KR20020093817A - 전기화학 제너레이터 소자 및 대응 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순차적으로, 일 극성의 제 1 전극 층(114), 제 1 전해질 층(110), 역 극성의 전극 층(108), 제 2전해질 층(112), 일 극성을 갖는 제 2전극 층(116)을 포함하는 전기화학 제너레이터 소자(102)에 관한 것이다. 일 극성을 갖는 전극 층들(114, 116)은 병렬 연결에 의해 연결되어 있다. 소자는 일 극성을 갖는 전극 층들(114, 116)에 연결된 전류 콜렉터들(118,120)을 더 포함한다. 일 극성을 갖는 제 1전극 층(114)의 두께는 일 극성을 갖는 제 2전극 층(116)의 두께와 다르다. 본 발명은 리튬-중합체 저장 전지에 적용될 수 있다.

Description

전기화학 제너레이터 소자 및 대응 전지{electrochemical generator element and corresponding battery}
본 발명은 순차적으로, 일 극성(one polarity)의 제 1전극 층, 제 1전해질 층, 역 극성(reverse polarity)의 전극 층, 제 2전해질 층 및 일 극성의 제 2전극 층을 포함하는 전기화학 제너레이터 소자에 관한 것으로, 일 극성의 전극 층들은 병렬로 연결되어 있고, 소자는 일 극성의 전극 층들에 연결된 전류 콜렉터(collector)를 더 포함한다.
예를 들면, 본 발명은 전기 운송수단(vehicle) 또는 안정한 상태(steady-state)의 어플리케이션(application)을 위한 리튬(lithium) 중합체 전기화학 전지에 적용할 수 있다.
중합체 전해질을 갖는 리튬을 구비한 전기화학 제너레이터는 이미 공지되어 있다. 그러한 제너레이터는 전기적으로 병렬 연결된 두개의 반-소자(half-element)로 구성되는 소자를 일반적으로 포함한다.
각 반-소자는 전해질 층을 거쳐 리튬 층의 두개 면 중 하나의 면위에 적용되는 음극 층으로 구성된다. 전류는 음극의 자유 표면(free surface) 및 리튬 층에 연결된 콜렉팅 리드(collecting lead)의 자유표면 위에 배열된 전류 콜렉터에 의해 발생(draw)된다.
리튬 층의 두개 측면위의 음극 층은 같은 두께를 갖는다(도 1). 양(both) 음극 층에 대하여 같은 값을 갖는 그러한 전기화학 제너레이터의 비 에너지(specific energy)(단위 질량 당 에너지)를 증가시키기 위해서, 두께는 증가된다. 대응하여, 리튬 층의 두께는 또한 증가된다. 이것은 소자의 저항이 증가되기 때문에 최대 비전력(maximum specific power)(단위 질량 당 전력)이 감소되는 효과를 갖는다.
본 발명의 목적은 이 단점을 경감하고, 비에너지가 최대 비전력에 대하여 충분히 독립적인 전기화학 소자를 제공하는 것이다.
이 목적을 위해서, 본 발명의 주제는 일 극성의 제 1전극 층의 두께가 일 극성의 제 2전극 층의 두께와 다른 것을 특징으로 하는 전술한 유형의 전기화학 제너레이터 소자이다.
또한, 본 발명의 주제는 위에서 정의된 유형의 전기화학 제너레이터 소자를 적어도 하나 포함하는 전기화학 전지이다.
본 발명은 아래의 첨부된 도면을 참조하여 만들어진, 그리고 예들의 의해 주어진 다음의 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 공지된 리튬-중합체 전기화학 제너레이터 소자의 단면도이고,
도 2는 음극 두께 함수로서 종래 기술의 전기화학 소자의 비에너지 및 비전력을 나타내고,
도 3은 본 발명에 따른 리튬-중합체 전기화학 제너레이터 소자의 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 전기화학 소자의 비에너지 및 비전력을 나타내고, 음극 두께 함수로서 두 소자의 비율을 나타낸다.
본 발명의 효과를 더 잘 이해하기 위하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 의해 제기된 문제가 제일 먼저 기술될 것이다.
도 1은 종래 기술의 전기화학 제너레이터 소자(2)의 단면도를 나타낸다. 소자는 공통(common) 리튬 층(8), 전해질 층(10, 12), 양의(positive) 전극 층(14, 16) 및 전류 콜렉터(18, 20)로 구성되는 두개의 반-소자(half-element)(4, 6)를 포함한다.
