KR20160042798A - 전극조립체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 전극판 및 분리막이 교대로 적층된 전극조립체로서, 상기 전극판으로부터 돌출되어 있는 전극 탭과, 탭-리드 결합부에 의해 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고, 상기 전극 탭은 절곡된 상태인 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

전극조립체 및 이의 제조방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND A METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 전극조립체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공간활용률을 높인 전극조립체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 출원은 2014년 10월 10일에 출원된 한국특허출원 제10-2014-0136773 및 2015년 3월 19일에 출원된 한국특허출원 제10-2015-0038163에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
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 리튬 이차전지는 다른 이차전지에 비해 무게가 가볍고, 에너지 밀도가 높아 수요가 증가하는 추세이다. 소비자의 고에너지 밀도의 배터리에 대한 요구는 꾸준히 증가하고 있지만, 리튬 이차전지의 에너지 밀도는 그러한 소비자의 요구를 충족시키기에는 여전히 충분하지 못한 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 이차전지의 내부 공간을 활용하여 에너지 밀도를 증가시키기 위한 시도가 있었지만, 이차전지의 구조적 한계로 인하여 충분한 효과를 거두지는 못하였다.
특히, 복수의 극판들 및 분리막들이 적층되어 있는 형태의 전지에 있어서, 이러한 극판들로부터 돌출되어 있는 전극 탭들이 차지하는 부피 및 이러한 전극 탭들과 전극 리드를 연결하는 결합부가 차지하는 부피를 절감하기 위한 많은 시도가 있었지만 이 또한 충분한 효과를 거두지 못하였다.
따라서, 복수의 극판들 및 분리막들이 적층되어 있는 형태의 전지에 있어서, 전반적인 구조를 유지하면서도, 에너지 밀도를 향상 시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 절곡부를 가지는 탭과 리드를 연결하여 공간 활용률을 높인 전극조립체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 탭-리드 결합부가, 전극 탭들이 절곡된 상태로, 최외곽 극판들 중의 하나의 최외곽 극판의 외면에 대응하는 부위에 위치하는 경우, 에너지 밀도가 현저하게 향상된 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 하나 이상의 전극판 및 분리막이 교대로 적층된 전극조립체는, 상기 전극판으로부터 돌출되어 있는 전극 탭과, 탭-리드 결합부에 의해 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고, 상기 전극 탭은 절곡된 상태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 전극 탭이 절곡된 상태란 전극판으로부터 돌출된 전극 탭들이 전극조립체의 가운데를 기준으로 상하 비대칭 구조인 상태를 의미한다.
종래 기술에 따른 전극조립체는 전극 탭들과 탭-리드 결합부가 돌출 되어 일정한 부피를 차지함으로써 이차전지의 용량 향상에 기여하지 못하는 공간이 존재하였다.
반면에, 본 발명에 따른 전극조립체는 이차전지의 용량 향상에 기여하지 못하는 전극 탭들과 탭-리드 결합부가 차지하는 공간을 절감하여, 이차전지의 에너지 밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 탭-리드 결합부는, 전극 탭이 절곡된 상태로, 최외각 전극판의 외면에 위치할 수 있다.
또한, 상기 전극 리드는 탭-리드 결합부가 위치한 최외곽 극판의 외면에 평행하게 연장되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 탭-리드 결합부는 전극 탭이 절곡된 상태로, 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 일측에 대향하여 위치할 수 있다.
이때, 상기 탭-리드 결합부는 전극조립체와 접하거나, 이격하여 위치할 수 있다.
