KR20180025616A

KR20180025616A - 이온 함유 용액을 이용하는 이차 전지 모듈

Info

Publication number: KR20180025616A
Application number: KR1020160112516A
Authority: KR
Inventors: 김영식; 고우석; 한진협
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-09
Also published as: KR101909890B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 음극부, 양극부 및 음극부와 양극부 사이에 위치하는 고체 전해질을 포함하는 복수개의 단위셀; 복수개의 단위셀이 안착되는 복수개의 홈이 배열된 본체; 및 본체의 양극부와 외부의 이온 함유 용액이 유동하는 슬릿 사이에 마련된 양극 콜렉터와 본체의 음극부와 양극 콜렉터 사이를 전기적으로 연결하는 음극 콜렉터를 갖는 콜렉터부를 포함할 수 있다.

Description

이온 함유 용액을 이용하는 이차 전지 모듈{RECHARGEABLE BATTERY MODULE USING ION CONTAINING SOLUTION}

본 발명은 이온 함유 용액을 이용하는 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 이차 전지는 양극과 음극에 전기 화학 반응이 가능한 물질을 사용함으로써, 화학 에너지와 전기 에너지 간의 전환을 통해 충전과 방전이 가능한 전지를 의미한다. 이러한 이차 전지는 차량이나 선박 등 대용량의 전력 저장이 요구되는 곳에 주로 사용된다.

이차 전지 중 대표적인 예로는 양극 및 음극에서 금속(예를 들면, 리튬 또는 나트륨 등) 이온이 인터칼레이션/디인터칼레이션될 때의 화학전위(chemical potential)의 변화에 의하여 전기 에너지를 생성하는 리튬 이차 전지가 있다.

상기 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 인터칼레이션/디인터칼레이션이 가능한 물질을 양극과 음극 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.

다만, 리튬은 지구상에 한정된 양만이 존재하며 일반적으로 광물, 염호 등으로부터 어려운 공정을 통해 수득되고 있다. 이에 전지의 제조를 위해 고비용과 고에너지가 사용되는 문제가 있어, 리튬을 대체할 수 있는 차세대 이차 전지가 필요하다.

이러한 리튬 이온 전지는 폭발의 위험이 있으며, 양극 활물질로 사용되는 리튬 금속 산화물(예를 들면, LiCoO2, LiMn2O4 등)의 가격이 높아 대규모의 저장 시스템(energy storage system, ESS)을 구현하기 위해서는 고가의 비용이 소요되며, 폐전지를 처리함에 있어서 환경 문제를 유발할 수 있다는 점이 문제된다. 또한, 원전과 같은 시설로 오인되어 설치 장소 선정 시, 주민 반대 등의 사회적 이슈가 발생할 가능성이 높다.

이러한 문제를 극복하기 위해서는, 폭발의 위험을 감소시키고, 환경 친화적이면서도 지구상에 풍부히 존재하여 가격이 저렴한 재료를 선택할 필요가 있으며, 이를 통해, 설치 장소 선정 시, 지역 사회 구성원들과의 충돌을 사전에 방지할 수 있는 전지 시스템 개발이 필수적이나, 아직까지 이에 대한 연구 결과는 미흡한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 음극부에 특정 금속이온을 선택적으로 통과시키는 고체전해질을 적용하고, 양극부에는 나트륨, 리튬, 마그네슘, 이들의 조합을 포함하는 이온 함유 용액을 적용하여 구현한 이온 함유 용액을 이용하는 이차 전지 모듈을 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 함유 용액을 이용하는 이차 전지 모듈은 음극부, 양극부 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 위치하는 고체 전해질을 포함하는 복수개의 단위셀; 상기 복수개의 단위셀이 안착되는 복수개의 홈이 배열된 본체; 및 상기 본체의 양극부와 외부의 이온 함유 용액이 유동하는 슬릿 사이에 마련된 양극 콜렉터와 상기 본체의 음극부와 상기 양극 콜렉터 사이를 전기적으로 연결하는 음극 콜렉터를 갖는 콜렉터부를 포함할 수 있다.

서로 이웃하는 홈은 각각 상기 본체의 상부면 위와 하부면 위에 마련될 수 있다.

서로 이웃하는 홈은 모두 상기 본체의 일면 상에 마련될 수 있다.

상기 복수개의 단위셀, 본체 및 콜렉터부가 일체로 형성될 수 있다.

상기 음극 콜렉터는 상기 본체와 동일 평면을 갖고, 상기 본체의 내부에 삽입되어 일체로 형성되며, 상기 홈의 바닥 부분에 마련될 수 있다.

상기 음극 콜렉터는 상기 본체의 평면에 대응되는 판 형상이며, 상기 홈들의 외주면에 대응되는 위치만 도전재로 이루어질 수 있다.

상기 음극부는 상기 음극 콜렉터 상에 위치하고, 상기 고체전해질은 상기 음극부 상에 위치하며, 상기 본체의 홈의 외주면에 접합될 수 있다.

상기 양극 콜렉터는 상기 본체의 평면에 대응되는 판 형상이며, 외부로부터 이온 함유 용액이 유입될 수 있도록 격자 배열된 복수의 슬릿을 가질 수 있다.

상기 홈들의 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 중 하나일 수 있다.

상기 홈은 상기 본체의 상부면 및 하부면 상에 마련되며, 상기 음극 콜렉터는 상기 상부면 상에 마련된 홈과 상기 하부면 상에 마련된 홈 사이에 삽입되어 상기 본체와 일체로 형성될 수 있다.

상기 음극 콜렉터는 상기 본체의 형상에 대응되는 판(sheet) 형상이며, 상기 상부면 상에 마련된 홈들 및 상기 하부면 상에 마련된 홈들의 공통 바닥면과 연결될 수 있다.

상기 양극 콜렉터는 상기 상부면 및 하부면에 각각 위치하는 양극부와 전기적으로 연결되는 상부면 양극 콜렉터 및 하부면 양극 콜렉터를 포함할 수 있다.

상기 홈은 상기 상부면과 하부면 상에 대향 배치되어 상기 상부면 상에 배치된 홈과 하부면 상에 배치된 홈의 중심점이 동일할 수 있다.

상기 상부면 상에 마련된 홈과 상기 하부면 상에 마련된 홈의 위치는 상이할 수 있다.

