KR20210154423A - 보조 탭을 포함하는 전극 조립체, 이를 포함하는 이차전지 및 전지 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인접한 전극이 이루는 모노셀을 평가하기 위한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 복수 개의 제1 전극 및 상기 제1 전극과 반대 극성을 갖는 복수 개의 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 교번하여 적층되며, 상기 복수 개의 제1 전극은, 각각 제1 전극의 일 측면에 형성된 제1 전극 탭 및 상기 제1 전극 탭이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제1 보조 탭을 포함하고, 상기 복수 개의 제2 전극은, 각각 제2 전극의 일 측면에 형성된 제2 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제2 보조 탭을 포함한다.

Description

보조 탭을 포함하는 전극 조립체, 이를 포함하는 이차전지 및 전지 평가 방법{ELECTRODE ASSEMBLY INCLUDING AN AUXILIARY TAB, A SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME AND A BATTERY EVALUATION METHOD}
본 발명은 보조 탭을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 이차전지를 사용하는 전지 평가 방법을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
이러한 리튬 이차전지는 전지 케이스 내에 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극 조립체가 수납된 구조이다.
도 1은 종래의 전극 조립체의 형상을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 전극 조립체(10)는 양극(13) 및 음극(16)이 분리막(17)을 사이에 두고 교대로 적층된 구조이다. 이 때 양극(13)은 양극 집전체(11)의 일면 또는 양면에 양극 활물질층(12)이 형성된 구조이며, 음극(16)은 음극 집전체(14)의 일면 또는 양면에 음극 활물질층(15)이 형성된 구조이다. 양극, 음극 및 분리막은 도 1과 같이 각각 복수 개가 적층되어 하나의 전극 조립체를 구성할 수 있다.
한편, 상기와 같은 구조의 리튬 이차전지에 있어서, 리튬 이차전지를 평가하는 주요한 방법으로는 리튬 이차전지의 전압을 측정하는 방법이 있으며, 개별 전극 사이의 전압을 측정할 수도 있다. 특히 리튬 이차전지에 있어 양극과 음극 사이의 전압을 측정하기 위한 주요한 방법으로는 기준 전극을 사용하는 방법이 있다.
한국등록특허 제 10-1806416호에는 기준 전극을 사용하여 전극 조립체를 구성하는 전극 사이의 전압을 측정하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 이와 같이 전압을 측정하기 위해서 기준 전극을 사용하는 경우 전극 사이에 일일이 기준 전극을 삽입하여야 하는 문제점이 있고, 기준 전극과 전극 조립체 사이의 단락을 방지하기 위한 분리막을 개재하여야 하므로 전지의 구성이 복잡해질 수 있다. 아울러 시간이 지남에 따라 기준 전극이 열화될 경우 측정값에 오차가 발생할 수 있다는 문제가 있다.
따라서 복수 개의 전극이 포함된 전극 조립체를 포함하는 이차전지에서, 개별 전극 사이의 전압을 간편하고 정확하게 측정할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제 10-1806416호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 분리막을 사이에 두고 인접한 전극이 이루는 모노셀의 전압을 측정함으로써, 모노셀 각각의 전기화학적 평가를 정확히 할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 아울러 본 발명은 상기 이차전지를 사용한 전지 평가 방법을 제공한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 복수 개의 제1 전극 및 상기 제1 전극과 반대 극성을 갖는 복수 개의 제2 전극이 분리막이 개재된 상태로 교번하여 적층되며, 상기 복수 개의 제1 전극은, 각각 제1 전극의 일 측면에 형성된 제1 전극 탭 및 상기 제1 전극 탭이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제1 보조 탭을 포함하고, 상기 복수 개의 제2 전극은, 각각 제2 전극의 일 측면에 형성된 제2 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제2 보조 탭을 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 조립체는 상기 제1 전극을 n+1개 포함하고, 제2 전극을 n개 포함한다. (단, n은 2 이상의 정수)
다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전극 조립체는 상기 제1 전극 및 제2 전극을 모두 n개 포함한다. (단, n은 2 이상의 정수)
구체적인 예에서, 상기 제1 보조 탭들은 각각 제1 전극 탭이 형성된 일 측면과의 이격 거리가 서로 상이하고, 상기 제2 보조 탭들은 각각 제2 전극 탭이 형성된 일 측면과의 이격 거리가 서로 상이한다.
더욱 구체적인 예에서, 상기 제1 보조 탭 및 제2 보조 탭들은 전극의 적층 방향으로 서로 겹쳐지지 않는다.