또한, 상기 전극 탭들은 양극 탭들 및 음극 탭들로 구성되어 있으며, 양극 탭들 및 음극 탭들의 돌출방향은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 종래의 전극조립체와 전반적으로 유사한 구조를 유지하기 때문에, 기존의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제조할 수 있는 장점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막들은 극판들보다 상대적으로 큰 크기를 가지며; 상기 전극 탭들은, 극판들보다 길게 연장되어 있는 분리막 잉여부들에 의해 극판들의 단부들에 비접촉된 상태에서, 탭-리드 결합부 쪽으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
상세하게는, 상기 전극 탭들이 전극조립체의 외주면에 밀착된 상태로 절곡되도록, 분리막 잉여부들도 전극 탭들과 함께 탭-리드 결합부 쪽으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 분리막들의 구조에 의해 전극 탭들이 특정 방향으로 절곡되더라도 다른 극성을 가지는 극판에 접촉되는 것을 방지하여 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있고, 결국, 이차전지의 안정성을 향상 시킬 수 있다.
또한, 이러한 분리막들의 구조에 의해 전극 탭들을 전극조립체에 더욱 밀착시킬 수 있고, 이차전지의 에너지 밀도를 더욱 향상 시킬 수 있다.
한편, 상기 전극조립체의 최외곽 극판은 탭-리드 결합부와 서로 다른 극성을 가질 수 있으며, 따라서, 이차전지의 안전성 향상을 위해 탭-리드 결합부와 최외곽 극판 사이를 절연시킬 필요가 있고, 하나의 구체적인 예에서, 상기 최외곽 극판의 외면에는 절연성 필름이 위치하고, 상기 탭-리드 결합부는 절연성 필름의 외면 상에 밀착되는 구조일 수 있다.
상기 절연성 필름은 분리막과 동일하거나 상이한 소재일 수 있으며, 서로 동일한 소재인 경우에는 전극조립체의 제조 과정에서 사용된 분리막을 그대로 이용할 수 있어 공정 효율성 측면에서 유리하며, 서로 상이한 소재인 경우에는 전극조립체의 최외곽에 기계적 강성을 더욱 보강하거나, 절연성을 더욱 증가시켜 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 탭-리드 결합부는 고정부재에 의해 정위치 고정되는 구조일 수 있고, 상세하게는, 상기 고정부재는 접착 테이프일 수 있다.
상기 탭-리드 결합부를 전극조립체의 최외곽 극판의 외면에 위치시킨 후 전극조립체를 전지케이스에 삽입하는 과정에서 전극 리드가 정위치에서 이탈하면 이차전지의 외관 불량을 유발할 수 있다. 따라서, 고정부재를 통해 탭-리드 결합부를 고정시키는 경우, 이차전지의 불량률을 저감시킬 수 있다.
또한, 탭-리드 결합부는 용접 등의 방법으로 연결되어 있어, 기타 다른 부위보다 외부 충격에 취약할 수 있는 바, 고정부재 등으로 외면을 감싸서 이러한 결합 구조를 보강할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 탭들은 길이가 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상세하게는, 상기 전극 탭들은 길이가 서로 상이하고, 최외곽 극판과 나머지 극판들 사이의 거리 증가에 따라 상대적으로 길이가 증가하는 구조일 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 탭-리드 결합부에서 전극 탭들의 단부들은 실질적으로 일치할 수 있다.
상기 전극 탭들의 길이가 서로 동일한 경우, 동일한 종류의 극판을 사용하여 전극조립체를 제조할 수 있고, 이 경우 서로 다른 종류의 극판을 사용하는 경우에 비해, 공정 효율성이 높다.
다만, 필요 이상으로 긴 길이의 전극 탭들이 포함될 수 있고, 이러한 전극 탭들은 이차전지 내부에서 공간을 차지하게 되므로, 에너지 밀도 측면에서 바람직하지 않을 수 있다.
반면에, 전극 탭들의 길이가 서로 상이한 경우, 상이한 종류의 극판을 사용하여 제조할 수 있고, 이 경우, 에너지 밀도 측면에서는 유리하나, 서로 다른 종류의 극판을 사용해야 하는 점에 있어서는 공정 효율성이 저하될 수 있다.
