KR101881584B1 - 무기물 코팅부와 점착부가 형성된 분리막을 포함하는 단위셀 및 이를 포함하는 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀로서, 상기 분리막은 전극보다 상대적으로 큰 크기를 가지는 다공성 기재를 포함하며, 상기 다공성 기재의 표면에서, 전극과 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부가 형성되어 있고, 전극과 접촉하지 않는 무기물 코팅부의 양측 부위에는 점착부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단위셀 및 이러한 단위셀을 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.

Description

무기물 코팅부와 점착부가 형성된 분리막을 포함하는 단위셀 및 이를 포함하는 전극조립체 {Unit Cell Comprising Separator Having Inorganic Coating Portion and Adhesive Portion and Electrode Assembly Comprising the Same}
본 발명은 무기물 코팅부와 점착부가 형성된 분리막을 포함하는 단위셀 및 이를 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.
한편, 이러한 이차전지 중 최근 수요가 증가하고 있는 리튬 이차전지는 안전성이 취약한 문제가 있으며, 구체적으로, 리튬 이차전지가 과충전되면 양극으로부터 과잉의 리튬이 나오고 음극으로 리튬이 삽입되면서 음극 표면에 반응성이 매우 큰 리튬 금속이 석출되고, 양극 또한 열적으로 불안정한 상태가 되며, 전해액으로 사용하는 유기 용매의 분해반응으로 인한 급격한 발열반응에 의해 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.
또한, 못과 같이 전기 전도성을 가진 물체가 전지를 관통할 경우, 전지 내부의 전기화학적 에너지가 열 에너지로 변환되면서 급격한 발열이 일어나게 되고, 이에 수반되는 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 하게 되어, 급격한 발열 반응에 의해 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.
이러한, 못 관통, 압착, 충격, 고온 노출 등의 경우, 전지 내부의 양극과 음극은 내부에서 국부적으로 단락이 발생한다. 이때, 국부적으로 과도한 전류가 흐르게 되고, 이러한 전류로 인해 발열이 초래된다. 국부적인 단락으로 인한 단락 전류의 크기는 저항에 반비례하므로, 단락 전류는 저항이 낮은 쪽으로 많이 흐르게 되는데, 주로 집전체로 사용되는 금속 호일을 통해서 전류가 흐르게 되고, 이때의 발열을 계산해 보면 가운데 못이 관통된 부분을 중심으로 국부적으로 매우 높은 발열이 생기게 됨을 확인할 수 있다.
전지 내부에서 발열이 일어난 경우, 분리막이 수축되어 다시 양극과 음극의 직접적인 단락을 유발하고, 반복되는 열 발생과 분리막의 수축에 의해 단락구간이 늘어나면서, 열폭주가 발생하거나, 전지 내부를 구성하고 있는 양극, 음극 및 전해액이 서로 반응하거나 연소하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하고 과충전 시의 안전성을 향상시키기 위해, 다공성 기재 상에 무기물 입자 및 바인더를 포함하는 슬러리를 도포하여 안전성을 향상시킨 안전 분리막을 사용하려는 시도가 있었다.
이러한 안전 분리막을 사용하여 이차전지의 안전성은 향상시킬 수 있지만, 전극조립체의 제조형태에 따라 일부에서는 공정성이 저하되고, 외관 불량이 증가하는 문제도 발생하였다.
특히, 라미네이션/스택형의 전극조립체에서는 단위셀을 제조 시 무기물 코팅부와 전극이 접촉하는 부위에 접착력이 약해 적층된 구조를 유지하기 어려운 문제가 있다.
또한, 단위셀들을 적층하여 전극조립체를 제조 시에도 전극조립체의 형태를 유지하기 위하여, 단위셀들을 적층시킨 후 적층된 구조의 외면에 고정부재로 테이프 등을 부착하는 방법을 사용하였다.
