KR20220023085A - 고성능 복합재료 구조 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고성능 복합재료 구조 전지에 관한 것으로서, 본 발명의 중공 실린더형 구조 전지는, 적층구조물을 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 제작되는 상기 적층구조물을 포함하고, 상기 적층구조물은, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 형성된 전지구조물, 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 형성된 각각의 차폐재를 포함하고, 상기 전지구조물은, 전지영역 양단에 열가소성 폴리머가 함침된 후 경화된 분리막으로서, 상기 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 소정의 온도와 압력에서 압착하여 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화가 형성된 상기 분리막을 포함한다.

Description

고성능 복합재료 구조 전지{Laminated Structural Battery with High Battery Performances}

본 발명은 복합재료 구조 전지에 관한 것으로서, 특히, 중공 실린더 형상에 구조적 연속성을 유지하는 차폐 재료 삽입을 통해 배터리 성능을 향상시킨 복합재료 구조 전지에 관한 것이다.

리튬 이온 2차 전지는 상용화가 이루어진 1990년대 이후부터 꾸준하게 휴대전화, 노트북과 같은 휴대용 전자기기의 에너지저장장치로 사용되어오고 있다. 최근에는 4차 산업혁명과 함께 전기에너지를 동력으로 하는 운송 수단(예, 전기차, 전기자전거, 운반용 드론 등)이 대두되고 있으며 이에 따라 리튬이온전지에 대한 수요가 전세계에서 기하급수적으로 증가하고 있는 상황이다. 우리나라에서도 미세먼지에 대한 국민적 관심이 커지는 만큼, 기존 자동차의 내연기관에서 배출되는 초 미세먼지, 이산화탄소, 대기오염물질에 대한 규제가 강화되고, 환경에 대한 소비자들의 의식이 부각되면서 커다란 자동차 시장의 점유율에 지각변동이 일어나고 있는 상황이다.

이처럼 기존의 소형 전자기기를 넘어 자동차나 비행기와 같이 무게 최적화가 구동 시간에 큰 영향을 미치는 대형 어플리케이션에 이르기까지 배터리 시스템을 기반으로 한 에너지 저장장치 연구는 그 범위를 넓혀가고 있다. 다만 종래의 배터리 연구는 그 자체의 효율성을 높이는 물질 개발 등에 국한되었고, 현재 점차 재료 본질의 한계점에 도달하고 있다. 이에 따라 배터리 팩의 성능을 향상시키는 방향에서, 다른 시스템 요소에 전지를 삽입, 강화하는 아이디어가 다시 주목받기 시작했다. 다 기능성 (multi-functionality)의 확보를 주요 논점으로, 단위 부피 내의 전기화학적 성능을 높일 방법에 대한 연구들이 재조명 받기 시작했고, 여기서 일반적인 구조물을 배터리요소들로 치환하여 제작하는 것으로 기계적 물성과 전기화학적 성능을 동시에 확보하는 새로운 관점의 구조물이 고안되었는데, 이를 일컬어 '구조 전지' 라 한다.

예를 들어, 복합재료 적층 구조의 구조 전지는 일반적인 2차전지와 마찬가지로 층을 이룬 물질을 적층하는 형태로서 필요한 물성을 가지도록 제작될 수 있다. 그러나, 전고체 전해질의 상용화가 이뤄지지 않은 상황에서 단순 평판 형상의 복합재료 적층 구조 전지는 사이클 유지 및 비 용량 (specific capacity)이 일반 2차전지와 비교해서 현저히 낮은 값들 만이 보고되고 있으므로 성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

이외에, 액체 전해질을 적용하는 구조 전지에 있어서도, 전해질의 누액 및 공기 침투에 의한 변질이 문제이다. 리튬 이온의 통로가 되는 전해질은 양측 전극 사이에서 이온 전달의 매개체가 되므로, 물질 이동에 용이한 형태로 구성되어야 한다. 그로 인해 산업에서는 보통 액체의 상이 사용되는데 이것이 구조의 일부가 되어 배터리 시스템을 구성할 경우 측면 방향으로의 누액과 레진(resin)을 통과한 수분에 의한 변질을 야기할 수 있다.

