KR20190136783A - 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 금속 재질로 이루어진 양극 집전체의 표면에 양극 활물질이 코팅되어 형성되는 하나 이상의 양극과, 금속 재질로 이루어진 음극 집전체의 표면에 음극 활물질이 코팅되어 형성되는 하나 이상의 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 분리하기 위한 하나 이상의 분리막을 포함하되, 상기 양극 집전체 및 음극 집전체는, 미리 결정된 공정에 의해 그 표면이 조면화 처리되어, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 활물질이 코팅되는 집전체의 물리적/전기적 특성을 개선한 에너지 저장장치에 관한 것이다.
전기 에너지를 저장하는 에너지 저장장치로는 전지(battery)와 캐패시터(capacitor)가 있다. 이러한 캐패시터 중 울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor, SC) 또는 전기 이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)라고도 불리며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터는, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 애플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 캐패시터는 빠른 충/방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원뿐만 아니라, 고 용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주 전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하며, 이와 같은 용도로 많이 이용되고 있다.
이러한 울트라 커패시터의 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터(Separator) 및 음극이 적층된 것으로서, 권취 구조 또는 스택 구조를 갖는다. 양극과 음극은 각각 금속 박막(Metal Foil)으로 이루어진 양극 집전체 및 음극 집전체와, 상기 양극 집전체와 음극 집전체에 각각 도포된 양극 활물질 및 음극 활물질을 구비한다.
양극 활물질 및 음극 활물질은 양극 집전체와 음극 집전체의 양면에 활물질 슬러리를 코팅 및 건조하는 공정에 의해 형성된다. 집전체에 활물질을 코팅하는 방법은 수계 전해액을 이용한 코팅 방법과 유기계 전해액을 이용한 코팅 방법으로 나뉘며, 전자의 방법이 친환경적이고 원가 절감에도 유리하다.
그런데, 용매가 수계인 경우, 활물질 고유의 소수성(疏水性)으로 인해 활물질의 분산성이 떨어진다. 이로 인해 슬러리가 금속 박막의 표면에 잘 도포되지 않으면 코팅 상태가 불 균일하게 되고, 건조 중 불 균일한 열적 스트레스로 인한 균열이 발생하며, 활물질이 집전체로부터 박리되거나 용량 발현이 불균형하게 일어나는 현상을 초래하게 된다.
따라서, 슬러리 코팅 시, 접착력 및 신뢰성이 우수한 집전체가 요구되고, 그 판단 기준 역시 슬러리 코팅 원리에 맞게 집전체의 물성에 관한 척도를 확립하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 활물질이 코팅되는 집전체의 물리적/전기적 특성을 개선하여 신뢰성을 향상시킨 에너지 저장장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 최적의 표면 정전 용량을 갖는 집전체를 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 금속 재질로 이루어진 양극 집전체의 표면에 양극 활물질이 코팅되어 형성되는 하나 이상의 양극과, 금속 재질로 이루어진 음극 집전체의 표면에 음극 활물질이 코팅되어 형성되는 하나 이상의 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 분리하기 위한 하나 이상의 분리막을 포함하되, 상기 양극 집전체 및 음극 집전체는, 미리 결정된 공정에 의해 그 표면이 조면화 처리되어, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 미리 결정된 공정은, 전기/화학적 에칭 공정 또는 샌딩(sanding) 공정임을 특징으로 한다. 또한, 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 표면에는, 전기/화학적 에칭 공정을 통해 복수의 에칭 영역들(etching areas)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 복수의 에칭 영역들의 크기는 양극 및 음극 활물질의 입자 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 복수의 에칭 영역들의 깊이는 전체 두께의 1/3 미만으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 복수의 에칭 영역들의 용량에 대응하는 표면 정전 용량은 정전용량 측정기를 통해 측정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 최적의 표면 정전 용량을 갖는 양극 및 음극 집전체와 양극 및 음극 활물질을 이용하여 전극 조립체를 제조함으로써, 상기 양극 및 음극 집전체와 양극 및 음극 활물질 간의 코팅 접착력을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 최적의 표면 정전 용량을 갖는 양극 및 음극 집전체와 양극 및 음극 활물질을 이용하여 전극 조립체를 제조함으로써, 에너지 저장장치의 초기 저항, 저항 증가율, 부반응 가스 발생율 및 용량 유지율 등을 효과적으로 개선할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 내부 구조를 도시한 단면도;