하나의 예에서, 상기 제1 보조 탭들의 돌출 방향은 서로 동일하며, 상기 제2 보조 탭들은 제1 보조 탭들에 대하여 서로 대향하는 방향으로 돌출된다.
다른 하나의 예에서, 상기 제1 보조 탭 및 제2 보조 탭들은 전극 조립체의 측면을 따라 서로 교번하여 돌출된다.
또한 본 발명은 이차전지를 제공하는바, 본 발명에 따른 이차전지는, 앞서 설명한 바와 같은 전극 조립체가 전지 케이스 내부에 수납된 구조이며, 상기 제1 보조 탭들 및 제2 보조 탭들 각각은 와이어에 연결되어 있고, 상기 와이어는 일단이 상기 제1 보조 탭 또는 제2 보조 탭에 전기적으로 연결되고, 타단이 전지 케이스의 외부로 인출된 구조이다.
또한 본 발명은 상기 이차전지를 사용하는 전지 평가 방법을 제공하는바, 본 발명에 따른 전지 평가 방법은, 앞서 설명한 바와 같은 이차전지를 제조하는 단계;
상기 이차전지를 충방전하는 단계; 분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극에 대하여, 제1 보조 탭과 제2 보조 탭에 연결된 와이어를 전기적으로 연결하는 단계; 및 상기 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압값을 측정하는 단계를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 모노셀의 전압값을 측정하는 단계는, 이차전지의 SOC 값에 따른 각 모노셀의 전압값을 측정하는 과정을 포함한다.
구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 평가 방법은 상기 모노셀의 전압값으로부터, 퇴화된 모노셀을 판별하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 전극 조립체를 구성하는 각 전극에 있어 일 측면에 전위를 측정할 수 있는 보조 탭이 형성되므로, 보조 탭을 통해 전극 조립체 전체의 전압뿐만 아니라 개별 전극이 이루는 모노셀의 전압을 간편하고 정확하게 측정하고, 이를 근거로 모노셀의 충전량 등을 정확하게 평가할 수 있다.
도 1은 종래의 전극 조립체를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 및 제2 전극의 형상을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 형상을 모식적으로 나타낸 상면도이다.
도 4는 도 3에 따른 전극 조립체를 A 방향에서 바라본 형상을 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 및 제2 전극의 형상을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 형상을 모식적으로 나타낸 상면도이다.
도 7은 도 6에 따른 전극 조립체를 A 방향에서 바라본 형상을 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명에 따른 전지 평가 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 및 제2 전극의 형상을 나타낸 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 형상을 모식적으로 나타낸 상면도이며, 도 4는 도 3에 따른 전극 조립체를 A 방향에서 바라본 형상을 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 복수 개의 제1 전극(110) 및 복수 개의 제2 전극(120)을 포함한다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 서로 반대의 극성을 가지며, 복수 개의 제1 전극(110) 및 복수 개의 제2 전극(120)은 분리막(130)이 사이에 개재된 상태에서 교번하여 적층된다. 제1 전극(110)은 제1 전극 집전체(111)의 일면 또는 양면에 제1 전극 활물질층(112)이 형성되는 구조이며, 제2 전극(120)은 제2 전극 집전체(121)의 일면 또는 양면에 제2 전극 활물질층(122)이 형성되는 구조이다. 집전체, 분리막 및 활물질층에 관한 기술은 당업자에게 이미 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
이에 따라 분리막을 사이에 두고 인접하는 제1 전극 및 제2 전극은 모노셀(mono cell)을 이루게 되며, 본 발명에 따른 전극 조립체는 모노셀이 복수 개 적층된 스택 셀(stack cell)을 구성하게 된다.
본 발명에 따른 전극 조립체(100)에 있어서, 복수 개의 제1 전극(110)은 각각 제1 전극의 일 측면에 형성된 제1 전극 탭(113) 및 상기 제1 전극 탭(113)이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제1 보조 탭(114)을 포함한다.
또한 복수 개의 제2 전극(120)은, 각각 제2 전극의 일 측면에 형성된 제2 전극 탭(123) 및 상기 제2 전극 탭(123)이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제2 보조 탭(124)을 포함한다.
본 발명에 따른 전극 조립체(100)에서, 상기 제1 전극 탭(113) 및 제2 전극 탭(123)은 이차전지가 외부의 기기와 또는 다른 전지셀과 연결되기 위한 외부 도선 역할을 하며, 복수 개의 제1 전극 탭 및 복수 개의 제2 전극 탭이 각각 집합하여 전극 리드와 연결된다. 제1 전극 탭(113) 및 제2 전극 탭(123)에는 각각 전지를 외부와 연결하기 위한 제1 전극 리드(115)와 제2 전극 리드(125)가 연결된다.