전기 전도체(22, 24)는 콜렉터(18, 20)에 연결되고, 전기 전도체(26)는 리튬 층(8)에 연결된다.
축전지(accumlator)유형에 따르면, 전기 전도체(24, 26)는 양의 전극 층(14, 16)에 직접 연결될 수 있고, 그 결과 전류는 콜렉터(24, 26)에 의해 모아진다.
두개의 전기 전도체(22, 24)는 유저(user)(도시되지 않음)의 일 측면에 연결되는 반면, 전기 전도체(26)는 유저의 다른 측면에 연결되어, 그 결과 두개의 반-소자의 병렬 연결이 형성된다.
전해질 층(10, 12) 각각은 30 ㎛의 두께를 갖고, 양의 전극 층(14, 16)을 음의 전극으로 작용하는 공통 리튬 층(8)으로부터 분리시킨다.
리튬 층은 10 ㎛ 와 150 ㎛ 사이의 두께, 바람직하게는 30 ㎛ 와 70 ㎛ 사이의 두께를 가진다.
양의 전극 층(14, 16) 각각은 90 ㎛ 의 두께를 갖고, 어떤 비율 Y의 V2O5, 일반적으로 50 % 보다 많은 비율을 함유하는 물질로 제조된다. V2O5의 비율은, 만약 Y = 54%인 경우, 153 Ah/kg의 비커패시티(specific capacity)를 결정한다.
다양한 산화니켈, 산화코발트, 산화망간 또는 이 산화물들의 혼합물은 V2O5대신에 사용될 수 있다.
반-소자의 내부 표면 저항(internal surface resistance)은 다음의 공식에 의해서 계산된다.
Rs_de= Rs_Li/el+ rs_el×eel+ rs_cath×ecath(1. 1.)
여기서, Rs_Li/el은 전해질 층(10, 12)과 리튬 양극 층(8)사이의 경계면의 표면 저항이다. 그것의 값은 10 Ω㎠ 이다. rs_el은 전해질 층(10, 12)의 비저항(specific resistance)이다(rs_el= 0.2 Ω㎠/㎛). rs_cath는 80%의 방전(discharge)에서 음극(14, 16)의 비저항이다(rs_cath= 3,5 Ω㎠/ ㎛).
eel및 ecath는 전해질 층(10, 12)의 두께(eel= 30 ㎛) 및 음극 층(14, 16)의 두께((ecath= 90 ㎛)이다.
지시된 표면 저항은 90 ℃의 온도에서 유효하다.
전류 콜렉터(22, 24, 26)의 전기 저항 및 리튬 층(8)의 전기 저항은 전해질 층과 음극의 경계면의 표면 저항과 비교했을 때 무시될 만한 것으로 간주된다.
주어진 전기화학 소자(2)에 대하여, 반-소자(4, 6)는 다음의 표면 저항을 갖는다.
Rs_de= 10 Ω㎠ + 0.2 Ω㎠/㎛ ×30 ㎛ + 3.5 Ω㎠/㎛ × 90 ㎛ = 331 Ω㎠
이러한 소자의 내부 표면 저항은 다음의 공식으로부터 계산된다.
주어진 예에 대하여, 표면 저항은
이다.
이러한 리튬-중합체 소자(2)에 의해 산출되는 최대 표면 전력(maximum surface power)은 다음의 방정식에 의해 주어진다.
(1.2.)
여기서, U0는 소자(2)의 진공에서의 전압이다(80% 방전에서 2.2 V).
단위 지역당 에너지는 다음의 방정식에 의해서 주어진다.
(1.2.)
여기서, Es_dex는 반-소자 (1 또는 2)의 표면 에너지이고, ecathx는 대응하는 음극 층의 두께이고, ρ는 음극 층의 밀도이고(ρ= 2.1 g/㎤), Y 는 54 중량%에서의 음극 층의 V2O5함량이고, Es는 V2O5의 비커패시티(153 Ah/kg)이고, 그리고 Umean은 2.55 V의 평균 전압이다.
주어진 예에 대하여이다.
리튬-중합체 소자(2)의 비 표면 에너지(specific surface energy)를 증가시키기 위해서, 두개의 음극 층(14, 16)의 두께를 증가시키는 것이 이미 제안되었다. 이는 두개의 반-소자(4, 6)의 표면 저항이 증가되는 반면에 소자의 진공에서의 전압이 일정하게 유지되고 따라서 소자(2)의 표면 전력과 소자(2)의 비전력이 감소한다는 결과를 갖는다.
