KR20130134929A - 전해액이 내장된 캡슐을 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

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Abstract

전해액이 내장된 캡슐을 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 전극 조립체; 전극 조립체로부터 돌출된 전극 탭; 전극 탭에 연결된 전극리드; 및 전극 조립체를 내측에 수용하는 전지 케이스를 구비하며, 전지 케이스는, 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간 및 돌출 공간에 개재되고 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 더 구비하는 전기화학소자가 제시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 전기화학소자의 반복적인 충방전시 전해액이 포함된 캡슐이 서서히 분해되면서 전해액이 방출됨으로써, 전기화학소자의 충방전 수명 및 안정성이 향상될 수 있다.

Description

전해액이 내장된 캡슐을 포함하는 전기화학소자{An electrochemical device including capsule containing electrolyte}
본 발명은 전기화학소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 케이스에 형성된 돌출 공간에 개재되고, 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 더 구비하는 전기화학소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 그러나 이러한 리튬 이온 전지는 유기 전해액을 사용하는 데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조가 까다로운 단점이 있다. 최근의 리튬 이온 고분자 전지는 이러한 리튬 이온 전지의 약점을 개선하여 차세대 전지의 하나로 꼽히고 있으나 아직까지 전지의 용량이 리튬 이온 전지와 비교하여 상대적으로 낮은 문제점이 있다.
특히 리튬 이온 고분자 전지의 경우, 초기 사용시에는 전극 조립체에 전해액이 충분히 함침되어 있으나, 전지가 지속적으로 충방전됨에 따라 전해액이 증발하여 일정시간이 지나면 전지의 안정성 및 충방전 수명이 감소하게 되는 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 케이스에 형성된 돌출 공간에 개재되고, 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 더 구비하는 전기화학소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전극 조립체; 상기 전극 조립체로부터 돌출된 전극 탭; 상기 전극 탭에 연결된 전극리드; 및 상기 전극 조립체를 내측에 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전기화학소자로서, 상기 전지 케이스가 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간 및 상기 돌출 공간에 개재되고 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 더 구비하는 전기화학소자를 제공한다.
여기서 상기 캡슐은 반복적인 충방전시, 상기 전극 조립체의 상향 이동 또는 팽윤에 따른 압력에 의해 분해되어 상기 전해액을 배출할 수 있다.
그리고 상기 캡슐은 과충전시, 상기 전극조립체의 온도상승에 의해 분해되어 상기 전해액을 배출할 수 있다.
그리고 상기 캡슐은 상기 전해액이 일정한 수준으로 방출될 수 있도록, 미세 다공성의 표면을 갖는 서방성 캡슐일 수 있다.
그리고 상기 캡슐은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 캡슐의 평균 입경은 50nm 내지 10㎛인 것이 바람직하며, 특별히 이에만 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 전해액은 전해질 염 및 유기용매를 포함할 수 있다.
그리고 상기 캡슐은 전기화학소자 성능 개선 첨가제를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 전기화학소자 성능 개선 첨가제는 고체 전해질 계면 형성용 첨가제, 전지 부반응 억제 첨가제, 열안정성 개선 첨가제, 및 과충전 억제 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자는 전극 조립체, 전극 조립체로부터 돌출된 전극 탭, 전극 탭에 연결된 전극리드 및 전극 조립체를 내측에 수용하는 전지 케이스를 구비하며, 전지 케이스가 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간 및 돌출 공간에 개재되고 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 더 구비하고 있어, 전기화학소자의 반복적인 충방전시 전해액이 포함된 캡슐이 서서히 분해되면서 전해액이 방출됨으로써, 전기화학소자의 충방전 수명 및 안정성이 향상될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 분해 사시도를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 전기화학소자에서 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 상단면 사이에서 전극 탭들과 전극 리드의 구성 상태를 보여주는 개략도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 분해 사시도를 도시한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 전극 조립체(10)를 내측에 수용하는 전지 케이스(40)를 구비하는 본 발명의 전기화학소자(100)는, 전극 조립체(10); 상기 전극 조립체(10)로부터 돌출된 전극 탭(20); 상기 전극 탭(20)에 연결된 전극리드(30); 및 상기 전극 조립체(10)를 내측에 수용하는 전지 케이스(40)를 구비하며, 상기 전지 케이스(40)가 상기 전극 탭(20)과 대향하는 일면 상에 전극 탭(20)을 수납하기 위한 돌출 공간(50) 및 상기 돌출 공간(50)에 개재되고 내부에 전해액이 포함된 캡슐(60)을 더 구비한다.