또한, 기존 전지 형태를 유지하는 파우치 셀을 그대로 구조물 내부에 삽입하는 형태의 구조 전지가 시도되고 있다. 이때에는 전지 반응은 안정적이나 차지하는 부피만큼 구조적 연속성이 깨지게 된다. 또한, 내구성의 한계 등 어플리케이션 전체의 기계적 물성이 하락하므로 단순한 파우치 셀 형태로는 기술적 효과를 보기 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 구조적 연속성을 유지하는 차폐 재료 삽입을 통해 배터리의 기계적 물성의 향상 및 전기화학적 성능의 향상을 동시에 확보하여 전자기기에 효과적으로 적용이 가능한 복합재료 구조 전지를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 중공 실린더형 구조 전지는, 적층구조물을 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 제작되는 상기 적층구조물을 포함하고, 상기 적층구조물은, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 형성된 전지구조물; 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 형성된 각각의 차폐재를 포함하고, 상기 전지구조물은, 전지영역 양단에 열가소성 폴리머가 함침된 후 경화된 분리막으로서, 상기 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 소정의 온도와 압력에서 압착하여 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화가 형성된 상기 분리막을 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 구조 전지의 제작 방법은, 전지영역 양단에 열가소성 폴리머를 함침한 분리막을 준비하는 단계; 원통형 봉을 둘러싸도록, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 상기 분리막이 포함된 전지구조물, 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 각각의 차폐재를 형성한 적층구조물을 형성하는 단계; 및 상기 적층구조물을 상기 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 압착하며 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 경화를 형성하는 단계 후에, 상온 진공 조건에서 10~30 시간 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 경화를 형성하는 단계 후에, 상기 적층구조물의 길이방향으로 양측 경화된 상기 해당 부분의 외측으로 양단에 각각 탄성 고분자 물질로 코팅하여 봉인하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 적층구조물을 형성하는 단계에서, 상기 전지영역에 전해질 주입을 위한 주입관이 포함되도록 상기 적층구조물을 형성하고, 상기 구조 전지의 제작 후 상기 주입관을 통해 전해질을 주입할 수 있다.

상기 적층구조물을 형성하는 단계에서, 상기 원통형 봉에 미리 테프론 필름으로 감싼 후 상기 적층구조물을 형성한 후, 상기 적층구조물을 상기 원통형 봉에서 탈거 전에 다시 테프론 필름으로 감싼다.

상기 탄성 고분자 물질은 PDMS(PolyDimethylSiloxane)를 포함한다.

상기 차폐재는 알루미늄 필름을 포함한다.

상기 내측 폴리머와 상기 외측 폴리머는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)를 포함한다.

상기 적층구조물은, 상기 각각의 차폐재를 순차로 덮는 내측과 외측 각각의 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer) 및 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 중공 실린더형 구조 전지는, 적층구조물을 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 제작되는 상기 적층구조물을 포함하고, 상기 적층구조물은, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 형성된 전지구조물; 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 형성된 각각의 차폐재를 포함하고, 상기 전지구조물은, 상기 오토클레이브 공정 전에 상기 적층구조물에 포함된 젤 또는 고체 전해질을 포함하고, 상기 오토클레이브 공정을 거친 상기 젤 또는 고체 전해질을 포함한다.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 구조 전지의 제작 방법은, 원통형 봉을 둘러싸도록, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 젤 또는 고체 전해질이 포함된 전지구조물, 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 각각의 차폐재를 형성한 적층구조물을 형성하는 단계; 및 상기 적층구조물을 상기 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 압착하며 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 복합재료 구조 전지에 따르면, 중공 실린더 형상에 구조적 연속성을 유지하는 차폐 재료를 사용하여 구조적 성능을 유지한 채 배터리 사이클 유지 및 비 용량 (specific capacity) 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 중공 실린더 형태의 패키징 모델은 파이프 형태로 높은 유연성(bending), 무게 대비 비틀림 강성(torsional stiffness compared to weight) 등 물리적 장점을 그대로 가져오는 것뿐만 아니라, 기존의 평판형 전지에서는 구현하지 못하는 지속적인 압력이 가해지는 폐 단면(closed cross section)을 만드는 것에 의해 부가적인 처리 없이도 전극 물질 간의 균등한 거리를 유지시키므로 높은 배터리 비 용량을 확보할 수 있게 해준다. 또한, 분리막 양단에 삽입해 주는 폴리머의 경화에 의한 전지영역의 봉인과 PDMS(PolyDimethylSiloxane)에 의한 길이 말단의 봉인을 통해서 전지 반응의 안정성을 확보하며 연속적인 디자인으로 구조적인 우수성을 유지하는 구조전지를 제공할 수 있게 된다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실린더형 구조 전지의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지그와 원통형 봉에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막에 열가소성 폴리머의 함침 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실린더형 적층구조물을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지그의 관통 구멍에 적층구조물의 삽입을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 오토클레이브 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 중공 실린더형 구조 전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 중공 실린더형 구조 전지의 복수 구조를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실린더형 구조 전지의 제작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명이 중공 실린더형 구조 전지의 제작을 위하여, 먼저, 필요한 구조 전지의 외경의 크기를 결정하고, 속이 빈 원통형 관통 구멍을 가지는 지그(10)와 지그(10)의 관통 구멍에 삽입될 원통형 봉(20)(도 2 참조)을 준비한다(S110). 이 지그(10)는 후에 전지구조물(150)을 포함하는 적층구조물(110)(도 4 참조)을 그 관통 구멍 내부에 삽입시키기 위한 기구로서, 적층구조물(110)을 넣고 빼기 쉽도록 길이 방향 또는 두께 방향으로 1군데 이상에서 분리 또는 오픈이 가능한 구조로 제작될 수 있다. 원통형 봉(20)의 직경은 지그(10)의 직경 보다, 예를 들어, 5mm정도 작은 직경으로 제작되며, 적층구조물(110)의 적층 과정에서 복합재료의 가이드로 사용되며 구조 전지의 초기 원형의 기초를 잡아주게 된다.