다만, 외면에 부착된 테이프로 인해 분리막과 테이프가 접촉하는 부분에서 분리막이 불규칙적으로 절곡되어 외관 불량을 유발하거나, 심한 경우 단락을 유발하는 문제, 전극조립체를 전해액 등에 함침 시 테이프가 탈착되어 전극조립체의 적층 구조가 변형되는 문제가 발생하였다.
따라서, 안전 분리막을 사용하더라도, 외관 불량을 유발하지 않고, 공정성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 다공성 기재의 표면에서, 전극과 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부가 형성되어 있고, 전극과 접촉하지 않는 무기물 코팅부의 양측 부위에는 점착부가 형성되어 있는 분리막을 포함하는 경우, 외관불량이 현저히 감소하고, 공정성이 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 단위셀은, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀로서, 상기 분리막은 전극보다 상대적으로 큰 크기를 가지는 다공성 기재를 포함하며, 상기 다공성 기재의 표면에서, 전극과 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부가 형성되어 있고, 전극과 접촉하지 않는 무기물 코팅부의 양측 부위에는 점착부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 전극은 양극과 음극을 통칭하며, 양극과 음극이 접촉하게 되면 단락이 발생하므로, 분리막은 전극보다 상대적으로 큰 크기를 가져 단락을 방지하는 역할을 한다.
기타 이유로 상기 단위셀에 열이 발생하더라도, 전극과 접촉하는 부위에 무기물 코팅부가 형성되어 있는 분리막을 포함하는 바, 무기물 코팅부가 분리막의 수축을 완화하여 열폭주 현상 등을 방지할 수 있다.
한편, 상기 전극과 분리막은 접합되어 있지만 분리막이 전극과 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부가 형성되어 있어, 접합에 의한 접합력이 단위셀의 적층 구조를 유지하는데 충분하지 않을 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 단위셀은 전극과 접촉하지 않는 분리막의 부위에 점착부가 형성되어 있고, 적층 방향으로 인접한 점착부들 사이의 접착에 의해 단위셀의 구조를 더욱 견고하게 유지할 수 있다.
한편, 상기 무기물 코팅부의 외측 전체에 점착부를 형성하는 구성도 고려할 수 있으나, 이 경우, 단위셀의 구조를 유지하기 위한 접착력은 확보할 수 있지만, 단위셀을 이용하여 제조된 전극조립체에 전해액을 함침 시 전해액이 점착부를 통과하기 어려워, 함침 공정에 지나치게 많은 시간이 소요되는 문제가 발생할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀은 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다.
상기 단위셀은 양극과 음극이 대면하는 구조로 둘 이상의 전극들을 포함할 수 있으며, 이 경우 양극과 음극 사이에 분리막이 개재될 수 있다.
상세하게는, 상기 단위셀은, 하나의 전극 또는 홀수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 양측 최외곽 면에 각각 분리막이 접합되어 있는 제 1 형 단위셀; 또는 짝수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 일측 최외곽 면에 분리막이 접합되어 있는 제 2 형 단위셀;일 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 제 1 형 단위셀은 하나의 음극을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 제 2 형 단위셀은 하나의 양극과 하나의 음극을 포함하고 양극과 대면하지 않은 음극의 외면에 분리막이 접합되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 2 형 단위셀들을 동일한 방향으로 순차적으로 적층하고, 최외곽에 제 1 형 단위셀을 위치시키면 전체적으로 최외곽에 분리막이 위치하고, 그 내부에는 음극과 양극 사이에 분리막이 개재된 구조가 반복되는 라미네이션/스택형의 전극조립체를 제조할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 다공성 기재의 양쪽 표면에는 각각 무기물 코팅부 및 점착부가 형성되어 있고, 상기 무기물 코팅부에 접촉하도록 전극이 적층될 수 있다.
