KR20240107628A - 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해질에 용해된 금속이온이 산화·환원되어 충·방전되는 이차전지에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는, 제 1 반쪽 반응이 일어나는 제 1 액체전극과, 제 2 반쪽 반응이 일어나는 제 2 액체전극과, 상기 제 1 액체전극이 저장되는 공간인 제 1 전극수용부와 상기 제 2 액체전극이 저장되는 공간인 제 2 전극수용부를 형성하는 프레임과, 상기 프레임에 결합되어 상기 제 1 전극수용부와 상기 제 2 전극수용부 사이에 배치되는 분리막과, 외부로부터 액체전극이 주입되도록 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부와 연통되는 주입구를 포함한다.
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해질에 용해된 금속이온이 산화·환원되어 충·방전되는 이차전지에 관한 것이다.
레독스 흐름전지(Redox Flow Battery, RFB)는 기존 이차전지와는 달리 전해질(electrolytes) 내의 활물질(active material)이 산화·환원되어 충·방전되는 시스템으로 전기에너지를 전해액의 화학적 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 레독스 흐름전지는 실제 전기 화학적 반응은 스택(stack)에서 일어나고 전해질을 유체펌프를 이용하여 스택 내부에 지속적으로 순환시킴으로써 작동한다. 이러한 레독스 흐름전지는 수명이 길고 고출력과 고용량의 장점이 있는 반면, 전해질을 저장하는 탱크와 전해질을 유동하기 위한 유체펌프로 인하여 공간상 제약과 설계의 난이도로 인한 문제가 있었다. 이에 본 발명의 발명자들은 전해질 탱크와 유체펌프를 제거한 레독스 이차전지를 개발하였으나, 전해질을 스택에 적절하게 주입하여야 하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액체전극을 전극수용부에 적절하게 주입하고 주입구를 간단히 폐쇄할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는, 제 1 반쪽 반응이 일어나는 제 1 액체전극과, 제 2 반쪽 반응이 일어나는 제 2 액체전극과, 상기 제 1 액체전극이 저장되는 공간인 제 1 전극수용부와 상기 제 2 액체전극이 저장되는 공간인 제 2 전극수용부를 형성하는 프레임과, 상기 프레임에 결합되어 상기 제 1 전극수용부와 상기 제 2 전극수용부 사이에 배치되는 분리막과, 외부로부터 액체전극이 주입되도록 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부와 연통되는 주입구를 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는, 제 1 반쪽 반응이 일어나는 제 1 액체전극과, 제 2 반쪽 반응이 일어나는 제 2 액체전극과, 상기 제 1 액체전극과 상기 제 2 액체전극 사이에 배치되는 분리막과, 상기 분리막을 지지하는 프레임과, 상기 제 1 액체전극 및 상기 제 2 액체전극이 주입되도록 상기 프레임의 면내 방향으로 형성되는 주입구를 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는, 제 1 집전체와, 상기 제 1 집전체와 이격하여 배치되는 제 2 집전체와, 상기 제 1 집전체와 상기 제 2 집전체 사이에 배치되는 분리막과, 상기 제 1 집전체와 상기 제 2 집전체 사이에 배치되어 상기 제 1 집전체와 상기 분리막 사이에 제 1 전극수용부를 형성하고 상기 제 2 집전체와 상기 분리막 사이에 제 2 전극수용부를 형성하는 프레임과, 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부와 연통되도록 형성되는 주입구와, 상기 주입구를 막는 밀봉부재를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이차전지에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 액체전극이 프레임에 형성된 하나의 주입구를 통하여 복수의 전극수용부로 적절하게 주입되는 장점이 있다.
둘째, 액체전극을 주입하는 주입구가 프레임에 형성되어 액체전극 주입 후 수월하게 밀폐될 수 있는 장점도 있다.
셋째, 액체전극이 프레임에 형성된 천이부를 통하여 천천히 주입되어 과도한 주입 압력으로 분리막 등이 파손되는 것을 방지할 수 있는 장점도 있다.
넷째, 액체전극이 프레임에 형성된 천이부를 통하여 천천히 주입되어 기포발생이 최소화될 수 있는 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 이차전지에 대한 3-3 방향 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 일부에 대한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 대한 정면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 대한 배면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 천이부를 통한 액체전극의 유동을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 프레임에 대한 9-9 방향 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에 대한 일부 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 대한 일부 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 이차전지에 대한 3-3 방향 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 일부에 대한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 대한 정면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 대한 배면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 천이부를 통한 액체전극의 유동을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 프레임에 대한 9-9 방향 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에 대한 일부 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 대한 일부 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 이차전지를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이고, 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 이차전지에 대한 3-3 방향 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈에 대한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 제 1 집전체(130a)와, 제 1 집전체(130a)와 이격하여 배치되는 제 2 집전체(130b)와, 제 1 집전체(130a)와 제 2 집전체(130b) 사이에 배치되는 분리막(120)과, 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)를 형성하는 프레임(110)과, 제 1 전극수용부(111a)에 수용되어 제 1 반쪽 반응이 일어나는 제 1 액체전극과, 제 2 제 2 전극수용부(111b)에 수용되어 제 2 반쪽 반응이 일어나는 제 2 액체전극과, 제 1 전극수용부(111a)에 배치되어 제 1 액체전극이 함침되는 제 1 고체전극(150a)과, 제 2 전극수용부(111b)에 배치되어 제 2 액체전극이 함침되는 제 2 고체전극(150b)과, 제 1 집전체(130a)와 프레임(110)을 결합하는 제 1 점착부재(160a)와, 제 2 집전체(130b)와 프레임(110)을 결합하는 제 2 점착부재(160b)와, 제 1 전극수용부(111a)와 제 2 전극수용부(111b)를 연통하는 천이부(112)를 포함한다.
제 1 액체전극은 애노드 레독스 커플이 용해된 전해질이다. 애노드 레독스 커플은 바나듐(V), 아연(Zn), 브롬(Br), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 세륨(Ce) 및 코발트(Co) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 구현될 수 있으며, 본 실시예에서는 V2+/V3+ 레독스 커플이다. 제 1 액체전극은 이온화를 통하여 전류를 전도하는 용액인 산성 수용액일 수 있으며, 바람직하게는 황산을 포함한다. 본 실시예에서 제 1 액체전극은 H2SO4 수용액에 VOSO4(vanadylsulfate) 또는 V2O5 (vanadium pentoxide)를 용해시켜 제조될 수 있다.
제 1 액체전극은 제 1 반쪽 반응을 일으킨다. 제 1 반쪽 반응은 아래와 같으며, →는 방전 반응 방향을 나타내고 ←는 충전 반응 방향을 나타낸다.
V2+ ←→ V3+ + e-
방전시 바나듐 2가 이온은 바나듐 3가 이온으로 산화되며, 충전시 바나듐 3가 이온은 바나듐 2가 이온으로 환원된다.