다음으로, 분리막(111)을 준비하되, 전지영역 양단에 열가소성 폴리머(112)를 함침한 분리막(111)을 준비한다(S120). 분리막(111)은 액체 전해질이 적용될 때를 위한 것이며, 전해질로서 반고체 젤 또는 고체 전해질을 사용하는 경우에는 분리막(111)이 생략된다. 본 발명에서는 구조 전지가 될 적층구조물(110)(도 4 참조)의 두께 방향(또는 횡 방향)으로는 알루미늄 필름과 같은 차폐재(131a, 131b)를 삽입하여 전지구조물(150), 즉, 전지 영역 내부에 주입되는 액체 전해질, 또는 적층될 고체 전해질 물질 등이 외부와 차폐되도록 하였다. 그리고, 액체 전해질 적용 시에, 적층구조물(110) 길이 방향으로 분리막(111)의 전지 영역 양단에 열가소성 폴리머(112)를 함침시키는 것으로 전지 영역이 1차적으로 봉인되도록 하였고, 오토클레이브 사이클 공정 중 열가소성 폴리머(112)가 녹은 레진(resin)이 전지 영역 구획에만 한정되어 다른 영역으로 넘치는 것을 방지해주었다. 이후, 수분차단효과가 있는 PDMS(PolyDimethylSiloxane)와 같은 탄성고분자물질(190)으로 적층구조물(110)의 길이 방향의 말단에 코팅해주는 것으로 외부환경의 유입을 확실하게 차단할 수 있도록 하였다.

먼저, 도 3을 참조하여 분리막(111)에 열가소성 폴리머(112)를 함침시키는 공정을 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(111)에 열가소성 폴리머(112)의 함침 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3과 같이, 먼저, 유리 섬유 소재의 분리막(111) 내측의 중심쪽 좌우로 전지 영역(118)(예, 200mm)의 양단에 열가소성 폴리머(112) 필름을 상하 양면 상에 배치한다. 분리막(111)의 양면 또는 어느 한쪽 면은 니트(glass separator neat)(119)(도 4 참조), 즉, 유리 섬유 등 기계적, 전기적 성능향상을 위한 물질이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 인장강도가 가해져 복합재 섬유에 파단이 일어날 경우 분리막(111) 역할을 하던 유리 섬유 등이 적절히 역할을 하지 못하게 될 수 있고, 그 결과 양극과 음극이 맞닿는 쇼트 현상이 일어날 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 니트(119)가 배치됨으로써, 기계적 하중에 의한 전기화학적 안전성을 더욱 확보할 수 있다.

다음에 열가소성 폴리머(112) 필름이 배치된 분리막(111) 상하 양면에 테프론 필름(210)을 배치하고(이를 통해 열가소성 폴리머(112)가 녹아 분리막(111) 섬유 방향으로만 침투하도록 함), 상부에 보호덮개(220)를 놓고(이를 통해 순간적인 열에 의해 타지 않도록 함), 다리미 등의 열기구(200)로 보호덮개(220) 위에서 눌러 압력을 가하면서 열을 가해 분리막(111) 해당 부분으로 열가소성 폴리머(112)가 침투하도록 해준다. 이와 같은 열기구(200)에 의한 열과 압력이 반복적으로 수회 진행되면서, 분리막(111) 전지영역 양단에 열가소성 폴리머(112)가 완전히 침투해 포화되어 함침되도록 한다. 이와 같은 분리막(111)은 다음의 적층구조물(110)의 형성 시에 전지구조물(150)의 구성 요소로서 적층된다.

적층구조물(110)의 다른 구성 요소와는 다르게 열가소성 밴드 처리가 된 유리 섬유 소재의 분리막(111)은 오토클레이브 공정에서 내측의 전지 영역과 외측의 하중 지지부를 물리적으로 분리하는 중요한 역할을 수행한다. 그러므로 적층구조물(110)의 구성 요소들을 적층 전에 이와 같이 전처리를 통해서 분리막(111)의 유리 섬유에 열가소성 폴리머(112)를 미리 함침시켜 주는 것이 바람직하다.

다음에, 도 1과 같은 원통형 봉(20)을 둘러싸도록, 전지구조물(150)을 포함한 적층구조물(110)의 구성 요소들을 적층한다(S130).

