KR101057869B1 - 조전지, 조전지의 제조 방법 및 조전지를 구비한 차량 - Google Patents

조전지, 조전지의 제조 방법 및 조전지를 구비한 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조전지(10)에 관한 것으로, 조전지(10)는, 각각이 양극(32)과 음극(30)을 갖는 전극체(30)와, 전극체(30)와 전해질을 수용하는 용기(14)와, 용기(14)의 외측에 배치된 양극 단자(15)와 음극 단자(16)를 구비한 복수의 충방전가능한 유닛 셀(12)을 포함하고, 충방전가능한 유닛 셀은 직렬로 접속된다. 복수의 유닛 셀(12)은 미리결정된 방향으로 배치되어 미리결정된 하중이 이 배치 방향으로 가해지는 상태에서 함께 구속된다. 하나 이상의 유닛 셀(12)에 대해 용기(14)의 내벽면과 전극체(30) 사이의 간극 안으로 절연 필러(25)가 삽입되고, 구속 상태의 각 유닛 셀(12)의 배치 방향에서의 두께는 일정하다.
전극체, 절연 필러, 유닛 셀, 조전지, 전해질

Description

조전지, 조전지의 제조 방법 및 조전지를 구비한 차량 {ASSEMBLED BATTERY, MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, AND VEHICLE PROVIDED WITH ASSEMBLED BATTERY}
본 발명은 복수의 충방전가능한 유닛 셀이 직렬로 연결된 조전지, 조전지의 제조 방법 및 조전지를 구비한 차량에 관한 것이다.
경량으로 고 에너지 밀도를 얻을 수 있는 리튬 이온 전지(셀)(본 명세서에서, "전지"와 "셀"은 동일한 의미를 갖고 상호 교환적으로 사용될 수 있음), 니켈 금속 수소 전지, 기타의 2차 전지 또는 캐패시터와 같은 축전 소자일수도 있는 복수의 유닛 셀을 복수 직렬 접속하여 형성되는 조전지는 고출력을 얻을 수 있는 전원이다. 이러한 이유로, 조전지는 차량 탑재용 전원 또는 퍼스널 컴퓨터와 휴대 단말용의 전원으로써 중요성이 높아지고 있다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2001-57196호 공보(JP-A-2001-57196)에는 동일한 형상의 복수의 개별 니켈 금속 수소 2차 전지를 배치하고 각 유닛 셀에 구비된 양극 단자 및 음극 단자를 직렬 접속하여 형성된 차량 탑재용 조전지의 예가 개시되어 있다. 또한, 경량으로 고 에너지 밀도를 얻을 수 있는 리튬 이온 전지가 복수 직렬 접속된 조전지는 차량 탑재용 고출력 전원으로 사용하기에 바람직하다.
그러나, 자동차와 같은 차량에 탑재되는 조전지는 그 탑재 공간이 제한되고 진동이 발생되는 환경에서 사용되는 것이 전제가 된다. 그러므로, JP-A-2001-57196에 개시되어 있는 바와 같이, 조전지는 다수의 유닛 셀이 배열되어 함께 구속된 상태(즉, 각 유닛 셀이 서로 고정된 상태)로 구성된다. 유닛 셀을 함께 구속한 경우, 조전지를 함께 형성하는 개개의 유닛 셀에 상당한 하중이 가해진다. 한편, 조전지 자체는 특히 차량에 사용되는 경우에 경량이어야 한다. 그러므로, 유닛 셀의 용기 본체(즉, 전극체나 전해질을 수용하는 외부 케이스)도 경량인 것이 바람직하다. 예를 들어, 얇은 금속이나 합성 수지로 형성된 용기를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 얇은 재료로 형성된 용기는 외부 부하에 변형되기 쉽다. 즉, 이러한 용기를 구비한 유닛 셀이 사용되고 이러한 복수의 유닛 셀이 배열되는 방향(즉, 배치 방향)으로 배열되어 구속되는 경우, 유닛 셀의 용기 본체는 하중이 가해지는 방향으로 만곡 또는 변형되기 쉽다. 용기 본체가 변형되면 각 유닛 셀에 구비되어 직렬 접속된 양극과 음극 단자 사이의 거리 및 그 상대 위치가 초기 설계의 이상값에 대해 변형과 편차를 가져온다. 유닛 셀이 함께 구속되는 경우 양극 및 음극 단자 사이의 거리 및 그 상대 위치에서의 이러한 편차는, 이상값에 상응하는 형상과 크기로 제조된 단자 커넥터를 예를 들어 사용할 수 없게 할 수도 있다. 따라서, 비용의 증가와, 양극과 음극 단자를 접속하는 작업에 관련된 작업 효율의 저하를 초래할 수도 있다. 또한, 유닛 셀이 함께 구속되는 경우 발생되는 유닛 셀 용기의 변형은 용기와 유닛 셀의 전극체를 밀봉성(기밀성)을 해칠 우려가 있어 바람직하지 않다.