제 1 액체전극은 프레임(110), 제 1 집전체(130a) 및 분리막(120)으로 둘러쌓여 구비된다. 제 1 액체전극은 제 1 집전체(130a)와 프레임(110) 사이에서 제 1 점착부재(160a)에 의하여 면내(in-plane) 방향 등으로 유출되지 않는다. 이하, 면내 방향은 분리막(120)이 이루는 평면과 평행한 방향을 의미한다. 제 1 액체전극은 제 1 전극수용부(111a)에 수용된다. 제 1 액체전극은 제 1 고체전극(150a)에 함침되는 것이 바람직하다.
제 1 액체전극은 제 1 집전체(130a)와 전기적으로 연결되어, 방전시 전자가 제 1 집전체(130a)로 이동하며, 충전시 제 1 집전체(130a)의 전자가 제 1 액체전극으로 이동한다. 제 1 액체전극은 분리막(120)과 접촉되어 분리막(120)을 통하여 수소 양이온(양성자)이 이동된다.
제 2 액체전극은 캐소드 레독스 커플이 용해된 전해질이다. 캐소드 레독스 커플은 바나듐(V), 아연(Zn), 브롬(Br), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 세륨(Ce) 및 코발트(Co) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 구현될 수 있으며, 본 실시예에서는 V4+/V5+ 레독스 커플이다. 제 2 액체전극은 이온화를 통하여 전류를 전도하는 용액인 산성 수용액일 수 있으며, 바람직하게는 황산을 포함한다. 본 실시예에서 제 2 액체전극은 H2SO4 수용액에 VOSO4(vanadylsulfate) 또는 V2O5 (vanadium pentoxide)를 용해시켜 제조될 수 있다.
제 2 액체전극은 제 2 반쪽 반응을 일으킨다. 제 2 반쪽 반응은 아래와 같으며, →는 방전 반응 방향을 나타내고 ←는 충전 반응 방향을 나타낸다.
V5+ + e- ←→ V4+
방전시 바나듐 5가 이온은 바나듐 4가 이온으로 환원되며, 충전시 바나듐 4가 이온은 바나듐 5가 이온으로 산화된다.
제 2 액체전극은 프레임(110), 제 2 집전체(130b) 및 분리막(120)으로 둘러쌓여 구비된다. 제 2 액체전극은 제 2 집전체(130b)와 프레임(110) 사이에서 제 2 점착부재에 의하여 면내 방향 등으로 유출되지 않는다. 제 2 액체전극은 제 2 전극수용부(111b)에 수용된다. 제 2 액체전극은 제 2 고체전극(150b)에 함침되는 것이 바람직하다.
제 2 액체전극은 제 2 집전체(130b)와 전기적으로 연결되어, 충전시 전자가 제 2 집전체(130b)로 이동하며, 방전시 제 2 집전체(130b)의 전자가 제 2 액체전극으로 이동한다. 제 2 액체전극은 분리막(120)과 접촉되어 분리막(120)을 통하여 수소 양이온(양성자)이 이동된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 제 1 액체전극과 제 2 액체전극은 동일한 성분이다. 제 1 액체전극과 제 2 액체전극은 동일한 성분의 전해질에 바나듐 이온이 포함된 것이다. 이하에서 제 1 액체전극과 제 2 액체전극을 통칭하여 액체전극으로 표현한다.
프레임(110)은 중공의 사각형으로 형성된다. 실시예에 따라 프레임(110)은 마름모, 원형, 삼각형 또는 오각형 이상의 다각형 등으로 형성될 수 있다. 프레임(110)은 면외(out-of-plane) 방향으로 소정의 두께를 가지고 있어 제 1 전극수용부(111a)와 제 2 전극수용부(111b)를 형성한다. 이하, 면외 방향은 면내 방향(분리막(120)이 이루는 평면과 평행한 방향)을 관통하는 방향을 의미한다. 면외 방향은 프레임(110)의 두께 방향(Through-Thickness Direction)을 포함하나, 면내 방향에 수직한 방향만을 의미하지 않는다.
프레임(110)은 가장자리가 제 1 집전체(130a)의 제 1 탄소집전체(132a)의 가장자리 및 제 2 집전체(130a)의 제 2 탄소집전체(132b)의 가장자리와 일치하도록 형성된다.
프레임(110)은 면외 방향 일측에 제 1 집전체(130a)가 배치되고 타측에 제 2 집전체(130b)가 배치된다. 프레임(110)의 중공은 제 1 집전체(130a) 및 제 2 집전체(130b)에 의하여 폐쇄된다. 프레임(110)은 제 1 집전체(130a)와 제 2 집전체(130b) 사이에 배치되어 제 1 액체전극 및 제 2 액체전극이 면내 방향 등으로 누설되지 않도록 한다. 프레임(110)은 제 1 점착부재(160a)에 의하여 제 1 집전체(130a)와 결합되고, 제 2 점착부재(160b)에 의하여 제 2 집전체(130b)와 결합된다.
프레임(110)은 중공에 분리막(120)이 배치된다. 프레임(110)의 중공은 분리막(120)에 의하여 2개의 공간으로 분할된다. 프레임(110)은 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)와 동일한 성분의 점착제로 분리막(120)과 결합될 수 있다.
프레임(110)은 제 1 집전체(130a)와 분리막(120) 사이에 제 1 전극수용부(111a)를 형성하고, 제 2 집전체(130b)와 분리막(120) 사이에 제 2 전극수용부(111b)를 형성한다.
프레임(110)은 제 1 액체전극 및 제 2 액체전극을 수용한다. 프레임(110)은 내부에 제 1 고체전극(150a) 및 제 2 고체전극(150b)이 배치된다. 프레임(110)은 면외 방향 일측 가장자리에 제 1 점착부재(160a)가 점착되고 면외 방향 타측 가장자리에 제 2 점착부재(160b)가 점착된다.
프레임(110)은 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)와 천이부(112)를 형성한다.
천이부(112)는 제 1 전극수용부(111a)와 제 2 전극수용부(111b)를 연통한다. 천이부(112)는 제 1 액체전극 및/또는 제 2 액체전극이 유동한다. 천이부(112)는 일부가 프레임(110)의 가장자리에 홈으로 형성되고 다른 일부가 구멍으로 형성된다. 천이부(112)의 홈은 프레임(110)에서 면외 방향으로 함몰되어 면내 방향을 길이 방향으로 하여 형성되는 것이다. 천이부(112)의 구멍은 프레임(110)을 면외 방향으로 관통하여 면외 방향을 길이 방향으로 하여 형성되는 것이다.
천이부(112)는 적어도 일부가 제 1 점착부재(160a)와 프레임(110) 또는 제 2 점착부재(160b)와 프레임(110)에 의하여 형성된다. 천이부(112)는 제 1 점착부재(160a)와 제 2 점착부재(160b) 사이에 배치된다. 천이부(112)는 면외 방향 일측이 제 1 점착부재(160a)에 의하여 덮이고 면외 방향 타측이 제 2 점착부재(160b)에 의하여 덮인다. 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 및/또는 제 2 액체전극은 제 1 점착부재(160a) 및/또는 제 2 점착부재(160b)와 접촉한다.
