KR101806416B1 - 기준 전극(reference electrode)을 포함하는 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 는 전극 조립체에 포함된 각 전극의 전위를 인시튜(in-situ) 상태에서 개별적으로 측정할 수 있도록 고안된 스택 및 폴딩형 전극 조립체에 대한 것이다. 본원 발명에 따른 스택 및 폴딩형 전극 조립체는 각 전극층마다 기준 전극이 삽입되어 있어 특정 위치의 전극(음극 또는 양극)의 전위 측정이 가능하다. 이는 전지의 퇴화 분석 및 충방전 거동을 예측하며, 배터리 충전 상태를 모니터링 하는데 매우 효과적이다.

Description

기준 전극(reference electrode)을 포함하는 리튬 이온 이차 전지 {A lithium ion secondary battery comprising a reference electrode}
본 발명은 스택 및 폴딩형 전극 조립체에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 전극 조립체에 포함된 각 전극의 전위를 인시튜(in-situ) 상태에서 개별적으로 측정할 수 있도록 고안된 스택 및 폴딩형 전극 조립체에 대한 것이다.
새로운 전지의 개발, 제조된 전지의 성능 확인 등을 위해 전지의 전극전위(electrode potential)를 측정한다. 전극전위의 측정에는 기준전극(reference electrode), 작업전극(working electrode) 및 보조전극(potential electrode)으로 구성된 3 전극계 전극전위 측정방법이 주로 사용되고 있다. 기준전극은 전지를 구성하고 있는 전극이나 전기분해가 일어나고 있는 전극의 전위를 측정하기 위하여 당해 전극과 조합하여 전극전위 측정용 전지회로를 만드는데 사용하는 전극으로서, 전극전위의 상대값을 측정할 때 전위의 기준이 된다. 그러한 기준전극은, 가역적인 전극전위(가역상태에 있는 전극)로서 네른스트(Nernst) 평형 이론식을 따라야 하고, 항상 일정한 전위값을 유지하는 비분극 특성을 가져야 하며, 액간 전위차가 가능한 적어야 하고, 온도가 변화해도 전위변화가 적어야 하며, 일정한 온도에서 일정한 전위값을 나타내는 등의 요건을 만족하여야 한다.
이와 관련하여, 이차 전지 분야에서도 새로운 전지의 개발, 기존 전지의 성능 개선 등에 전극 전위의 측정이 많이 행하여지고 있다. 이러한 이차 전지의 전극 전위 측정에는 일반적으로 종래의 방법이 그대로 사용되고 있다. 예를 들어, 새로 개발된 양극 활물질의 성능을 측정할 때에는 용기에 전해액을 담고 작업전극으로서 상기 양극 활물질이 도포되어 있는 양극과, 기준 전극 및 보조 전극으로서 음극을 설치하여 전극 전위를 측정한다. 그러나 이러한 방법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 실제 전지에서의 전극전위와 일치하지 않는 결과가 얻어질 수 있는 문제점이 있다. 일반적으로 이차전지는 양극/분리막/음극의 구성으로 이루어진 특정한 구조의 전극 조립체(도 1 참조)가 전해액이 함침된 상태로 밀폐된 케이스(캔, 파우치 등)에 내장되고 기타 다양한 전지 구성요소들이 설치되어 있다. 따라서, 실제 이차전지의 내부 환경은 상기 실험을 위한 조건과 많은 차이를 나타내므로 매우 단순화된 조건으로 행해지는 상기 실험 조건에서의 전극전위와 차이를 나타낸다. 예를 들어, 실제 전지의 전위와 유사한 전위를 측정하려면 가능한 한 양극과 음극의 거리를 줄여야 하지만, 종래의 실험 조건에는 이를 실현하기가 용이하지 않다.
