KR20100026612A - 고전압 전기화학소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조로 이루어진 단위 셀을 1차 실링하는 단계, 상기 1차 실링된 단위 셀에 전해액을 주입하여 일반 단위 셀을 제조하는 단계, 상기 복수의 단위 셀을 접합시켜 직렬 연결하는 단계, 상기 각 단위 셀의 양 끝에는 전극 탭을 설치하는 단계, 및 파우치로 실링하는 단계를 거쳐 제조된 1차 실링된 복수의 단위 셀이 직렬 연결되고, 상기 각 단위 셀의 양 끝에는 전극 탭이 설치된 전기화학 소자에 관한 것으로서, 비교적 저렴하게 단위 전지를 안정적이고 효과적으로 연결할 수 있어 고전압의 전기화학소자를 제조할 수 있고, 2회에 걸친 실링으로 외부의 수분 침투에 대하여 안전하게 밀봉할 수 있다.
가실링*고전압*전지*모듈*전기화학소자

Description

고전압 전기화학소자 및 이의 제조방법 {Electrochemical cell having high voltage and Method of preparing the same}
본 발명은 고전압 전기화학소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전해액의 이동방지를 목적으로 비교적 저렴한 포장재로 1차 실링을 한 다음, 전해액을 주액하여 일반셀을 제작하고, 이를 직렬연결하여 일반 알루미늄 파우치로 최종 실링함으로써 외부로부터 침투되는 수분을 효과적으로 막을 수 있으며, 비교적 저렴하고 효율적으로 모듈 단위로 구성된 전기화학소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC와 같은 휴대용 무선 기기가 경량화 및 고기능화 됨에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가지는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
하이브리드 자동차 등에 사용되는 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
예를 들면, 하이브리드 자동차와 같이 고출력의 리튬 전지가 요구되는 경우 수십에서 수백개의 단위 전지를 직렬 연결하여 고전압을 얻게 된다. 이러한 직렬 연결은 각 단위 전지의 양극탭 및 음극 탭을 회로 패턴이 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB)에 의해 연결하고 이를 케이스에 담는 방식을 사용하였다. 상기와 같은 중대형 셀은 장기간의 수명을 보장받기 위하여 알루미늄을 포함하는 다층 구조로 이루어진 고가의 파우치 형태의 외장재를 사용하고 있다.
이러한 파우치형 전지의 제조과정 중 전극조립체를 파우치 외장재에 수납하고 전해액을 주입하여 알루미늄 양쪽에 위치한 고분자층을 열융창시켜 밀봉시키는 바, 상기 열융축 부위는 전해액 주입과정에서 오염이 발생하기 쉬워 열융착을 행한 이후에도 완전한 실링을 유지하기 어려운 문제가 있다.
또한, 파우치형 전지는 반복적인 충방전 과정에서 전지 본체가 팽창 및 수축 이 반복되므로, 열융착 부위가 분리되기 쉽고, 특히 전해액을 주입하는 쪽의 열융착 부위는 상기와 같은 오염 문제로 인해 더욱 쉽게 분리된다.
또한, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다.
따라서, 고전압을 가지는 중대형 모듈의 제조에 있어서, 전해액이 유출되지 않도록 밀봉성이 우수함과 동시에, 단위 전지들을 보다 견고하고 안정적으로 연결할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 단위 전지들을 연결하여 고출력의 전지를 제조함에 있어서 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 안출된 것이다.
본 발명에서는 전해액의 이동을 방지하기 위하여 각각의 단위 셀을 비교적 저렴한 폴리올레핀계 필름으로 가실링한 다음, 여기에 전해액을 주입하여 일반 셀을 제작하고, 이를 직렬연결하고, 마지막으로 파우치 외장재로 실링함으로써 상기와 같은 문제들을 해결할 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부의 수분 침투를 막을 수 있고, 비교적 저렴하게 고전압의 출력 특성을 가지는 전기화학소자를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 특성을 가지는 전기화학 소자의 제조방법을 제공하는 데도 있다.