도 2는 도 1의 에너지 저장장치의 전극 조립체를 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집전체의 표면을 나타내는 평면도와 단면도;
도 4는 집전체의 표면 정전 용량을 평가하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5a는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 초기 저항을 나타내는 도면;
도 5b는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 저항 증가율을 나타내는 도면;
도 5c는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율을 나타내는 도면;
도 5d는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 용량 유지율을 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 에너지 저장장치의 전극 조립체를 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집전체의 표면을 나타내는 평면도와 단면도;
도 4는 집전체의 표면 정전 용량을 평가하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5a는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 초기 저항을 나타내는 도면;
도 5b는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 저항 증가율을 나타내는 도면;
도 5c는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율을 나타내는 도면;
도 5d는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 용량 유지율을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 첨부된 도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명은 활물질이 코팅되는 집전체의 물리적/전기적 특성을 개선하여 신뢰성을 향상시킨 에너지 저장장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 최적의 표면 정전 용량을 갖는 집전체를 구비하는 에너지 저장장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 내부 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(100)는 전극 조립체(105), 상기 전극 조립체(105)의 음극 전극과 양극 전극에 각각 대면하여 배치되는 제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)과, 상기 전극 조립체(105)와 제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)을 수용하는 바디 케이스(110)와, 상기 바디 케이스(110)의 상부를 커버하는 상부 케이스(130)와, 상기 제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)에 전기적으로 연결되며 상기 상부 케이스(130)의 상면과 상기 바디 케이스(110)의 하면에 각각 형성되는 제1 및 제2 외부 터미널(131, 111)을 포함할 수 있다.
전극 조립체(또는 베어셀, 105)는 양극 전극, 음극 전극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성되어 전기화학적 에너지 저장기능을 제공한다. 상기 전극 조립체(105)에 대한 자세한 설명은 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
바디 케이스(110)는 권취 소자 형태로 가공된 전극 조립체(105)를 수용할 수 있는 수용 공간이 형성된 원통형의 몸체를 갖는다. 상기 원통형 몸체는 전극 조립체(105)를 소정 간격만큼 이격된 상태로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 바디 케이스(110)는 알루미늄 원통 형태로 구성될 수 있다.
바디 케이스(110)에는 상부 케이스(130)를 고정하기 위하여 상단에서 내측으로 구부러진 형태의 커링 가공부(160)가 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 커링 가공부(160)는 곡면 형상을 갖도록 바디 케이스(110)의 단부가 굴곡되어 형성될 수 있다. 상기 커링 가공부(160)에 의해 바디 케이스(110)의 내부 압력을 유지할 수 있다.
바디 케이스(110)에는 제2 내부 터미널(140)과 전기적으로 연결되는 제2 외부 터미널(111)이 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제2 내부 터미널(140)과 전기적으로 연결되는 바디 케이스(110)와 커링 가공부(160)는 양극의 극성을 가질 수 있다.
제2 외부 터미널(111)은 바디 케이스(110)의 하단 중심부에서 하부 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 제2 외부 터미널(111)의 외주면에는 나사산이 형성될 수 있다.
상부 케이스(130)는 바디 케이스(110)의 상부에 끼워져서 개방부가 밀폐되도록 결합되고, 원형의 외주를 가지는 판상 형 구조를 갖는다. 일 예로, 상기 상부 케이스(130)는 몸체에 해당하는 상판 부재(133)와, 상기 상판 부재(133)의 상부에 형성되는 터미널 돌출부(132)와, 상기 터미널 돌출부(132)의 상부에 형성되는 제1 외부 터미널(131)과, 상기 상판 부재(133)의 하부에 형성되는 결합 돌출부(134)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상판 부재(133), 터미널 돌출부(132), 제1 외부 터미널(131) 및 결합 돌출부(134)는 일체로 형성될 수 있다.