둘째, 실제 충방전시의 양극과 음극의 전위 변화를 동시에 측정할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
셋째, 전극전위를 측정하기 위해서는 제작된 전지를 완전히 분해하여야 하는 문제점이 있다. 대량 생산되는 전지의 품질평가 등을 목적으로 주기적인 테스트를 행하는 경우에 전지의 완전한 분해는 시간 소모적이고 앞서 설명한 바와 같은 전지의 실제 조건의 변경을 초래하므로 정확한 결과를 얻기 어려울 수 있다.
넷째, 전지에 요구되는 다양한 물성을 측정하기 위한 여러 실험조건을 설정한 상태에서 전극전위의 측정이 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있다. 이차전지는 고온 안전성, 침상 관통시의 안전성 등 다양한 요건을 만족하여야 하는데, 이러한 요건의 충족 여부를 확인하기 위한 실험조건에서의 전극전위 측정이 요구된다.
따라서, 이차전지와 관련하여 3 전극계 전극전위 측정을 위한 종래의 방법은 많은 문제점을 가지고 있으므로, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 특정 위치의 전극의 준위를 측정하여 전지의 퇴화분석 및 충방전 거동을 정확하게 이해할 수 있는 스택 및 폴딩형 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 전극 조립체를 제공한다. 본 발명에 따른 상기 전극 조립체는 반대 극성을 갖는 두 종류의 전극들이 분리막을 개재하여 교번하여 적층된 전극 적층체를 포함하며, 상기 전극 적층체는 각 전극과 분리막 사이에 삽입된 기준 전극 어셈블리를 포함하고, 기준 전극 어셈블리와 대면한 전극과 기준 전극 어셈블리가 회로적으로 연결되어 있어 각 전극의 전위가 인시튜(in-situ) 상태에서 개별적으로 측정될 수 있는 것이다.
여기에서, 상기 기준 전극 어셈블리는 일측이 상기 전극 적층체의 내측으로 삽입되고, 타측이 전극 적층체의 외측으로 인출되는 것이다.
또한, 여기에서, 상기 기준 전극 어셈블리는 적어도 일부가 전극 적층체 외부로 인출되는 기준 전극 리드부; 및 상기 기준 전극 리드부의 일측에 결합되어 전극 적층체의 내부에 삽입되는 기준 전극부;를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 기준 전극 리드부는 와이어(wire)의 형상일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기준 전극부는 기준 전극판; 및 상기 기준 전극판의 일측 표면상에 형성된 절연막을 포함하며, 상기 절연막에 의해 전극 어셈블리와 면접하는 전극과 전극 어셈블리가 전기적으로 절연될 수 있다.
여기에서, 상기 절연막은 폴리올레핀계 고분자 소재의 다공막일 수 있다.
여기에서, 상기 기준 전극판은 전기화학적으로 일정한 평탄 준위를 갖는 물질로 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기준 전극판은 리튬 금속, 티탄산리튬(Lithium titanate oxide; LTO), LiFePO4, Sn(stannum), 백금, 유리질 탄소, 전이금속이 도핑된 스피넬 타입 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기준 전극 어셈블리가 각 전극과 분리막 사이에 둘 이상 삽입될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공하며 구제적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전기화학소자는 리튬이온이차 전지일 수 있다.
본원 발명에 따른 스택 및 폴딩형 전극 조립체는 각 전극층마다 기준 전극이 삽입되어 있어 특정 위치의 전극(음극 또는 양극)의 전위 측정이 가능하다. 이는 전지의 퇴화 분석 및 충방전 거동을 예측하며, 배터리 충전 상태를 모니터링 하는데 매우 효과적이다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 종래 스택 및 폴딩형 전극 적층체의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 기준 전극 어셈블리를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 적층체의 단면을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 조립체를 포함하는 파우치형 이차 전지를 도시한 것이다.
