KR102261649B1 - 단위셀의 위치에 따라 기공률이 상이한 전극을 포함하는 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 단위셀들이 적층된 구조의 전극조립체로서, 단위셀 적층 구조에서 외측 부위에 위치한 단위셀들은, 내측 부위에 위치한 단위셀들과 비교할 때, 극판에 코팅된 전극 합체층의 기공률이 상대적으로 낮은 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.

Description

단위셀의 위치에 따라 기공률이 상이한 전극을 포함하는 전극조립체 {Electrode Assembly Comprising Electrode Having Different Porosity Depending on Position of Unit-cell}
본 발명은 단위셀의 위치에 따라 기공률이 상이한 전극을 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 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.
또한, 이차전지는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체가 어떤 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀인 바이셀(bicell) 또는 풀셀(full cell)들을 분리필름상에 배치한 후, 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체, 또는 바이셀(bicell) 또는 풀셀(full cell)들을 분리막을 개재한 상태로 스택한 구조의 라미네이션-스택형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 제조 공정이 간편하고, 제조 단가가 낮을 뿐만 아니라, 디바이스의 다양한 형태에 대응하여, 구조적 응용성이 높은 바이셀 또는 풀셀을 포함하는 전극조립체를 포함하는 이차전지가 주목 받고 있다.
그러나, 상기 스택형(적층형) 전극조립체, 스택-폴딩형 전극조립체, 또는 라미네이션-스택형 전극조립체의 내측에 위치하는 단위셀의 경우, 보다 외측에 위치하는 단위셀들 및 각 단위셀을 이루는 전극판과 분리막으로 인하여, 상대적으로 전해액에 함침되기 어려운 것이 사실이고, 상기 단위셀들을 모두 함침시키는데 제조시간이 오래 소요되는 문제점이 있다.
또한, 전극조립체의 내부에 위치하는 단위셀이 전해액에 적절히 함침되지 못하면, 전극판의 활물질 표면에 SEI(Solid Electrolyte Interface) 막이 형성되지 않은 영역이 존재하게 되고, 음극판의 경우 상기 영역에서 리튬이 석출되어, 사이클의 감소, 리튬 덴드라이트에 의한 미세 단락(micro-short)의 유발 등 성능 및 안전성에 큰 문제점을 초래하고 있다.
따라서, 전극조립체의 내부에 위치하는 단위셀까지 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극조립체의 내부에 위치한 전극의 전해액 함침성을 향상시켜, 셀 제작 시간을 단축할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
복수의 단위셀들이 적층된 구조의 전극조립체로서, 단위셀 적층 구조에서 외측 부위에 위치한 단위셀들은, 내측 부위에 위치한 단위셀들과 비교할 때, 극판에 코팅된 전극 합체층의 기공률이 상대적으로 낮은 것을 특징으로 한다.
전지의 고용량화에 대한 수요가 늘어나면서, 전극조립체를 구성하는 단위셀의 개수가 증가하게 되었으나, 상기 전극조립체를 전지케이스 내에 포장 후 전해액을 주입할 때, 전해액의 높은 점도로 인해 함침속도가 느리고, 전해액이 전극조립체의 내측에 위치하는 단위셀까지 도달하기 어려운 단점이 있었다.
특히, 전해액이 상기 내측 단위셀까지 도달하지 못하는 경우, 상기 단위셀을 이루는 전극판에 미반응 활물질 영역이 형성되어, 리튬 덴드라이트가 발생하는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 전극조립체는, 내측 부위에 위치한 단위셀들의 전극 기공률을 외측 부위에 위치한 단위셀보다 높여, 내측 부위에 위치한 전극의 전해액 함침성을 전반적으로 향상시킬 수 있고, 이로 인한 리튬 덴드라이트의 발생을 감소시켜 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
상기 전극조립체는 단위셀을 적층하는 구조라면 어느 구조에나 적용 가능하나, 그 중의 한 예로 스택형 구조, 스택-폴딩형 구조, 또는 라미네이션-스택형 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단위셀들은 바이셀, 또는 풀셀, 또는 바이셀 및 풀셀의 조합으로 이루어질 수 있고, 상기 바이셀은 양극, 음극 및 양극이 분리막을 사이에 두고 차례로 적층된 A형 바이셀, 또는 음극, 양극 및 음극이 분리막을 사이에 두고 차례로 적층된 C형 바이셀 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
이를 달성하기 위한 구체적인 전극조립체의 구조와 그 효과에 대해 하기 상술하는 비 제한적인 예들을 통해 구체적으로 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체를 구성하는 전체 단위셀들의 개수는 n개(4≤n≤50)이고;
상기 외측 부위에 위치한 단위셀들은, 최외측 단위셀들이거나, 또는 최외측 단위셀과 상기 최외측 단위셀들에 인접한 단위셀들의 조합으로서, 전체 단위셀들의 개수의 10% 내지 60%의 범위이며;
상기 내측 부위에 위치한 단위셀들은 전체 단위셀들에서 외측 부위에 위치한 단위셀들을 제외한 나머지 단위셀들일 수 있다.