한편, 상기 무기물 코팅부는 무기물 입자 및 제 1 바인더를 포함할 수 있고, 상세하게는, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자, 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 압전성(piezoelectricity) 무기물 입자는 상압에서는 부도체이나, 일정 압력이 인가되었을 경우 내부 구조 변화에 의해 전기가 통하는 물성을 갖는 물질을 의미하는 것으로서, 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을나타낼 뿐만 아니라 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 한 면은 양으로, 반대편은 음으로 각각 대전됨으로써, 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 기능을 갖는 물질이다.
상기와 같은 특징을 갖는 무기물 입자를 사용하는 경우, 침상 도체와 같은 외부 충격에 의해 양(兩) 전극의 내부 단락이 발생하는 경우 무기물 입자로 인해 양극과 음극이 직접 접촉하지 않을 뿐만 아니라, 무기물 입자의 압전성으로 인해 입자 내 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 양(兩) 전극 간의 전자 이동, 즉 미세한 전류의 흐름이 이루어짐으로써, 완만한 전지의 전압 감소 및 이로 인한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전성을 갖는 무기물 입자의 예로는 BaTiO3, PZT (Pb(Zr,Ti)O3), PLZT (Pb1-xLaxZr1-yTiyO3, 0<x<1, 0<y<1), PMN-PT (PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3), 산화하프늄 (HfO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트 (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마니움티오포스페이트 (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드 (LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2 (LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0<x<3, 0<y< 3, 0<z<7) 계열 glass로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 무기물 코팅부의 무기물 입자 및 바인더 고분자의 조성비는 크게 제약은 없으나, 10:90 내지 99:1 중량% 비율 범위 내에서 조절 가능하며, 80:20 내지 99:1 중량% 비율 범위가 바람직하다.
10:90 중량% 비율 미만인 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성된 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기되며, 반대로 99:1 중량% 비율을 초과하는 경우, 바인더 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 무기물 코팅부는 전술한 무기물 입자 및 고분자 이외에, 통상적으로 알려진 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 무기물 코팅부는 무기물 입자 및 바인더 이외에 증점제를 더 포함할 수 있으며, 상기 증점제는, 화학적 변화를 유발하지 않으면서, 무기물 합제 슬러리의 점도를 높여줄 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지는 아니하나, 예를 들어, 아크릴계 폴리머와 셀룰로우즈계 폴리머를 사용할 수 있으며, 아크릴계 폴리머에는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone, PVP) 또는 폴리비닐알콜(Polybinylalcohol, PVA) 등이 있고, 셀룰로우즈계 폴리머에는 히드록시 에틸 셀룰로우즈(Hydroxy ethyl cellulose, HEC), 히드록시 프로필 셀룰로우즈(hydroxy propyl cellulose, HPC), 에틸히드록시 에틸 셀룰로오즈(ethylhydroxy ethyl cellulose, EHEC), 메틸 셀룰로우즈(methyl cellulose, MC), 카르복시메틸 셀룰로우즈(carboxymethyl cellulose, CMC), 히드록시 알킬 메틸 셀룰로우즈(hydroxyalkyl methyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택 된 하나 이상일 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 점착부는 제 2 바인더를 포함할 수 있다.
