KR101028366B1 - 쿼지바이폴라 전기화학셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코어에 쿼지바이폴라 전극이 감겨지는 전기화학셀에서 단위 셀 사이의 기화된 전해액 가스를 분리하기 위한 가스 차단 수단을 배치하여 신뢰성이 높은 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 전극; 상기 전극이 감겨지고 단위 셀에 연결되는 구멍을 갖춘 코어; 단위 셀 사이의 전해액격리 격벽수단; 및 단위 셀 사이의 가스차단수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
쿼지바이폴라, 전기화학셀, 가스 차단 수단

Description

쿼지바이폴라 전기화학셀{QUASI-BIPOLAR ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 관한 것으로, 특히 내부에 단위 셀 사이의 가스차단수단을 설치함으로써 신뢰성을 증진시킨 전기화학셀에 관한 것이다.
일반적으로 전기화학셀은 모노폴라(Mono Polar) 구조를 갖는다. 이러한 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 단위 셀(Unit Cell)을 구성한다.
도 1은 일반적인 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀(10)은, 양극 전극(11), 음극 전극(12), 세퍼레이터(13), 전해액(14), 단자들(Terminals)(15-1, 15-2) 및 케이스(16)로 구성된다. 이러한 전기화학셀의 구성은 동작을 위한 최소한 의 기본단위이며 이를 단위 셀(Unit Cell)이라 불린다.
이러한 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀이 납축전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지 등과 같은 전지나 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor), 의사-커패시터(Pseudo-Capacitor) 등과 같은 울트라 커패시터(ultra Capacitor 또는 supercapacitor) 등에 응용되는 경우, 그 단위 셀의 동작전압은 수 볼트에 불과하다. 따라서 전지나 울트라 커패시터 등에 응용되는 전기화학셀이 수백 볼트에 이르는 전기장치에 사용되기 위해서는, 다수의 단위 셀이 직렬로 연결되어야 한다.
다수의 단위 셀을 직렬로 연결하는 구조에는, 도체(Conductor)를 통해 외부에서 각 단위 셀들을 직렬로 연결하는 구조와 내부에서 단위 셀들을 직렬로 연결하는 구조가 있다. 여기서, 내부에서 단위 셀들을 직렬로 연결하는 구조를 바이폴라 구조 또는 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀이라 일컫는다.
도 2는 일반적인 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극 구성을 보여주는 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 집전체(51)와 상기 집전체(51) 상에 형성된 양극 활물질층(53)으로 이루어진 양의 모노폴라 전극과, 집전체(52)와 상기 집전체(54) 상에 형성된 음극 활물질층(54)으로 이루어진 음의 모노폴라 전극이 각각 구성된다. 여기서, 상기 집전체(51)와 상기 집전체(52)가 연결부(55)를 통해 연결됨으로써, 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극(50: 이하, 쿼지바이폴라 전극)이 구성된다. 즉, 연결부(55)를 사이에 두고 양극 활물질층(57)과 음극 활물질층(58)이 대칭되게 형성되어, 쿼지바이폴라 전극(50)이 구성된다. 이렇게 제작된 쿼지바 이폴라 전극들을 서로 마주보는 전극면이 서로 반대극성을 갖도록 배치하고 그 사이에 세퍼레이터가 삽입된다.
쿼지바이폴라 구조에서는 쿼지바이폴라 전극을 구성하는 양의 모노폴라 전극 및 음의 모노폴라 전극 중 어느 하나의 전극이 인접하는 단위 셀의 반대전극 역할로 기능한다. 즉 서로 인접하는 단위 셀들이 쿼지바이폴라 전극에 형성되어 있는 집전체(56)의 연결부(55)에 의해 서로 직렬로 연결되는 구조이다.
도 3은 파이프 형태의 금속케이스를 사용하고 코어에 전극이 감겨진 4-직렬 쿼지바이폴라 구조를 갖는 종래의 기술에 따른 전기화학셀을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 전해액은 구멍(173)를 통해 주입된다. 전해액 주입구(173)를 통해 주입된 전해액은 구멍(142)를 통해 코어(140)를 통과하여 각 단위 셀 내로 공급된다. 격벽(174)은 각 단위 셀에 구비된 전해액을 격리시킨다. 또한 전해액 주입을 위해 사용된 구멍들은 조립 후 전기화학셀이 동작할 때 내부에서 발생된 가스가 코어(140)를 통해 밖으로 배출될 수 있는 통로로 사용된다.