제1 보조 탭(114) 및 제2 보조 탭(124)은 후술하는 바와 같이 외부로 통하는 와이어와 연결되어 각 전극 사이의 전압을 측정하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극에 별도로 보조 탭을 형성함으로써 전극 조립체 전체의 전압뿐만 아니라 분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압을 간편하고 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 전위는 모노셀 내의 리튬 충전량을 평가하는데 사용될 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 전극 조립체(100)는 바이셀(bi-cell) 형태일 수 있다. 이 경우 n+1개의 제1 전극(110) 및 n개의 제2 전극(120)을 포함하며(단, n은 2 이상의 정수), 도 2에는 제1 전극이 9개이고, 제2 전극이 8개인 것을 도시하였다. 이 경우 전극 조립체(100)의 양 끝에는 제1 전극(110)이 위치하게 된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, (a)는 제1 전극(110)을, (b)는 제2 전극(120)을 나타낸 것이다. 또한 도 2에서 각 전극의 아래에 기재된 숫자는 전극의 적층 순서를 나타낸 것으로, (1)번 전극은 가장 상부에 위치하는 전극이며, (2)번 전극은 (1)번 전극보다 하부에 위치하는 전극을 의미한다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 분리막(130)이 개재된 상태에서 교번하여 적층되므로, 전극 적층시 (k)번 제1 전극의 하부에는 (k)번 제2전극이 위치하며, (k)번 제2 전극의 하부에는 (k+1)번 제1 전극이 위치하게 된다(단, k는 1 내지 n 사이의 정수). 이러한 적층 패턴이 반복됨에 따라 전극 조립체(100)의 가장 상부에는 (1)번 제1 전극이 위치하며, 전극 조립체의 가장 하부에는 (9)번 제1 전극이 위치한다.
도 2 내지 4에는 전극 조립체가 바이셀 형태인 경우만 도시하였으나, 상기 전극 조립체는 풀셀(full-cell) 형태일 수 있다. 이 경우 전극 조립체는 제1 전극 및 제2 전극을 모두 n개 포함하며(단, n은 2 이상의 정수), 전극 조립체의 양 끝에는 각각 제1 전극 및 제2 전극이 위치하게 된다. 예를 들어 전극 조립체가 제1 전극 및 제2 전극을 8개씩 포함하고 있을 경우, 전극 조립체의 가장 상부에 (1)번 제1 전극이 위치하며, 전극 조립체의 가장 하부에 (8)번 제2 전극이 위치하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)에 있어서, 각각의 전극들에 형성된 보조 탭들의 위치는 서로 상이할 수 있다. 구체적으로 제1 보조 탭(114)들은 각각 제1 전극 탭(113)이 형성된 일 측면과의 이격 거리(d1)가 서로 상이하고, 제2 보조 탭(124)들은 각각 제2 전극 탭(123)이 형성된 일 측면과의 이격 거리(d2)가 서로 상이하다.
도 2를 참조하면, (k+1)번 제1 전극의 제1 보조 탭은 (k)번 제1 전극의 보조 탭보다 전극 탭이 형성된 일 측면과의 거리(d1)가 더 크다(단, k는 1과 n 사이의 정수). 이러한 패턴이 반복됨에 따라 제1 전극에 있어 전극 탭이 형성된 일 측면과 보조 탭 사이의 거리(d1)는 (9)번 제1 전극에서 가장 크다.
마찬가지로, 도 2를 참조하면, (k+1)번 제2 전극의 보조 탭은 (k)번 제2 전극의 제2 보조 탭보다 전극 탭이 형성된 일 측면과의 거리(d2)가 더 크다(k는 1과 n 사이의 정수). 이러한 패턴이 반복됨에 따라 제2 전극에 있어 전극 탭이 형성된 일 측면과 보조 탭 사이의 거리(d2)는 (8)번 제2 전극에서 가장 크다.
결과적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)들이 적층되었을 때 제1 보조 탭(114) 및 제2 보조 탭(124)들은 전극의 적층 방향으로 서로 겹쳐지지 않으며, 전극 조립체(100)의 측면을 따라 일정 간격으로 이격되어 배열된다.
이와 같이 전극 조립체(100)에서 제1 보조 탭(114) 및 제2 보조 탭(124)들이 적층 방향으로 서로 겹쳐지지 않도록 함으로써, 와이어를 보조 탭에 연결하는 것이 용이하고, 전극 조립체(100)의 유동에 따라 인접한 보조 탭들이 서로 접촉하여 단락을 일으키거나 전압 측정값에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
한편, 복수 개의 제1 전극(114) 및 제2 전극(124)이 적층되어 전극 조립체를 형성하면, 도 3과 같이 제1 전극 탭(113) 및 제2 전극 탭(123)은 전극 조립체(100)의 일 측에 돌출되며, 제1 보조 탭(114) 및 제2 보조 탭(124)들은 전극 탭이 형성된 측면과 수직인 측면을 따라 일정 간격으로 돌출된다.
