WO2010002161A2 - 보조전극을 갖는 쿼지 바이폴라 전기화학셀 - Google Patents

보조전극을 갖는 쿼지 바이폴라 전기화학셀 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell having a quasi-bipolar structure, and more particularly, to an electrochemical cell capable of improving reliability and stability by preventing degradation of electrodes, separators, and finishing tapes.
  • a conventional electrochemical cell has a mono polar structure, and an electrochemical cell having such a mono polar structure has a positive electrode composed of a positive active material formed on a current collector. ) And a negative electrode (Negative Electrode) composed of a negative active material (Negative Active Material) formed on the other current collector. That is, these electrodes are arranged so that opposite polarities face each other, and a separator is inserted between the electrodes to form a unit cell.
  • a conventional electrochemical cell has a problem that it is difficult to prevent the deterioration of materials such as carbonization or decomposition.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional electrochemical cell having a monopolar structure.
  • a conventional monopolar electrochemical cell includes a cathode electrode 101, a cathode electrode 102, a separator 103, an electrolyte 104, terminals 105, and a case 106. It is configured to include.
  • the electrochemical cell thus constructed is referred to as a unit cell as a minimum basic unit.
  • the separator 103 inserted between the anode electrode 101 and the cathode electrode 102 is electrically nonconductive.
  • the separator 103 is made of porous polymer, glass fiber mat, paper, or the like to have electrolyte permeability.
  • a solid electrolyte Solid Polymer Electrolyte
  • a liquid electrolyte which is used instead of the separator 103 in a lithium polymer battery, contains a liquid electrolyte and is configured to perform an electrochemical reaction by ions contained therein. This does not greatly deviate from the scope of the separator 103 using liquid electrolyte.
  • the electrode having a specific polarity is exposed to the outside depending on the type of the electrolyte 104.
  • degradation such as carbonization, decomposition, and the like are exposed to the electrode 105 and the separator 103 and the finishing tape.
  • Such deterioration of the electrode material and the subsidiary material not only causes performance deterioration but also affects the electrical insulation performance, thereby degrading the safety of the electrochemical cell.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an electrode assembly of a stacked quadrangle bipolar electrochemical cell according to the prior art.
  • the anode and the cathode are alternately positioned at the outermost side of the electrode assembly. Therefore, even if the polarity of the deterioration is changed depending on the type of electrolyte used, there is a problem that deterioration occurs at least one polarity, thereby reducing the reliability and stability of the tape and the insulator for fixing the electrode, the separator and the electrode assembly.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing an electrode assembly for an electrochemical cell having a stacked quadrangle bipolar structure according to the prior art.
  • the stacked quadrature bipolar structure has a structure in which the quadrature bipolar electrode 301 of one cell is not stacked on the same plane as the quadrature bipolar electrode 301 of another adjacent cell but is stacked below or above it.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an electrode assembly for a wound quadrupole electrochemical cell made according to a conventional method.
  • the electrochemical cell having the wound-type bipolar structure also has the positive electrode monopolar electrode 403 and the negative electrode monopolar electrode 404 and the negative bipolar like the electrochemical cell having the stacked quadrature bipolar structure described above.
  • the anode and the cathode are alternately positioned at the innermost and outer sides of the electrode assembly by the electrode 401. Therefore, since deterioration occurs in either polarity of the exposed positive electrode or negative electrode, there is a problem in that physical properties of the electrochemical cell are deteriorated, thereby deteriorating reliability and stability.
  • the prior art has a process of making the electrode assembly after placing the quadrupole electrode 401 below or above the adjacent monopolar electrode (403,404)
  • a method of cutting a part of an electrode is proposed in the related art, this conventional method cannot wind the electrode at the same time and must cut a part of the electrode in the process of assembling the electrode assembly, so that the process of winding the electrode is difficult and the electrodes are parallel. There is also a problem that winding becomes difficult.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an electrochemical cell having a quasi-bipolar structure that can prevent deterioration and can be easily manufactured.
  • an electrode assembly including a positive electrode and a negative electrode, an auxiliary electrode disposed to face an electrode having a predetermined polarity capable of deterioration in the electrode assembly; And electrical connection means for electrically connecting the auxiliary electrode with an electrode having a polarity opposite to the predetermined polarity.
  • deterioration can be prevented by using an auxiliary electrode having an opposite polarity disposed opposite to a polarity in which deterioration occurs, thereby improving reliability and safety of an electrochemical cell and facilitating manufacturing.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional electrochemical cell having a monopolar structure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an electrode assembly of a stacked quadrangle bipolar electrochemical cell according to the prior art.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing an electrode assembly for an electrochemical cell having a stacked quadrangle bipolar structure according to the prior art.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an electrode assembly for a wound-type bipolar electrochemical cell made according to a conventional method.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an electrode constituting a quasi-bipolar electrochemical cell.
  • FIG. 6 is a perspective view of an electrode assembly for an electrochemical cell having a stacked quadrangle bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an electrode assembly for an electrochemical cell having a wound-type quad bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating an assembly process of an electrochemical cell having a wound bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating an assembly process of an electrochemical cell having a wound bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention.
  • separator 303 monopolar electrode
  • anode monopolar electrode 404 cathode monopolar electrode
  • core 510 bipolar bipolar electrode
  • negative electrode active material layer 520 monopolar electrode
  • current collector extension portion 522 positive electrode (anode) active material layer
  • anode monopolar electrode 610 first unit cell
  • first quad bipolar electrode 620 second unit cell
  • first auxiliary electrode 622 electrical connection means
  • second auxiliary electrode 642 electrical connection means
  • cathode monopolar electrode 701 electrical connection means
  • first quad bipolar electrode 720 second unit cell
  • auxiliary electrode 735 third quad bipolar electrode
  • auxiliary electrode 743 cathode monopolar electrode
  • core 810 first-first auxiliary electrode
  • auxiliary electrode 825 second quad bipolar electrode
  • auxiliary electrode 835 third quad bipolar electrode
  • auxiliary electrode 841 cathode monopolar electrode
  • FIG. 5 is a perspective view showing an electrode constituting a quasi-bipolar electrochemical cell.
  • the monopolar electrode 520 includes a current collector, an active material layer 522 having one polarity formed on the current collector, and a current collector extension 521.
  • the monopolar electrode 520 is connected to a terminal, and a current collector in the form of a foil or sheet having a conductivity is used for the monopolar electrode 520 so that current can flow.
  • the upper and lower portions of the current collector are provided with a positive electrode or negative electrode active material layer 522 for storing electrical energy.
  • the current collector extension part 521 may be formed outside the active material layer 522 to connect the monopolar electrode 520 to the terminal.