따라서, 제조 과정에서는 전극 탭들의 길이가 동일한 극판을 사용하여 공정 효율성 향상을 도모하고, 제조 과정에서 전극 탭들의 단부들이 실질적으로 일치하도록 절단하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 전극 탭들의 길이는 5 mm 내지 25 mm, 상세하게는 6 mm 내지 23 mm일 수 있고, 상기 탭-리드 결합부의 길이는 0.5 mm 내지 5 mm, 상세하게는 1 mm 내지 4 mm일 수 있지만, 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 스택형 전극조립체, 라미네이션/스택형 전극조립체, 또는 스택/폴딩형 전극조립체일 수 있고, 이와 같이, 동일한 극성의 전극 탭들이 둘 이상 전극 리드와 결합되는 전극조립체들의 경우에 전극 탭들과 탭-리드 결합부가 차지하는 부피를 크게 절감할 수 있다.
반면에, 젤리-롤형 전극조립체의 경우에는 앞서 언급한 전극조립체들과는 극판, 전극 탭, 전극 리드, 및 전극 단자 등의 전반적인 구조가 상이하여, 본 발명에 따른 구조를 적용하기 어렵다. 또한, 이를 적용하더라도, 젤리-롤형 전극조립체는 하나의 전극 탭과 전극 리드가 결합되는 구조이므로 전극 탭 및 탭-리드 결합부가 차지하는 부피가 크지 않은 바, 에너지 밀도를 향상 시키기 어려운 한계가 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀을 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 전지케이스의 외부로 전극 리드의 단부가 노출되어 있고, 전극 탭들 및 탭-리드 결합부가 전지케이스의 내부에 위치하는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 상기 전극 탭들 및 탭-리드 결합부가 전지케이스 내부에 위치함으로써 전지셀의 내부 공간을 활용하여 에너지 밀도를 현저하게 향상시킬 수 있고, 전지셀의 외부 공간을 활용하여 에너지 밀도를 향상시키는 기술을 추가적으로 적용하는 경우에는, 전지셀의 내부 및 외부 공간을 모두 활용하여, 전지셀의 에너지 밀도를 더욱 현저하게 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.
상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄, 또는 알루미늄 합금이 포함될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전지셀은 리튬 이차전지, 리튬 이온 전지, 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 탭-리드 결합부가 위치하는 부위가 외향 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극 탭 및 탭-리드 결합부가 전지케이스의 테라스부에 위치하는 구조일 수 있으며, 본 명세서상에서 전지케이스의 테라스부란 전지케이스 내부 구조 중 전극판 및 분리막이 적층된 전극조립체를 제외한 공간을 의미한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극조립체의 전극판들로부터 돌출된 전극 탭이 리드와 결합하여 전지케이스의 실링부로 통하여 외부로 연장되는 경우에, 전지케이스 내부에서 전극조립체와 전지케이스의 실링부가 대향하면서 형성된 공간이 테라스부가 되고, 이 테라스부에 상기 전극 탭 및 탭-리드 결합부가 위치할 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 전극조립체를 제조하는 방법을 제공한다.
이러한 제조 방법은,
(a) 하나 이상의 전극판 및 분리막이 교대로 적층되어 있는 구조체를 준비하는 과정;
(b) 상기 전극판으로부터 돌출되어 있는 전극 탭을 절곡하는 과정; 및
(c) 상기 전극 탭과 전극 리드를 전기적으로 연결하는 탭-리드 결합부를 형성하는 과정;
을 포함할 수 있다.
또한, (d) 상기 탭-리드 결합부가 최외각 전극판의 외면에 위치하도록, 전극 탭을 절곡하는 과정;
을 더 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(b) 이후에 하기 과정(b-1)를 더 포함할 수 있다:
(b-1) 상기 전극 탭들의 단부들이 실질적으로 일치하도록 절단하는 과정.