하나의 예에서, 도 3을 참조하면, 상기 제1 보조 탭(114)들의 돌출 방향은 서로 동일하며, 상기 제2 보조 탭(124)들은 제1 보조 탭(114)들에 대하여 서로 대향하는 방향으로 돌출된다.
이를 위해, 두 개의 분리막(130) 및 한 개의 제2 전극(120)을 사이에 두고 가장 가까이 인접하는 두 개의 제1 전극(110)은 제1 보조 탭(114)의 돌출 방향이 서로 동일하도록 적층된다. 구체적으로 (k)번 제1 전극 및 이와 가장 인접한 (k+1)번 제1 전극에서 제1 보조 탭의 돌출 방향은 서로 동일하다(단, k는 1에서 n 사이의 정수). 마찬가지로, 한 개의 분리막(130) 및 한 개의 제1 전극(110)을 사이에 두고 인접하는 두 개의 제2 전극(120)은 제2 보조 탭(124)의 돌출 방향이 서로 동일하도록 적층된다. 예를 들어, (k)번 제2 전극 및 이와 가장 인접한 (k+1)번 제2 전극에서 제2 보조 탭의 돌출 방향은 서로 동일하다(단, k는 1에서 n 사이의 정수).
이러한 패턴이 반복됨에 따라, 전극 조립체의 일 측면에는 (1)번부터 (9)번 제1 전극에 형성된 제1 보조 탭들이 순차적으로 배열되며, 이에 대향하는 측면에는 (1)번부터 (8)번 제2 전극에 형성된 제2 보조 탭이 순차적으로 배열된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 및 제2 전극의 형상을 나타낸 모식도이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 형상을 모식적으로 나타낸 상면도이며, 도 7은 도 6에 따른 전극 조립체를 A 방향에서 바라본 형상을 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 5 내지 도 7를 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체(200)는 복수 개의 제1 전극(210) 및 복수 개의 제2 전극(220)을 포함한다. 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 서로 반대의 극성을 가지며, 복수 개의 제1 전극(210) 및 복수 개의 제2 전극(220)은 분리막(230)이 사이에 개재된 상태에서 교번하여 적층된다. 제1 전극(210)은 제1 전극 집전체(211)의 일면 또는 양면에 제1 전극 활물질층(212)이 형성되는 구조이며, 제2 전극(220)은 제2 전극 집전체(221)의 일면 또는 양면에 제2 전극 활물질층(222)이 형성되는 구조이다.
이에 따라 분리막을 사이에 두고 인접하는 제1 전극 및 제2 전극은 모노셀(mono cell)을 이루게 되며, 본 발명에 따른 전극 조립체는 모노셀이 복수 개 적층된 스택 셀(stack cell)을 구성하게 된다.
본 발명에 따른 전극 조립체(200)에 있어서, 복수 개의 제1 전극(210)은 각각 제1 전극의 일 측면에 형성된 제1 전극 탭(213) 및 상기 제1 전극 탭(213)이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제1 보조 탭(214)을 포함한다.
또한 복수 개의 제2 전극(220)은, 각각 제2 전극의 일 측면에 형성된 제2 전극 탭(223) 및 상기 제2 전극 탭(223)이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제2 보조 탭(224)을 포함한다.
제1 전극 탭(213) 및 제2 전극 탭(223)에는 각각 전지를 외부와 연결하기 위한 제1 전극 리드(215)와 제2 전극 리드(225)가 연결된다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 전극에 별도로 보조 탭을 형성함으로써 전극 조립체 전체의 전압뿐만 아니라 분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압을 간편하고 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 전위는 모노셀 내의 리튬 충전량을 평가하는데 사용될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체(200)는 바이셀 형태일 수 있으며 이 경우 n+1개의 제1 전극(210) 및 n개의 제2 전극(220)을 포함한다. 전극 조립체가 풀셀 형태인 경우 전극 조립체(200)는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)을 모두 n개 포함한다. 도 2 내지 4는 전극 조립체가 바이셀 형태인 경우를 도시하였으며, 제1 전극(210)이 9개이고, 제2 전극(220)이 8개인 것을 도시하였다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, (a)는 제1 전극(210)을, (b)는 제2 전극(220)을 나타낸 것이다. 또한 도 5에서 각 전극의 아래에 기재된 숫자는 전극의 적층 순서를 나타낸 것으로, (1)번 전극은 가장 상부에 위치하는 전극이며, (2)번 전극은 (1)번 전극보다 하부에 위치하는 전극을 의미한다. 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 분리막(230)이 개재된 상태에서 교번하여 적층되므로, 전극 적층시 (k)번 제1 전극의 하부에는 (k)번 제2전극이 위치하며, (k)번 제2 전극의 하부에는 (k+1)번 제1 전극이 위치하게 된다(단, k는 1 내지 n 사이의 정수). 이러한 적층 패턴이 반복됨에 따라 전극 조립체(200)의 가장 상부에는 (1)번 제1 전극이 위치하며, 전극 조립체의 가장 하부에는 (9)번 제1 전극이 위치한다.