  • the quadrupole bipolar electrode 510 has a current collector, and has a positive electrode active material layer 512 and a negative electrode active material layer 513 formed spaced apart from each other on the current collector.
  • the current collector extension part 511 is formed between the positive electrode active material layer 512 and the negative electrode active material layer 513 to electrically connect the positive electrode and the negative electrode.
  • a current collector in the form of a foil or sheet having conductivity is used as the current collector of the quasi-bipolar electrode 510. This is also to impart conductivity to the current collector so that current can be transferred to the positive electrode active material layer 512 and the negative electrode active material layer 513.
  • the positive electrode active material layer 512 and the negative electrode active material layer 513 for storing electrical energy are formed on the upper and lower portions of the current collector. As such, when the active material layers are formed on both sides of the current collector, the positive electrode active material layer 512 and the negative electrode active material layer 513 are manufactured so that the same polarity is located on the opposite side of the current collector so as to be positioned on both sides of the current collector.
  • the width and the position of the active material layer having the same polarity are the same.
  • the positive electrode active material layer 512 and the negative electrode active material layer 513 of the quadrangle bipolar electrode 510, and the width of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer 522 of the monopolar electrode 520 are the same. desirable.
  • the electrochemical cell is an electric double layer capacitor
  • aluminum is mainly used as a material of the current collector, and in order to make the active material layer adhere well to the surface of the current collector, many foils or sheets whose surface area is increased by surface treatment such as etching are used. do.
  • Powdered activated carbon is mainly used as an active material for positive and negative electrodes, and powdered activated carbon is mixed with a binder, a conductive agent, and a solvent to form a slurry or paste, and then coated directly on a current collector to form an active material layer. It is used to form an active material layer in the form of a sheet or adhere to a current collector and use it as an electrode.
  • the anode and cathode electrodes are not usually distinguished, except in special cases.
  • the positive electrode and the negative electrode are distinguished because different kinds of active materials are used for the positive electrode and the negative electrode in the electrochemical cell.
  • the stacked electrochemical cell according to the present invention is an electrode assembly including a monopolar electrode and at least one quadrature bipolar electrode, and a portion of the electrode assembly that is not opposed to the opposite polarity electrode in the electrode having a predetermined polarity in which deterioration may occur. And an electrical connection means for electrically connecting the auxiliary electrode to an electrode having a polarity opposite to a predetermined polarity and stacked to face the exposed electrode.
  • the electrolyte is formed at an electrode located outside of the electrode assembly (that is, located at a side not facing an electrode having a different polarity).
  • an electrode located outside of the electrode assembly that is, located at a side not facing an electrode having a different polarity.
  • deterioration occurs at a certain polarity.
  • an embodiment of the present invention will be described based on the case where deterioration occurs at the cathode for the convenience of explanation. However, this is not intended to limit the scope of the present invention to the case where degradation occurs in the cathode.
  • FIG. 6 is a perspective view of an electrode assembly for an electrochemical cell having a stacked quadrature bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention.
  • the anode monopolar electrode 605 connected to the anode terminal in the first unit cell 610 is arranged to face the cathode surface of the first quadrature bipolar electrode 615, with a separator therebetween. Is inserted. That is, the electrode located at the outermost part of the first unit cell 610 is the anode monopolar electrode 605.
  • one end of the first quadrature bipolar electrode 615 connected from the first unit cell 610 is used as a positive electrode surface, and an anode of the first quadrature bipolar electrode 615 is used.
  • the surface is arranged to face the negative (-) surface of the second quadrature bipolar electrode 625, and a separator is inserted between the anode surface and the cathode surface.
  • the cathode surface of the second quadrature bipolar electrode 625 is located at the outermost side.
  • the first auxiliary electrode 621 positioned in the second unit cell is arranged to face the cathode surface of the second quadrature bipolar electrode 625 located at the outermost side of the lower surface and the upper surface.
  • the separator is inserted between the second quaternary bipolar electrodes 625.
  • the first auxiliary electrode 621 is connected to the anode in the second unit cell through the electrical connection means 622. Accordingly, the anode cell of the second unit cell 620 is positioned at the outermost side by the first auxiliary electrode and the electrical connection means.
  • the other side of the second quadrature bipolar electrode 625 used as the cathode in the second unit cell is used as the anode side, and the anode side of the second quadrature bipolar electrode 625 is the third quadrant.
  • the separator is arranged to face the cathode surface of the bipolar electrode 635 and a separator is inserted therebetween.
  • the anode surface of the second quadrature bipolar electrode 625 is positioned at the outermost side.
  • the other side of the third quadrature bipolar electrode 635 used as the cathode in the third unit cell 630 is used as the anode side, and the anode side of the third quarter bipolar electrode 635 is used.
  • a separator is inserted between the third quarter bipolar electrode 635 and the negative electrode monopolar electrode 645.
  • the cathode monopolar electrode 645 of the fourth unit cell 640 is positioned outside the electrode assembly.
  • the second auxiliary electrode 641 is arranged to face the negative electrode bipolar electrode 645 with a separator inserted therebetween.
  • the second auxiliary electrode 641 is connected to the anode in the fourth unit cell 640 through the electrical connection unit 642, whereby the anode auxiliary electrode is positioned at the outermost side of the fourth unit cell.
  • the auxiliary electrode may be the same type as the monopolar electrode, or a metal or conductive sheet such as aluminum or copper.
  • the metal or the conductive sheet is preferably used the same material series as the material used as the current collector of the electrode.
  • auxiliary electrodes are not provided in the first unit cell and the third unit cell, it is also possible to install the auxiliary electrodes in the first unit cell and the third unit cell in order to maintain a constant overall dimension.
  • the storage electrode can be maintained in a neutral state or connected to the anode inside each unit cell.
  • the electrical connection means for connecting the auxiliary electrode and the anode in the unit cell may be used alone or in combination, such as welding, soldering, conductive strips such as metal or conductive rubber, conductive adhesive, conductive resin, mechanical contact.
  • the stacked quaternary bipolar structure according to the present invention is the same as or similar to the conventional laminated structure except for the auxiliary electrode and the electrical connection means. Therefore, after constructing the stacked-quad bipolar structure according to the related art, it is possible to configure the stacked-quad bipolar structure according to the present invention by further stacking the auxiliary electrode and giving the desired polarity to the auxiliary electrode through the electrical connection means.
  • the wound electrochemical cell including a monopolar electrode and at least one quadrature bipolar electrode, the electrode of the opposite polarity in the electrode having a predetermined polarity that can cause degradation in the electrode assembly
  • An auxiliary electrode disposed so as to face each of the inner and outer exposed electrode portions which are not opposed to (ie, exposed to the inner and outer sides) and an electrode having a polarity opposite to the predetermined polarity and the auxiliary electrode; It comprises an electrical connection means, wherein the electrode assembly is characterized in that the winding structure formed on the outside of the core.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an electrode assembly for an electrochemical cell having a wound-type quadrupole bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention.