상기 단위셀 및 콜렉터의 형상은 상기 홈의 형상에 대응될 수 있다.

상기 콜렉터는 상기 본체 외부로 돌출된 전극을 가지며, 상기 양극 콜렉터는 상기 양극부를 가압하는 가압바를 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 비용을 줄일 수 있고 환경 문제를 비교적 적게 유발할 수 있는 이차 전지 모듈을 제공할 수 있다.

모듈을 구성함에 있어 다양한 배치 구조와 직렬 및 병렬 연결 구조를 통해 범용적으로 목적과 용도에 맞춰 사용할 수 있다.

콜렉터의 구성과 본체의 홈의 구성을 다변화함으로써 이차 전지 모듈의 부피를 줄일 수 있고, 면적 대비 전지 모듈의 용량을 증가시킬 수 있고, 콜렉터를 구성하는 도전재의 사용량을 줄일 수 있다.

더불어, 이온 함유 용액이 양극부외의 영역에 이동하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 도면이다.
도 4는 도 1의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 도 1의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 일부 단면 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 11 내지 도 12는 단위셀의 구조에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 도면이다.
도 13은 대용량으로 구현된 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 도면이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1 내지 도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 개략적인 도면이다.

도 1 내지 도 3은 모두 복수개의 단위셀(10)이 직렬 연결된 전지 모듈(100)을 예시하고 있는데, 도 1은 두 개의 단위셀(10)이 직렬 연결된 구조이며, 도 2는 5개의 단위셀(10)이 직렬 연결된 구조이고, 도 3은 10개의 단위셀(10)이 직렬 연결된 것을 도시하고 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 이차 전지 모듈(100)은 단위셀(10)의 개수와 그에 따른 일부 부품의 개수를 제외하고 그 내부 구성은 동일하므로, 이하 도 1에 도시된 2개의 단위셀(10)이 직렬 연결된 이차 전지 모듈(100)을 예로서 제1 실시예에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 조립된 단면 구조를 도시하고 있다.

도 4 내지 도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예의 이차 전지 모듈(100)은 복수개의 단위셀(10)과, 복수개의 단위셀(10)을 지지하며 서로 전기적으로 연결하는 전지팩(110)을 포함한다. 전지팩(110)은 이차 전지 모듈(100)일 수 있고, 전지팩(110)들의 집합이 이차 전지 모듈(100)일 수도 있다.

이에, 하나의 전지팩(110) 내에 복수개의 단위셀(10)은 직렬 연결되어 고출력의 이차 전지 모듈을 이룬다.

먼저, 단위셀(10)에 대해 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에서, 단위셀(10)은 외부로부터 이온 함유 용액이 단위셀(10)을 구성하는 양극부(12)로 유입되는 구조를 가지고 있다. 이에 복수개의 단위셀(10)이 장착되는 전지팩(110)은 단위셀(10)의 양극부(12)쪽으로 이온 함유 용액을 유입시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 전지팩(110)의 구조에 대해서는 뒤에서 다시 상세하게 설명하도록 한다.

단위셀(10)은 코인 형태의 납작한 원형 판 구조일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 단면이 원형 이외에 타원형, 다각형일 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 단위셀(10)은 양극부(12), 음극부(13) 및 양극부(12)와 음극부(13) 사이에 위치하는 고체 전해질(14)을 포함할 수 있다. 그리고 이러한 단위셀(10)은 내부에 음극 집전체가 수용되는 음극 하부 케이스(16), 음극 하부 케이스(16)와 결합되어 전면의 개구부(18)에 고체 전해질(14)이 접합된 음극 상부 케이스(17)를 포함할 수 있다.

음극 하부 케이스(16)와 음극 상부 케이스(17)는 단위셀(10)의 외형을 구성할 수 있다.

단위셀(10)에서, 상단이 개구된 음극 하부 케이스(16) 내부에 음극부(13)가 수용되며, 고체 전해질(14)이 접합된 음극 상부 케이스(17)가 음극 하부 케이스(16)의 개방된 선단에 접합된 구조로 되어 있다. 고체 전해질(14)은 음극 상부 케이스(17)에 형성된 개구부(18)를 통해 외부로 노출되며, 음극 상부 케이스(17)의 개구부(18)를 통해 노출된 고체 전해질(14)의 외면에는 양극부(12)가 배치된다. 또한 음극 상부 케이스(17)와 음극 하부 케이스(16) 사이에는 두 부재를 실링하며 단락을 방지하기 위한 절연 개스킷(19)이 마련된다.

고체 전해질(14)은 특정 금속 이온을 선택적으로 통과시킨다. 고체 전해질(14)은 단위셀(10)의 형상의 형태로 이루어지며, 음극 상부 케이스(17)의 개구부(18) 내면에 접합될 수 있다. 고체 전해질(14)은 음극 상부 케이스(17)의 개구부(18) 직경보다 충분히 큰 크기로 형성될 수 있고, 음극 상부 케이스(17)에 접합되어 개구부(18)를 통해 외부로 노출될 수 있다. 음극 상부 케이스(17)의 개구부(18) 즉, 고체 전해질(14)이 노출된 부위는 특정 금속 이온이 고체 전해질(14)과 접하여 선택적으로 통과되는 경로가 된다.

고체 전해질(14)은 음극 상부 케이스(17)에 접착제를 매개로 접할될 수 있다. 접착제는 실리콘(Si)계 물질, 에폭시계 물질 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

한편, 고체 전해질(14)의 경우 리튬이온, 나트륨 이온과 같은 특정 금속이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 물질로 이루어진다. 특히 고체 전해질(14)은 금속이온을 선택적으로 통과시키는 속도가 빠르고, 수용액 및 유기 용액과의 계면이 안정하게 형성되는 물질로 이루어짐이 바람직하다.

예를 들어, 고체 전해질(14)은 나시콘(Na Superionic Conductor; NASICON), 리시콘(Li Superionic Conductor; LISICON), 비정질 이온 전도성 물질, 세라믹 이온 전도성 물질 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 비정질 이온 전도성 물질의 예로서 인-기반의 글라스(phosphorus-based glass), 옥사이드-기반의 글라스(oxide-based glass), 옥사이드/설파이드-기반의 글라스(oxide/sulfide-based glass) 등을 들 수 있다.

