KR20100109341A

KR20100109341A - 가스투과막이 설치된 전기화학셀

Info

Publication number: KR20100109341A
Application number: KR1020090083484A
Authority: KR
Inventors: 김성민
Original assignee: 킴스테크날리지 주식회사
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2010-10-08
Also published as: WO2010114240A3; EP2416404B1; US20120021261A1; KR101070677B1; EP2416404A4; WO2010114240A2; EP2416404A2

Abstract

본 발명은 전지나 캐패시터 같은 전기화학셀의 소형화, 신뢰성 및 안전성을 향상시키는 수단을 제공하는 것으로, 전기화학셀에 외부와 연결되는 한 개 이상의 구멍을 형성하고, 상기 구멍 주위에 접착되는 가스투과막의 접착면에 접착성을 향상시키는 표면처리가 실시된 가스투과막을 설치하여 전기화학셀에서 발생되는 가스를 외부로 배출시켜 전기화학셀의 내부압력의 상승을 방지함으로써 전기화학셀의 중량과 부피를 감소시키며 신뢰성을 증진시키고 안전성을 향상시킬 수 있다.

전기화학셀, 가스투과막, 가스

Description

가스투과막이 설치된 전기화학셀{Electrochemical Cell with Gas Permeable Membrane}

본 발명은 전기화학셀에 관한 것으로서, 구체적으로 캐패시터나 이차전지 같은 전기화학셀을 소형화시키고, 신뢰성 및 안전성을 증진시키는 전기화학셀에 관한 것이다.

일반적으로 전지(Battery)나 캐패시터(Capacitor) 같은 전기화학셀은 도 1과 같은 구성을 갖는다.

도 1은 종래의 기술에 따른 전기화학셀의 단위 셀(Unit Cell)의 구조를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면 단위 셀은 양극 전극(Positive Electrode: 11), 음극 전극(Negative Electrode: 12), 세퍼레이터(Separator: 13), 전해액(Electrolyte: 14), 양극 단자(Positive Terminal: 15), 음극 단자(Negative Terminal: 16), 케이스(Case: 17)로 구성된다.

양극 전극(11)과 음극 전극(12)에는 전기에너지가 각각 저장된다.

일반적으로 양극 전극(11)과 음극 전극(12)은 활물질(Active Material)과 집전체(Current Collector)로 구성된다. 전기에너지는 활물질에 저장되며, 집전체는 활물질에 저장된 전기에너지의 이동통로를 제공한다.

전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)의 경우, 활물질로는 주로 활성탄소(Activated Carbon)가 사용되며, 집전체로는 알루미늄 시트가 많이 사용된다.

활물질은 바인더(Binder), 도전제(Conductivity Improving Agent), 용매(Solvent)와 혼합되어 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste) 상태로 만들어진 후, 집전체에 도포되어 전극으로 만들어진다.

알루미늄 전해콘덴서의 경우, 알루미늄 시트를 에칭처리(Etching Treatment)하여 전극이 만들어진다.

전해액(14)은 활물질에 전기에너지를 저장시키는 이온의 이동매개체이다. 이러한 전해액(14)은 전지나 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 콘덴서(Aluminum Electrolytic Capacitor)와 같은 전기화학셀(Electrochemical or Electrolytic Cell)에는 반드시 필요한 요소이지만 필름 콘덴서(Film Condenser) 같은 정전기셀(Electrostatic Cell)에는 사용되지 않는다.

세퍼레이터(13)는 양극 전극(11)과 음극 전극(12) 사이에 삽입되어 양극 전극(11)과 음극 전극(12)을 전기적으로 절연시킨다.

이차전지, 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 콘덴서와 같이 액체 전해액 이 사용되는 경우, 세퍼레이터(13)는 액체 전해질의 이온은 투과하지만 전기적으로는 부도체인 종이나 섬유 같은 다공성 시트가 많이 사용된다.

양극 단자(15)와 음극 단자(16)는 전기화학셀에 전기에너지가 전달되는 통로역할을 하는 것으로 응용분야별로 다양한 형태를 가진다.

케이스(17)는 전기화학셀을 외부와 격리시키기 위한 것으로 전기화학셀 종류에 따라 다양한 재질과 형상으로 만들어진다.