천이부(112)에 대한 자세한 설명은 도 6 내지 도 9를 참조하여 후술한다.
분리막(120)은 프레임(110) 내부에 배치되어 제 1 액체전극과 제 2 액체전극을 분리하고 제 1 액체전극과 제 2 액체전극 간에 수소 양이온(양성자)이 이동될 수 있도록 한다. 분리막(120)은 프레임(110) 내부에서 프레임(110)의 두께 방향의 중앙에 배치되어 제 1 전극수용부(111a)와 제 2 전극수용부(111b)를 구분한다.
분리막(120)은 제 1 액체전극과 제 2 액체전극 사이에 배치된다. 분리막(120)은 제 1 집전체(130a)와 제 2 집전체(130b) 사이에 배치된다. 분리막(120)은 프레임(110)에서 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)보다 면내 방향의 내측에 배치된다. 분리막(120)은 가장자리가 프레임(110)에 결합된다.
수소 양이온은 방전시 분리막(120)을 통과하여 제 1 액체전극에서 제 2 액체전극으로 이동하고, 충전시 분리막(120)을 통과하여 제 2 액체전극에서 제 1 액체전극으로 이동한다.
분리막(120)은 과불소화 이오노머(perfluorinated ionomer), 부분적 불소화 폴리머(partially fluorinated polymer) 및 비불소화 탄화수소(non-fluorinated hydrocarbons)를 포함할 수 있다. 분리막(120)은 Nafion®, Flemion®, NEOSEPTA-F® 또는 Gore Select®로 형성되거나 이를 포함할 수 있다.
분리막(120)은 제 1 액체전극과 제 2 액체전극이 상호 섞이지 않도록 하여야 하나, 충전이나 방전시 제 1 액체전극 및 제 2 액체전극에 포함된 바나듐 이온과 물이 분리막(120)을 통과하는 크로스오버 현상이 발생될 수 있다. 이에 따라 제 1 액체전극의 양과 제 2 액체전극의 양에 불균형이 발생하고 이는 이차전지의 성능과 수명에 영향을 미치게 된다. 종래의 레독스 이차전지와 같이 액체전극 탱크와 펌프가 있는 경우 이러한 액체전극의 불균형이 해소될 수 있으나, 본 발명에서와 같이 이차전지 내부에만 소량의 액체전극이 존재하는 경우 작은 차이의 불균형에도 이차전지의 성능과 수명에 영향을 미치게된다. 천이부(112)는 이러한 크로스오버에 의한 불균형을 해소하는 것으로, 부피가 늘어난 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극이 천이부(112)를 통하여 부피가 줄어든 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극으로 이동한다.
제 1 집전체(130a)는 프레임(110)의 일측에 배치되어 프레임(110) 및 분리막(120)과 함께 제 1 전극수용부(111a)를 형성한다. 제 1 집전체(130a)는 제 2 집전체(130b)와 이격하여 평행하게 배치된다. 제 1 집전체(130a)는 프레임(110)에 첨착된 제 1 점착부재(160a)와 점착된다. 제 1 집전체(130a)는 제 1 점착부재(160a)에 의하여 프레임(110)에 결합된다. 제 1 집전체(130a)는 가장자리에 제 1 점착부재(160a)가 도포되거나 점착된다.
제 1 집전체(130a)는 제 1 점착부재(160a)가 점착되어 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극과 직접적으로 접촉되지 않는다. 제 1 집전체(130a)는 제 1 액체전극과 전기적으로 연결되어 충전 및 방전시 전류가 흐르도록 전자가 이동한다.
도 4와 같이 복수의 프레임(110), 복수의 제 1 집전체(130a) 및 복수의 제 2 집전체(130b)로 복수의 이차전지가 모듈을 형성할 때, 복수의 제 1 집전체(130a)는 버스바(미도시)에 의하여 전기적으로 연결되어 복수의 이차전지를 병렬 또는 직렬로 연결한다.
제 1 집전체(130a)는, 금속으로 형성되어 버스바와 전기적으로 연결되는 제 1 금속집전체(131a)와, 제 1 금속집전체(131a)와 프레임(110) 사이에 배치되는 제 1 탄소집전체(132a)를 포함한다.
제 1 탄소집전체(132a)는 흑연, 탄소, 탄소 플라스틱 등과 같은 재료로 형성되어 높은 전기 전도성과 높은 내산성을 갖는다. 제 1 탄소집전체(132a)는 제 1 액체전극과 제 1 금속집전체(131a) 사이에 배치되어 상호 전자가 이동하도록 하되 제 1 금속집전체(131a)가 산화되지 않도록 한다. 제 1 탄소집전체(132a)는 사각형의 판 형상으로 형성되거나 제 1 금속집전체(131a)에 도포되어 형성될 수 있다.
제 1 탄소집전체(132a)는 가장자리가 프레임(110)의 가장자리가 일치하도록 형성된다. 제 1 탄소집전체(132a)는 제 1 점착부재(160a)에 의하여 프레임(110)에 결합된다. 제 1 탄소집전체(132a)는 가장자리에 제 1 점착부재(160a)가 도포되거나 점착된다.
제 1 금속집전체(131a)는 전기 전도성이 높은 금속, 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 형성된다. 제 1 금속집전체(131a)는 사각형의 판 형상으로 형성되되 일부가 돌출되어 버스바와 연결될 수 있다.
제 1 금속집전체(131a)는 연성의 박막으로 형성되거나 강성의 판으로 형성될 수 있다. 도 4와 같이 복수의 이차전지가 모듈을 형성할 때, 복수의 제 1 금속집전체(131a)는 연성의 박막으로 형성되되 일부만 강성의 판으로 형성될 수 있다.
제 1 금속집전체(131a)는 일면에 제 1 탄소집전체(132a)가 배치된다. 도 4와 같이 복수의 이차전지가 모듈을 형성할 때, 제 1 금속집전체(131a)는 양면에 제 1 탄소집전체(132a)가 배치된다.
제 2 집전체(130b)는 프레임(110)의 타측에 배치되어 프레임(110) 및 분리막(120)과 함께 제 2 전극수용부(111b)를 형성한다. 제 2 집전체(130b)는 제 1 집전체(130a)와 이격하여 평행하게 배치된다. 제 2 집전체(130b)는 프레임(110)에 첨착된 제 2 점착부재(160b)와 점착된다. 제 2 집전체(130b)는 제 2 점착부재(160b)에 의하여 프레임(110)에 결합된다. 제 2 집전체(130b)는 가장자리에 제 2 점착부재(160b)가 도포되거나 점착된다.
제 2 집전체(130b)는 제 2 점착부재(160b)가 점착되어 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극과 직접적으로 접촉되지 않는다. 제 2 집전체(130b)는 제 2 액체전극과 전기적으로 연결되어 충전 및 방전시 전류가 흐르도록 전자가 이동한다.
