WO2023210941A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀 Download PDF

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WO2023210941A1
WO2023210941A1 PCT/KR2023/002536 KR2023002536W WO2023210941A1 WO 2023210941 A1 WO2023210941 A1 WO 2023210941A1 KR 2023002536 W KR2023002536 W KR 2023002536W WO 2023210941 A1 WO2023210941 A1 WO 2023210941A1
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WO
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unit cell
electrode assembly
cathode
anode
separator
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김대수
김영덕
최순형
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and a battery cell including the same, and more specifically, to an electrode assembly capable of ensuring the stability of the battery cell by causing a short circuit under overvoltage conditions, and to a battery cell including the same.
  • Secondary batteries are attracting much attention as an energy source not only for mobile devices such as mobile phones, digital cameras, and laptops, but also for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • lithium secondary batteries have the advantages of being able to charge and discharge freely, have a low self-discharge rate, and have high energy density. It is receiving the most attention.
  • secondary batteries are classified into cylindrical batteries and square batteries in which the electrode assembly is built into a cylindrical or square metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is built in a pouch-shaped case of aluminum laminate sheet. .
  • secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly, which consists of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • Representative examples include a jelly-roll type (wound type) electrode assembly in which long sheet-shaped anodes and cathodes are wound with a separator interposed between them, and a plurality of anodes and cathodes cut into units of a predetermined size are wound with a separator interposed between them.
  • Examples include a stacked (stacked) electrode assembly that is sequentially stacked. Recently, in order to solve the problems of the jelly-roll type electrode assembly and the stacked electrode assembly, a stacked/folding type electrode assembly, which is a mixture of the jelly-roll type and the stack type, was developed.
  • FIG. 1 is a side view of a conventional electrode assembly.
  • the electrode assembly is a stacked electrode assembly, and mainly the cathode 11, the first separator 13, and the anode 12 are stacked, or the anode 12, the first separator 13, and the cathode ( 11) is formed by sequentially stacking unit cells with the second separator 30 interposed therebetween.
  • the first separator 13 is formed to be longer than the length of the anode 12 or the cathode 11, so in the electrode assembly, the end of the first separator 13 is not adhered to the anode 12 or the cathode 11. It exists in a non-existent state.
  • the first separator 13 and the second separator 30 have substantially the same configuration.
  • one end of the cathode 11 typically protrudes more than one end of the anode 12.
  • the possibility of the battery exploding increases due to problems such as additional decomposition of the electrolyte or desorption of oxygen from the anode. Therefore, when a battery is overcharged, a technology is needed to prevent the voltage from rapidly rising by short-circuiting the battery.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an electrode assembly with improved safety and a battery cell including the same.
  • An electrode assembly in which a plurality of unit cells including a cathode, an anode, and a separator according to an embodiment of the present invention are stacked, and the electrode assembly includes a separator located between the plurality of unit cells, the end of the cathode is the anode. a first unit cell protruding from the end; and a second unit cell where an end of the anode protrudes beyond an end of the cathode.
  • the second unit cell includes a second cathode, a second anode, and a second separator positioned between the second cathode and the second anode, and an end of the second anode protrudes beyond an end of the second cathode.
  • the length of the second anode may be longer than the length of the second cathode.
  • the difference between the length of the second cathode and the second anode may be less than 1%.
  • the difference between the length of the second cathode and the second anode may be 0.4% or less.
  • the distance between the end of the second cathode and the end of the second separator may be longer than the distance between the end of the second anode and the second separator.
  • lithium may be deposited at a lower potential than the first unit cell.
  • Lithium may be deposited in the second unit cell when the voltage applied to the second unit cell is 4.5V or more and 5.5V or less.
  • the capacity development of the anode of the second unit cell may be greater than the capacity development of the cathode of the second unit cell.
  • the first unit cell may be at least one.
  • the second unit cell may be provided adjacent to the outermost first unit cell.
  • the second unit cell may be an outermost unit cell.
  • the second unit cell may be located between the plurality of first unit cells.
  • the maximum voltage may decrease when the battery is overcharged.
  • a battery cell according to another embodiment of the present invention includes the electrode assembly described above.
