KR20240097381A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 커브드 이차 전지 - Google Patents

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KR20240097381A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 전극들; 및 상기 전극들 사이에 위치한 분리막;을 포함한다. 상기 전극은, 볼록면과 오목면을 갖도록 휘어진 형태의 전극 집전체; 상기 전극 집전체의 상기 볼록면에 위치한 제1 활물질층; 및 상기 전극 집전체의 상기 오목면에 위치한 제2 활물질층;을 포함한다. 상기 제1 활물질층에 포함된 활물질 소재는, 상기 제2 활물질층에 포함된 활물질 소재보다, 충전 시의 단위 부피당 스웰링 정도가 크다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 커브드 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND CURVED SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 커브드 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 곡률 변화가 개선된 전극 조립체 및 이를 포함하는 커브드 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 이차 전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 이차 전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 이차 전지 및 전극 조립체가 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
한편, 최근에는 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고 있으므로, 다양한 형태의 디자인이 설계되고 있다. 특히, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 전자 기기는 인체공학적인 설계를 위해소정의 곡면을 갖는 디자인을 포함하도록 설계되고 있다. 이에, 이러한 전자 기기들을 동작시키기 위해, 전자 기기들의 형상에 따라 소정의 곡면을 가지도록 이차 전지가 설계된다. 즉, 소정의 곡면을 갖는 커브드 이차 전지에 대한 수요가 늘어나고 있다.
커브드 이차 전지의 경우, 충전과 방전이 반복하더라도 그 형상이 유지되는 것이 중요하다. 그러나, 커브드 이차 전지는, 충방전의 사이클이 반복되면서, 곡률이 감소하는 방향으로 변화되는 경우가 있다. 커브드 이차 전지가 다수로 포함되는 전지 모듈이나 전지팩에서, 커브드 이차 전지의 이러한 곡률 변화가 발생할 경우, 커브드 이차 전지의 상, 하단에 국부적으로 압력이 증가하게 되고, 이는 전지의 성능 저하로 이어진다.
따라서, 충방전의 사이클이 반복되더라도, 곡률이 어느 정도 유지되는 커브드 이차 전지와 이에 포함되는 전극 조립체에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 충방전의 사이클이 반복되는 동안 곡률 변화를 줄일 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 커브드 이차 전지를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 전극들; 및 상기 전극들 사이에 위치한 분리막;을 포함한다. 상기 전극은, 볼록면과 오목면을 갖도록 휘어진 형태의 전극 집전체; 상기 전극 집전체의 상기 볼록면에 위치한 제1 활물질층; 및 상기 전극 집전체의 상기 오목면에 위치한 제2 활물질층;을 포함한다. 상기 제1 활물질층에 포함된 활물질 소재는, 상기 제2 활물질층에 포함된 활물질 소재보다, 충전 시의 단위 부피당 스웰링 정도가 크다.
상기 제1 활물질층은 실리콘 소재를 포함할 수 있다.
상기 제2 활물질층은 그라파이트(Graphite) 소재를 포함할 수 있다.
상기 전극들은 양극 및 음극을 포함할 수 있고, 상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층은 상기 음극에 포함될 수 있다.
상기 전극들 및 상기 분리막은 상기 전극 집전체의 형상과 대응하도록 휘어진 형태일 수 있다.
상기 전극들과 상기 분리막이 교대로 적층되어 적층형 구조체를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지는, 상기 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스;를 포함하고, 상기 전극 조립체 및 상기 전지 케이스는 모두 휘어진 형태이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 볼록면 방향과 오목면 방향의 활물질층의 소재를 다르게 형성하고 각 활물질층의 스웰링 정도를 조정함으로써, 충방전의 사이클이 반복되는 동안의 곡률 변화를 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 “B”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극을 나타낸 사시도이다.
도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 비교예에 따른 제1 전극의 충방전 전후를 각각 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극의 충방전 전후를 각각 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 이차 전지(1000)는, 소정의 곡률 반지름(R)을 갖도록 휘어진 형태의 이차 전지이다. 즉, 본 실시예에 따른 커브드 이차 전지(1000)는, 볼록면(S1)과 오목면(S2)을 갖도록 휘어진 형태이다.