상기 과정(b-1)를 포함함으로써, 제조 과정에서는 전극 탭들의 길이가 동일한 극판을 사용하여 공정 효율성 향상을 도모하고, 제조 과정에서 전극 탭들의 단부들이 실질적으로 일치하도록 절단하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 극판은 양극과 음극을 통칭하며, 이하, 상기 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.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 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 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 전극조립체는, 이차전지의 용량 향상에 기여하지 못하는 전극 탭들과 탭-리드 결합부가 차지하는 공간을 절감하여, 이차전지의 에너지 밀도 및 출력 밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 기존의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제조할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 잘 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 전지셀의 전극조립체와 전지케이스를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 3은 도 2의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 6 및 도 7은 도 4의 전극조립체를 제조하는 일련의 과정을 나타낸 모식도들이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 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 출원 시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에는 일반적인 전지셀의 전극조립체와 전지케이스의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(10)은 적층부(11), 전극 탭(12, 13), 전극 리드(16, 17), 및 리드테이프(14, 15)를 포함하고 있고, 전지케이스(20)은 전극조립체 수납부(21), 라미네이트 시트의 외부 피복층(22), 내부 실란트층(23), 및 커버부(24)를 포함하고 있다.
구체적으로, 전극조립체(10)은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조가 둘 이상 반복적으로 적층되어 있는 판상형의 적층부(11)를 포함하고 있으며, 양극과 음극 집전체에 형성되어 있는 전극 탭들(12, 13)이 전극조립체(10)의 상대적으로 좁은면에 돌출되어 있다.
동일한 극성의 전극 탭들(12, 13)이 각각 군집을 이루고 있으며, 각각의 전극 탭들(12, 13)은 전극 리드(16, 17)와 전기적으로 연결되어 있고, 전극 리드(16, 17)에는 전지케이스(200)과의 밀봉성을 향상시키기 위한 리드테이프(14, 15)가 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스로, 라미네이트 시트의 외부에는 내후성 고분자로 이루어진 피복층(22), 내부에는 열융착성 고분자로 이루어진 실란트층(23)이 형성되어 있으며, 외부 피복층(22)과 내부 실란트층(23)의 사이에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 베리어층이 형성되어 있다.
전지케이스(20)에는 전극조립체(10)와 전해액을 함께 수납할 수 있도록, 전극조립체 수납부(21)가 형성되어 있고, 전극조립체(10)와 전해액을 수납한 채로, 커버부(24)로 전극조립체 수납부(21)를 덮은 다음, 내부 실란트층(23)을 열융착하여 밀봉하면, 하나의 독립된 전지셀을 제조할 수 있다.
도 2에는 도 1의 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(10)는 양극과 음극 사이에 분리막(18)이 개재되어 있는 적층부(11), 양극 탭들(12), 양극 리드(16) 및 탭-리드 결합부(19)를 포함하고 있다.
구체적으로, 양극 탭들(12)은 각각 극판들에 연결되어 있고, 극판들로부터 우측으로 돌출되어 있다. 양극 탭들(12)은 양극 리드(16)와 탭-리드 결합부(19)를 통해 연결되어 있다.
분리막(18)은 극판들보다 상대적으로 큰 크기를 가지며 적층부(11)의 우측으로 일부 돌출되어 있다.
도 3에는 도 2의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀(30)은 전극 탭들(12)이 양극 리드(16)와 탭-리드 결합부(19)에 의해 연결되어 있는 상태로, 전지케이스(20)에 내장되어 있으며, 전극 리드(16)의 우측 단부가 전지케이스(20)의 외부로 노출되어 있다.
이 때, 전극 탭들(12) 및 탭-리드 결합부(19)가 V1만큼의 부피를 차지하며, V1에 해당하는 부피는 전지셀(30)의 전지 용량에 기여하지 못한다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2와 비교하여 도 4를 참조하면, 전극조립체(300)는 양극과 음극 사이에 분리막(380)이 개재되어 있는 적층부(310), 절연성 필름(311), 전극 탭들(320), 전극 리드(360) 및 탭-리드 결합부(390)를 포함하고 있다.
