WO2024117460A1 - 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
WO2024117460A1
WO2024117460A1 PCT/KR2023/012250 KR2023012250W WO2024117460A1 WO 2024117460 A1 WO2024117460 A1 WO 2024117460A1 KR 2023012250 W KR2023012250 W KR 2023012250W WO 2024117460 A1 WO2024117460 A1 WO 2024117460A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
separator
electrode assembly
jelly
cathode
roll type
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/012250
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
구성모
김영수
박은지
이관수
이병준
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020230105397A external-priority patent/KR20240082171A/ko
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Publication of WO2024117460A1 publication Critical patent/WO2024117460A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/451—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising layers of only organic material and layers containing inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 a jelly-roll type electrode assembly and a secondary battery including the same, and more specifically, to a jelly-roll type electrode assembly including a separator overlapping portion and a cylindrical secondary battery including the same.
  • a jelly roll-shaped electrode assembly is manufactured by rolling long electrodes with a fixed width into a roll.
  • a cylindrical battery manufactured by inserting such a jelly-roll type electrode assembly into a battery case repeats contraction/expansion of the electrode during charging and discharging.
  • a tab In tab
  • the degree of contraction/expansion of the electrode assembly increases due to the addition of silicon-based active material in the negative electrode, the pressure acting on the core portion of the electrode assembly increases significantly. I do it.
  • the present invention seeks to provide a jelly-roll type electrode assembly with a modified design of the jelly-roll type electrode assembly and a secondary battery including the same.
  • One embodiment of the present invention includes a first separator; cathode; second separator; and a jelly-roll type electrode assembly in which positive electrodes are sequentially stacked and wound, wherein the positive electrode includes a first surface in the direction of the winding axis of the jelly-roll electrode assembly, and a second surface that is opposite to the first surface; , the core portion of the electrode assembly includes a separator overlapping portion between the anode and the cathode opposing the first surface of the anode, and the separator overlapping portion is a jelly-roll type electrode assembly in which three or more layers of separators are arranged to overlap each other. provides.
  • Another embodiment of the present invention includes the jelly-roll type electrode assembly; and a battery case for accommodating the electrode assembly.
  • the jelly-roll type electrode assembly includes a separator overlapping portion in which the bending structure of the core separator and the friction coefficient between the interfaces are adjusted, thereby suppressing sliding of the electrode during battery charging and discharging, preventing contraction/expansion of the electrode. Damage to the cathode and separator can be prevented from deformation of the electrode assembly, and even when damage to the separator occurs, internal short circuit between the anode and cathode can be prevented by the separator overlapping portion, thereby improving battery stability and lifespan characteristics.
  • FIG. 1 and 2 illustrate a jelly-roll type electrode assembly including a separator overlapping portion according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 3 schematically shows a separator overlapping portion of a jelly-roll type electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a CT image showing the short-term cycle stability evaluation results of secondary batteries according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • Figure 5 schematically shows a separator overlapping portion of a jelly-roll type electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a CT image showing the results of short-term cycle stability evaluation of secondary batteries according to Examples 1 to 4.
  • Figure 7 is a CT image showing the long-term cycle stability evaluation results of secondary batteries according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • Figure 8 is a graph showing the long-term cycle stability evaluation results of secondary batteries according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • Figure 9 illustrates a method for evaluating whether the core separator is damaged in a jelly-roll type electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • One embodiment of the present invention includes a first separator; cathode; second separator; and a jelly-roll type electrode assembly in which positive electrodes are sequentially stacked and wound, wherein the positive electrode includes a first surface in the direction of the winding axis of the jelly-roll electrode assembly, and a second surface that is opposite to the first surface; , the core portion of the electrode assembly includes a separator overlapping portion between the anode and the cathode opposing the first surface of the anode, and the separator overlapping portion is a jelly-roll type electrode assembly in which three or more layers of separators are arranged to overlap each other. provides.
  • the jelly-roll type electrode assembly includes a separator overlapping portion, thereby suppressing sliding of the electrode during charging and discharging of the battery, preventing damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrode, Even when damage to the separator occurs, the separator overlapping portion prevents an internal short circuit between the anode and cathode, thereby improving battery stability and lifespan characteristics.