만약, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀들의 개수가 전체 단위셀들의 개수 대비 10% 미만인 경우, 기공률이 높은 전극 합제층이 전극조립체의 대부분을 차지하게 된다. 이 때, 전극조립체의 에너지량을 기존과 동일하게 유지하기 위해서는 전극 합제의 함량을 기존보다 더욱 투입하게 되므로, 전극조립체의 면적 또는 두께가 커져, 전지의 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
상기 외측 부위에 위치한 단위셀들의 개수가 전체 단위셀들의 개수 대비 60%를 초과하는 경우, 기공률이 낮은 단위셀이 전극조립체의 60%를 초과한다는 뜻이므로, 전극조립체의 외측 부위 내에 존재하는 단위셀들의 전해액 함침성이 부족해 질 수 있다.
또한, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀들의 평균 기공률과 내측 부위에 위치한 단위셀들의 평균 기공률의 차이는 0.1% 내지 20%의 범위이고, 상세하게는 1% 내지 10%의 범위일 수 있다. 평균 기공률의 차이가 0.1% 미만인 경우, 내측 부위와 외측 부위의 기공률 차이가 크지 않아, 내측 부위 전지셀의 전해액 함침성에 영향을 끼치기 어려우며, 20%를 초과하는 경우 내측 부위에 위치한 단위셀들이 포함하는 전극 합제의 양이 부족해지므로, 전지의 에너지 밀도 및 출력 특성이 저하될 수 있다.
상기 외측 부위에 위치한 단위셀들을 최외측 단위셀과 상기 최외측 단위셀에 순차적으로 인접한 k개(0≤k≤13, 단, k는 n보다 작고 상기 10% 내지 60%의 조건을 만족하는 범위임)의 단위셀들로 정의할 때, 경우에 따라서는, 상기 최외측 단위셀로부터 k번째의 단위셀까지 기공률이 모두 동일할 수 있다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀들을 최외측 단위셀과 상기 최외측 단위셀에 순차적으로 인접한 k개(0≤k≤13, 단, k는 n보다 작고 상기 10% 내지 60%의 조건을 만족하는 범위임)의 단위셀들로 정의할 때, 상기 최외측 단위셀로부터 k번째의 단위셀까지 기공률이 순차적으로 증가할 수 있다.
상기 외측 부위의 위치에 존재하는 것으로 분류되는 단위셀들도, 전극조립체의 중심과 가까이 적층될수록 전해액의 함침성이 저하될 수 있는 바, 최외측 단위셀로부터 k번째의 단위셀까지의 기공률을 순차적으로 증가시키면서 전극조립체의 함침성을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 전극조립체에서 최외측 단위셀로부터 k번째에 위치하는 단위셀은, 단위셀이 홀수로 적층된 경우 중심에 위치하는 단위셀을 제외하면, 전극조립체의 구조에 상관없이 모두 2개씩 존재하고, 상기 2개의 단위셀들끼리는 기공률이 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있으나, 상기 2개의 단위셀들 각각이 인접한 k+1번째 단위셀보다 기공률이 낮게 설정된다면 제조에 문제가 없다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 내측 부위에 위치한 단위셀들의 전해액 함침성을 균일하게 향상시키기 위해, 내측 부위의 단위셀은 모두 동일한 기공률을 가지도록 할 수 있다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 내측 부위에 위치한 단위셀들에서, 중심에 위치한 단위셀의 기공률이 가장 높고, 상기 중심에 위치한 단위셀로부터의 거리에 대응하여 단위셀의 기공률이 순차적으로 작아질 수 있다.