대부분의 전기화학셀에서 과전압이 인가되는 경우, 전기화학반응에 의해 가스가 급격하게 발생한다. 이로 인해 내부압력이 급격하게 상승하여, 안전 벤트(Safety Vent)와 같은 장치가 없으면 전기화학셀이 폭발할 수도 있다.
도 3에서, 코어(140)에 형성된 구멍에 의해 모든 단위 셀이 연결되어 있으므로 모든 단위 셀에 안전 벤트를 각각 설치하지 않고 케이스 커버(150) 부분에 만들어지는 전해액 주입구에 설치되는 파열 판이나 일 방향밸브를 장착한 한 개의 안전 벤트로 통합할 수 있다. 또한 전기화학셀 내부에서 발생하는 가스를 배출시키기 위 한 기체투과도를 갖는 멤브래인(Membrane)이 전해액 주입구에 설치될 수 있다.
그러나 이러한 구조는 비교적 단순한 구조를 지니지만 단위 셀 사이에서 기화된 전해액 가스를 차단하지 못한다는 단점을 지닌다.
따라서 기화된 전해액 가스에 의해 단위 셀에 과전압이 인가되어 부반응이 발생할 수 있으며 장기적인 측면에서 수명을 감소시키는 요인이 될 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단위 셀에 연결되는 구멍을 갖춘 코어에 쿼지바이폴라 전극이 감겨지는 전기화학셀에서 단위 셀 사이의 기화된 전해액 가스를 분리하기 위한 가스차단수단을 설치하여 신뢰성이 높은 전기화학셀을 제공하는 데에 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 상기 전극이 감겨지고 단위 셀에 연결되는 구멍을 갖춘 코어, 단위 셀 사이의 전해액격리 격벽수단 및 단위 셀 사이의 가스차단수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성들을 갖는 본 발명의 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 전극을 단위 셀에 연결되는 구멍을 갖춘 코어에 감아 만들어진 쿼지바이폴라 전기화학셀 내부에 단위 셀 사이의 가스차단수단을 설치하여 기화된 전해액 가스에 의해 단위 셀 사이의 과전압에 의한 전기화학반응을 방지하여 전기화학 셀의 신뢰성을 증진시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극을 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학셀(100)은, 모노폴라 전극(110), 및 쿼지바이폴라 전극(120)을 구비한다.
모노폴라 전극(110)은 집전체(112) 상에 형성된 하나의 극성을 갖는 활물질층(111)을 구비한다.
쿼지바이폴라 전극(120)은 집전체(124)를 구비하고, 집전체(124) 상에 소정 거리로 이격되어 나란히 형성된 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)을 포함한다. 또한, 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122) 사이의 집전체 연장부에 전해액격리 격벽수단이 설치되는 전해액 격리부(123)가 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기화학셀(100)은, 쿼지바이폴라 전극(120)의 집전체 연장부에서 전해액 격리부(123)와 음극 활물징층(122) 사이에 형성된 다수의 구멍(125)와, 상기 전해액 격리부(123)와 양극 활물징층(121) 사이에 형성된 다수의 구멍(126)을 구비한다.
전기화학셀(100)은, 모노폴라 전극(110) 상에 형성된 하나의 극성을 갖는 활물질층(111) 외측의 단자에 연결하기 위한 집전체 연장부에 형성된 다수의 구 멍(113)들을 더 구비할 수도 있다.
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. 여기서, 집전체(112)의 상부와 하부에는 전기에너지를 저장하기 위한 양극 또는 음극 활물질층이 각각 형성된다. 즉, 집전체(112)의 양면에 활물질층(111)을 형성시키는 경우, 양쪽 면에 형성된 활물질층은 동일한 극성을 가지며 두 개의 활물질층들(111)이 집전체(112)를 사이에 두고 겹쳐지도록 제작된다. 따라서 활물질층(111)들은 폭과 위치가 동일하다. 또한 모노폴라 전극을 외부 단자에 연결하기 위해 활물질층 외부에 집전체 연장부가 형성된다.