이러한 전기화학셀은 동작 중에 불가피하게 가스가 발생되는 경우가 존재한다. 가스가 발생되는 경우는 리튬이온전지처럼 포매이션(Formation) 과정에서 발생하는 것처럼 일과성인 경우도 있으며, 전기이중층 캐패시터와 같이 장기간에 걸쳐 서서히 발생되는 경우도 있다.

이러한 가스발생은 전기화학셀의 내부압력을 증가시킨다. 따라서 전기화학셀의 내부압력 증가를 감안하여 전기화학셀의 케이스(17)를 견고하게 만들거나 전기화학셀 내부에 여유 공간을 배치하여 내부압력이 일정한 값 이상까지 상승하지 못하도록 하는 방법들이 사용되고 있다.

그러나 이러한 방법들은 전기화학셀 케이스(17)의 중량과 부피를 증가시켜 성능을 저하시키고 가격을 상승시키는 요인으로 작용하게 된다.

특히 전지나 전기이중층 캐패시터와 같이 액체전해질을 사용하는 전기화학셀에서 내부에서 발생된 가스는 전해액 및 활물질의 표면에 존재하게 되므로 가용 면적을 감소시키고 전해액 속에서 장애물로 작용하게 되므로, 저항을 증가시켜 전기화학셀의 신뢰성을 저하시킨다.

전기화학셀의 케이스(17)에 구멍을 형성하고, 가스투과막을 설치하면 가스투과막을 통하여 발생된 가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 전기화학셀의 용량이 증가할수록 내부에서 발생된 가스의 양이 증가하므로 가스를 배출시키기 위해서는 가스투과막의 면적을 증가시켜야 한다.

그러나 가스투과막의 면적이 증가할수록 가스투과막 자체의 파열 압력이 감소한다. 가스투과막의 파열 압력이 지나치게 낮을 경우, 전기화학셀에 가스투과막을 사용하는 것은 곤란하다.

특히, 전기화학셀에서 액체 전해질을 사용하는 경우, 케이스 및 가스투과막은 내화학성을 갖춰야 한다. 케이스의 재질로는 알루미늄, 스테인리스 스틸 같은 금속이나 플라스틱 수지 같은 재료가 많이 사용되며, 가스투과막은 내화학성이 뛰어난 PE, PP, PPS, PTFE 와 같은 재질로 만들어진 필름이 많이 사용된다.

그러나 내화학성이 우수한 재질의 경우 뛰어난 안정성 때문에 다른 재질과 접착이 어렵다. 더욱이 접착부위에 밀봉성이 요구되므로, 가스투과막의 접착성은 매우 중요한 요소이다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 가스투과막의 파열 압력의 저하를 방지하고, 상기 가스투과막이 용이하게 설치되는 전기화학셀을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일면에 따른 전기화학셀은 전기에너지가 저장되는 전극, 상기 전극이 저장되고 외부와 연결되는 한 개 이상의 구멍이 형성된 케이스 및 상기 구멍주위에 설치된 가스 투과막을 포함한다. 여기서, 상기 가스투과막은 접착성을 향상시키기 위한 표면 처리된 접착면을 갖는다.

상기 구성들을 갖는 본 발명에 따른 전기화학셀은 가스투과막을 용이하게 설치하고, 전기화학셀 동작 중에 발생하는 가스를 외부로 원활하게 배출시켜 전기화학셀 내부 압력 상승을 억제하고, 전기화학셀의 중량과 부피를 감소시키고, 신뢰성을 증진시킬 수 있다.

본 발명은 본 발명의 실시예들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완전 하게 기술된다. 그러나 본 발명은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며, 여기에 설명되는 실시예에 한정하여 해석되지는 않는다. 오히려 이러한 실시예들은 이러한 개시가 보다 철저하고, 완전하여지고, 당업자에게 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다. 본 명세서에 첨부된 도면들에서, 요소들의 각 크기 또는 각 형태는 명확히 하기 위하여 이상적이거나 과장될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 전기화학셀의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 원통형 전기화학셀의 분해 사시도이다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 전기화학셀은 케이스(21, 24), 및 원통형상의 전극조립체(22)를 포함한다.