  • the first unit cell 710 is configured by arranging the cathode surfaces of the anode monopolar electrode 711 and the first quadrature bipolar electrode 715 connected to the anode terminal to face each other.
  • a separator can be inserted between two electrodes.
  • the other surface of the first quadrature bipolar electrode 715 connected in the first unit cell 710 is used as the anode surface in the second unit cell 720, and the anode surface of the first quadrature bipolar electrode 715 is the second surface.
  • the cathode bipolar electrode 725 is arranged to face the cathode surface.
  • a separator may be inserted between the two surfaces.
  • the third unit cell 730 uses the other side of the second quadrature bipolar electrode 725 used as the cathode in the second unit cell 720 as the anode side, which is the cathode of the third quarter bipolar electrode 735. It is arranged so as to face the surface, and a separator can be inserted therebetween.
  • the fourth unit cell 740 is configured by arranging the third quadrature bipolar electrode 735 to be used as the anode surface and facing the cathode monopolar electrode 743 connected to the cathode terminal, and inserting a separator therebetween. Can be.
  • the anode in the first unit cell 710, the cathode in the second unit cell 720, the anode in the third unit cell 730, the fourth The unit cell 740 is a cathode.
  • the second unit cell 720 and the fourth unit cell 740 of the electrode assembly may deteriorate, in order to prevent this, as shown in FIG. 7, the second unit cell 720 and the fourth unit cell 720.
  • 2-1 (721), 2-2 (722), 4-1 (741), and 4-2 (742) auxiliary electrodes are installed and electrically connected to the cathodes exposed to the inside and outside of the unit cell 740.
  • deterioration can be prevented by preventing the cathode from being located inside and outside of each unit cell.
  • first-first auxiliary electrode 712 and the third-first auxiliary electrode 731 are provided inside, This is only to maintain the parallelism of the electrode in the process of winding the electrode to the core to facilitate the assembly, it is not necessary to prevent the deterioration occurs. Accordingly, the first-first auxiliary electrode 712 and the third-first auxiliary electrode 731 may be electrically connected to the anode in each unit cell or may be maintained in a neutral state.
  • auxiliary electrode such as the second-2 auxiliary electrode 722 and the 4-2 auxiliary electrode 742 on the outside of the first unit cell 710 and the third unit cell 730 for ease of assembly.
  • the polarities of the electrodes located at the outermost sides of the electrode assembly in the first unit cell 710 and the third unit cell 730 are positive poles, the outer side of the first unit cell 710 and the third unit cell 730 is negative.
  • the auxiliary electrode provided on the side may be connected to the anode of each unit cell through an electrical connection means, or may remain in a neutral state.
  • an electrode such as a monopolar electrode or a conductive sheet such as aluminum or copper may be used.
  • a conductive sheet it is preferable to use a material of the same series as the material of the current collector of the electrode.
  • the electrical connection means for electrically connecting each of the auxiliary electrodes and the anode located in each unit cell includes welding such as resistance welding or laser beam welding, conductive strip such as metal, conductive rubber, conductive resin, conductive adhesive, and mechanical contact. It may be used alone or in combination.
  • the method may further include arranging a separator between the monopolar electrode and the quaternary bipolar electrode.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating an assembly process of an electrochemical cell having a wound bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention.
  • the core has a first-first auxiliary electrode 810, a second-first auxiliary electrode 820, a third-first auxiliary electrode 830, and a fourth-first auxiliary electrode 840. It is wound.
  • the auxiliary electrode may be simultaneously wound during the process of winding the electrode and the separator.
  • the anode monopolar electrode 811, the first quad bipolar electrode 815, the second quad bipolar electrode 825, the third quad bipolar electrode 835, and the cathode monopolar electrode 841 are sequentially arranged.
  • a separator 802 is arranged between each electrode.
  • the metal strip which is an electrical connection means for connecting the 2-1 auxiliary electrode 820 and the 4-1 auxiliary electrode 840 with the anode located in each unit cell is arranged as shown.
  • the electrical connection means may be used as an adhesive means such as a conductive adhesive or a combination thereof instead of the metal strip.
  • the electrode, the separator 802, and the metal strip 801 are wound around the core 803 while maintaining this arrangement.
  • the cathode electrodes of the second unit cell and the fourth unit cell are positioned outside, and thus, deterioration may occur.
  • the separator 802, the 2-2 auxiliary electrode (not shown), and the 4-2 auxiliary electrode (not shown) are arranged, and as shown in FIG. By winding up, it is possible to construct an electrode assembly in which the electrode having the negative polarity is not located outward, thereby preventing deterioration from occurring.
  • the wound electrical connecting means 801 may function as electrolyte isolation means between each unit cell.
  • the electrolyte isolation means between the unit cells is also an important factor to maintain the electrochemical stability of each unit cell. .
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating an assembly process of an electrochemical cell having a wound bipolar structure using an auxiliary electrode according to the present invention.
  • the core 903 has a positive electrode monopolar electrode 911, a first quadrature bipolar electrode 915, a second quad bipolar electrode 925, a third quad bipolar electrode 935, and a negative electrode mono.
  • the polar electrodes 941 are sequentially arranged, and the separator 902 is arranged between each such electrode. Winding the electrodes arranged on the core 903, the front of the second auxiliary electrode 920 and the fourth auxiliary electrode 940 is the end of the second quad bipolar electrode 925 and the end of the cathode monopolar electrode 941
  • the auxiliary electrodes are wound around the electrode winding body so that the auxiliary electrodes are inserted so that the electrical connection part 901 is formed by overlapping the parts slightly.
  • the auxiliary electrode that is electrically connected to the polarity that does not cause deterioration surrounds the outer side of the electrode where the deterioration occurs so that the auxiliary electrode that does not deteriorate may be located outside the electrode assembly.
  • the electrochemical cell structure and method according to the present invention is not only an ultracapacitor such as an electric double layer capacitor, but also a lead acid battery, a nickel hydride battery, and a nickel cadmium battery. It can be applied to electrical energy storage devices such as NiCd Battery, Lithium Ion Battery and Aluminum Electrolytic Capacitor.
  • the above-described electrochemical cell of the present invention is mainly described as being applied to an electric double layer capacitor, but this is for ease of explanation, and the electrochemical cell according to the present invention is not intended to limit the application of the electric double layer capacitor. That is, the present invention can be applied to the field of an electrochemical cell, such as a battery using a liquid electrolyte, an aluminum electrolytic capacitor. Therefore, the protection scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiment but should be defined by the description of the claims below.
