KR20210039568A - 리튬 공기전지 패키지 - Google Patents

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KR20210039568A
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오광석
김원근
송종찬
이지용
권은지
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 리튬 공기전지의 각 구성을 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀을 구비하고, 원통형 유닛 셀을 집전 케이스의 내부에 패키징하여, 원통형 유닛 셀의 둘레부가 아닌 양면을 통해 공기 공급 및 집전이 이루어지도록 함으로써, 원통형 유닛 셀에 포함된 양극으로의 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어지는 동시에 집전이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한 원통형 구조의 리튬 공기전지 패키지를 제공하고자 한 것이다.

Description

리튬 공기전지 패키지{LITHIUM AIR BATTERY PACKAGE}
본 발명은 리튬 공기전지 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극에 대한 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어짐과 함께 집전이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한 원통형 구조의 리튬 공기전지 패키지에 관한 것이다.
리튬 공기전지는 음극으로 리튬을 사용하고, 양극(공기극)은 활물질로서 공기 중의 산소를 이용하는 전지 시스템으로써, 리튬 이온전지에 비해 가격이 저렴하고, 환경 친화적이며, 우수한 안전성 등의 장점을 가지는 것을 감안하여 전기자동차 등 친환경 차량의 전원으로 사용하기 위한 연구 개발이 진행되고 있다.
상기 리튬 공기전지는 방전 반응시 음극의 리튬금속이 산화되어 리튬이온과 전자가 생성되고, 상기 리튬이온은 전해질을 통하여 양극으로 이동함과 함께 상기 전자는 외부 도선 또는 집전체를 통하여 양극으로 이동하게 되며, 이와 함께 외부 공기에 포함된 산소가 양극으로 유입되어 상기 전자에 의해 환원되어 리튬이온과 반응하며 Li2O2가 형성된다.
참고로, 상기 리튬 공기전지의 충전 반응은 위의 방전 반응과 반대의 반응으로 진행된다.
이러한 리튬 공기전지는 다수의 유닛 셀을 다양한 방법으로 패키징하여 제조되고 있으며, 종래 기술의 일례로서 한국공개특허 제10-2018-0036455호에는 원통형으로 패키징된 다수의 유닛 셀을 포함하는 금속-전지가 공개되어 있다.
상기 리튬 공기전지를 원통형 구조로 패키징함에 있어서, 가장 중요한 사항은 리튬 공기전지의 에너지밀도를 증대시키기 위하여 리튬 공기전지를 구성하는 모든 유닛 셀 내부의 양극에 공기가 원활하게 공급되어야 하고, 아울러 집전이 효율적으로 이루어져야 한다.
그러나, 종래 금속-전지의 경우, 원통형으로 패키징된 각 유닛 셀의 집전부가 원통의 둘레부에 위치함에 따라, 각 원통형 유닛 셀을 서로 밀착시키며 스택 구조로 구성할 때, 각 유닛 셀의 집전부 간을 상호 도전 가능하게 연결하는데 어려움이 있다.