케이스(21, 24)는 내부에 수납 공간이 형성되고, 상기 수납 공간에 상기 전극조립체(22)가 수납된다.

구체적으로 상기 케이스(21, 24)는 몸통(21)과 뚜껑(24)을 포함한다.

몸통(21)은 상부가 개방된 원통형상을 가지며, 내부에 전극조립체(22)가 수납되는 수납공간을 갖는다.

뚜껑(24)은 원형으로 이루어지고, 상기 전극조립체(22)가 상기 몸통(21)의 수납공간에 수납된 상태에서 상기 개방된 몸통(21)의 상부를 덮는다. 이에 따라 상기 전극조립체(22)는 상기 몸통(21)과 상기 뚜껑(24)으로 이루어진 케이스(21, 24)에 의해 외부와 격리된다. 상기 뚜껑(24)의 상부면 상에 2개의 단자(25)가 형성되 고, 2개의 단자(25)는 전극조립체(22)의 상부면 상에 형성된 2개의 리드(23)와 각각 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 뚜껑(24)에는 상기 뚜껑(24)을 관통하는 하나 또는 다수의 구멍(27, 도 2a 및 도 2b에서는 하나의 구멍만이 도시됨)과, 뚜껑(24)의 하부면 상에는 가스투과막(도 2a 및 도 2b에서는 도시되지 않음)이 설치된다. 이와 같이, 상기 뚜껑(24)에 형성된 구멍과 가스투과막에 의해 전기화학셀 내부에서 발생하는 가스를 원활하게 외부로 배출시킴으로써, 내부 압력 상승을 억제할 할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 서로 다른 재질로 이루어진 가스투과막과 뚜껑(24) 간의 용이한 접착을 위하여, 상기 뚜껑(24)에 접착되는 가스투과막의 접착면이 표면 처리된다. 이로써, 뚜껑(24)에 가스투과막이 용이하게 설치될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

전극조립체(22)는 몸통(21)의 수납공간에 용이하게 수납되기 위해 원통형상으로 이루어진다. 전극조립체(22)의 상부면 상에는 2개의 리드(23)가 형성된다.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예 따른 각형 전기화학셀의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 각형 전기화학셀의 분해 사시도이다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 전기화학셀은 케이스(31, 34) 및 전극조립체(32)를 포함한다.

케이스(31, 34)는 내부에 수납공간이 형성되어, 상기 전극조립체(33)를 수납한다.

구체적으로, 상기 케이스(31, 34)는 몸통(31)과 뚜껑(34)을 포함한다.

몸통(31)은 상부가 개방된 사각통 형상을 가지며, 내부에 상기 전극조립체(32)가 수납되는 수납공간을 갖는다. 또한 몸통(31)의 측면에는 내부에서 발생한 가스를 외부로 원활하게 배출하는 하나 또는 다수의 구멍(61)이 형성된다. 상기 몸통의 측면에 대응하는 내측면에는 상기 몸통(31)과의 접착성을 향상시키기 위하여 표면 처리된 접착면을 갖는 가스투과막(도 3a 및 도 3b에서는 도시되지 않음)이 설치된다. 이에 대한 구체적인 설명은 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

뚜껑(34)은 사각형으로 이루어지고, 상기 전극조립체(32)가 상기 몸통(31)에 수납된 상태에서 상부가 개방된 상기 몸통(31)의 상부를 덮는다. 이에 따라 상기 전극조립체(32)는 상기 몸통(31)과 상기 뚜껑(34)으로 이루어진 케이스에 의해 외부와 격리된다. 상기 뚜껑(34)의 상부면 상에 2개의 단자(35)가 형성되고, 상기 2개의 단자(35)는 상기 전극조립체(32)의 상부면 상에 형성된 2개의 리드(33)와 각각 전기적으로 연결된다.

전극조립체(32)는 상기 케이스(31)의 수납공간에 용이하게 수납되기 위해 사각통 형상으로 이루어진다. 전극조립체(32)의 상부면 상에는 2개의 리드(33)가 형성된다. 이러한 전극조립체(32)는 상기 케이스(31)의 개방된 상부를 통해 상기 케이스(31)의 수납공간에 용이하게 수납된다.