　　　본 발명과 같이 알루미늄 파우치 외장재로 셀을 포장하기 전에 먼저 저렴한 폴리올레핀계 필름으로 1차 가실링한 다음, 여기에 전해액을 주입하여 일반 셀을 제조하고, 이를 직렬연결함으로써, 비교적 저렴하게 단위 전지를 안정적이고 효과적으로 연결할 수 있어 고전압의 전기화학소자를 제조할 수 있고, 2회에 걸친 실링으로 외부의 수분 침투에 대하여 안전하게 밀봉할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기화학소자는 1차 실링된 복수의 단위 셀이 직렬 연결되고, 상기 각 단위 셀의 양 끝에는 전극 탭이 설치된 것을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 전기화학 소자의 제조방법은 양극/분리막/음극 구조로 이루어진 단위 셀을 1차 실링하는 단계, 상기 1차 실링된 단위 셀에 전해액을 주입하여 일반 단위 셀을 제조하는 단계, 상기 복수의 단위 셀을 접합시켜 직렬 연결하는 단계, 상기 각 단위 셀의 양 끝에는 전극 탭을 설치하는 단계, 및 파우치로 실링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 밀봉성이 우수하여 수분 침투를 방지할 수 있고, 효과적으로 단위 셀을 직렬 연결할 수 있는 전기화학소자의 제조방법을 설명한다.
본 발명에서는 먼저 각 단위 셀을 구성하는 풀셀 및/또는 바이셀 하나의 리드 선만을 길게 하여 탭 리드 선만을 초음파 용접을 하거나, 또는 상기 각 단위 셀의 무지부를 탭과 연결시킨과 양극 탭과 음극 탭을 초음파 용접시킬 수 있다.
본 발명에 따른 단위 셀은 상기 단위 셀은 양면이 동일한 전극 구조인 바이셀 및/또는 양면이 서로 다른 전극 구조인 풀셀로 이루어질 수 있다.
일반적인 풀셀(100)의 구조는 다음 도 1과 같이 양극(20)과 음극(10), 그리고 분리막(30)의 층상 조직을 규칙적인 모양과 크기로 절단한 후 적층되는 구조를 갖는다. 여기에서 모든 전극은 전류 집전체를 중심으로 전극 활물질이 양면 코팅된 것을 사용한다. 이러한 구조는 적층에 의하여 전지를 구성하기 위한 하나의 단위 셀로 취급되고 이를 위하여 전극과 분리막 필름이 서로 접착되어 있어야 한다.
상기와 같은 구조를 가지는 풀셀(full cell)은 양극/분리막/음극 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등과 같이 양쪽 단부의 전극들이 각각 양극과 음극을 형성할 수 있도록 적층된 전극 조립체를 의미한다. 이러한 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 한다.
반면에, 바이셀(bicell)(200)은 다음 도 2와 같이 양쪽 단부의 전극들이 동일한 전극을 형성하도록 적층된 전극 조립체로서, 양극(220)/분리막(230)/음극(210)/분리막(230)/양극(220')으로 이루어진 음극형 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극으로 이루어진 양극형 바이셀로 구분된다.
한편, 상기와 같은 단위 셀은 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막으로 구성된 것이다.
구체적으로 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
본 발명에 따른 양극 활물질은 올리빈 구조를 포함하는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 올리빈 구조를 포함하는 화합물은 LiFePO4이다. 구체적으로는 상기 올리빈 구조를 포함하는 화합물을 단독으로 사용하거나, 아니면 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 니켈 사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하는 화합물과 혼합 사용할 수 있으며, 주로 올리빈 구조를 포함하는 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유,무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같은 구조로 이루어진 단위 셀(300)에서 다음 도 3에서 보는 바와 같이 하나의 바이셀에서 리드선(311a, 311b)을 길게 밖으로 연장시키거나, 상기 각 바이셀의 전극무지부에 탭을 설치한 다음 다음 도 4a에서와 같이 비교적 저렴한 포장재(444)로 1차 가실링시킨다. 상기 저렴한 포장재로는 PP, PE, O-nylon, PET, 및 PEN 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
가실링시킨 단위 셀에 전해액을 주입(도시되지 않음)하여 일반 단위 셀을 제작한다. 본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑
(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염 료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 전해질층은 리튬에 대하여 3.8V 이상 높은 산화 개시 전위를 가지는 레독스 셔들(redox shuttle)을 포함하는 것이 바람직하다. 레독스 셔틀이란 산화 환원 반응을 이용하여 양, 음극 간의 전위차(전지 전압)가 소정의 값 이상이 되는 것(즉, 과충전)을 방지하는 기능을 가진 화합물이다. 구체적으로는 환원형(비이온형) 레독스 셔틀은 충전시에 전지 전압이 소정의 값 이상이 되면 양극에서 산화되어 산화형이 되고, 상기 산화형은 음극에서는 환원되어 다시 환원형(비이온형)으로 돌아오게 된다. 이러한 사이클이 반복되어 과충전이 방지되고, 이에 따라 전지의 신뢰성 저하를 방지할 수 있게 된다.