  • the safety of the electrode assembly and the battery cell including the same can be improved by using the difference in length between one end of the negative electrode and one end of the positive electrode.
  • FIG. 1 is a side view of a conventional electrode assembly.
  • Figure 2 is a side view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3(a) is a perspective view of a first unit cell constituting an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3(b) is a perspective view of a second unit cell constituting an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing a second unit cell according to an embodiment of the present invention in an overcharged state.
  • Figure 5 is a side view of a unit cell constituting an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the voltage applied to the battery when the battery is overcharged.
  • Figure 7 is a photograph showing a conventional unit cell in an overcharged state.
  • Figure 8 is a photograph of a unit cell according to an embodiment of the present invention in an overcharged state.
  • a part of a layer, membrane, region, plate, etc. when a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between.
  • being "on” or “on” a reference part means being located above or below the reference part, and necessarily meaning being located “above” or "on” the direction opposite to gravity. no.
  • Figure 2 is a side view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3(a) is a perspective view of a first unit cell constituting an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3(b) is a perspective view of a second unit cell constituting an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 1000 is a stacked electrode assembly and includes a first unit cell 100, a second unit cell 200, and a third separator 300.
  • the electrode assembly 1000 in FIG. 2 schematically shows one area when the center of the electrode assembly 1000 is cut in the z-axis direction.
  • the first unit cell 100 has a structure in which a first anode 120, a first separator 130, and a first cathode 110 are stacked.
  • the first unit cell 100 has a structure in which the end of the first cathode 110 protrudes more than the end of the first anode 120. That is, the length of the first cathode 110 of the first unit cell 100 may be longer than the length of the first anode 120. However, the length of the first cathode 110 and the first anode 120 may be shorter than the length of the first separator 130. Accordingly, the end of the first separator 130 exists in a state that is not adhered to the first cathode 110 or the first anode 120.
  • the second unit cell 200 has a structure in which a second anode 220, a second separator 230, and a second cathode 210 are stacked. More specifically, the second unit cell 200 has a structure in which the end of the second anode 220 protrudes more than the end of the second cathode 210. That is, the length of the second anode 220 of the second unit cell 200 may be longer than the length of the second cathode 210. In this case, the difference between the length of the second cathode 210 and the second anode 220 may be less than 1%.
  • the length of the second cathode 210 and the second anode 220 may be shorter than the length of the second separator 230. Accordingly, the end of the second separator 230 exists in a state that is not adhered to the second cathode 210 or the second anode 220.
  • the distance between the end of the second cathode 210 and the end of the second separator 230 is the second anode ( It may be longer than the distance between 220) and the end of the second separator 230.
  • the third separator 300 is stacked while positioned between the first unit cell 100 and the second unit cell 200, and the first unit cell 100 and the second unit cell 100 located at the outermost It is located in contact with one side of the unit cell 200.
  • the third separator 300 is located between the first unit cell 100 and the second unit cell 200 and serves to insulate the first unit cell 100 and the second unit cell 200. do.
  • the third separator 300 performs the same role as the first separator 130 of the first unit cell 100 and the second separator 230 of the second unit cell 200, and is formed of the same material. You can.
  • first unit cells 100 and one second unit cell 200 constituting the electrode assembly 1000 there may be one or more first unit cells 100 and one second unit cell 200 constituting the electrode assembly 1000 according to an embodiment of the present invention. That is, the sum of the number of first unit cells 100 and second unit cells 200 may be 2 or more.
  • the sum of the number of first unit cells 100 and second unit cells 200 constituting the electrode assembly 1000 may be a total of 20, and specifically, 19 first unit cells 100 and It may consist of one second unit cell 200.
  • the second unit cell 200 is the first unit cell 100 located at the outermost position based on the stacking direction of the stack when a plurality of first unit cells 100 are stacked to form a stack. It may be provided adjacent to. That is, the second unit cell 200 may be the outermost unit cell of the laminate.
  • the electrode assembly 1000 is not limited to the above structure. Additionally, the number of first unit cells 100 and second unit cells 200 is not limited to the above contents and can be changed arbitrarily by the user.
  • the second unit cells 200 may be located on both outermost sides of a laminate in which a plurality of first unit cells 100 are stacked, and at least one unit cell 200 may be located between the first unit cells 100.