이에 따라, 본 발명은 조전지를 구성하는 유닛 셀의 형상, 특히, 그 배치 방향으로 하중이 가해져서 구속된 상태에서 유닛 셀의 미리결정된 배치 방향에서의 두께(크기)를 균일화하여, 유닛 셀이나 특히 유닛 셀을 직렬로 접속하기 위한 양극 단자와 음극 단자 사이의 거리와 그 상대 위치의 편차를 미리 최소화하는 조전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한 조전지를 제조하는 방법 및 조전지를 구비한 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 태양은, 각각이 양극과 음극을 갖는 전극체와, 전극체와 전해질을 수용하는 용기와, 용기의 외측에 배치된 양극 단자와 음극 단자를 구비한 복수의 충방전가능한 유닛 셀을 포함하고, 충방전가능한 유닛 셀은 직렬로 접속되는, 조전지에 관한 것이다. 복수의 유닛 셀은 미리결정된 방향으로 배치되어 미리결정된 하중이 이 배치 방향으로 가해지는 상태에서 함께 구속된다. 하나 이상의 유닛 셀에 대해 용기의 내벽면과 전극체 사이의 간극 안으로 절연 필러가 삽입되고, 구속 상태의 각 유닛 셀의 배치 방향에서의 두께는 일정하다.
또한, 필러는 미리결정된 두께를 갖는 시트 형상이고, 하나 이상의 유닛 셀에 대해 용기의 내벽면과 전극체 사이의 간극 안으로 하나 이상의 시트 형상의 필러가 삽입된다.
또한, 양극과 음극은 각각 시트 형상일 수 있고, 시트 형상의 양극과 시트 형상의 음극이 권취되어 형성되는 편평한 권취 전극체가 각 복수의 유닛 셀에 구비될 수 있다. 권취 전극체의 편평한 표면이 서로 대향하도록 복수의 유닛 셀이 배치될 수 있고, 하나 이상의 유닛 셀에 대해 용기의 내벽면과 전극체 사이의 간극 안으로 하나 이상의 시트 형상의 필러가 삽입될 수 있다.
이 경우에, 시트 형상 필러의 미리결정된 두께는 10 내지 1000㎛ 정도일 수 있다. 또한, 시트 형상 필러의 미리결정된 두께는 100 내지 200㎛ 정도일 수 있다.
또한, 필러는 일렬로 배치된 복수의 길고 얇은 막대 형상체일 수 있다.
또한, 양극과 음극은 각각 시트 형상일 수 있고, 전극체는 세퍼레이터와 함께 교대로 적층된 시트 형상의 양극과 시트 형상의 음극에 의해 형성될 수 있다.
그 배치 방향으로 하중이 가해지는 상태에서 복수의 유닛 셀과 함께 구속되는 간격 유지판이 복수의 유닛 셀 사이에 배치될 수 있다.
필러는 폴리올레핀계 수지로 형성될 수 있다.
유닛 셀은 리튬 이온 셀일 수 있다.
본 발명의 제2 태양은 상술된 조전지를 구비한 차량에 관한 것이다.
본 발명의 제3 태양은, a) 각각이 양극과 음극을 갖는 전극체와, 전극체와 전해질을 수용하는 용기와, 용기의 외측에 배치된 양극 단자와 음극 단자를 구비한 복수의 충방전가능한 유닛 셀을 구성하는 단계와, b) 미리결정된 방향으로 복수의 유닛 셀을 배치하는 단계와, c) 상기 배치 방향으로 하중이 가해지는 상태에서 복수의 유닛 셀을 구속하는 단계와, d) 복수의 유닛 셀을 직렬로 접속하는 단계를 포함하는 조전지 제조 방법에 관한 것이다. 단계 a)는 하나 이상의 유닛 셀에 대해 용기의 내벽면과 전극체 사이의 간극 안으로 절연 필러를 삽입하는 단계와, 구속된 상태에서 각 유닛 셀의 배치 방향의 두께를 일정하게 하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 상술되고 그 이외의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명확해지고, 동일하거나 대응하는 부분은 동일한 참조 부호에 의해 표시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 조전지의 구조를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 실시예에 따르는 조전지의 구조를 모식적으로 도시한 측면도이다.