먼저, 도 1과 같은 원통형 봉(20)에 미리 테프론 필름 등으로 감싼 후 적층구조물(110)을 적층해 형성하며, 테프론 필름은 복합재료 성형이 완료된 후 탈거를 쉽게 할 수 있도록 해준다. 적층구조물(110)의 적층이 완료되면 오토클레이브 공정 전에 원통형 봉(20)에서 적층구조물(110)을 탈거 전에 다시 테프론 필름으로 감싼 후, 적층구조물(110)을 탈거해 지그(10) 내에서 오토클레이브 공정이 진행되도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 실린더형 적층구조물(110)을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는 오른쪽 상부에 표시한 적층구조물(110)의 두께 방향 단면도에서 A-B 부분의 확대도를 도시하였다.

도 4를 참조하면, 원통형 봉(20)이 미리 테프론 필름 등으로 감싸진 후, 그 위에 원통형 봉(20)을 감싸도록 적층되는 적층구조물(110)은, 전지구조물(150) 및 그 내측의 내측 구성품(120a)과 그 외측의 외측 구성품(120b)를 포함한다.

전지구조물(150)은 원통형 봉(20) 중심쪽의 내측 폴리머(121a)와 외측 폴리머(121b) 사이에 분리막(111)이 포함되도록 적층되어 형성된다. 전지구조물(150)은 분리막(111)을 포함하며(액체 전해질 적용 시에 포함됨), 분리막(111)의 전지 영역을 중심으로 양측에 각각 양극 집전체(115)와 음극 집전체(116)를 포함한다. 또한, 원통형 봉(20)을 중심으로, 상기 내측 폴리머(121a)의 내측과 상기 외측 폴리머(121b)의 외측 상에 각각의 차폐재(131a, 131b)(예, 알루미늄 필름)가 적층되어 형성된다.

양극 집전체(115)(예, 알루미늄집전체)와 음극 집전체(116)(예, 구리집전체)는 전지 영역에 활물질(예, 음극활물질 LTO(Lithium Titanate), 양극활물질 LFP(Lithium Iron Phosphate)), 도전제, 및 바인더의 합제 슬러리가 도포된 형태이다. 이외에도, 반고체 젤 또는 고체 전해질을 적용하는 구조 전지의 경우, 전지구조물(150)은 양측 집전체(115, 116) 사이에 젤 또는 고체 전해질을 포함할 수 있다. 또한, 액체 전해질을 적용하는 구조 전지의 경우, 전지구조물(150)의 적층 시에 전지영역에 전해질 주입을 위한 주입관(300)이 포함되도록 하며, 하기하는 바와 같이 구조 전지의 제작 후 상기 주입관(300)을 통해 전해질을 주입하게 된다.

즉, 테프론 필름 등으로 감싸진 원통형 봉(20)에는, 도 4와 같이, 순차적으로, 내측 구성품(120a), 전지구조물(150), 주입관(300), 외측 구성품(120b)을 적층한다. 내측 구성품(120a)으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)(카본 프리프레그) 등의 외장재(123a), 폴리머(122a), 차폐재(131a)(예, 알루미늄 필름), 폴리머(121a) 등이 순차 적층된다. 액체 전해질 적용 시를 위하여, 전지구조물(150)에 전해질 주입을 위한 튜브 또는 파이프 형태의 주입관(300)이 전지구조물(150)의 분리막(111)의 전지 영역까지 연장되도록 적층 또는 삽입한 후, 외측 구성품(120b)을 적층한다. 외측 구성품(120b)으로, 폴리머(121b), 차폐재(131b)(예, 알루미늄 필름), 폴리머(122b), CFRP 등의 외장재(123b) 등이 순차 적층된다. 여기서, 폴리머(121a, 121b, 122a,122b)는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer, 유리 섬유 강화 폴리머)(글래스 프리프레그)일 수 있다.

위와 같이 원통형 봉(20)에 적층되는 구성 요소들의 길이 방향으로의 길이가 모두 같은 것은 아니다. 예를 들어, 200mm의 길이를 가지는 본 발명의 중공 실린더형 적층구조물(110)에 의한 구조 전지를 제작하는 경우, 본체인 GFRP 등에 의한 폴리머(121a, 121b, 122a,122b)와 분리막(111)은 200mm로 한다. CFRP 등에 의한 외장재(123a, 123b)는 폴리머(121a, 121b, 122a,122b)이나 분리막(111) 보다는 작은 160mm, Al 등에 의한 차폐재(131a, 131b)는 140mm, 전지구조물(150)이 포함되는 전지영역(118)은 100mm 등과 같은 길이를 가지도록 제작될 수 있다.