  • An electrochemical cell can be provided that can prevent deterioration of electrodes, separators, finishing tapes, and the like, thereby improving reliability and stability.

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Abstract

본 발명은 신뢰성과 안정성을 향상시키는 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 전기화학셀은, 양극전극과 음극전극을 포함하는 전극조립체, 상기 전극조립체에서 열화 발생이 가능한 소정 극성을 가지는 전극에 마주보도록 배치된 보조전극 및 상기 보조전극과 상기 소정 극성과 반대되는 극성을 가지는 전극을 전기적으로 연결하는 전기적 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 열화를 방지할 수 있어 전기화학셀의 신뢰성과 안전성이 향상되며 제조가 용이해지는 효과가 있다.

Description

보조전극을 갖는 쿼지 바이폴라 전기화학셀
본 발명은 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에 관한 것으로서, 구체적으로는 전극 및 세퍼레이터, 마감 테이프 등의 열화를 방지하여 신뢰성과 안정성을 증진시킬 수 있는 전기화학셀에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 전기화학셀은 모노폴라(Mono Polar) 구조를 가지며, 이러한 모노폴라 구조를 갖는 전기화학셀은 집전체(Current Collector)에 형성된 양극 활물질(Positive Active Material)로 구성된 양극전극(Positive Electrode)과 다른 집전체에 형성된 음극 활물질(Negative Active Material)로 구성된 음극전극(Negative Electrode)을 포함하여 구성된다. 즉, 이러한 전극들이 서로 반대 극성이 마주보도록 배치되고 그 양 전극 사이에 세퍼레이터(Separator)가 삽입되어 단위셀(Unit Cell)을 구성한다. 그러나 이러한 종래기술에 의한 전기화학셀은 카보니제이션이나 분해같은 재료의 열화의 발생을 방지하기 어려운 문제점이 있다.
도 1은 모노폴라 구조를 갖는 종래의 전기화학셀의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 모노폴라 전기화학셀은, 양극 전극(101), 음극 전극(102), 세퍼레이터(103), 전해액(104), 단자들(105), 케이스(106)를 포함하여 구성된다. 이렇게 구성된 전기화학셀은 최소한의 기본단위로서 이를 단위셀이라 칭한다.
양극 전극(101)과 음극 전극(102)에는 전기에너지가 저장된다. 양극 전극(101)과 음극 전극(102) 사이에 삽입되는 세퍼레이터(103)는 전기적으로는 부도체이다. 세퍼레이터(103)는 전해액 투과성을 갖도록 다공성 폴리머, 유리섬유 매트(Mat), 종이 등으로 만들어진다. 최근 리튬폴리머전지에서 세퍼레이터(103) 대신 사용되고 있는 고체전해질(Solid Polymer Electrolyte)은 액체전해질을 함유하고 있으며 그에 함유된 이온에 의해 전기화학적인 반응이 이루어지도록 구성된다. 이는 액체전해질을 사용하는 세퍼레이터(103)의 범주를 크게 벗어나지는 않는다.
전술한 구조를 갖는 대부분의 전기화학 단위셀 중에서 특히 전기이중층캐패시터와 같이 활성탄소(Activated Carbon)를 사용하는 경우에는, 전해액(104)의 종류에 따라 특정 극성을 가진 전극이 외부로 노출되게 되면 외부로 노출된 전극(105) 및 세퍼레이터(103), 마감 테이프에 카보니제이션, 분해 등의 열화가 진행되는 문제점이 존재한다. 이러한 전극 재료 및 부재료의 열화는 성능저하를 유발시킬 뿐만 아니라 전기적인 절연성능에도 영향을 미쳐 전기화학셀의 안전성을 저해한다.
전기이중층캐패시터에서 전해액(104)으로 아세토나이트릴계(Acetonitrille Base)를 사용하는 경우에는 음극이 외부로 노출되면 열화가 발생되고, 전해액(104)으로 프로필렌카보네이트계(Propylene Carbonate Base)를 사용하는 경우에는 양극이 외부로 노출되면 열화가 발생한다.
이와 같은 열화를 방지하기 위한 종래 기술(대한민국 실용신안 제2001-0035538호)은, 열화를 방지하기 위해 전기이중층캐패시터 단위셀을 제조하는데 있어서 열화가 발생되는 특정 극성의 전극이 외부로 노출되지 않고 반대극성을 가진 전극이 외부로 노출되도록 한다.
그러나 이러한 종래기술은 쿼지 바이폴라 전극을 사용하는 쿼지 바이폴라 전기화학셀의 경우, 쿼지 바이폴라 전극 자체가 2개의 극성을 지니고 있으므로 특정 극성이 외부로 노출되지 않도록 하기 어려워 열화를 실제적으로 방지할 수 없는 문제점이 존재한다.
도 2는 종래기술에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 전기화학셀의 전극조립체 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀의 경우 양극과 음극이 번갈아 가면서 전극조립체의 가장 바깥쪽에 위치하게 된다. 따라서 사용되는 전해액의 종류에 따라 열화가 발생되는 극성이 달라진다고 하더라도, 적어도 한쪽 극성에서 열화가 발생되게 되어 전극, 세퍼레이터 그리고 전극조립체를 고정시키는 테이프 및 절연체의 신뢰성과 안정성을 저하시키는 문제점이 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀용 전극조립체를 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 적층형 쿼지 바이폴라 구조는 한 셀의 쿼지 바이폴라 전극(301)이 인접한 다른 셀의 쿼지 바이폴라 전극(301)과 동일 평면에 적층되지 않고 아래나 위에 적층되는 구조로 이루어진다.
그러나 이러한 적층형 쿼지 바이폴라 구조에 의하더라도, 전극조립체의 한쪽 면에 특정 극성이 외부로 노출되지 않도록 하는 것은 어려운 문제점이 있다. 즉, 특정 극성을 가지는 전극이 노출됨에 따라 열화를 방지할 수 없는 문제점이 존재한다.