전해액은 일반적으로 전지의 원활한 밀봉을 위해 전지케이스의 말단에서 투입되고, 최외측 단위셀 및 상기 최외측 단위셀과 가까운 순서대로 함침되는 경우가 많으므로, 전극조립체의 중심에 위치하는 단위셀은 전극조립체의 최외측 단위셀과 제일 멀리 떨어져 있어, 전해액에 함침되지 못하는 영역이 더욱 넓게 형성되거나, 전해액에 함침되는 시간이 더욱 늘어날 수 있다. 즉, 각 단위셀들은 제일 가까운 최외측 단위셀들과의 거리가 늘어날수록 전해액에 함침되기 용이하지 않기 때문에, 상기와 같이 중심에 위치한 단위셀과 가까울수록 단위셀의 기공률을 크게 조정하여, 상기 전극조립체의 전해액 함침성을 더욱 증대시킬 수 있다.
상기 기공률은 극판에 전극 합체를 코팅한 후 압연할 때, 압연율에 의해 조절될 수 있으며, 이 경우, 각 단위셀의 극판들에 동일한 양의 전극 합제를 사용한 후 두께를 조절하여 기공률을 설정하므로, 각 단위셀 및/또는 전극 별로 기공률의 설계가 가능하여, 전극조립체에 포함되는 단위셀의 품질을 균일하게 생산할 수 있다.
본 발명은 또한, 전극조립체가 비수 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지를 제공하는 바, 상기 이차전지는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 앞선 전극조립체의 구성들인 양극, 음극, 분리막과 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있는 전지를 칭한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 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, LiFe3O4, 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 혼합물 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.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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.
상기 음극 활물질로는, 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.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 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 카보네이트 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 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 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 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 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 이산화탄소 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 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 내측 부위에 위치한 단위셀들의 전극 기공률을 외측 부위에 위치한 단위셀보다 높여, 내측 부위에 위치한 전극의 전해액 함침성을 향상시킬 수 있고, 이로 인한 리튬 덴드라이트를 감소시켜 전지의 안전성 및 사이클 특성을 함께 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 스택-폴딩형 전극조립체의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다.
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 1은 종래의 스택-폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(100)는 음극-분리막-양극-분리막-음극 구조의 단위셀들과 양극-분리막-음극-분리막-양극 구조의 단위셀들의 조합으로 이루어져 있고, 전극조립체의 각 단위셀들의 사이에 개재되어 있는 분리필름(150)은, 전극 단자가 형성되어 있지 않은 단위셀들(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117)의 각각의 측면을 감싸고 있으며, 상기 단위셀들을 이루는 전극은 모두 동일한 기공률을 가지고 있다. 한편, 도면의 간소화를 위해 상기 단위셀의 직접적인 구조는 도시하지 않았다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(200)는 외측 부위(210, 220)에 위치한 단위셀들(211, 212, 221, 222)과 내측 부위(220)에 위치한 단위셀들(231, 232, 233) 및 분리필름(250)으로 구성되어 있고, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀은, 최외측 단위셀(211, 221)과 상기 최외측 단위셀들에 인접한 단위셀들(212, 222)의 조합으로 이루어지며, 극판에 코팅된 전극 합제층이 내측 부위에 위치한 단위셀들(231, 232, 233) 보다 상대적으로 낮은 기공률을 가진다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전극조립체(300)는 외측 부위(310)에 위치한 단위셀들(311, 312, 313, 314)과 내측 부위(330)에 위치한 단위셀들(331, 332, 333) 및 분리필름(350)으로 구성되어 있고, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀은, 모두 기공률이 동일하고, 내측 부위에 위치한 단위셀들(331, 332, 333)보다는 낮은 기공률을 가진다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전극조립체(400)의 외측 부위(410, 420)에 위치한 단위셀들(411, 412, 421, 422)은, 전극조립체의 중심과 가까이 위치할수록 순차적으로 높은 기공률을 가진다. 