도 5는 하나의 인접 전극에 대해 복수의 기준 전극 어셈블리가 배치된 형상을 도식화하여 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 전극과 분리막이 순차적으로 적층된 전극 적층체를 포함하는 스택 및 폴딩형 전극 조립체에 대한 것으로서 상기 전극 조립체는 포함된 각 전극의 준위를 정확하게 측정할 수 있도록 각 전극과 회로적으로 연결된 복수의 기준 전극 어셈블리를 포함한다. 본 발명에 있어서, 기준 전극 어셈블리는 각 전극층 마다 삽입됨으로써 적층된 복수의 전극들 중 전위 측정이 필요한 특정 위치의 전극의 전위를 인시튜(in-situ) 상태에서 개별적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 전극 조립체는 반대 극성을 갖는 두 개의 전극이 분리막을 개재하여 교번 적층된 전극 적층체를 포함하는 것으로서, 상기 전극은 음극이거나 양극일 수 있으며, 분리막은 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시킨다.
상기 양극은 예를 들어 알루미늄(Al) 재질의 양극 집전체 및 이의 일측 표면 또는 양측 표면에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 마찬가지로 음극은 구리 재질의 집전체 및 이의 일측 표면에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질로는 예를 들어, 들어, LiCoO2, LiNiO2, LiNi1 -yCoyO2(0<y<1), LiMO2(M=Mn, Fe 등), Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 -yMnyO2(O≤y<1) 등의 층상형 양극 활물질; LiMn2O4, LiMn2 -zCozO4 (0<z<2), LiMn2 -zNizO4(0<z<2), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2) 등의 스피넬형 양극 활물질; LiCoPO4, LiFePO4 등의 올리빈형 양극 활물질 등이 이용될 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질로는 예를 들어, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그라파이트(graphite), 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소계 물질; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2 (0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등이 이용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 음극과 양극은 각각 음극탭 또는 양극탭의 전극탭이 형성될 수 있다. 상기 전극 탭은 예를 들어 상기 음극 집전체 및/또는 양극 집전체와 일체로 형성될 수 있는 것으로서, 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역에 해당한다. 즉, 상기 전극 탭(T)은 집전체의 표면 중 전극 활물질이 도포되지 않은 영역에 해당하는 영역이 적절한 형상으로 타발되어 형성될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막은 음극과 양극 사이의 전기적 접촉을 차단하면서 이온을 통과시키는 이온 전도성 배리어의 역할을 수행하는 것이다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리막은 복수의 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 기재를 포함할 수 있다. 더 나아가 분리막은 상기 다공성 고분자 기재의 표면에 복수의 무기물 입자와 고분자 바인더 수지를 포함하는 다공성 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 다공성 코팅층은 코팅층 내에 무기물 입자들이 바인더 수지를 매개로 하여 점결착 및/또는 면결착 되어 집적된 층으로서 상기 코팅층은 무기 입자들 사이의 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)에 기인한 다공성 구조를 갖는다.
상기 다공성 고분자 기재로는 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴레페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌과 같은 고분자 수지 중 적어도 어느 하나로 형성된 다공성 고분자 기재 등이 있으나 특별히 여기에 한정되는 것이 아니다. 또한, 상기 다공성 고분자 기재로는 고분자 수지를 용융하여 성막한 시트 형태의 필름이나 고분자 수지를 용융방사하여 얻은 필라멘트를 집적시킨 부직포 형태를 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 고분자 수지를 용융/성형 하여 시트 형태로 제조된 다공성 고분자 기재인 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전극 적층체는 적층체 최상층과 촤하층에 극성이 동일한 전극이 배치된 모노셀(monocell) 타입이거나 최상층과 촤하층에 반대되는 극성의 전극이 배치된 바이셀(bicell)타입일 수 있다.