상기 제 1 바인더 및 제 2 바인더는 서로 동일하거나 상이할 수 있고, 필요한 점착 특성을 얻기 위하여, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 -헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타클릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크리로니트릴-스티렌부타디엔공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 스티렌-부타디엔 계열 고무(styrene butadiene rubber: SBR), 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에피클로로하이드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 에폭시수지, 폴리비닐알콜, 및 히드록시프로필셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 점착부는 제 2 바인더 외에 절연성 입자를 더 포함하여, 양극과 음극 사이에 단락을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 절연성 입자는, 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서, 점착부의 절연성을 향상시킬 수 있으면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 기능기화된 폴리에틸렌, 말레산 무수물 기능기화된 엘라스토머, 에틸렌 공중합체(예컨대, 엑손모빌(ExxonMobil)의 EXXELOR VA1801 및 VA1803), 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체, 에틸렌 메틸 아크릴레이트, 에틸렌 에틸 아크릴레이트 및 에틸렌 부틸 아크릴레이트 공중합체와 같은 에틸렌 아크릴레이트 공중합체, 글리시딜 메타크릴레이트 변형 폴리에틸렌을 포함하는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 말레산무수물 기능기화된 폴리프로필렌(maleic anhydride functionalized polypropylene), 글리시딜 메타크릴레이트 변형된 폴리프로필렌(glycidyl methacrylate modified polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 아세틸, 아크릴 수지, 교대배열 폴리스티렌(syndiotactic polystyrene: sPS), PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T을 포함하나, 이에 제한되지 않는 폴리아미드, 폴리 테트라 플루오로에틸렌(poly-tetra-fluoroethylene: PTFE), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 글리시딜 메타크릴레이트 변형 폴리에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리이소부틸렌, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리메틸 아크릴레이트, 폴리 아크릴로니트릴, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌-테레프탈레이트(PET), 폴리8-아미노카프릴산, 폴리비닐 알코올(PVA), 및 폴리카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 점착부의 폭은 분리막의 폭을 기준으로 1% 내지 20%이고, 상세하게는 2% 내지 10%, 더욱 상세하게는 5% 내지 10% 일 수 있다.
상기 점착부의 폭이 1% 미만인 경우에는 적층방향으로 인접한 점착부들 사이의 접착력이 단위셀의 적층 구조를 유지하기 충분하지 않고, 전극과 접촉하지 않는 분리막의 폭이 상대적으로 작아 양극과 음극이 직접 접촉하여 단락을 유발할 수 있다.
상기 점착부의 폭이 20% 초과인 경우에는 분리막이 차지하는 부피가 상대적으로 증가하여, 단위셀의 에너지 밀도가 감소할 수 있고, 점착부의 형상 변화를 제어하기 어려워 외관 불량을 유발할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 단위셀을 둘 이상 포함하는 전극조립체를 제공한다.
상기 전극조립체는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되도록 단위셀들이 적층되어 있고, 적층 방향으로 인접한 점착부들은 서로 접착되어 있는 구조일 수 있다.
적층 방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있으므로, 별도의 고정부재 없이도 단위셀들이 적층된 전극조립체의 적층 구조를 유지할 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 점착부의 점착력을 조절하여, 전극조립체의 적층 구조를 더욱 견고하게 하거나, 전해액의 함침성을 향상시킬 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 점착부들 사이의 접착력은 5 내지 60 gf/cm, 상세하게는 15 내지 40 gf/cm, 더욱 상세하게는 15 내지 30 gf/cm일 수 있다.
상기 점착부들 사이의 접착력이 5 gf/cm 미만인 경우에는, 전극조립체의 적층 구조를 유지하기 어렵고, 작은 외력에 의해서도, 단위셀들이 정위치에서 이탈하는 문제가 발생할 수 있다.
반면에, 상기 점착부들 사이의 접착력이 60 gf/cm 초과인 경우에는, 점착부들 사이의 접착력이 너무 강해서, 점착부들이 위치한 부분으로 전해액이 투과하기 어렵고, 전극조립체에 전해액을 함침 시 지나치게 많은 시간이 소요되는 문제가 발생할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체의 최외곽에 위치하는 분리막에서 전극에 대면하는 다공성 기재의 표면에만 점착부가 형성될 수 있다. 상기 최외곽에 위치하는 분리막의 외측 표면에 점착부가 형성되어 있으면, 이차전지 제조 공정에서 전극조립체의 표면이 다른 물체에 부착될 수 있어 조립공정에서의 취급이 용이하지 않은 문제가 발생할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는, 하나의 전극 또는 홀수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 양측 최외곽 면에 각각 분리막이 접합되어 있는 1개의 제 1 형 단위셀과, 짝수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 일측 최외곽 면에 분리막이 접합되어 있는 2개 이상의 제 2 형 단위셀들을 포함하고 있으며; 최하단에 분리막이 위치한 상태로 제 2 형 단위셀들이 순차적으로 적층된 상태에서 최상단에 제 1 단위셀이 적층되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀을 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 파우치형 케이스는 내후성 고분자로 이루어진 외부 피복층, 열융착성 고분자로 이루어진 내부 실란트층, 및 상기 외부 피복층과 내부 실란트 층의 사이에 개재되는 베리어층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다.