본 발명에 따른 전극 조립체(200)에 있어서, 각각의 전극들에 형성된 보조 탭들의 위치는 서로 상이할 수 있다. 구체적으로 제1 보조 탭(214)들은 각각 제1 전극 탭(213)이 형성된 일 측면과의 이격 거리(d3)가 서로 상이하고, 제2 보조 탭(224)들은 각각 제2 전극 탭(223)이 형성된 일 측면과의 이격 거리(d4)가 서로 상이하다.
도 5를 참조하면, (k+1)번 제1 전극의 제1 보조 탭은 (k)번 제1 전극의 보조 탭보다 전극 탭이 형성된 일 측면과의 거리(d3)가 더 크다(단, k는 1과 n 사이의 정수). 이러한 패턴이 반복됨에 따라 제1 전극에 있어 전극 탭이 형성된 일 측면과 보조 탭 사이의 거리(d1)는 (9)번 제1 전극에서 가장 크다.
마찬가지로, (k+1)번 제2 전극의 보조 탭은 (k)번 제2 전극의 제2 보조 탭보다 전극 탭이 형성된 일 측면과의 거리(d4)가 더 크다(단, k는 1과 n 사이의 정수). 이러한 패턴이 반복됨에 따라 제2 전극에 있어 전극 탭이 형성된 일 측면과 보조 탭 사이의 거리(d4)는 (8)번 제2 전극에서 가장 크다.
결과적으로, 도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)들이 적층되었을 때 제1 보조 탭(214) 및 제2 보조 탭(224)들은 전극의 적층 방향으로 서로 겹쳐지지 않으며, 전극 조립체(200)의 측면을 따라 일정 간격으로 이격되어 배열된다.
이와 같이 전극 조립체(200)에서 제1 보조 탭(214) 및 제2 보조 탭(224)들이 적층 방향으로 서로 겹쳐지지 않도록 함으로써, 와이어를 보조 탭에 연결하는 것이 용이하고, 전극 조립체(200)의 유동에 따라 인접한 보조 탭들이 서로 접촉하여 단락을 일으키거나 전압 측정값에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
한편, 복수 개의 제1 전극(214) 및 제2 전극(224)이 적층되어 전극 조립체를 형성하면, 도 6과 같이 제1 전극 탭(213) 및 제2 전극 탭(223)은 전극 조립체(200)의 일 측에 돌출되며, 제1 보조 탭(214) 및 제2 보조 탭(224)들은 전극 탭이 형성된 측면과 수직인 측면을 따라 일정 간격으로 돌출된다.
다른 하나의 예에서, 도 6을 참조하면, 상기 제1 보조 탭 및 제2 보조 탭들은 전극 조립체의 측면을 따라 서로 교번하여 돌출된다.
이를 위해 두 개의 분리막(230) 및 한 개의 제2 전극(220)을 사이에 두고 가장 가까이 인접하는 두 개의 제1 전극(210)에 있어, 제1 보조 탭(214)은 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 아울러 한 개의 분리막(230) 및 한 개의 제1 전극(210)을 사이에 두고 인접하는 두 개의 제2 전극(220)에 있어, 제2 보조 탭(224)은 서로 대향하는 방향으로 돌출된다.
도 5 및 도 7을 참조하면, (k)번 제1 전극 및 이와 가장 인접한 (k+1)번 제1 전극에서 제1 보조 탭은 서로 대향하는 방향으로 돌출된다(단, k는 1에서 n 사이의 정수). 마찬가지로, (k)번 제2 전극 및 이와 가장 인접한 (k+1)번 제2 전극에서 제2 보조 탭은 서로 대향하는 방향으로 돌출된다
이러한 패턴이 반복됨에 따라 전극 조립체(200)의 양 측면에는 제1 보조 탭(214) 및 제2 보조 탭(224)이 교번하여 배열된다.
또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나는 음극이고, 상기 음극 중 적어도 하나가 전리튬화(pre-lithiation)된 것일 수 있다. 음극 중 적어도 하나를 전리튬화함으로써, 모노셀의 전위 측정을 통한 리튬 충전량 평가에 있어서 음극의 전리튬화에 따른 영향을 평가할 수 있다.
전리튬화란 이차전지에서 첫번째 충전 및 방전 반응에서 나타나는 비가역 용량 손실을 최소화하기 위한 것이다. 이러한 초기 비가역 용량 손실은 대부분 음극 활물질 표면에서의 전해질 분해(electrolyte decomposition) 반응에 기인하는 것으로 알려져 있는데, 전리튬화를 통해 첫번째 충전시 발생되는 부반응을 미리 겪게 하는 것이다. 이러한 전리튬화 방법으로는 음극 활물질을 물리화학적 방법에 의해 리튬화 시킨 후 전극을 제조하는 방법 및 음극을 전기화학적으로 전리튬화 시키는 방법 등이 있으며, 전리튬화에 대한 방법은 통상의 기술자게에 공지된 기술이므로 자세한 설명을 생략한다.
한편, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(300)는 전극 조립체(100)가 전지 케이스(310) 내부에 수납된 구조이며, 상기 제1 보조 탭(114)들 및 제2 보조 탭(124)들 각각은 와이어(320)에 연결되어 있고, 상기 와이어(320)는 일단이 상기 제1 보조 탭(114) 또는 제2 보조 탭(124)에 전기적으로 연결되고, 타단이 전지 케이스(310)의 외부로 인출된 구조이다. 여기서 전극 조립체는(100) 도 3 및 도 4에 도시된 것과 동일한 것을 사용한 것이다. 또한 제1 전극 리드와(115) 제2 전극 리드(125)는 전지 케이스(310) 밖으로 인출된다.
마찬가지로, 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지(400)는 전극 조립체(200)가 전지 케이스(410) 내부에 수납된 구조이며, 상기 제1 보조 탭(214)들 및 제2 보조 탭(224)들 각각은 와이어(420)에 연결되어 있고, 상기 와이어(420)는 일단이 상기 제1 보조 탭(214) 또는 제2 보조 탭(224)에 전기적으로 연결되고, 타단이 전지 케이스(410)의 외부로 인출된 구조이다. 여기서 전극 조립체(200)는 도 6 및 도 7에 도시된 것과 동일한 것을 사용한 것이다.
본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 전지 케이스(310, 410)는 전지의 포장을 위한 외장재로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 각형 또는 파우치형이 사용될 수 있으나, 상세하게는 파우치형 전지 케이스가 사용될 수 있다.
와이어(320, 420)는 전극 조립체의 일 측면에 돌출된 제1 보조 탭(114, 214) 및 제2 보조 탭(214, 224)들을 외부와 연결하기 위한 도선이다. 와이어는 구리 또는 알루미늄 등의 금속 소재로 형성될 수 있다. 와이어는 제1 보조 탭 및 제2 보조 탭의 수와 동일한 수가 사용되며, 와이어 한 개당 보조 탭 한 개와 연결된다. 와이어는 일단이 제1 보조 탭 또는 제2 보조 탭과 연결되고, 타단은 외부로 인출되어 보조 탭의 전기적으로 연결에 이용된다. 더욱 구체적으로, 제1 보조 탭으로부터 인출된 와이어와 제2 보조 탭으로부터 인출된 와이어가 전기적으로 연결되어 하나의 회로를 구성함으로써 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 이차전지를 사용한 전지 평가 방법을 제공한다.
도 10은 본 발명에 따른 전지 평가 방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 평가 방법은 앞서 설명한 바와 같은 이차전지를 제조하는 단계(S10); 상기 이차전지를 충방전하는 단계(S20); 분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극에 대하여, 제1 보조 탭과 제2 보조 탭에 연결된 와이어를 전기적으로 연결하는 단계(S30); 및 상기 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압값을 측정하는 단계(S40)를 포함한다.
즉 본 발명에 따른 전지 평가 방법은 전극에 별도로 보조 탭을 형성함으로써 전극 조립체 전체의 전압뿐만 아니라 분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압을 간편하고 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 전위는 모노셀 내의 리튬 충전량을 평가하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 평가 방법에서 사용되는 이차전지는 앞서 설명한 바와 같이 제1 전극과 제2 전극이 분리막을 개재한 상태에서 교번하여 적층되되, 제1 전극과 제2 전극에 별도로 보조 탭이 형성된 구조이다. 이러한 보조 탭은 전극 집전체가 연장되는 구조로 형성되도록 집전체를 일체로 성형할 수도 있고, 별도의 보조 탭을 제작하여 전극 집전체에 용접 등을 통해 접합시켜 제조할 수도 있다.제1 전극 및 제2 전극은 각각 집전체에 전극 활물질을 도포하여 제조되는데, 이에 대한 자세한 설명은 앞서 설명한 바와 같다.