전극 조립체는 세퍼레이터가 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩 구조로 이루어져 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 각 전극 판으로부터 연장되어 있고, 전극리드는 각 전극 판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭과 연결되어 있다. 이 경우 전극리드는 전극 탭과 용접에 의해 각각 전기적으로 연결될 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니며, 전극리드는 전지 케이스의 외부로 일부가 노출되어 있다. 그리고 전지 케이스의 밀봉시 전극리드와 전지 케이스와의 밀봉성을 확보하기 위해, 전극리드의 상하면에 절연필름이 부착될 수 있다.
전지 케이스는 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극 조립체가 안착될 수 있는 전극 조립체 수납부 및 전극 조립체 수납부의 측면에 위치하며, 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간을 포함하는 전지 케이스 본체와 그러한 전지 케이스 본체에 일체로서 연결되어 있는 덮개를 구비한다.
전극 조립체 수납부의 하단의 형상은 전극 조립체의 하단부의 형상과 대략적으로 일치하는 형상을 가질 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.
도 2는 도 1의 전기화학소자에서 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 상단면 사이에서 전극 탭들과 전극리드의 구성 상태를 보여주는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 전극 탭(20)을 수납하기 위한 전지 케이스의 돌출 공간(50)에 개재되는 캡슐(60)은 복수 개의 전극 탭(20)의 하부에 위치하고, 또한 전극 탭(20)의 사이에도 개재될 수 있고, 캡슐(60)의 내부에는 전해액이 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자에서, 상기 캡슐은 전해액과 접촉하게 되므로, 이러한 전해액에 대한 화학적 안정성이 있는 물질로 이루어져야 한다. 예를 들어, 캡슐은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올 및 이들의 유도체 등으로 이루어질 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 이들 물질들의 둘 또는 그 이상의 조합이 함께 사용되어 캡슐을 형성할 수 있다. 또한, 상기 캡슐은 폴리스타이렌, 폴리메타크릴레이트 및 폴리에틸렌 등과 같은 호모폴리머와 폴리스타이렌-폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드-폴리메틸메타아크릴레이트와 같은 블록 코폴리머가 서로 섞여 있는 블렌드형 고분자 입자일 수 있다. 이러한 블렌드형 고분자 입자는 사용되는 고분자의 종류를 적절히 조절함에 따라 코어부와 2종 이상의 쉘부를 갖는 다층 구조의 캡슐로 형성될 수 있다.
캡슐은 전기화학소자의 초기 사용시에는 제조 당시의 형태를 지니고 있으나, 전기화학소자의 반복적인 충방전시에 전극 조립체의 상향 이동 또는 팽윤에 따른 압력에 의해 분해되어 전해액을 배출할 수 있다.
여기서 상기 "압력"은 캡슐의 구성성분에 따라 상이하지만, 전극 조립체의 상향 이동 또는 팽윤에 따른 힘이 캡슐에 작용하여 캡슐의 표면의 균열, 파손 등의 원인으로 전해액이 외부로 방출될 수 있는 정도의 압력이라면 크게 제한되지 않는다.
그리고 전기화학소자의 과충전시 전극 조립체의 온도상승에 의해 캡슐을 이루는 재료가 열분해 되어 전해액을 외부로 배출할 수도 있다. 여기서 상기 "온도상승"의 정도는 캡슐의 구성성분에 따라 상이하지만, 전극 조립체로부터 발생된 열이 캡슐의 피막에 작용하여 열분해 됨으로써 형성된 캡슐피막의 균열, 파손 등의 원인으로 전해액이 외부로 방출될 수 있는 정도의 온도상승이라면 크게 제한되지 않는다.
또한 캡슐은 전해액이 일정한 수준으로 방출될 수 있도록, 미세 다공성의 표면을 갖는 서방성 캡슐일 수 있다.
여기서 상기 "일정한 수준"이란, 전기화학소자의 작동 상태를 최적화하는데 적합한 수준으로서, 이때 전해액의 방출 수준은 캡슐 표면의 미세 기공 크기 등 다양한 요소에 의해 결정될 수 있다. 바람직한 방출 속도는 1 내지 10,000 ㎍/day일 수 있으나 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 캡슐은 전해액의 제어 방출 특성을 더 증진하기 위하여 무기물 입자로 형성된 코팅층을 더 가지거나, 가교된 고분자로 이루어진 표면을 가질 수 있다.