또한 세라믹 이온 전도성 물질의 예로는 리튬 베타-알루미나(lithium beta-alumina), 소듐 베타-알루미나(sodium beta-alumina) 등을 들 수 있다.

보다 구체적으로, 고체 전해질(14)을 이루는 물질이 나시콘인 경우 고체 전해질(14)의 이온 전도도가 더욱 향상될 수 있다.

음극 하부 케이스(16)와 음극 상부 케이스(17)는 스테인리스 금속(Steel Use Stainless; SUS), 알루미늄(Al), 스틸(Steel) 등 금속 또는 비철금속 재질로 이루어질 수 있다.

음극부(13)는 음극 하부 케이스(16) 내부에 수용될 수 있는 음극 집전체를 포함할 수 있다. 음극 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인리스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재 등 비철금속 재질인 것을 사용할 수 있다.

음극부(13)에서 음극 집전체 상에 음극 활물질층이 위치하며, 음극 활물질층을 이루는 음극 활물질은 금속, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 인화물, 카본계물질 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물질일 수 있다.

음극부(13)는 액체 전해질을 더 포함할 수 있다. 이러한 액체 전해질은 해리 가능한 염 및 유기 용매를 포함할 수 있다. 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 하는데, 예컨대 에터(ether)계 유기 용매, 카보네이트(carbonate)계 유기 용매, 니트릴(nitrile)계 유기 용매 등일 수 있다.

보다 구체적으로 에터계 유기 용매의 예로서, TEGDME (Tri-Ethylene Glycol-Di-Methyl Ether) 등을 들 수 있고, 카보네이트계 유기 용매의 예로서, PC (Propylene Carbonate), EMC (Ethyl-Methylene Carbonate), DMC (Di-Methylene Carbonate), EC (Ethylene Carbonate) 등을 들 수 있고, 니트릴 계 유기 용매의 예로는 ACN (Acetonitrile) 등을 들 수 있다.

해리 가능한 염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 양이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 양이온의 이동을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 해리 가능한 염은, 나트륨 화합물, 리튬 화합물, 암모늄 화합물 및 이들을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 물질일 수 있다.

보다 구체적으로, 나트륨 화합물의 예로는 NaCF₃SO₃, NaPF₆, NaBF₄ 등을 들 수 있고, 리튬 화합물의 예로는 LiPF₆, LiBF₄, LIClO₄ 등을 들 수 있고, 암모늄 화합물의 예로는 Et₄NBF₄, Et₄NPF₆ 등을 들 수 있다.

양극부(12)는 예컨대 나트륨, 리튬, 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함하는 이온 함유 용액과 접촉하며, 이온 함유 용액에 함침되는 양극 집전체를 포함할 수 있다. 이온 함유 용액은 단위셀(10) 외부로부터 유입될 수 있다.

나트륨, 리튬, 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함하는 이온 함유 용액은 해수, 염수 또는 이들을 포함하는 군에서 선택되는 것일 수 있다.

이온 함유 용액이 해수인 경우, 단위셀(10)이 설치되는 장소는 바다 속이 될 수 있다. 바다 속에서 해수가 음극 상부 케이스(17)의 개구부(18)에 의해 단위셀(10) 외부로부터 양극부(12)로 유입될 수 있다.

양극 집전체는 음극 상부 케이스(17)의 개구부(18) 상에 놓여져 개구부(18)를 통해 노출된 고체 전해질(14)과 접촉된다. 이러한 양극 집전체는 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 첨, 탄소 펠트, 금속 박막, 또는 이들의 조합인 물질로 이루어질 수 있다. 탄소 페이퍼의 경우, 나트륨 함유 용액 내에 포함된 기타 금속 이온의 산화 반응으로부터 발생할 수 있는 부산물을 최소화할 수 있다. 더불어 양극 집전체 상에 촉매 전극이 위치할 경우 반응성을 개선시킬 수 있다.

이러한 단위셀(10)의 구조는 복수개가 서로 연결되어 하나의 이차 전지 모듈(100)을 형성할 수 있다. 이차 전지 모듈은 단위셀(10)이 수용되는 적어도 하나 이상의 홈(113)이 배열 형성된 본체(112), 본체(112)의 양면에서 본체(112)와 함께 단위셀(10)을 커버하고, 단위셀(10)의 양극부(12)에 대응되는 위치에 놓이며, 외부로부터 공급되는 이온 함유 용액이 유동하는 슬릿(115)이 형성된 커버(114), 커버(114)와 단위셀(10) 사이에 설치되어 단위셀(10)를 전기적으로 연결하는 콜렉터(116), 본체(112)에 설치되어 단위셀(10)의 양극부(12)와 음극부 사이를 실링하는 실링부를 더 포함할 수 있다.

실링부는 홈(113)과 단위셀(10) 사이에 설치되는 실링부재(120), 및 홈(113) 둘레를 따라 배치되어 커버(114)와 본체(112) 사이를 실링하는 오링(122)을 포함할 수 있다.

본체(112)와 커버(114)는 단위셀(10)을 밀봉하며, 커버(114)에 형성된 슬릿(115)을 통해 단위셀 외부에 위치하는 이온 함유 용액이 단위셀(10)의 양극부(12)로 유입될 수 있도록 한다. 본체(112)는 장착되는 단위셀(10)의 개수에 따라 그 크기 및 홈(113)의 개수를 다양하게 형성할 수 있다.

본체(112)는 예를 들어, 사각의 판 구조물로 형성될 수 있으며, 전면을 관통하는 홈(113)이 간격을 두고 배열 형성된다. 홈(113)은 단위셀(10)의 외형과 대응되는 형태로 형성된다. 홈(113)의 직경은 단위셀(10)의 크기 및 홈(113)과 단위셀(10) 사이에 설치되는 실링부재(120)의 두께를 고려하여 적절히 설계될 수 있다.

본 실시예의 이차 전지 모듈(100)은 단위셀(10)들이 직렬로 연결되는 구조로 되어 있다. 이 경우, 단위셀(10)간에 서로 반대방향으로 장착되어 전지팩(110)의 배열된 홈(113)을 따라 단위셀(10)의 음극부(13)와 양극부(12)가 교대로 배치된다.