상판 부재(133)는 전극 조립체(105)의 상부에 배치되며, 바디 케이스(110)의 상부와 결합될 수 있다. 상기 상판 부재(133)는 바디 케이스(110)의 상부에 형성된 개방부를 밀폐하도록 원형의 판상 구조로 형성될 수 있다.
터미널 돌출부(132)는 상판 부재(133)의 중심부에서 상부 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 터미널 돌출부(132)는 원형의 판상 구조로 형성될 수 있다.
제1 외부 터미널(131)은 터미널 돌출부(132)의 중심부에서 상부 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 외부 터미널(131)의 외주면에는 나사산이 형성될 수 있다.
결합 돌출부(134)는 상판 부재(133)의 하부 측으로 돌출되어 원형의 외주와 동심원을 가지며 내부가 개방되도록 형성될 수 있다. 상기 결합 돌출부(134)는 적어도 일 부분이 제1 내부 터미널(120)과 접촉되어, 상기 제1 내부 터미널(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 외부 터미널(131)은 상판 부재(133), 터미널 돌출부(132) 및 결합 돌출부(134)와 일체로 형성되기 때문에, 제1 내부 터미널(120)과 전기적으로 연결될 수 있다.
결합 돌출부(134)는 제1 내부 터미널(120)의 측면 프레임에 삽입 결합되어 상부 케이스(130)와 제1 내부 터미널(120) 사이에 내부 공간(135)을 제공할 수 있다.
상부 케이스(130)에는 바디 케이스(110)의 커링 가공부(160)가 위치하는 부분에 제1 절연부재(152)가 구비될 수 있다. 상기 제1 절연부재(152)는 상부 케이스(130)의 외주면을 따라 배치될 수 있으며, 원형의 고리 모양으로 형성될 수 있다. 상기 제1 절연부재(152)는 제2 외부 터미널(111)과 전기적으로 연결되는 바디 케이스(110)와 제1 외부 터미널(131)과 전기적으로 연결되는 상부 케이스(130)가 서로 쇼트(short)되는 것을 방지할 수 있다.
상부 케이스(130)에는 전해질을 주입하기 위한 패스와 진공 작업을 위한 에어 벤트(Air Vent)로 사용되는 중공이 형성될 수 있고, 이러한 중공에는 바디 케이스(110) 내의 증가된 압력을 외부로 배출하기 위한 안전변(170)이 설치될 수 있다.
제1 내부 터미널(120)은 바디 케이스(110)의 내부에서 전극 조립체(105)의 음극 전극과 대면하도록 배치될 수 있고, 제2 내부 터미널(140)은 바디 케이스(110)의 내부에서 전극 조립체(105)의 양극 전극과 대면하도록 배치될 수 있다.
제1 내부 터미널(120)은 바디 케이스(110)의 상부에 배치되며, 전극 조립체(105)의 음극 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 제2 절연 부재(151)에 의해 바디 케이스(110)에 대하여 절연되는 동시에 상부 케이스(130)에 접촉되어 상부 케이스(130)의 상단부 중심에 마련된 제1 외부 터미널(131)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 내부 터미널(140)은 바디 케이스(110)의 하부에 배치되며, 전극 조립체 (105)의 양극 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 바디 케이스(110)에 접촉되어 바디 케이스(110)의 하단부 중심에 마련된 제2 외부 터미널(111)과 연결될 수 있다.
한편, 이상 본 실시 예에서는 제1 내부 터미널(120)과 제1 외부 터미널(131)이 전극 조립체(105)의 음극 전극과 전기적으로 연결되고, 제2 내부 터미널(140)과 제2 외부 터미널(111)이 전극 조립체(105)의 양극 전극과 전기적으로 연결되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않는다. 따라서, 제1 내부 터미널(120)과 제1 외부 터미널(131)이 전극 조립체(105)의 양극 전극과 전기적으로 연결되고, 제2 내부 터미널(140)과 제2 외부 터미널(111)이 전극 조립체(105)의 음극 전극과 전기적으로 연결되도록 구성할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 2는 도 1의 에너지 저장장치의 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체(105)는 양극(10), 세퍼레이터(20) 및 음극(30)이 차례대로 적층되어 형성된다. 상기 전극 조립체(105)는 젤리-롤(Jelly-Roll) 형태의 권취 구조 또는 스택 구조로 가공되어 전해질과 함께 바디 케이스의 내부에 수용된다.