  • the electrode assembly 1000 may be formed by placing two unit cells 200. That is, the number of second unit cells 200 may be at least one. In this case, as the number of second unit cells 200 increases, the maximum voltage of the battery may decrease when overcharged.
  • Figure 4 is a perspective view showing a second unit cell according to an embodiment of the present invention in an overcharged state.
  • the second unit cell 200 in an overcharged state when an overvoltage is applied to the battery, the second unit cell 200 according to an embodiment of the present invention precipitates lithium (Li, 211), short-circuiting the battery.
  • the operating range of lithium secondary batteries does not exceed 4.5V.
  • BMS Battery Management System
  • the reason why precipitation of lithium occurs in the second cathode 210 of the second unit cell 200 is as follows. If the end of the second anode 220 protrudes beyond the end of the second cathode 210, the capacity development of the locally protruding second anode 220 is greater than that of the second cathode 210. It becomes. In this case, excess lithium ions that are not inserted into the second cathode 210 during charging are generated in the form of lithium precipitation.
  • lithium (211) is deposited in the second unit cell 200.
  • the lithium 211 precipitated in the second unit cell 200 may cause a short circuit in the battery, preventing the voltage from increasing, thereby improving the stability of the battery.
  • the electrode assembly according to an embodiment of the present invention including the second unit cell 200 deposits lithium 211 at a lower potential compared to the conventional electrode assembly composed only of the first unit cell 100. This goes on. This precipitation of lithium 211 causes a short circuit in the negative electrode, which prevents the battery voltage from increasing, thereby improving the stability of the battery.
  • Figure 5 is a side view of a unit cell constituting an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the second negative electrode 210 is formed by coating the negative electrode current collector 211 with the negative electrode coating layer 212.
  • the negative electrode current collector 211 is generally made of copper (Cu), and the negative electrode coating layer 212 is located on one side and the other side of the negative electrode current collector 211.
  • the negative electrode coating layer 212 is coated on the negative electrode current collector 211 by mixing a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder.
  • the second positive electrode 220 is formed by coating the positive electrode current collector 221 with the positive electrode coating layer 222.
  • the positive electrode current collector 221 is generally made of aluminum (Al), and the positive electrode coating layer 222 is located on one side and the other surface of the positive electrode current collector 221.
  • the positive electrode coating layer 222 is coated on the positive electrode current collector 221 by mixing a positive active material, a conductive agent, and a binder.
  • the second separator 230 is located between the second cathode 210 and the second anode 220. Specifically, the second separator is located between the cathode coating layer 212 of the second cathode 210 and the anode coating layer 222 of the second anode 220. When the cathode coating layer 212 and the anode coating layer 222 of the second cathode 210 come into contact with each other, a short circuit of the battery occurs, so the second separator 230 is positioned between them to prevent this.
  • Figure 6 is a graph showing the voltage applied to the battery when the battery is overcharged.
  • Table 1 shows the maximum voltage applied to the comparative and experimental examples, respectively, when the battery is overcharged.
  • the comparative example is a battery including the conventional electrode assembly of FIG. 1, and the experimental example is the electrode assembly 1000 including the first unit cell 100 and the second unit cell 200 of FIGS. 2 and 3. It is a battery containing.
  • the experimental example is an electrode assembly 1000 including a second unit cell 200 located at the outermost part of the first unit cell 100 stack, and the second unit cell 200 constituting the second unit cell 200
  • the electrode assembly 1000 may have a length difference of 0.4% between the cathode 210 and the second anode 220.
  • the experiment measures the maximum voltage at which a short circuit occurs when the current is applied to the battery up to 8V at a charging rate of 1C.
  • the voltage rises to 6.243V, and then a short circuit occurs and the voltage falls again.
  • the voltage rises to 5.369V when overcharging, and then a short circuit occurs and the voltage falls again.
  • the voltage applied to the experimental example is 4.5V or more and 5.5V or less, a short circuit may occur.
  • the maximum voltage of the experimental example is about 1V lower than the maximum voltage of the comparative example.
  • the experimental example according to an embodiment of the present invention has a smaller voltage increase and a smaller maximum voltage compared to the comparative example, so it can be seen that it is superior in terms of battery stability.