구체적으로, 전극 탭들(320)은 극판들에 연결되어 있고, 극판들로부터 우측으로 돌출되어 있다. 전극 탭들(320)은 전극 리드(360)와 탭-리드 결합부(390)에 의해 연결되어 있다.
전극조립체(300)의 최외곽 극판의 외면에는 절연성 필름(311)이 위치하고, 탭-리드 결합부(390)는 절연성 필름(311)의 외면 상에 밀착되어 있다. 절연성 필름(311)에 의해 전극조립체(300)의 최외곽 극판과 탭-리드 결합부(390) 사이의 절연성을 확보할 수 있다.
또한, 전극 리드(360)는 탭-리드 결합부(390)가 위치한 최외곽 극판의 외면에 평행하게 연장되어 있으며, 전극조립체(300)은 종래의 전극조립체(10)와 전반적으로 유사한 구조를 유지하고 있으므로, 기존의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제조할 수 있다.
분리막들(380)은 극판들보다 상대적으로 큰 크기를 가지며 적층부(310)의 우측으로 일부 돌출되어 있다. 전극 탭들(320)은, 극판들보다 길게 연장되어 있는 분리막(380) 잉여부들에 의해 극판들의 단부들에 비접촉된 상태에서, 탭-리드 결합부(390) 쪽으로 절곡되어 있다.
설명의 편의를 위해 전극 탭들(320)이 전극조립체(300)의 우측 외면과 떨어져 있는 것으로 표시하였지만, 전극 탭들(320)은 전극조립체(300)의 외주면에 밀착된 상태로 절곡되도록, 분리막(380) 잉여부들도 전극 탭들(320)과 함께 탭-리드 결합부(390) 쪽으로 절곡될 수 있다.
분리막들(380)의 구조에 의해 전극 탭들(320)이 특정 방향으로 절곡되더라도 다른 극성을 가지는 극판에 접촉되는 것을 방지하여 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있고, 결국, 이차전지의 안정성을 향상 시킬 수 있다.
도 5a에는 도 4의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5b에는 탭-리드 결합부(390)가, 전극 탭(320)이 돌출되어 있는 전극조립체(360)의 일측에 대향하여 위치하는 전극조립체(300)가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀(500)의 수직단면도를 모식적으로 도시한 것으로, 구체적으로 도5b는 탭-리드 결합부(390)가 전극조립체(300)에 접하여 위치한 전지셀(500)을 도시한 것이다.
도면에 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탭-리드 결합부가 전극조립체와 접하지는 않지만, 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 일측에 대향하면서, 케이스 부에 위치한 전지셀 일 수 있다.
도 3과 비교하여 도 5a 및 5b를 참조하면, 전지셀(500)은 전극 탭들(320)이 전극 리드(360)와 탭-리드 결합부(390)에 의해 연결되어 있으면서 절곡된 상태로, 전지케이스(400)에 내장되어 있으며, 전극 리드(360)의 우측 단부가 전지케이스(400)의 외부로 노출되어 있다.
이 때, 전지셀(500)에서 전극 탭들(320) 및 탭-리드 결합부(390)가 차지하는 부피는 V2이며, 전지셀(30)에서 양극 탭들(12) 및 탭-리드 결합부(19)가 차지하는 부피 V1에 비해 현저하게 줄어들었음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀(500)은 동일한 전지 용량 대비 대략적으로 V1과 V2의 차이만큼 부피를 절감하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
당업계에서 사용되는 일반적인 규격의 전지셀을 예로 들면, 평면상으로 가로 100.0 mm, 세로 315.0 mm, 및 두께 10.6 mm일 때, 전극 탭들 및 탭-리드 결합부에 의해 세로의 길이가 7.5 mm 증가한다. 이러한 전지셀에 본 발명을 적용하면, 세로 길이에서 7.5 mm가 절감되고, 대신 탭-리드 결합부가 위치하는 일부분의 두께가 0.9 mm 증가하였다. 이때, 본 발명에 따른 전지셀의 용량은 일반적인 전지셀 대비 약 5% 증가하는 것으로 확인되었다.
