KR20150014773A - 전해액 함침성이 향상된 전해액 주입장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 하나 이상의 전지셀들이 투입되는 챔버; 상기 챔버의 일부를 통과하며, 전지셀들의 상부에서 전지셀들 각각의 전해액 주입구에 연결되도록 설치되는 하나 이상의 주입 파이프(pipe)들; 및 상기 챔버에 연결되며 챔버 내부를 진공 분위기로 형성하는 진공 파이프;를 포함하고 있으며, 상기 전지셀들은 상기 챔버 내부의 진공 분위기 하에서 중력에 의해 전해액이 함침되는 구조의 전해액 주입장치를 제공한다.

Description

전해액 함침성이 향상된 전해액 주입장치 {Electrolyte Injection Apparatus Having Improved Impregnation Property}
본 발명은 전해액 함침성이 향상된 전해액 주입장치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 구비한 전극조립체 및 전극조립체에 함침되는 전해액으로 구성되어 있다.
이러한 리튬 이차전지는 단위부피(혹은 질량)당 용량을 증가시키기 위해, 리튬 이차전지의 체적을 증가시킴과 동시에, 전극조립체의 면적당 입자밀도를 증가시키거나, 전극의 면적을 증가시켜 리튬이온의 가동면적을 증가시키는 구조로 개발되고 있다.
그러나, 상기한 구조는 가동면적은 증가하는 반면에, 입자밀도의 증가에 따른 공극의 크기 감소가 불가피하므로, 전해액의 함침성이 저하되는 단점이 있다. 또한, 전극면적이 증가할수록, 전극의 단위 면적당 입자 분포가 불균일할 수 있어, 전해액이 입자밀도가 낮은 곳에 편중되는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 리튬 이차전지의 체적 증가는, 리튬 이차전지에 사용되는 비수성 전해액의 점성 및 표면장력 때문에, 전해액이 전극조립체 경계 말단부에 위치한 입자까지 고르게 함침 되기 힘든 문제점이 있고, 전해액의 고른 함침이 이루어지기까지 요구되는 시간이 함께 증가하여 생산효율이 낮아지고, 이에 따른 경제적 손해도 발생하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 본 발명의 전해액 주입장치는 전지셀들 및 그것의 내부에 장착된 전극조립체들이 챔버 내부의 진공 분위기 하에서 중력에 의해 전해액이 함침되는 구조로 이루어져 있어, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명에 따른 전해액 주입장치는 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 하나 이상의 전지셀들이 투입되는 챔버;
상기 챔버의 일부를 통과하며, 전지셀들의 상부에서 전지셀들 각각의 전해액 주입구에 연결되도록 설치되는 하나 이상의 주입 파이프(pipe)들; 및
상기 챔버에 연결되며 챔버 내부를 진공 분위기로 형성하는 진공 파이프;
를 포함하고 있으며,
상기 전지셀들은 상기 챔버 내부의 진공 분위기 하에서 중력에 의해 전해액이 함침되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 전해액 주입장치는 전지셀이 투입되는 챔버를 진공 분위기로 형성함으로써, 전지셀의 내부를 최대한 감압하는 바, 전해액이 상대적으로 고압의 주입 파이프에서 전지셀의 내부로 신속히 주입 될 수 있을 뿐만 아니라, 전지셀 내부에서 발생하는 압력 구배로 인해, 전극조립체 말단까지 상당히 균일한 함침을 유도할 수 있다.
더욱이, 전해액은 상부에 배치된 주입 파이프로부터 하부에 위치한 전지셀로 이동 시, 중력의 도움을 받으므로, 더욱 신속하고 높은 함침성으로 전지셀에 주입 될 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 챔버는 하나 이상의 전지셀들이 수납되며 상부가 개방되는 챔버 본체와, 챔버 본체의 상부를 덮어 밀폐시키는 챔버 도어를 포함할 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 주입 파이프들은 전해액을 포함하고 있는 전해액 탱크와 연결되어 있고, 상기 진공 파이프는 챔버 내를 진공상태로 유지시켜 주는 진공 펌프와 연결되어 있는 구조일 수 있다.
상기 주입 파이프들은 전지셀들의 전해액 주입구와 직접 연결되는 주입 노즐, 상기 주입 노즐에 결합되는 주입 호퍼, 및 상기 주입 노즐을 개폐하는 제 1 개폐 밸브를 포함할 수 있다.
상기 주액 노즐은 주액 노즐 내의 압력이 증가하는 경우, 노즐의 직경이 늘어나고, 압력이 감소하는 경우 수축될 수 있도록, 탄력적인 소재, 예를 들면, 천연고무 또는 인조고무로 이루어지며, 하방으로 직경이 작아지는 구조로 이루어 질 수 있다.