쿼지바이폴라 전극(120)에는 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)에 전류를 전달하기 위한 포일 또는 시트 형태의 집전체(124)가 사용된다. 여기서, 집전체(112) 상부와 하부에는 전기에너지를 저장하기 위한 양극 활물질층(121)과 음극 활물질층(122)이 각각 형성된다. 즉, 집전체(124)의 양쪽 면에 활물질층을 형성시키는 경우, 양극 활물질층(121)이 동일한 폭과 동일한 위치에 집전체(124)의 상부면과 하부면 상에 각각 형성되고, 음극 활물질층이 동일한 폭과 동일한 위치에 상기 집전체(124)의 상부면과 하부면 상에 각각 형성된다. 여기서, 일반적으로 쿼지바이폴라 전극의 양극 활물질층과 음극 활물질층, 모노폴라 전극의 양극 활물질층과 음극 활물질층의 폭은 모두 동일할 수 있다.
쿼지바이폴라 전극에 형성된 구멍들(125, 126)은 전기화학셀 조립 후 각 단위 셀에 일정량의 전해액을 용이하게 주입하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
전기화학셀(100)이 전기이중층캐패시터일 경우, 집전체(124)의 재질로는 알루미늄이 사용될 수 있으며, 양극과 음극용 활물질로는 분말상의 활성탄소가 사용될 수 있다. 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 사용될 수도 있다.
또한 다른 전기화학셀의 전극처럼 활물질층이 집전체면에 잘 부착되도록 하기 위해 알루미늄 에칭포일과 같이 표면처리로 표면적을 증가시킨 집전체가 사용될 수도 있다.
전기이중층캐패시터에서 대부분의 경우, 양극과 음극을 특별히 구분하지는 않지만, 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 알루미늄, 구리 및 이들을 포함하는 금속 화합물이 각각 사용될 수 있다. 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 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 전기화학셀의 코어를 나타낸 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따 른 전기화학셀(100)은, 도 4의 모노폴라 전극(110)과 쿼지바이폴라 전극(120)이 감겨지는 코어(140)를 구비한다. 여기서, 코어(140)에는 다수의 구멍(141, 142, 143, 144)이 형성된다.
구멍(141)은 테이프(145)의 양측에 대응되게 형성되어 제 1 단위 셀에 이용되는 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있다. 구멍(142)은 테이프(146)의 양측에 대응되게 형성되어 제 2 단위 셀에 이용되는 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있다. 구멍(143)은 테이프(147)의 양측에 대응되게 형성되어 제 3 단위 셀에 이용되는 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있다. 구멍(144)은 테이프(148)의 양측에 대응되게 형성되어 제 4 단위 셀에 이용되는 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있다. 여기서, 테이프들(145 내지 148)은 코어(140)에 전극을 감기 시작할 때 전극을 코어(140)에 고정시키기 위한 용도로 사용되는 방법 중 의 하나를 예시한 것이다.
코어(140)는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌, PPS (Polyphenylene Sulfide), 페놀수지 같은 플라스틱 재질이나 알루미늄 같은 금속 재질로 만들어질 수 있으며, 파이프 모양을 갖고 있다.
코어(140)에는 다수의 구멍이 코어(140)의 측면상에 형성되며, 코어(140)에서 구멍의 위치는 쿼지바이폴라 전극(120)에 형성된 구멍과 코어(140)의 길이방향으로 대응되는 지점이다.
코어(140)에 형성된 구멍들은 일직선상이 아닌 코어(140)의 중심에 대해 서로 다른 각도를 갖도록 만드는 것이 구멍들 사이의 거리를 떨어뜨릴 수 있고, 각 단위 셀의 구멍에 전해액 주입관을 연결하는데 용이하다. 본 실시예에서 코어(140)에 형성된 각 단위 셀의 구멍들 사이의 각도는 90도 이다.