리튬 층의 두께는 일정하게 유지된다.
음극 층의 두께가 증가하기 때문에 소자(2)의 최대 전력 대 소자(2)의 비에너지 비율은 감소한다.
테이블 1은 음극 층 두께의 함수, 표면 저항값, 80% 방전에서의 표면 전력값, 표면 에너지값, 표면 전력 대 표면 에너지의 비율, 표면 질량, 비전력 그리고 비에너지를 나타낸다. 값들은 90℃의 온도에서 측정된다.
테이블 1
도 2는 공지된 전기화학 소자의 음극 층 두께의 함수로서 비에너지 및 비전력을 보여주는 그래프이다.
동일한 값까지 두개의 음극 층의 두께를 증가시킴에 의한 리튬-중합체 셀(cell)의 비에너지 증가는 비전력의 감소없이는 불가능하다는 것이 관찰된다.
이제 본 발명은 도 3 및 도 4를 참조하여 묘사될 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 중합체 전해질을 갖는 리튬을 구비한 전기화학 제너레이터 소자(102)의 단면도이다.
도 3에서, 도 1의 소자들와 비슷한 소자들이 100만큼 증가된 도면 부호로 지정되어 있다.
전기화학 제너레이터 소자(102)는, 도 1의 소자와 마찬가지로, 공통 리튬 층(108)의 부분, 전해질 층(110, 112) 및 콜렉터(118, 120)를 형성하는 층을 구비한 음극 층(114, 116)을 각각 포함하는 두개의 반-소자(104, 106)를 포함한다.
리튬 층(108)의 두께 및 전해질 층(110, 112)의 두께는 도 1의 소자(2)의 층(8, 11 및 12)의 두께와 동일하다.
그러나, 두개의 음극 층의 두께의 합계는 도 1의 소자(2)의 두개의 음극 층(14, 16)의 두께의 합계와 동일한 반면, 두개의 음극 층(114, 116)의 두께는 서로 다르다. 예를 들면, 제 1층(114)의 두께는 150 ㎛이다. 이 예에 대하여, 두께는 130 ㎛ 와 170 ㎛ 사이일 수 있고, 바람직하게는 140 ㎛ 와 160 ㎛ 사이일 수 있다. 제 2층(116)의 두께는 30 ㎛이고, 10 ㎛ 와 50 ㎛사이일 수 있고, 바람직하게는 20 ㎛ 와 40 ㎛사이일 수 있다.
일반적으로, 두께 층은 80 ㎛ 와 200 ㎛사이의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 100 ㎛ 와 160 ㎛사이의 두께를 가질 수 있다.
두개의 소자(2, 102)의 전력과 에너지를 비교할 수 있기 위해서, 소자(102)의 표면 저항은 다음에 나오는 발명에 따라서 계산될 것이다.
두개의 반-소자의 각각의 전기 표면 저항은 각각의 음극 층(114, 116)의 두께 값을 위한 공식(1.1)을 사용하여 계산된다.
여기서 다시, 전류 콜렉터(118, 120)의 전기 표면 저항 및 리튬 층(108)의 전기 표면 저항은 무시될 만한 것으로 고려된다.
90℃의 작동 온도에서 비저항 값은 동일한 값으로 남는다.
각각 30 ㎛ 와 150 ㎛의 음극 층을 포함하는 두개의 반-소자의 어셈블리(assembly)로 구성되는 소자에 대하여, 두개의 반-소자(104, 106)의 내부 표면 저항은 다음의 값을 준다.
완전한 소자(102)의 표면 저항은 두개의 소자의 병렬 연결에 관계되는 다음의 공식에 의해 계산된다.
여기서, RS_dex는 반-소자 X의 표면 저항이다(X ∈ [1,2]).
주어진 어셈블리에 대하여, 소자의 전체 표면 저항은
이다.
단위 지역당 최대 전력(80% 방전에서)은 공식 1.2를 사용하여 다음과 같다.
소자(102)의 단위 지역당 함유된 에너지는 공식 1.3의 방정식에 의해 계산된다.
표면 전력 대 표면 에너지의 비율은 다음과 같다.
1.52는,(테이블 1)의 비율을 갖는 종래 기술의 소자를 고려했을 때, 60%의 증가를 의미한다.
등가의 전체 음극 두께(180 ㎛)에 대하여, 90 ㎛로부터 150 ㎛까지의 제 1음극 층(114)의 두께 증가, 반대로, 90 ㎛로부터 30 ㎛까지의 제 2음극 층(116)의 두께 감소는 160.5 Ω㎠로부터 121 Ω㎠까지의 소자의 내부 표면 저항 감소를 가능하게 한다.