세퍼레이터(또는 분리막, 20)는 양극(10)과 음극(30) 사이에 배치되어, 양극(10)과 음극(30)을 전기적으로 분리하는 역할을 수행한다. 상기 세퍼레이터(20)는 펄프 또는 폴리머 계열의 단위 섬유를 멜트 브라운(Melt-Blown) 공정에 의해 부정방향으로 배열되도록 구성될 수 있다. 상기 펄프는 목재나 그 밖의 섬유 식물에서 기계적/화학적 방법에 의하여 얻는 셀룰로오스 섬유의 집합체를 의미하며, 상기 폴리머 계열의 합성수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 이용될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 설명의 편의상, 세퍼레이터(20)가 양극(10) 및 음극(30) 사이에 배치되는 것을 예시하고 있지만 이를 제한하지는 않으며, 양극(10) 및 음극(30)이 외부로 노출되지 않도록 하기 위해 양극(10) 및 음극 (30)의 외부에도 세퍼레이터(20)가 추가로 배치될 수 있다.
양극(10)은 금속 박막(Metal Foil)으로 이루어진 양극 집전체(11)와, 다공성 활성탄으로 구성된 양극 활물질(12)을 포함한다. 이러한 양극(10)은 세퍼레이터(20)를 사이에 두고 음극(30)과 대향한다.
양극 집전체(11)는 예컨대, 알루미늄 박막(Aluminum Foil) 또는 구리 박막(Copper Foil) 등과 같은 금속 박막으로 구성된다. 양극 활물질(12)은, 활성 탄소(Activated Carbon)로서, 상기 양극 집전체(11)의 양면에 활물질 슬러리를 코팅 및 건조하는 공정에 의해 형성된다.
음극(30)은 금속 박막(Metal Foil)으로 이루어진 음극 집전체(31)와, 다공성 활성탄으로 구성된 음극 활물질(32)을 포함한다. 마찬가지로, 음극(30)은 세퍼레이터(20)를 사이에 두고 양극(10)과 대향한다.
음극 집전체(31)는 예컨대, 알루미늄 박막(Aluminum Foil) 또는 구리 박막(Copper Foil) 등과 같은 금속 박막으로 구성된다. 음극 활물질(32)은, 활성 탄소로서, 상기 음극 집전체(31)의 양면에 활물질 슬러리를 코팅 및 건조하는 공정에 의해 형성된다.
양극 및 음극 활물질(12, 32)은 양극 및 음극의 전기에너지를 저장하는 역할을 수행한다. 상기 양극 및 음극 활물질(12, 32)은 금속 산화물과 바인더가 혼합되어 구성될 수 있고, 양극 및 음극 집전체(11, 31)의 양면에 넓게 코팅하기 위해 수계 용매를 사용할 수 있다.
양극 및 음극 활물질(12, 32)은 마이크로적으로 거의 원형에 가까운 기공들을 포함하여 넓은 표면적을 가지며, 상기 양극(10)과 음극(30)에 동일하게 활물질로 작용되어 그 각 표면이 전해액과 접촉하게 된다. 상기 양극 및 음극(10, 30)에 소정의 전압이 가해지면, 전해액에 포함된 양이온 및 음이온이 각각 양극(10)과 음극(30)으로 이동하여 양극 및 음극 활물질(12, 32)의 세부 기공으로 침투하게 된다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)는 양극 및 음극 활물질(12, 32)로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동 통로 역할을 수행한다. 상기 양극 및 음극 집전체(11, 31)는 전기 도금법으로 전해금속박을 제조하는 제박공정과 금속박에 표면 처리를 수행하는 후처리 공정을 통해 제조된다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)는 상술한 후처리 공정을 통해 금속 박막의 표면을 처리하여 양극 및 음극 활물질(12, 32)과의 접착력을 향상시키고, 에너지 저장장치(100)의 신뢰성을 개선시킨다. 이러한 표면 처리를 통해 집전체(11, 31) 역할에 적합한 물리적/전기적 특성을 부여하게 된다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)는 전기/화학적 에칭법 또는 샌딩(sanding)법에 의하여 그 표면이 조면화(粗面化) 처리된다. 여기서, 조면화란 양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면에 치상돌기 또는 앵커패턴을 인위적으로 형성시켜, 그 표면적을 늘림으로써 접착력을 증대시키는 것을 의미한다.