도 3은 권취 전극체의 예를 모식적으로 도시한 정면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 구속된 상태의 유닛 셀의 용기 내측 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 5a는 실시예에 따르는 조전지의 유닛 셀 용기 안으로 삽입될 수 있는 시트 형상 필러의 예를 모시적으로 도시한 정면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 시트 형상 필러의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 조전지를 구비한 차량을 모식적으로 도시한 측면도이다.
다음의 설명과 첨부된 도면에서, 본 발명은 실시예의 형태로 더 상세히 설명된다. 본 발명에 따른 조전지(10)는 특히 자동차와 같은 차량에 탑재되는 전기 모터 전원으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 도 6에 모식적으로 도시된 바와 같이 조전지(10)를 구비한 차량(1)(즉, 특히 하이브리드카, 전기차 또는 연료 셀 차와 같은 전기 모터를 구비한 차량)을 제공한다. 본 명세서에서, "유닛 셀"이라는 용어는 다른 개별 축전 소자(즉, 유닛 셀)에 직렬 접속하여 조전지를 형성할 수 있는 개별 축전 소자를 나타낸다.
본 발명의 조전지는 유닛 셀로써 작용하는 개별 충방전가능한 2차 전지를 복수 직렬 접속하여 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 조전지는 이러한 유닛 셀 구조에 제한되지 않는다. 본 발명을 실행하는 데 필요한 유닛 셀 구조는 리튬 이온 전지, 니켈 금속 수소 전지 또는 전기 이중층 캐패시터 등의 구조일 수도 있다. 리튬 이온 전지는 고에너지 밀도로 고출력 가능한 2차 전지이기 때문에 특히 차량 탑재용 조전지(즉, 전지 모듈)에서 우수한 고성능 조전지를 형성한다. 이후, 본 발명은 셀 구조가 리튬 이온 전지(셀)의 구조인 예를 이용하여 상세히 설명된다.
조전지의 일부를 구성하는 유닛 셀은 미리결정된 셀 구조 재료(즉, 양극과 음극의 활성 재료, 양극과 음극의 집전체 및 세퍼레이터 등)로 형성된 전극체와, 전극체와 적절한 전해질을 수용하는 용기를 포함한다. 예로써, 여기서 설명되는 조전지(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 유닛 셀(12)을 포함한다.(이 예시적 실시예에서, 4개의 유닛 셀이 도면에 도시됨) 각각의 유닛 셀(12)은 후술되는 편평하게 권취 전극체를 수용할 수 있는 형상의(예로써, 박스 형상의) 용기(14)를 포함한다. 용기(14) 상에는 권취 전극체의 양극에 전기 접속된 양극 단자(15)와, 권취 전극체의 음극에 전기 접속된 음극 단자(16)가 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 유닛 셀(12)의 양극 단자(15)는 이웃하는 유닛 셀(12)의 음극 단자(16)에 전기 접속된다. 따라서, 이러한 방식으로 유닛 셀(12)을 복수 직렬 접속시킴으로써 원하는 전압의 조전지(10)를 구성한다. 또한, 용기 내측에 생성된 가스를 배출시키도록 도시되지 않은 안전 밸브 등도 이러한 용기(14)에 제공될 수 있다. 용기(14)의 구조 자체에 대한 설명은 생략된다.