  • Figure 7 is a photograph showing a conventional unit cell in an overcharged state.
  • Figure 8 is a photograph of a unit cell according to an embodiment of the present invention in an overcharged state.
  • the conventional unit cell may be the first unit cell of FIGS. 2 and 3, and the unit cell according to an embodiment of the present invention may be the second unit cell of FIGS. 2 and 3.
  • lithium in the same overcharge state, lithium does not precipitate in the first unit cell, but lithium precipitates in the second unit cell. That is, in the battery cell including the second unit cell, lithium is precipitated at the same potential as compared to the battery cell composed only of the first unit cell. In addition, in a battery cell including a second unit cell, lithium is easily deposited at a lower potential compared to a battery cell composed only of the first unit cell. Specifically, lithium may be deposited in the second unit cell when the voltage applied to the second unit cell is 4.5V or more and 5.5V or less.
  • lithium is precipitated above a certain voltage, and the increase in voltage is thereby suppressed, thereby improving stability compared to a conventional battery cell.
  • the electrode assembly described above and the battery cell including it can be applied to battery modules, battery packs, and various devices. These devices can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric cars, and hybrid cars, but the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices that can use battery modules and battery packs containing them, which are also applicable to the present invention. It falls within the scope of invention rights.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀을 포함하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극, 양극, 및 분리막을 포함하는 복수의 단위셀이 적층되고, 상기 복수의 단위셀 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 조립체는, 상기 음극의 일단부가 상기 양극의 일단부보다 돌출된 제1 단위셀; 및 상기 양극의 일단부가 상기 음극의 일단부보다 돌출된 제2 단위셀을 포함한다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 4월 25일자 한국 특허 출원 제10-2022-0050981호 및 2023년 2월 20일자 한국 특허 출원 제10-2023-0022115호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 과전압 조건에서 단락을 발생시켜 전지셀의 안정성 확보가 가능한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.
이차 전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또, 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 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되기도 하였다.
도 1은 종래의 전극 조립체의 측면도이다.
도 1을 참고하면, 전극 조립체는 스택형 전극 조립체로써, 주로 음극(11), 제1 분리막(13), 양극(12)이 적층되거나, 양극(12), 제1 분리막(13), 음극(11)이 순차적으로 적층된 단위셀들이 제2 분리막(30)을 사이에 두고 적층됨으로써 형성된다.
통상적으로 제1 분리막(13)은 양극(12) 또는 음극(11)의 길이보다 보다 길게 형성되므로, 전극 조립체에서 제1 분리막(13)의 끝단은 양극(12) 또는 음극(11)과 접착되지 않은 상태로 존재한다. 여기서, 제1 분리막(13)과 제2 분리막(30)은 실질적으로 동일한 구성이다.
또한, 통상적으로 음극(11)의 일단부는 양극(12)의 일단부보다 돌출되어 있다. 이러한 구조를 가지는 단위셀에 있어서, 전지의 작동 범위가 4.5V 이상인 과전압 상태에서는 전해질의 추가적인 분해나 양극 산소 탈리 등의 문제로 인해, 배터리가 폭발할 가능성이 높아진다. 따라서, 전지가 과충전될 경우, 전지를 단락시켜 전압이 급격하게 상승하는 것을 방지하는 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 안전성이 개선된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀을 제공하기 위한 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 음극, 양극, 및 분리막을 포함하는 복수의 단위셀이 적층되고, 상기 복수의 단위셀 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 조립체는, 상기 음극의 단부가 상기 양극의 단부보다 돌출된 제1 단위셀; 및 상기 양극의 단부가 상기 음극의 단부보다 돌출된 제2 단위셀을 포함한다.
상기 제2 단위셀은 제2 음극, 제2 양극 및 상기 제2 음극과 상기 제2 양극 사이에 위치하는 제2 분리막을 포함하고, 상기 제2 양극의 단부는 상기 제2 음극의 단부보다 돌출되며, 상기 제2 양극의 길이가 상기 제2 음극의 길이보다 길 수 있다.
상기 제2 음극의 길이와 상기 제2 양극의 길이 차이는 1% 미만일 수 있다.