도 4a는 도 2a 및 도 2b에 도시된 뚜껑을 확대한 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 뚜껑의 배면 사이도이고, 도 4c는 도 4b에 도시된 뚜껑에 가스투과막이 설치된 상태를 보여주는 뚜껑의 배면 사이도이다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 뚜껑(24)의 중심 부에는 구멍이 형성되어, 전기화학셀의 동작 중 내부에서 발생하는 가스를 외부로 방출한다.

구체적으로, 상기 뚜껑(24)은 고무판(24A)과, 상기 고무판(24A)의 하부면상에 결합(또는 접착)되는 수지판(24B)을 포함한다. 상기 고무판(24A)의 크기와 상기 수지판(24B)의 크기는 실질적으로 동일하다.

상기 고무판(24A)의 중심부에는 제1 직경을 갖는 제1 구멍(27)이 형성되고, 상기 수지판(24B)의 중심부에는 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는 제2 구멍(28)이 형성된다.

수지판(24B)의 하부면 상에는 상기 제2 구멍(28)을 커버하는 가스투과막(29)이 접착된다.

고무판(24A)의 중심부에 형성된 구멍의 직경이 수지판(24B)의 중심부에 형성된 구멍의 직경에 비해 작은 것은 바깥쪽에 위치하는 고무판(24A)을 사용하여 가스투과막(29)을 보호하기 위한 것이다.

한편, 본 실시예에서는 상기 고무판(24A)에 형성된 제1 구멍(27)의 직경과 상기 수지판(24B)에 형성된 제2 구멍(28)의 직경이 서로 다른 것으로 설명하고 있으나, 서로 동일하게 형성될 수도 있다.

뚜껑(24)이 반드시 수지판(24B)과 고무판(24A)의 접착에 의해 구성될 필요는 없으며, 금속 또는 수지 중 어느 하나의 재질을 이용하여 일체형의 뚜껑(24)으로 설계될 수도 있다.

도 4d 내지 도 4f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 뚜껑을 보여주는 도면으 로서, 도 4d는 일체형으로 이루어진 뚜껑의 정면 사시도이고, 도 4e는 도 4d에 도시된 절단선 I-I'에 따라 절단한 단면도이고, 도 4f는 도 4d에 도시된 일체형으로 이루어진 뚜껑의 배면 사시도이다.

도 4d 내지 도 4f를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 뚜껑은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 수지판(24B)과 고무판(24A)의 접착 구조가 아닌 일체형의 구조를 갖는다. 이러한 일체형의 구조에 따라 본 발명의 다른 실시예에서는 뚜껑에 중심부에 형성된 구멍(30)의 내측면이 단차를 갖지 않고, 일정한 직경으로 형성될 수 있다.

이 실시예에서는, 도 4d에 도시된 바와 같이, 뚜껑(24)의 하면 상에 부착된 가스투과막(29)의 팽창을 억제하기 위하여, 뚜껑(24)의 상면에 부착된 파열 방지판(40)을 포함한다. 이 파열 방지판(40)의 중심부은 상기 구멍(30)의 안쪽으로 돌출된 돌출부를 구비하여, 가스투과막(29)의 팽창을 억제한다. 즉, 가스투과막(29)이 가스 압력으로 인해 구멍 안쪽으로 늘어나는 경우, 반대편에 부착된 파열 방지판(40)의 돌출부의 돌출 높이에서 가스 투과막이 늘어나는 것이 물리적으로 저지됨으로써, 가스투과막(29)의 팽창을 억제하게 된다. 이러한 파열 방지판에서 돌출부는 반드시 필요한 요소는 아니며 형상이 평면이더라도 가스투과막의 팽창을 억제할 수 있으며, 가스투과막의 파열을 방지할 수 있다. 또한 가스투과막의 바깥쪽에 그물형상의 구조물을 설치하면 동일한 효과를 기대할 수 있다.

상기 파열 방지판(40)의 돌출부의 표면에는 홀(h)이 형성되어, 상기 홀(h)을 통해 내부로부터 외부로 가스가 배출된다. 이 실시예에서는 파열 방지판의 돌출부 의 표면에 하나의 홀(h)이 형성된 예가 기술되고 있으나, 원활한 가스 배출을 고려하여, 다수의 홀이 돌출부의 표면에 형성될 수 있다.