용기(14)의 재료는 특별히 제한되지 않고 유닛 셀(12)이 함께 구속되는 경우에 가해지는 하중으로부터 변형될 수 있고 비교적 경량이면 된다. 예를 들어, 절연 수지 코팅 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀 수지로 코팅된 금속 용기나 그 이외의 합성 수지 용기가 사용될 수도 있다. 이와 달리, 용기는 3층 구조, 즉, 고융점 수지(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리아미드 수지)로 형성된 외부(보호)층, 금속 호일(예를 들어, 알루미늄 또는 스틸)로 형성된 배리어층(즉, 가스와 습기를 차단할 수 있는 층) 및 열접착 수지(즉, 에틸렌-비닐 아세테이트나 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지 등의 비교적 저융점을 갖는 수지)로 형성된 접착층을 구비한 적층된 라미네이트 필름 용기와 같은 수지 필름 용기일 수도 있다. 또한, 본 예시적 실시예에서는, 폴리프로필렌으로 형성된 가요성 용기(14)에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 동일한 형상의 유닛 셀(12)은 용기의 넓은 면(14A)(즉, 용기(14)에 수용되는 후술될 권취 전극체(30)의 편평한 면에 상응하는 면)이 서로 대향하는 방향으로 배치되고, 각 유닛 셀(12)은 인접하는 유닛 셀(12)에 대해 반전되어 양극 단자(15)와 음극 단자(16)가 일정한 간격으로 반전하면서 배치된다. 또한, 미리결정된 형상의 간격 유지판(18)(예를 들어, 스페 이서)은 이에 따라 배치된 유닛 셀(12) 사이와 유닛 셀(12)이 배치되는 방향(즉, 배치 방향)으로 양쪽 외측 단부 상에서 용기(14)의 넓은 면(14A)에 인접하게 배치된다. 이러한 간격 유지판(18)은 사용 중에 유닛 셀 내측에 발생된 열을 방산시키는 방열 부재로써 작용할 수 있는 재료 또는 형상일수 있다. 예를 들어, 우수한 열전도성 금속 간격 유지판 또는 경량이면서 경질의 폴리프로필렌 또는 다른 합성 수지 간격 유지판이 사용될 수 있다. 또한, 간격 유지판(18)은 얇은 금속이나 합성 수지로 형성될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 유닛 셀(12) 사이에서 냉각 유체(예를 들어, 공기)를 주입할 수 있는 프레임과 같은 형상(예로써, 측면에서 볼 때 요철 형상)일 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에 따른 구속 부재는 그에 따라 배치된 유닛 셀(12)과 간격 유지판(18)(이후, 이들은 총칭해서 "유닛 셀 그룹"으로 언급됨) 주위에 배치된다. 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 구속판(20A, 20B)은 유닛 셀 그룹의 양쪽 외측 단부에 배치된 간격 유지판(18')의 외측에 배치되어 그 외측과 밀착된다. 또한, 구속 비임 부재(21)는 유닛 셀 그룹의 양 단부면에 부착되어 구속판(20A, 20B)의 쌍을 교차 결합시킨다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 유닛 셀 그룹은 비임 부재(21)의 단부를 구속판(20A, 20B)에 스크루(22)를 이용하여 구속 및 고정함으로써 구속될 수 있어서 미리결정된 하중(예로써, 용기(14)의 벽면 상의 표면 압력은 대략 2 ×106 내지 5 ×106 Pa임)이 그 배치 방향으로 가해진다.
이 때, 비임 부재(21)의 밀착 정도에 상응하는 구속 하중(표면 압력)이 각 유닛 셀(12)의 용기 넓은 면(14A)에 구속 방향(즉, 배치 방향)으로 가해진다. 또한, 이 예시적 실시예에서, 간격 유지판(18)은 인접한 유닛 셀(12) 사이에 가깝게 배치되어 유닛 셀(12)이 함께 구속되는 경우 간격 유지판(18)을 접촉하는 유닛 셀 용기(14)의 넓은 면(14A)의 부분에 간격 유지판(18)에 의해 압력(즉, 하중)이 가해진다. 상술된 바와 같이, 예시적 실시예에서 용기(14)는 가요성이 있어서 하중에 따라 변형될 수 있다. 특히, 용기 본체와 용기(14) 내측의 전극체 사이에 간극이 있는 경우, 용기(14)는 크게 변형(즉, 만곡)될 수 있다.
다음, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 유닛 셀(12)의 용기(14)의 구조가 유닛 셀(12)의 구조와 함께 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 또한, 도 3은 넓은 편평한 측면으로부터 볼 때 용기(14)에 수용되는 권취 전극체(30)를 도시한 정면도이다. 도 4는 도 2에 도시된 구속 상태의 유닛 셀(12)의 용기(14) 내측 상태를 모식적으로 도시한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예시적 실시예에서 권취 전극체(30)는 시트 형상의 양극(32)(이후, "양극 시트(32)"로 언급됨)과 시트 형상의 음극(34)(이후, "음극 시트(34)"로 언급됨)이 두 개의 시트 형상의 세퍼레이터(36)(이후, 각각 간단히 "세퍼레이터 시트(36)"로 언급됨)와 함께 적층된다. 또한, 편평한 권취 전극체(30)는 양극 시트(32)와 음극 시트(34)를 서로 약간 오프셋시켜 권취하고 그 후 결과적인 권취체를 측면으로부터 밀어 넣어서 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 권취 전극체(30)의 음극 시트(34)와 양극 시트(32)의 단부 부분은 권취 코어부(31)(즉, 양극 시트(32)의 양극 활성 재료층 형 성부, 음극 시트(34)의 음극 활성 재료층 형성부 및 세퍼레이터 시트(36)가 조밀하게 권취된 부분)로부터 돌출된다. 양극 도선 단자(32B)는 양극측 돌출부(32A)(즉, 양극 활성 재료층이 형성되지 않은 부분) 상에 형성되고, 음극 도선 단자(34B)는 음극측 돌출부(34A)(즉, 음극 활성 재료층이 형성되지 않은 부분) 상에 형성된다. 상술된 양극 단자(15)는 양극 도선 단자(32B)에 전기 접속되고, 상술된 음극 단자(16)는 음극 도선 단자(34B)에 전기 접속된다.