한편, 본원 발명에 따른 전극 적층체는 전극과 분리막 사이에 삽입된 복수의 기준 전극 어셈블리를 포함한다. 상기 기준 전극 어셈블리는 각 전극의 전위를 인시튜 상태에서 개별적으로 측정하기 위한 것으로서, 각 전극의 전위의 상대값을 측정할 때 전위의 기준이 된다. 상기 기준 전극 어셈블리는 전극과 분리막 사이에 삽입되므로 이의 일측면은 하나의 전극과 대면하며 이의 타측면은 하나의 분리막과 대면한다. 본 발명에 있어서 기준 전극 어셈블리는 기준 전극 어셈블리와 대면하는 하나의 전극과 회로적으로 연결되어 이의 전극 전위 측정을 가능하게 한다. 이하 본 명세서에서 하나의 기준 전극 어셈블리와 면접하는 위치에 배치된 전극을 '인접 전극'이라고 지칭한다. 즉, 본 발명에 있어서 전극 적층체 내부에 삽입된 하나의 기준 전극 어셈블리는 이와 면접하는 하나의 인접 전극과 회로적으로 연결되어 이의 준위 측정을 가능하게 하는 것이다.
도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 적층체를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면 분리막과 전극 사이에 기준 전극 어셈블리가 삽입되어 있으며, 기준 전극 어셈블리와 이의 인접 전극이 서로 회로적으로 연결되어 있어 각 전극의 전위를 개별적으로 측정하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 기준 전극 어셈블리는 측정하고자 하는 전극의 수만큼 포함될 수 있으며, 더욱 구체적으로는 전극 적층체에 포함되는 전극의 수와 동일한 수의 기준 전극 어셈블리가 포함될 수 있다.
상기 기준 전극 어셈블리는 일측이 상기 전극 적층체의 내측, 구체적으로 분리막과 전극 사이로 삽입되며 이의 타측은 전극 적층체의 외측으로 인출되고 인접 전극에 형성된 전극탭과 연결되어 인접 전극의 전위를 측정을 위한 회로를 형성할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 기준 전극 어셈블리는 기준 전극 리드부와 상기 기준 전극 리드부의 일측에 결합되어 전극 적층체의 내부에 삽입되는 기준 전극부를 포함한다.
상기 기준 전극 리드부는 기준 전극부와 결합된 부분을 포함하는 일부가 기준전극부와 함께 전극 적층체 내부로 삽입될 수 있으며, 소정의 부분이 외측으로 인출된다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 전극 리드부는 테이프 형태의 금속 박막이거나 금속 와이어 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기준 전극부는 일정한 준위를 갖는 물질로 구성된 기준 전극판과 상기 기준 전극판 및 내부에 삽입된 전극 리드부의 소정의 부분과 인접 전극을 절연하는 절연막을 포함할 수 있다. 상기 절연막은 기준 전극판의 일측면상에 형성되며 기준 전극판과 전극 리드부를 커버하여 인접 전극과의 절연상태가 유지되도록 적절한 모양과 크기로 준비될 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 절연막은 폴리올레판계 고분자 소재의 다공막을 포함할 수 있으며, 전술한 분리막과 동일한 소재의 절연막을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기준 전극판은 전기화학적으로 일정한 평탄 준위(flat plateau)를 갖는 소재이면 특별하게 한정되는 것은 아니다. 상기 기준 전극판으로는, 예를 들어 리튬 금속, 티탄산리튬(Lithium titanate oxide; LTO), LiFePO4, Sn(stannum), 백금, 유리질 탄소, 전이금속이 도핑된 스피넬 타입 화합물 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 조립체에 포함된 각 전극의 전위를 개별적으로 측정할 수 있어 기준 전극과 측정대상 전극과의 준위차의 변화 상태가 인시튜 상태에서 모니터링되어 전극의 상태 예측이 가능하며, 더욱 정확한 배터리 충전 모니터링, 전지의 퇴화분석 및 충방전 거동 분석이 가능하다. 