파열 방지판을 사용하는 대신 다른 방법으로 가스투과막의 파열압력을 증가시키고, 가스 투과량을 증가시킬 수 있다.

도 4g는 도 4e에 도시된 A 부분의 확대도로서, 가스투과막이 설치된 부분의 단면도이다.

가스투과막은 접착제나 양면 테이프와 같은 접착 수단을 사용하거나 열융착과 같은 방법을 사용하여 접착될 수 있다.

양면 테이프나 접착제를 사용하여 가스투과막을 부착하는 경우, 직경 D2와 D1 사이가 접착되도록 하여 가스투과막의 미 접착 부위의 직경을 증가시켜 가스 투과량을 증가시키고, 구멍 d의 직경을 조절하여 가스투과막의 파열압력을 조절할 수 있다.

가스투과막을 양면테이프나 접착제가 아닌 열융착을 통해 부착하는 경우에도 열융착부위의 직경을 조절함으로써, 양면테이프나 접착제를 사용하는 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

일반적으로 전기화학셀에서는 의도된 전기화학반응에 의해 가스가 발생되는 경우와 의도하지는 않았지만 불순물 등에 의한 부반응에 의해 가스가 발생된다.

전기화학셀 중에서 전기이중층 캐패시터의 경우 수분이나 관능기 같은 불순불에 의해 주로 수소, 이산화탄소, 일산화탄소가 발생된다.

일반적으로 불소수지, PET(Polyethylene Terephthalate), PVDC(Polyvinylidene Chloride), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PPS(Polyphenylene Sulfide), PEEK(Polyether Ether Ketone), PI(Polyimide) 같은 플라스틱 필름은 약간의 기체투과도를 갖는다. 따라서 이러한 플라스틱 필름들은 가스투과막으로 사용될 수 있다.

특히 액체전해질을 사용하는 전기화학셀에 가스투과막이 사용될 경우 가스투과막은 극성 용매에 장시간 동안 노출되므로 뛰어난 내화학성이 요구된다.

그러나 가스투과막의 뛰어난 내화학성은 가스투과막을 전기화학셀에 설치하는데 있어서 장애요소로 작용한다.

일반적으로 내화학성이 뛰어난 재료는 접착성이 좋지 않다. 즉 테이프를 포함한 접착제나 열융착 같은 접착수단을 사용하는데 제약이 따른다. 이에 본 발명에서는 가스투과막(29)의 최소한 한쪽 면에 코로나방전 같이 접착성을 향상시키는 표면처리를 실시한다. 이에 따라 열융착이나 접착제 등을 사용한 가스투과막(29)과 상기 뚜껑(24) 간의 접착이 용이해진다.

가스투과막의 표면처리가 되지 않은 면이 전기화학셀의 안쪽을 향하도록 가스투과막을 설치하는 것이 바람직하다.

한편 전기화학셀의 용량이 증가할수록 용량에 비례하여 가스발생량은 증가하게 된다. 따라서 전기화학셀에서 발생되는 가스를 외부로 배출시키기 위해서는 가스투과막의 면적을 증가시켜야 한다.

그러나 가스투과막의 면적이 커질수록 가스투과막의 압력에 따른 파열 압력이 감소하게 된다.

아래의 표 1은 듀퐁사에 판매 중인 두께가 25미크론이고 한쪽 면이 접착성 표면처리된 FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 필름의 직경에 따른 파열 압력을 대기 중 상온에서 측정한 결과이다.

	파열 압력(kgf/cm²) 직경 4mm	파열 압력(kgf/cm²) 직경 6mm	파열 압력(kgf/cm²) 직경 8mm
#1	4.3	2.6	1.7
#2	4.2	2.6	1.7
#3	4.1	2.4	1.7
평균	4.2	2.5	1.7

측정결과는 가스투과막의 직경이 증가할수록 파열 압력이 감소하는 것을 나타낸다.

전기화학셀에 가스투과막을 설치하여 가스투과막을 통하여 전기화학셀에서 발생된 가스를 배출시키기 위해서는 가스투과막의 파열 압력이 1기압보다는 커야하므로 실용적인 측면에서 가스투과막의 파열 압력은 1.5 ~ 2.0 이상인 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 전기화학셀은 내부에서 가스가 발생되며, 발생한 가스에 의해 내부압력이 상승한다.