상기 제2 음극의 길이와 상기 제2 양극의 길이 차이는 0.4% 이하일 수 있다.
상기 제2 음극의 끝단과 상기 제2 분리막의 끝단 사이의 거리는, 상기 제2 양극과 상기 제2 분리막의 끝단 사리의 거리보다 길 수 있다.
상기 제2 단위셀은, 상기 제1 단위셀보다 낮은 전위에서 리튬이 석출될 수 있다.
상기 제2 단위셀은, 상기 제2 단위셀에 가해지는 전압이 4.5V 이상 5.5V 이하일 때, 리튬이 석출될 수 있다.
상기 제2 단위셀은, 상기 제2 단위셀의 양극의 용량 발현이 상기 제2 단위셀의 음극의 용량 발현보다 클 수 있다.
상기 제1 단위셀은 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 제2 단위셀은, 상기 최외각 제1 단위셀과 인접하게 구비될 수 있다.
상기 제2 단위셀은, 최외각 단위셀일 수 있다.
상기 제2 단위셀은, 상기 복수의 제1 단위셀 사이에 위치할 수 있다.
상기 제2 단위셀의 개수가 증가할수록, 전지의 과충전 시 최대 전압이 낮아질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀은, 상기에서 설명한 전극 조립체를 포함한다.
실시예들에 따르면, 음극의 일단부와 양극의 일단부의 길이 차이를 이용하여 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀의 안전성을 향상시킬 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 종래의 전극 조립체의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 측면도이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제1 단위셀의 사시도이다. 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제2 단위셀의 사시도이다.
도 4는 과충전 상태에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 단위셀을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 단위셀의 측면도이다.
도 6은 전지의 과충전 시, 전지에 가해지는 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7은 과충전 상태에서의 종래의 단위셀을 나타내는 사진이다.
도 8은 과충전 상태에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀의 사진이다.
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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 측면도이다. 도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제1 단위셀의 사시도이다. 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 제2 단위셀의 사시도이다.
도 2를 참고하면, 전극 조립체(1000)는 스택형 전극 조립체로써, 제1 단위셀(100), 제2 단위셀(200) 및 제3 분리막(300)을 포함한다. 도 2의 전극 조립체(1000)는, 전극 조립체(1000)의 중심부를 z축 방향으로 잘랐을 때의 일 영역을 개략적으로 도시한 것이다.
보다 자세하게는, 도 2 및 도 3(a)를 참고하면, 제1 단위셀(100)은 제1 양극(120), 제1 분리막(130) 및 제1 음극(110)이 적층된 구조이다. 구체적으로, 제1 단위셀(100)은, 제1 음극(110)의 단부가 제1 양극(120)의 단부보다 돌출된 구조이다. 즉, 제1 단위셀(100)의 제1 음극(110)의 길이는 제1 양극(120)의 길이보다 더 길 수 있다. 다만, 제1 음극(110) 및 제1 양극(120)의 길이는, 제1 분리막(130)의 길이보다 짧을 수 있다. 따라서, 제1 분리막(130)의 끝단은 제1 음극(110) 또는 제1 양극(120)과 접착되지 않은 상태로 존재한다.
도 2 및 도 3(b)를 참고하면, 제2 단위셀(200)은 제2 양극(220), 제2 분리막(230) 및 제2 음극(210)이 적층된 구조이다. 보다 구체적으로, 제2 단위셀(200)은 제2 양극(220)의 단부가 제2 음극(210)의 단부보다 돌출된 구조이다. 즉, 제2 단위셀(200)의 제2 양극(220)의 길이는 제2 음극(210)의 길이보다 더 길 수 있다. 이 경우, 제2 음극(210)의 길이와 제2 양극(220)의 길이 차이는 1% 미만일 수 있다.
다만, 제2 음극(210) 및 제2 양극(220)의 길이는, 제2 분리막(230)의 길이보다 짧을 수 있다. 따라서, 제2 분리막(230)의 끝단은 제2 음극(210) 또는 제2 양극(220)과 접착되지 않은 상태로 존재한다.