도 6 및 도 7에는 도 4의 전극조립체를 제조하는 일련의 과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 복수의 극판들과 분리막들이 교대로 적층되어 있는 적층체(310)을 준비하고, 적층체(310)의 최외곽 극판들 중의 하나의 최외곽 극판의 외면을 향하도록, 전극 탭들(320)을 절곡한다.
전극 탭들(320)의 길이가 동일한 극판을 사용하여, 동일한 방향으로 절곡 시 전극 탭들(320)의 단부가 서로 일치하지 않는다. 전극 탭들(320)의 잉여부에 의해 불필요한 공간 소비를 방지하기 위하여, 전극 탭들(320)의 단부들이 실질적으로 일치하도록 절취선(A)를 따라 절단한다.
이러한 과정을 통해, 전극 탭들(320)은 길이가 서로 상이하고, 최외곽 극판과 나머지 극판들 사이의 거리 증가에 따라 상대적으로 길이가 증가하는 구조가 될 수 있다.
다음으로, 전극 탭들(320)과 전극 리드(360)의 단부를 일치시킨 후 용접을 통해 리드-탭 결합부(390)을 형성한 후, 화살표(B) 방향으로 전극 탭들(320)을 절곡하여 도 4의 전극조립체(300)를 제조할 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 (23)

  1. 하나 이상의 전극판 및 분리막이 교대로 적층된 전극조립체로서,
    상기 전극판으로부터 돌출되어 있는 전극 탭과, 탭-리드 결합부에 의해 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고,
    상기 전극 탭은 절곡된 상태인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절곡된 상태는 전극조립체 가운데를 중심으로 전극 탭의 상하 비대칭 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탭-리드 결합부는, 전극 탭이 절곡된 상태로, 최외곽 전극판의 외면에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탭-리드 결합부는, 전극 탭이 절곡된 상태로, 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 일측에 대향하여 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탭-리드 결합부는 전극조립체와 접하거나, 이격하여 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전극 리드는 탭-리트 결합부가 위치한 최외각 전극판의 외면에 평행하게 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 전극판보다 크고,
    상기 전극 탭은, 전극판보다 길게 연장되어 있는 분리막 잉여부에 의해 전극판의 단부에 비접촉된 상태에서, 탭-리드 결합부 쪽으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극 탭이 전극조립체의 외주면에 밀착된 상태로 절곡되도록, 분리막 잉여부도 전극 탭과 함께 탭-리드 결합부 쪽으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 최외각 전극판의 외면에는 절연성 필름이 위치하고, 상기 탭-리드 결합부는 절연성 필름의 외면 상에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탭-리드 결합부는 고정부재에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고정부재는 접착 테이프인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극 탭의 길이는 5 mm 내지 25 mm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 탭-리드 결합부의 길이는 0.5 mm 내지 5 nm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제1항의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전지케이스의 외부로 전극 리드의 단부가 노출되어 있고, 전극 탭 및 탭-리드 결합부가 전지케이스 내부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전극 탭 및 탭-리드 결합부가 전지케이스의 테라스부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제15에 있어서,
    상기 전지케이스는 탭-리드 결합부가 위치하는 부위가 외향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제14의 전지셀을 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제18에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 하나 이상의 전극판 및 분리막이 교대로 적층되어 있는 구조체를 준비하는 과정;
    (b) 상기 전극판으로부터 돌출되어 있는 전극 탭을 절곡하는 과정; 및
    (c) 상기 전극 탭과 전극 리드를 전기적으로 연결하는 탭-리드 결합부를 형성하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    (d) 상기 탭-리드 결합부가 최외각 전극판의 외면에 위치하도록, 전극 탭을 절곡하는 과정;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 과정 (b) 이후에 하기 과정 (b-1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법:
    (b-1) 상기 전극 탭의 단부가 일치하도록 절단하는 과정.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 과정(c)의 상기 전극 탭과 전극 리드는 용접에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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