또한, 권취 전극체(30)를 형성하는 재료 및 부재 그 자체는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 시트(32)는 긴 양극 집전체에 인가된 리튬 이온 전지용의 양극 활성 재료층으로 형성될 수 있다. (이 예시적 실시예의) 알루미늄 호일 또는 양극으로 사용하기에 적절한 다른 금속 호일이 양극 집전체용으로 사용될 수 있다. 일반 리튬 이온 전지에 사용되는 재료와 유사하게, 예를 들어, LiMn2O4, LiCoO2 또는 LiNiO2가 양극 활성 재료로 사용될 수 있다. 예를 들어, 양극 시트(32)는 집전체로써 대략 2 내지 4m(예로써, 2.7m) 길이, 8 내지 12cm(예로써, 10cm) 넓이, 그리고 5 내지 20㎛ 두께(예로써, 15㎛)의 알루미늄 호일을 사용하고, 그 표면의 미리결정된 영역에 통상의 방법에 따라, 주성분으로써 리튬 니켈 산화물(예로써, 리튬 니켈 산화물 88 중량 %, 아세틸렌 블랙 10 중량 %, 폴리테트라플루오로에틸렌 1 중량 %, 카르복실메틸 셀룰로오스 1 중량 %)을 갖는 리튬 이온 전지용의 양극 활성 재료층을 형성하여 얻을 수도 있다.
한편, 음극 시트(34)는 긴 음극 집전체에 인가된 리튬 이온 셀용의 음극 활 성 재료층으로 형성될 수 있다. (예시적 실시예에서) 구리 호일 또는 음극으로 사용하기에 적절한 다른 금속 호일이 음극 집전체로써 사용될 수 있다. 일반 리튬 이온 전지에 사용되는 재료와 유사하게, 흑연 카본 또는 비결정 카본과 같은 카본계 재료 또는 리튬 함유 천이 금속 산화물 또는 천이 금속 질화물이 음극 활성 재료로 사용될 수 있다. 예를 들어, 음극 시트(34)는 대략 2 내지 4m(예로써, 2.9m) 길이, 8 내지 12cm(예로써, 10cm) 넓이, 그리고 5 내지 20㎛ 두께(예로써, 10㎛)의 구리 호일을 사용하고, 표면의 미리결정된 영역에 통상의 방법에 따라, 주성분으로써 흑연(예로써, 흑연 98 중량 %, 스티렌 부타디엔 고무 1 중량 %, 카르복실 메틸 셀룰로오스 1 중량 %)을 갖는 리튬 이온 전지용의 음극 활성 재료층을 형성하여 얻을 수 있다. 또한, 양극 시트(32)와 음극 시트(34) 사이에 사용되는 세퍼레이터 시트(36)는 다공질 폴리올레핀 수지로 형성될 수 있다. 예를 들어, 2 내지 4m(예로써, 3.1m) 길이, 8 내지 12cm(예로써, 11cm) 넓이, 그리고 5 내지 30㎛ 두께(예로써, 25㎛)의 합성 수지(예로써, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계) 다공질 세퍼레이터 시트(2)가 사용될 수 있다. 또한, 사용되는 전해질이 고체 전해질 또는 겔 전해질인 경우, 세퍼레이터는 필요하지 않을 수 있다. 즉, 이 경우, 전해질 자체가 세퍼레이터로써 기능할 수 있다.