코어(140)에는 4개의 각 단위 셀에 쿼지바이폴라 전극에 의해 만들어지는 2줄의 구멍의 위치에 해당되는 구멍이 단위 셀당 2개씩 형성된다. 코어(140)의 표면에는 코어(140)에 전극을 감기 시작할 때 코어(140)에 전극을 쉽게 고정시킬 수 있도록 테이프를 부착하거나 열융착(Thermal Bonding)이 가능한 필름을 라미네이션(Lamination) 하거나 또는 단위 셀 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 소수성 처리(Hydrophobic Treatment)를 할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서는 4개의 단위 셀들이 직렬로 구성되는 전기화학셀을 예로서 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 사시도로서, 도 4의 모노폴라 전극과 쿼지바이폴라 전극을 도 5의 코어에 감는 과정을 보여주는 도면이다. 즉, 4개의 단위 셀들이 직렬로 연결되어 있는 전기화학셀을 제조하는 과정을 나타낸 것으로서, 모노폴라 전극(110)과 쿼지바이폴라 전극(120)으로 이루어진 전극과 세퍼레이터(114)들을 코어(140)에 감기 위해서 정렬된 모양을 나타내고 있다. 특히, 전극에 형성된 구멍들(113, 125, 126)과 코어(140)에 형성된 구멍들(141 내지 144)은 중심축 방향으로 배열되어서 서로 대응된다. 이는 전기화학셀을 제조하는 과정에서 구멍들을 통해 전해액을 용이하게 주입할 수 있도록 하기 위한 것이다.
쿼지바이폴라 전극(120)들은 한쪽 극성이 인접한 셀에서 반대극성으로 사용됨으로써 인접한 셀들이 직렬로 연결되고, 단자에 연결되는 두 개의 모노폴라 전극(110) 각각은 반대극성을 갖는 각 쿼지바이폴라(120) 전극의 한쪽 활물질층과 세퍼레이터(114)를 사이에 두고 서로 마주보도록 배열된다. 여기서, 세퍼레이터(114)의 폭은 집전체에 부착된 활물질층의 폭보다 약간 넓게 만들어진다.
코어(140)에 대한 전극의 위치정렬을 위해 코어(140)에 형성된 구멍들(141, 142)과 전극(110, 120)에 형성된 구멍들(113, 125, 126)의 중심을 일치시킬 필요는 없고, 코어(140)의 중심축방향으로 코어(140)에 만들어진 단위셀용 주입구들(141, 142)에 해당되는 지점에 쿼지바이폴라 전극(120)의 구멍들(113, 125, 126)이 위치하도록 한다. 즉, 코어(140)의 중심축방향으로 일차원적인 위치조정이면 충분하다.
단위 셀 사이의 전해액격리 격벽을 만들기 위해 전극의 전해액 격리부(123)에 접착제(115)를 연속적으로 바르면서 코어(140)에 전극이 감겨진다. 전해액격리 격벽으로는 전해액이 투과되지 않는 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 예컨대, 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.
전극(110, 120)에 도포된 접착제(115)는 전극을 감는 과정에서 이미 감겨진 면 사이에서 인접 단위 셀 사이의 전해액을 격리하는 격벽을 형성한다. 또한 이러한 과정에서 코어(140)와 전극(110, 120) 사이에도 전해액 격리를 위한 격벽이 형성된다. 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 7에 도시된 바와 같은 전극 조립체가 완성된다.
도 8은 도 7에 도시된 전극 조립체를 중심축(Ι- Ι')을 따라 절단한 단면도이다. 단, 도 8에서는 도면의 이해를 돕기 위하여, 전극 조립체를 구성하는 각 구성들의 두께 또는 폭이 과장되게 도시된다.
도 8을 참조하면, 전극 조립체가 전기이중층캐패시터에 응용되는 경우, 전극의 두께는 대략 0.2~0.5mm이고, 세퍼레이터의 두께는 대략 0.03~0.05mm 이다. 도 8에서는 전해액 격리격벽(116)의 두께가 전극의 두께와 세퍼레이터의 두께보다 두껍게 그려지고 있으나, 대략 0.5 ~ 1.0mm에 불과하다. 전기이중층캐패시터 뿐만 아니라 전극이 감겨지는 다른 종류의 전기 화학셀도 이러한 범주를 크게 벗어나지 않는다.