  • the 'core portion' is a hollow located on the winding axis of the electrode assembly; and a region including a portion of the stacked structure of the wound first separator/cathode/second separator/anode, within 2 turns of the anode from one end in the longitudinal direction of the anode located at the innermost angle of the electrode assembly. It may mean the area of .
  • the '1 turn' may refer to the length required for winding 360° from the reference point of the electrode or separator included in the electrode assembly, and the outer diameter of the core used for winding the electrode assembly, the electrode or separator The length may be determined depending on the thickness of and the number of turns of the electrode or separator located inside.
  • one turn of the positive electrode may mean the length required to roll the positive electrode 360° from the longitudinal end of the positive electrode in the direction in which the jelly-roll type electrode assembly is wound.
  • FIG. 1 and 2 illustrate a jelly-roll type electrode assembly including a separator overlapping portion according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 1 shows a jelly-roll type electrode assembly including a separator overlapping portion according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an enlarged view of portion A of Figure 1.
  • the first separator, the cathode, and the second separator may be extended longer than the longitudinal end of the anode and further wound.
  • the first separator 200, the cathode 100, and the second separator 400 may extend longer than the longitudinal end 310 of the anode and be additionally wound. there is. That is, after the first separator, the cathode, and the second separator are wound, they may be wound together with the anode.
  • the first separator, the cathode, and the second separator may be wound together around the core for one turn or more, and then wound together with the anode.
  • the longitudinal ends 210, 110, 410 of the first separator, the cathode, and the second separator are located inside the longitudinal end 310 of the anode.
  • the length and width of the cathode may be larger than the anode, and the length and width of the first separator and the second separator located on one side and the opposite side of the cathode may also be larger than the anode.
  • the first separator, the negative electrode, and the second separator are extended longer than the longitudinal end of the positive electrode and are additionally wound, the transfer of lithium ions from the positive electrode to the negative electrode may be easier in the chemical reaction of a lithium ion battery.
  • the length or width of the cathode is formed wider, the area of the cathode receiving lithium ions increases, which can prevent a decrease in charge/discharge efficiency and improve battery stability and lifespan characteristics.
  • Figure 3 schematically shows a separator overlapping portion of a jelly-roll type electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the core portion of the electrode assembly includes a separator overlapping portion between the anode and the cathode opposing the first surface of the anode, and the separator overlapping portion has three layers of separators arranged to overlap. It may be more than that.
  • the core portion of the electrode assembly includes a separator overlapping portion (S) between the anode 300 and the cathode 100 facing the first side of the anode.
  • the separator overlapping portion (S) may mean a portion of an area in which three or more layers of separators are overlapped, centered on the longitudinal end 310 of the anode.
  • the separator overlapping portion (S) is centered around the longitudinal end 310 of the anode, the end of the area where the separator overlaps three or more layers, that is, the area up to the longitudinal end of the separator overlapping portion, and the electrode. This may mean an area having the same length in the direction of the core part of the assembly. Specifically, the separator overlapping portion (S) is centered around the longitudinal end 310 of the anode, from the longitudinal end of the separator overlapping portion (S), to the longitudinal end of the separator overlapping portion and the longitudinal end of the anode.
  • the separator overlapping portion may be disposed by overlapping the first separator and the second separator, which extend from a longitudinal end of the cathode in the core portion of the electrode assembly.
  • the separator overlapping portion (S) includes the first separator 200' extending from the longitudinal end 110 of the cathode in the core portion of the electrode assembly, and
  • the second separator 400' may be arranged to overlap, and the first separator 200 and the second separator 400 include an area extending from the longitudinal end 110 of the cathode. It could be. That is, the first separator 200 and the second separator 400 may extend longer than the longitudinal end 110 of the cathode and be additionally wound.
  • first separator 200 and the second separator 400 may be wound together with the cathode 100. That is, the first separator 200' and the second separator 400' extending from the longitudinal end 110 of the cathode are the first separator 200 and the second separator 400', which are wound before the cathode 100. It may be a part of the second separator 400, and may be bent and overlapped to form a separator overlapping portion (S). That is, the separator overlapping portion can be formed by a bent structure integrally extending from the first separator and the second separator without providing a separate auxiliary separator.