다음에, 결과적인 편평 형상의 권취 전극체(30A, 30B, 30C, 30D)가 유닛 셀(12)의 용기(14) 내에 수용된다. 이 때, 권취 전극체(30A 내지 30D)의 두께는 도 4에 도시된 바와 같이 권취 정도와 상태에 따라 불규칙적으로 되기 쉽다. 따라서, 유닛 셀(12)의 용기(14)의 간극 치수(즉, 용기(14) 내의 공간의 두께 방향(즉, 배치 방향)의 치수와 그 방향의 전극체(30A 내지 30D)의 두께 사이의 치수)는 권취 전극체(30A 내지 30D)에 따라 모두 다를 수 있다. 여기서, 예시적 실시예에서, 유닛 셀(12)의 용기(14)의 간극은 도 5b에 도시된 바와 같이 얇은 시트 형상의 절연 필러(25)(이후, 간단히 "필러 시트(25)"라 함)를 사용하여 폐쇄될 수 있다. 특히, 사용되는 필러 시트(25)는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지로 형성될 수 있고, 1mm 이하의 두께(예로써, 10 내지 1000㎛, 바람직하게 100 내지 200㎛)를 갖는다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 유닛 셀(12)의 용기(14)의 간극은 간극 크기에 맞추어 적절한 개수의 필러 시트(25)를 간극에 삽입함으로써 폐쇄된다. 도 4에 도시된 예에, 각 유닛 셀(12)에서 간극의 크기에 따라 1개 내지 4개의 필러 시트(25)가 있다. 이러한 방식으로 동일한 형상의 필러 시트(25)를 채용하면 유닛 셀 용기(14)에서 가변 크기의 캡이 충분히 충전될 수 있다. 상술된 바와 같이, 필러(즉, 필러 시트(25))를 사용하면, 구속 중에 변형될 수도 있는 유닛 셀 용기(14)의 간극을 제거할 수 있어서 유닛 셀(12)의 배치 방향(즉, 구속 하중이 가해지는 방향)의 두께가 균일해진다. 결과적으로, 정확한 형상의 고신뢰성을 갖는 조전지가 제조될 수 있다.
특히, 인접한 유닛 셀(12)의 양극 및 음극 단자(15, 16)가 도 1에 도시된 바와 같이 단일 커넥터(17)를 사용하여 연속해서 접속될 수 있고, 이는 양극 및 음극 단자(15, 16)의 정확하게 미리설정된 치수와 이러한 단자의 정확하게 미리설정된 상대 위치를 배치 방향으로 서로 인접한 두 개의 유닛 셀(12) 사이에서 보증할 수 있기 때문이다. 따라서, 인접한 개별 유닛 셀(12)의 단자(15, 16) 사이의 거리를 측정하고 그 후 이러한 거리에 상응하는 커넥터를 선택하고 이 거리가 조절되도록 커넥터를 사용하여 두 개의 양극과 음극 단자 접속부 사이의 거리를 조절하는 것과 같은 복잡한 작업을 수행할 필요없이 조전지(10)를 효율적으로 제조할 수 있다.
복수의 필러 시트(25)를 삽입하는 경우, 전극체(30A 내지 30D)가 용기(14)의 내벽면과 접촉하지 않도록 전극체(30A 내지 30D)의 양 측면에 적어도 하나의 필러 시트(25)를 삽입하는 것이 바람직하다. 필러가 이러한 방식으로 전극체(30A 내지 30D)의 양 측면에 배치되는 경우, 이는 변형으로부터 전극체의 표면을 보호하는 버퍼 벽 또는 배리어로써 작용한다. 즉, 복수의 유닛 셀(12)이 배치 방향으로 함께 구속되는 경우, 용기(14)의 벽면이 변형되어도(즉, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 용기 본체의 벽면이 간격 유지판(18)의 볼록부에 의해 임의 영역 상에 가해지는 압력으로 인해 주름진 형상으로 변형되어도), 필러가 그 변형을 반영하는(모방하는) 방식으로 전극체의 표면이 변형되는 것을 방지한다(즉, 예를 들어, 변형된 용기 본체 벽면의 주름진 형상을 반영하는 주름지거나 만곡된 형상으로 전극 표면의 일부가 변형되는 것을 방지한다). 따라서, 본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 미리결정된 배치 방향으로 구속되어 조전지를 형성하는 복수의 충방전가능한 유닛 셀의 각각에 포함된 전극체의 변형을 방지할 수 있다. 즉, 본 명세서에서 설명된 필러는 버퍼 벽 재료로써 사용되고 각 유닛 셀의 용기에서 용기 본체와 전극체(예를 들어, 권취 전극체) 사이에 삽입된다. 결과적으로, 미리결정된 방향으로 배치된 복수의 유닛 셀의 용기에 수용된 전극은, 배치 방향으로 하중이 가해지면서 유 닛 셀을 함께 구속하는 경우에 변형되는 것이 방지될 수 있다.