만약 비정상적인 동작에 의해 내부압력이 지나치게 상승하는 경우, 전기화학셀이 폭발할 가능성이 있으며 이를 방지하기 위해 내부압력이 일정치를 넘을 경우 밸브나 파열판을 사용하여 가스를 배출시키는 안전 벤트(Safety Vent)가 설치된다.

전술한 바와 같은 가스투과막은 안전벤트의 역할을 함께 수행할 수도 있다. 가스투과막이 안전 벤트 역할도 함께 수행하는 경우, 가스투과막의 파열 압력이 3.0 ~ 4.0 기압 이상이 되도록 가스투과막이 설치되는 구조물의 직경을 조절하는 것이 바람직하다.

위와 같은 상황을 고려하면 가스투과막은 도 5와 같이 전기화학셀에 설치되는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 원통형 전기화학셀의 뚜껑을 나타낸 배면 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 전기화학셀의 뚜껑은 가스투과막(29)의 파열 압력을 조절하기 위해 단자판(24)에 여러 개의 구멍 일례로 5개의 구멍이 형성된다. 이 경우, 고무판(24A)의 중심부에는 제1 직경을 갖는 5개의 구멍이 형성되고, 수지판(24B)의 중심부에는 상기 고무판(24A)의 중심부에 형성된 5개의 구멍과 중첩되는 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경의 5개의 구멍들이 형성된다.

수지판(24B)의 중심부에 형성된 구멍들의 수지판(24B)의 하부면(24B)상에 가스투과막(29)이 설치된다.

도 5와 같이 여러 개의 구멍에 가스투과막을 설치함으로써 가스투과량을 증대시키고 가스투과막의 직경증가에 따른 파열압력감소를 방지하여 가스투과막의 파열 압력을 적절하게 유지시킬 수 있다.

또한 원형, 장공형, 직사각형, 장방형과 같이 구멍의 형상을 다양하게 변경하여 파열 압력을 조절하는 것도 가능하다.

케이스를 구성하는 뚜껑(24)의 재질이 알루미늄과 같은 금속 재질로 대체되는 경우, 코로나 방전과 같이 접착력 향상을 위한 표면처리가 실시된 가스투과막과 뚜껑(24)을 유도가열과 같은 방법으로 열을 가해 융착시키거나 테이프를 사용하여 접착시킬 수 있다.

그러나 케이스를 구성하는 뚜껑(24)의 재질이 플라스틱과 같이 열융착이 어려운 재질인 경우, 양면테이프를 사용하여 가스투과막(29)과 뚜껑(24)을 접착시키는 것이 바람직하다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 몸통 측면에 가스투과막이 설치된 일례를 나타낸 사시도이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 각형 전기 화학셀의 케이스를 구성하는 몸통의 측면에 하나 또는 다수의 구멍(61)이 형성되고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 하나 또는 다수의 구멍에 가스투과막(63)을 설치할 수 있다.

물론, 도 6a 및 6b의 실시예에서는 가스투과막(63)이 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 각형의 몸통 측면에 설치된 가스투과막을 일례로서 설명하고 있으나, 도 2a 및 도 2b의 원통 전기화학셀의 케이스를 구성하는 원통형의 몸통 측면에도 설치될 수 있음은 자명하다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 몸통의 바닥면에 가스투과막이 설치된 일례를 나타낸 사시도이고, 도 7c는 도 7a 및 도 7b에 도시된 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 몸통의 바닥면의 형상을 상세히 보여주는 사시도이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 몸통의 바닥면에 여러 개의 구멍(71), 본 실시예에서는 6개의 구멍이 형성되고, 도 7b에 도시된 바와 같이, 바닥면에 형성된 6개의 구멍에 가스투과막(73)이 설치된다.

물론, 도 7a 및 7b의 실시예에서는 가스투과막(73)이 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 각형의 몸통 바닥면에 설치된 가스투과막을 일례로서 설명하고 있으나, 도 2a 및 도 2b의 원통 전기화학셀의 케이스를 구성하는 원통형의 몸통(21) 바닥면에도 설치될 수 있음은 자명하다.