상기 레독스 셔틀은 상기와 같은 효과를 발휘할 수 있는 것이면 구체적인 형태는 특별히 한정되지 않지만, 구체적인 예를 들면, 헥사에틸벤젠(hexa ethyl benzene), Li2B12F12, Li2B12F9H3 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용한다. 상기 레독스 셔틀이 전해질층에 포함되는 경우, 리튬이온 농도에 대하여 1 내지 50몰%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 1차 가실링시킨 단위 셀에 전해액을 주입하여 제조된 각 단위 셀을 다음 도 4b에서와 같이 n개의 단위 셀을 직렬 연결시키는 단계이다. 다음 도 4b에서는 각 단위 셀의 무지부(리드부, 411a와 511a, 511b와 611b)를 초음파 용접을 통해 연결시키는 도면을 나타낸 것이다. 즉, 각 단위 셀을 다음 도 4b와 같이 쌓은 상태에서 살피면, 제 1단위셀(400)과 제2단위셀(500)의 일 말단의 전극 무지부(411a, 511a)를 초음파 용접시켜 서로 연결시키고, 제2단위셀(500)과 제3단위셀(600)의 일 말단의 전극무지부(511b, 611b)를 초음파 용접시켜 서로 연결시킨다. 따라서, 상기 3개의 각 단위셀을 펼치게 되면 다음 도 4d에서와 같이 직렬연결된 전지를 제조할 수 있게 된다.
상기 직렬 연결 방법은 또한 다음 도 4c에서 확인할 수 있는 바와 같이, 각 단위 셀의 무지부를 탭(412a, 412b)과 연결시킨 후, 양극 탭과 음극 탭을 초음파 웰딩시킴으로써 연결할 수도 있다.
즉, 각 단위 셀을 다음 도 4c와 같이 쌓은 상태에서 살피면, 제 1단위셀(400)과 제2단위셀(500)의 일 말단의 전극 무지부(411a, 511a)에 전극 탭(412a, 512a)을 연결시키고, 상기 전극 탭들을 초음파 용접시켜 서로 연결시키고, 제2단위셀(500)과 제3단위셀(600)의 일 말단의 전극무지부(511b, 611b)에 전극 탭(512b, 612b)을 연결시키고, 상기 전극 탭들을 초음파 용접시켜 서로 연결시킨다. 따라서, 상기 3개의 각 단위셀을 펼치게 되면 다음 도 4d에서와 같이 직렬연결된 전지를 제조할 수 있게 된다.
상기 직렬연결되는 단위 셀은 본 발명의 첨부된 도면에서는 3개만을 나타냈지만, n 또는 3배수 단위(3n)로 연결되는 것 모두 가능하며, 이에 한정되지 않는 다.
상기와 같은 단계를 거친 다음에는 다음 도 4e와 같이 마지막에 위치하는 각 단위셀의 리드부에 연결되도록 양극과 음극 탭(615a, 615b)을 설치한다. 상기 전극 탭을 구성하는 재료는 특별히 한정되지 않고, 알루미늄, 티탄, 동, 니켈, 스테인레스스틸 등을 사용할 수 있다.
다음은, 다음 도 4f에서와 같이 1-n개의 파우치 외장재(777)를 이용하여 상기 직렬 연결된 단위 셀을 접은 상태로 실링시키는 단계이다. 상기 파우치 외장재는 PET, O-nylon, 및 PP를 포함하거나 또는 알루미늄 캔 타입으로 최종 실링시킬 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 파우치 외장재는 통상 열융착층/알루미뉴층(금속층)/외부층의 구조로 이루어져 있으며, 상기 열융착층과 금속층 사이, 및 상기 금속층과 외부층 사이에는 강도와 내열성 향상을 위하여 다수의 고분자층을 더 포함하기도 한다.