상세하게는, 상기 베리어층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지, 리튬 이온 전지, 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
이하, 상기 리튬 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 300 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 음극 집전체의 두께는 3 내지 300 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; 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) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 다공성 기재는, 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열 분리필름 일 수 있고, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 시트일 수 있다.
상기 다공성 기재의 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우에는 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 포함하는 전지팩, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단위셀은, 다공성 기재의 표면에서, 전극과 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부가 형성되어 있고, 전극과 접촉하지 않는 무기물 코팅부의 양측 부위에는 점착부가 형성되어 있는 분리막을 포함하여, 단위셀의 구조적 안전성을 향상시키고, 단위셀 또는 전극조립체의 외관 불량을 유발하지 않으며, 제조 공정의 효율을 향상시킬 수 있고, 별도의 고정부재 없이도 라미네이션/스택형 전극조립체를 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 라미네이션/스택형 전극조립체를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체의 수직단면도이다;
도 3 및 도 4는 도 1의 전극조립체에 포함되어 있는 단위셀들을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 6은 도 5의 단위셀의 수직단면도이다;
도 7은 도 6의 단위셀의 적층방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 수직단면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제 1 형 단위셀을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 9는 도 8의 단위셀의 적층방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 수직단면도이다;
도 10은 도 6 및 도 8의 단위셀들을 포함하는 전극조립체를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 11은 도 10의 전극조립체의 적층방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 수직단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 일반적인 라미네이션/스택형 전극조립체의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전극조립체의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 전극조립체(100)은 3개의 단위셀들(110, 130, 150) 및 고정부재(190)을 포함하고 있고, 단위셀들(110, 130, 150)은 하단으로부터 제 3 단위셀(150), 제 2 단위셀(130), 및 제 1 단위셀(110) 순서로 적층되어 있으며, 각각의 단위셀들(110, 130, 150)은 판상형이며, 상대적으로 넓은면이 대면하도록 적층되어 있다. 전극조립체(100)의 일측과 대향측에는 전극탭(180)이 각각 돌출되어 있다.
한편, 적층되어 있는 단위셀들(110, 130, 150)의 적층 구조를 견고하게 하기 위하여, 전극조립체의 양측에는 6개의 고정부재들(190)이 일측에 3개씩 대칭적으로 부착되어 있다.
고정부재들(190)은 전극조립체(100)의 상면 일부에 부착되어 측면을 따라 하측으로 절곡되어 있고, 하면의 일부에 부착되어 적층되어 있는 단위셀들(110, 130, 150)의 일측을 감싸는 형태로 부착되어 있다.
도 3 및 도 4에는 도 1의 전극조립체에 포함되어 있는 단위셀들의 수직단면도가 각각 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 단위셀(110)은 하나의 전극(111)을 포함하는 제 1 형 단위셀로서, 음극(111)의 상면과 하면에 각각 분리막(115, 116)이 접합되어 있다.
분리막(115)는 다공성 기재(118)의 양면에 각각 무기물 코팅부(117, 119)가 형성되어 있고, 분리막(116) 또한 분리막(115)와 유사한 구조를 이루고 있다.
도 4를 참조하면, 단위셀(130)은 두 개의 전극들(131, 132)을 포함하는 제 2 형 단위셀로서, 하단으로부터 분리막(135), 음극(131), 분리막(136), 및 양극(132)의 순서대로 적층되어 접합되어 있다.
