KR20010054430A - 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

금속다층막의 전극을 이용하여 전극의 전기저항을 감소시킬 수 있는 금속다층막 전극을 갖는 전해액을 사용하는 전기에너지 저장장치가 개시된다. 본 발명의 전기에너지 저장장치는 집전체상에 적어도 하나의 활물질층과 적어도 하나의 금속막이 교대로 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 격리막, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 격리막을 둘러싸는 케이스 및 상기 케이스의 내부에 충전된 전해액을 구비하여 형성된다. 상기 제1 전극 및 제2 전극의 다층금속막을 사용함으로써, 전극의 전기저항을 감소시켜 단위부피 및 중량당 에너지밀도 및 동력밀도를 향상시킬 수 있고, 전극의 수도 줄일 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다.

Description

금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치 {ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE HAVING ELECTRODE OF MULTI-LAYER METAL FILM}
본 발명은 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입자상의 활물질층과 금속막을 복수개의 층으로 적층시켜줌으로써 전극의 저항을 감소시킨 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.
현재 많이 사용되고 있는 전기에너지 저장장치로서는 전지와 캐패시터등이 있으며, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지, 니켈수소전지, 알칼리전지, 납축전지, 니켈카드뮴전지, 전해콘덴서, 전기이중층 캐페시터등이 이 범주에 속한다.
도 1은 전지, 캐패시터와 같은 종래의 일반적인 전기에너지 저장장치의 단위셀을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 즉, 종래의 전기에너지 저장장치의 단위셀 구조는, 금속물질이나 몰딩수지로 된 케이스(10), 상기 케이스(10) 내에 설치된 집전체(12)와 활물질층(14)으로 구성된 양극 및 음극의 전극, 상기 양극 및 음극 사이에 설치되어 양극과 음극 사이에서 전자전도를 제한하고, 이온전도만을 가능케 하는 다공성 재질의 격리막(15) 및 상기 케이스(10) 내에 충전된 전해액(18)으로 구성되어 있다.
도 2는 도 1의 종래의 일반적인 전기에너지 저장장치의 단위셀 구조에서 전극구조를 보다 명확히 나타낸 모식도이다. 활물질(14)은 파우더, 과립, 파이버와 같은 입자형태의 것이 사용되며, 폴리비닐리덴디플루오라이드(polyvinylidene difluoride; PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxymethyl cellulose; CMC) 등과 같은 유기바인더(16)가 활물질 사이를 연결해주는 바인더로서 역할을 하며, 금속포일과같은 집전체(12)상에 형성된다.
종래의 전극의 제조과정을 살펴보면, 먼저 활물질(14), 유기바인더(16), 용제 및 전도도를 증가시키기 위한 도전체를 혼합하여 이를 믹싱하여 골고루 분산시킨 후, 코팅장치를 이용하여 금속포일과 같은 집전체(12)에 이를 판상으로 도포한 후 건조시켜 용제를 제거하고 이를 제단하여 전극을 제조한다.
파우더, 과립, 파이버와 같이 입자상을 가지는 활물질과 유기바인더를 혼합하여 전극을 제조하면, 도 2처럼 활물질과 활물질 사이 및 활물질과 집전체(12) 사이에 유기바인더(16)가 위치하게 된다. 유기바인더(16)는 전기를 통하지 않는 부도체이므로 전극의 저항을 증가시켜 에너지 이용효율을 감소시키고, 충방전속도를 감소시킨다. 이런 이유 때문에 유기바인더를 사용하는 종래의 전지, 캐패시터 같은 전기에너지 저장장치들은 전극의 전기저항을 감소시키기 위하여 일반적으로 전극의 두께를 감소시켜 활물질과 집전체 사이의 거리를 줄임으로써 전극의 저항을 줄이는 방법을 주로 사용하여 왔다.
그러나 전극에서 활물질층의 두께를 감소시키면 전극의 저항을 감소하지만 전기에너지 저장장치에서 활물질이 차지하는 비율이 작아지게 되며, 이는 전극에서 집전체가 차지하는 비율이 커지는 것을 의미하기 때문에 전기에너지 저장장치의 중량 및 부피당 에너지밀도가 저하된다는 문제점이 있다.
