KR101452311B1 - 전기화학셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성탄소(Activated Carbon)같은 다공성 물질을 포함하는 양극 전극과 카본, 흑연, 리튬티타늄산화물(LTO; Li4Ti5O12, Lithium Titanium Oxide)같은 리튬 인터칼레이션(Intercalation) 물질을 사용하는 음극 전극을 포함하는 전기화학셀(Electrochemical Cell)에서 음극 전극에 리튬 인터칼레이션을 통하여 리튬을 도핑(Doping)하기 위해, 에틸아민(Ethyl Amine)과 같은 용매에 리튬을 용해시킨 리튬용액(Lithium Solution)을 전극에 주입하고 리튬용액의 용매를 제거하여 전극 내에 리튬이 분포하도록 하여 전극에 리튬을 공급하고 전해질을 주입하여 리튬이 음극 전극에 도핑되도록 함으로써 전기화학셀의 구조를 단순화하고 제조를 용이하게 할 수 있다.

Description

전기화학셀 {Electrochemical Cell}
본 발명은 전기화학셀에 관한 것으로서, 제조가 용이하며, 향상된 동력 특성을 갖는 전기화학셀에 관한 것이다.
초고용량 캐패시터를 대표하는 전기이중층 캐패시터는 비표면적이 1000m2/g를 능가하는 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 그래핀과 같은 다공성 탄소를 활물질을 갖는 양극 전극과 음극 전극을 갖는다.
전기이중층 캐패시터는 뛰어난 동력특성, 긴 수명 등으로 상업적으로 성공을 거두었으나 적용 영역을 보다 확대하기 위해서는 가격이나 성능측면에서의 향상이 요구된다.
특히 성능측면에서 전기이중층 캐패시터의 에너지 밀도는 대략 6Wh/kg에 불과하여 리튬이온전지의 약 150Wh/kg에 비하면 매우 낮은 수준이다. 에너지 밀도를 향상시키면 가볍고 작아짐은 물론 가격 또한 저렴해진다.
그러나 전기이중층 캐패시터에서 에너지밀도를 향상시키기 위해서는 활성탄소의 정전용량을 증가시키거나 동작전압을 증가시켜야 하지만 비표면적이 큰 활성탄소로 이루어진 양극 전극과 음극 전극에 사용하는 대칭형인 전기이중층 캐패시터는 활성탄소 표면에 흡착된 불순물과 전해질과의 반응에 의해 현재 2.7V 이상의 동작전압을 구현하는 것이 어렵다. 그럼에도 불구하고 전기이중층 캐패시터는 뛰어난 동력특성과 긴 수명을 가진다. 이에 반해 현재 리튬이온 전지 같은 이차전지들은 매우 높은 에너지 밀도를 갖지만 동력특성 및 수명이 제한적이다.
전기화학셀 중에서 이러한 2 종류의 에너지 저장장치의 장점을 혼합한 형태를 비대칭 캐패시터(Asymmetry Capacitor) 또는 하이브리드 캐패시터(Hybrid Capacitor)라고도 일컬어진다.
이러한 전기화학셀은 양극 전극 또는 음극 전극 중에서 한쪽 전극에 활물질로 활성탄소와 같은 다공성 물질을 사용하고, 반대 전극에 이차전지의 전극을 사용하는 형태로 전기이중층 캐패시터와 이차전지의 중간 특성을 갖는다.
이러한 전기화학셀을 대표하는 것 중의 하나가 리튬 이온 캐패시터이다.
리튬이온 캐패시터는 리튬염(Lithium Salt)을 포함하는 전해질을 사용하고 리튬이온전지와 같이 음극 전극에 리튬 인터칼레이션(Intercalation) 물질로 흑연을 사용하며, 양극 전극에 활성탄소를 사용하고, 음극 전극의 흑연에 리튬을 도핑하여 리튬의 낮은 산화환원전위를 이용함으로써 캐패시터의 동작전압이 4.2V에 이르며 에너지 밀도를 약 20Wh/kg까지 증가시킬 수 있다.