또한, 본 발명의 이차 전지는 음극과 양극 전압을 동시에 모니터링 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 기준 전극 어셈블리는 서로 연결되어 하나의 단자를 형성하고 상기 단자가 양극 및/또는 음극과 연결되어 음극 및/또는 양극의 충방전 거동을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 구체적인 실시 양태에 있어서, 특정 위치의 전극의 충방전 거동을 확인하기 위해서 특정 위치의 기준 전극과 특정 위치의 전극을 회로적으로 연결하고 이 회로만 따로 분리하여 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 기준 전극 어셈블리는 하나의 인접 전극에 대해 둘 이상이 배치될 수 있다. 통상적으로 충방전시 전극(전극 활물질)은 음극 리드 또는 양극 리드와 가까운 부분이 먼저 반응하게 되므로 동일 전극 내에 위치에 따라 전극의 전위가 동일하지 않을 수 있다. 따라서 하나의 전극 내에서 위치에 따른 충방전 거동을 측정하기 위해 하나의 인접 전극에 대해 복수의 전극 어셈블리를 배치할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전극 적층체를 포함하는 전극 조립체를 제공한다. 본 발명에 따른 구체적인 일 실시양태에 따르면 폭이 넓은 테이프 형상의 분리필름을 준비한 후 상기 분리 필름의 표면에 1개 이상의 전극 적층체를 적절하게 배치한 후 이 상태에서 상기 분리 필름을 접거나 권취하여 전극 조립체를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극 조립체는 금속재질의 전지 캔이나 파우치 형태의 포장재에 장입한 후 전해액을 주입하고 밀봉하여 다양한 전기화학소자로 사용이 가능하다.
상기 전기화학소자는 구체적으로 리튬 이온 이차 전지인 것이다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 이차 전지는 배터리 관리 시스템(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템은 기준 전극 어셈블리와 인접 전극 사이에 형성된 회로와 연결되어 전극의 모니터링이 가능하다. 상기 배터리 관리 시스템은 온도, 전류 및 전압을 모니터링 하기 위한 센서들, 전압 및 전류의 안전 레벨을 유지하기 위한 전압 변환기 및 정류기 회로, 배터리 팩 내외로 전력 및 정보를 흐르게 하는 전기 접속기 및 배터리의 현재 충전 상태를 추정하는 배터리 충전 상태 모니터를 포함할 수 있다. 배터리 모니터들은 배터리 파라미터들에 대한 데이터를 축적하고 그 후 이를 호스트 프로세스에 전송한다. 배터리 모니터는 배터리 데이터를 보유하기 위한 하나 이상의 유형들의 디지털 메모리 및 특수 레지스터들과 같은 아날로그 및 디지털 회로들 모두를 통합한 혼합 신호 집적 회로들을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이온 이차 전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. 상기 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차 (Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(Escooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 구체적인 실시양태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 기준 전극 어셈블리를 도식화하여 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면 기준 전극 어셈블리(20)는 기준 전극 리드부(22)와 기준 전극부(21)가 결합되어 있으며, 상기 기준 전극부는 기준 전극판과 이의 일측면상에 형성된 절연막(23)을 포함한다. 상기 절연막(23)은 기준 전극판 및 전극 적층체의 내부로 삽입되는 기준 전극 리드부의 일부를 커버하여 인접하는 전극과 전기적으로 절연상태가 되도록 충분한 넓이를 갖도록 준비하여 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 인접 전극과 기준 전극판은 직접 면접하지 않고 절연막에 의해 전기적인 절연이 유지되는 것이다.