도 4와 같이 복수의 프레임(110), 복수의 제 1 집전체(130a) 및 복수의 제 2 집전체(130b)로 복수의 이차전지가 모듈을 형성할 때, 복수의 제 2 집전체(130b)는 버스바(미도시)에 의하여 전기적으로 연결되어 복수의 이차전지를 병렬로 연결한다.
제 2 집전체(130b)는, 금속으로 형성되어 버스바와 전기적으로 연결되는 제 2 금속집전체(131b)와, 제 2 금속집전체(131b)와 프레임(110) 사이에 배치되는 제 2 탄소집전체(132b)를 포함한다.
제 2 탄소집전체(132b)는 흑연, 탄소, 탄소 플라스틱 등과 같은 재료로 형성되어 높은 전기 전도성과 높은 내산성을 갖는다. 제 2 탄소집전체(132b)는 제 2 액체전극과 제 2 금속집전체(131b) 사이에 배치되어 상호 전자가 이동하도록 하되 제 2 금속집전체(131b)가 산화되지 않도록 한다. 제 2 탄소집전체(132b)는 사각형의 판 형상으로 형성되거나 제 2 금속집전체(131b)에 도포되어 형성될 수 있다.
제 2 탄소집전체(132b)는 가장자리가 프레임(110)의 가장자리가 일치하도록 형성된다. 제 2 탄소집전체(132b)는 제 2 점착부재(160b)에 의하여 프레임(110)에 결합된다. 제 2 탄소집전체(132b)는 가장자리에 제 2 점착부재(160b)가 도포되거나 점착된다.
제 2 금속집전체(131b)는 전기 전도성이 높은 금속, 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 형성된다. 제 2 금속집전체(131b)는 사각형의 판 형상으로 형성되되 일부가 돌출되어 버스바와 연결될 수 있다.
제 2 금속집전체(131b)는 연성의 박막으로 형성되거나 강성의 판으로 형성될 수 있다. 도 4와 같이 복수의 이차전지가 모듈을 형성할 때, 복수의 제 2 금속집전체(131b)는 연성의 박막으로 형성되되 일부만 강성의 판으로 형성될 수 있다.
제 2 금속집전체(131b)는 일면에 제 2 탄소집전체(132b)가 배치된다. 도 4와 같이 복수의 이차전지가 모듈을 형성할 때, 제 2 금속집전체(131b)는 양면에 제 2 탄소집전체(132b)가 배치된다.
제 1 고체전극(150a)은 제 1 액체전극이 함침되어 제 1 전극수용부(111a)에 배치된다. 제 1 고체전극(150a)은 프레임(110), 제 1 집전체(130a) 및 분리막(120)으로 둘러쌓여 배치된다. 제 1 고체전극(150a)은 탄소 또는 흑연 펠트, 탄소 천, 카본 블랙, 흑연 분말 또는 그래핀과 같은 탄소계 재료들을 포함한다. 제 1 고체전극(150a) 프레임(110)에서 제 1 점착부재(160a)보다 면내 방향의 내측에 배치된다.
제 1 고체전극(150a)은 다공성의 육면체 형상으로 형성될 수 있다. 제 1 고체전극(150a)은 제 1 전극수용부(111a)의 면외 방향 두께보다 더 큰 두께를 가질 수 있으며, 이 경우 제 1 전극수용부(111a)에 압착되어 수용될 수 있다. 제 1 고체전극(150a)은 제 1 집전체(130a) 및 분리막(120)과 밀착된다.
제 2 고체전극(150b)은 제 2 액체전극이 함침되어 제 2 전극수용부(111b)에 배치된다. 제 2 고체전극(150b)은 프레임(110), 제 2 집전체(130b) 및 분리막(120)으로 둘러쌓여 배치된다. 제 2 고체전극(150b)은 탄소 또는 흑연 펠트, 탄소 천, 카본 블랙, 흑연 분말 또는 그래핀과 같은 탄소계 재료들을 포함한다. 제 2 고체전극(150b) 프레임(110)에서 제 2 점착부재(160b)보다 면내 방향의 내측에 배치된다.
제 2 고체전극(150b)은 다공성의 육면체 형상으로 형성될 수 있다. 제 2 고체전극(150b)은 제 2 전극수용부(111b)의 면외 방향 두께보다 더 큰 두께를 가질 수 있으며, 이 경우 제 2 전극수용부(111b)에 압착되어 수용될 수 있다. 제 2 고체전극(150b)은 제 2 집전체(130b) 및 분리막(120)과 밀착된다.
제 1 점착부재(160a) 및 제 2 점착부재(160b) 각각은 아크릴레이트계 점착제, 아크릴레이트-에스테르계 점착제, 아크릴레이트-에틸렌계 점착제, 폴리카보네이트계 점착제, 폴리에틸렌계 점착제, 에폭시계 점착제, 이소시아네이트계 점착제 중 적어도 하나를 포함한다. 제 1 점착부재(160a) 및 제 2 점착부재(160b) 각각은 용제형 점착제, 에멀전형 점착제, 핫멜트형 점착제, 액상경화형 점착제 및 필름형 점착제 중 하나 또는 이들의 조합이다.
제 1 점착부재(160a) 및 제 2 점착부재(160b) 각각은 띠 형상으로 형성될 수 있다. 제 1 점착부재(160a) 및 제 2 점착부재(160b) 각각은 중공의 사각형으로 형성될 수 있다. 제 1 점착부재(160a) 및 제 2 점착부재(160b) 각각은 폐곡선으로 형성될 수 있다. 제 1 점착부재(160a) 및 제 2 점착부재(160b) 각각은 가장자리가 프레임(110)의 가장자리와 일치하도록 형성된다.
제 1 점착부재(160a)는 제 1 집전체(130a)의 제 1 탄소집전체(132a)와 프레임(110)을 결합한다. 제 1 점착부재(160a)는 제 1 집전체(130a)의 제 1 탄소집전체(132a)와 프레임(110) 사이를 밀봉한다. 제 1 점착부재(160a)는 제 1 집전체(130a)의 제 1 탄소집전체(132a)와 프레임(110) 사이에 적층된다. 제 1 점착부재(160a)는 프레임(110)의 면외 방향 일측 가장자리에 점착된다. 제 1 점착부재(160a)는 제 1 탄소집전체(132a)의 양면 중 제 1 금속집전체(131a)가 배치되지 않는 면의 가장자리에 점착된다. 제 1 점착부재(160a)는 제 1 탄소집전체(132a)에 도포되어 프레임(110)에 점착될 수 있다.
제 1 점착부재(160a)는 제 1 집전체(130a)의 제 1 탄소집전체(132a) 및 프레임(110)과 가장자리가 일치하도록 배치된다. 제 1 점착부재(160a)는 프레임(110)에서 제 1 고체전극(150a)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 제 1 점착부재(160a)는 프레임(110)에서 제 1 전극수용부(111a)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 제 1 점착부재(160a)는 프레임(110)에서 분리막(120)보다 면내 방향의 외측에 배치된다.