나아가 전극의 단위면적당 에너지밀도가 작아짐에 따라 일정량의 에너지를 저장하기 위해서는 전극의 면적 및 전극의 수가 증가하여야 하기 때문에 전기에너지 저장장치의 제조과정이 복잡해지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 목적은, 파우더, 과립, 파이버 등과 같은 입자형태를 가지는 활물질을 사용하여 전극을 제조하는 전기에너지 저장장치에서 전극의 전기저항을 감소시킨 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 전극의 단위 부피 및 중량당 에너지밀도 및 동력밀도가 향상된 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 전극의 수를 감소시켜 제조비용이 절감되는 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 전기에너지 저장장치의 단위셀을 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래의 유기바인더를 사용한 전극의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 금속다층막 전극을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 전기에너지 저장장치의 단위셀을 나타내는 개략적인 모식도이다.
도 5는 본 발명의 금속다층막 전극을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 40 : 케이스 12, 30 : 집전체
14, 32, 34 : 활물질층 14a, 32a, 34a : 활물질
14b, 32b, 34b : 유기바인더 15, 42 : 격리막
18, 44 : 전해액 36, 38 : 금속막
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은, 집전체상에 적어도 하나의 활물질층과 적어도 하나의 금속막이 교대로 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 격리막, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 격리막을 둘러싸는 케이스, 및 상기 케이스의 내부에 충전된 전해액을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치를 제공한다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극의 금속막은 집전체상의 전면에 증착되어 집전체와 전기적으로 연결되어 집전체로서의 역할을 하게 하는 것이 전기저항을 감소시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.
본 발명에 따르면, 파우더, 과립, 파이버와 같은 입자상의 활물질상에 전기전도도가 높은 금속막을 적층시켜 전극을 제조함으로써 전극의 전기저항을 감소시킨다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부하는 도면과 함께 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속다층막 전극의 구조를 나타내는 개략적인 도면이다. 금속포일과 같은 집전체(30)상에 제1 활물질층(32)이 형성되어 있으며, 상기 제1 활물질층(32)은 파우더, 과립, 파이버와 같은 입자형태의 제1 활물질(32a)이 사용되며, 이들 활물질들은 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC) 등과 같은 제1 유기바인더(32b)에 의해 서로 결합되어 있다. 상기 집전체(30)상의 제1 활물질층(32)상에는 제1 금속막(36)이 전면에 증착되어 있다.
상기 제1 금속막(36)상에는 제2 활물질층(34)이 형성된다. 상기 제2 활물질층(34)도 제1 활물질층(32)과 마찬가지로 입자상의 제1 활물질(34a)과 이들을 결합시키는 제2 유기바인더(34b)로 구성되어 있다. 상기 제2 활물질층(34)상에는 제2 금속막(38)이 기판 전면에 형성되어 있다. 제2 금속막(38)도 제1 금속막(36)과 동일한 금속물질을 사용할 수 있다.
도 3에서, 제1 활물질층(32)상에 제1 금속막(36)이 증착 형성되는 경우 금속입자들이 제1 활물질(32a)의 입자사이로 침투하게 되므로 활물질 입자 사이의 전기 전도도가 증가되어 전극의 전기저항이 감소하며, 제1 금속막(36)을 제1 활물질층 (34) 보다 넓게 형성하기 때문에 집전체(30)와 제1 금속막(36)이 전기적으로 연결되어 제1 금속막(36)도 집전체로서 역할을 하게된다. 제2 활물질층(34) 및 그 위에형성되는 제2 금속막(38)도 역시 동일한 방법으로 형성되어 전극의 전기저항을 감소시키는 역할을 한다.