즉, 전기화학소자의 구동시 내부 온도가 상승하거나 pH의 변화에 따라 캡슐의 표면이 팽윤하거나 산화되어 균열이 생기는 조건하에서 내부에 담지된 전해액을 방출하게 된다. 이때, 캡슐의 표면을 개질하여 SiO2, TiO2와 같은 무기물 입자로 이루어진 코팅층을 표면 위에 더 가지게 되는 경우, 방출되는 전해액이 무기물 입자로 이루어진 코팅층의 다공성 영역을 통과하기 때문에 일순간에 전해액이 방출되지 않고, 소정의 용량으로 제어 방출될 수 있다.
또한, 상기 캡슐은 가교된 고분자로 이루어진 표면을 가질 수 있는데, 이는 전술한 원료 물질로 캡슐을 형성한 이후에 추가적으로 가교제(예를 들면, 글루타르알데하이드, 메틸렌비스아크릴아미드)를 첨가하여 가교 구조를 도입할 수도 있고, 애초에 가교된 고분자를 이용하여 캡슐을 제조할 수도 있다는 것을 의미한다. 이렇게 캡슐이 가교된 표면을 가지게 되면, 전기화학소자에 도입된 이후에 주변의 온도나 pH의 변화에 대하여 표면의 내구성이 증대되어 전해액 내에서 팽윤을 최소화할 수 있고, 일순간에 내부에 담지된 전해액이 방출되는 문제가 방지되어 제어 방출 특성이 더 개선될 수 있다.
그리고 캡슐의 평균 입경은 예를 들면, 50nm 내지 10㎛, 또는 200nm 내지 5 ㎛ 일 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니다.
상기 평균 입경이 이러한 범위를 만족하는 경우, 캡슐이 전극 조립체에 포함된 세퍼레이터의 기공을 막는 문제를 방지할 수 있고, 캡슐 자체의 응집 현상이 적어 분산성이 개선되고, 제조가 용이하며, 전지 케이스 내의 실장 밀도(packing density)를 높일 수 있다.
상기 캡슐은 전해액을 포함하고 있는데, 여기서 전해액은 전해질 염 및 유기용매를 포함할 수 있다.
여기서 상기 전해질 염은 리튬 염일 수 있고, 이들의 비제한적인 예로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 4페닐붕산리튬 등을 사용할 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니다.
그리고 상기 유기용매는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 고리형 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 선형 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 설포란, 감마-부티로락톤, 에틸렌 설파이트, 프로필렌 설파이트, 테트라하이드로 퓨란, 에틸 프로피오네이트 및 프로필 프로피오네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 캡슐은 전기화학소자 성능 개선 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 전기화학소자 성능 개선 첨가제로는 전기화학소자의 작동이나 성능 향상에 필수적으로 또는 부가적으로 요구되는 물질로서, 작동 과정에 소모됨으로 인해 지속적인 보충을 요하는 물질이라면 특별히 제한을 두지 않고 적용될 수 있다.
이러한 전기화학소자 성능 개선 첨가제의 비제한적인 예로는, 고체 전해질 계면 형성용 첨가제, 전지 부반응 억제 첨가제, 열안정성 개선 첨가제, 과충전 억제 첨가제 등 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 고체 전해질 계면 형성용 첨가제로는 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 환형 설파이트, 포화 설톤, 불포화 설톤, 비환형 설폰, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
상기 환형 설파이트로는 에틸렌 설파이트, 메틸 에틸렌 설파이트, 에틸 에틸렌 설파이트, 4,5-디메틸 에틸렌 설파이트, 4,5-디에틸 에틸렌 설파이트, 프로필렌 설파이트, 4,5-디메틸 프로필렌 설파이트, 4,5-디에틸 프로필렌 설파이트, 4,6-디메틸 프로필렌 설파이트, 4,6-디에틸 프로필렌 설파이트, 1,3-부틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있으며, 포화 설톤으로는 1,3-프로판 설톤, 1,4-부탄 설톤 등을 들 수 있으며, 불포화 설톤으로는 에텐 설톤, 1,3-프로펜 설톤, 1,4-부텐 설톤, 1-메틸-1,3-프로펜 설톤 등을 들 수 있으며, 비환형 설폰으로는 디비닐 설폰, 디메틸 설폰, 디에틸 설폰, 메틸에틸 설폰, 메틸비닐 설폰 등을 들 수 있다.
상기 전지 부반응 억제 첨가제로는 에틸렌디아민테트라아세트산, 테트라메틸에틸렌디아민, 피리딘, 디피리딜, 에틸비스(디페닐포스핀), 부티로니트릴, 숙시노니트릴, 아이오딘(iodine), 할로겐화 암모늄, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
상기 열안정성 개선 첨가제로는 헥사메틸디실록산, 헥사메톡시 시클로트리포스파젠, 헥사메틸포스포르아미드, 시클로헥실벤젠, 비페닐, 디메틸피롤, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.