한편, 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 몸통 바닥면에 가스투과막이 설치된 각형 전기화학셀의 경우, 도 7c에 도시된 바와 같이, 몸통의 바닥면에 형성된 다수의 구멍을 따라 홈이 형성된다. 이것은 전기화학셀의 바닥면이 밀착된 상태로 설치되거나 절연슬리브가 씌워져 가스의 원활한 배출을 방해하는 요소로 작용하므로, 가스를 원활한 배출을 위함이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전기화학셀을 나타낸 사시도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 각형 전기화학셀의 케이스(31, 34)를 구성하는 몸통(31)의 측면뿐만 아니라 뚜껑(34)에도 구멍(81)이 형성됨으로써, 케이스(31, 34) 내부에서 발생한 가스의 배출 성능이 극대화될 수 있다.

전술한 실시 예들은 가스 투과량을 증가시키고 가스투과막의 파열 압력을 적절하게 유지하기 위해 가스투과막이 설치되는 구멍의 크기 및 수를 조절한 것이다. 전술한 바와 같이 가스투과막의 파열압력을 조절하기 위하여 가스투과막이 설치되는 구멍의 크기뿐만 아니라 구멍의 형상을 조절할 수도 있다. 실시 예에서 한 개의 가스투과막이 여러 개의 구멍을 덮는 형태로 설치되었지만 구멍별로 별도의 가스투과막이 설치될 수도 있으며, 구멍별로 특성이 다른 가스투과막이 설치될 수도 있다. 또한 실시 예에서는 가스투과막이 설치되는 구멍의 크기가 동일하게 예시되었지만 가스투과막이 설치되는 구멍들의 크기가 서로 다를 수도 있다.

구멍별로 특성이 다른 가스투과막을 설치되는 경우, 예를 들면 구멍별로 가스투과도가 다른 가스투과막이 설치되거나 안전벤트 역할을 하기 위한 파열막이 설치될 수도 있다.

가스투과막은 가스투과특성을 유지시키기 위해 특히 전해액에 노출되는 면이 전해액이 젖지 않는 소수성을 가진 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

가스투과막은 전기화학셀에 열융착이나 양면테이프 등을 사용하여 접착될 수 있으며 접착을 용이하게 하기 위해 접착면에 코로나 방전 같은 접착성을 향상시키는 표면처리를 실시하는 것이 더욱 바람직하다.

가스투과막이 내부압력에 의해 파열되기 위해서는 압력에 의해 일정량이상 외부로 팽창되어야 한다. 이러한 성질을 이용하면 가스투과막의 파열압력을 조절할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 도 4a 내지 도 4c, 도 5, 도 6a 및 도 6b 그리고 도 7a 및 도 7b에서는, 가스 투과막(29)이 설치되는 구멍은 직경이 큰 구멍과 직경이 작은 구멍으로 이루어진, 카운터 보어(Counter Bore)와 같은 형상을 갖는다. 즉, 구멍의 내측면이 단차를 갖는 구조를 갖는다. 이러한 형상에서 구멍의 직경과 단차의 깊이를 조절함으로써, 가스투과막의 파열압력을 조절할 수 있다. 이로 인해 가스투과막의 투과면적을 증대시키고 가스투과막의 파열압력을 증가시키는 구조로 활용될 수 있다.

또한 이러한 카운터 보어와 같은 형상은 가스투과막이 부착되는 테이프 또는 접착제에 의해 만들어질 수도 있을 것이다.

또한 도 4d 내지 도 4g에 도시된 바와 같이, 카운터 보어와 같은 형상을 만들지 않더라도 가스투과막이 접착되는 접착 부위(원형 띠)의 직경을 구멍의 직경보다 크게 함으로써, 가스투과막의 파열압력을 감소시키지 않고 가스투과량을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 전기에너지 저장장치 중에서 주로 전기이중층 캐패시터를 사용하였지만 본 발명이 전기이중층 캐패시터만으로 한정되지는 않는다. 예컨대, 본 발명은 전해액을 사용하지 않는 캐패시터에도 적용될 수 있다.