도 4는 종래의 방법에 따라 만들어진 권취형 쿼지 바이폴라 전기화학셀용 전극조립체의 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 권취형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀도 전술한 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀과 같이 양극 모노폴라 전극(403)과 음극 모노폴라 전극(404) 및 쿼지 바이폴라 전극(401)에 의해 전극조립체의 가장 안쪽과 바깥쪽에 양극과 음극이 서로 번갈아 가면서 위치한다. 따라서 노출된 양극 또는 음극 중 어느 한 극성에서 열화가 발생되게 되므로, 전기화학셀의 물성이 열화되어 신뢰성 및 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 권취형 쿼지 바이폴라 구조를 구비한 전기화학셀의 열화를 방지하기 위하여, 종래 기술은 쿼지 바이폴라 전극(401)을 인접한 모노폴라 전극(403,404)의 아래 또는 위쪽에 위치하도록 한 후 전극조립체를 만드는 과정에서 전극의 일부를 절단하는 방법을 제시하고 있지만, 이러한 종래의 방법은 전극을 동시에 감을 수 없고 전극조립체를 조립하는 공정에서 전극의 일부를 절단해야 하므로 전극을 감는 공정이 어려워지고, 전극들이 평행하도록 감는 것 또한 어려워지는 문제점이 존재한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열화를 방지할 수 있으며, 또한 제조가 용이한 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전기화학셀은, 양극전극과 음극전극을 포함하는 전극조립체, 상기 전극조립체에서 열화 발생이 가능한 소정 극성을 가지는 전극에 마주보도록 배치된 보조전극 및 상기 보조전극과 상기 소정 극성과 반대되는 극성을 가지는 전극을 전기적으로 연결하는 전기적 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열화가 발생되는 극성과 마주하여 배치된 반대극성을 가지는 보조전극을 이용하여 열화를 방지할 수 있으며, 이에 따라 전기화학셀의 신뢰성과 안전성이 향상되며 제조가 용이해지는 효과가 있다.
도 1은 모노폴라 구조를 갖는 종래의 전기화학셀의 구성도.
도 2는 종래기술에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 전기화학셀의 전극조립체 단면도.
도 3은 종래 기술에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀용 전극조립체를 나타내는 단면도.
도 4는 종래의 방법에 따라 만들어진 권취형 쿼지 바이폴라 전기화학셀용 전극조립체의 단면도.
도 5는 쿼지 바이폴라 전기화학셀을 구성하는 전극을 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀용 전극조립체 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 권취형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀용 전극조립체의 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 권취형 바이폴라구조를 갖는 전기화학셀의 조립과정을 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 권취형 바이폴라구조를 갖는 전기화학셀의 조립과정을 도시한 사시도.
<도면의 주요부호에 대한 부호의 설명>
101 : 양극 전극 102 : 음극전극
103 : 세퍼레이터 104 : 전해액
105 : 단자 106 : 케이스
201 : 쿼지 바이폴라 전극 202 : 집전체
203 : 음극 활물질층 204 : + 단자
205 : - 단자 301 : 쿼지 바이폴라 전극
302 : 세퍼레이터 303 : 모노폴라 전극
401 : 쿼지 바이폴라 전극 402 : 세퍼레이터
403 : 양극 모노폴라 전극 404 : 음극 모노폴라 전극
405 : 코어 510 : 쿼지 바이폴라 전극
511 : 집전체 연장부 512 : 양극 활물질층
513 : 음극 활물질층 520 : 모노폴라 전극
521 : 집전체 연장부 522 : 양극(음극) 활물질층
605 : 양극 모노폴라 전극 610 : 제1 단위셀
615 : 제1 쿼지 바이폴라 전극 620 : 제2 단위셀
621 : 제1 보조전극 622 : 전기적 연결수단
625 : 제2 쿼지 바이폴라 전극 630 : 제3 단위셀
635 : 제3 쿼지 바이폴라 전극 640 : 제4 단위셀
641 : 제2 보조전극 642 : 전기적 연결수단
645 : 음극 모노폴라 전극 701 : 전기적 연결수단
702 : 코어 710 : 제1 단위셀
711 : 양극 모노폴라 전극 712 : 제1-1 보조전극
715 : 제1 쿼지 바이폴라 전극 720 : 제2 단위셀
721 : 제2-1 보조전극 722 : 제2-2 보조전극
725 : 제2 쿼지 바이폴라 전극 730 : 제3 단위셀
731 : 제3-1 보조전극 735 : 제3 쿼지 바이폴라 전극
740 : 제4 단위셀 741 : 제4-1 보조전극
742 : 제4-2 보조전극 743 : 음극 모노폴라 전극
801 : 전기적 연결수단 802 : 세퍼레이터
803 : 코어 810 : 제1-1 보조전극
811 : 양극 모노폴라 전극 815 : 제1 쿼지 바이폴라 전극
820 : 제2-1 보조전극 825 : 제2 쿼지 바이폴라 전극
830 : 제3-1 보조전극 835 : 제3 쿼지 바이폴라 전극
840 : 제4-1 보조전극 841 : 음극 모노폴라 전극
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 5는 쿼지 바이폴라 전기화학셀을 구성하는 전극을 나타낸 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모노폴라 전극(520)은 집전체와 집전체 상에 형성된 하나의 극성을 갖는 활물질층(522) 및 집전체 연장부(521)를 포함한다.
이러한 모노폴라 전극(520)은 단자(terminal)에 접속되는 것으로, 이 모노폴라 전극(520)에는 전류가 흐를 수 있도록 도전성을 갖는 포일(foil) 또는 시트(sheet) 형태의 집전체가 사용된다. 집전체의 상부와 하부에는 전기에너지를 저장하기 위한 양극 또는 음극 활물질층(522)이 형성된다. 또한 모노폴라 전극(520)을 단자에 연결하기 위해 활물질층(522) 외부에 집전체 연장부(521)를 형성시킬 수도 있다. 집전체의 양면에 활물질층(522)을 형성시키는 경우, 양쪽 면에 형성된 활물질층(522)은 동일한 극성을 가지며 두 개의 활물질층(522)들이 집전체를 사이에 두고 겹쳐지도록 제작된다. 즉 활물질층(522)의 폭과 위치가 동일하도록 제작된다.
쿼지 바이폴라 전극(510)은 집전체를 갖고, 집전체 상에 상호 이격되어 형성된 양극 활물질층(512)과 음극 활물질층(513)을 갖는다. 그리고, 양극 활물질층(512)과 음극 활물질층(513) 사이에 집전체 연장부(511)가 형성되어 양극과 음극을 전기적으로 연결시킨다.
이러한 쿼지 바이폴라 전극(510)의 집전체는 도전성을 갖는 포일 또는 시트 형태의 집전체가 사용된다. 이 또한 양극 활물질층(512)과 음극 활물질층(513)에 전류를 전달할 수 있도록 집전체에 도전성을 부여하기 위함이다. 이러한 집전체 상부와 하부에는 전기에너지를 저장하기 위한 양극 활물질층(512)과 음극 활물질층(513)이 형성된다. 이와같이 집전체의 양쪽 면에 활물질층을 형성시키는 경우, 양극 활물질층(512)과 음극 활물질층(513)은 집전체의 반대면에 동일한 극성이 위치하도록 제작되어 집전체를 기준으로 양쪽 면에 위치하는 동일극성을 갖는 활물질층의 폭과 위치는 같다. 또한 일반적으로 쿼지 바이폴라 전극(510)의 양극 활물질층(512)과 음극 활물질층(513), 모노폴라 전극(520)의 양극 활물질층과 음극 활물질층(522)의 폭은 모두 동일하게 제작하는 것이 바람직하다.