제 1 점착부재(160a)는 프레임(110)과 천이부(112)의 일부를 형성한다. 제 1 점착부재(160a)는 천이부(112)의 일부를 덮는다. 제 1 점착부재(160a)는 천이부(112) 중 프레임(110)의 가장자리에 면내 방향의 홈으로 형성되는 부분을 덮는다. 제 1 점착부재(160a)는 천이부(112) 중 프레임(110)의 면외 방향의 구멍으로 형성되는 부분을 덮는다.
제 1 점착부재(160a)는 적어도 일부가 프레임(110)에서 천이부(112)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극은 제 1 점착부재(160a)와 접촉된다. 제 1 점착부재(160a)는 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극이 제 1 집전체(130a)와 닿지 않도록 프레임(110) 및 제 1 집전체(130a)와 점착된다.
제 1 점착부재(160a)는 프레임(110)이 형성하는 공간(제 1 전극수용부(111a), 제 2 전극수용부(111b) 및 천이부(112))중 제 1 고체전극(150a) 및 제 2 고체전극(150b)이 배치되지 않는 공간에 배치된다.
제 2 점착부재(160b)는 제 2 집전체(130b)의 제 2 탄소집전체(132b)와 프레임(110)을 결합한다. 제 2 점착부재(160b)는 제 2 집전체(130b)의 제 2 탄소집전체(132b)와 프레임(110) 사이를 밀봉한다. 제 2 점착부재(160b)는 제 2 집전체(130b)의 제 2 탄소집전체(132b)와 프레임(110) 사이에 적층된다. 제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)의 면외 방향 타측 가장자리에 점착된다. 제 2 점착부재(160b)는 제 2 탄소집전체(132b)의 양면 중 제 2 금속집전체(131b)가 배치되지 않는 면의 가장자리에 점착된다. 제 1 점착부재(160a)는 제 2 탄소집전체(132b)에 도포되어 프레임(110)에 점착될 수 있다.
제 2 점착부재(160b)는 제 2 집전체(130b)의 제 2 탄소집전체(132b) 및 프레임(110)과 가장자리가 일치하도록 배치된다. 제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)에서 제 2 고체전극(150b)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)에서 제 2 전극수용부(111b)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)에서 분리막(120)보다 면내 방향의 외측에 배치된다.
제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)과 천이부(112)의 일부를 형성한다. 제 2 점착부재(160b)는 천이부(112)의 일부를 덮는다. 제 2 점착부재(160b)는 천이부(112) 중 프레임(110)의 가장자리에 면내 방향의 홈으로 형성되는 부분을 덮는다. 제 2 점착부재(160b)는 천이부(112) 중 프레임(110)의 면외 방향의 구멍으로 형성되는 부분을 덮는다.
제 2 점착부재(160b)는 적어도 일부가 프레임(110)에서 천이부(112)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극은 제 2 점착부재(160b)와 접촉된다. 제 2 점착부재(160b)는 천이부(112)를 유동하는 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극이 제 2 집전체(130b)와 닿지 않도록 프레임(110) 및 제 2 집전체(130b)와 점착된다.
제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)이 형성하는 공간(제 1 전극수용부(111a), 제 2 전극수용부(111b) 및 천이부(112))중 제 1 고체전극(150a) 및 제 2 고체전극(150b)이 배치되지 않는 공간에 배치된다.
제 1 점착부재(160a)와 제 2 점착부재(160b)는 천이부(112) 중 구멍으로 형성된 부분의 양단 각각을 덮는다. 천이부(112) 중 구멍의 일단은 제 1 점착부재(160a)에 막히고, 천이부(112) 중 구멍의 타단은 제 2 점착부재(160b)에 의하여 막힌다. 천이부(112)의 홈을 유동하는 액체전극은 제 1 점착부재(160a)에 의하여 제 1 집전체(130a)의 제 1 탄소집전체(132a)와 직접 닿지 않고 제 2 점착부재(160b)에 의하여 제 2 집전체(130b)의 제 2 탄소집전체(132b)와 직접 닿지 않는다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 이차전지의 전체 구성을 설명하면 다음과 같다.
소정의 두께를 갖는 사각형의 프레임(110)의 두께 방향의 중앙에 분리막(120)이 결합된다. 프레임(110)의 면외 방향 일측에는 제 1 집전체(130a)가 제 1 점착부재(160a)에 의하여 결합되고, 면외 방향 타측에는 제 2 집전체(130b)가 제 2 점착부재(160b)에 의하여 결합되어, 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)가 형성된다. 즉, 제 1 집전체(130a)와 제 2 집전체(130b) 사이에 프레임(110)이 배치되며 프레임(110) 내에 분리막(120)이 배치된다.
제 1 전극수용부(111a)에는 제 1 액체전극이 함침된 제 1 고체전극(150a)이 배치되고, 제 2 전극수용부(111b)에는 제 2 액체전극이 함침된 제 2 고체전극(150b)이 배치된다.
제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)의 가장자리 점착되어 제 1 탄소집전체(132a)의 가장자리 또는 제 2 탄소집전체(132b)의 가장자리와 점착된다. 제 1 점착부재(160a), 제 2 점착부재(160b), 프레임(110), 제 1 탄소집전체(132a) 및 제 2 탄소집전체(132b)는 면내 방향 가장자리가 일치하도록 배치되어 상호 결합시 직육면체 형상이 된다.
제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)는 프레임(110)과 천이부(112)를 형성한다. 제 1 전극수용부(111a) 측 천이부(112)에는 제 1 점착부재(160a), 제 1 탄소집전체(132a) 및 제 1 금속집전체(131a)가 순차적으로 적층된다. 제 2 전극수용부(111b)측 천이부(112)에는 제 2 점착부재(160b), 제 2 탄소집전체(132b) 및 제 2 금속집전체(131b)가 순차적으로 적층된다.
충방전시 천이부(112)에는 제 1 액체전극 및/또는 제 2 액체전극이 유동되되 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)에 의하여 제 1 집전체(130a) 또는 제 2 집전체(130b)와 직접 닿지 않는다.
도 4를 참조하면 상술한 구성이 교차하여 반복되어 모듈을 구성한다. 즉, 제 1 집전체(130a)는 분리막(120)이 결합된 복수의 프레임(110) 사이에 배치되고, 제 2 집전체(130b)는 분리막(120)이 결합된 복수의 프레임(110) 사이에 배치될 수 있다. 이 경우 제 1 금속집전체(131a)는 2개의 제 1 탄소집전체(132a) 사이에 1개만 배치되고, 제 2 금속집전체(131b)는 2개의 제 2 탄소집전체(132b) 사이에 1개만 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 일부에 대한 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 대한 정면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 대한 배면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 천이부를 통한 액체전극의 유동을 나타내는 도면이고, 도 9는 도 7에 도시된 프레임에 대한 2-2 방향 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프레임(110)은, 중공의 사각형 형상의 프레임 바디(119)와, 프레임 바디(119)의 중공에서 내측으로 돌출되어 분리막(120)과 결합되는 분리막 지지부(115)와, 프레임 바디(119)의 중공 부분에 배치되어 프레임 바디(119)가 변형되는 것을 방지하는 프레임 보강부(116)를 포함한다.