이 때, 제2 음극(210)의 길이는 제2 양극(220)의 길이보다 더 짧으므로, 제2 음극(210)의 끝단과 제2 분리막(230)의 끝단 사이의 거리는, 제2 양극(220)과 제2 분리막(230)의 끝단 사이의 거리보다 길 수 있다.
도 2를 참고하면, 제3 분리막(300)은 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)의 사이에 위치하면서 적층되고, 최외각에 위치한 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)의 일면과도 접하면서 위치한다.
즉, 제3 분리막(300)은, 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200) 사이에 위치하여, 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)을 절연시키는 역할을 한다. 또한, 제3 분리막(300)은 제1 단위셀(100)의 제1 분리막(130) 및 제2 단위셀(200)의 제2 분리막(230)과 동일한 역할을 수행하며, 동일한 소재로 형성된 것일 수 있다.
도 2에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1000)를 구성하는 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)은 각각 하나 이상일 수 있다. 즉, 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)의 개수의 합은 2 이상일 수 있다.
일 예로, 전극 조립체(1000)를 구성하는 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)의 개수의 합은 총 20일 수 있고, 구체적으로, 19개의 제1 단위셀(100)과 1개의 제2 단위셀(200)로 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 단위셀(200)은, 제1 단위셀(100)이 복수 개 적층되어 적층체를 형성할 때, 상기 적층체의 적층 방향 기준으로 최외각에 위치한 제1 단위셀(100)과 인접하게 구비될 수 있다. 즉, 제2 단위셀(200)은 상기 적층체의 최외각 단위셀일 수 있다.
다만, 전극 조립체(1000)는 상기 구조에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 단위셀(100) 및 제2 단위셀(200)의 개수도 상기 내용에 한정되는 것은 아니며, 사용자가 임의로 변경 가능하다. 예를 들어, 복수의 제1 단위셀(100)들이 적층된 적층체의 양 최외각에 제2 단위셀(200)이 위치할 수도 있고, 제1 단위셀(100)들의 사이에 적어도 하나 이상의 제2 단위셀(200)이 위치하면서 전극 조립체(1000)를 구성할 수도 있다. 즉, 제2 단위셀(200)의 개수는 적어도 하나 이상일 수 있다. 이 경우, 제2 단위셀(200)의 개수가 증가할수록, 과충전 시 전지의 최대 전압이 낮아질 수 있다.
도 4는 과충전 상태에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 단위셀을 나타내는 사시도이다.
도 4를 참고하면, 전지에 과전압이 가해져 과충전된 상태에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 단위셀(200)은 리튬(Li, 211)을 석출하여, 전지를 단락시킨다.
통상적으로, 리튬 이차전지의 작동 범위는 4.5V를 넘지 않는다. 그러나, 충전기 혹은 BMS(Battery Management System)의 작동 이상으로 인해, 4.5V 이상의 전압으로 전지가 과충전되는 이슈가 발생하기도 한다.
전지가 과충전되는 경우, 제2 단위셀(200)의 제2 양극(220) 단부는 제2 음극(210)의 단부보다 돌출되어 있으므로, 제2 음극(210)이 제2 양극(220)보다 과충전되어 리튬의 석출이 발생하기 쉽다.
보다 구체적으로, 제2 단위셀(200)의 제2 음극(210)에서 리튬의 석출이 발생하는 이유는 다음과 같다. 제2 양극(220)의 단부가 제2 음극(210)의 단부보다 돌출되어 있으면, 국부적으로 돌출되어 있는 제2 양극(220)의 용량 발현이 제2 음극(210)의 용량 발현보다 더 큰 상태가 된다. 이 경우, 충전 시 제2 음극(210)에 삽입되지 못한 여분의 리튬 이온은 리튬이 석출되는 형태로 발생하게 된다.
즉, 제1 단위셀(100)과 제2 단위셀(200)에 동일한 전압이 가해졌을 때, 제1 단위셀(100)은 리튬이 석출되지 않지만, 제2 단위셀(200)에서는 리튬(211)이 석출될 수 있다. 이 경우, 제2 단위셀(200)에서 석출된 리튬(211)으로 인해, 전지의 단락이 발생할 수 있어, 전압이 상승하는 것을 방지하여 전지의 안정성이 향상될 수 있다.