커브드 이차 전지(1000)는 장착되는 전자 기기의 형상에 따라, 일정한 곡면을 가짐으로써 전자 기기와 커브드 이차 전지(1000) 간의 공간이 제거되어 전자 기기의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 커브드 이차 전지(1000)가 전자 기기의 내부에서 유동할 때 발생하는 커브드 이차 전지(1000)의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 이러한 커브드 이차 전지(1000)에 포함된다. 휘어진 형태의 전극 조립체(100)가 전지 케이스(400) 내부에 수납되고 전지 케이스(400)를 밀봉하여 커브드 이차 전지(1000)를 제조할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 커브드 이차 전지(1000)는, 전극 조립체(100) 및 이러한 전극 조립체(100)를 포함하는 전지 케이스(400)를 포함하고, 전극 조립체(100)와 전지 케이스(400)는 모두 휘어진 형태이다.
일례로, 전지 케이스(400)는 제1 케이스(410)와 제2 케이스(420)를 포함하는 파우치형 케이스일 수 있다. 구체적으로, 제1 케이스(410) 또는 제2 케이스(420) 중 적어도 하나에 만입된 형태의 수납부가 형성될 수 있고, 전극 조립체(100)가 이러한 수납부에 놓일 수 있다. 전극 조립체(100)가 상기 수납부에 수납된 이후, 제1 케이스(410)의 외주변과 제2 케이스(420)의 외주변에 접합하여 실링부(400S)를 형성할 수 있다. 제1 케이스(410)의 외주변과 제2 케이스(420)의 외주변에 접합하기 위해 열 및/또는 압력이 인가될 수 있다.
파우치형 케이스의 전지 케이스(400)는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다. 보다 구체적으로 전지 케이스(400)는, 가장 바깥쪽에 위치하는 외측 수지층, 물질의 투과 방지를 위한 금속층 및 밀봉을 위한 내측 수지층을 포함할 수 있다. 즉, 제1 케이스(410)가 외측 수지층, 금속층 및 내측 수지층을 포함할 수 있고, 제2 케이스(420)도 외측 수지층, 금속층 및 내측 수지층을 포함할 수 있다.
전극 조립체(100)를 기준으로, 외측 수지층이 가장 바깥쪽에 위치하고, 내측 수지층이 가장 안쪽에 위치하며, 금속층은 외측 수지층과 내측 수지층 사이에 위치할 수 있다.
외측 수지층은 외부로부터 전극 조립체(100)를 보호하기 위해 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성을 갖고 전기적 절연성을 띌 수 있다. 이러한 외측 수지층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 수지 또는 나일론(nylon) 수지를 포함할 수 있다.
금속층은 공기, 습기 등이 커브드 이차 전지(1000) 내부의 전극 조립체(100)가 수납되는 공간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 금속층은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
내측 수지층은 전극 조립체(100)를 내장한 상태에서 인가된 열 및/또는 압력에 의해 서로 접합될 수 있다. 이러한 내측 수지층은 무연신 폴리프로필렌(Casted PolyPropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 케이스(410)와 제2 케이스(420)는, 외주변이 서로 접합되기 이전에는 서로 분리된 부재일 수 있다. 다른 실시예로써, 제1 케이스(410)와 제2 케이스(420)는, 라미네이트 시트에서의 접힌 부분인 폴딩부를 경계로 구분되는 부분일 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스는 각형 캔일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 커브드 이차 전지는 전극 조립체를 알루미늄 소재와 같은 금속 소재를 포함하는 각형 캔에 수납하여 제조할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 도 1 및 도 2와 함께 참고하여 본 실시예에 따른 전극 조립체에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 “B”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 1 내지 도 3을 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 전극들(210, 220) 및 전극들(210, 220) 사이에 위치한 분리막(300)을 포함한다.
특히, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 전극들(210, 220)과 분리막(300)이 교대로 적층되어 적층형 구조체를 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 전극들(210, 220)과 그 사이의 분리막(300)이 교대로 적층되어 형성된 적층형 전극 조립체일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체는, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 폴딩한 구조의 스택/폴딩형(Stack & Folding, S&F) 전극 조립체일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체는 양극과 음극을 제조한 후 분리막과 번갈아가면서 쌓는 방식의 지그재그 스태킹(Zigzag stacking, ZZS) 방식의 전극 조립체일 수 있다.