그러나 리튬이온전지의 경우 양극 전극에 리튬코발트산화물(Lithium Cobalt Oxide)이나 인산철리튬(Lithium Iron Phosphate)과 같은 리튬산화물 등이 사용되므로, 음극 전극의 흑연에 인터칼레이션을 통하여 도핑되는 리튬을 양극 전극에서 제공할 수 있지만 리튬 이온 캐패시터는 양극 전극에 활성탄소가 사용되므로 흑연에 도핑되는 리튬을 제공하기 위해 다른 수단이 필요하다. 물론 양극 전극에 리튬을 포함하는 화합물을 포함시키는 것도 가능하지만 활성탄소 양의 감소를 수반하여 리튬 이온 캐패시터의 용량을 감소시키는 단점을 지닌다. 또한 전해질에 포함된 리튬이온의 양은 제한적이므로 도핑에 필요한 리튬을 공급하기 위한 다른 방법이 필요하다.
이러한 까닭으로 리튬 이온 캐패시터에서는 음극 전극에 도핑되는 리튬을 추가적으로 내부 또는 외부에서 제공하는 것이 필요하다.
기존의 리튬을 도핑하는 방법으로는 흑연을 포함하는 음극 전극과 리튬포일(Lithium Foil)을 마주보도록 배치하고 전기적으로 접속시킨 후 이를 리튬염을 포함하는 전해질에 집어넣음으로써 리튬포일과 흑연사이의 전위차에 의해 리튬포일의 리튬이 흑연으로 인터칼레이션 되도록 하는 방법을 사용하거나 흑연을 포함하는 음극 전극과 리튬포일 사이에 세퍼레이터(separator)를 배치하고, 전위를 인가함으로써 전기화학적인 방법으로 리튬포일의 리튬이 흑연으로 인터칼레이션 되도록 하는 방법이 사용되었다.
그러나 이러한 방법은 공정이 복잡하고 오랜 시간이 소요되며, 구조적으로 적층수가 증가하면 리튬도핑이 곤란한 문제점을 가지고 있다.
특히 대용량을 위해서는 적층수를 증가시키거나 원통형으로 감긴(Winding) 형태의 전극조립체가 필요하므로 이를 위한 다양한 도핑방법들이 개발되었다.
미국 특허 문헌 6,461,769는 적층구조 및 원통형구조에서 양극과 음극 집전체에 구멍을 형성하여 리튬이온이 이동할 수 있도록 하고 가장 바깥쪽에 리튬메탈을 배치하여 전기화학적으로 리튬을 도핑하는 방법을 개시하였다. 그러나 이러한 방법은 적층구조 및 원통형구조에서 리튬의 도핑이 가능하지만 도핑공정에 긴 시간이 소요되며 구멍에 의해 집전체의 전기저항이 증가하므로 캐패시터의 저항이 증가하고 집전체의 인장강도저하에 의해 전극제조가 어려워지는 단점을 가진다.
마국 특허 문헌 6,558,846은 양극 전극에 활성탄소와 리튬을 함유한 전이금속산화물을 사용하고 음극 전극에 리튬 도핑, 언도핑(Undoping)이 가능한 카본물질을 사용하고 리튬염을 포함하는 전해질을 사용하여 양극 전극의 리튬을 함유한 전이금속산화물에 포함된 리튬을 전기화학적으로 음극 전극의 카본물질에 도핑하는 방법을 개발하였다. 이렇게 함으로써 대용량의 적층구조 및 원통형구조에서 리튬 도핑을 가능케 하였다. 그러나 이러한 방법은 양극 전극에서 활성탄소 함유량이 감소하여 캐패시터의 용량이 감소하는 단점을 가진다.
미국 특허 문헌 8,034,642는 액상법(Liquid Phase Method) 또는 기상법(Vapor Phase Method)으로 기재(Substrate)위에 리튬막을 형성시킨 후 리튬막을 음극 전극에 전사하여 음극 전극에 리튬막을 형성시킨 후 리튬염을 포함하는 전해질을 주입하여 음극 전극에 형성된 리튬층으로 부터 리튬이 음극 전극에 도핑되도록 하는 방법을 개발하였다. 또한 미국특허공개 2012-0050953은 세퍼레이터 표면에 리튬막을 형성시킨 후 리튬막이 음극 전극과 접촉하도록 조립한 후 리튬염을 포함하는 전해질을 주입하여 음극 전극과 전기적으로 접속된 리튬막에서 리튬이 음극 전극에 도핑되도록 하는 방법을 개발하였다.