전기/화학적 에칭법은 압연된 금속 박막의 표면을 전기적 또는 화학적 방식으로 에칭하여 그 실효 면적을 증가시키는 공정이고, 샌딩법은 금속 박막의 표면에 미세한 입자를 물리적으로 충돌시켜 그 실효 면적을 증가시키는 공정이다.
일반적으로 집전체와 활물질 간의 코팅 접착력을 높이기 위해서는 슬러리 제조 과정에서 바인더의 함량을 높이는 방법이 있으나, 이는 바인더의 함량 증가로 활물질의 질량이 상대적으로 감소하여 전체 용량이 감소하게 되고, 바인더에 의해 저항이 높아지게 되는 단점이 있다. 따라서, 집전체와 활물질 간의 접착력을 높이기 위해서는 바인더의 함량을 증가시키는 방법 외에, 집전체의 표면 처리를 수행하는 방법을 이용한다. 이하, 본 실시 예에서는 전기/화학적 에칭법을 이용하여 집전체의 표면 처리를 수행하는 것을 예시하여 설명하도록 한다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)에 대한 표면 에칭 처리가 과도하게 이루어지면, 집전체(11, 31)의 전체 용량이 감소하여 집전체(11, 31)의 전기적 저항이 높아지게 되고, 집전체(11, 31)의 인장강도가 감소하여 장력을 걸어줄 때 파단이 일어나는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 양극 및 음극 집전체(11, 31)에 대한 표면 에칭 처리가 상대적으로 적게 이루어지면, 양극 및 음극 활물질(12, 32)이 양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면에 코팅되었다가 쉽게 박리될 수 있고, 더 나아가 타발 공정 혹은 스크래치 등에 의해 양극 및 음극 활물질(12, 32)이 벗겨질 수 있다. 아울러, 건조 공정 혹은 압착 공정 등과 같이 열적인 스트레스가 가해지는 경우에는 물리적 변형이 생길 수 있고, 충/방전 진행 시 양극 및 음극 활물질(12, 32)의 부피 변화에 따른 스트레스에 의해서도 박리가 점차 진행되어 저항 증가뿐만 아니라 신뢰성 저하를 초래할 수 있다.
이처럼, 양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면을 에칭하는 정도(이하, 설명의 편의상 '표면 에칭 용량'이라 칭함)는, 양극 및 음극 집전체(11, 31)와 양극 및 음극 활물질(12, 32) 간의 코팅 접착력뿐만 아니라 에너지 저장장치(100)의 신뢰성과 밀접한 관련이 있다. 따라서, 양극 및 음극 집전체(11, 31)에 대해 표면 처리할 최적의 에칭 용량을 결정하는 것이 매우 중요하다. 하지만, 양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면 에칭 용량은 그 자체로 측정이 어려우므로 표면 정전 용량을 이용하여 정량화될 수 있다. 이는 집전체의 표면 에칭 용량과 표면 정전 용량이 서로 비례하는 관계에 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 양극 및 음극 집전체(11, 31)는, 전기/화학적 에칭법 또는 샌딩법 등에 의해 그 표면이 조면화 처리되어, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖도록 형성될 수 있다.