구체적으로, 전극들(210, 220)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220)을 포함할 수 있고, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 각각 다수로 구비될 수 있다. 분리막(300)은, 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 간의 접촉을 차단하기 위해, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)의 사이에 개재될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 전극(210)은, 볼록면(213a)과 오목면(213b)을 갖도록 휘어진 형태의 전극 집전체(213); 전극 집전체(213)의 볼록면(213a)에 위치한 제1 활물질층(211); 및 전극 집전체(213)의 오목면(213b)에 위치한 제2 활물질층(212);을 포함한다. 이러한 제1 전극(210)은 음극일 수 있고, 제1 전극(210)의 전극 집전체(213)는 음극 집전체일 수 있으며, 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)은 음극 활물질층일 수 있다.
제1 전극(210)의 전극 집전체(213)는 금속 소재를 포함하는 판재 형상일 수 있다. 일례로 전극 집전체(213)는, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
전극 활물질이 전극 집전체(213)의 볼록면(213a)에 도포되어 제1 활물질층(211)이 형성될 수 있고, 다른 전극 활물질이 전극 집전체(213)의 오목면(213b)에 도포되어 제2 활물질층(212)이 형성될 수 있다. 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)의 소재에 대해서는 후술하도록 한다.
본 실시예에 따른 제2 전극(220)은, 휘어진 형태의 전극 집전체(223); 및 전극 집전체(223)의 양면에 위치한 활물질층(221)을 포함한다. 이러한 제2 전극(220)은 양극일 수 있고, 제2 전극(220)의 전극 집전체(223)는 양극 집전체일 수 있으며, 활물질층(221)은 양극 활물질층일 수 있다.
제2 전극(220)의 전극 집전체(223)는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 전극 집전체(223)의 양면에 위치한 활물질층(221)들은, 양극 활물질로써, 리튬 계열의 소재를 포함할 수 있다.
한편, 제1 전극(210)의 전극 집전체(213)에 제1 전극 탭(210t)이 직, 간접적으로 연결될 수 있고, 이러한 제1 전극 탭(210t)이 전지 케이스(400)의 외부로 돌출될 수 있다. 제2 전극(220)의 전극 집전체(223)에 제2 전극 탭(220t)이 직, 간접적으로 연결될 수 있고, 이러한 제2 전극 탭(220t)이 전지 케이스(400)의 외부로 돌출될 수 있다. 이 때, 제1 전극(210)의 전극 집전체(213)와 연결된 제1 전극 탭(210t)은 음극 탭일 수 있고, 제2 전극(220)의 전극 집전체(223)와 연결된 제2 전극 탭(220t)은 양극 탭일 수 있다. 도 1에서는 제1 전극 탭(210t)과 제2 전극 탭(220t)이 같은 방향으로 돌출된 것으로 도시하였으나, 제1 전극 탭(210t)과 제2 전극 탭(220t)이 다른 방향으로 돌출되는 것도 가능하다.
상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 커브드 이차 전지(1000)에 포함되는 것으로, 휘어진 형태를 갖는데, 전극 조립체(100)에 포함되는 전극들(210, 220) 및 분리막(300)은 전극 집전체(213, 223)의 형상과 대응하도록 휘어진 형태일 수 있다.
이하에서는, 제1 활물질층과 제2 활물질층에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극을 나타낸 사시도이다. 즉, 전극 조립체(100)에 있어서, 다른 구성은 제외하고, 설명의 편의를 위해 제1 전극(210)들 중 하나만을 도 4에 도시하였다.
도 4를 도 2 및 도 3과 함께 참고하면, 상술한 바대로, 제1 활물질층(211)은 전극 집전체(213)의 볼록면(213a) 상에 위치하고, 제2 활물질층(212)은 전극 집전체(213)의 오목면(213b) 상에 위치한다.