상기 외장재의 구체적인 구성의 예를 들면, 외부층/금속층/열융착층=Ny/Al/CPP, PET/Al/CPP, PET/Al/PET/CPP, PET/Ny/Al/CPP, PET/Ny/Al/Ny/CPP, PET/Ny/Al/Ny/PE, Ny/PE/Al/LLDPE, PET/PE/Al/PET/LDPE 또는 PET/Ny/Al/LDPE/CPP로 할 수 있다. 또한 여기서 상술한 바와 같이 금속층으로서는 알루미늄 이외의 금속을 채용할 수가 있음은 물론이다.
상기 파우치 외장재를 구성하는 금속층은 파우치 외장재의 강도 향상 외에, 수분, 산소, 빛의 진입을 막아 내용물을 보호하는 가장 중요한 역할을 담당하고 있으며, 스테인레스 또는 니켈 도금을 실시한 철 등을 재료로서 적절하게 이용할 수 있지만, 경량성, 신장성, 가격 및 가공의 용이성 면에서 알루미늄(Al)이 가장 바람직하다.
다음 도 4e는 상기와 같은 각 단계를 거쳐 제조된 셀을 펼친 모습으로서 3개의 단위 셀이 직렬로 연결되어 있으며, 마지막에 위치한 각 단위셀의 양끝에만 전극 탭(615a, 615b)이 설치되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기 화학 소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 2차 전지 중 리튬 이차 전지가 바람직하며, 이의 구체적인 예로는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단위 셀을 구성하는 풀셀(full cell)의 구조이고,
도 2는 본 발명에 따른 단위 셀을 구성하는 바이셀(bicell)의 구조이고,
도 3은 본 발명에 따른 단위 셀을 나타낸 것이고,
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 고전압 전기화학소자의 제조과정을 나타낸 것이다.

Claims (16)

1차 실링된 복수의 단위 셀이 직렬 연결되고,
상기 각 단위 셀의 양 끝에는 전극 탭이 설치된 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 1차 실링은 PE, PP, O-nylon, PET, 및 PEN으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상으로 수행됨을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 상기 단위셀은 양면의 전극들이 서로 다른 구조의 풀셀인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 상기 단위셀은 양면의 전극들이 서로 동일한 구조의 바이셀인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 상기 직렬 연결되는 복수의 단위 셀은 n의 단위로 연결됨을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀의 연결은 양극과 음극의 무지부를 초음파 웰딩시키는 것으로 수행됨을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀의 연결은 양극과 음극의 무지부에 전극 탭을 연결시키고, 양극 탭과 음극 탭을 초음파 웰딩시키는 것으로 수행됨을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 1항에 있어서, 상기 각 단위 셀은 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 양극, 및 분리막으로 구성된 전극조립체에 전해질층이 주입되어 구성되며, 상기 양극 활물질은 올리빈 구조를 포함하는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 8항에 있어서, 상기 올리빈 구조를 포함하는 화합물은 LiFePO4인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 8항에 있어서, 상기 음극활물질은 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제 8항에 있어서, 상기 전해질층은 리튬에 대하여 3.8V 이상 높은 산화 개시 전위를 가지는 레독스 셔틀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
양극/분리막/음극 구조로 이루어진 단위 셀을 1차 실링하는 단계,
상기 1차 실링된 단위 셀에 전해액을 주입하는 단계,
상기 복수의 단위 셀을 접합시켜 직렬 연결하는 단계,
상기 각 단위 셀의 양 끝에는 전극 탭을 설치하는 단계, 및
파우치로 실링하는 단계를 포함하는 전기화학 소자의 제조방법.
제 12항에 있어서, 상기 직렬 연결되는 복수의 단위 셀은 n의 단위로 연결됨을 특징으로 하는 전기화학 소자의 제조방법.
제 12항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀의 연결은 양극과 음극의 무지부를 초음파 웰딩시키는 것으로 수행됨을 특징으로 하는 전기화학 소자의 제조방법.
제 12항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀의 연결은 양극과 음극의 무지부에 전극 탭을 연결시키고, 양극 탭과 음극 탭을 초음파 웰딩시키는 것으로 수행됨을 특징으로 하는 전기화학 소자의 제조방법.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 전기화학소자를 단위 전지로 포함하고 있는 중대형 전지팩.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190124039A (ko) * 2018-04-25 2019-11-04 주식회사 엘지화학 리튬 금속 전극의 제조 방법

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