이 예시적 실시예의 유닛 셀(12)은 적절한 개수의 필러 시트(25)로 권취 전극체(30A 내지 30D)를 용기(14) 안으로 삽입하고, 전해질(예로써, LiPF6와 같은 리튬염)의 미리결정된 양(예로써, 농도 1M)을 포함하는 에틸 카보네이트와 에틸렌 카보네이트의 혼합 용액(예로써, 질량비 1:1)과 같은 비수용성 전해질 용액을 주입하고 밀봉함으로써 구성된다. 그 후, 얻어진 유닛 셀(12)은 미리결정된 방향으로 배치되고 유닛 셀 그룹은 상술된 바와 같은 배치 방향으로 함께 구속된다. 상술된 바와 같이, 예시적 실시예의 조전지(10)에서, 구속된 유닛 셀(12)에 변형이 일어나지 않아서 변형의 결과로 발생할 수 있는 유닛 셀 용기의 밀봉성(기밀성)이 손상되지 않는다. 또한, 용기(14)의 내벽면과 권취 전극체(30A 내지 30D) 사이의 간극은 필러(25)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 예를 들어, 전극체(30A 내지 30D)가 경사지는 경우 불균일하게 분포되는 전극 활성 재료에 기인한 전류 분포의 불균일성 또는 전극 활성 재료의 국부적인 열화와 같이, 이러한 간극이 전지 성능에 미치는 악영향을 방지할 수 있다. 결과적으로, 이 예시적 실시예의 조전지(10)는 차량뿐 아니라 다른 용도로도 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 방법에 따라 제조될 수 있는 조전지와 조전지 제조 방법의 예시적 실시예가 상세히 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이러한 예시적 실시예에서 설명된 조전지와 그 제조 방법에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상술된 예시적 실시예에서, 시트 형상의 필러가 채용되지만 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예 를 들어, 다수의 길고 얇은 막대 형상 또는 원통형 필러가 삽입되어 용기 간극 안으로 일렬로 조밀하게 배치될 수도 있다. 또한, 유닛 셀의 용기에 수용되는 전극체는 권취된 것에 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 시트와 음극 시트가 세퍼레이터(또는 고체 또는 겔 전해질)와 함께 교대로 적층되는 적층식 전극체일 수도 있다. 또한, 유닛 셀은 상술된 리튬 이온 셀(전지)인 경우에 제한되지 않는다. 즉, 유닛 셀은 다양한 전극체 구조 재료와 전해질을 갖는 다양한 셀 중 임의의 것으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속 또는 리튬 합금이 음극, 니켈 금속 수소 셀, 니켈 카드뮴 셀 또는 전기 이중층 캐패시터로 작용하는 리튬 2차 셀일 수도 있다. 또한, 도 1에 도시된 조전지(10)의 구조가 본 발명을 설명하기 위해 간략히 도시되었지만, 본 발명의 구조와 효과를 손상시키지 않는 한 다양한 변형이나 추가가 행해질 수 있다는 것은 당업자에게는 명백하다. 예를 들어, 조전지를 자동차와 같은 차량에 탑재하는 경우, 다수의 유닛 셀이 직렬 접속될 수 있고, 조전지의 주요 부분(즉, 유닛 셀 그룹 등)을 보호하도록 외부 커버가 구비될 수 있고, 복수의 조전지(즉, 전지 모듈)를 함께 접속하는 부품 등이 구비될 수 있다. 그러나, 이러한 것의 유무는 본 발명의 기술적 범위에 영향을 주지 않는다.

Claims (17)

  1. 복수의 충방전 가능한 유닛 셀(12)로 구성되는 조전지이며,
    양극과 음극을 구비하는 전극체와, 상기 전극체 및 전해질을 수용하는 용기(14)와, 상기 양극 및 음극과 각각 전기적으로 접속되는 단자이며 상기 용기의 외측에 배치되는 양극 단자(15)와 음극 단자(16)를 구비하는 동일 형상의 유닛 셀(12)을 복수 구비하고 있고,
    상기 복수의 유닛 셀(12)은, 미리 결정된 방향으로 배열되고, 또한 상기 배열 방향으로 하중이 가해진 상태로 구속되어 있고,
    각 유닛 셀(12)의 용기(14)의 내벽면과 상기 전극체와의 간극에 절연 필러(25)가 삽입되어 있고, 상기 구속 상태에 있어서의 각 유닛 셀(12)의 상기 배열 방향의 두께가 일정하고,
    여기서 상기 필러(25)는 미리 결정된 두께를 갖는 시트 형상으로 조제되어 있고, 상기 배열 방향으로 상기 전극체와 상기 용기(14)의 내벽면이 접촉하지 않도록, 상기 배열 방향으로 각 유닛 셀(12)의 상기 전극체의 양 측면에 상기 시트 형상의 필러가 적어도 1매씩 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각 시트 형상이고, 시트 형상의 양극(32)과 시트 형상의 음극(34)이 권취되어 형성되는 편평한 권취 전극체(30)가 각 복수의 유닛 셀(12)에 구비되고, 권취 전극체(30)의 편평한 표면이 서로 대향하도록 복수의 유닛 셀(12)이 배치되고, 하나 이상의 유닛 셀(12)에 대해 용기(14)의 내벽면과 권취 전극체(30)의 편평한 표면 사이의 간극 안으로 하나 이상의 시트 형상의 필러(25)가 삽입되는, 조전지.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 시트 형상 필러(25)의 미리결정된 두께는 10 내지 1000㎛ 이내인, 조전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 시트 형상 필러(25)의 미리결정된 두께는 100 내지 200㎛ 이내인, 조전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 필러는 일렬로 배치된 복수의 길고 얇은 막대 형상체인, 조전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각 시트 형상이고, 전극체는 세퍼레이터와 함께 교대로 적층된 시트 형상의 양극(32)과 시트 형상의 음극(34)에 의해 형성되는, 조전지.