분리막(135)는 다공성 기재(138)의 양면에 각각 무기물 코팅부(137, 139)가 형성되어 있고, 분리막(136) 또한 분리막(135)와 유사한 구조를 이루고 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 전극조립체(100)은 고정부재(190)에 의해 적층 구조를 유지하고 있지만, 분리막들(115, 116, 135, 136)과 고정부재(190)이 접촉하는 부분에서 분리막들(115, 116, 135, 136)이 불규칙적으로 절곡되어 외관 불량을 유발하거나, 심한 경우 단락을 유발할 수 있고, 전극조립체(100)를 전해액 등에 함침 시 고정부재(190)가 탈착되어 전극조립체(100)의 적층 구조가 변형되는 문제가 발생할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 단위셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 단위셀(230)은 전극들(231, 232)과 분리막들(235, 236)이 교대로 적층되어 접합되어 있고, 하단으로부터 분리막(235), 음극(231), 분리막(236), 및 양극(232)가 순서대로 적층되어 있다.
단위셀(230)은 하나의 양극(232)과 하나의 음극(231)을 포함하는, 제 2 형 단위셀로서, 양극(232)과 대면하지 않은 음극(231)의 하면에 분리막(235)이 접합되어 있다.
분리막(235)은 다공성 기재(238)의 표면에 무기물 코팅부(237, 239) 및 점착부(240, 241)이 형성되어 있으며, 분리막(236) 또한 이와 유사한 구조를 이루고 있다.
분리막(235)에서 다공성 기재(238)의 양쪽 표면에는 각각 무기물 코팅부(237, 239) 및 점착부(240, 241)가 형성되어 있고, 분리막(235)의 하면에는 전극이 위치하고 있지 않지만, 단위셀(230)을 이용하여 전극조립체를 제조하는 경우 다른 단위셀의 양극이 무기물 코팅부(237)과 접촉하도록 적층된다.
분리막(236)은 전극(231, 232)보다 상대적으로 큰 크기를 가지며, 분리막(236)의 상측 표면에서, 전극(232)와 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부(245)가 형성되어 있고, 전극(232)과 접촉하지 않는 무기물 코팅부(245)의 양측 부위에는 점착부(246, 247)가 형성되어 있다. 분리막(236)의 하측 표면에도 상측 표면과 유사하게 무기물 코팅부와 점착부(242, 243)이 형성되어 있다.
분리막(235)의 상측 및 하측 표면에도 분리막(236)과 유사하게 무기물 코팅부(237, 239) 및 점착부(240, 241)가 형성되어 있다. 이 때, 적층 방향을 기준으로 분리막(235)의 점착부(240)과 분리막(236)의 점착부(242)가 인접해 있고, 점착부(241)과 점착부(243) 또한 적층 방향을 기준으로 서로 인접해 있다.
전극들(231, 232)와 분리막들(235, 236)이 서로 교대로 적층되어 접합되어 있는 상태에서 화살표 방향으로 분리막(235, 236)에 압력을 가하면, 적층 방향을 기준으로 서로 인접한 점착부(240)과 점착부(242)는 서로 접착되고, 전극들(231, 232)과 분리막들(235, 236)의 접합력 외에 추가적으로 접착력을 제공하여, 단위셀(230)의 적층 구조를 더욱 견고하게 유지할 수 있다.
도 7에는 도 6의 단위셀의 적층방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6에서 화살표 방향으로 상하에서 분리막(235, 236)에 압력을 가하여 적층 방향을 기준으로 서로 인접한 점착부(240)과 점착부(242)를 접착시켰고, 점착부(240)과 점착부(242)는 양극(231)을 사이에 두고 서로 접착되어 있어, 단위셀(230)의 적층 구조를 더욱 견고하게 유지하고 있다. 또한, 점착부들(240, 242)의 대향측에 위치한 점착부들(241, 246)도 이와 유사한 구조로 접착되어 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제 1 형 단위셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 단위셀(210)은 하나의 전극(211)과 두 개의 분리막(215, 216)을 포함하고 있는 제 1 형 단위셀로서, 단위셀(210)의 중앙에 음극(211)이 위치하고 양측 면에 각각 분리막(215, 216)이 접합되어 있다.