또한 본 발명은 전기이중층 캐패시터, 알루미늄 전해 캐패시터, 필름 캐패시터 같은 캐패시터나 납축전지, 니켈수소전지, 니켈카드뮴전지, 리튬이온전지 같은 전지나 연료전지 등과 같은 전기에너지 저장장치에 사용될 수 있다.

본 발명의 설명에서 다양한 실시예로 본 발명의 구조 및 동작을 개시하였지만 해당분야에 종사하거나 해당분야에 대한 지식을 가진 사람이면 본 발명의 범주 내에서 다양한 형태로 변형시킬 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 전기에너지 저장장치 단위셀(Unit Cell)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2a는 본 발명의 일시예에 따른 원통형 전기화학셀의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 원통형 전기화학셀의 분해 사시도이다.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 전기화학셀의 구조를 나타낸 사이도이다.

도 3b는 도 3a에 도시된 각형 전기화학셀의 분해사시도이다.

도 4a는 도 2a 및 도 2b에 도시된 뚜껑을 확대한 사시도이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 뚜껑의 배면 사이도이다.

도 4c는 도 4b에 도시된 뚜껑에 가스투과막이 설치된 상태를 보여주는 뚜껑의 배면 사이도이다.

도 4d 내지 도 4g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 뚜껑을 보여주는 도면들이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통 전기화학셀의 뚜껑의 배면 사시도이다.

도 6a 및 6b는 도 3a에 도시된 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 몸통 측면에 가스투과막이 설치된 일례를 상세히 보여주는 사시도이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전기화학셀의 케이 스를 구성하는 몸통의 바닥면에 가스투과막이 설치된 일례를 보여주는 사시도이다.

도 7c는 도 7a 및 도 7b에 도시된 각형 전기화학셀의 케이스를 구성하는 몸통의 바닥면의 형상을 상세히 보여주는 사시도이다.

Claims

전기에너지를 저장하는 전기화학셀에서,

전기에너지가 저장되는 전극;

상기 전극이 수납되고 외부와 연결되는 한 개 이상의 구멍이 형성된 케이스; 및

상기 구멍에 설치된 가스투과막;을 포함하고,

상기 가스투과막의 접착면에 접착성을 향상시키는 표면처리가 실시된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서,

상기 가스투과막의 파열 압력은 1.5기압 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서,

상기 가스투과막은 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서,

상기 가스투과막은 열융착으로 상기 케이스에 접착되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서,

상기 가스투과막은 양면테이프를 사용하여 상기 케이스에 접착되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서, 상기 케이스를 구성하는 뚜껑은,

외부로 노출되고, 제1 직경의 구멍을 갖는 고무판; 및

상기 고무판의 하부면상에 구비되어 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경의 구멍을 갖는 수지판을 포함하고,

상기 제1 직경의 구멍과 상기 제2 직경의 구멍이 중첩되도록 상기 고무판과 상기 수지판이 결합되어, 상기 케이스의 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서,

상기 구멍의 외부에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제 1 항에 있어서,

상기 가스투과막의 재질은 불소수지, PET(Polyethylene Terephthalate), PVDC(Polyvinylidene Chloride), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PPS(Polyphenylene Sulfide), PEEK(Polyether Ether Ketone), PI(Polyimide) 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
전기에너지를 저장하는 전기화학셀에서,

전기에너지가 저장되는 전극;

상기 전극이 안치되며, 외부와 연결되는 구멍이 형성된 케이스; 및

상기 구멍에 설치된 가스투과막; 을 포함하고,

상기 구멍의 개수, 크기 및 형상 중 적어도 하나를 조절하여 상기 가스투과막의 파열 압력이 소정 기압 이상이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제9항에 있어서, 상기 구멍의 형상은

원형, 장공형, 직사각형, 장방형을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제9항에 있어서, 상기 소정 기압은 1.5기압 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제9항에 있어서, 상기 구멍은 카운터보어 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제9항에 있어서, 상기 가스투과막은 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제9항에 있어서, 상기 가스투과막의 팽창을 억제하기 위한 수단을 사용하여 상기 가스투과막의 파열압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
제9항에 있어서,

상기 가스투과막 접착부 안쪽의 크기가 상기 구멍의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 전기화학셀.