이렇게 코어(140)에 감겨진 전극 조립체에서 겉으로 드러난 전극의 전해액 격리부(123, 도 6을 참조)에 접착제를 빙 둘러 바르고 케이스(도 9에 도시)에 집어넣는다. 이때 접착제 부분을 포함한 전극 조립체의 외경이 케이스의 내경보다 약간 작도록 하는 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우 케이스에 전극 조립체를 집어넣는 과정에서 접착제가 케이스 내벽에 묻는 등 조립이 어려워지기 때문이다. 케이스로는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 같은 금속 재질 또는 수지로 만들어진 파이프형태가 사용될 수 있으며, 금속으로 제작된 케이스를 사용하는 것이 더 바람직하다.
도 9는 도 8에 도시된 전극 조립체와 케이스의 분리 사시도이이고, 도 10은 도 9에 도시된 전극 조립체와 케이스가 결합된 상태를 보여주는 사시도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 코어(140) 양쪽에 단자로 사용되는 커버(150)들이 끼워지고, 커버(150)와 케이스(160) 사이의 전기적인 단락을 방지하는 가스켓(151)이 커버(150)에 끼워진 후 케이스(160)의 중심축과 코어(140)의 중심축을 일치시킨 상태에서 전극 조립체(170)가 케이스(160)로 삽입된다. 2개의 커버(150)들 중 적어도 어느 하나에는 전해액 주입을 위한 전해액 주입구(173)가 형성된다.
전극 조립체(170)가 케이스(160)에 삽입된 후, 전극 조립체(170)의 외부로 노출된 전극의 전해액 격리부(123)에 형성된 접착제(115)부분에 대응하는 케이스(160)에는, 도 10(또는 도 14)에 도시된 바와 같이, 비드(Bead)들(171)이 형성된다. 이에 따라 비드들(171)에 의해 전극 조립체(170)의 전해액 격리부(123)에 형성된 접착제(115)가 눌려짐에 의해 전해액 격리를 위한 전극과 케이스(160) 사이의 격벽이 형성된다.
전극 조립체(170)와 케이스(160) 사이에 전해액 격리 격벽을 만들기 위해 접착제 대신 에폭시, 페이스트, 액상 실런트, 용융된 수지가 사용될 수도 있으며 고무나 열가소성수지로 만들어진 수지로 만들어진 스트립이 단독 또는 접착제와 함께 사용될 수도 있다.
또한 전극 조립체(170)의 전해액 격리부(123)에 접착제(115)를 바른 후 열수축 튜브에 삽입하여 열 수축 시키고 이를 다시 금속케이스(160)에 넣고 전극의 전해액 격리부(123)에 비드(171)를 형성시켜 전해액 격리 격벽을 강화하거나 접착제 대신 열가소성수지로 만든 시트로 전극 조립체(170)를 감고 이를 금속케이스(160)에 넣어 전극의 전해액 격리부(123)에 비드(171)를 만들고 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 열을 가하여 금속케이스(160)의 비드(171)와 전극 조립체(170)의 외부에 노출된 전극의 전해액 격리부(123) 사이에 격벽을 만드는 방법도 사용될 수 있다.
케이스(160)의 재질로는 일반적으로 알루미늄이나 스테인리스 스틸 같은 금속이 많이 사용되며 전기화학적인 안정성을 고려하여 전극의 집전체와 동일한 계열을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 케이스(160)를 단자의 한쪽 극으로 사용하는 경우 전기화학적인 안정성은 필수적이다. 케이스(160) 재질로 금속 대신 수지로 만들어진 것이 사용될 수도 있다.
이렇게 전극 조립체(170)를 케이스(160)에 삽입하고 커버 외부에서 커버에 만들어진 그루브(Groove)(172)에 레이저빔을 조사하여 전극 권취체의 양쪽에 노출되어 있는 모노폴라 전극의 집전체 연장부와 단자로 사용되는 커버의 접속부를 용접과 같은 방법으로 전기적으로 연결시킨다. 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학셀(또는 코어)의 양측단 중 적어도 어느 일측단에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(173)가 형성된다.
이와 같이, 전극 조립체(170)를 케이스에 삽입한 상태에서, 중심축을 따라 절단하면, 도 3과 같은 단면도로 이해될 수 있다. 전술한 바와 같이, 도 3에서는 파이프 형태의 금속케이스를 사용하고, 코어(140)에 전극이 감겨진 4-직렬 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 보여주는 단면도이다.