상기와 같이 제조된 이차전지는 일정 수준의 SOC(State of Charge)를 나타내도록 충방전될 수 있다. 충방전 과정은 공지된 방법에 의해 행할 수 있으며, 충전기를 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭에 각각 연결된 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드에 연결하여 수행할 수 있다.
이러한 이차전지는 전압 측정을 위해 각 전극끼리 전기적으로 연결된다. 구체적으로 분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극에 대하여, 제1 보조 탭과 제2 보조 탭에 연결된 와이어를 전기적으로 연결하게 된다. 여기서 전기적으로 연결하는 것은 전압 측정이 가능하도록 제1 전극과 제2 전극을 보조 탭에 연결되는 와이어를 통해 회로적으로 연결하는 것을 의미한다. 전압 측정을 위해 제1 보조 탭으로부터 인출된 와이어와 제2 보조 탭으로부터 인출된 와이어 사이에 전압 측정기를 연결할 수 있다.
이후 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압값을 측정함으로써, 전극 조립체 내에 포함된 각 모노셀의 충전량을 평가할 수 있다. 전압 측정은 각 모노셀마다 별도로 측정할 수 있다. 도 8에 따른 이차전지를 예로 들면, (k)번 제1 전극의 제1 보조 탭과 (k)번 제2 전극의 제2 보조 탭을 와이어를 통해 연결한 후 전압을 측정함으로써 (k)번 제1 전극과 (k+1)번 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압을 측정할 수 있다. 이어서 (k)번 제2 전극의 제2 보조 탭과 (k+1)번 제1 전극의 제1 보조 탭을 와이어를 통해 연결한 후 전압을 측정함으로써 (k+1)번 제1 전극과 (k)번 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압을 측정할 수 있다(단, k는 1 과 n 사이의 정수). 이렇게 측정된 각 모노셀의 전압값은 SOC로의 환산을 통해 각 모노셀의 리튬 충전량을 평가할 수 있다. 도 8 또는 도 9와 같이 전극 조립체가 제1 전극을 9개 포함하고, 제2 전극을 8개 포함하는 경우 총 16개의 모노셀의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 모노셀의 전압값을 측정하는 단계는, 이차전지의 SOC 값에 따른 각 모노셀의 전압값을 측정하는 과정을 포함한다. 이는 이차전지의 충전 과정에서 복수 개의 전극이 적층된 전극 조립체의 리튬 충전량을 모사하기 위한 것이다. 구체적으로 이차전지를 충방전하는 단계에서 이차전지를 특정 SOC로 충전시킨 후 각 모노셀의 전압을 측정하여 각 모노셀의 리튬 충전량을 평가할 수 있다. 예를 들어, 이차전지의 SOC를 10%로 맞춘 상태에서 각 모노셀의 전압을 측정하고, 이어서 SOC를 20%로 맞춘 상태에서 각 모노셀의 전압을 측정하는 것과 같이 이차전지의 SOC를 점차 변화시켜가면서 각 모노셀의 리튬 충전량이 어떻게 변화하는지를 모사할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 평가 방법은 상기 모노셀의 전압값으로부터, 퇴화된 모노셀을 판별하는 단계(S50)를 더 포함한다. 퇴화된 모노셀은 전지의 사용에 따라 열화되거나 불량인 전극을 포함하는 모노셀을 의미한다. 본 발명에 따른 전지 평가 방법에서 다른 모노셀들의 평균 전압 또는 설정된 기준 전압에 비해 낮은 전압을 나타내는 모노셀을 퇴화된 것으로 평가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 평가 방법에서, 상기 이차전지를 제조하는 단계는, 음극 중 적어도 하나를 전리튬화하는 과정을 포함할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 음극 중 적어도 하나를 전리튬화함으로써 리튬 충전량 평가에 있어서 음극의 전리튬화에 따른 영향을 평가하기 위한 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 전리튬화 방법으로는 음극 활물질을 물리화학적 방법에 의해 리튬화 시킨 후 전극을 제조하는 방법 및 음극을 전기화학적으로 전리튬화 시키는 방법 등 공지 기술을 사용 가능하다.