구체적으로, 단위셀(412)은 단위셀(411)보다 높은 기공률을 가지고, 단위셀(422)은 단위셀(421)보다 높은 기공률을 가진다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전극조립체(500)의 내측 부위(530)에 위치한 단위셀들(531, 532, 533)은 외측 부위(510, 520)에 위치한 단위셀들(511, 512, 521, 522)보다 높은 기공률을 가지고, 상기 내측 부위에 위치한 단위셀들(531, 532, 533)끼리는 동일한 기공률을 가진다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전극조립체(600)의 내측 부위(630)에 위치한 단위셀들(631, 632, 633)은 외측 부위(610)에 위치한 단위셀들(611, 612, 613, 614)보다 높은 기공률을 가지며, 외측 부위에 위치한 단위셀들(611, 612, 613, 614)끼리는 모두 동일한 기공률을 가지고, 상기 내측 부위에 위치한 단위셀들(631, 632, 633)끼리도 각각 기공률이 같다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 전극조립체(700)를 구성하는 전지셀들에서, 중심에 위치한 단위셀(741)의 기공률이 가장 높으며, 상기 단위셀(741)에 제일 가까이 위치한 단위셀들(731, 732)의 기공률이 그 다음으로 높다. 이와 같이, 중심에 위치한 단위셀(741)로부터 멀리 위치할수록 기공률이 낮아지고, 그 결과 전극조립체의 최외각에 위치한 단위셀들(711, 712)의 기공률이 제일 낮다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 복수의 단위셀들이 적층된 구조의 전극조립체로서, 단위셀 적층 구조에서 외측 부위에 위치한 단위셀들은, 내측 부위에 위치한 단위셀들과 비교할 때, 극판에 코팅된 전극 합체층의 기공률이 상대적으로 낮고,
    상기 전극조립체를 구성하는 전체 단위셀들의 개수는 n개(4≤n≤50)이고;
    상기 외측 부위에 위치한 단위셀들은, 최외측 단위셀들이거나, 또는 최외측 단위셀과 상기 최외측 단위셀들에 인접한 단위셀들의 조합으로서, 전체 단위셀들의 개수의 10% 내지 60%의 범위이며;
    상기 내측 부위에 위치한 단위셀들은 전체 단위셀들에서 외측 부위에 위치한 단위셀들을 제외한 나머지 단위셀들이며,
    상기 외측 부위에 위치한 단위셀들을 최외측 단위셀과 상기 최외측 단위셀에
    순차적으로 인접한 k개(0≤k≤13, 단, k는 n보다 작고 상기 10% 내지 60%의 조건을 만족하는 범위임)의 단위셀들로 정의할 때,
    상기 최외측 단위셀로부터 k번째의 단위셀까지 기공률이 순차적으로 증가하고,
    상기 내측 부위에 위치한 단위셀들은 기공률이 모두 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 구조, 스택-폴딩형 구조, 또는 라미네이션-스택형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 바이셀, 또는 풀셀, 또는 바이셀 및 풀셀의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 바이셀은 양극, 음극 및 양극이 분리막을 사이에 두고 차례로 적층된 A형 바이셀, 또는 음극, 양극 및 음극이 분리막을 사이에 두고 차례로 적층된 C형 바이셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀들의 평균 기공률과 내측 부위에 위치한 단위셀들의 평균 기공률의 차이는 0.1% 내지 20%의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 부위에 위치한 단위셀들의 평균 기공률과 내측 부위에 위치한 단위셀들의 평균 기공률의 차이는 1% 내지 10%의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 부위에 위치한 단위셀들을 최외측 단위셀과 상기 최외측 단위셀에 순차적으로 인접한 k개(0≤k≤13, 단, k는 n보다 작고 상기 10% 내지 60%의 조건을 만족하는 범위임)의 단위셀들로 정의할 때,
    상기 최외측 단위셀로부터 k번째의 단위셀까지 기공률이 모두 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 부위에 위치한 단위셀들에서, 중심에 위치한 단위셀의 기공률이 가장 높고, 상기 중심에 위치한 단위셀로부터의 거리에 대응하여 단위셀의 기공률이 순차적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 기공률은 극판에 전극 합체를 코팅한 후 압연할 때 압연율에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 및 제 11 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체가 비수 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 13 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 컴퓨터, 휴대폰, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기 이륜차, 전기 골프 카트, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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