전기화학셀이 전기이중층 커패시터인 경우, 전기이중층 커패시터에 주로 사용되는 전해액은 프로필렌 카보네이트 (Propylene Carbonate)나 아세토나이트릴(Acetonitrile)같은 용매와 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(Tetraethyl Ammonium Tetrafluoroborate, Et4NBF4)와 같은 물질로 구성된다. 이러한 전해액은 전해액 주입구(173)를 통해 주입되어 코어(140)를 지나 구멍들을 통해 해당 단위 셀 내로 공급된다. 도 3에서 격벽(174)은 단위 셀 사이의 전해액을 격리시키기 위해 형성된 것이다.
한편 전해액 주입을 위해 사용된 구멍(142)들은 조립 후 전기화학셀이 동작할 때 내부에서 발생된 가스가 다시 코어(140)를 통해 밖으로 배출될 수 있는 통로로 사용된다. 그런데, 전기화학셀에서 과전압이 인가되는 경우, 전기화학반응에 의해 가스가 급격하게 발생되어 내부압력이 급격하게 상승한다. 이를 해결하기 위하여 전기화학셀에 안전벤트와 같은 장치가 구비된다.
도 11은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따라 제작된 안전벤트의 사시도이다.
도 11을 참조하면, 상술한 바와 같이, 내부압력이 급격하게 상승하게 되면 전기화학셀은 폭발의 위험성이 존재한다. 이러한 폭발의 위험성을 제거하기 위한 안전벤트(Safety Vent)(220)는 얇은 금속, 얇은 폴리머 시트, 고무막 같은 재료로 이루어진 파열판(Rupture Disk)이 주로 사용된다. 이 파열 판은 내부가 일정 압력이상으로 상승하면 파열되어 가스가 밖으로 배출될 수 있도록 하여 전기화학셀의 폭발 위험성을 제거한다. 이러한 파열 판으로는 일 방향밸브(One Way Valve)가 사용되는 경우도 있다.
본 실시예에서는, 코어(140)에 형성된 구멍에 모든 단위 셀이 연결되어 있으므로 모든 단위 셀에 안전벤트(220)를 각각 설치하지 않고 케이스 커버(150) 부분에 만들어지는 전해액 주입구에 설치되는 파열 판이나 일 방향밸브를 한 개의 안전벤트로 통합한다. 따라서 전기화학셀을 제조하는데 있어서, 부품수를 줄이고, 그 구조를 단순화하며 케이스에 형성되는 구멍 수를 줄일 수 있어 전해액의 누액 확률을 감소시킬 수 있다.
또한, 도 11에 기체투과도를 갖는 멤브래인(Membrane)(221)이 설치될 수도 있다. 이러한 멤브래인(221)은 기체투과도(Gas Permeability)를 갖는 PTFE(Polytetrafluoroethylene), PET(Polyethylene Terephthalate), PVDC(Polyvinylidene Chloride), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 중에서 하나를 포함하는 재질 등으로 구현될수 있다.
전기화학셀 중에서 전기이중층 커패시터의 경우, 전기화학반응에 의해 주로 수소나 이산화탄소 같은 가스가 발생한다. 전기이중층 커패시터가 정상적으로 동작할 때 가스의 발생량은 많지 않으며 내부압력도 서서히 상승하여 일정압력에 도달한다. 이때 압력은 전기이중층 커패시터 내부의 빈 공간의 부피에 따라 달라진다. 따라서 전기이중층 커패시터 내부의 빈 공간이 많으면 내부압력은 높지 않지만 전기이중층 커패시터의 크기 및 중량이 증가하고 빈 공간이 작으면 전기이중층 커패시터의 크기는 작아지지만 내부압력은 커지게 되므로 전기이중층 커패시터를 견고한 구조로 만들어야 한다. 따라서 전기이중층 커패시터가 정상적으로 동작하는 동안 멤브래인(221)이 발생되는 가스를 밖으로 배출시켜 전기이중층 커패시터 내부의 압력 상승을 방지함으로써 전기이중층 커패시터의 크기를 줄이고 전기이중층 커패시터의 케이스 설계압력도 낮출 수 있다.