본체(112)는 홈(113)의 내측에 단위셀(10)의 음극 상부 케이스(17) 외경에 대응되는 크기를 갖는 단턱(124)이 형성되어 단위셀(10)의 음극 상부 케이스(17)가 단턱(124)에 걸려 고정되는 구조로 되어 있다. 단위셀(10)에서 외형을 이루는 음극 상부 케이스(17)와 음극 하부 케이스(16)의 형태는 상이하다. 이에, 본체(112)의 홈(113) 내측에 음극 상부 케이스(17)의 외경에만 대응되는 단턱(124)을 형성함으로써, 단위셀(10)을 삽입 방향에 맞춰 정확히 본체(112)의 홈(113)에 삽입할 수 있게 된다. 따라서 본 실시예와 같이 직렬로 단위셀(10)들을 연결하기 위해 단위셀(10)들의 장착 방향이 교대로 바뀌더라도 정확히 단위셀(10)들을 장착할 수 있게 된다.

이에, 본체(112)에 복수개의 단위셀(10)들을 장착함에 있어, 각 단위셀(10)의 삽입 불량을 방지하고, 전지의 직렬 연결에 맞춰 정확한 방향으로 단위셀(10)들을 홈(113)에 삽입할 수 있게 된다.

커버(114)는 판 형태의 구조물로, 두 개가 각각 본체(112)의 대향되는 양면에 설치되어 본체(112)에 장착된 단위셀(10)들을 감싼다. 커버(114)는 예를 들어 본체(112)에 볼트로 체결되어 설치될 수 있다.

본 실시예에서 커버(114)는 단위셀(10)의 양극부(12)에 대응되는 위치에 양극부(12)로 이온 함유 용액이 유입될 수 있도록 슬릿(115)이 관통 형성된다.

이에, 커버(114)와 본체(112)에 의해 단위셀(10)이 밀봉된 상태에서 커버(114)에 형성된 슬릿(115)을 통해 단위셀(10)의 양극부(12)로 이온 함유 용액이 공급될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 커버(114)는 본체(112)를 향하는 전면에 콜렉터(116)가 안착되는 단차홈(126)이 형성된다.

이에, 콜렉터(116)가 각 커버(114)의 단차홈(126)에 놓여져 그 위치가 단위셀(10) 양 단부에 맞춰 정확히 규제됨으로써, 콜렉터(116)가 단위셀(10) 위치에서 벗어나 양자 간에 전기적 접촉불량이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예에서, 본체(112) 및 커버(114)는 플라스틱(Plastic), 아크릴(Acryl), PEEK(Polyether ether ketone), 테플론(Teflon), 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic), PC(Propylene Carbonate) 등의 재질인 것을 사용할 수 있다.

콜렉터(116)는 각각 본체(112) 양면에서 이웃하는 단위셀(10)의 음극부(13)와 양극부(12)를 전기적으로 연결하여, 본체(112) 내에 수용된 각 단위셀(10)들을 직렬 연결한다. 본 실시예에서 단위셀(10)의 음극부(13)라 함은 실질적으로 단위셀(10)의 음극 하부 케이스(16)로 이해할 수 있다.

콜렉터(116)는 도전재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 구리 재질로 제조될 수 있다. 콜렉터(116)는 각 커버(114)가 본체(112)에 장착되면서 커버(114)에 의해 눌려져 단위셀(10)의 음극부(13)와 양극부(12)에 밀착된다.

콜렉터(116)는 단위셀(10)에 접하는 판 형태로 이루어질 수 있으며, 단위셀(10) 양극부(12)에 위치하는 부분은 이온 함유 용액이 양극부(12)로 유입되는 것을 차단하지 않도록 중간부가 개방된 형태(예컨대, 링 형태)로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 콜렉터(116)는 단위셀(10)의 음극부(13)와 양극부(12)에 각각 위치하며 서로 연결된 한 쌍의 링 형태를 이룬다. 다만, 직렬 연결되는 단위셀(10)들 중 최 외측에 배치된 단위셀(10)의 양극부(12) 또는 음극부(13)에 연결되는 콜렉터(116)의 경우 단일의 링 구조를 이루며 외측으로 연장되는 단자(128)가 더 형성될 수 있다. 이에 이차 전지 모듈(100)은 전지팩(110) 외측으로 연장된 두 개의 단자(128)를 통해 용이하게 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.

본 실시예에서, 콜렉터(116)에는 단위셀(10)의 양극부(12)에 위치하는 부분에 양극부(12)를 가압하여 고체 전해질(14)에 밀착시키도록 링의 중심을 지나는 가압바(129)가 더 형성될 수 있다. 가압바(129)는 고체 전해질(14) 상에 놓여지는 양극부(12)의 양극 집전체 상에 위치하므로, 가압바(129)가 양극 집전체에 압력을 가하여 고체 전해질(14)에 양극 집전체가 보다 강하게 밀착되게 된다.

본체(112)와 커버(114)가 조립되면, 외부의 이온 함유 용액은 커버(114)의 슬릿(115)을 통해 오직 단위셀(10)의 양극부(12)로만 유입될 수 있다.

내부는 실링부재(120)와 오링(122)을 통해 실링될 수 있다.

본 실시예에서, 실링부재(120)는 단위셀(10) 외주면을 감싸는 관 구조로 형성된다. 실링부재(120)는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.

실링부재(120)는 단위셀(10)의 외측면 전체를 감싸며 커버(114)와 본체(112) 사이에서 가압되어 홈(113)과 단위셀(10) 사이에 밀착된다.

실링부재(120)는 홈(113)의 내주면과 단위셀(10) 사이에서 밀착되어 홈(113)을 통해 이온 함유 용액이 이동하는 것을 차단한다. 이에, 실링부재(120)에 의해 홈(113)이 차단되어 단위셀(10)의 양극부(12)로 유입된 이온 함유 용액이 양극부(12) 이외의 영역 즉, 음극집전체가 수용된 음극 하부 케이스(16)쪽으로 이동하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 실링부재(120)는 홈(113) 내주면과 단위셀(10)에 사이에 밀착되어 단위셀(10)를 홈(113) 내부에 고정하고 지지하는 작용을 하게 된다. 이에, 본체(112) 내에서 단위셀(10)들이 보다 안정적으로 장착되며, 실링부재(120)가 외부 충격을 흡수하여 단위셀(10)들에 충격이 가해지는 것을 완화시키게 된다.

오링(122)은 커버(114)와 본체(112) 사이를 실링하여, 이온 함유 용액이 본체(112)의 홈(113)에 장착된 단위셀(10)의 음극부(13)로 유입되는 것을 차단한다.

오링(122)은 폐곡선을 이루어 단위셀(10)이 끼워진 홈(113)의 둘레를 따라 배치된다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에서, 오링(122)은 단위셀(10)의 양극부(12)쪽과 음극부(13)쪽 모두에 설치될 수 있으며, 단위셀(10)의 음극부(13)쪽에만 배치되어 커버(114)와 본체(112) 사이를 실링할 수도 있다.

따라서, 실링부재(120)와 오링(122)을 통해 전지팩(110) 내에서 단위셀(10)의 음극부(13)에 대한 실링이 이루어져, 공급된 이온 함유 용액은 단위셀(10)의 양극부(12)로만 유입되어 접하게 된다.

이와 같이, 단위셀(10)들을 배열하고 직렬연결함으로써 고출력의 이차 전지 모듈(100)을 구현할 수 있게 된다.

이하, 본 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 제조 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 이차 전지 모듈(100)은, 복수개의 홈(113)이 형성된 본체(112)와 본체(112)의 양 선단부에 설치되는 커버(114)를 준비하는 단계, 단위셀(10)을 준비하여 본체(112)의 각 홈(113)에 실링부재(120)를 매개로 단위셀(10)들을 장착하는 단계, 오링(122)을 사이에 두고 본체(112)에 커버(114)를 조립하여 단위셀(10)들을 전기적으로 연결하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.

상커버(114) 준비시 각 커버(114) 내측에 콜렉터(116)를 설치할 수 있다. 또는, 콜렉터(116)는 각 커버(114)를 본체(112)에 조립하는 과정에서 커버(114)와 본체(112) 사이에 설치할 수 있다. 콜렉터(116)를 조립하는 세부적인 순서는 특별히 한정되지 않는다.

그리고, 상기와 같이 외부로부터 단위셀(10)의 양극부(12)로 이온 함유 용액을 유입시키는 방법을 통해 고출력의 이차 전지 모듈을 제조할 수 있다. 외부로부터 나트륨, 리튬, 마그네슘, 및 이들의 조합을 포함하는 이온 함유 용액을 양극부(12)로 유입시키는 단계는, 커버(114)의 슬릿(115)을 통해 단위셀(10)의 양극부(12)로 이온 함유 용액을 유입시키는 것이므로, 본체(112)에 커버(114)를 조립한 후 이온 함유 용액에 담그는 것일 수 있다, 이를 통해, 외부에는 이온 함유 용액이 존재하며, 외부로부터 슬릿(115)을 통해 이온 함유 용액이 단위셀(10)의 양극부(12)로 유입될 수 있다. 단위셀(10)은 양극부(12)를 제외하고 외부와 실링된 상태이므로, 이온 함유 용액은 양극부(12)에만 접하게 된다.

이온 함유 용액으로 해수를 사용하는 경우, 해수를 공급하거나 해수에 전지를 담그는 것으로 간단히 고출력의 이차 전지 모듈(100)을 구현할 수 있다.

도 6과 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지 모듈로, 복수개의 단위셀들이 병렬 연결된 대용량의 이차 전지 모듈을 도시하고 있다.

본 실시예의 이차 전지 모듈(200)은. 복수개의 단위셀(10)들이 병렬로 연결된 구조란 것을 제외하고 이미 언급한 제1 실시예의 이차 전지 모듈의 구성과 동일하다. 이에, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며 그 상세한 설명은 생략한다.

병렬 연결 구조의 이차 전지 모듈 역시 단위셀(10)들의 설치 개수는 다양하게 변형가능하다.

단위셀(10)들의 음극부(13) 또는 양극부(12)는 서로 동일한 방향으로 배치되고, 본체(112)의 양면에 배치되는 콜렉터는 각각 서로간에 직렬 연결되어. 단위셀(10)들을 병렬 연결하는 구조로 되어 있다.

본체(112)의 홈(113)에 삽입되는 단위셀(10)들은 모두 동일한 방향으로 양극부(12) 또는 음극부(13)가 배치된다. 도 7은 각 양극부(12)가 도면상 아래쪽에 배치되도록 하여 설치된 구조를 예시하고 있다.

본체(112)의 홈(113)에 형성되는 단턱(124) 역시 전체 홈(113)에 대해 동일한 위치에 형성되어, 각 단위셀(10)들을 홈(113)에 동일한 방향으로 설치할 수 있도록 되어 있다.

본 실시예에서 본체(112) 양면에 배치되는 각 콜렉터는 각각 단위셀(10)들의 음극부(13)만 접하거나 양극부(12)만 접하므로, 그 형태가 약간씩 상이하다. 이하 설명의 편의를 위해 본 실시예의 콜렉터(콜렉터부) 중 양극부(12)를 연결하는 콜렉터는 양극 콜렉터(216)라 하고 음극부(13)를 연결하는 콜렉터는 음극 콜렉터(217)라 한다. 콜렉터라 함은 양극 콜렉터와 음극 콜렉터 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 커버 중 양극 콜렉터(216)가 설치되는 커버를 양극커버(214)라 하고 음극 콜렉터(217)가 설치되는 커버를 음극커버(215)라 한다.

음극 콜렉터(217)는 본체(112)의 일면에서 단위셀(10)의 배치 형태와 대응되는 형태로 배치되고 서로 직렬 연결되며 음극부(13)에 접하는 링 형태를 이룬다. 직렬로 연결된 음극 콜렉터(217)의 일측 끝단에는 외측으로 돌출되어 연장되는 단자(128)가 더 형성될 수 있다.

음극 콜렉터(217)가 설치되는 음극커버(215)는 본체(112)를 향하는 내면에 음극 콜렉터와 대응되는 형태로 단차홈(126)이 형성된다.

양극 콜렉터(216)는 본체(112)의 타면에서 단위셀(10)들의 배치 형태와 대응되는 형태로 배치되고, 서로 직렬 연결되며 각 단위셀(10)의 양극부(12)에 접하는 링 형태를 가질 수 있다. 직렬로 연결된 양극 콜렉터(216)의 일측 끝단에는 외측으로 연장되는 단자(128)가 더 형성될 수 있다. 양극 콜렉터(216)는 도 7에 도시된 바와 같이, 양극부(12)를 가압하여 고체 전해질(14)에 밀착시킬 수 있도록 링의 중심을 지나는 가압바(129)가 더 형성될 수 있다.

양극 콜렉터(216)가 설치되는 양극커버(214) 역시 본체(112)를 향하는 내면에 양극 콜렉터(216)와 대응되는 형태로 단차홈(126)이 형성된다.

도 8과 도 9는은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 예시하고 있다.

단위셀(11)은 언급한 바와 같이, 음극부(13), 양극부(12), 상기 음극부(13)와 양극부(12) 사이에 위치하는 고체 전해질(14)을 포함하여 이차 전지의 작용을 구현하는 최소 단위로 이해할 수 있다.

복수개의 단위셀(11)이 대용량의 이차 전지 모듈(300)을 구성하게 된다.

단위셀(11)의 각 구성부에 대해서는 이미 위에서 설명한 바, 이하 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며 그 상세한 설명은 생략한다.

단위셀(11)은 복수개가 서로 병렬 연결되어 하나의 전지 모듈을 이룬다.

이차 전지 모듈(300)은 전면에 단위셀(11)이 수용되는 적어도 하나 이상의 홈(312)이 배열 형성되고 고체 전해질(14)이 홈(312)에 접합되는 본체(310), 본체(310)에 설치되어 각 홈(312) 바닥에 배치되며 서로 전기적으로 연결되고 홈(312)에 수용된 음극부(13)와 접하는 음극 콜렉터(320), 본체(310) 외측에 배치되어 상기 양극부(12)에 전기적으로 연결되는 양극 콜렉터(330)를 포함할 수 있다.

본체(310)는 장착되는 단위셀(11)의 개수에 따라 그 크기 및 홈(312)의 개수를 다양하게 형성할 수 있다.

본체(310)는 예를 들어, 사각의 판 구조물로 형성될 수 있으며, 일면에 홈(312)이 간격을 두고 배열 형성된다. 홈(312)은 단위셀(11)과 대응되는 형태와 크기로 형성될 수 있다. 본체(310)는 플라스틱(Plastic), 아크릴(Acryl), PEEK(Polyether ether ketone), 테플론(Teflon), 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic), PC(Propylene Carbonate) 등의 재질인 것을 사용할 수 있다.

본체(310)에 형성되는 홈(312)은 음극부(13)와 고체 전해질(14) 및 양극부(12)가 차례로 적층되도록 단차 가공될 수 있다. 홈(312)의 바닥에는 본체(310)에 설치되어 있는 음극 콜렉터(320)가 위치한다. 즉, 음극 콜렉터(320)는 본체(310) 내부에서 홈(312)의 바닥면을 이룬다. 단위셀(11)은 홈(312)의 바닥면을 이루는 음극 콜렉터(320) 위로 음극부(13)와 고체 전해질(14) 및 양극부(12)가 차례로 적층 설치된다.

본체(310) 내부에는 음극 콜렉터(320)가 일체로 형성된 구조로 되어 있다. 여기서, 일체로 형성된다는 것은 서로 상이한 재질의 본체(310)와 음극 콜렉터(320)가 서로 긴밀하게 접합되어 한 몸체를 이루는 것으로 이해할 수 있다.

본체(310) 내부에 음극 콜렉터(320)가 일체로 형성됨으로써, 음극 콜렉터(320)는 본체(310)에 의해 감싸여진 형태가 되어 이온 함유 용액과의 접촉이 원천적으로 차단된다. 이에, 본체(310)와 음극 콜렉터(320) 사이의 실링성과 조립성을 높이고, 이차 전지 모듈의 부피를 최소화할 수 있게 된다.

본 실시예의 경우 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 음극 콜렉터(320)는 본체(310)의 내부에 삽입되어 한 몸체를 이룰 수 있다. 상기 음극 콜렉터(320)는 상기 본체(310)의 전면에 대응되는 크기를 갖는 판 구조로, 본체(310)에 일체로 접합되어 각 홈(113)의 바닥면을 이룬다. 음극 콜렉터(320)는 전체적으로 하나의 판재로 이루어져 각 홈(312)에 장착되는 각 단위셀(11)의 음극부(13)를 전기적으로 병렬 연결하게 된다.

상기한 구조 외에, 음극 콜렉터는 전체적으로 하나로 연결된 부재이되, 각 홈(312) 위치에 맞춰 홈에 대응되는 형태로 이루어져, 홈과 홈 사이에는 음극 콜렉터가 형성되지 않는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 경우 음극 콜렉터 재료를 보다 줄일 수 있어 전지 모듈 제조 원가를 보다 낮출 수 있다.

음극 콜렉터(320)는 홈(312)에 장착되는 단위셀(11)의 음극부(13)와 전기적으로 연결되어, 본체(310) 내에 수용된 각 단위셀(11)을 병렬 연결한다. 음극 콜렉터(320)는 도전재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 구리 재질로 제조될 수 있다.

본체(310)의 홈(312) 바닥에 음극 콜렉터(320)가 배치된 상태에서 음극 콜렉터(320) 상에 음극부(13)가 위치하고, 고체 전해질(14)은 음극부(13) 상에 위치하여 본체(310)에 접합된다. 고체 전해질(14)은 본체(310)와 접착제를 매개로 접합될 수 있다.

본체(310)와 고체 전해질(14) 사이가 접합됨으로써, 본체(310)의 홈(312) 내부에서 고체 전해질(14)과 음극 콜렉터(320) 사이에 수용된 음극부(13)는 외부와 차단되어 실링이 이루어진다. 이에, 전지팩(110)으로 공급된 이온 함유 용액이 음극부(13)로 유입되는 것을 차단할 수 있게 된다. 음극 콜렉터(320) 또한 본체(310)에 의해 완전히 감싸여진 상태이므로 이온 함유 용액과의 접촉이 차단된다.

고체 전해질(14)의 외측에 양극부(12)가 배치되고, 그 외측에 양극부(12)를 전기적으로 연결하는 양극 콜렉터(330)가 설치된다.

본 실시예에서, 양극 콜렉터(330)는 각 단위셀(11)의 양극부(12) 모두와 연결될 수 있도록 대략 본체(310)의 전면에 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 양극 콜렉터(330)는 양극부(12) 외측에 배치되므로, 전지팩(110)으로 공급된 이온 함유 용액이 양극부(12)로 용이하게 유입될 수 있도록, 이온 함유 용액이 유동되는 구멍이 형성된 격자망 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 음극 콜렉터(320)와 양극 콜렉터(330)는 각각 외측으로 돌출되어 연장되는 단자(128)가 더 형성될 수 있다. 음극 콜렉터(320)에 형성된 단자는 본체(310)를 관통하여 외부로 연장된다. 이에, 이차 전지 모듈(300)은 외측으로 연장된 두 개의 단자(128)를 통해 용이하게 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.

이와 같이, 복수개의 단위셀(11)이 하나의 본체(310)를 공유하여 조립되어 이차 전지 모듈(300)을 이룸으로서, 구성을 최소화하여 모듈의 부피를 최소화하면서 대용량의 전지 모듈을 구현할 수 있게 된다. 또한, 음극 콜렉터(320)와 음극부(13)에 대한 별도의 실링 구조가 불필요하며 보다 완벽한 실링 효과를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 실시예에 따른 이차 전지 모듈 제조 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 이차 전지 모듈(300)은, 복수개의 홈(312)이 형성되고 내부에 음극 콜렉터(320)가 일체로 형성되어 있는 본체(310)를 준비하는 단계, 단위셀(11)을 준비하여 본체(310)의 각 홈(312)에 단위셀(11)을 장착하는 단계, 본체(310) 상에 양극 콜렉터(330)를 설치하여 각 홈(312)에 장착된 단위셀(11)의 양극부(12)를 전기적으로 연결하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.

단위셀(11)을 장착하는 단계를 살펴보면, 먼저 본체(310)의 각 홈(312) 내부에 음극부(13)를 삽입한다. 그리고 음극부(13)상에 고체 전해질(14)을 위치시키고 고체 전해질(14)을 본체(310)의 홈(312)에 접합한다.

본체(310)의 홈(312) 내주면에는 고체 전해질(14)이 놓여질 수 있도록 고체 전해질(14)과 대응되는 단턱(124)이 형성되어 있어서, 단턱(124)에 접착제를 매개로 고체 전해질(14)을 접합할 수 있다.

고체 전해질(14)이 본체(310)의 홈(312)에 접합되면 고체 전해질(14) 상에 양극부(12)를 위치시킴으로써, 본체(310)의 각 홈(312)에 단위셀(11)을 장착할 수 있다.

이와 같이, 단위셀(11)을 본체(310)에 장착하고, 외부로부터 단위셀(11)의 양극부(12)로 이온 함유 용액을 유입시키는 방법을 통해 고출력의 이차 전지 모듈을 제조할 수 있다.

외부로부터 나트륨, 리튬, 마그네슘, 및 이들의 조합을 포함하는 이온 함유 용액을 양극부(12)로 유입시키는 것은, 양극 콜렉터(330)를 통해 단위셀(11)의 양극부(12)로 이온 함유 용액을 유입시키는 것이다. 이를 통해, 외부에는 이온 함유 용액이 존재하며, 전지팩(110)의 외부로부터 격자망 형태의 양극 콜렉터(330)를 통해 이온 함유 용액이 본체(310)에 장착된 각 단위셀(11)의 양극부(12)로 유입될 수 있다. 단위셀(11)의 음극부(13)와 음극 콜렉터(320)는 본체(310) 내부에 위치하여 외부와 완전히 실링된 상태이므로, 이온 함유 용액은 양극부(12)에만 접하게 된다.

이온 함유 용액으로 해수를 사용하는 경우, 이차 전지 모듈에 해수를 공급하거나 해수에 이차 전지 모듈을 담그는 방법으로 전지를 구현할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈로, 단위셀(11)이 본체(310)의 양면에 장착된 구조의 대용량 이차 전지 모듈을 도시하고 있다.

본 실시예의 이차 전지 모듈(400)은. 복수개의 단위셀(11)이 전지팩(110)의 양면에 장착된 구조란 것을 제외하고 이미 언급한 이차 전지 모듈의 구성과 동일하다. 이에, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며 그 상세한 설명은 생략한다.

양면 설치 구조의 이차 전지 모듈(400)에서 단위셀(11)의 배치 개수는 다양하게 변형가능하며, 복수개의 단위셀(11)이 병렬 연결되어 대용량의 이차 전지 모듈을 이룬다.

이차 전지 모듈(400)은 양면에 단위셀(11)이 수용되는 적어도 하나 이상의 홈(312)이 배열 형성된 본체(310), 본체(310) 내부에 설치되고 각 홈(312)의 바닥면을 이루며 서로 전기적으로 연결되고, 홈(312)에 수용된 음극부(13)와 접하는 음극 콜렉터(320), 본체(310) 외측에 배치되어 상기 양극부(12)에 전기적으로 연결되는 양극 콜렉터(330)를 포함할 수 있다.

또한, 본체(310)의 양면에 형성되는 홈(312)은 그 위치가 서로 동일하거나 상이할 수 있다.

본 실시예에서, 이차 전지 모듈(400)은 본체(310) 내부에 일체로 형성된 음극 콜렉터(320)를 사이에 두고 본체(310)의 양면에 홈(312)이 형성되고, 단위셀(11)이 본체(310)의 양면에 대향 배치되어 장착된 구조일 수 있다. 본체(310)의 양면에서 단위셀(11)이 형성될 때, 각각 홈(312)의 바닥면을 이루는 음극 콜렉터(320) 위로 음극부(13)와 고체 전해질(14) 및 양극부(12)가 차례로 적층되어 형성된다.

양극 콜렉터(330)는 본체(310)의 양면에 각각 배치되어 본체(310) 각 면에 배치된 단위셀(11)의 양극부(12)를 전기적으로 연결한다.

본체(310) 내부에 일체로 형성되는 음극 콜렉터(320)는 본체(310) 양면에 형성되는 홈(312)의 공통 바닥면을 이룬다. 즉, 본 실시예에서, 본체(310) 양면에 장착되는 단위셀(11)은 본체(310) 내부에 구비된 하나의 음극 콜렉터(320)를 공유하게 된다. 이에, 음극 콜렉터(320)는 본체(310) 양면에 대향 배치된 각 단위셀(11)의 공통의 음극 콜렉터(320)로 작용하게 된다.

이와 같이, 본체(310) 양면에 배치된 단위셀(11)이 하나의 음극 콜렉터(320)를 공유함으로써, 전지팩(110)의 부피를 보다 최소화하면서 대용량의 전지 모듈(400)을 구현할 수 있게 된다.

도 11과 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시하고 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 복수개의 단위셀(10)의 형태는 사각 단면 구조일 있다.

이에, 단위셀(10)들이 열을 맞춰 각 측면이 서로 마주하도록 격자 형태로 배치됨으로써, 이웃하는 단위셀(10) 사이의 공간을 최소화할 수 있게 된다. 즉, 전지 이외의 불필요하게 낭비되는 공간을 최소화하고, 보다 많은 수의 단위셀(10)을 적재할 수 있게 된다. 따라서 면적 대비 전지 모듈을 용량을 보다 증대시킬 수 있게 된다.

도 12는 복수개의 단위셀(10)이 육각 단면 구조인 이차 전지 모듈(500)을 도시하고 있다.

단위셀(10)이 육각형태인 경우, 이웃하는 단위셀(10)의 의 측면이 서로 마주하도록 열을 맞춰 배치되고, 이에, 이웃하는 단위셀(10) 사이의 공간을 최소화할 수 있게 된다.

따라서, 도 12의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(500)의 경우, 이차 전지 이외의 불필요하게 낭비되는 공간을 최소화하여 면적 대비 전지 모듈의 용량을 최대한 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 대용량으로 구현된 이차 전지 모듈을 도시하고 있다.

본 실시예의 이차 전지 모듈(600)은 복수개의 단위셀 장착된 단위 이차 전지 모듈(110)들이 끼워지도록 복수개의 가이드(612)가 배열 형성되어 복수개의 단위 이차전지 모듈(110)들을 수용하는 하우징(610)을 포함하여, 복수의 이차 전지 모듈(110)들을 전기적으로 연결한 구조일 수 있다.

하우징(610)의 크기나 형태는 다양하게 변형 가능하며 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 하우징(610)은 사각의 박스 구조물일 수 있다. 하우징 내부에는 단위셀들이 복수개 형성된 이차전지모듈(110)들을 차례로 적층할 수 있도록 길이방향을 따라 가이드(612)가 연속적으로 형성될 수 있다. 하우징(610) 내에 적층된 복수의 이차전지모듈(110)에 구비된 단자를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력 대용량의 이차 전지 모듈을 구현할 수 있다.

또한, 본 실시예의 이차 전지 모듈은 하우징(610)을 복수개 연결하여 보다 대용량의 이차 전지 모듈을 구현할 수 있다.

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, 11 : 단위셀 12 : 양극부
13 : 음극부 14 : 고체전해질
16 : 음극 하부 케이스 17 : 음극 상부 케이스
18 : 개구부 19 : 개스킷

Claims

음극부, 양극부 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 위치하는 고체 전해질을 포함하는 복수개의 단위셀;
상기 복수개의 단위셀이 안착되는 복수개의 홈이 배열된 본체; 및
상기 본체의 양극부와 외부의 이온 함유 용액이 유동하는 슬릿 사이에 마련된 양극 콜렉터와 상기 본체의 음극부와 상기 양극 콜렉터 사이를 전기적으로 연결하는 음극 콜렉터를 갖는 콜렉터부를 포함하는,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
서로 이웃하는 홈은 각각 상기 본체의 상부면 위와 하부면 위에 마련되는,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
서로 이웃하는 홈은 모두 상기 본체의 일면 상에 마련되는,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 단위셀, 본체 및 콜렉터부가 일체로 형성된,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 음극 콜렉터는 상기 본체와 동일 평면을 갖고, 상기 본체의 내부에 삽입되어 일체로 형성되며, 상기 홈의 바닥 부분에 마련된,
이차 전지 모듈.
제5항에 있어서,
상기 음극 콜렉터는 상기 본체의 평면에 대응되는 판 형상이며, 상기 홈들의 외주면에 대응되는 위치만 도전재로 이루어진,
이차 전지 모듈.
제5항에 있어서,
상기 음극부는 상기 음극 콜렉터 상에 위치하고, 상기 고체전해질은 상기 음극부 상에 위치하며, 상기 본체의 홈의 외주면에 접합되는,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 양극 콜렉터는 상기 본체의 평면에 대응되는 판 형상이며, 외부로부터 이온 함유 용액이 유입될 수 있도록 격자 배열된 복수의 슬릿을 갖는,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 홈들의 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 중 하나인,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 홈은 상기 본체의 상부면 및 하부면 상에 마련되며,
상기 음극 콜렉터는 상기 상부면 상에 마련된 홈과 상기 하부면 상에 마련된 홈 사이에 삽입되어 상기 본체와 일체로 형성된,
이차 전지 모듈.
제10항에 있어서,
상기 음극 콜렉터는 상기 본체의 형상에 대응되는 판(sheet) 형상이며, 상기 상부면 상에 마련된 홈들 및 상기 하부면 상에 마련된 홈들의 공통 바닥면과 연결되는,
이차 전지 모듈.
제10항에 있어서,
상기 양극 콜렉터는 상기 상부면 및 하부면에 각각 위치하는 양극부와 전기적으로 연결되는 상부면 양극 콜렉터 및 하부면 양극 콜렉터를 포함하는,
이차 전지 모듈.
제10항에 있어서,
상기 홈은 상기 상부면과 하부면 상에 대향 배치되어 상기 상부면 상에 배치된 홈과 하부면 상에 배치된 홈의 중심점이 동일한,
이차 전지 모듈.
제10항에 있어서,
상기 상부면 상에 마련된 홈과 상기 하부면 상에 마련된 홈의 위치는 상이한,
이차 전지 모듈.
제9항에 있어서,
상기 단위셀 및 콜렉터의 형상은 상기 홈의 형상에 대응되는,
이차 전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 콜렉터는 상기 본체 외부로 돌출된 전극을 가지며,
상기 양극 콜렉터는 상기 양극부를 가압하는 가압바를 포함하는,
이차 전지 모듈.