도 3에서는 2층 구조의 금속다층막을 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 그 이상의 다층으로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 단위셀을 개략적으로 도시한 모식도로서 도 3의 전극을 이용한 것이다. 전기에너지 저장장치는, 케이스(40), 상기 케이스(40) 내에 설치된 집전체(30)와 제1 활물질층(32) 및 제2 활물질층(34)으로 구성된 양극 및 음극의 전극, 상기 양극 및 음극 사이에 설치된 격리막(42) 및 상기 케이스(40) 내에 충전된 전해액(44)으로 구성되어 있다.
상기 케이스(40)는 금속재질, 몰딩수지, 복합재료등의 다양한 재질로 구성할 수 있으며, 상기 집전체(30)와 제1 활물질층(32) 및 제2 활물질층(34)으로 구성된 전극은 격리막(42)을 사이에 두고 서로 대향하여 형성된다. 격리막(42)은 폴리에틸렌계 고분자물질 또는 폴리프로필렌계 고분자물질 등이 사용될 수 있으며, 양극과 음극사이에서 전자전도를 제한하고 이온전도만이 가능케 하는 다공성 재질이 주로 사용될 수 있다. 상기 전해액(44)으로서는 수용성용매, 유기용매 및 염 등 다양한 전해액이 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 금속다층막 전극의 제조과정을 나타내는 공정도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 파우더, 과립, 파이버와 같은 입자상의 활물질과 바인더 및 용제를 혼합한다(S10). 이때 전기전도도 향상을 위해 도전체를 같이 혼합해줄 수도 있다. 이어서, 집전체상에 상기 활물질, 바인더 및 용제의 혼합물을 코팅시킨다(S12). 다음으로, 상기 혼합물속에 함께 존재하는 용제를 제거하기 위해 건조한다(S 14).
이어서, 상기 용제가 제거된 활물질층상에 금속막을 증착시킨다(S 16). 상기 금속막 증착과정은 플라즈마 용사 또는 증착장비를 이용하여 이루어진다. 이때 상기 금속막은 집전체상에 형성된 활물질층의 넓이 보다 크게 하여 상기 금속막이 집전체상에도 증착되도록 한다. 이과정에서 상기 금속막의 입자는 활물질층의 활물질 입자 사이로 침투하여 활물질층의 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 상기 금속막 상에 전술한 활물질, 바인더 및 용제의 혼합물을 다시 코팅한다(S18). 이어서, 혼합물 내에 포함된 용제를 제거하기 위해 건조공정을 실시한다(S20). 이어서, 전술한 "S16" 단계와 동일한 방법에 활물질층상에 금속막을 증착시킨다(S22).
이후, 동일한 방법으로 활물질층 및 금속막을 반복적으로 형성하여 금속다층막 전극을 원하는 크기로 형성한다.
이렇게 제작된 전극은 원하는 형태로 제단하고, 전극들 사이에 격리막을 끼운 후, 케이스에 넣는다. 이어서, 전극이 내장된 케이스에 전해액을 주입한 후, 케이스를 밀봉함으로써 전기에너지 저장장치가 완성된다.
본 발명에 따르면, 활물질 입자 사이에 금속막의 금속 입자가 침투하여 전기전도도를 증대시킬 수 있을 뿐만아니라, 금속막이 집전체의 역할을 함에 따라 활물질층의 두께가 얇아지는 효과를 얻을 수 있기 때문에 전극의 전기저항을 대폭 감소시킬 수 있다.
따라서, 금속다층막을 이용한 전극을 사용하면 전극의 전기저항이 작아지기 때문에 두꺼운 전극을 사용할 수 있게 되어, 부피 및 중량당 에너지 밀도 및 동력밀도가 향상되며, 나아가 전극수를 작게 할 수 있어 전기에너지 저장장치의 제작비용을 경감할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

  1. 집전체상에 적어도 하나의 활물질층과 적어도 하나의 금속막이 교대로 형성된 제1 전극;
    상기 제1 전극과 대향하여 형성된 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 격리막;
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 격리막을 둘러싸는 케이스; 및
    상기 케이스의 내부에 충전된 전해액을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속다층막 전극을 갖는 전기에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 집전체상에 적어도 하나의 활물질층과 적어도 하나의 금속막이 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속다층막을 갖는 전기에너지 저장장치.
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