전기화학셀이 전기이중층 캐패시터일 경우, 집전체의 재질로는 주로 알루미늄이 사용되며, 특히 활물질층이 집전체면에 잘 부착되도록 하기 위하여 에칭 같은 표면처리로 표면적을 증가시킨 포일이나 시트가 많이 사용된다. 양극과 음극용 활물질로는 분말상의 활성탄소가 주로 사용되고 분말상의 활성탄소는 바인더, 도전제, 용매와 함께 혼합되어 슬러리(slurry)나 페이스트(paste)로 만들어진 후 집전체에 직접 코팅하여 활물질층을 형성시키거나 시트 형태의 활물질층을 제작하여 집전체와 접착하여 전극으로 사용된다. 전기이중층 캐패시터에서는 특별한 경우를 제외하고 보통 양극전극과 음극전극을 구분하지는 않는다. 그러나 일반적으로는 전기화학셀에서 양극과 음극에는 다른 종류의 활물질이 사용되므로 양극과 음극은 구분된다.
본 발명에 따른 적층형 전기화학셀은, 모노폴라 전극과 적어도 하나의 쿼지 바이폴라 전극을 포함하는 전극 조립체와, 전극조립체에서 열화가 발생가능한 소정 극성을 띄는 전극에서 반대극성의 전극과 대향되지 않는 부분인 노출전극 부위에 마주보도록 적층되는 보조전극 및 소정 극성과 반대의 극성을 가지는 전극에 보조전극을 전기적으로 연결하는 전기적 연결수단을 포함하여 이루어진다.
전술한 바와 같은, 전기에너지를 저장하는 활물질로 활성탄소를 사용하는 전기이중층 캐패시터의 경우에는, 전극조립체의 바깥쪽에 위치하는 전극(즉, 다른 극성의 전극과 마주보지 않는 쪽에 위치하는 전극)에서 전해액의 종류에 따라 특정 극성에서 열화가 발생된다. 이하에서는 설명의 편의성을 도모하기 위하여 열화가 음극에서 발생되는 경우를 기초로 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 그러나 이는 본 발명의 범위가 음극에서 열화가 발생되는 경우로 한정하는 것은 아니다.
도 6은 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀용 전극조립체 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 단위셀(610)에서 양극단자에 연결되는 양극 모노폴라 전극(605)은 제1 쿼지 바이폴라 전극(615)의 음극면과 마주보도록 배열되며, 그 사이에 세퍼레이터가 삽입된다. 즉, 제1 단위셀(610)에서 가장 바깥쪽에 위치하는 전극은 양극 모노폴라 전극(605)이다.
제2 단위셀(620)에서는, 제1 단위셀(610)로부터 연결된 제1 쿼지 바이폴라 전극(615)의 한쪽 끝을 양(+)극면으로 사용하고, 이러한 제1 쿼지 바이폴라 전극(615)의 양극면은 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 음(-)극면과 마주보도록 배열되며, 양극면과 음극면의 사이에는 세퍼레이터가 삽입된다. 이러한 제2 단위셀에서는 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 음극면이 가장 바깥쪽에 위치한다.
한편 제2 단위셀에 위치하는 제1 보조전극(621)은 아랫면과 윗면의 가장 바깥쪽에 위치하는 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 음극면과 마주보도록 배열되며, 제1 보조전극(621)과 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 사이에는 세퍼레이터가 삽입된다. 그리고 이러한 제1 보조전극(621)은 전기적 연결수단(622)을 통해 제2 단위셀 내의 양극과 연결된다. 따라서 제2 단위셀(620)도 제1 보조전극 및 전기적 연결수단에 의해 가장 바깥쪽에 양극 보조전극이 위치하게 된다.
제3 단위셀(630)에서는 제2 단위셀에서 음극으로 사용된 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 다른 한쪽은 양극면으로 사용되고, 이러한 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 양극면은 제3 쿼지 바이폴라 전극(635)의 음극면과 마주보도록 배열되며 그 사이에 세퍼레이터가 삽입된다. 이러한 제3 단위셀(630)에서 제2 쿼지 바이폴라 전극(625)의 양극면이 가장 바깥쪽에 위치한다.
제4 단위셀(640)에서는 제3 단위셀(630)에서 음극으로 사용된 제3 쿼지 바이폴라 전극(635)의 다른 한쪽을 양극면으로 사용하며, 이러한 제3 쿼지 바이폴라 전극(635)의 양극면은 음극 단자와 연결되는 음극 모노폴라 전극(645)과 마주보도록 배열된다. 또한 제3 쿼지 바이폴라 전극(635)와 음극 모노폴라 전극(645) 사이에 세퍼레이터가 삽입된다. 이러한 제4 단위셀(640)의 음극 모노폴라 전극(645)는 전극조립체의 바깥쪽에 위치하게 된다. 한편 제2 보조전극(641)은 음극 바이폴라 전극(645)과 마주보도록 배열되며 그 사이에 세퍼레이터가 삽입된다. 그리고 이러한 제2 보조전극(641)은 전기적 연결수단(642)을 통해 제4 단위셀(640) 내에 있는 양극과 연결됨으로써, 제4 단위셀의 가장 바깥쪽에 양극 보조전극이 위치하게 된다.
전술한 바와 같이, 보조전극을 단위셀의 외곽에 부가하고 이러한 보조전극의 극성을 양극으로 연결하여, 전극조립체 전체에서 음극은 외부로 노출되지 않고 양극만이 외부로 드러나게 함으로써 열화를 방지할 수 있다.
이때, 보조전극은 모노폴라 전극과 같은 종류 또는 알루미늄이나 구리 같은 금속 또는 도전성 시트를 사용하는 것도 가능하다. 또한 이러한 금속이나 도전성 시트는 전극의 집전체로 사용되는 재질과 동일한 재질 계열을 사용하는 것이 바람직하다.
도시된 도 6에서는 제1 단위셀과 제3 단위셀에는 보조전극을 설치하지 않았지만, 전체 치수를 일정하게 유지하기 위해 제1 단위셀과 제3 단위셀에 보조전극을 설치하는 것도 가능하다. 이와 같이 전체 치수를 유지하기 위하여 보조전극을 설치하는 경우에는 보존전극을 중성상태를 유지시키거나 또는 각 단위셀 내부에 있는 양극과 연결할 수 있다.
한편 보조전극과 단위셀 내의 양극과 연결하기 위한 전기적 연결수단은 용접, 솔더링, 금속이나 도전성 고무 같은 도전성 스트립, 도전성 접착제, 도전성 수지, 기계적인 접촉과 같은 방법 등이 단독 또는 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 구조는 보조전극과 전기적 연결수단을 제외하면 종래의 적층구조과 동일ㆍ유사하다. 따라서, 종래에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 구성한 후, 여기에 보조전극을 추가로 적층하고 이를 전기적 연결수단을 통하여 보조전극에 원하는 극성을 부여함으로써 본 발명에 따른 적층형 쿼지 바이폴라 구조를 구성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 권취형 전기화학셀은, 모노폴라 전극과 적어도 하나의 쿼지 바이폴라 전극을 포함하여 권취된 전극조립체, 상기 전극조립체에서 열화가 발생가능한 소정 극성을 띄는 상기 전극에서 반대 극성의 전극과 대향되지 않는(즉, 내측 및 외측으로 노출된) 내측 노출전극부위 및 외측 노출전극부위에 각각 마주보도록 배치된 보조전극 및 상기 소정 극성과 반대되는 극성을 가지는 전극과 상기 보조전극을 전기적으로 연결하는 전기적 연결수단을 포함하며, 상기 전극조립체는 코어의 외측에 형성된 권취형 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 권취형 전기화학셀에 대하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 권취형 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀용 전극조립체의 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 단위셀(710)은 양극단자에 연결되는 양극 모노폴라 전극(711)과 제1 쿼지 바이폴라 전극(715)의 음극면을 서로 마주보도록 배열하여 구성되며, 또한 두 전극 사이에 세퍼레이터를 삽입하여 구성할 수 있다.
제1 단위셀(710)에서 연결된 제1 쿼지 바이폴라 전극(715)의 다른 면은 제2 단위셀(720)에서 양극면으로 사용되며, 이러한 제1 쿼지 바이폴라 전극(715)의 양극면은 제2 쿼지 바이폴라 전극(725)의 음극면과 마주보도록 배열된다. 또한 두 면의 사이에 세퍼레이터가 삽입될 수 있다.
제3 단위셀(730)은 제2 단위셀(720)에서 음극으로 사용된 제2 쿼지 바이폴라 전극(725)의 다른 한쪽 면을 양극면으로 사용하며, 이를 제3 쿼지 바이폴라 전극(735)의 음극면과 마주보도록 배열하여 구성되며, 그 사이에 세퍼레이터를 삽입할 수 있다.
제4 단위셀(740)은 제3 쿼지 바이폴라 전극(735)이 양극면으로 사용되며 이를 음극 단자와 연결되는 음극 모노폴라 전극(743)과 마주보도록 배열하여 구성되며, 그 사이에 세퍼레이터를 삽입할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여 열화가 노출된 전극 중에서 음극에서 발생하는 경우를 기초로 설명한다.
전술한 바와 같이 구성된 전극조립체의 코어(702) 측(가장 내측)에 위치하는 전극의 극성을 살펴보면, 제1 단위셀(710)의 경우 양극, 제2 단위셀(720)의 경우 음극, 제3 단위셀(730)의 경우 양극, 제4 단위셀(740)의 경우 음극이 된다. 반면에 전극조립체의 외측에 위치하는 전극의 극성을 살펴보면, 제1 단위셀(710)의 경우 양극, 제2 단위셀(720)의 경우 음극, 제3 단위셀(730)의 경우 양극, 제4 단위셀(740)의 경우 음극이다.
따라서 전극조립체의 제2 단위셀(720) 및 제4 단위셀(740)은 열화가 발생할 가능성이 있으므로, 이를 방지하기 위해서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 단위셀(720) 및 제 4 단위셀(740)의 내측과 외측에 노출된 음극에 대하여 제2-1(721), 2-2(722), 4-1(741), 4-2(742) 보조전극을 설치하고 전기적 연결수단(701)을 통하여 각 단위셀 내의 양극과 보조전극을 연결함으로써 각 단위셀의 내측과 외측에 음극이 위치하지 않도록 함으로써 열화를 방지할 수 있다.
또한 제1 단위셀(710) 및 제3 단위셀(730)은 내ㆍ외측이 모두 양극임에도 내측에 제1-1 보조전극(712) 및 제3-1 보조전극(731)이 설치되어 있으나, 이는 전극을 코어에 감는 과정에서 전극의 평행도를 유지시켜 조립의 편의성을 도모하기 위한 것에 불과한 것으로서 열화가 발생되는 것을 방지하기 위해 꼭 필요한 요소는 아니다. 따라서 제1-1 보조전극(712) 및 제3-1 보조전극(731)은 각 단위셀 내의 양극과 전기적으로 연결되거나 아니면 중성상태로 유지하더라도 무방하다.
또한 조립의 편의성을 위해 제1 단위셀(710) 및 제3 단위셀(730)의 바깥쪽에 제2-2 보조전극(722) 및 4-2 보조전극(742)처럼 보조전극을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 제1 단위셀(710) 및 제3 단위셀(730)에서 전극조립체의 가장 바깥쪽에 위치하는 전극의 극성은 양극이므로 제1 단위셀(710) 및 제3 단위셀(730)의 바깥쪽에 설치되는 보조전극은 전기적 연결수단을 통하여 각 단위셀의 양극과 연결되거나, 중성상태를 유지하더라도 무방하다.
이러한 보조전극으로는 모노폴라 전극과 같은 전극이나 알루미늄이나 구리 같은 도전성 시트가 사용될 수 있다. 도전성 시트를 사용할 경우 전극의 집전체 재질과 동일한 계열의 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
한편 각 보조전극과 각 단위셀 내에 위치하는 양극을 전기적으로 연결시키는 전기적 연결수단은, 저항용접이나 레이저빔 용접 같은 용접, 금속 같은 도전성 스트립, 도전성 고무, 도전성 수지, 도전성 접착제, 기계적인 접촉 등이 단독 또는 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 권취형 전기화학셀의 조립방법은, 적어도 하나의 보조전극, 모노폴라 전극 및 쿼지 바이폴라 전극을 배열하는 배열단계, 상기 배열된 전극들을 코어를 중심으로 권취하는 권취단계 및 열화가 발생가능한 해당 극성의 반대 극성을 띄는 전극과 상기 보조전극을 전기적으로 연결하는 연결단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 모노폴라 전극 및 상기 쿼지 바이폴라 전극의 사이에 세퍼레이터를 배열하는 단계를 더 포함한다.