상기 주입 파이프들의 상부 끝단은, 전해액 탱크와 연결되어 전해액 탱크로부터 각각의 주입 파이프들에 전해액을 공급하는 전해액 유동 로드와 연결될 수 있고, 상기 전해액 유동 로드와 주입 파이프들 사이에는, 주입 파이프들이 전해액을 일정량으로 저장하였다가 전지셀들에 공급할 수 있도록, 상기 주입 파이프의 상부 끝단을 개폐하는 제 2 개폐 밸브가 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전해액 주입장치를 사용하여, 전지셀에 전해액을 주입하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 전해액 주입 방법은 (i) 하나 이상의 전지셀들을 챔버 내에 투입하고, 챔버를 밀폐시키는 과정;
(ii) 진공펌프를 이용하여 챔버 내부를 진공 분위기로 전환하는 과정;
(iii) 상기 진공 분위기가 형성된 전지셀들에 중력을 이용하여 전해액을 주입시키는 과정; 및
(iv) 상기 챔버 내부를 대기압으로 파기하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 과정(ii)의 챔버 내부를 진공 분위기로 전환하는 과정은, 전지셀 내부에 존재하는 공기 및 기타 기체들을 외부로 배기시키는 공정일 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 과정(iii)의 전해액 주입은, 전지셀들의 전해액 주입구와 직접 연결되는 주입 노즐을 개폐하는 제 1 개폐 밸브를 열어 중력에 의해 수행할 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 과정(iv)의 챔버 내부를 대기압으로 파기하는 과정은 중력에 의해 주입된 전해액의 함침 속도를 높이고, 전극 입자 사이의 공극에 기 흡수된 전해액들을 고정하여 전극이 안정적으로 함침될 수 있다.
일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전해액 주입 방법으로 제조된 이차전지를 제공한다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장된 상태에서 전해액이 함침되어 있는 구조일 수 있고, 상기 양극은 양극 활물질로서 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.
(1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’ (2)
상기 식에서,
M’은 MnaMb이고;
M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
상기 음극은 음극 활물질로서, 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
본 발명은, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템일 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전해액 주입장치는, 전지셀이 투입되는 챔버를 진공 분위기로 형성하여, 전지셀 내부에 압력 구배가 발생하는 바, 전극조립체 말단까지 상당히 균일한 전해액 함침을 유도할 수 있고, 전해액은 전극 입자들 사이의 공극에 안정적으로 고정될 수 있어, 전극 입자상의 리튬이온의 이동성을 극대화 할 수 있다. 더욱이, 전해액은 상부에 배치된 주입 파이프로부터 하부에 위치한 전지셀로 이동 시, 중력의 도움을 받으므로, 더욱 신속하고 높은 함침성으로 전지셀에 주입이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 전해액 주입 장치의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 전해액 주입장치가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전해액 주입장치(100)는 내부에 전지셀(120)을 수용하는 챔버(101), 챔버(101)의 상부에 위치하며 전해액 탱크(도시하지 않음)와 연결되어 전해액을 공급 전해액 유동로드(102), 전지셀(120)들의 전해액 주입구에 삽입되는 주입 노즐(110b) 및 주입 노즐(110b)에 결합되는 주입 호퍼(110a)로 이루어며, 상단 끝단이 전해액 유동로드(102)에 연결되어 있는 주입 파이프(110), 주입 노즐(110b)을 개폐하는 제 1 개폐 밸브(111), 주입 파이프(110)의 상부 끝단을 개폐하는 제 2 개폐 밸브(112), 및 챔버(101) 내부의 공기를 외부로 배기하거나, 공기를 챔버 내부로 유입시키는 관통구(103)로 이루어져 있다.
전지셀(120)은 주입 노즐(110b)이 주입구로 삽입된 상태에서 일정 간격으로 이격된 상태로 챔버(101) 내부에 배치된다. 이 후, 챔버(101) 는 밀폐되며 챔버(101)의 관통구(103)에 진공 펌프(도시하지 않음)를 연결 시켜, 챔버(101) 및 전지셀(120) 내부를 진공 상태로 만든다.
전해액 탱크로부터 전해액 유동로드(102)를 따라 흐르는 전해액은, 제 2 개폐 밸브(112)를 개방 시, 주입 호퍼(110a)로 유입된다. 이 상태에서, 제 2 개폐 밸브(112)를 잠그고, 제 1 개폐 밸브(111)를 개방하면, 전해액은 챔버(101)와 주입 파이프(110) 사이의 압력 구배 및 중력에 의해 자동적으로 전지셀(120) 내부로 주입 된다.
이 후, 챔버(101)의 관통구(103)를 완전히 개방시켜 챔버(101) 내부를 대기압 상태로 만들며, 이 때, 주입 호퍼(110a)에 존재하는 잔여 전해액이 중력에 의해 전지셀(120) 내부로 주입 된다. 또한, 전지셀(120)의 내부공간은 진공상태보다 체적이 늘어나게 되므로 이미 주입된 전해액이 전지셀(120)의 늘어난 체적만큼 확산되면서, 전극조립체의 말단까지 함침 된다.