분리막(215)는 다공성 기재(218)의 양쪽 표면에 무기물 코팅부(217, 219) 및 점착부(220, 221)이 형성되어 있는 구조인 반면, 분리막(216)은 음극(211)과 접촉하는 표면에만 무기물 코팅부 및 점착부(222)가 형성되어 있고, 그 대향면에는 점착부가 형성되어 있지 않으며 무기물 코팅부(225)만이 형성되어 있다.
단위셀(210)의 분리막(216)은 전극조립체 제조 시 최외곽에 위치하도록 적층된다.
한편, 분리막(215)에서 다공성 기재(218)의 표면에 형성된 점착부(220)의 폭(W1)은 분리막(215)의 폭(W2)을 기준으로 약 10%이다.
도 9에는 도 8의 단위셀의 적층방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8및 도 9를 참조하면, 도 8에서 화살표 방향으로 상하에서 분리막(215, 216)에 압력을 가하여 적층 방향을 기준으로 서로 인접한 점착부(220)과 점착부(222)를 접착시켰고, 점착부(220)과 점착부(222)는 양극(211)을 사이에 두고 서로 접착되어 있어, 단위셀(210)의 적층 구조를 더욱 견고하게 유지하고 있다.
도 10에는 도 7 및 도 9의 단위셀들을 포함하는 전극조립체의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7, 도 9, 및 도 10을 참조하면, 전극조립체(200)는 3개의 단위셀들(210, 230, 250)을 포함하고 있고, 단위셀들(210, 230, 250)은 동일한 단위셀 내에서 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 상태로, 하단으로부터 제 3 단위셀(250), 제 2 단위셀(230), 및 제 1 단위셀(210)의 순서로 적층되어 있다.
전극조립체(200)은 양극(232, 252)과 음극(211, 231, 251) 사이에 분리막(215, 216, 235, 236, 255, 256)이 개재되도록 단위셀들(210, 230, 250)이 적층되어 있다.
제 2 단위셀(230)의 점착부(240)과 점착부(242)는 적층방향을 기준으로 음극(231)을 사이에 두고 서로 인접하고 있고, 서로 다른 단위셀인 제 1 단위셀(210)의 점착부(223)과 제 2 단위셀(230)의 점착부(247) 또한 양극(232)를 사이에 두고 인접하고 있다.
전극조립체(200)의 최외곽에 위치하는 분리막(216, 255)에서 전극(211, 251)에 대면하는 다공성 기재의 표면에만 점착부가 형성되어 있고, 그 대향면에는 무기물 코팅부(225, 257)만이 형성되어 있어, 전극조립체(200)의 외면에 점착부가 형성되어 있지 않는 바, 제조 공정에서 다른 물체의 표면에 전극조립체(200)가 접착되는 것을 방지 할 수 있고, 이로 인해, 이차전지 제조 공정의 효율성을 향상 시킬 수 있다.
도 11에는 도 10의 전극조립체의 적층방향으로 인접한 점착부들이 서로 접착되어 있는 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 도 10에서 화살표 방향으로 상하에서 분리막들(215, 216, 235, 236, 255, 256)에 압력을 가하여 적층 방향을 기준으로 서로 인접한 점착부들을 모두 접착시켰다.
제 1 단위셀(210)의 분리막(215)의 하면에 형성되어 있는 점착부(223)과 제 2 단위셀(230)의 분리막(236)의 상면에 형성되어 있는 점착부(247)는 서로 다른 단위셀이지만, 전극조립체(200) 내에서는 적층방향을 기준으로 서로 인접하게 위치하고 있고, 서로 접착되어 있다.
따라서, 전극조립체(200)은 별도의 고정 부재 없이도, 단위셀들(210, 230, 250) 사이에 접착력을 제공하여, 전극조립체(200)의 적층 구조를 유지할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀을 둘 이상 포함하는 전극조립체로서,
    상기 분리막은 전극보다 상대적으로 큰 크기를 가지는 다공성 기재를 포함하며,
    상기 다공성 기재의 표면에서, 전극과 접촉하는 부위에는 무기물 코팅부가 형성되어 있고, 전극과 접촉하지 않는 무기물 코팅부의 양측 부위에는 점착부가 형성되어 있으며,
    양극과 음극 사이에 분리막이 개재되도록 단위셀들이 적층되어 있으며, 적층 방향으로 인접한 점착부들은 서로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체에 있어서
    상기 무기물 코팅부는 무기물 입자 및 제 1 바인더를 포함하고,
    상기 단위셀은 하나의 전극 또는 홀수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 양측 최외곽 면에 각각 분리막이 접합되어 있는 제 1 형 단위셀; 또는 짝수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 일측 최외곽 면에 분리막이 접합되어 있는 제 2 형 단위셀;
    인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 형 단위셀은 하나의 음극을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 제 2 형 단위셀은 하나의 양극과 하나의 음극을 포함하고 양극과 대면하지 않은 음극의 외면에 분리막이 접합되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 기재의 양쪽 표면에는 각각 무기물 코팅부 및 점착부가 형성되어 있고, 상기 무기물 코팅부에 접촉하도록 전극이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자, 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 점착부는 제 2 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 점착부는 절연성 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 절연성 입자는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 기능기화된 폴리에틸렌, 말레산 무수물 기능기화된 엘라스토머, 에틸렌 공중합체, 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체, 에틸렌 메틸 아크릴레이트, 에틸렌 에틸 아크릴레이트 및 에틸렌 부틸 아크릴레이트 공중합체와 같은 에틸렌 아크릴레이트 공중합체, 글리시딜 메타크릴레이트 변형 폴리에틸렌을 포함하는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 말레산무수물 기능기화된 폴리프로필렌(maleic anhydride functionalized polypropylene), 글리시딜 메타크릴레이트 변형된 폴리프로필렌(glycidyl methacrylate modified polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 아세틸, 아크릴 수지, 교대배열 폴리스티렌(syndiotactic polystyrene: sPS), PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T, 폴리아미드, 폴리 테트라 플루오로에틸렌(poly-tetra-fluoroethylene: PTFE), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 글리시딜 메타크릴레이트 변형 폴리에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리이소부틸렌, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리메틸 아크릴레이트, 폴리 아크릴로니트릴, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌-테레프탈레이트(PET), 폴리8-아미노카프릴산, 폴리비닐 알코올(PVA), 및 폴리카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 점착부의 폭은 분리막의 폭을 기준으로 1% 내지 20%이고, 상세하게는 2% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 바인더 및 제 2 바인더는 서로 동일하거나 상이하며, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 -헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타클릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크리로니트릴-스티렌부타디엔공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 스티렌-부타디엔 계열 고무(styrene butadiene rubber: SBR), 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에피클로로하이드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 에폭시수지, 폴리비닐알콜, 및 히드록시프로필셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 점착부들 사이의 접착력은 5 내지 60 gf/cm, 상세하게는 15 내지 40 gf/cm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 최외곽에 위치하는 분리막에서 전극에 대면하는 다공성 기재의 표면에만 점착부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    하나의 전극 또는 홀수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 양측 최외곽 면에 각각 분리막이 접합되어 있는 1개의 제 1 형 단위셀과,
    짝수개의 전극들을 포함하고 있고 단위셀의 일측 최외곽 면에 분리막이 접합되어 있는 2개 이상의 제 2 형 단위셀들을 포함하고 있으며;
    최하단에 분리막이 위치한 상태로 제 2 형 단위셀들이 순차적으로 적층된 상태에서 최상단에 제 1 단위셀이 적층되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지, 리튬 이온 전지, 또는 리튬 이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 18 항에 따른 전지셀을 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 20 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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