상기 과충전 억제 첨가제로는 n-부틸페로센, 할로겐 치환 벤젠 유도체, 시클로헥실벤젠, 및 비페닐로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.
상기 전기화학소자 성능 개선 첨가제의 예로서 각 화합물들의 유도체로는 각 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자 중 적어도 1개가 할로겐으로 치환된 화합물을 포함한다.
상기 캡슐에는 한 종류의 첨가제가 포함될 수 있고, 또는 2종 이상의 첨가제가 함께 포함될 수도 있다. 또한, 1종 이상의 첨가제가 각각 포함되어 있는 2종 이상의 종류의 캡슐들이 함께 사용될 수도 있다.
다음으로, 상기의 내부에 전해액을 함유하는 캡슐의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
첫 번째는, 에멀젼 중합 방법으로 캡슐을 제조하는 방법이다.
구체적으로는, 에틸셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 화합물을 케톤류 또는 에스테르류 용매에 녹여 유상용액을 만든 후, 상기 유상용액에 전해액을 첨가, 분산시켜 혼합용액을 만든다. 이 혼합용액을 캡슐을 형성할 수 있는 재료, 예를 들면 폴리비닐알코올과 같은 수용성 고분자용액과 혼합하고, 고속으로 회전시켜 유상용액을 퍼지게 한 다음, 에멀젼을 만들고, 에멀젼을 이용해 캡슐을 제조하는 과정으로 이루어진다.
두 번째는, 고분자 용액의 분사법으로 캡슐을 제조하는 방법이다.
예를 들면, 셀룰로오스 화합물 또는 폴리비닐렌다이플로라이드와 같이 전해액을 함유할 수 있는 고분자용액에 전해액을 섞어 골고루 분포되도록 한 다음, 전해액이 분포된 고분자 용액을 분사법을 이용하여 분사시키고 반응용기 안에는 적당한 압력과 온도를 유지해서 캡슐을 만드는 방법이다.
이 외에도 친수성과 비친수성의 성질을 이용하는 미셀(micelle)이나 콜로이드(colloid)를 이용하여 분산에 의해 기포 형태를 만들 수 있는 물질을 이용해서 마이크로 캡슐을 제조할 수 있으며, 의약 전달체계에서 사용하는 캡슐화 기술을 응용할 수도 있다.
전술한 바와 같은 방법들에 의해 제조된 캡슐은 열에너지 또는 물리적 에너지에 의해 잘 깨질 수 있어야 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
우선, 전극 조립체로부터 돌출된 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간을 포함하는 전지 케이스를 마련한다.
여기서, 전지 케이스는 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있지만, 이에만 한정하는 것은 아니다. 그리고 전지 케이스는 전극 조립체가 안착될 수 있는 전극 조립체 수납부 및 전극 조립체 수납부의 측면에 위치하며, 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간을 포함하는 전지 케이스 본체와 그러한 전지 케이스 본체에 일체로서 연결되어 있는 덮개를 구비한다.
이어서, 전극 케이스를 구성하는 전극 조립체 수납부 및 돌출 공간에, 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 투입한다.
이어서, 투입된 캡슐의 상부측에 전극 조립체를 위치시킨다.
여기서 전극 조립체는 그로부터 돌출된 전극 탭을 구비하며, 전극 탭은 전극리드와 연결되어 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 각 전극 판으로부터 연장되어 있고, 전극리드는 각 전극 판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭과 연결되어 있다. 이 경우 전극리드는 전극 탭과 용접에 의해 각각 전기적으로 연결될 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니며, 전극리드는 전지 케이스의 외부로 일부가 노출되어 있다. 그리고 케이스의 밀봉시 전극리드와 전지 케이스와의 밀봉성을 확보하기 위해, 전극리드의 상하면에 절연필름이 부착될 수 있다.
이어서, 전지 케이스를 구성하는 덮개를 덮고, 전지 케이스를 밀봉함으로써 전기화학소자를 만든다.