또한, 이와 같은 적층구조물(110)의 적층 시에 순서에 따라 원통형 봉(20)을 중심으로 외측으로 갈수록 점차 두께가 두꺼워지므로 이를 고려해서 각각의 루프(loop)를 이루는 층들이 남거나 모자라지 않게 완결될 수 있도록 루프 방향(감는 방향) 길이를 정확히 조절해 주는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성요소들은 적층 전에 미리 재단해 적층에 사용될 수 있고, 루프 방향의 길이는 적층하면서 남는 부분을 잘라 제거하는 방법으로 적층 과정들이 수행될 수 있다. 전해질을 액체로 사용할 경우, 오토클레이브 과정 이후 전해질을 주입해야 하기에 미리 긴 주입구를 가진 주사기 형태나, 튜브, 파이프 형태 등의 주입관(300)을 삽입하여 적층구조물(110)의 성형이 진행된 된다. 젤, 고체 등 다른 상의 전해질은 적층 과정에서 동시에 적층되어 제작이 이뤄지므로 주입관(300) 등 별도의 주입 기구는 필요하지 않다.

이후 적층된 복합재료 적층구조물(110)을 테프론 필름으로 감싼다. 이후 원통형 봉(20)에서 테프론 필름으로 감싸진 적층구조물(110)을 원통형 봉(20)으로부터 탈거하고, 도 5와 같이, 지그(10)의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 적층구조물(110) 내의 공기를 제거하고 압착하며 분리막(111)에 함침된 열가소성 폴리머(112)(도 3 참조)에 의한 해당 부분의 경화가 이루어지도록 한다(S140).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 오토클레이브 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 오토클레이브 성형 장치(1)를 이용하여 오토클레이브 공정을 수행하기 위하여, 지그(10)에 삽입된 적층구조물(110)을 브레더(60)로 감싼 후 오토클레이브 성형 장치(1) 내의 지지대(2) 상에서 진공백(5)으로 덮고 봉합테이프(70)로 봉합한다. 브레더(60)는 진공백(5) 내에서 성형되는 성형물에 포함된 공기와 휘발성분이 제거되도록 하고 진공 형성이 용이하도록 보조한다.

이와 같이 진공백(5)을 봉합한 후, 제어장치의 제어로, 진공포트(6)를 통해 공기를 배출하여 진공백(5) 내부를 진공 상태, 즉, 적절히 대기압 보다 낮은 압력으로 만들어 준다. 이때 제어장치는, 히터(3)와 팬(4)을 가동하여 오토클레이브 성형 장치(1) 내부를 성형에 적합하도록 미리 설정한 온도로 제어할 수 있으며, 압력포트(7)를 통해 질소 등 불활성기체를 유입시켜 오토클레이브 성형 장치(1) 내부를 적절한 압력으로 제어할 수 있다.

이와 같이 오토클레이브 성형 장치(1) 내에서 진공백(5) 내부의 진공 상태를 이용하고, 진공백(5) 외부에 가해지는 적절한 압력(예, 6 bar)과 온도(예, 130

)의 큐어링(curing) 조건에서 분리막(111)에 함침된 열가소성 폴리머(112)(도 3 참조)가 유동성을 가지게 되어, 하중 지지의 역할을 하는 분리막(111)의 해당 부분의 경화가 이루어질 수 있다. 열가소성 폴리머(112)(도 3 참조)를 경화하기 위한 적절한 압력과 온도 싸이클이 복수회 반복될 수 있다.

이와 같은 오토클레이브 공정을 통해, 같은 재료 사용해 전지를 평판으로 제작 시에 팔랑거리는 수준의 기계 강도를 가지던 제품과 비교하여, 본 발명의 적층구조물(110)은 더 높은 굽힘 강성(bending stiffness)과 비틀림 강성(torsional stiffness)를 가진 중공형 파이프 형상의 구조 전지로서 제작되게 된다.

이와 같은 오토클레이브 공정을 통한 열가소성 폴리머(112)(도 3 참조)의 경화가 이루어진 후, 진공오븐 등에서 상온 진공 조건에서 10~30 시간(예, 24 시간) 처리가 이루어진다(S150). 이는 적층구조물(110)의 구조 전지로서의 전기적인 성능을 확보하기 위함이다. 이와 같은 상온 진공 조건에서의 처리 후에, 오토클레이브 과정에서 적층구조물(110)에 생긴 부산물 등을 제거한다.

이후, 적층구조물(110)의 길이방향으로 양측 열가소성 폴리머(112)로 경화된 해당 부분의 외측(길이 방향 좌우) 끝에 각각 탄성 고분자 물질(190)로 코팅하여 봉인한다(S160). 상기 탄성 고분자 물질(190)은 PDMS(PolyDimethylSiloxane) 등으로 이루어질 수 있다. 열가소성 폴리머(112) 경화 이외에도, 이와 같은 PDMS 등으로 축 방향 양단에 코팅하는 것에 의해, 전해질의 안정성을 더욱 확보해 줄 수 있다.