프레임 바디(119)는 4개의 바(bar)로 구성되는 중공의 사각형 형상으로 형성된다. 프레임 바디(119)의 중공 부분은 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)를 형성한다. 프레임 바디(119)는 중공에 면내 방향으로 돌출되는 분리막 지지부(115)가 형성된다. 프레임 바디(119)에는 천이부(112)가 형성된다.
프레임 바디(119)는 면외 방향 일측에 제 1 점착부재(160a)가 점착되고 면외 방향 타측에 제 2 점착부재(160b)가 점착된다. 프레임 바디(119)는 면외 방향 일측이 제 1 점착부재(160a)에 의하여 제 1 집전체(130a)와 결합되고 면외 방향 타측이 제 2 점착부재(160b)에 의하여 제 2 집전체(130b)와 결합된다.
분리막 지지부(115)는 프레임 바디(119)의 중공 부분에서 면내 방향으로 가운데를 향하여 돌출되어 사각형 형상으로 형성된다. 도 3을 참조하면, 분리막 지지부(115)는 프레임 바디(119)의 두께 방향의 중앙에 배치된다.
분리막(120)은 팽팽하게 펴지도록 그 가장자리가 분리막 지지부(115)에 결합된다. 분리막 지지부(115)는 분리막(120)을 지지할 수 있는 최소한의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 분리막 지지부(115)는 프레임 바디(119)의 면내 방향 등을 보강하는 리브 역할을 하여 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극의 팽창이나 수축, 액체전극 내의 가스 발생 또는 외부의 충격 등이 발생하여도 프레임 바디(119)가 면내 방향 등으로 변형되지 않도록 한다.
분리막 지지부(115)와 분리막(120) 사이로 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극이 누수되지 않도록 분리막 지지부(115)는 일측면이 분리막(120)과 완전히 밀착되어 결합된다. 분리막 지지부(115)와 분리막(120) 사이에는 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)와 동일한 성분의 점착제가 적층될 수 있다. 분리막 지지부(115)와 분리막(120)는 아크릴레이트계 점착제, 아크릴레이트-에스테르계 점착제, 아크릴레이트-에틸렌계 점착제, 폴리카보네이트계 점착제, 폴리에틸렌계 점착제, 에폭시계 점착제, 이소시아네이트계 점착제 중 적어도 하나를 포함하는 점착제에 의하여 결합될 수 있다.
분리막 지지부(115)는 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)의 면내 방향의 내측에 배치된다.
프레임 보강부(116)는 프레임 바디(119)의 어느 한 변과 다른 변을 잇도록 형성되거나 어느 한 꼭지점과 다른 꼭지점을 잇도록 형성된다. 프레임 보강부(116)는 사각형의 프레임 바디(119)가 마름모 또는 원형으로 변형되는 것을 방지하도록 중공 부분을 가로질러 적어도 두 변이나 두 꼭지점을 연결한다. 본 실시예에서 프레임 보강부(116)는 프레임 바디(119)의 마주보는 두 변을 연결하는 +자 형태로 형성된다.
프레임 보강부(116)는 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)의 면내 방향의 내측에 배치된다.
도 5를 참조하면, 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)는 분리막 지지부(115) 및 프레임 보강부(116)와 점착되지 않는다. 제 1 점착부재(160a)는 프레임 바디(119)의 면외 방향 일측에 점착되고, 제 2 점착부재(160b)는 프레임 바디(119)의 면외 방향 타측에 점착된다. 제 1 점착부재(160a)는 천이부(112) 중 프레임 바디(119)의 면외 방향 일측에 형성된 부분을 덮고, 제 2 점착부재(160b)는 천이부(112) 중 프레임 바디(119)의 면외 방향 타측에 형성된 부분을 덮는다.
천이부(112)는 충전이나 방전시 발생되는 크로스오버에 의한 제 1 액체전극의 양과 제 2 액체전극의 양의 불균형이 해소되도록 제 1 전극수용부(111a)와 제 2 전극수용부(111b)를 연통하여 충전이나 방전시 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극이 내부에 유동된다.
천이부(112)는 크로스오버에 의한 제 1 액체전극의 양과 제 2 액체전극의 양의 차이의 절반만큼 유동될 수 있는 부피를 가지면서도 일정 수준 이상의 저항값을 가지도록 가늘고 길게 형성되는 것이 바람직하다.
천이부(112)는 제 1 고체전극(150a) 또는 제 2 고체전극(150b)을 둘러싸고 있는 프레임 바디(119)의 일부에 형성되어 제 1 고체전극(150a) 또는 제 2 고체전극(150b)의 둘레 일부에 배치된다.
천이부(112)는 분리막 지지부(115)보다 면내 방향의 외측에 배치된다. 천이부(112)는 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)보다 면내 방향의 내측에 배치된다. 천이부(112)는 제 1 점착부재(160a) 또는 제 2 점착부재(160b)로 덮인다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 천이부(112)는, 프레임(110)에 면외 방향의 구멍으로 형성되는 천이홀(1121)과, 천이홀(1121)과 제 1 전극수용부(111a)를 연통하는 제 1 천이라인(1123a)과, 천이홀(1121)과 제 2 전극수용부(111b)를 연통하는 제 2 천이라인(1123b)을 포함한다.
천이홀(1121)은 프레임(110)에서 면외 방향의 구멍으로 형성된다. 천이홀(1121)은 분리막(120)이 이루는 평면을 관통하는 방향으로 배치된다. 천이홀(1121)은 분리막(120)이 이루는 평면과 직교할 수 다. 천이홀(1121)은 제 1 천이라인(1123a)과 직교할 수 다. 천이홀(1121)은 제 2 천이라인(1123b)과 직교할 수 있다. 면외 방향으로 형성된 천이홀(1121)은 일단에서 면내 방향으로 절곡되어 제 1 천이라인과 연결되고 타단에서 면내 방향으로 절곡되어 제 2 천이라인과 연결된다. 천이홀(1121)은 제 1 천이라인(1123a)과 제 2 천이라인(1123b)을 연결한다.
천이홀(1121)은 사각형의 프레임 바디(119)의 어느 한 모서리에 형성된다. 천이홀(1121)은 일단이 제 1 점착부재(160a)에 의하여 덮이고 타단이 제 2 점착부재(160b)에 의하여 덮인다. 천이홀(1121)은 면외 방향(길이 방향)의 중앙이 후술한 주입구(114)와 연결된다.