가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 양극 및 음극 집전체(11, 31)는 금속 박막의 표면에 대한 에칭 공정을 통해 형성된 복수의 에칭 영역들(etching areas)의 전체 용량이 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 복수의 에칭 영역들은 입자 모양으로 형성될 수 있다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면에 형성된 에칭 영역들의 크기는, 양극 및 음극 활물질(12, 32)의 입자 크기보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 에칭 영역의 직경이 활물질 입자의 직경보다 크게 되면, 에칭 영역이 접착점으로 작용하기 보다는 결점(defect)으로 작용하게 되어 신뢰성 특성 및 저항 특성에 악영향을 주기 때문이다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면에 형성된 에칭 영역들의 깊이는 미리 결정된 깊이(가령, 전체 두께의 1/3 또는 1/4) 미만으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 에칭 영역의 깊이가 너무 길면, 집전체(11, 31)의 무게 손실에 의한 전기 저항이 커짐은 물론, 인장강도 특성이 현저히 떨어지기 때문이다.
양극 및 음극 집전체(11, 31)의 표면에 형성된 에칭 영역들의 용량(즉, 표면 에칭 용량)에 대응하는 표면 정전 용량은 일반적인 정전용량 측정기를 통해 측정될 수 있다. 가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 비커 용기(410)의 측정액(420)에 양극 집전체(430) 및 음극 집전체(440)를 일정 거리(가령, 5±2㎜)만큼 이격시켜 담근 후, 상기 양극 집전체(430) 및 음극 집전체(440)를 정전용량 측정기(450)에 전기적으로 연결한다. 이러한 연결 상태에서, 정전용량 측정기(450)는 양극 집전체(430) 및 음극 집전체(440)에 소정의 전원을 인가하여 상기 양극 집전체(430) 및 음극 집전체(440)의 정전 용량(㎌)을 측정할 수 있다.
도 5a는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 초기 저항을 나타내는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 서로 다른 표면 정전 용량을 갖는 집전체들을 각각 구비하는 에너지 저장장치들의 초기 저항을 시뮬레이션한 결과, 0㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제1 집전체를 구비하는 제1 에너지 저장장치의 초기 저항은 6mΩ이고, 30㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제2 집전체를 구비하는 제2 에너지 저장장치의 초기 저항은 3.7mΩ이며, 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제3 집전체를 구비하는 제3 에너지 저장장치의 초기 저항은 3.8mΩ이고, 120㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제4 집전체를 구비하는 제4 에너지 저장장치의 초기 저항은 4.2mΩ이다.
따라서, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 집전체를 이용하여 전극 조립체를 제조하는 경우, 해당 에너지 저장장치의 초기 저항이 가장 낮은 수치를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 5b는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 저항 증가율을 나타내는 도면이다.
도 5b를 참조하면, 서로 다른 표면 정전 용량을 갖는 집전체들을 각각 구비하는 에너지 저장장치들의 저항 증가율을 시뮬레이션한 결과, 0㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제1 집전체를 구비하는 제1 에너지 저장장치의 저항 증가율은 242%이고, 30㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제2 집전체를 구비하는 제2 에너지 저장장치의 저항 증가율은 210%이며, 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제3 집전체를 구비하는 제3 에너지 저장장치의 저항 증가율은 202%이고, 120㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제4 집전체를 구비하는 제4 에너지 저장장치의 저항은 213%이다.
따라서, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 집전체를 이용하여 전극 조립체를 제조하는 경우, 해당 에너지 저장장치의 저항 증가율이 가장 낮은 수치를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 5c는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율을 나타내는 도면이다.
도 5c를 참조하면, 서로 다른 표면 정전 용량을 갖는 집전체들을 각각 구비하는 에너지 저장장치들의 부반응 가스 발생율을 시뮬레이션한 결과, 0㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제1 집전체를 구비하는 제1 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율은 104.1%이고, 30㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제2 집전체를 구비하는 제2 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율은 103.5%이며, 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제3 집전체를 구비하는 제3 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율은 103.1%이고, 120㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제4 집전체를 구비하는 제4 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율은 104.4%이다.
따라서, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 집전체를 이용하여 전극 조립체를 제조하는 경우, 해당 에너지 저장장치의 부반응 가스 발생율이 가장 낮은 수치를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 5d는 집전체의 표면 정전 용량에 따른 에너지 저장장치의 용량 유지율을 나타내는 도면이다.