또한, 종래의 금속-전지의 경우, 원통형으로 패키징된 각 유닛 셀을 스택 구조로 구성할 때, 각 유닛 셀이 길이방향 및 반경방향을 따라 상호 밀착된 상태가 됨으로써, 각 유닛 셀에 포함된 양극에 대한 공기 공급 경로를 확보하는데 어려움이 있고, 그에 따라 각 유닛 셀 내부에 존재하는 양극에 공기가 원활하게 공급되지 못하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2018-0036455호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 리튬 공기전지의 각 구성을 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀을 구비하고, 원통형 유닛 셀을 집전 케이스의 내부에 패키징하여, 원통형 유닛 셀의 둘레부가 아닌 양면을 통해 공기 공급 및 집전이 이루어지도록 함으로써, 원통형 유닛 셀에 포함된 양극으로의 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어지는 동시에 집전이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한 원통형 구조의 리튬 공기전지 패키지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 분리막의 일면에 적층되는 음극과, 상기 분리막의 타면에 적층되는 양극과, 상기 음극의 외면에 적층되는 음극 집전체와, 상기 양극의 외면에 적층되는 양극 집전체를 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀; 및 상기 원통형 유닛 셀의 둘레부를 절연 가능하게 감싸는 외장재와, 상기 외장재의 상면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀의 상면 위에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 노출되는 상기 양극 집전체와 도전 가능하게 연결되는 양극 집전판과, 상기 외장재의 저면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀의 저면 아래에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀의 저면을 통해 노출되는 상기 음극 집전체와 도전 가능하게 연결되는 음극 집전판으로 구성되는 집전 케이스; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 양극 집전체의 상단부에는 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 양극 집전판과 도전 가능하게 접촉하는 양극 집전탭이 일체로 연장 형성되고, 상기 음극 집전체의 하단부에는 상기 원통형 유닛 셀의 저면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 음극 집전판과 도전 가능하게 접촉하는 음극 집전탭이 일체로 연장 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 양극 집전탭은 양극 집전체의 상단부에 하나 또는 2개 이상의 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되고, 상기 음극 집전탭도 음극 집전체의 하단부에 하나 또는 2개 이상의 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 원통형 유닛 셀은 그 상하면을 통해 외부로 노출된 양극으로 공기 공급이 이루어진 후, 양극 전체 면적에 걸쳐 공기 확산이 가능한 높이로 설정되어 와인딩된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 음극 집전체 및 음극 집전탭은 구리 포일로 채택된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 양극 집전체 및 양극 집전탭은 양극에 대한 공기 확산을 위하여 다공성의 공기 확산 경로를 갖는 금속 폼 또는 금속 메쉬 구조로 제작된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 외장재는 절연성 폴리머 또는 절연성 폴리머가 코팅된 금속재로 구성된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 양극 집전판과 음극 집전판은 공기 흐름을 위한 다수의 공기통과홀이 형성된 도전성 금속판으로 채택된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 양극 집전판의 중앙부에는 원통형 유닛 셀이 내재된 집전 케이스의 적층시 서로 마주보는 양극 집전판과 음극 집전판 사이에 공기통로가 형성되도록 적층용 캡이 상부로 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 분리막의 일면에 적층되는 음극과, 상기 분리막의 타면에 적층되는 양극과, 상기 음극의 외면에 적층되는 음극 집전체와, 상기 양극의 외면에 적층되는 양극 집전체와, 양극 집전체의 외면에 밀착 배치되는 양극 집전봉을 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀; 및 상기 원통형 유닛 셀의 둘레부를 절연 가능하게 감싸는 외장재와, 상기 외장재의 상면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀의 상면 위에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 노출되는 상기 양극 집전봉과 도전 가능하게 연결되는 양극 집전판과, 상기 외장재의 저면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀의 저면 아래에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀의 저면을 통해 노출되는 상기 음극 집전체와 도전 가능하게 연결되는 음극 집전판으로 구성되는 집전 케이스; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 양극 집전봉은 상기 원통형 유닛 셀의 중심부에 위치되는 동시에 그 상단부는 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 양극 집전판과 도전 가능하게 접촉되고, 상기 음극 집전체의 하단부에는 상기 원통형 유닛 셀의 하면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 음극 집전판과 도전 가능하게 접촉하는 음극 집전탭이 일체로 연장 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 음극 집전탭은 음극 집전체의 하단부에 하나 또는 2개 이상의 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 원통형 유닛 셀은 그 상하면을 통해 외부로 노출된 양극으로 공기 공급이 이루어진 후, 양극 전체 면적에 걸쳐 공기 확산이 가능한 높이로 설정되어 와인딩된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 음극 집전체 및 음극 집전탭은 구리 포일로 채택된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 양극 집전체는 양극에 대한 공기 확산을 위하여 다공성의 공기 확산 경로를 갖는 금속 폼 또는 금속 메쉬 구조로 제작된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 외장재는 절연성 폴리머 또는 절연성 폴리머가 코팅된 금속재로 구성된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 양극 집전판과 음극 집전판은 공기 흐름을 위한 다수의 공기통과홀이 형성된 도전성 금속판으로 채택된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 양극 집전판의 중앙부에는 원통형 유닛 셀이 내재된 집전 케이스의 적층시 서로 마주보는 양극 집전판과 음극 집전판 사이에 공기통로가 형성하는 동시에 상기 양극 집전봉과 도전 가능하게 접촉하는 적층용 캡이 상부로 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 양극 집전판의 적층용 캡의 저면에는 양극 집전봉의 상단부가 도전 가능하게 삽입되어 접촉되는 집전봉 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 원통형 유닛 셀의 상면부와 상기 양극 집전판의 저면부 사이, 그리고 상기 원통형 유닛 셀의 저면부와 상기 음극 집전판의 상면부 사이에는 공기 만을 투과하는 절연성 필름이 삽입 배치된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 리튬 공기전지의 각 구성을 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀을 구비하고, 원통형 유닛 셀을 상하방향 및 좌우방향으로 공기가 순환하도록 한 구조로 만들어진 집전 케이스의 내부에 도전 가능하게 패키징함으로써, 원통형 유닛 셀의 둘레면이 아닌 양면(상면 및 하면)을 통하여 양극으로의 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어질 수 있다.
둘째, 리튬 공기전지의 각 구성을 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀을 구비하고, 원통형 유닛 셀의 둘레면이 아닌 양면(예, 상면 및 하면)을 통하여 양극 집전체의 양극 집전탭과 음극 집전체의 음극 집전탭이 외부로 돌출되도록 함으로써, 원통형 유닛 셀의 양면을 통해 집전이 효율적으로 이루어질 수 있다.
셋째, 원통형 유닛 셀이 내재된 집전 케이스를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하더라도, 집전 케이스에 형성된 공기통과홀에 의하여 공기의 상하방향 흐름이 유도되는 동시에 각 집전 케이스 사이에 형성되는 좌우방향 공기통로에 의하여 공기의 좌우방향 흐름이 유도되어, 결국 양극에 대한 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어질 수 있다.
넷째, 원통형 유닛 셀이 내재된 집전 케이스를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하여, 다수의 원통형 유닛 셀들이 집전 케이스에 의하여 직렬로 연결되도록 함으로써, 다수의 원통형 유닛 셀에 대한 집전이 원활하게 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 원통 유닛 셀 제작 과정에 대한 일례를 도시한 사시도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 원통 유닛 셀을 제작 과정에 대한 다른 예를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 집전 케이스를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 패키징 완료 상태를 도시한 단면도,
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 원통 유닛 셀 제작 과정에 대한 일례를 도시한 사시도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 원통형 유닛 셀와 집전 케이스를 도시한 분리 사시도,
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 패키징 완료 상태를 도시한 단면도,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지를 상하방향 및 좌우방향으로 적층시킨 예를 도시한 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지에 대하여 살펴보기로 한다.
첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 원통 유닛 셀 제작 과정에 대한 일례를 나타내고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 원통 유닛 셀 제작 과정에 대한 다른 예를 도시한 것으로서, 각 도면에서 도면부호 10은 분리막을 지시한다.
상기 분리막(10)은 소정의 길이 및 높이로 재단되어 전해질 액이 함침된 상태로 구비된다.
대개, 상기 분리막(10)의 일면에는 리튬 포일(foil) 형태의 음극(12)이 적층 부착되고, 타면에는 탄소나노튜브(CNT) 계열, 그래파이트(graphite) 계열, 기 상용화된 도전성 KB(Ketjen Black) 또는 AB(Acetylene Black) 등과 같은 활물질이 공기극인 양극(14)으로서 적층된다.
또한, 상기 음극(12)의 외면에는 구리 포일 형태의 음극 집전체(16)가 적층되고, 상기 양극(14)의 외면에는 공기 확산을 위하여 다공성의 도전성 금속(예, 니켈, 서스 등)으로 된 양극 집전체(18)가 적층된다.
이때, 상기 음극(12) 및 양극(14)이 각각 분리막(10)의 양면에 적층할 때, 분리막(10)의 길이 및 높이에 비하여 동일하거나 더 작은 길이 및 높이를 가지며 적층될 수 있다.
특히, 상기 음극 집전체(16)의 하단부에는 음극 집전탭(16-1)이 일체로 연장 형성된다.
바람직하게는, 상기 음극 집전체(16)로 사용되는 구리 포일을 재단할 때, 음극 집전체(16)의 하단부에 동일 재질의 음극 집전탭(16-1)이 일체로 연장 형성되도록 재단함으로써, 상기 음극 집전탭(16)은 음극 집전체(16)의 하단부에 하나 또는 2개 이상의 직사각형 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 양극 집전체(18)의 상단부에는 양극 집전탭(18-1)이 일체로 연장 형성된다.
바람직하게는, 상기 양극 집전체(18)를 도전성 금속(예, 니켈, 서스 등)을 다공성의 공기 확산 경로가 내외부에 형성된 금속 폼 형태로 성형 구비하거나, 도전성 금속(예, 니켈, 서스 등)을 이용하여 다공성의 공기 확산 경로를 갖는 금속 메쉬 형태로 제작할 때, 양극 집전체(18)의 상단부에 양극 집전탭(18-1)이 일체로 더 연장 형성되도록 한다.
이에, 상기 양극 집전탭(18-1)은 양극 집전체(18)의 상단부에 하나 또는 2개 이상의 직사각형 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되는 상태가 된다.
이와 같이 상기 분리막(10)의 일면에 적층되는 음극(12)과, 상기 분리막(10)의 타면에 적층되는 양극(14)과, 상기 음극(12)의 외면에 적층되는 음극 집전체(16)와, 상기 양극(14)의 외면에 적층되는 양극 집전체(18)를 평평하게 배열시킨 상태에서 원통형으로 와인딩시킴으로써, 리튬 공기전지를 구성하는 하나의 단위인 원통형 유닛 셀(100)이 완성된다.
바람직하게는, 상기 원통형 유닛 셀(100)은 그 상하면을 통해 외부로 노출되는 양극(14)으로 공기 공급이 이루어진 후, 양극(14)의 전체 면적에 걸쳐 공기 확산이 가능한 높이로 설정되어 와인딩되도록 하며, 그 이유는 상기 원통형 유닛 셀(100)의 높이가 너무 높으면 양극(14)으로 공기 공급이 이루어지더라도 양극(14)의 전체 면적에 걸쳐 공기 확산이 제대로 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
이때, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면을 통해 상기 양극 집전탭(18-1)이 외부로 돌출 배열되고, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면을 통해 상기 음극 집전탭(16-1)이 외부로 돌출 배열되는 상태가 된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면 및 저면을 통해 각각 하나의 양극 집전탭(18-1)과 음극 집전탭(16-1)이 외부로 돌출 배열되거나, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면 및 저면을 통해 각각 복수의 양극 집전탭(18-1)과 음극 집전탭(16-1)이 외부로 돌출 배열될 수 있다.
이와 같이, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 둘레면이 아닌 양면(예, 상면 및 하면)을 통하여 양극 집전체(18)의 양극 집전탭(18-1)과 음극 집전체(16)의 음극 집전탭(16-1)이 외부로 돌출되도록 함으로써, 원통형 유닛 셀(100)의 양면을 통해 집전이 효율적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지는 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내설되는 집전 케이스(200)를 포함한다.
상기 집전 케이스(200)는 상기 원통형 유닛 셀(100)의 방전 및 충전을 위한 집전 구조 및 상기 원통형 유닛 셀(100)을 상하방향 및 좌우방향으로 적층시키기 위한 적층 구조를 갖도록 제작된다.
이를 위해, 상기 집전 케이스(200)는 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 둘레부를 절연 가능하게 감싸는 외장재(210)와, 외장재(210)의 상면에 적층 부착되는 양극 집전판(220)와, 외장재(210)의 저면에 적층 부착되는 음극 집전판(230)으로 구성된다.
상기 외장재(210)는 양극 집전판(220)과 음극 집전판(230) 간의 전기적 쇼트 현상을 방지하기 위하여 절연성 폴리머 또는 절연성 폴리머가 코팅된 금속재로 구성되어, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 둘레부에 밀착된다.
다시 말해서, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 외장재(210) 내에 삽입되어, 원통형 유닛 셀(100)의 둘레부가 외장재(210)의 내면과 밀착되는 상태가 된다.
상기 양극 집전판(220)은 상기 외장재(210)의 상면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면 위에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면을 통해 노출되는 상기 양극 집전체(18)와 도전 가능하게 연결된다.
좀 더 상세하게는, 도 6에서 보듯이 상기 양극 집전체(18)의 상단부에 일체로 형성되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면을 통해 외부로 돌출 배열된 양극 집전탭(18-1)이 상기 양극 집전판(220)의 저면부에 도전 가능하게 접촉되는 상태가 된다.
상기 음극 집전판(230)은 상기 외장재(210)의 저면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면 아래에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면을 통해 노출되는 상기 음극 집전체(16)와 도전 가능하게 연결된다.
좀 더 상세하게는, 도 6에서 보듯이 상기 음극 집전체(16)의 하단부에 일체로 형성되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면을 통해 외부로 돌출 배열된 음극 집전탭(16-1)이 상기 음극 집전판(230)의 상면부와 도전 가능하게 접촉되는 상태가 된다.
이때, 상기 집전 케이스(200)의 양극 집전판(220)과 음극 집전판(230)에는 각각 양극(14) 및 양극 집전체(18)로 공기 공급 및 순환이 이루어지도록 공기 흐름을 위한 다수의 공기통과홀(222,232)이 형성된 도전성 금속판으로 채택된다.
한편, 상기 집전 케이스(200)의 구성 중 양극 집전판(220)의 중앙부에는 적층용 캡(224)이 상부로 돌출 형성된다.
이에, 도 12에서 보듯이 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하면, 상기 적층용 캡(224)의 높이로 인하여 서로 마주보는 양극 집전판(220)과 음극 집전판(230) 사이에 공기통로(240)가 형성된다.
따라서, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하더라고, 상기 공기통로(240)를 통하여 좌우방향으로 적층된 집전 케이스(200) 마다 공기 순환이 이루어질 수 있고, 순환되는 공기가 상기 양극 집전판(220)의 공기통과홀(222) 등을 통하여 원통형 유닛 셀(100)의 양극(14) 및 양극 집전체(18)로 공급될 수 있다.
이와 같이, 상기 원통형 유닛 셀(100)을 상하방향 및 좌우방향으로 공기가 순환하도록 한 구조로 만들어진 집전 케이스(200)의 내부에 도전 가능하게 패키징함으로써, 원통형 유닛 셀(100)의 둘레면이 아닌 양면(상면 및 하면)을 통하여 양극으로의 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어질 수 있다.
다시 말해서, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하더라도, 집전 케이스(200)의 양극 집전판(220) 및 음극 집전판(230)에 형성된 공기통과홀(222,232)에 의하여 공기의 상하방향 흐름이 유도되는 동시에 각 집전 케이스(200) 사이에 형성되는 좌우방향 공기통로(240)에 의하여 공기의 좌우방향 흐름이 유도되어, 결국 양극(14)에 대한 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하여, 도 12에서 보듯이 다수의 원통형 유닛 셀(100)들이 집전 케이스(200)에 의하여 직렬로 연결되도록 함으로써, 다수의 원통형 유닛 셀(100)에 대한 집전이 원활하게 이루어질 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지에 대하여 살펴보기로 한다.
첨부한 도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지의 구성 중 원통 유닛 셀 제작 과정에 대한 일례를 도시한 것으로서, 도면부호 20은 양극 집전봉을 지시한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지는 원통형 유닛 셀(100)에 양극 집전을 위한 수단으로서 양극 집전봉(20)를 채택한 점에 특징이 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 유닛 셀(100)은 분리막(10)의 일면에 적층되는 음극(12)과, 상기 분리막(10)의 타면에 적층되는 양극(14)과, 상기 음극(12)의 외면에 적층되는 음극 집전체(16)와, 상기 양극(14)의 외면에 적층되는 양극 집전체(18)를 평평하게 배열하고, 양극 집전체(18)의 외면에 상기 양극 집전봉(20)을 밀착시킨 상태에서 원통형으로 와인딩시킴으로써, 리튬 공기전지를 구성하는 하나의 단위로 완성된 것이다.
상기 분리막(10)은 소정의 길이 및 높이로 재단되어 전해질 액이 함침된 상태로 구비된다.
대개, 상기 분리막(10)의 일면에는 리튬 포일(foil) 형태의 음극(12)이 적층 부착되고, 타면에는 탄소나노튜브(CNT) 계열, 그래파이트(graphite) 계열, 기 상용화된 도전성 KB(Ketjen Black) 또는 AB(Acetylene Black) 등과 같은 활물질이 공기극인 양극(14)으로서 적층된다.
또한, 상기 음극(12)의 외면에는 구리 포일 형태의 음극 집전체(16)가 적층되고, 상기 양극(14)의 외면에는 공기 확산을 위하여 다공성의 도전성 금속(예, 니켈, 서스 등)으로 된 양극 집전체(18)가 적층된다.