도 3은 상기 기준 전극 어셈블리가 삽입된 전극 적층체(100)를 도식화하여 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 상기 전극 적층체(100)는 1개 이상의 음극(30)과 1 개 이상의 양극(50)이 교대로 적층되어 있으며, 음극과 양극 사이에는 분리막(40)이 개재되어 음극과 양극 사이를 전기적으로 절연한다. 여기에서 음극(30)은 음극 집전체(32) 및 이의 표면에 형성된 음극 활물질층(31)을 포함하며, 양극(50)은 양극 집전체(52) 및 이의 표면에 형성된 양극 활물질층(51)을 포함한다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리막(40)은 음극 활물질층(31)과 양극 활물질층(51)의 면적보다 넓은 면적으로 형성되어 전극 활물질층의 표면이 분리막(40)의 내측으로 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
기준 전극 어셈블리(20)는 각 전극의 개별 전위를 측정하기 위해 측정 대상인 전극(인접 전극)과 분리막 사이에 삽입되는 방식으로 배치되며 기준 전극판과 인접 전극의 통전을 방지하기 위해 기준 전극판과 인접 전극 사이는 절연막(23)에 의해 절연된다. 각 기준 전극 어셈블리는 측정 대상 전극인 인접 전극과 회로적으로 연결되어 측정 대상 전극과의 준위차의 변화 상태가 모니터링 되어 전극의 상태를 예측할 수 있다.
도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 조립체를 포함하는 파우치형 이차 전지를 도시한 것이다. 이에 따르면 전극 조립체에서 음극탭과 양극탭이 동일한 방향으로 인출되고 기준 전극 어셈블리는 상기 탭들이 인출된 방향과 다른 방향으로 인출될 수 있다.
도 5는 하나의 인접 전극에 대해 복수의 기준 전극 어셈블리가 배치된 형상을 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 도면에 따르면 전극을 세 부분으로 나누고 각 부분에 기준 전극 어셈블리를 배치한 것이다. 이와 같이 기준 전극 어셈블리를 배치함으로써 동일한 하나의 전극에서 위치에 따른 충방전 거동을 측정할 수 있다.
100… 전극 적층체
30… 음극 31… 음극 활물질층 음극 집전체 32
50… 양극 50…양극 활물질층 52… 양극 집전체
40… 분리막 20… 기준 전극 어셈블리 21… 기준 전극판
22… 기준 전극 리드부 23… 절연막

Claims (11)

  1. 반대 극성을 갖는 두 종류의 전극들이 분리막을 개재하여 교번하여 적층된 전극 적층체를 포함하며, 상기 전극 적층체는 상기 전극 적층체에 포함된 모든 전극과 분리막 사이에 삽입된 기준 전극 어셈블리를 포함하고, 기준 전극 어셈블리와 대면한 전극과 기준 전극 어셈블리가 회로적으로 연결되어 있어 각 전극의 전위가 인시튜(in-situ) 상태에서 개별적으로 측정될 수 있는 것이며, 상기 기준 전극 어셈블리가 각 전극과 분리막 사이에 둘 이상 삽입되는 것인, 스택 및 폴딩형 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전극 어셈블리는 일측이 상기 전극 적층체의 내측으로 삽입되고, 타측이 전극 적층체의 외측으로 인출되는 것인, 스택 및 폴딩형 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전극 어셈블리는 적어도 일부가 전극 적층체 외부로 인출되는 기준 전극 리드부; 및 상기 기준 전극 리드부의 일측에 결합되어 전극 적층체의 내부에 삽입되는 기준 전극부;를 포함하는 것인, 전극 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기준 전극 리드부는 와이어(wire)의 형상인 것인, 전극 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 기준 전극부는 기준 전극판; 및 상기 기준 전극판의 일측 표면상에 형성된 절연막을 포함하며, 상기 절연막에 의해 전극 어셈블리와 면접하는 전극과 전극 어셈블리가 전기적으로 절연되는 것인, 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연막은 폴리올레핀계 고분자 소재의 다공막인 것인, 전극 조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기준 전극판은 전기화학적으로 일정한 평탄 준위를 갖는 물질로 구성되는 것인, 스택 및 폴딩형 전극 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 전극판은 리튬 금속, 티탄산리튬(Lithium titanate oxide; LTO), LiFePO4, Sn(stannum), 백금, 유리질 탄소, 전이금속이 도핑된 스피넬 타입 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 스택 및 폴딩형 전극 조립체.
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기화학소자는 리튬이온이차 전지인 것인, 전기화학소자.
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