전지구조물(150)의 전해질이 젤 또는 고체 전해질인 경우, S160 단계에 의해 구조 전지의 제작이 완료된다. 다만, 액체 전해질을 사용한 경우에는, 수분, 산소가 제거된 글러브박스를 사용하여, 미리 적층 또는 삽입한 주입관(300)을 통해 전해질을 주입함으로써 구조 전지로서 완성된다(S170).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 중공 실린더형 구조 전지(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 중공 실린더형 구조 전지(100)는, 위에서 설명한 바와 같이, 적층구조물(110)을 원통형 봉에서 탈거하여 지그(10)의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 제작되는 적층구조물(110)을 포함한다.

적층구조물(110)은, 내측 폴리머(121a)와 외측 폴리머(121b) 사이에 형성된 전지구조물(150)을 포함하고, 내측 폴리머(121a)의 내측과 외측 폴리머(121b)의 외측 상에는 알루미늄 필름 등에 의한 차폐재(131a, 131b)가 형성된다.

전지구조물(150)은, 전지영역(118) 양단에 열가소성 폴리머(112)(도 3 참조)가 함침된 후 경화된 분리막(111)을 포함하고 있다. 분리막(111)의 경화는, 오토클레이브 공정(도 6 참조)에서, 적층구조물(110) 내의 공기를 제거하고 적절한 온도와 압력에서 압착함으로써 전지영역(118) 양단에 함침된 열가소성 폴리머(112)에 의한 해당 부분의 경화가 이루어지는 방법이 사용된다.

또한, 적층구조물(110)의 길이방향으로 양측 열가소성 폴리머(112)로 경화된 해당 부분의 외측(길이 방향 좌우) 끝에 각각 PDMS와 같은 탄성 고분자 물질(190)로 코팅하여 봉인이 이루어진다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 중공 실린더형 구조 전지의 복수 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 도 7과 같이 제작된 중공 실린더형 구조 전지(100) 복수개가 집전체(115, 116)에 연결된 양극과 음극을 통해, 직렬 및 병렬의 조합으로 연결됨으로써, 필요한 전압과 용량을 갖는 구조 전지의 성능을 발휘하도록 제작될 수 있다.

한편, 구조 전지는, 패키징을 통해 전해질과 외부환경과의 격리를 수행할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 또한, 구조적인 연속성을 유지하기 위해서는 파우치 셀이 아닌 방식의 패키징이 연속적인 적층 구조물 사이에서 이루어져야 한다. 덧붙여서 잔류 고분자 물질의 수분 및 산소 취약성을 해결하는 것 또한 구조 전지 패키징의 최소 필요조건이다. 복합적인 상황을 쉽게 해결하기 위해서 본 발명에서는 실리더 형으로의 형상의 변화와 차폐재 등의 내부 요소 삽입과 같은 방식을 적용해 위와 같은 주요 사항을 해결하고자 하였다.

본 발명이 구조 전지(100)는 두께 방향으로는 알루미늄 필름 등의 차폐재(131a, 131b)를 삽입하는 것으로 내부에 주입 혹은 적층될 모든 종류의 전해질 물질과 외부와의 차폐가 가능하도록 하였다. 그리고, 길이 방향으로 열가소성 폴리머(112)를 분리막에 함침시키는 것에 의해 전지 영역으로 구획된 부분을 1차적으로 봉인하고, 오토클레이브 사이클 도중 열가소성 폴리머(112)가 녹은 레진(resin)이 전지 영역으로 넘치는 것을 방지할 수 있도록 하였다. 또한, 수분차단효과가 있는 PDMS와 같은 탄성고분자물질(190)을 길이 방향의 말단에 코팅해줌으로써 외부환경의 유입을 확실하게 차단할 수 있도록 하였다.

또한, 상술한 바와 같이, 복합 재료 적층구조물(110)에 의해 실린더형상으로 구조 전지(100)를 제작하는 것을 통해서, 전지 제작에 필수적인 전극간의 간격 유지를 부가요소 없이 해결하였고, 폐 곡면을 도입하는 것으로 내부 환경을 유지할 수 있도록 하였다.