도 5d를 참조하면, 서로 다른 표면 정전 용량을 갖는 집전체들을 각각 구비하는 에너지 저장장치들의 초기 저항을 시뮬레이션한 결과, 0㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제1 집전체를 구비하는 제1 에너지 저장장치의 용량 유지율은 85.5%이고, 30㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제2 집전체를 구비하는 제2 에너지 저장장치의 용량 유지율은 88%이며, 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제3 집전체를 구비하는 제3 에너지 저장장치의 용량 유지율은 87%이고, 120㎌의 표면 정전 용량을 갖는 제4 집전체를 구비하는 제4 에너지 저장장치의 용량 유지율은 82%이다.
따라서, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 집전체를 이용하여 전극 조립체를 제조하는 경우, 해당 에너지 저장장치의 용량 유지율이 가장 높은 수치를 갖는 것을 확인할 수 있다.
상술한 시뮬레이션 결과를 종합한 결과, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖는 양극 및 음극 집전체를 이용하여 전극 조립체를 구현한 경우, 해당 에너지 저장장치의 초기 저항, 저항 증가율, 부반응 가스 발생율 및 용량 유지율 등이 효과적으로 개선되는 것을 확인할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치는 최적의 표면 정전 용량을 갖는 양극 및 음극 집전체를 이용한 전극 조립체를 구비함으로써, 양극 및 음극 집전체와 양극 및 음극 활물질 간의 코팅 접착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 저장 셀의 초기 저항, 저항 증가율, 부반응 가스 발생율 및 용량 유지율 등을 효과적으로 개선할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 에너지 저장장치 110: 바디 케이스
120: 제1 내부 터미널 130: 상부 케이스
140: 제2 내부 터미널 150: 절연 부재
160: 밸런싱 회로기판 170: 안전변
105: 전극 조립체 10: 양극
11: 양극 집전체 12: 양극 활물질
20: 세퍼레이터 30: 음극
31: 음극 집전체 32: 음극 활물질
120: 제1 내부 터미널 130: 상부 케이스
140: 제2 내부 터미널 150: 절연 부재
160: 밸런싱 회로기판 170: 안전변
105: 전극 조립체 10: 양극
11: 양극 집전체 12: 양극 활물질
20: 세퍼레이터 30: 음극
31: 음극 집전체 32: 음극 활물질
Claims (6)
- 금속 재질로 이루어진 양극 집전체의 표면에 양극 활물질이 코팅되어 형성되는 하나 이상의 양극과, 금속 재질로 이루어진 음극 집전체의 표면에 음극 활물질이 코팅되어 형성되는 하나 이상의 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 분리하기 위한 하나 이상의 분리막을 포함하되,
상기 양극 집전체 및 음극 집전체는, 미리 결정된 공정에 의해 그 표면이 조면화 처리되어, 30㎌ 내지 70㎌의 표면 정전 용량을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치. - 제1항에 있어서,
상기 미리 결정된 공정은, 전기/화학적 에칭 공정 또는 샌딩(sanding) 공정임을 특징으로 하는 에너지 저장장치. - 제2항에 있어서,
상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 표면에는, 상기 전기/화학적 에칭 공정을 통해 복수의 에칭 영역들(etching areas)이 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치. - 제3항에 있어서,
상기 복수의 에칭 영역들의 크기는 상기 양극 및 음극 활물질의 입자 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치. - 제3항에 있어서,
상기 복수의 에칭 영역들의 깊이는 전체 두께의 1/3 미만으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치. - 제3항에 있어서,
상기 복수의 에칭 영역들의 용량에 대응하는 표면 정전 용량은 정전용량 측정기를 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180062925A KR20190136783A (ko) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | 에너지 저장장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180062925A KR20190136783A (ko) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | 에너지 저장장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190136783A true KR20190136783A (ko) | 2019-12-10 |
Family
ID=69002529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180062925A KR20190136783A (ko) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | 에너지 저장장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20190136783A (ko) |
-
2018
- 2018-05-31 KR KR1020180062925A patent/KR20190136783A/ko not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |