KR101147241B1 - 전극 어셈블리, 이차 전지, 및 전극의 제조 방법 - Google Patents

전극 어셈블리, 이차 전지, 및 전극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 어셈블리는 안전성이 향상될 수 있도록, 복수 개의 기공이 형성된 메쉬형 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체에 부착된 제1 전극 활물질층을 포함하며, 상기 제1 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층이 형성된 제1 전극과 제2 전극 집전체에 제2 전극 활물질층이 부착된 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다.

Description

전극 어셈블리, 이차 전지, 및 전극의 제조 방법{ELECTRODE ASSEMBLY, RECHARGEABLE BATTERY, AND FABRICATING METHODE OF ELECTRODE USED THEREOF}
본 발명은 전극 어셈블리와 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메쉬형 집전체를 갖는 전극의 구조를 개선한 전극 어셈블리와 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원 및 전력 저장용 전지 등으로 널리 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 대용량 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 대용량 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 고출력의 전지 모듈로 구성된다.
또한, 이러한 이차 전지는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 어셈블리를 포함한다. 양극과 음극 등의 전극은 금속 박막으로 이루어진 집전체와 집전체 상에 도포된 활물질층으로 이루어진다.
활물질이 도포된 집전체는 절단되어 복수 개의 전극으로 분리되는 데, 집전체를 절단하는 과정에서 버(burr)가 형성되고, 이러한 버(burr)는 양극 집전체와 음극 집전체의 단락을 유발하는 원인이 된다. 또한, 버에 의하여 세퍼레이터가 찢어지는 등 버는 전극 어셈블리를 조립하는 과정에서 불량을 유발하는 원인이 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 안전성이 향상된 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 어셈블리는 복수 개의 기공이 형성된 메쉬형 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체에 부착된 제1 전극 활물질층을 포함하며, 상기 제1 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층이 형성된 제1 전극과 제2 전극 집전체에 제2 전극 활물질층이 부착된 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함한다.
상기 테두리 활물질층은 상기 제1 전극의 가장자리를 따라 이어져 형성될 수 있으며, 상기 테두리 활물질층의 폭은 집전체 두께의 0.5배 내지 10배로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극의 두께는 제1 전극 집전체의 두께의 0.1배 내지 100배로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 전극 집전체는 메쉬 형태로 이루어지고, 상기 제2 전극의 가장자리에는 상기 제2 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층이 형성될 수 있다.
상기 전극 어셈블리는 복수 개의 시트 형태의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 및 상기 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 복수 개의 기공이 형성된 메쉬형 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체에 부착된 제1 전극 활물질층을 포함하며, 제1 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층이 형성된 제1 전극과 제2 전극 집전체에 제2 전극 활물질층이 부착된 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리와 상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스, 및 상기 전극 어셈블리와 전기적으로 연결되며 외측으로 돌출된 단자를 포함한다.
상기 테두리 활물질층은 상기 제1 전극의 가장자리를 따라 이어져 형성될 수 있으며, 상기 테두리 활물질층의 폭은 집전체 두께의 0.5배 내지 10배로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극의 두께는 제1 전극 집전체의 두께의 1.1 배 내지 100배로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 전극 집전체는 메쉬 형태로 이루어지고, 상기 제2 전극의 가장자리에는 상기 제2 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층이 형성될 수 있다.
상기 전극 어셈블리는 복수 개의 시트 형태의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 및 상기 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 제조 방법은 이격 배열된 복수 개의 전극 집전체에 활물질층을 부착하는 활물질층 부착 단계와, 상기 활물질층이 부착된 상기 전극 집전체를 가압하는 가압 단계, 및 상기 전극 집전체가 이격된 부분에서 상기 활물질층을 절단하여 복수 개의 상기 전극 집전체를 분리하는 절단 단계를 포함한다.
상기 활물질층 부착 단계에서 시트 형태로 이루어진 활물질층을 집전체에 부착할 수 있으며, 상기 활물질층 부착 단계에서 상기 전극 집전체의 양면에 각각 일체로 형성된 활물질층을 부착할 수 있다.
상기 절단 단계는 상기 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 전극 집전체는 복수 개의 기공이 형성된 메쉬형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 테두리 활물질층이 형성되어 집전체에 버가 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 집전체가 단락되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 전극을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4에서 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 전극을 도시한 평면도이다.
도 7은 도 6에서 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 전극을 도시한 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1, 및 도 2를 참조하여 설명하면, 이차 전지(100)는 충전과 방전을 행하는 전극 어셈블리(10)과 전극 어셈블리(10)가 내장되는 케이스(20), 및 전극 어셈블리(10)과 전기적으로 연결된 단자(21, 22)를 포함한다.
케이스(20)는 이차 전지(100)의 전체적인 외관을 형성하며, 전극 어셈블리(10)를 내장하는 공간을 제공한다. 예를 들면, 케이스(20)는 필름으로 이루어진 파우치형, 또는 직육면체에 대응하는 형상의 전극 어셈블리(10)을 수용하도록 일측에 개구를 가지는 직육면체의 각형 등으로 이루어질 수 있다. 케이스(20)는 라미네이팅 필름 등의 소재로 이루어질 수 있다.
전극 어셈블리(10)에는 제1 단자(21)와 제2 단자(22)가 전기적으로 연결되고, 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 케이스(20)의 외측으로 돌출된다.
제1 단자(21)는 제1 전극 무지부(11c)에 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)는 제2 전극 무지부(12c)에 전기적으로 연결된다. 제1 단자(21) 및 제2 단자(22)와 케이스(20) 사이에는 실링을 위한 실링부재(28)가 설치된다. 본 실시예에 따른 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 케이스(20)에서 동일한 방향으로 돌출되나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 서로 반대 방향으로 돌출될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극 어셈블리(10)은 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 및 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 배치된 세퍼레이터(13)를 포함한다. 전극 어셈블리(10)은 복수 개의 제1 전극(11), 제2 전극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 교대로 적층된 구조로 이루어진다.
세퍼레이터(13)는 다공성 재료로 이루어지는데, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 절연하며, 전자가 이동하는 통로를 제공한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 전극을 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4에서 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 제1 전극(11)은 제1 전극 집전체(11a)와 제1 전극 집전체(11a)의 양면에 접착된 제1 전극 활물질층(11b)을 포함한다.
제1 전극 집전체(11a)는 복수 개의 기공(11e)이 형성된 메쉬형 집전체로 이루어진다. 제1 전극 집전체(11a)는 사각판 형상을 갖는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 소재로 이루어진다.
제1 전극 활물질층(11b)은 양극 활물질로 이루어지며, 시트 형태로 이루어진다. 이에 따라 제1 전극(11)은 양극이 되고, 제2 전극(12)은 음극이 된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 전극(11)이 음극이 되고, 제2 전극(12)이 양극이 될 수도 있다.
제1 전극 활물질층(11b)은 제1 전극 집전체(11a) 양면에 라미네이팅 방법으로 부착되는 바, 이 때 제1 전극 활물질층(11b)은 제1 전극 집전체(11a)의 기공(11e)으로 진입하여 제1 전극 활물질층(11b)과 제1 전극 집전체(11a)가 밀착된다.
제1 전극(11)의 상단에는 제1 전극 활물질층(11b)이 부착되지 아니하고 제1 전극 집전체(11a)가 노출된 제1 전극 무지부(11c)가 형성되며, 이 제1 전극 무지부(11c)에 제1 단자(21)가 용접 등으로 부착된다.
제1 전극(11)의 가장자리에는 제1 전극 집전체(11a)의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층(11d)이 형성된다. 테두리 활물질층(11d)은 제1 전극 집전체(11a)의 측단보다 더 외측으로 돌출되며, 제1 전극(11)의 가장자리를 따라 이어져 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 테두리 활물질층(11d)의 폭(W1)은 집전체두께의 0.5배 내지 10배로 이루어진다.
테두리 활물질층(11d)의 폭(W1)이 집전체 두께의 0.5배보다 더 작으면 기재 burr로 인한 쇼트문제가 발생하며, 테두리 활물질층(11d)의 폭(W1)이 집전체 두께의 10보다 더 크면 극판 형태 유지에 문제가 발생하고, 테두리 활물질층과 집전체 사이의 거리가 멀어져서 집전 효율이 저하된다.
제1 전극(11)의 두께(T1)는 제1 전극 집전체(11a)의 두께(T2)의 1.1배 내지 100배로 이루어진다.
본 실시예와 같이 메쉬형태로 이루어진 제1 전극 집전체(11a)에 제1 전극 활물질층(11b)을 부착하면, 테두리 활물질층(11d)의 두께와 제1 전극 집전체(11a)가 있는 부분의 두께가 동일하여 제1 전극(11)의 전체적인 두께를 균일하게 형성할 수 있다. 또한, 제1 전극 집전체(11a)의 측단이 테두리 활물질층(11d)에 의하여 덮여 있으므로 제1 전극 집전체(11a)의 측단에 버(burr)가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 제1 전극 집전체(11a)의 버(burr)와 제2 전극 집전체(12a)의 버가 서로 단락되는 것을 방지하여 이차 전지의 안전성이 향상된다.
또한, 버(burr)가 형성되면 조립 시에 세퍼레이터(13)가 찢어지거나 조립과정에서 불량이 발생할 수 있는 바, 본 실시예에 따르면 이러한 불량을 방지하여 보다 용이하게 이차 전지 및 전극 어셈블리를 조립성이 향상된다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 전극을 도시한 평면도이고, 도 7은 도 6에서 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 전극(12)은 제2 전극 집전체(12a)와 제2 전극 집전체(12a)의 양면에 접합된 제2 전극 활물질층(12b)을 포함한다.
제2 전극 집전체(12a)는 복수 개의 기공(12e)이 형성된 메쉬형 집전체로 이루어진다. 또한, 제2 전극 집전체(12a)는 다공성의 사각판 형상을 갖는 구리, 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 등의 소재로 이루어진다. 본 실시예에서는 제2 전극 활물질층(12b)이 음극 활물질로 이루어지며, 시트 형태로 형성된다.
제2 전극(12)의 상단에는 제2 전극 활물질층(12b)이 형성되지 아니하고 제2 전극 집전체(12a)가 노출된 제2 전극 무지부(12c)가 형성되며, 이 제2 전극 무지부(12c)에 제2 단자(22)가 용접 등으로 고정된다. 제2 전극 활물질층(12b)은 제2 전극 집전체(12a) 상에 라미네이팅 방법으로 부착된다.
제2 전극(12)의 가장자리에도 제2 전극 집전체(12a)의 측단에서 돌출x 된 테두리 활물질층(12d)이 형성된다. 테두리 활물질층(12d)은 제2 전극 집전체(12a)의 측단보다 더 외측으로 돌출되며, 제2 전극(12)의 가장자리를 따라 이어져 형성된다.
제2 전극(12)의 테두리 활물질층(12d)은 제1 전극(11)의 테두리 활물질층(11d)과 동일한 구조로 이루어지므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제1 전극(11)과 제2 전극(12)은 동일한 방법으로 제작되므로 제1 전극(11)에 대한 설명으로 제2 전극(12)에 대한 설명을 대체한다.
본 실시예에 따른 전극의 제조 방법은 이격 배열된 제1 전극 집전체들(11a)에 일체로 형성된 제1 전극 활물질층(11b)을 부착하는 활물질층 부착 단계와 제1 전극 활물질층(11b)이 부착된 제1 전극 집전체(11a)를 가압하는 가압 단계, 및 제1 전극 활물질층(11b)을 절단하여 복수 개의 제1 전극(11)을 분리하는 절단 단계를 포함한다.
활물질층 부착 단계는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 복수 개의 제1 전극 집전체들(11a)을 이격 배열하고, 일체로 형성된 하나의 제1 전극 활물질층(11b)을 제1 전극 집전체들(11a)의 양면에 각각 부착한다. 여기서 제1 전극 집전체(11a)는 복수의 기공이 형성된 메쉬형 집전체로 이루어지며, 복수 개가 설정된 간격으로 이격 배치된다.
복수 개의 제1 전극 집전체(11a)에 시트 형태로 이루어진 제1 전극 활물질층(11b)을 부착한다. 제1 전극 집전체들(11a)의 양면에 일체로 형성된 제1 전극 활물질층(11b)을 각각 부착하며, 하나의 제1 전극 활물질층(11b)이 복수 개의 제1 전극 집전체(11a)에 부착된다.
가압 단계는 도 8c에 도시된 바와 같이, 롤러(40) 등을 이용하여 제1 전극 활물질층(11b)이 부착된 제1 전극 집전체(11a)를 가압한다. 이때, 제1 전극 활물질층(11b)과 제1 전극 집전체(11a)를 열간 압착하여 기공(11e)에 제1 전극 활물질층(11b)이 스며들도록 한다.
절단 단계는 도 8d에 도시된 바와 같이, 제1 전극 집전체(11a)가 이격된 부분에서 제1 전극 활물질층(11b)을 절단하여 제1 전극들(11)을 분리한다. 제1 전극 집전체(11a)가 이격된 부분을 절단하므로 제1 전극 활물질층(11b)만 절단되고 제1 전극 집전체(11a)는 절단되지 않는다. 또한, 절단 단계는 제1 전극 집전체의 측단에서 설정된 길이만큼 이격된 지점을 절단하여 제1 전극 집전체(11a)의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층(11d)을 형성하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 복수 개의 전극을 한꺼번에 제작한 후 절단하더라도 제1 전극 집전체(11a)가 잘려지지 아니하므로 버가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 어셈블리를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 전극을 도시한 평면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전극 어셈블리(30)는 제1 전극(31)과 제2 전극(32) 및 제1 전극(31)과 제2 전극(32) 사이에 배치된 세퍼레이터(33)를 포함한다.
제1 전극(31)은 제1 전극 집전체(31a)와 제1 전극 집전체(31a) 상에 형성된 제1 전극 활물질층(31b)을 포함하며, 제2 전극(32)은 제2 전극 집전체(32a)와 제2 전극 집전체(32a)에 부착된 제2 전극 활물질층(32b)을 포함한다. 제1 전극 집전체(31a)에는 제1 집전탭(37)이 부착되고, 제2 전극 집전체(32a)에는 제2 집전탭(38)이 부착된다.
제1 전극(31)과 제2 전극(32)은 동일한 구조로 이루어지므로 제2 전극(32)에 대한 자세한 설명은 생략한다.
제1 전극 집전체(31a)는 복수 개의 기공(31e)이 형성된 메쉬형태로 이루어지며, 일방향으로 길게 이어진 띠 형상으로 이루어진다. 또한, 제1 전극(31)의 가장자리에는 제1 전극 집전체(31a)의 측단보다 외측으로 돌출된 테두리 활물질층(31d)이 형성된다. 테두리 활물질층(31d)은 제1 전극(31)의 가장자리를 따라 이어져 형성된다.
제2 전극(32)과 세퍼레이터(33)도 일방향으로 길게 이어진 띠 형상으로 이루어지는 바, 전극 어셈블리(30)는 제1 전극(31)과 제2 전극(32) 사이에 세퍼레이터(33)가 개재된 상태에서 권취되어 형성된다.
본 실시예에 따르면 제1 전극(31) 및 제2 전극(32)의 가장자리에 테두리 활물질층이 형성되므로 집전체의 버로 인하여 전극들(31, 32)이 단락되는 것을 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
100: 이차 전지 10, 30: 전극 어셈블리
11, 31: 제1 전극 11a, 31a: 제1 전극 집전체
11b, 31b: 제1 전극 활물질층 11c, 31c: 제1 전극 무지부
11d, 12d, 31d: 테두리 활물질층 11e, 12e, 31e: 기공
12, 32: 제2 전극 12a, 32a: 제2 전극 집전체
12b, 32b: 제2 전극 활물질층 12c: 제2 전극 무지부
13, 33: 세퍼레이터 20: 케이스
21: 제1 단자 22: 제2 단자
28: 실링부재 37: 제1 집전탭
38: 제2 집전탭 40: 롤러

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  13. 이격 배열된 복수 개의 전극 집전체에 활물질층을 부착하는 활물질층 부착 단계;
    상기 활물질층이 부착된 상기 전극 집전체를 가압하는 가압 단계; 및
    상기 전극 집전체가 이격된 부분에서 상기 활물질층을 절단하여 복수 개의 상기 전극 집전체를 분리하는 절단 단계;
    를 포함하는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 활물질층 부착 단계에서 시트 형태로 이루어진 활물질층을 집전체에 부착하는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 활물질층 부착 단계에서 상기 전극 집전체의 양면에 각각 일체로 형성된 활물질층을 부착하는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 절단 단계는 상기 전극 집전체의 측단에서 돌출된 테두리 활물질층이 형성되도록 상기 활물질층을 절단하는 이차 전지용 전극의 제조 방법.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 전극 집전체는 복수 개의 기공이 형성된 메쉬형태로 이루어진 이차 전지용 전극의 제조 방법.
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