그러나 이러한 구조는 코어(140)에 만들어진 구멍들을 통해 기화된 전해액 가스가 모든 단위 셀에 연결된다. 한편 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에는 단위 셀 숫자에 비례하여 전압이 인가된다. 비록 각 단위 셀에는 정격전압이 인가되더라도 모든 단위 셀에 연결된 기화된 전해액 가스에 의해 단위 셀은 과전압상태에 놓이게 되어 과전압에 의한 전기화학반응이 발생한다.
비록 액체 전해액이 아닌 기화된 전해액가스에 의한 전기화학반응이므로 반응속도는 느리지만 오랫동안 전기화학셀을 사용하게 되면 기화된 전해액 가스 때문에 발생되는 과전압에 의한 전기화학반응에 의한 영향이 나타나게 된다. 이러한 영향으로 전기화학셀의 수명이 단축되는 결과를 초래할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 코어에 형성된 전해액 주입구에 가스투과도를 갖는 멤브래인을 설치한 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 코어(140: 도 5, 도 6 및 도 8을 참조)에 형성된 전해액 주입구(242)에 가스투과도를 갖는 멤브래인(246)을 설치함으로써, 기화된 전해액 가스가 모든 단위 셀과 연결되는 것을 차단하여 단위 셀에 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
또한 멤브래인(246)을 통해 전기화학셀에서 발생된 가스를 외부로 배출시켜 전기화학셀의 내부압력 상승을 방지할 수 있으므로 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 소형 경량화시킬 수 있다.
멤브래인(246)은 전기화학셀에 전해액을 주입한 후 설치하는 것이 바람직하며 멤브래인(246)을 설치한 후 전해액 주입구(242)에 안전벤트(220: 도 11을 참조)나 가스투과도를 갖는 멤브래인이(246)나 밸브(248) 같은 가스배출수단이 추가로 설치될 수 있다.
도 12에서는 가스투과도를 갖는 멤브래인(246)을 설치하는 것을 예시하였지만 가스투과도를 갖는 멤브래인(246) 대신 정압밸브나 체크밸브 같은 가스차단수단을 사용할 수도 있다. 물론 다른 형태의 가스차단수단이 사용될 수도 있다.
도 13은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 전기화학셀의 코어의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 13을 참조하면, 전기화학셀의 코어(230)에는, 도 5에 도시된 코어(140)와 동일하게, 코어의 측면에 제 1-1 단위 셀용 구멍들(141), 제 2-1 단위 셀용 구멍들(142), 제 3-1 단위 셀용 구멍들(143), 및 제 4-1 단위 셀용 구멍들(144)이 형성된다.
또한 코어(230)의 내부에는, 제 1-2 단위 셀용 구멍(231), 제 2-2 단위 셀용 구멍(232), 제 3-2 단위 셀용 구멍(233) 및 제 4-2 단위 셀용 구멍(234)가 코어의 길이방향으로 길게 형성된다. 여기서, 제 1-2 단위 셀용 구멍(231)은 제 1 단위 셀용 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있고, 제 2-2 단위 셀용 구멍(232)은 제 2 단위 셀용 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있다. 제 3-2 단위 셀용 구멍(233)은 제 3 단위 셀용 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있고, 제 4-2 단위 셀용 구멍(234)은 제 4 단위 셀용 전해액을 주입하기 위한 용도로 이용될 수 있다.
코어(230)의 내부에 길이방향으로 여러 개의 구멍들(231 내지 234)을 형성하면, 각 단위 셀 사이의 보다 나은 전해액 격리효과를 얻을 수 있으며 전해액 주입 또한 손쉬워 진다.
코어(230)의 내부에는 직렬 연결된 전극의 수와 같은 4개의 구멍들(231 내지 234)이 형성된다.
제 1-2 단위 셀용 구멍(231)는 제 1-1 단위 셀용 구멍들(141)과 연결되고, 제 2-2 단위 셀용 구멍(232)는 제 2-1 단위 셀용 구멍들(142)과 연결된다. 제 3-2 단위 셀용 주입구(233)는 제 3-1 단위 셀용 구멍들(143)과 연결되고, 제 4-2 단위 셀용 구멍(234)은 제 4-1 단위 셀용 구멍들(144)과 연결된다.