또한, 구조 전지(100)의 컨셉의 이유인 다 기능성의 측면을 만족시키기 위해서 구성 요소들이 하중 지지에 참여해주는 것이 중요하다. 하지만 화학반응에 직접 참여하는 양극, 음극 활물질은 변형이 생길 경우 배터리 효율을 크게 저하시킬 수 있으므로 현재 기술수준에서는 분리막과 집전체를 하중 지지에 참여시키는 것이 가장 적절하다. 본 발명에서는 열가소성 폴리머(112)가 함침된 유리섬유 분리막(111) 등을 적용하며, 제작 시 오토클레이브 성형과정에서 앞서 언급한 것처럼 레진에 의해 모세관 현상 및 외부압력으로 전지 영역까지 폴리머(121a, 121b, 122a,122b) 등 dry fabric 전체가 경화될 위험을 방지하고자 하였다. 이럴 경우 전기화학반응 자체가 일어날 수 없기 때문에(이온 이동을 현저히 저하시킴) 이를 저지하고, 전해질이 경화된 fabric을 넘어서서 외부로 유출되는 것을 막아주기 위해 열가소성 폴리머(112)를 전지 영역이 끝나는 지점에 열과 압력을 통해 녹여서 미리 함침시킨 것이다. 본 발명에서 고안된 이러한 함침된 띠를 통해서 연속적인 구조를 유지하면서도 다 기능성을 보유하는 구조 전지 제작이 가능하게 된다.

본 발명에서는 또한 평판형이 아닌 실린더로 형상 제작을 하게 되면서, 1) 필러와 같은 다른 구속 요건이나 과정(예, polymer pillar from Phillips etc.)을 더해주지 않아도 전극물질간의 거리를 일정하게 유지할 수 있게 되었다. 나아가 오토클레이브 과정에서 가해지는 압력으로 완성되기 전과 비교해 내부의 공극이 제거되고, 압축된 채로 경화가 진행되므로, 다른 부가적인 환경유지요소(예, spacer or spring for coin cell) 없이도 전기화학적으로 활발한 반응이 가능한 환경이 갖춰지게 된다.

본 발명에서, 단순한 형상의 변화로는 얻을 수 없는 성능 향상을 제작과정에서의 변화를 통해서 이뤄냈다는 점이, 고유한 창작부분이다. 본 발명과 같은 과정을 거친 분리막(111)을 적용하지 않고 외부 형상만을 변화시킨 경우, 초기 용량과 기계적 하중 지지 능력은 높게 나오지만 배터리 환경 유지를 하지 못해 전지로써 활용가치가 낮아 기존의 전지 성능과 큰 차이를 보이지 못한다. 반대로 분리막(111)만을 봉인 방식으로 변화시키고 평판형으로 제작하는 경우에는, 낮은 전지용량에 루프 방향이 폐 곡면이 아니게 되면서 환경유지성능에서 실린더형상의 수준에는 미치지 못하는 성능을 보이게 된다. 이처럼, 본 발명은 형상과 내부 제작과정의 특이성이 결합되어 보고되지 않은 우수한 성능을 가지는 적층형 방식의 구조 전지 패키징 시스템을 제작하였다는 것에서 발명의 고유성을 보여주게 된다.

본 발명과 같은 구조 전지 형상을 통해서 비로소 전지 성능 및 구조적 성능이 향상됨을 확인할 수 있는데, 이는 2차전지의 제작기법 상 전극 사이의 거리를 최소화시키면서 일정한 거리를 유지해야 지속적인 전기화학반응을 얻어낼 수 있는 점을 오토클레이브 공정으로 압력하에서 압축된 상태로 열가소성 폴리머(112)가 경화된 resin polymer matrix를 통해 이루어진 것으로부터 알 수 있다. 이는 평판에서는 3D 방향의 자유도를 가지고 있던 배터리 환경 유지 요건이 본 발명의 형태로 변화하면서 2D 방향의 자유도(축 방향, 두께 방향)으로 줄어들게 되고, 이에 해당하는 부분을 각각 열가소성 폴리머(112)와 PDMS와 같은 탄성고분자물질(190)에 의한 양단 코팅으로 봉인, Aluminum 차폐재(131a, 131b)의 삽입 등을 통해 해결하였기에 유의미한 결과를 획득한 것이다.

본 발명의 구조 전지(100)는 하중 지지에 가장 빈번하게 사용되는 파이프 형상을 가지고 있기에, 확장성과 실제 문제에 적용하기 쉽다는 점에서 우수하다. 위와 같이 제시된 예시만이 아니라 간단한 비례를 통해서 자동차의 프레임이나 드론 아암(arm) 등 길이를 변화시키면 그에 맞춰서 용량을 늘릴 수 있으며, 멀티 셀이나 내부 배터리 재료의 변화를 통해서 도 8과 같이 원하는 용도에 맞춰 전압 대역 및 전지용량을 쉽게 변화시켜서 다양한 분야에 활용도가 클 것으로 기대된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합재료 구조 전지에 따르면, 중공 실린더 형상에 구조적 연속성을 유지하는 차폐 재료를 사용하여 구조적 성능을 유지한 채 배터리 사이클 유지 및 비 용량(specific capacity) 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 중공 실린더 형태의 패키징 모델은 파이프 형태로 높은 유연성(bending), 무게 대비 비틀림 강성(torsional stiffness compared to weight) 등 물리적 장점을 그대로 가져오는 것뿐만 아니라, 기존의 평판형 전지에서는 구현하지 못하는 지속적인 압력이 가해지는 폐 단면(closed cross section)을 만드는 것에 의해 부가적인 처리 없이도 전극 물질 간의 균등한 거리를 유지시키므로 높은 2차 전지 비 용량을 확보할 수 있게 해준다. 또한, 분리막 양단에 삽입해 주는 폴리머(112)의 경화에 의한 전지영역의 봉인과 PDMS(PolyDimethylSiloxane) 등에 의한 길이 말단의 봉인을 통해서 전지 반응의 안정성을 확보하며 연속적인 디자인으로 구조적인 우수성을 유지하는 구조전지를 제공할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