여기서 전지 케이스를 밀봉하는 방법으로는 여러 가지가 있고, 예를 들어 가열 또는 가압하여 밀봉할 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
(1) 전해액이 내장된 캡슐의 제조
에틸셀룰로오스 10 중량부를 디옥산 에스테르 용매 90 중량부에 녹여 유상용액을 만든 후, 상기 유상용액 20 중량부에 전해액(에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)/디에틸 카보네이트(DEC) = 3/2/5 (부피비), 리튬헥사플로로포스페이트(LiPF6) 1M) 80 중량부를 첨가, 분산시켜 혼합용액을 만들었다. 이 혼합용액 100 중량부를 폴리비닐알코올 30 중량부와 혼합하고, 고속으로 회전시켜 유상용액을 퍼지게 한 다음, 에멀젼을 형성하였다. 그런 다음, 디옥산 에스테르 용매를 증발시켜 제거함으로써 내부에 상기 전해액을 포함하는, 폴리비닐알코올로 이루어진 캡슐을 제조하였다.
(2) 전기화학소자의 제조
1) 캐소드의 제조
캐소드 활물질 입자로 리튬 코발트 복합산화물 90 중량부, 도전재로 카본 블랙 (carbon black) 5 중량부, 결합재로 PVDF 5 중량부를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP) 40 중량부에 첨가하여 캐소드 활물질 슬러리를 준비하였다. 상기 캐소드 활물질 슬러리를 두께가 100 ㎛인 캐소드 집전체의 알루미늄(Al) 박막에 도포, 건조하여 캐소드를 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.
2) 애노드의 제조
애노드 활물질로 탄소 분말, 결합재로 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 도전재로 카본 블랙 (carbon black)을 각각 95 중량부, 2 중량부, 3 중량부로 하여, 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP) 100 중량부에 첨가하여 애노드 활물질 슬러리를 준비하였다. 상기 애노드 활물질 슬러리를 두께가 90㎛인 애노드 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포, 건조를 통하여 애노드를 제조한 후 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.
3) 세퍼레이터의 제조
PVdF-CTFE (폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌 공중합체) 5 중량부를 아세톤 95 중량부에 첨가하여 50℃에서 약 12시간 이상 용해시켜 바인더 고분자 용액 5 중량부를 준비하였다. 제조된 바인더 고분자 용액에 Al2O3 분말과 BaTiO3 분말을 9:1의 중량비로 고분자/무기물 분말 = 20/80의 중량비가 되도록 첨가하고, 12시간 이상 볼 밀법을 이용하여 무기물 분말을 300nm의 크기로 파쇄 및 분산하여 슬러리를 제조하였다.
이와 같이 제조된 슬러리를 딥(dip) 코팅법으로, 두께 20㎛인 폴리에틸렌 다공성 막(기공도 40%)에 코팅하였다. 코팅 두께는 약 10㎛ 정도로 조절하였다.
4) 전기화학소자의 제조
전술한 방법으로 제조한 캐소드, 애노드 및 세퍼레이터를 스태킹 방식을 통해 단위 셀들을 조립하여 전극 조립체를 제조하였다. 그리고 돌출 공간을 구비하는 전지 케이스를 준비하여, 앞서 제조된 캡슐들을 돌출 공간에 내장킨 후, 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하였다. 그런 다음, 전해액 (에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)/디에틸 카보네이트(DEC) = 3/2/5 (부피비), 리튬헥사플로로포스페이트 (LiPF6) 1몰)을 주입하여 전기화학소자를 제조하였다.
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 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 전극 조립체
20 : 전극 탭
30 : 전극리드
40 : 전지 케이스
50 : 돌출 공간
60 : 캡슐
100 : 전기화학소자

Claims (9)

  1. 전극 조립체; 상기 전극 조립체로부터 돌출된 전극 탭; 상기 전극 탭에 연결된 전극리드; 및
    상기 전극 조립체를 내측에 수용하는 전지 케이스를 구비하는 전기화학소자로서,
    상기 전지 케이스가 전극 탭과 대향하는 일면 상에 전극 탭을 수납하기 위한 돌출 공간 및 상기 돌출 공간에 개재되고 내부에 전해액이 포함된 캡슐을 더 구비하는 전기화학소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐은 반복적인 충방전시, 상기 전극 조립체의 상향 이동 또는 팽윤에 따른 압력에 의해 분해되어 상기 전해액을 배출하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐은 과충전시, 상기 전극조립체의 온도상승에 의해 분해되어 상기 전해액을 배출하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐은 상기 전해액이 일정한 수준으로 방출될 수 있도록, 미세 다공성의 표면을 가지는 서방성 캡슐인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐의 평균 입경이 50nm 내지 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해액이 전해질 염 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐은 전기화학소자 성능 개선 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기화학소자 성능 개선 첨가제가 고체 전해질 계면 형성용 첨가제, 전지 부반응 억제 첨가제, 열안정성 개선 첨가제, 및 과충전 억제 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
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