이때, 상기 음극(12) 및 양극(14)이 각각 분리막(10)의 양면에 적층할 때, 분리막(10)의 길이 및 높이에 비하여 동일하거나 더 작은 길이 및 높이를 가지며 적층될 수 있다.
특히, 상기 음극 집전체(16)의 하단부에는 음극 집전탭(16-1)이 일체로 연장 형성된다.
바람직하게는, 상기 음극 집전체(16)로 사용되는 구리 포일을 재단할 때, 음극 집전체(16)의 하단부에 동일 재질의 음극 집전탭(16-1)이 일체로 연장 형성되도록 재단함으로써, 상기 음극 집전탭(16)은 음극 집전체(16)의 하단부에 하나 또는 2개 이상의 직사각형 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 양극 집전체(18)는 도전성 금속(예, 니켈, 서스 등)을 다공성의 공기 확산 경로가 내외부에 형성된 금속 폼 형태로 성형 구비하거나, 도전성 금속(예, 니켈, 서스 등)을 이용하여 다공성의 공기 확산 경로를 갖는 금속 메쉬 형태로 제작된다.
이와 같이, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 둘레면이 아닌 양면(예, 상면 및 하면)을 통하여 양극 집전체(18)와 도전 가능하게 접촉하는 양극 집전봉(20)과 음극 집전체(16)의 음극 집전탭(16-1)이 외부로 돌출되도록 함으로써, 원통형 유닛 셀(100)의 양면을 통해 집전이 효율적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 공기전지 패키지도 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내설되는 집전 케이스(200)를 포함한다.
상기 집전 케이스(200)는 상기 원통형 유닛 셀(100)의 방전 및 충전을 위한 집전 구조 및 상기 원통형 유닛 셀(100)을 상하방향 및 좌우방향으로 적층시키기 위한 적층 구조를 갖도록 제작된다.
이를 위해, 상기 집전 케이스(200)는 첨부한 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 둘레부를 절연 가능하게 감싸는 외장재(210)와, 외장재(210)의 상면에 적층 부착되는 양극 집전판(220)와, 외장재(210)의 저면에 적층 부착되는 음극 집전판(230)으로 구성된다.
상기 외장재(210)는 양극 집전판(220)과 음극 집전판(230) 간의 전기적 쇼트 현상을 방지하기 위하여 절연성 폴리머 또는 절연성 폴리머가 코팅된 금속재로 구성되어, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 둘레부에 밀착된다.
다시 말해서, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 외장재(210) 내에 삽입되어, 원통형 유닛 셀(100)의 둘레부가 외장재(210)의 내면과 밀착되는 상태가 된다.
상기 양극 집전판(220)은 상기 외장재(210)의 상면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면 위에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면을 통해 노출되는 상기 양극 집전봉(20)과 도전 가능하게 연결된다.
이때, 상기 집전 케이스(200)의 구성 중 양극 집전판(220)의 중앙부에는 적층용 캡(224)이 상부로 돌출 형성되고, 이 적층용 캡(224)의 저면에는 양극 집전봉(20)의 상단부가 도전 가능하게 삽입되어 접촉되는 집전봉 삽입홈(226)이 형성된다.
이에, 도 10에서 보듯이 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면을 통해 외부로 돌출 배열되는 양극 집전봉(20)의 상단부가 상기 양극 집전판(220)의 적층용 캡(224)에 형성된 집전용 삽입홈(226)에 도전 가능하게 삽입되어 접촉되는 상태가 된다.
상기 음극 집전판(230)은 상기 외장재(210)의 저면에 적층 부착되는 동시에 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면 아래에 위치되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면을 통해 노출되는 상기 음극 집전체(16)와 도전 가능하게 연결된다.
좀 더 상세하게는, 도 10에서 보듯이 상기 음극 집전체(16)의 하단부에 일체로 형성되어 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면을 통해 외부로 돌출 배열된 음극 집전탭(16-1)이 상기 음극 집전판(230)의 상면부와 도전 가능하게 접촉되는 상태가 된다.
이때, 상기 집전 케이스(200)의 양극 집전판(220)과 음극 집전판(230)에는 각각 양극(14) 및 양극 집전체(18)로 공기 공급 및 순환이 이루어지도록 공기 흐름을 위한 다수의 공기통과홀(222,232)이 형성된 도전성 금속판으로 채택된다.
한편, 상기 원통형 유닛 셀(100)의 상면부와 상기 양극 집전판(220)의 저면부 사이, 그리고 상기 원통형 유닛 셀(100)의 저면부와 상기 음극 집전판(230)의 상면부 사이에는 도 11에 도시된 바와 같이, 공기 만을 투과하는 절연성 필름(250)이 더 삽입 배치될 수 있다.
상기 절연성 필름(250)은 양극에 대한 공기 공급이 원활하도록 공기 만을 투과하고, 이와 동시에 원통형 유닛 셀(100)에 포함된 분리막(10)의 전해질액 휘발 및 누출 방지 역할을 하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 도 12에서 보듯이 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하면, 상기 적층용 캡(224)의 높이로 인하여 서로 마주보는 양극 집전판(220)과 음극 집전판(230) 사이에 공기통로(240)가 형성된다.
따라서, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하더라고, 상기 공기통로(240)를 통하여 좌우방향으로 적층된 집전 케이스(200) 마다 공기 순환이 이루어질 수 있고, 순환되는 공기가 상기 양극 집전판(220)의 공기통과홀(222) 등을 통하여 원통형 유닛 셀(100)의 양극(14) 및 양극 집전체(18)로 공급될 수 있다.
이와 같이, 상기 원통형 유닛 셀(100)을 상하방향 및 좌우방향으로 공기가 순환하도록 한 구조로 만들어진 집전 케이스(200)의 내부에 도전 가능하게 패키징함으로써, 원통형 유닛 셀(100)의 둘레면이 아닌 양면(상면 및 하면)을 통하여 양극으로의 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어질 수 있다.
다시 말해서, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하더라도, 집전 케이스(200)의 양극 집전판(220) 및 음극 집전판(230)에 형성된 공기통과홀(222,232)에 의하여 공기의 상하방향 흐름이 유도되는 동시에 각 집전 케이스(200) 사이에 형성되는 좌우방향 공기통로(240)에 의하여 공기의 좌우방향 흐름이 유도되어, 결국 양극(14)에 대한 공기 공급 및 확산이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 원통형 유닛 셀(100)이 내재된 집전 케이스(200)를 상하방향 및 좌우방향으로 적층하여, 도 12에서 보듯이 다수의 원통형 유닛 셀(100)들이 집전 케이스(200)에 의하여 직렬로 연결되도록 함으로써, 다수의 원통형 유닛 셀(100)에 대한 집전이 원활하게 이루어질 수 있다.
10 : 분리막
12 : 음극
14 : 양극
16 : 음극 집전체
16-1 : 음극 집전탭
18 : 양극 집전체
18-1 : 양극 집전탭
20 : 양극 집전봉
100 : 원통형 유닛 셀
200 : 집전 케이스
210 : 외장재
220 : 양극 집전판
222 : 공기통과홀
224 : 적층용 캡
226 : 집전봉 삽입홈
230 : 음극 집전판
232 : 공기통과홀
240 : 공기통로
250 : 절연성 필름

Claims (20)

  1. 분리막의 일면에 적층되는 음극과, 상기 분리막의 타면에 적층되는 양극과, 상기 음극의 외면에 적층되는 음극 집전체와, 상기 양극의 외면에 적층되는 양극 집전체를 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀; 및
    상기 원통형 유닛 셀의 둘레부를 절연 가능하게 감싸는 외장재와, 상기 외장재의 상면에 적층 부착되어 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 노출되는 상기 양극 집전체와 도전 가능하게 연결되는 양극 집전판과, 상기 외장재의 저면에 적층 부착되어 상기 원통형 유닛 셀의 저면을 통해 노출되는 상기 음극 집전체와 도전 가능하게 연결되는 음극 집전판으로 구성되는 집전 케이스;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체의 상단부에는 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 양극 집전판과 도전 가능하게 접촉하는 양극 집전탭이 일체로 연장 형성되고, 상기 음극 집전체의 하단부에는 상기 원통형 유닛 셀의 저면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 음극 집전판과 도전 가능하게 접촉하는 음극 집전탭이 일체로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 양극 집전탭은 양극 집전체의 상단부에 하나 또는 2개 이상의 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되고, 상기 음극 집전탭도 음극 집전체의 하단부에 하나 또는 2개 이상의 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통형 유닛 셀은 그 상하면을 통해 외부로 노출된 양극으로 공기 공급이 이루어진 후, 양극 전체 면적에 걸쳐 공기 확산이 가능한 높이로 설정되어 와인딩된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 음극 집전체 및 음극 집전탭은 구리 포일로 채택된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 양극 집전체 및 양극 집전탭은 양극에 대한 공기 확산을 위하여 다공성의 공기 확산 경로를 갖는 금속 폼 또는 금속 메쉬 구조로 제작된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 외장재는 절연성 폴리머 또는 절연성 폴리머가 코팅된 금속재로 구성된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전판과 음극 집전판은 공기 흐름을 위한 다수의 공기통과홀이 형성된 도전성 금속판으로 채택된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전판의 중앙부에는 원통형 유닛 셀이 내재된 집전 케이스의 적층시 서로 마주보는 양극 집전판과 음극 집전판 사이에 공기통로가 형성되도록 적층용 캡이 상부로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  10. 분리막의 일면에 적층되는 음극과, 상기 분리막의 타면에 적층되는 양극과, 상기 음극의 외면에 적층되는 음극 집전체와, 상기 양극의 외면에 적층되는 양극 집전체와, 양극 집전체의 외면에 밀착 배치되는 양극 집전봉을 원통형으로 와인딩시킨 원통형 유닛 셀; 및
    상기 원통형 유닛 셀의 둘레부를 절연 가능하게 감싸는 외장재와, 상기 외장재의 상면에 적층 부착되어 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 노출되는 상기 양극 집전봉과 도전 가능하게 연결되는 양극 집전판과, 상기 외장재의 저면에 적층 부착되어 상기 원통형 유닛 셀의 저면을 통해 노출되는 상기 음극 집전체와 도전 가능하게 연결되는 음극 집전판으로 구성되는 집전 케이스;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 양극 집전봉은 상기 원통형 유닛 셀의 중심부에 위치되는 동시에 그 상단부는 상기 원통형 유닛 셀의 상면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 양극 집전판과 도전 가능하게 접촉되고, 상기 음극 집전체의 하단부에는 상기 원통형 유닛 셀의 하면을 통해 외부로 돌출 배열되어 상기 음극 집전판과 도전 가능하게 접촉하는 음극 집전탭이 일체로 연장 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 음극 집전탭은 음극 집전체의 하단부에 하나 또는 2개 이상의 띠편 형태로 연장되며 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 원통형 유닛 셀은 그 상하면을 통해 외부로 노출된 양극으로 공기 공급이 이루어진 후, 양극 전체 면적에 걸쳐 공기 확산이 가능한 높이로 설정되어 와인딩된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 음극 집전체 및 음극 집전탭은 구리 포일로 채택된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 양극 집전체는 양극에 대한 공기 확산을 위하여 다공성의 공기 확산 경로를 갖는 금속 폼 또는 금속 메쉬 구조로 제작된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 외장재는 절연성 폴리머 또는 절연성 폴리머가 코팅된 금속재로 구성된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 양극 집전판과 음극 집전판은 공기 흐름을 위한 다수의 공기통과홀이 형성된 도전성 금속판으로 채택된 것임을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 양극 집전판의 중앙부에는 원통형 유닛 셀이 내재된 집전 케이스의 적층시 서로 마주보는 양극 집전판과 음극 집전판 사이에 공기통로가 형성하는 동시에 상기 양극 집전봉과 도전 가능하게 접촉하는 적층용 캡이 상부로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 양극 집전판의 적층용 캡의 저면에는 양극 집전봉의 상단부가 도전 가능하게 삽입되어 접촉되는 집전봉 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
  20. 청구항 10에 있어서,
    상기 원통형 유닛 셀의 상면부와 상기 양극 집전판의 저면부 사이, 그리고 상기 원통형 유닛 셀의 저면부와 상기 음극 집전판의 상면부 사이에는 공기 만을 투과하는 절연성 필름이 삽입 배치된 것을 특징으로 하는 리튬 공기전지 패키지.
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