  • the separator constituting the separator overlapping portion may be adjusted to have three or more layers through a simpler structure.
  • damage to the cathode and the separator can be prevented from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrode. Even when damage to the separator occurs, battery stability and lifespan characteristics can be improved by preventing an internal short circuit between the anode and cathode due to the separator overlapping portion.
  • the first separator and the second separator extend from the longitudinal end of the cathode in the core portion of the electrode assembly and extend in a direction opposite to the winding axis of the cathode. It may be bent together and disposed to overlap between the anode and the second separator facing the first side of the anode.
  • the first separator 200' and the second separator 400' extending from the longitudinal end 110 of the cathode face the winding axis of the cathode.
  • the separator constituting the separator overlap portion can be made to have three or more layers through a simpler bending structure, and it can be easier to adjust the facing directions of the separators constituting the separator overlap portion.
  • the separator overlapping portion includes: a first interface where the second separator is in direct contact with the second separator; And it may include a second interface where the second separator and the first separator are in direct contact.
  • the separator overlapping portion (S) may have three or more layers of overlapping separators, and the first separator (200, 200') and the second separator (400, 400') ) may each include one or more, and a first interface (S1) where the second separator 400 and the second separator 400' are in direct contact; And it may include a second interface S2 where the second separator 400' and the first separator 200' are in direct contact.
  • the separator overlapping portion may include an overlapping structure of a first separator and a second separator, which are a plurality of separators, rather than an overlapping structure of a single separator, and may include interfaces where they are in contact with each other. Since the separator overlapping portion includes a plurality of interfaces, it can be easy to adjust the facing directions of the separators and adjust the friction coefficient of each interface through a simpler bending structure.
  • the friction coefficients of the first interface and the second interface may each be 0.4 or more.
  • the friction coefficient of the first interface (S1) and the second interface (S2) may be 0.42 or more, 0.44 or more, or 0.46 or more, respectively.
  • the separator overlapping portion includes an overlapping structure of a first separator and a second separator, which are a plurality of separators, rather than an overlapping structure of a single separator, and includes a plurality of interfaces where they contact each other, and the friction coefficient of the plurality of interfaces Each may be adjusted above a certain range.
  • the friction coefficient ( ⁇ ) may refer to the static friction coefficient measured according to the ASTM D 1894 standard, and the friction coefficient may be measured by a dry method, or by impregnating the specimen in distilled water or an electrolyte solution and wet method. If measured by , it may have a larger value.
  • the friction coefficient of the first interface may be 0.6 or more, and the friction coefficient of the second interface may be 0.4 or more.
  • the friction coefficient of the first interface (S1) and the second interface (S2) is the first separator (200, 200') and the second separator (400, 400') facing each other. ) may be different depending on the type and facing direction. More specifically, the friction coefficient of the first interface (S1) may be 0.62 or more, 0.64 or more, or 0.66 or more, and the friction coefficient of the second interface (S2) may be 0.42 or more, 0.44 or more, or 0.46 or more.
  • the friction coefficient between the interfaces of the separator included in the separator overlapping portion is adjusted to the above-mentioned range, sliding of the electrode is suppressed during battery charging and discharging to prevent damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrode. And, even when damage to the separator occurs, the separator overlapping portion prevents an internal short circuit between the anode and cathode, thereby improving battery stability and lifespan characteristics.
  • the jelly-roll type electrode assembly may include a plurality of separators.
  • the jelly-roll type electrode assembly may have a structure in which a first separator/cathode/second separator/anode are stacked in that order.
  • the separators 200 and 400 separate the cathode 100 and the anode 300 and provide a passage for lithium ions. They can be used without particular restrictions as long as they are normally used as separators in secondary batteries, and in particular, they can be used as separators in secondary batteries. It is desirable to have low resistance to movement and excellent electrolyte moisture capacity.
  • porous polymer films for example, porous polymer films made of polyolefin polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these.