즉, 제2 단위셀(200)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 제1 단위셀(100)로만 구성된 종래의 전극 조립체와 비교하여 더 낮은 전위에서 리튬(211)의 석출이 진행된다. 이러한 리튬(211)의 석출로 인해 음극에서는 단락이 발생하게 되고, 이로 인해, 전지의 전압이 상승하는 것을 방지하므로 전지의 안정성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구성하는 단위셀의 측면도이다.
도 5에서는, 도 2 내지 4에서 설명한 제2 단위셀(200)을 구성하는 제2 음극(210), 제2 양극(220) 및 제2 분리막(230)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 제1 단위셀(100)은 제2 단위셀(200)과 양극과 음극의 길이 차이만 있을 뿐 그 외에는 모든 구성이 동일하므로, 여기서는 제2 단위셀(200)을 위주로 설명한다.
도 5를 참고하면, 제2 음극(210)은 음극 집전체(211)에 음극 코팅층(212)이 코팅되어 형성된다. 음극 집전체(211)는 일반적으로 구리(Cu)로 구성되며, 음극 코팅층(212)은 음극 집전체(211)의 일면 및 타면에 위치한다. 음극 코팅층(212)은 음극 활물질, 도전제 및 바인더가 혼합되어 음극 집전체(211)상에 코팅된다.
제2 양극(220)은 양극 집전체(221)에 양극 코팅층(222)이 코팅되어 형성된다. 양극 집전체(221)는 일반적으로 알루미늄(Al)으로 구성되며, 양극 코팅층(222)은 양극 집전체(221)의 일면 및 타면에 위치한다. 양극 코팅층(222)은 양극 활물질, 도전제 및 바인더가 혼합되어 양극 집전체(221)상에 코팅된다.
제2 분리막(230)은 제2 음극(210)과 제2 양극(220)의 사이에 위치한다. 구체적으로, 제2 분리막은 제2 음극(210)의 음극 코팅층(212)과, 제2 양극(220)의 양극 코팅층(222) 사이에 위치한다. 제2 음극(210)의 음극 코팅층(212)과 양극 코팅층(222)이 서로 접하면 전지의 단락(short)이 일어나므로, 이를 방지하기 위해 이들 사이에 제2 분리막(230)이 위치하는 것이다.
최대 전압(V)
비교예 6.243
실험예 5.369
도 6은 전지의 과충전 시, 전지에 가해지는 전압을 나타내는 그래프이다. 표 1은 전지의 과충전 시 비교예와 실험예에 각각 가해지는 최대 전압을 나타낸다.
상기 비교예는 도 1의 종래의 전극 조립체를 포함하는 전지이고, 상기 실험예는 도 2 및 도 3의 제1 단위셀(100) 및 제2 단위셀(200)을 포함하는 전극 조립체(1000)를 포함하는 전지이다. 자세하게는, 상기 실험예는 제1 단위셀(100) 적층체의 최외각에 위치한 제2 단위셀(200)을 포함하는 전극 조립체(1000)로, 제2 단위셀(200)을 구성하는 제2 음극(210)과 제2 양극(220)의 길이 차이가 0.4%인 전극 조립체(1000)일 수 있다.
도 6 및 표 1을 참고하면, 전지가 과충전된 경우, 전지에 가해지는 최대 전압은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지인 실험예가 더 낮음을 알 수 있다.
구체적으로, 상기 실험은, 상기 전류를 전지에 대해 1C의 충전 속도로 8V까지 가하였을 때, 단락이 발생하는 최대 전압을 측정하는 것이다.
비교예의 경우, 과충전 시 6.243V까지 전압이 상승한 뒤, 단락이 발생하여 전압이 다시 하강한다. 이에 반해, 실험예의 경우는, 과충전 시 5.369V까지 전압이 상승한 뒤, 단락이 발생하여 전압이 다시 하강한다. 구체적으로, 실험예에 가해지는 전압이 4.5V 이상 5.5V 이하일 때, 단락이 발생할 수 있다. 상기 실험 결과를 참조하면, 실험예의 최대 전압은, 비교예의 최대 전압보다 약 1V 정도 더 낮은 것을 알 수 있다.