이에 따라, 모노셀의 전압값을 측정하는 단계에서는 전리튬화된 음극과 그렇지 않은 음극의 리튬 충전량을 비교하고, 전리튬화시 음극에 도핑되는 리튬의 양을 평가할 수 있다. 이는 방전 용량의 측정에 의해 평가할 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체에 포함된 음극의 일부를 전리튬화한 후 이차전지를 1회 만충전하고, 이를 다시 방전시키면서 각 모노셀의 전압을 측정하고, 이로부터 각 모노셀의 방전 프로파일을 구할 수 있다. 상기 방전 프로파일로부터 각 모노셀의 방전 용량 및 비가역 용량을 계산하고, 전리튬화된 음극을 포함하는 모노셀이 그렇지 않은 모노셀에 비해 어느 정도 비가역 용량이 개선되었는지를 파악할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
10, 100, 200: 전극 조립체
11: 양극 집전체 12: 양극 활물질층
13: 양극 14: 음극 집전체
15: 음극 활물질층 16 음극
17: 분리막
110, 210: 제1 전극 111, 211: 제1 전극 집전체
112, 212: 제1 전극 활물질층 113, 213: 제1 전극 탭
114, 214: 제1 보조 탭 115, 215: 제1 전극 리드
120, 220: 제2 전극 121, 221: 제2 전극 집전체
122, 222: 제2 전극 활물질층 123, 223: 제2 전극 탭
124, 224: 제2 보조 탭 125, 225: 제2 전극 리드
130, 230: 분리막
300, 400: 이차전지 310, 410: 전지 케이스
320, 420: 와이어

Claims (11)

  1. 복수 개의 제1 전극 및 상기 제1 전극과 반대 극성을 갖는 복수 개의 제2 전극이 분리막이 개재된 상태로 교번하여 적층되며,
    상기 복수 개의 제1 전극은, 각각 제1 전극의 일 측면에 형성된 제1 전극 탭 및 상기 제1 전극 탭이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제1 보조 탭을 포함하고,
    상기 복수 개의 제2 전극은, 각각 제2 전극의 일 측면에 형성된 제2 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭이 형성된 측면과 수직하는 양 측면 중 어느 하나에 형성되는 제2 보조 탭을 포함하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극을 n+1개 포함하고, 제2 전극을 n개 포함하는 전극 조립체.
    (단, n은 2 이상의 정수)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극을 모두 n개 포함하는 전극 조립체.
    (단, n은 2 이상의 정수)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보조 탭들은 각각 제1 전극 탭이 형성된 일 측면과의 이격 거리가 서로 상이하고,
    상기 제2 보조 탭들은 각각 제2 전극 탭이 형성된 일 측면과의 이격 거리가 서로 상이한 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 보조 탭 및 제2 보조 탭들은 전극의 적층 방향으로 서로 겹쳐지지 않는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보조 탭들의 돌출 방향은 서로 동일하며,
    상기 제2 보조 탭들은 제1 보조 탭들에 대하여 서로 대향하는 방향으로 돌출되는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보조 탭 및 제2 보조 탭들은 전극 조립체의 측면을 따라 서로 교번하여 돌출되는 전극 조립체.
  8. 제1항에 따른 전극 조립체가 전지 케이스 내부에 수납된 구조이며,
    상기 제1 보조 탭들 및 제2 보조 탭들 각각은 와이어에 연결되어 있고,
    상기 와이어는 일단이 상기 제1 보조 탭 또는 제2 보조 탭에 전기적으로 연결되고, 타단이 전지 케이스의 외부로 인출된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 따른 이차전지를 제조하는 단계;
    상기 이차전지를 충방전하는 단계;
    분리막을 사이에 두고 인접한 제1 전극과 제2 전극에 대하여, 제1 보조 탭과 제2 보조 탭에 연결된 와이어를 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 인접한 제1 전극과 제2 전극이 이루는 모노셀의 전압값을 측정하는 단계를 포함하는 전지 평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모노셀의 전압값을 측정하는 단계는,
    이차전지의 SOC 값에 따른 각 모노셀의 전압값을 측정하는 과정을 포함하는 전지 평가 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 모노셀의 전압값으로부터, 퇴화된 모노셀을 판별하는 단계를 더 포함하는 전지 평가 방법.
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KR1020200071415A KR20210154423A (ko) 2020-06-12 2020-06-12 보조 탭을 포함하는 전극 조립체, 이를 포함하는 이차전지 및 전지 평가 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101806416B1 (ko) 2015-04-10 2017-12-07 주식회사 엘지화학 기준 전극(reference electrode)을 포함하는 리튬 이온 이차 전지

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KR101806416B1 (ko) 2015-04-10 2017-12-07 주식회사 엘지화학 기준 전극(reference electrode)을 포함하는 리튬 이온 이차 전지

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