  8. 제1항에 있어서, 배치 방향으로 하중이 가해지는 상태에서 복수의 유닛 셀(12)과 함께 구속되는 간격 유지판(18)이 복수의 유닛 셀(12) 사이에 배치되는, 조전지.
  9. 제3항에 있어서, 배치 방향으로 하중이 가해지는 상태에서 복수의 유닛 셀(12)과 함께 구속되는 간격 유지판(18)이 복수의 유닛 셀(12) 사이에 배치되는, 조전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 필러는 폴리올레핀계 수지로 형성되는, 조전지.
  11. 제3항에 있어서, 상기 필러는 폴리올레핀계 수지로 형성되는, 조전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유닛 셀(12)은 리튬 이온 셀인, 조전지.
  13. 제3항에 있어서, 상기 유닛 셀(12)은 리튬 이온 셀인, 조전지.
  14. 제1항에 따른 조전지를 구비한 차량.
  15. 제3항에 따른 조전지를 구비한 차량.
  16. 복수의 충방전 가능한 유닛 셀(12)로 구성되는 조전지를 제조하는 방법이며,
    양극 및 음극을 구비하는 전극체와, 상기 전극체 및 전해질을 수용하는 용기(14)와, 상기 양극 및 음극과 각각 전기적으로 접속되는 단자이며 상기 용기의 외측에 배치되는 양극 단자(15) 및 음극 단자(16)를 구비하는 동일 형상의 유닛 셀(12)을 복수 구축하는 공정과,
    상기 복수의 유닛 셀(12)을 미리 결정된 방향으로 배열하는 공정과,
    상기 배열된 복수의 유닛 셀(12)을 상기 배열 방향으로 하중이 가해진 상태로 구속하는 공정과,
    상기 구속된 복수의 유닛 셀(12)을 전기적으로 접속하는 공정을 포함하고,
    상기 복수의 유닛 셀(12)의 구축 공정에는, 각 유닛 셀(12)의 상기 용기의 내벽면과 상기 전극체의 간극에 절연 필러를 삽입함으로써 상기 미리 결정된 방향으로 배열되고 또한 구속된 상태에 있어서의 각 유닛 셀(12)의 상기 배열 방향의 두께를 일정하게 하는 처리가 포함되어 있고,
    여기서 상기 필러는 미리 결정된 두께를 갖는 시트 형상으로 조제되어 있고, 상기 배열 방향으로 상기 전극체와 상기 용기의 내벽변에 접촉하지 않도록 상기 배열 방향으로 각 유닛 셀(12)의 상기 전극체의 양 측면에 상기 시트 형상의 필러를 적어도 1매씩 삽입하는, 조전지 제조 방법.
  17. 제1항 또는 제3항에 기재된 조전지를 구성하기 위한 조전지용 유닛 셀이며,
    제1항 또는 제3항에 기재된 구성의 전극체와 용기의 내벽면과의 간극에 절연성의 미리 결정된 두께를 갖는 시트 형상으로 조제된 필러가 삽입되어 있고, 여기서 상기 조전지가 구성되었을 때의 복수의 유닛 셀의 배열 방향으로 상기 전극체와 상기 용기의 내벽면이 접촉하지 않도록 상기 배열 방향으로 상기 전극체의 양 측면에 상기 시트 형상의 필러가 적어도 1매씩 삽입되어 있는, 조전지용 유닛 셀.
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