지그(10)
원통형 봉(20)
적층구조물(110)
분리막(111)
열가소성 폴리머(112)
차폐재(131a, 131b)
집전체(115, 116)
폴리머(121a, 121b, 122a,122b)
외장재(123a, 123b)
전지구조물(150)
탄성고분자물질(190)
주입관(300)

Claims (12)

1. 중공 실린더형 구조 전지에 있어서,
   적층구조물을 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 제작되는 상기 적층구조물을 포함하고,
   상기 적층구조물은,
   내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 형성된 전지구조물; 및
   상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 형성된 각각의 차폐재를 포함하고,
   상기 전지구조물은, 전지영역 양단에 열가소성 폴리머가 함침된 후 경화된 분리막으로서, 상기 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 소정의 온도와 압력에서 압착하여 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화가 형성된 상기 분리막
   을 포함하는 중공 실린더형 구조 전지.
2. 전지영역 양단에 열가소성 폴리머를 함침한 분리막을 준비하는 단계;
   원통형 봉을 둘러싸도록, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 상기 분리막이 포함된 전지구조물, 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 각각의 차폐재를 형성한 적층구조물을 형성하는 단계; 및
   상기 적층구조물을 상기 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 압착하며 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화를 형성하는 단계
   를 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 경화를 형성하는 단계 후에,
   상온 진공 조건에서 10~30 시간 처리하는 단계를 더 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 경화를 형성하는 단계 후에,
   상기 적층구조물의 길이방향으로 양측 경화된 상기 해당 부분의 외측으로 양단에 각각 탄성 고분자 물질로 코팅하여 봉인하는 단계를 더 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 적층구조물을 형성하는 단계에서, 상기 전지영역에 전해질 주입을 위한 주입관이 포함되도록 상기 적층구조물을 형성하고, 상기 구조 전지의 제작 후 상기 주입관을 통해 전해질을 주입하는 구조 전지의 제작 방법.
6. 제2항에 있어서,
   상기 적층구조물을 형성하는 단계에서, 상기 원통형 봉에 미리 테프론 필름으로 감싼 후 상기 적층구조물을 형성한 후, 상기 적층구조물을 상기 원통형 봉에서 탈거 전에 다시 테프론 필름으로 감싸는 구조 전지의 제작 방법.
7. 제2항에 있어서,
   상기 탄성 고분자 물질은 PDMS(PolyDimethylSiloxane)를 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
8. 제2항에 있어서,
   상기 차폐재는 알루미늄 필름을 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
9. 제2항에 있어서,
   상기 내측 폴리머와 상기 외측 폴리머는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)를 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
10. 제2항에 있어서,
    상기 적층구조물은, 상기 각각의 차폐재를 순차로 덮는 내측과 외측 각각의 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer) 및 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)를 포함하는 구조 전지의 제작 방법.
11. 중공 실린더형 구조 전지에 있어서,
    적층구조물을 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 제작되는 상기 적층구조물을 포함하고,
    상기 적층구조물은,
    내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 형성된 전지구조물; 및
    상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 형성된 각각의 차폐재를 포함하고,
    상기 전지구조물은, 상기 오토클레이브 공정 전에 상기 적층구조물에 포함된 젤 또는 고체 전해질을 포함하고, 상기 오토클레이브 공정을 거친 상기 젤 또는 고체 전해질
    을 포함하는 중공 실린더형 구조 전지.
12. 원통형 봉을 둘러싸도록, 내측 폴리머와 외측 폴리머 사이에 젤 또는 고체 전해질이 포함된 전지구조물, 및 상기 내측 폴리머의 내측과 상기 외측 폴리머의 외측 상에 각각의 차폐재를 형성한 적층구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 적층구조물을 상기 원통형 봉에서 탈거하여 지그의 관통 구멍에 삽입하고 오토클레이브 공정을 통해 상기 적층구조물 내의 공기를 제거하고 압착하며 상기 함침된 열가소성 폴리머에 의한 해당 부분의 경화를 형성하는 단계
    를 포함하는 구조 전지의 제작 방법.

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