도 6을 참조하면, 제 1 천이라인(1123a)은 프레임 바디(119)의 면외 방향 일측에 홈으로 형성된다. 제 1 천이라인(1123a)은 프레임 바디(119)를 따라 면내 방향을 길이 방향으로 하여 형성된다. 제 1 천이라인(1123a)은 적어도 2회 이상 절곡된다. 제 1 천이라인(1123a)은 천이홀(1121)에서 프레임 바디(119)의 형상을 따라 4회 절곡되어 사각형에 가까운 모양으로 형성된 후 제 1 전극수용부(111a)와 연결된다. 제 1 천이라인(1123a)은 프레임 바디(119)의 4개의 바(bar) 모두에 형성된다. 제 1 천이라인(1123a)은 제 1 전극수용부(111a)와 연결되도록 개구된 제 1 천이드레인(1125a)이 형성된다. 제 1 천이라인(1123a)은 제 1 점착부재(160a)에 의하여 덮인다.
도 7을 참조하면, 제 2 천이라인(1123b)은 프레임 바디(119)의 면외 방향 타측에 홈으로 형성된다. 제 2 천이라인(1123b)은 프레임 바디(119)를 따라 면내 방향을 길이 방향으로 하여 형성된다. 제 2 천이라인(1123b)은 천이홀(1121)에서 프레임 바디(119)의 어느 한 바(bar)을 따라 직선으로 형성된 후 제 2 전극수용부(111b)와 연결된다. 제 2 천이라인(1123b)은 제 2 전극수용부(111b)와 연결되도록 개구된 제 2 천이드레인(1125b)이 형성된다. 제 2 천이라인(1123b)은 제 2 점착부재(160b)에 의하여 덮인다.
제 2 천이라인(1123b)은 면외 방향으로 투영시 제 1 천이라인(1123a)과 중첩되지 않도록 형성되어 제 1 천이라인(1123a)과 제 2 천이라인(1123b)은 면외 방향으로 투영시 폐곡선을 형성한다. 제 1 천이라인(1123a)과 제 2 천이라인(1123b)은 면외 방향으로 투영시 사각형을 형성한다. 즉, 제 1 천이라인(1123a)과 제 2 천이라인(1123b)은 프레임 바디(119)의 길이 방향(면내 방향) 전체에 형성된다.
제 2 천이드레인(1125b)은 면외 방향으로 투영시 제 1 천이드레인(1125a)과 중첩되도록 형성된다. 제 1 천이드레인(1125a)과 제 2 천이드레인(1125b)은 동일한 방향으로 형성되며 평행하게 배치된다.
제 1 점착부재(160a)는 제 1 천이라인(1123a)을 덮고, 제 2 점착부재(160b)는 제 2 천이라인(1123b)을 덮는다. 제 1 점착부재(160a)는 천이홀(1121)의 일단을 덮고, 제 2 점착부재(160b)는 천이홀(1121)의 타단을 덮는다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 프레임(110)에 형성되어 제 1 액체전극 또는 제 2 액체전극이 주입되는 주입구(114)를 더 포함한다.
주입구(114)는 외부로부터 액체전극이 주입되어 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)로 유입되도록 프레임(110)에 형성된다. 주입구(114)는 프레임(110)에서 일단이 외부로 개방되도록 형성된다. 주입구(114)는 제 1 전극수용부(111a)로 제 1 액체전극이 주입되고 제 2 전극수용부(111b)로 제 2 액체전극이 주입되도록 형성된다. 주입구(114)를 통하여 외부로부터 액체전극이 주입되면 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)로 수용된다. 주입구(114)를 통하여 제 1 전극수용부(111a)로 주입된 액체전극은 제 1 액체전극이 되며, 주입구(114)를 통하여 제 2 전극수용부(로 주입된 액체전극은 제 2 액체전극이 된다.
주입구(114)는 프레임(110)의 면내 방향으로 구멍으로 형성된다. 주입구(114)는 프레임 바디(119)의 어느 한 바(bar)의 일단에 길이 방향으로 형성된다. 주입구(114)는 사각형의 프레임 바디(119)의 어느 한 모서리에 형성된다. 주입구(114)는 프레임 바디(119)의 두께 방향의 중앙에 형성된다.
주입구(114)는 분리막(120)이 이루는 평면 상에 배치된다. 주입구(114)는 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)의 경계에 배치된다. 주입구(114)는 제 1 점착부재(160a)와 제 2 점착부재(160b) 사이에 배치된다.
주입구(114)는 면내 방향 길이가 프레임(110)의 두께 방향 두께보다 길게 형성된다. 주입구(114)는 길이 방향으로 가늘어 지도록 형성된다.
주입구(114)는 천이부(112)의 천이홀(1121)과 직교하여 연결되어 T자 형상으로 분지되는 것이 바람직하다. 주입구(114)는 천이부(112)로 분지되어 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)와 연결된다. 주입구(114)는 천이홀(1121)의 면외 방향(길이 방향)의 중앙에 연결된다. 주입구(114)는 어느 한 지점의 유동면적이 천이부(112)의 최대 유동면적보다 크다. 주입구(114)는 일단에서 천이부(112)의 천이홀(1121)과 연결되는 타단으로 갈수록 유동면적이 작아진다. 주입구(114)는 제 1 천이라인(1123a)과 제 2 천이라인(1123b) 사이에 배치된다. 주입구(114)는 제 1 천이드레인(1125a) 및 제 2 천이드레인(1125b)과 동일한 방향으로 형성되며 평행하게 배치된다. 실시예에 따라 주입구(114)는 제 1 천이드레인(1125a) 또는 제 2 천이드레인(1125b)과 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
주입구(114)는 액체전극이 제 1 반쪽 반응 및 제 2 반쪽 반응을 일으키는 양만큼 제 1 전극수용부(111a) 및 제 2 전극수용부(111b)에 주입된 후 폐쇄된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 주입구(114)를 막는 밀봉부재(113)를 포함한다.
밀봉부재(113)는 적어도 일부가 주입구(114)에 삽입된다. 본 실시예에서 밀봉부재(113)는 막대 형상으로서 주입구(114)에 압입되어 주입구(114)를 막는다. 밀봉부재(113)는 아크릴레이트계 점착제, 아크릴레이트-에스테르계 점착제, 아크릴레이트-에틸렌계 점착제, 폴리카보네이트계 점착제, 폴리에틸렌계 점착제, 에폭시계 점착제, 이소시아네이트계 점착제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 밀봉부재(113)는 용제형, 에멀전형, 핫멜트형 및 액상경화형 접착제/점착제 중 하나로서 주입구(114)에 주입되어 주입구(114)를 밀봉할 수 있다. 주입구(114)는 밀봉부재(113)로 막힌 일단에서 타단으로 갈수록 유동면적이 작아진다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에 대한 일부 단면도이다.
본 실시예에서 밀봉부재(213)는 일부가 프레임(110)에 부착되어 주입구(114)를 덮고 다른 일부가 주입구(114)에 삽입된다. 밀봉부재(213)은 프레임(110)에 아크릴레이트계 점착제, 아크릴레이트-에스테르계 점착제, 아크릴레이트-에틸렌계 점착제, 폴리카보네이트계 점착제, 폴리에틸렌계 점착제, 에폭시계 점착제, 이소시아네이트계 점착제 중 적어도 하나로 점착될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 대한 일부 단면도이다.