이와 같은 구조를 갖는 코어(230)는 케이스(160)의 커버(150, 도 9 및 도 10을 참조)쪽에 형성된 전해액 주입구(도 12의 242를 참조) 쪽에 위치하도록 조립된다. 즉, 코어(230)는 중심축방향으로 내부에 구멍들(231 내지 234)이 형성된 점을 제외하고 코어(140)와 동일한 구조를 갖는다.
도 14a 는 본 발명의 실시예에 따라 전해액 주입구 쪽에 설치되는 가스투과 도를 갖는 멤브래인을 보여주는 사시도이고, 도 14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해액 주입구 쪽에 설치되는 정압밸브나 체크밸브 같은 가스차단수단을 보여주는 사시도이다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 가스차단수단이 전기화학셀 내부에 설치됨으로써 기화된 전해액가스에 의한 부반응이 간단하게 방지된다. 또한 가스차단수단은 전기화학셀 내부에서 발생하는 가스를 외부로 배출시킴으로서, 전기화학셀 내부의 압력상승을 방지할 수 있다. 따라서 압력 상승으로 인한 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 폭발 위험성이 사라지고, 소형 경량화가 이루어진다.
상술한 가스차단수단은 전기화학셀에 전해액을 주입한 후 설치하는 것이 바람직하다. 또한 가스차단수단이 설치된 후 전해액 주입구(240)에 안전벤트나 가스투과도를 갖는 멤브래인(248)이나 밸브(249) 같은 가스배출수단을 추가로 설치할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른은 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀은 모듈화된 형태를 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.
이상에서 설명된 본 발명의 전기화학셀은 주로 전기이중층 커패시터를 이용하는 것으로 설명하였지만, 전기이중층캐패시터에만 한정되어 구현되는 것은 아니 다. 다른 예로, 본 발명은 액체 전해질을 사용하는 전지, 알루미늄 전해캐패시터 같은 전기화학셀에 적용될 수 있음은 자명하다.
또한 본 발명의 설명에서 다양한 실시예로 본 발명의 구조 및 동작 그리고 제조방법을 설명하였지만 해당분야에 종사하거나 해당분야에 대한 지식을 가진 사람이면 본 발명의 범주 내에서 다양한 형태로 변형시킬 수 있을 것이다.
도 1은 관련 기술의 전기화학셀의 구성도이다.
도 2는 관련 기술의 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 사용되는 전극의 사시도이다.
도 3은 파이프 형태의 금속케이스를 사용하고 코어에 전극이 감겨진 4-직렬 쿼지바이폴라 구조를 갖는 종래의 기술에 따른 전기화학셀을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 전극을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 전기화학셀의 코어의 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 관련기술에 따른 쿼지바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 사시도이다.
도 7은 관련기술에 따라 제작된 전극 조립체의 사시도이다.
도 8은 관련기술에 따른 전기화학셀의 전극 조립체의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 전극 조립체와 케이스의 분리 사시도이다.
도 10은 관련기술에 따라 제작된 전기화학셀의 사시도이다.
도 11은 관련기술에 따라 제작된 안전벤트의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 코어에 형성된 홀에 가스투과도를 갖는 멤브래인을 설치한 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 관련기술에 따른 전기화학 셀의 코어의 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예에 따른 가스차단수단을 나타낸 사시도이다.

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;
    상기 전극이 감겨지고 단위셀에 연결되는 구멍을 갖춘 코어;
    단위셀 사이의 전해액격리 격벽수단; 및
    단위셀 사이의 가스차단수단;을 포함하는 것을 특징하는 전기화학셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스차단수단은 가스투과도를 갖는 멤브래인인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 멤브래인의 재질은 PTFE(Polytetrafluoroethylene), PET(Polyethylene Terephthalate), PVDC(Polyvinylidene Chloride), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스차단수단은 밸브인 것을 특징으로 하는 전기 화학셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스차단수단은 상기 구멍에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 화학셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    안전벤트가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    가스배출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학셀.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스배출수단은 기체투과도를 갖는 멤브래인인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스배출수단은 밸브인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스배출수단은 상기 가스차단수단과 연결된 경로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어의 상기 구멍은 상기 코어의 길이방향으로 독립적으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
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