이 때, 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)은 서로 상이한 소재를 포함한다. 구체적으로, 제1 활물질층(211)에 포함된 활물질 소재는 제2 활물질층(212)에 포함된 활물질 소재보다, 충전 시의 단위 부피당 스웰링 정도가 크다. 보다 구체적으로, 충전 시의 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation) 작용이 이루어질 때, 단위 부피당 스웰링 정도가 상대적으로 큰 소재가 제1 활물질층(211)에 포함되고, 활물질층의 단위 부피당 스웰링 정도가 상대적으로 작은 소재가 제2 활물질층(212)에 포함될 수 있다. 일례로, 제1 활물질층(211)은, 실리콘(Si) 소재를 포함할 수 있고, 제2 활물질층(212)은 그라파이트(Graphite) 소재를 포함할 수 있다.
상술한 것처럼, 전극들(210, 220)은 양극 및 음극을 포함하는데, 충전 시의 스웰링 정도가 다른 소재가 각각 포함되는 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)은, 음극에 포함될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따라 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)을 포함하는 제1 전극(210)은 음극일 수 있다.
제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212) 각각에는 리튬(Lithium), 그라파이트(Graphite), 그래핀(Graphene), 탄소질(Carbonaceous), 합금(Alloys), Si/Sn계 산화물(Si/Sn-based oxides), 황화물(sulfides), 질소화물(nitrides), 인화물(phosphides), 인(Phosphorus), 3d 금속 산화물(3d-metal oxides), 티타늄옥사이드(Titanium Oxides)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재가 포함될 수 있다. 대신, 충전 시의 단위 부피당 스웰링 정도가 상대적으로 큰 소재가 제1 활물질층(211)에 포함되고, 활물질층의 단위 부피당 스웰링 정도가 상대적으로 작은 소재가 제2 활물질층(212)에 포함되도록 조합되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 충전 시의 스웰링 정도가 다른 소재를 포함하는 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)을, 전극 집전체(213)의 볼록면(213a)과 오목면(213b)에 각각 마련함으로써, 전극 조립체(100)의 곡률 변화를 최소화하고자 하였다. 이에 대해 도 5 및 도 6을 참고하여 설명하도록 한다.
도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 비교예에 따른 제1 전극의 충방전 전후를 각각 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극의 충방전 전후를 각각 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)를 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 제1 전극(21)은 전극 집전체(21F) 및 전극 집전체(21F)의 양면에 각각 위치한 활물질층(21L)들을 포함할 수 있다. 본 실시예와 다르게, 각 활물질층(21L)에는 동일한 음극 활물질 소재가 포함될 수 있다.
이러한 제1 전극(21)을 포함하는 전극 조립체는, 충방전의 사이클이 반복됨에 따라, 점차 곡률이 변화한다. 도 5의 (b)는 충방전의 사이클이 반복된 이후의 제1 전극(21)을 도시한 것으로, 충방전의 사이클이 반복되기 전인 도 5의 (a)의 제1 전극(21)에 비해 곡률이 감소한 것을 알 수 있다. 즉, 충방전의 사이클이 반복되기 전의 제1 전극(21)이 갖는 곡률 반지름(R1)에 비해, 충방전의 사이클이 반복되고 나서의 제1 전극(21)이 갖는 곡률 반지름(R2)은 증가된 것을 알 수 있다.
위와 같이, 충방전의 사이클이 반복되면서 제1 전극(21)을 포함하는 전극 조립체의 곡률이 변화할 경우, 전극 조립체를 포함하는 커브드 이차 전지의 상, 하단에 국부적으로 압력이 증가하게 되고, 이는 전지의 성능 저하로 이어진다.
반면, 도 6의 (a)를 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 전극(210)의 경우, 충전 시의 스웰링 정도가 다른 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)이 각각 전극 집전체(213)의 볼록면과 오목면에 마련되어 있다. 도 6의 (b)는 충방전 사이클이 반복된 이후의 제1 전극(210)을 도시한 것인데, 충방전 사이클이 반복되어도, 제1 전극(210)의 곡률이 거의 유사하게 유지된다. 즉, 충방전의 사이클이 반복되기 전의 제1 전극(210)이 갖는 곡률 반지름(R1)은, 충방전의 사이클이 반복되고 나서의 제1 전극(210)이 갖는 곡률 반지름(R1’)과 거의 유사하다. 본 실시예에 따른 제1 전극(210)은, 충방전 사이클이 반복되어도 곡률 변화가 최소화된다.