본 실시예에서 밀봉부재(313)는 필름형 점착제로 형성되어 프레임(110)에 점착된다. 밀봉부재(313)는 아크릴레이트계 점착제, 아크릴레이트-에스테르계 점착제, 아크릴레이트-에틸렌계 점착제, 폴리카보네이트계 점착제, 폴리에틸렌계 점착제, 에폭시계 점착제, 이소시아네이트계 점착제 중 적어도 하나를 포함한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
110: 프레임
111a: 제 1 전극수용부
111b: 제 2 전극수용부 112: 천이부
113: 밀봉부재 114: 주입구
115: 분리막 지지부 120: 분리막
130a: 제 1 집전체 130b: 제 2 집전체
131a: 제 1 금속집전체 131b: 제 2 금속집전체
132a: 제 1 탄소집전체 132b: 제 2 탄소집전체
150a: 제 1 고체전극 150b: 제 2 고체전극
160a: 제 1 점착부재 160b: 제 2 점착부재
111b: 제 2 전극수용부 112: 천이부
113: 밀봉부재 114: 주입구
115: 분리막 지지부 120: 분리막
130a: 제 1 집전체 130b: 제 2 집전체
131a: 제 1 금속집전체 131b: 제 2 금속집전체
132a: 제 1 탄소집전체 132b: 제 2 탄소집전체
150a: 제 1 고체전극 150b: 제 2 고체전극
160a: 제 1 점착부재 160b: 제 2 점착부재
Claims (27)
- 제 1 반쪽 반응이 일어나는 제 1 액체전극;
제 2 반쪽 반응이 일어나는 제 2 액체전극;
상기 제 1 액체전극이 저장되는 공간인 제 1 전극수용부와 상기 제 2 액체전극이 저장되는 공간인 제 2 전극수용부를 형성하는 프레임;
상기 프레임에 결합되어 상기 제 1 전극수용부와 상기 제 2 전극수용부 사이에 배치되는 분리막; 및
외부로부터 액체전극이 주입되도록 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부와 연통되는 주입구를 포함하는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 프레임의 면내 방향으로 형성되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 프레임은 4개의 바(bar)로 구성되는 중공의 사각형으로 형성되고,
상기 주입구는 상기 프레임의 어느 한 바의 일단에 길이 방향으로 형성되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 프레임은 사각형으로 형성되고,
상기 주입구는 상기 프레임의 어느 한 모서리에 형성되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 프레임의 두께 방향의 중앙에 형성되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 면내 방향 길이가 상기 프레임의 두께 방향의 두께보다 긴 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 제 1 액체전극 및 상기 제 2 액체전극이 상기 제 1 반쪽 반응 및 상기 제 2 반쪽 반응을 일으키는 양만큼 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부에 주입된 후 폐쇄되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구를 막는 밀봉부재를 더 포함하는 이차전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 밀봉부재는 적어도 일부가 상기 주입구에 삽입되는 이차전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 밀봉부재는 적어도 일부가 상기 프레임에 부착되어 상기 주입구를 덮는 이차전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 밀봉부재는 상기 주입구에 압입되는 이차전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 밀봉부재는 아크릴레이트계 점착제, 아크릴레이트-에스테르계 점착제, 아크릴레이트-에틸렌계 점착제, 폴리카보네이트계 점착제, 폴리에틸렌계 점착제, 에폭시계 점착제, 이소시아네이트계 점착제 중 적어도 하나를 포함하는 이차전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 밀봉부재는 용제형 점착제, 에멀전형 점착제, 핫멜트형 점착제 및 액상경화형 점착제 중 하나로서 상기 주입구에 주입되는 이차전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 밀봉부재는 필름형 점착제로 형성되어 상기 프레임에 점착되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 밀봉부재로 막힌 일단에서 타단으로 갈수록 유동면적이 작아지는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극수용부와 상기 제 2 전극수용부를 연통하는 천이부를 더 포함하고,
상기 주입구는 상기 천이부와 연결되는 이차전지. - 제 16 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 천이부와 연결되어 T자 형상으로 분지되는 이차전지. - 제 16 항에 있어서,
상기 주입구는 어느 한 지점의 유동면적이 상기 천이부의 유동면적보다 큰 이차전지. - 제 16 항에 있어서,
상기 주입구는 일단에서 상기 천이부와 연결되는 타단으로 갈수록 유동면적이 작아지는 이차전지. - 제 16 항에 있어서,
상기 천이부는,
상기 프레임에서 면외 방향의 구멍으로 형성되는 천이홀;
상기 천이홀과 상기 제 1 전극수용부을 연통하는 제 1 천이라인; 및
상기 천이홀과 상기 제 2 전극수용부을 연통하는 제 2 천이라인을 포함하고,
상기 주입구는 상기 제 1 천이라인과 상기 제 2 천이라인 사이에 배치되는 이차전지. - 제 16 항에 있어서,
상기 천이부는,
상기 프레임에서 면외 방향의 구멍으로 형성되는 천이홀;
상기 천이홀과 상기 제 1 전극수용부을 연통하는 제 1 천이라인; 및
상기 천이홀과 상기 제 2 전극수용부을 연통하는 제 2 천이라인을 포함하고,
상기 주입구는 상기 천이홀과 직교하여 연결되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 액체전극과 전기적으로 연결되는 제 1 집전체;
상기 제 2 액체전극과 전기적으로 연결되는 제 2 집전체;
상기 제 1 집전체와 상기 프레임을 결합하는 제 1 점착부재; 및
상기 제 2 집전체와 상기 프레임을 결합하는 제 2 점착부재를 더 포함하고,
상기 주입구는 상기 제 1 점착부재와 상기 제 2 점착부재 사이에 배치되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 분리막이 이루는 평면 상에 배치되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부의 경계에 배치되는 이차전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 주입구는 분지되어 상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부와 연결되는 이차전지. - 제 1 반쪽 반응이 일어나는 제 1 액체전극;
제 2 반쪽 반응이 일어나는 제 2 액체전극;
상기 제 1 액체전극과 상기 제 2 액체전극 사이에 배치되는 분리막;
상기 분리막을 지지하는 프레임; 및
상기 제 1 액체전극 및 상기 제 2 액체전극이 주입되도록 상기 프레임의 면내 방향으로 형성되는 주입구를 포함하는 이차전지. - 제 1 집전체;
상기 제 1 집전체와 이격하여 배치되는 제 2 집전체;
상기 제 1 집전체와 상기 제 2 집전체 사이에 배치되는 분리막;
상기 제 1 집전체와 상기 제 2 집전체 사이에 배치되어 상기 제 1 집전체와 상기 분리막 사이에 제 1 전극수용부를 형성하고 상기 제 2 집전체와 상기 분리막 사이에 제 2 전극수용부를 형성하는 프레임;
상기 제 1 전극수용부 및 상기 제 2 전극수용부와 연통되도록 형성되는 주입구; 및
상기 주입구를 막는 밀봉부재를 포함하는 이차전지.
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