주입 호퍼(110a)는 투명한 소재로 이루어지며, 전해액 투입량을 확인할 수 있도록 눈금이 표시되어 있다. 따라서, 제 2 개폐 밸브(112)를 개방하여, 이상적인 전해액 투입량만큼을 주입 호퍼(110a)에 저장한 후, 전지셀(120)로 주입하는 구조이므로, 정밀한 주입 공정이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질을 포함하는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있는 바, 상기 이차전지의 기타 성분들에 대해 이하에서 자세히 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극은 양극일 수 있다.
일반적으로, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물인 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은, 상기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물 외에, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 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 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 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 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 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, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
한편, 탄성을 갖는 흑연계 물질이 도전재로 사용될 수 있고, 상기 물질들과 함께 사용될 수도 있다..
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 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.
한편, 상기 전지셀은 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지를 포함하는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 일반적으로 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성되어 있으며, 리튬 이차전지의 기타 성분들에 대해 이하에서 설명한다.
상기 음극은 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 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 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있고, 상세하게는 탄소계 물질 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있고, 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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 중합제 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, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 리튬염 함유 비수 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 염료, 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은, 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 하나 이상의 전지셀들이 투입되는 챔버;
    상기 챔버의 일부를 통과하며, 전지셀들의 상부에서 전지셀들 각각의 전해액 주입구에 연결되도록 설치되는 하나 이상의 주입 파이프(pipe)들; 및
    상기 챔버에 연결되며 챔버 내부를 진공 분위기로 형성하는 진공 파이프;
    를 포함하고 있으며,
    상기 전지셀들은 상기 챔버 내부의 진공 분위기 하에서 중력에 의해 전해액이 함침되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버는 하나 이상의 전지셀들이 수납되며 상부가 개방되는 챔버 본체와, 챔버 본체의 상부를 덮어 밀폐시키는 챔버 도어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 주입장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주입 파이프들은 전해액을 포함하고 있는 전해액 탱크와 연결되어 있고, 상기 진공 파이프는 챔버 내를 진공상태로 유지시켜 주는 진공 펌프와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전해액 주입장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 주입 파이프들은 전지셀들의 전해액 주입구와 직접 연결되는 주입 노즐, 상기 주입 노즐에 결합되는 주입 호퍼, 및 상기 주입 노즐을 개폐하는 제 1 개폐 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 주입장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 주입 파이프들의 상부 끝단은, 전해액 탱크와 연결되어 전해액 탱크로부터 각각의 주입 파이프들에 전해액을 공급하는 전해액 유동 로드와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전해액 주입장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전해액 유동 로드와 주입 파이프들 사이에는, 주입 파이프들이 전해액을 일정량으로 저장하였다가 전지셀들에 공급할 수 있도록, 상기 주입 파이프의 상부 끝단을 개폐하는 제 2 개폐 밸브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전해액 주입장치.
  7. 제 1 항에 따른 전해액 주입장치를 사용하여, 전지셀에 전해액을 주입하는 방법으로서,
    (i) 하나 이상의 전지셀들을 챔버 내에 투입하고, 챔버를 밀폐시키는 과정;
    (ii) 진공펌프를 이용하여 챔버 내부를 진공 분위기로 전환하는 과정;
    (iii) 상기 진공 분위기가 형성된 전지셀들에 중력을 이용하여 전해액을 주입시키는 과정; 및
    (iv) 상기 챔버 내부를 대기압으로 파기하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 과정(ii)의 챔버 내부를 진공 분위기로 전환하는 과정은, 전지셀 내부에 존재하는 공기 및 기타 기체들을 외부로 배기시키는 공정인 것을 특징으로 하는 전해액 주입 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 과정(iii)의 전해액 주입은, 전지셀들의 전해액 주입구와 직접 연결되는 주입 노즐을 개폐하는 제 1 개폐 밸브를 열어 중력에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 과정(iv)의 챔버 내부를 대기압으로 파기하는 과정은, 중력에 의해 주입된 전해액의 함침 속도를 높이고, 전극 입자 사이의 공극에 전해액들을 고정하는 과정인 것을 특징으로 하는 전해액 주입 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 전해액 주입 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장된 상태에서 전해액이 함침되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질로서 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지:
    LixMyMn2-yO4-zAz (1)
    상기 식에서,
    M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
    A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
    0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.


    (1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’ (2)
    상기 식에서,
    M’은 MnaMb이고;
    M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
    0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로서, 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 11 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180084254A (ko) * 2017-01-16 2018-07-25 주식회사 엘지화학 전해액 필터링 밸브를 포함하는 전해액 보관 탱크 및 이를 이용한 전지셀 제조 방법
CN109166714A (zh) * 2018-08-06 2019-01-08 张家港市双成电工设备有限公司 一种真空浸渍设备
KR20200051910A (ko) * 2018-11-05 2020-05-14 세방전지(주) 유체 정량 공급기

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