다시 도 5의 (a)와 (b)를 참고하면, 일반적인 플랫형의 전극에 곡선화(Curving) 공정을 실시하여 커브드 전극을 제조함에 있어, 볼록면에 위치한 활물질층(21L)에는 인장력이 작용하고 오목면에 위치한 활물질층(21L)에는 압축력이 작용한다. 이러한 상태에서 충방전의 사이클이 반복되면, 인장력이 작용한 볼록면의 활물질층(21L)의 활물질은 인터칼레이션(intercalation)에 기인한 스웰링 시 활물질 내 공간이 비교적 충분하다. 즉, 볼록면의 활물질층(21L)에 포함된 활물질은 활물질 내 압력이 낮다. 반면, 압축력이 작용한 오목면의 활물질층(21L)의 활물질은 인터칼레이션(intercalation) 시 공간이 비교적 부족하여, 활물질 내 압력이 높다. 볼록면의 활물질층(21L)과 오목면의 활물질층(21L) 간의 이러한 활물질 내 압력 차이로 인해, 충방전의 사이클이 반복되면, 곡률 반지름이 증가하는 방향으로 커브드 전극이 변화한다.
도 3 및 도 6의 (a), (b)를 다시 참고하면, 상기와 같은 커브드 전극의 곡률 변화의 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서는 볼록면(213a)에 위치한 제1 활물질층(211)에 포함된 활물질 소재가, 오목면(213b)에 위치한 제2 활물질층(212)에 포함된 활물질 소재보다, 충전 시의 단위 부피당 스웰링 정도가 크도록 설정하였다.
제1 활물질층(211)에 포함된 활물질 소재를 상대적으로 스웰링 정도가 큰 소재로 설정함으로써, 제1 활물질층(211)에서의 활물질 내 압력을 높일 수 있고, 결국 제1 활물질층(211)에서의 활물질 내 압력과 제2 활물질층(212)에서의 활물질 내 압력이 서로 유사하도록 조정할 수 있다. 그렇게 되면 충방전의 사이클이 반복되어도 곡률 변화가 최소화될 수 있다. 즉, 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)의 소재를 서로 다르게 구성하여, 제1 활물질층(211)과 제2 활물질층(212)의 곡선 구조에서 기인한 곡률 변화 문제를 해결하고자 하였다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 커브드 이차 전지가 다수개 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 이러한 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 커브드 이차 전지, 상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 휴대폰, 노트북, 컴퓨터 등의 전자 기기나 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전극 조립체
210: 제1 전극
211: 제1 활물질층
212: 제2 활물질층
213: 전극 집전체
213a: 볼록면
213b: 오목면
220: 제2 전극
221: 활물질층
223: 전극 집전체
300: 분리막
400: 전지 케이스
410: 제1 케이스
420: 제2 케이스
1000: 커브드 이차 전지

Claims (7)

  1. 전극들; 및
    상기 전극들 사이에 위치한 분리막;을 포함하고,
    상기 전극은, 볼록면과 오목면을 갖도록 휘어진 형태의 전극 집전체; 상기 전극 집전체의 상기 볼록면에 위치한 제1 활물질층; 및 상기 전극 집전체의 상기 오목면에 위치한 제2 활물질층;을 포함하고,
    상기 제1 활물질층에 포함된 활물질 소재는, 상기 제2 활물질층에 포함된 활물질 소재보다, 충전 시의 단위 부피당 스웰링 정도가 큰 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 활물질층은 실리콘 소재를 포함하는 전극 조립체
  3. 제1항에서,
    상기 제2 활물질층은 그라파이트(Graphite) 소재를 포함하는 전극 조립체.
  4. 제1항에서,
    상기 전극들은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층은 상기 음극에 포함되는 전극 조립체.
  5. 제1항에서,
    상기 전극들 및 상기 분리막은 상기 전극 집전체의 형상과 대응하도록 휘어진 형태인 전극 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 전극들과 상기 분리막이 교대로 적층되어 적층형 구조체를 형성하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 따른 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스;를 포함하고,
    상기 전극 조립체 및 상기 전지 케이스는 모두 휘어진 형태인 커브드 이차 전지.
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