이러한 방법들은 대용량의 적층구조 및 원통형구조에서 리튬 인터칼레이션을 통한 리튬도핑을 가능케 하지만 리튬 때문에 대부분의 공정이 드라이룸에서 진행되어야 하므로 비싼 시설 유지비용 등 공정비용이 많이 소요되고 리튬의 낮은 녹는 점 및 높은 반응성 때문에 건조공정 등 공정 전반에 많은 제약이 따르는 단점을 지니고 있다.
또한 흑연을 포함하는 음극 전극에 리튬을 진공 중에서 기상 증착(Vapor Deposition)시키는 방법도 시도되었지만 증착 도중 열에 의한 전극 손상과 위에서 언급한 동일한 문제를 지닌다.
리튬 이온 캐패시터는 리튬도핑공정의 높은 난이도 때문에 주로 적층형 구조를 사용하는 파우치 형태의 제품이 상품화되고 있다. 그러나 파우치 형태는 내부압력증가에 매우 취약하므로 가스발생을 완화시키기 위하여 낮은 동작전압을 사용하고 있다.
또한 대용량 리튬 이온 캐패시터를 위해서는 적층형보다 원통형 구조가 바람직하다. 금속케이스를 사용하는 원통형 리튬 이온 캐패시터는 내부압력이 증가하더라도 케이스의 변형을 방지할 수 있으므로 동작전압을 증가시킬 수 있고 또한 대용량화에도 유리하다. 이를 위해서는 전극에 전해질 주입을 용이하게 하고 리튬도핑공정에서 발생되는 가스배출을 용이하게 하기 위한 구조 및 방법의 개발이 필요하다.
또한 리튬 이온 캐패시터의 동력(Power)특성을 향상시키기 위해 저항을 낮추기 위한 구조 및 방법들도 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 같은 다공성 물질을 포함하는 양극 전극과 카본, 흑연, 리튬티타늄산화물(LTO: Li4Ti5O12, Lithium Titanium Oxide)과 같은 리튬 인터칼레이션 물질을 포함하는 음극 전극을 사용하는 전기화학셀의 구조, 조립공정 및 리튬도핑공정을 단순화시키고, 상기 전기화학셀과 전기이중층 캐패시터 제조장비의 호환성을 증진시키고 드라이룸 등 제반 소요 기반시설 비용을 최소화함으로써 제조비용을 절감시키고, 대용량 전기화학셀의 제조를 용이하게 하고 동작전압을 증가시키며 동력특성이 향상된 전기화학셀을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기화학셀은, 다공성 물질을 포함하는 양극 전극 및 리튬이 도핑되는 물질을 포함하는 음극 전극을 포함하고, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 중에서 적어도 하나의 전극에 리튬이 용해된 리튬용액(Lithium Solution)을 주입하고 주입된 상기 리튬용액의 용매를 제거하여 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 중에서 적어도 하나의 전극에 리튬이 공급된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기화학셀은, 리튬염을 포함하는 전해질과, 집전체와 다공성 물질을 포함하는 양극 전극과, 집전체와 리튬이 도핑되는 물질을 포함하는 음극 전극과, 상기 전극과 상기 전해질을 수용하며 단자로 사용되는 케이스 및 상기 케이스를 덮고 상기 케이스와 반대 극성의 단자로 사용되는 뚜껑을 포함하고,
상기 케이스의 재질은 상기 양극 전극의 집전체와 동일한 계열의 재질을 사용하고 상기 뚜껑의 재질은 상기 음극 전극의 집전체와 동일한 계열의 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기화학셀은 리튬 도핑공정이 간단해지며 적층형 및 원통형 구조에도 쉽게 적용할 수 있어 대용량 전기화학셀 제조가 용이해진다.
또한 본 발명에 따른 전기화학셀은 리튬공급을 위한 추가적인 구조를 포함하지 않고 종래의 전기이중층 캐패시터 및 리튬이온전지와 같은 구조를 갖게 됨에 따라 제조설비를 공유할 수 있으며 조립공정에서 리튬을 포함하는 물질을 사용하지 않기 때문에 드라이룸을 사용할 필요가 없어 기반시설비용을 비롯한 제조비용을 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전기화학셀은 조립 및 건조 후 전해질 주입 전에 전극에 리튬을 공급함으로써 리튬으로 인한 조립 및 건조 공정의 제약을 벗어 날 수 있어 제조비용 절감은 물론 전기화학셀의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전기화학셀은 향상된 동력특성을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학셀의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 전극 표면에 홈을 형성시킨 전극의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따라 내부저항을 감소시키고 간단한 구조를 갖는 전기화학 셀의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따라 전극의 한쪽 편에 활물질층이 형성되어있지 않은 집전체 연장부를 갖는 전극의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 전극 조립체를 구성하는 양극 전극 및 음극 전극의 배치 구조의 일례를 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학셀의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전기화학셀(100)은 양극 전극(112), 음극 전극(114), 세퍼레이터(116), 전해질(118), 케이스(120), 단자(122)를 포함한다.