따라서, 동일한 실험 조건에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 실험예가 비교예에 비해 전압 상승 정도가 작고, 최대 전압의 크기도 작으므로, 전지의 안정성 측면에서 우위에 있음을 알 수 있다.
도 7은 과충전 상태에서의 종래의 단위셀을 나타내는 사진이다. 도 8은 과충전 상태에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀의 사진이다.
종래의 단위셀은 도 2 및 도 3의 제1 단위셀이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀은 도 2 및 도 3의 제2 단위셀일 수 있다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 동일한 과충전 상태에서, 제1 단위셀에서는 리튬이 석출되지 않지만, 제2 단위셀에서는 리튬이 석출된다. 즉, 제2 단위셀을 포함하는 전지셀은, 제1 단위셀로만 구성된 전지셀에 비해, 동일한 전위에서 리튬이 석출된다. 또한, 제2 단위셀을 포함하는 전지셀은, 제1 단위셀로만 구성된 전지셀에 비해 더 낮은 전위에서 리튬이 쉽게 석출된다. 구체적으로, 제2 단위셀은, 제2 단위셀에 가해지는 전압이 4.5V 이상 5.5V 이하일 때, 리튬이 석출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 포함하는 전지셀은, 일정 전압 이상에서 리튬이 석출되고, 이에 의해 전압의 상승이 억제되므로, 종래의 전지셀에 비해 안정성이 향상된다.
앞에서 설명한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀은 전지 모듈, 전지 팩 및 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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.
[부호의 설명]
1000: 전극 조립체
100: 제1 모노셀
110: 제1 음극
120: 제2 음극
130: 제1 분리막
200: 제2 모노셀
210: 제2 음극
220: 제2 양극
230: 제2 분리막
300: 제3 분리막

Claims (14)

  1. 음극, 양극, 및 분리막을 포함하는 복수의 단위셀이 적층되고, 상기 복수의 단위셀 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 조립체에 있어서,
    상기 음극의 단부가 상기 양극의 단부보다 돌출된 제1 단위셀; 및
    상기 양극의 단부가 상기 음극의 단부보다 돌출된 제2 단위셀
    을 포함하는 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 단위셀은 제2 음극, 제2 양극 및 상기 제2 음극과 상기 제2 양극 사이에 위치하는 제2 분리막을 포함하고,
    상기 제2 양극의 단부는 상기 제2 음극의 단부보다 돌출되며,
    상기 제2 양극의 길이가 상기 제2 음극의 길이보다 긴 전극 조립체.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 음극의 길이와 상기 제2 양극의 길이 차이는 1% 미만인 전극 조립체.
  4. 제2항에서,
    상기 제2 음극의 길이와 상기 제2 양극의 길이 차이는 0.4% 이하인 전극 조립체.
  5. 제2항에서,
    상기 제2 음극의 끝단과 상기 제2 분리막의 끝단 사이의 거리는, 상기 제2 양극과 상기 제2 분리막의 끝단 사리의 거리보다 긴 전극 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 단위셀은, 상기 제1 단위셀보다 낮은 전위에서 리튬이 석출되는 전극 조립체.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 단위셀은, 상기 제2 단위셀에 가해지는 전압이 4.5V 이상 5.5V 이하일 때, 리튬이 석출되는 전극 조립체.
  8. 제6항에서,
    상기 제2 단위셀은, 상기 제2 단위셀의 양극의 용량 발현이 상기 제2 단위셀의 음극의 용량 발현보다 큰 전극 조립체.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 단위셀은 적어도 하나 이상인 전극 조립체
  10. 제9항에서,
    상기 제2 단위셀은, 상기 제1 단위셀이 복수개 적층되어 적층체를 형성할 때, 상기 적층체의 적층 방향 기준으로 최외각에 위치하는 상기 제1 단위셀과 인접하게 구비되는 전극 조립체.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 단위셀은, 최외각 단위셀인 전극 조립체.
  12. 제9항에서,
    상기 제2 단위셀은, 상기 복수의 제1 단위셀 사이에 위치하는 전극 조립체.
  13. 제1항에서,
    상기 제2 단위셀의 개수가 증가할수록, 전지의 과충전 시 최대 전압이 낮아지는 전극 조립체.
  14. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전지셀.
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