일정한 비에너지 밀도에 대하여, 질량과 부피가 변하지 않기 때문에, 비전력은 상당히 증가된다.
테이블 2는 180 ㎛의 전체 음극 층 두께를 갖는 소자(102)에 대한 다른 두께의 두개의 반-소자(114, 116)의 표면 저항을 보여준다. 또한, 테이블 2는 대응 소자의 결과 표면 저항 및 각각 90 ㎛의 두께를 갖는 도 1의 음극 층들을 구비한 소자(2)에 대한 전력 이득(gain)을 보여준다.
도 4는 비전력, 비에너지 및 본 발명에 따른 소자에 대한 가장 얇은 음극 층두께의 함수로서 비전력과 비에너지 사이의 비율을 보여주는 그래프인데, 음극 층은 180 ㎛의 전체 두께를 갖는다.
170 ㎛까지 한 층의 두께를 증가시킴에 의해서 그리고 10 ㎛까지 다른 층의 두께를 감소시킴에 의해서, 소자의 이용가능한 전력에 대하여 인수(factor) 2.5까지 비전력을 증가시키는 것은 가능하고, 양의 전극들은 각각 90 ㎛의 두께를 갖는 다는 것이 관찰된다.
따라서, 본 발명은 비전력, 및 일정한 비에너지에서 중합체 전해질을 갖는 리튬을 구비한 전기화학 제너레이터 소자에서 이용가능한 전력 밀도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 전력을 주어진 에너지 밀도에 대해 고찰된 어플리케이션 (application)에 좌우되는 에너지 비율로 변화시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 주어진 예로 제한되지 않는다. 전극 층들의 두께는 큰 범위에 걸쳐 변화될 수 있고, 음극 층의 두께의 합계는 180 ㎛로 제한되지 않을 뿐더러 변화될 수 있다.
또한, 본 발명은 리튬 및 중합체 이외의 양의 또는 음의 전극 물질을 사용하는 전기 발생 셀(cell)에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 얇은 층 어셈블리를 구비한 어떠한 전기 발생 셀에도 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 공통 양의 전극 층을 갖는 셀 및 다른 두께를 갖는 두개의 음의 전극 층들에 적용될 수 있는데, 음의 전극 층들 중 한 층은 양의 전극 층의 두 측면 각각에 위치된다.

Claims (7)

  1. 일 극성의 제 1전극 층의 두께는 상기 일 극성의 제 2전극 층의 두께와 다른것을 특징으로 하는 상기 일 극성의 상기 제 1전극 층(114), 제 1 전해질 층(110), 역 극성의 전극 층(108), 제 2 전해질 층(112) 및 상기 일 극성의 상기 제 2전극 층(116)을 포함하고, 상기 일 극성의 상기 전극 층들은 병렬 연결에 의해 연결되어 있고, 소자는 상기 일 극성의 상기 전극 층들에 연결된 전류 콜렉터들(118, 120)을 더 포함하는 전기화학 제너레이터 소자(102).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 일 극성의 상기 전극 층들(114, 116)은 양의 전극 층들이고, 상기 역 극성의 상기 전극 층은 음의 전극 층인 것을 특징으로 하는 전기화학 제너레이터 소자.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 음의 전극 층(108)은 리튬 또는 리튬에 근거한 합금으로 만들어지고, 상기 전해질 층들(110, 112)은 고체 중합체로 만들어지며, 그리고 상기 양의 전극 층들(114, 116)은 산화바나듐, 산화니켈, 산화코발트 또는 산화망간을 포함하는 복합물 또는 이 산화물들의 혼합물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 제너레이터 소자.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제 1양의 전극 층(114)의 두께는 80 ㎛와 200 ㎛사이이며, 바람직하게는 100 ㎛와 160 ㎛사이인 것을 특징으로 하는 전기화학 제너레이터 소자.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제 1양의 전극 층(114)의 두께는 130 ㎛와 170 ㎛사이이며, 바람직하게는 140 ㎛와 160 ㎛사이인 것을 특징으로 하는 전기화학 제너레이터 소자.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 제 2양의 전극 층(116)의 두께는 10 ㎛와 50 ㎛사이이며, 바람직하게는 20 ㎛와 40 ㎛사이인 것을 특징으로 하는 전기화학 제너레이터 소자.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 소자를 적어도 하나 포함하는 전기화학 전지.
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