양극 전극(112)은 활물질로 사용되는 다공성 물질로써 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 같은 다공성 탄소 분말 또는 섬유와 전극의 전도도 향상을 위해 사용되는 아세틸렌블랙 같은 미세분말형태의 도전제 그리고 바인더를 혼합한 후 집전체로 사용되는 알루미늄시트 위에 코팅하여 만들어진다.
음극 전극(114)은 활물질로 리튬도핑을 위한 리튬 인터칼레이션 물질 중에서 주로 사용되는 흑연분말과 도전제 그리고 바인더를 혼합한 후 집전체로 사용되는 구리시트 위에 코팅하여 만들어진다.
세퍼레이터(116)는 전해질에 포함된 이온은 투과하지만 양극 전극과 음극 전극을 전기적으로 절연시키는 것으로 다공성 펄프나 섬유 등이 사용된다.
전해질(118)은 리튬 이온 전지처럼 리튬염을 포함하는 것으로 용매(Solvent)로는 EC(Ethylene Carbonate), 조용매(Co-Solvent)로 DMC(Dimethyl Carbonate), 용질(Salt)로는 LiPF6가 주로 사용된다.
도 1과 같은 전기화학셀(100)의 동작을 위해서는 음극 전극의 흑연에 리튬을 도핑시켜 음극 전극의 전위를 리튬의 산화환원전위에 도달시켜야 한다. 리튬도핑을 위해 리튬이온전지에서는 포메이션(Formation)공정에서 양극 전극에 포함된 리튬산화물로부터 리튬이 음극 전극의 흑연으로 인터칼레이션되도록 한다.
그러나 본 발명에 따른 전기화학셀에서는 양극 전극의 활물질이 다공성 탄소이므로 리튬도핑을 위한 리튬공급방법으로 다른 방법이 사용된다.
종래의 방법들은 음극 전극에 리튬포일을 포개거나 전술한 미국 특허 문헌 8,034,642와 같이 음극 전극에 리튬막이 전사된 경우 전해질이 주입되면 흑연과 리튬의 전위차에 의해 리튬으로부터 흑연으로 인터칼레이션이 이루어진다.
리튬은 에틸아민(Ethyl Amine)같은 지방족 아민에 잘 녹는다. 따라서 에틸아민과 같이 리튬이 잘 녹는 용매에 리튬을 녹여 리튬용액을 만든 후 용매를 증발시키면 리튬이 다시 석출된다. 본 발명은 이러한 원리를 이용하여 양극 전극 또는 음극 전극을 리튬이 용해된 리튬용액에 담그거나 전극에 리튬용액을 분사하는 등의 방법으로 전극에 리튬용액을 주입한 후 전극에서 리튬용액의 용매를 증발시켜 제거하면 전극의 표면과 전극의 공극에 리튬이 잔류 분포하게 된다.
이러한 양극 전극 또는 음극 전극을 사용하여 도 1과 같은 전기화학셀을 조립한 후 리튬염을 포함하는 전해질을 전기화학셀에 주입하면 전극에 존재하는 리튬은 카본이나 흑연과의 전위차에 의해 카본이나 흑연으로 인터칼레이션이 발생되어 리튬이 도핑된다.
만약 음극 전극에 리튬이 공급되었을때 전기화학셀 조립 후 리튬염을 포함하는 전해질을 공급하면 리튬과 흑연과의 전위차에 의해 리튬이 흑연으로 인터칼레이션에 의해 도핑된다.
