4787540B2 (ja) * 2005-05-20 2011-10-05 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 色素増感型太陽電池素子の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990028977A (ko) * 1995-08-28 1999-04-15 야마모토 가즈모또 전지 및 그의 제조 방법
US5916515A (en) * 1997-02-27 1999-06-29 Valence Technology, Inc. Two-stage lamination process
JP2004185813A (ja) * 2002-11-29 2004-07-02 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池、バイポーラ電池の製造方法、組電池および車両
JP2005340089A (ja) * 2004-05-28 2005-12-08 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池、組電池、およびこれらを搭載した車両

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