이하에서는 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 권취형 전기화학셀의 조립과정을 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 권취형 바이폴라구조를 갖는 전기화학셀의 조립과정을 도시한 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 코어에 제1-1 보조전극(810), 제2-1 보조전극(820), 제3-1 보조전극(830), 제4-1 보조전극(840)이 감겨져 있다. 물론 전극과 세퍼레이터를 감는 과정에서 보조전극을 동시에 감을 수도 있다. 그리고 양극 모노폴라 전극(811), 제1 쿼지 바이폴라 전극(815), 제2 쿼지 바이폴라 전극(825), 제3 쿼지 바이폴라 전극(835) 및 음극 모노폴라 전극(841)이 순차적으로 배열되고, 그러한 각 전극의 사이에 세퍼레이터(802)가 각각 배열된다. 그리고 제2-1 보조전극(820)과 제4-1 보조전극(840)을 각 단위셀 내에 위치하는 양극과 연결하기 위한 전기적 연결수단인 금속스트립이 도시된 바와 같이 배열된다. 물론 전기적 연결수단으로써 금속스트립 대신 도전성 접착제 같은 접착수단 또는 그들의 조합으로 사용할 수 있다.
이후, 이러한 배열상태를 유지하면서 전극과 세퍼레이터(802), 금속스트립(801)이 코어(803)에 감겨진다.
이와같이 전극조립체를 구성한 경우, 제2 단위셀과 제4 단위셀의 음극전극이 바깥쪽에 위치하게 되어 열화가 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 세퍼레이터(802)와 제2-2 보조전극(미도시)과 제4-2 보조전극(미도시)을 배열한 후, 도 8과 같이 전기적 연결수단인 금속스트립을 배열하고 이들을 다시 권취함으로써, 극성이 음극인 전극이 바깥쪽에 위치하지 않는 전극조립체를 구성할 수 있게되어 열화가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한 이러한 방법을 이용하는 경우, 권취형 전극조립체를 만드는 과정에 있어서, 전극의 평행도를 유지하기가 용이하며 전극을 부분적으로 절단하는 과정을 생략할 수 있어 조립이 간단해진다.
또한, 전극과 세퍼레이터를 코어에 권취하는 과정에서 전기적 연결수단(801)을 끝까지 연속적으로 권취하는 경우, 이와 같이 권취된 전기적 연결수단은 각 단위셀 사이의 전해액 격리수단으로서 기능할 수 있다. 특히 쿼지 바이폴라 구조를 갖는 전기화학셀에서 단위셀 사이의 전해액이 차단되지 않으면 누설전류, 부반응 등이 발생되므로 각 단위셀의 전기화학적인 안정성을 유지하기 위해 단위셀 사이의 전해액 격리수단도 중요한 요소이다.
도 9는 본 발명에 따른 보조전극을 사용한 권취형 바이폴라구조를 갖는 전기화학셀의 조립과정을 도시한 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 코어(903)에 양극 모노폴라 전극(911), 제1 쿼지 바이폴라 전극(915), 제2 쿼지 바이폴라 전극(925), 제3 쿼지 바이폴라 전극(935) 및 음극 모노폴라 전극(941)이 순차적으로 배열되고, 그러한 각 전극의 사이에 세퍼레이터(902)가 각각 배열된다. 코어(903)에 배열된 전극을 감으면서 제2 보조전극(920)과 제 4 보조전극(940)의 앞부분이 제2 쿼지 바이폴라 전극(925)의 끝부분과 음극 모노폴라 전극(941)의 끝부분에 약간 겹쳐지도록 하여 전기적인 연결부분(901)이 형성되도록 각 보조전극을 삽입한 후 보조전극을 전극권취체에 감는다.
이와같이 전극조립체를 구성함으로써 열화가 발생되지 않는 극성에 전기적으로 연결된 보조전극이 열화가 발생되는 전극의 바깥쪽을 둘러쌈으로 인해 열화가 발생되지 않는 보조전극이 전극조립체의 바깥쪽에 위치하도록 할 수 있다.
이상에서는 설명의 편의성을 도모하기 위해 음극에서 열화가 발생하는 경우를 가정하여 이를 방지하기 위해 보조전극과 전기적 연결수단을 이용한 구조 및 방법을 기술하였지만, 이는 예시적인 것으로서 열화가 양극에서 발생하는 경우에도 동등한 구조와 방법을 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 상세한 설명에서는 적층형과 권취형을 예시하였지만 전극을 지그재그로 접는 구조에서도 마찬가지 원리가 적용된다.
또한 본 발명에 따른 전기화학셀 구조 및 벙법은 전기이중층캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)와 같은 울트라캐패시터(Ultracapacitor) 뿐만 아니라 납축전지(Lead Acid Battery), 니켈수소전지(NiMH Battery), 니켈카드뮴전지(NiCd Battery), 리튬이온전지(Lithium Ion Battery), 알루미늄 전해캐패시터(Aluminum Electrolytic Capacitor) 같은 전기에너지저장장치에 응용될 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 자명하다. 예컨대, 전술한 본 발명의 전기화학셀은 주로 전기이중층 캐패시터에 적용되는 것으로 개시하였지만 이는 설명을 용이하게 하기 위한 것일 뿐 본 발명에 따른 전기화학셀을 전기이중층 캐패시터의 적용을 한정하기 위한 것은 아니다. 즉, 본 발명은 액체 전해질을 사용하는 전지, 알루미늄 전해캐패시터 와 같은 균등한 전기화학셀 분야에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.
전극 및 세퍼레이터, 마감 테이프 등의 열화를 방지하여 신뢰성과 안정성을 증진시킬 수 있는 전기화학셀이 제공될 수 있다.

Claims (11)

  1. 전기화학셀에 있어서,
    양극전극과 음극전극을 포함하는 전극조립체;
    상기 전극조립체에서 열화 발생이 가능한 소정 극성을 가지는 전극에 마주보도록 배치된 보조전극; 및
    상기 보조전극과 상기 소정 극성과 반대되는 극성을 가지는 전극을 전기적으로 연결하는 전기적 연결수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조전극은,
    상기 열화가 발생가능한 소정 극성을 가지는 전극에서 상기 소정 극성과 반대의 극성을 가지는 전극과 대향되지 않는 부분에 마주보도록 배치된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보조전극은,
    금속 및 도전성 시트 중 적어도 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도전성 시트는,
    상기 전극의 집전체 재질과 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  5. 제1항에 있어서, 상기 보조전극은,
    집전체의 적어도 한쪽 면에 동일한 극성을 띄는 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기적 연결수단은,
    금속, 도전성 스트립, 도전성 접착제 및 도전성 수지 중 적어도 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    적층형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    권취형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    코어를 포함하며 상기 코어에 상기 보조전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 모노폴라 전극과 적어도 하나의 쿼지 바이폴라 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극조립체에서 단위셀 사이의 전해액 격리수단이 상기 전기적인 연결수단으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.
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