그러나 만약 양극 전극에 리튬이 공급되었을때 전기화학셀 조립 후 리튬염을 포함하는 전해질을 공급하면 활성탄소와 같은 리튬 인터칼레이션 물질이 양극 전극에 사용되면 양극 전극에서 인터칼레이션이 발생하여 양극 전극에 리튬이 도핑되므로 양극 전극에 존재하는 리튬이 음극 전극에서 인터칼레이션되어 음극 전극에 도핑되도록 하기 위해서는 전해질을 주입할 때 전기화학셀에 전위를 인가하면 양극 전극에 존재하는 리튬을 음극 전극으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 보다 바람직한 실시예는 도 1과 같이 전기화학셀을 조립한 후 전기화학셀을 건조시키고 전해질을 주입하기 전에 리튬을 전극에 공급하는 것이다.
전기화학셀을 조립, 건조 후 리튬이 용해된 리튬용액을 전기화학셀에 주입하면 전기화학셀의 양극 전극과 음극 전극에 주입된 리튬용액에 의해 각 전극이 젖어 활물질 분말사이의 공극에 리튬용액이 채워진다. 이후 감압과 같은 방법을 이용하여 주입된 리튬용액에서 용매를 증발시켜 제거하면 전극내의 리튬용액이 채워졌던 자리 및 각 전극표면에 리튬이 분포하게 된다.
그리고 전기화학셀에 리튬염을 포함하는 전해질을 주입하면 전극 내에 분포된 리튬이 전위차에 의해 카본으로 인터칼레이션됨으로써 리튬의 도핑이 이루어진다.
한편 본 발명에 따른 전기화학셀에서는 음극 전극뿐 만아니라 양극 전극에도 탄소를 포함하고 있으므로 리튬의 인터칼레이션이 음극 전극에서만 발생되도록 하기 위해 전해질 주입과정에서 전기화학셀의 양단에 전위를 인가하면 마치 리튬이온전지의 양극 전극에서 음극 전극으로 리튬을 공급하는 것과 같이 양극 전극에 분포된 리튬은 음극 전극으로 이동하여 음극 전극의 흑연으로 인터칼레이션이 이루어진다.
본 발명과 같이 전해질 주입 전에 전기화학셀에 리튬을 공급하고 전해질 주입 후에 리튬을 도핑하면 전기화학셀의 조립 및 건조과정에서 리튬이 포함되지 않도록 함으로써 공정을 용이하게 하고 제조비용을 감소시킬 수 있다.
전기화학셀의 양극 전극에 사용되는 다공성 탄소는 쉽게 수분을 흡착하며 전기화학셀의 성능 및 신뢰성에 악영향을 미치는 수분을 전극으로부터 제거하기 위해서는 높은 온도에서 장시간 건조가 필요하다. 그러나 리튬은 반응성이 대단히 높을 뿐만 아니라 녹는점도 180oC에 불과하여 건조 전에 리튬이 포함되면 전기화학셀의 건조에 제약을 가한다. 전기화학셀의 건조 온도를 낮추면 신뢰성에 악영향을 미치며 전극을 미리 건조한 후 전기화학셀을 조립하려면 전기화학셀 조립 장비를 드라이룸 내에 설치해야 하며 리튬 때문에 조립장비를 다른 제품과 호환할 수 없어 비용이 상승하며 드라이룸 또한 대략 2%의 수분을 포함하고 있으므로 드라이룸에 머무는 시간이 길수록 신뢰성에 악영향을 미친다.
따라서 이러한 측면에서도 본 발명과 같이 전기화학셀 조립 및 건조 후 전해질 주입 전에 전극에 리튬을 공급하는 방법은 신뢰성 향상은 물론 제조비용 절감에도 효과적이다.
한편 적층형과 달리 전극이 감겨진 형태인 원통형은 전극이 압축되어 전해질 주입 및 가스배출에 적층형보다 많은 시간이 소요된다.
특히 본 발명은 전해질을 주입하기 전에 리튬용액을 전극에 주입한 후 다시 용매를 증발시켜야 하므로 리튬용액의 용매로써 점도가 낮고, 끊는 점이 낮은 용매가 보다 효과적이며 전극 또한 도 2와 같이 전극 표면에 홈(30)을 형성시키면 전해질 및 리튬용액의 주입 및 가스 및 증기 배출을 원활하게 할 수 있어 효과적이다.
더욱이 홈(30)을 전극의 길이방향에 대해 경사진 방향으로 형성시키면 전기화학셀이 수직 방향 또는 수평 방향의 설치 방향에 관계없이 가스배출을 원활하게 할 수 있다.
한편 전기화학셀의 전극조립체의 바깥쪽이 음극 전극이 되도록 하면 리튬용액 주입 및 용매 건조로 전극에 공급된 리튬이 전해질 주입 후 자발적으로 음극 전극의 흑연 내부로 도핑됨에 따라 리튬이 도핑되지 않고 잔류하는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전기화학셀의 케이스로 필름에 알루미늄이 증착된 파우치 대신 금속재질을 사용하는 것이 동작전압 향상에 유리하다. 본 발명에 따른 전기화학셀의 동작전압을 상승시키더라도 음극전극의 전압은 거의 변하지 않고 양극 전극의 전압이 상승한다. 양극 전극의 전압이 상승함에 따라 활물질로 사용된 활성탄소의 표면에 흡착된 불순물과 전해질 사이의 전기화학반응에 따라 부산물로 가스가 발생된다. 전기화학셀의 케이스로 파우치를 사용할 경우 전기화학셀 내부에서 가스가 발생함에 따라 내부압력이 증가하면 파우치가 부풀어 전기화학셀의 형태를 유지하기 어려우므로 가스가 발생하지 않도록 동작전압을 감소시킨다. 그러나 셀의 케이스로써 파우치 대신 금속재질을 사용하면 가스에 의해 내부압력이 증가하더라도 셀의 형태를 유지할 수 있으므로 전기화학셀의 동작전압을 상승시킬 수 있다.
전기화학셀에 금속케이스를 사용하는 경우 금속 케이스를 양극으로 대전시키면 리튬용액에 의해 케이스 표면에 분포한 리튬이 음극 전극으로 도핑됨에 따라 케이스 내부 표면에 리튬이 잔류하는 것을 최소화시킬 수 있다. 이때 케이스 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용하거나 양극 전극의 집전체와 동일한 계열인 동일한 원소 또는 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 구조는 전기화학셀의 경량화에도 유리하다. 비록 종래의 기술과 같은 방법으로 리튬을 공급하는 경우에도 리튬공급 방법에 관계없이 리튬을 포함하는 전해질, 다공성 탄소를 포함하는 양극 전극, 리튬 인터칼레이션 물질을 포함하는 음극 전극을 포함하는 전기화학셀의 경우 금속케이스를 단자로 사용하는 경우 케이스를 양극으로 사용하고 케이스 재질은 알루미늄 또는 알루미늄합금을 사용하는 것이 케이스를 음극으로 사용하고 케이스 재질을 음극 전극의 집전체로 사용되는 구리를 사용하는 것보다 중량 및 가격측면에서 보다 바람직하다. 전기화학셀이 대출력용으로 사용되기 위해서는 전기화학셀의 내부저항을 감소시켜야 한다. 특히 원통형으로 제작된 대용량 전기화학셀의 내부저항을 감소시키고 조립 공정을 단순화하기 위해서는 도 3과 같은 구조가 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같은 원통형 구조의 전기화학셀의 전극 조립체에 포함된 양극 전극과 음극 전극을 도 4와 같이 전극의 한쪽 편에 활물질층(115)이 형성되지 않은 집전체 연장부(111)를 만들고 도 5와 같이 세퍼레이터(116)를 사이에 두고, 양극 전극(112)과 음극 전극(114)의 집전체 연장부(111)가 바깥쪽을 향하도록 배열하고 감아 전극 조립체(310)를 제작한 후 레이저 용접을 위한 그루브(312: Groove)가 형성된 케이스(300)에 전극조립체(310)를 삽입한 후 레이저 용접을 위한 그루브(312)가 형성된 뚜껑(314)을 케이스(300)와 절연되도록 가스켓이나 고무링을 사용하여 덮은 후 외부에서 각 그루브(312)에 레이저를 조사하여 각 전극의 집전체 연장부(111)를 케이스(300)와 뚜껑(314)에 용접한 것이다. 이러한 구조에서 케이스(300)와 뚜껑(314)은 단자로서의 역할을 하게 된다. 이러한 구조는 전극과 단자 사이의 전류이동경로를 최소화시킬 수 있어 전기화학셀의 내부저항 감소에 효과적이다.
전술한 바와 같이 도 3과 같은 구조에서 케이스(300)는 양극으로 사용하는 것이 바람직하므로 뚜껑은 음극으로 사용하는 것이 바람직하다. 케이스(300)를 양극으로 사용하는 것은 전술한 바와 같이 리튬 잔류를 최소화시키는 측면에서 유리할 뿐만 아니라 케이스(300)를 양극으로 사용하면 케이스 재질로 알루미늄을 사용할 수 있어 중량 및 가격측면에서도 유리하다.
더 나아가 용접성(Weldability) 및 솔더링(Soldering) 측면을 고려하면 케이스(300)는 양극 전극의 집전체 재질과 동일한 재질을 사용하고 뚜껑은 음극 전극의 집전체 재질과 동일한 재질을 사용하는 것이 유리하다.
전기화학셀에서 양극 전극의 집전체로는 알루미늄 시트가 주로 사용되며 음극 전극의 집전체로는 구리 시트가 주로 사용된다. 따라서 케이스 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용하고, 뚜껑(314)의 재질은 구리 또는 구리 합금을 사용하거나 접속부에 포함시키는 것이 바람직하다.
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.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 전기에너지를 저장하는 전기화학셀에서,
    다공성 양극 전극; 및
    리튬이 도핑되는 물질을 포함하는 음극 전극;
    을 포함하는 전기화학셀을 조립한 후,
    상기 전기화학셀에 리튬이 용해된 리튬용액을 주입하고 주입된 상기 리튬용액의 용매를 제거하여 상기 양극 전극과 음극 전극 중에서 적어도 하나에 리튬이 공급되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기화학셀에 전해질을 주입하며 상기 전기화학셀에 전위를 인가하여 상기 양극 전극 내에 존재하는 리튬을 상기 음극 전극으로 도핑시키는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 전극은 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 전극의 상기 리튬이 도핑되는 물질은 흑연인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기화학셀은 상기 전극이 수용되는 케이스와 뚜껑을 더 포함하고 상기 케이스는 양극, 상기 뚜껑은 음극으로 대전되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 케이스의 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 뚜껑의 재질은 구리 또는 구리합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 각 전극은 집전체를 포함하고 상기 케이스와 상기 뚜껑은 상기 각 전극의 집전체와 접속하는데 있어서 용접, 솔더링 중에서 최소한 하나를 사용한 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 전극와 상기 음극 전극을 포함하는 전극조립체의 바깥쪽 극성이 음극인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 전극과 상기 음극 전극 중에서 적어도 하나의 전극의 표면에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 홈은 상기 전극의 길이방향에 대해 경사진 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  12. 삭제
  13. 전기에너지를 저장하는 전기화학셀에서,
    리튬염을 포함하는 전해질;
    집전체와 다공성 물질을 포함하고, 상기 다공성 물질을 포함하지 않는 집전체 연장부를 갖는 양극 전극;
    집전체와 리튬이 도핑되는 물질을 포함하고, 리튬이 도핑되는 물질을 포함하지 않는 집전체 연장부를 갖는 음극 전극;
    상기 양극 전극과 상기 음극 전극의 집전체 연장부가 서로 반대 방향을 향하도록 형성된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체 및 상기 전해질을 수용하며, 양극 전극과 접속되는 케이스; 및
    상기 케이스를 덮고 음극 전극과 접속되는 뚜껑; 을 포함하고,
    상기 케이스와 양극 전극의 집전체 연장부를 용접으로 접속시고,
    상기 전기화학셀의 조립 후, 상기 전기화학셀에 리튬이 용해된 리튬용액을 주입하고 주입된 상기 리튬용액의 용매를 제거하여 상기 양극 전극과 음극 전극 중에서 적어도 하나에 리튬이 공급되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 전기에너지를 저장하는 전기화학셀에서,
    리튬염을 포함하는 전해질;
    집전체와 다공성 물질을 포함하는 양극 전극;
    집전체와 리튬이 도핑되는 물질을 포함하는 음극 전극;
    상기 양극 전극과 상기 음극 전극을 포함하고 최외주부에 음극 전극이 배치된 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 수용하고 상기 양극 전극과 접속된 케이스; 를
    포함하고,
    상기 전기화학셀의 조립 후, 상기 전기화학셀에 리튬이 용해된 리튬용액을 주입하고 주입된 상기 리튬용액의 용매를 제거하여 상기 양극 전극과 음극 전극 중에서 적어도 하나에 리튬이 공급되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
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