  • a laminated structure of two or more layers may be used.
  • conventional porous non-woven fabrics for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc., may be used.
  • the separator may typically have a thickness of 10 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and using the above-described separator material as a base layer, a slurry containing a ceramic component or polymer material is applied on the base layer to ensure heat resistance or mechanical strength.
  • a separator coated with can be used, and can optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.
  • Figure 5 schematically shows a separator overlapping portion of a jelly-roll type electrode assembly according to an exemplary embodiment of the present invention. Specifically, Figure 5(a) schematically shows the separator overlapping portion of a jelly-roll type electrode assembly including a first separator and a second separator each provided with a coating layer on both sides, and Figure 5(b) schematically shows the separator overlapping portion of a jelly-roll type electrode assembly including a first separator and a second separator without a coating layer.
  • the first separator and the second separator may each include a coating layer provided on at least one surface.
  • the first separator (200, 200') and the second separator (400, 400') each have the coating layer (202, 202) provided on at least one side. 202', 402, 402') and a base layer (201, 201', 401, 401'), and may have a friction coefficient in a specific range by adjusting the components, content, and particle size of the coating layer.
  • the friction coefficient between the coating layer and the substrate layer of the separator may be greater than the friction coefficient between the coating layer and the substrate layer.
  • the friction coefficient may be measured in a dry manner, but may have a more significant difference when measured in a wet manner when immersed in distilled water or an electrolyte solution.
  • the overlapping portion of the separator is adjusted by adjusting the facing direction of the coating layer provided on at least one side of the first separator and the second separator.
  • the coefficient of friction between the interfaces of the included separators may be adjusted to a specific range to suppress sliding of the electrodes when charging and discharging the battery, thereby preventing damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrodes.
  • the first separator and the second separator may each include a coating layer provided on at least one surface, and the coating layer may include an inorganic component, a binder component, and a lithium salt.
  • the separator contains the above-mentioned components, the internal resistance increases due to the elution of the lithium salt contained in the coating layer, despite the fact that it contains a binder to improve adhesion to the electrode and an inorganic component to improve the mechanical strength of the separator. Since this does not occur, cell stability may be excellent.
  • the coating layer may contain the inorganic component, and the coating layer containing the inorganic component is advantageous in terms of heat shrinkage rate compared to a separator made of a simple polymer material, so the separator containing it has better high temperature stability. You can.
  • the lithium salt may be substantially the same as that contained in the electrolyte solution of a lithium secondary battery, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic lithium carboxylate, and 4-phenyl. It may be one or two or more selected from the group consisting of lithium borate.
  • the inorganic component does not cause an oxidation and/or reduction reaction, that is, an electrochemical reaction, with the positive or negative electrode current collector in the operating voltage range of the battery (e.g., 0 to 5 V based on Li/Li + ) and does not impair electrical conductivity.
  • BaTiO 3 Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT), Pb(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 - PbTiO 3 (PMN-PT), hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 ,Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , and TiO It may be one or two or more selected from the group consisting of 2 .
  • the binder is not particularly limited as long as it is a component that exhibits bonding force with the electrode laminated on the separator and bonding force between the inorganic components and lithium salts in the mixed coating layer and is not easily dissolved in the electrolyte solution.
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • PVdF-CTFE polychlorotrifluoroethylene
  • PVdF-CTFE polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, ethylene vinyl acetate Copolymer (polyethylene-co-vinyl acetate), polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethyl pulu cyanoethylpullulan, cyanoethyl
  • the first separator and the second separator may each include a coating layer provided on at least one side, and the side provided with the coating layer of the first separator and the second separator is , the coefficient of friction may be higher than that of the surface not provided with a coating layer of the first separator and the second separator.
  • the first separators 200, 200' and the second separators 400, 400' each have coating layers 202, 202', 402, and 402' provided on one side.
  • the surface provided with the coating layer of the first separator and the second separator may have a higher coefficient of friction than the surface not provided with the coating layer of the first separator and the second separator.
  • the coating layer when the coating layer is provided on the separator, it may increase the friction coefficient of the interface.
  • the friction coefficient between the interfaces of the separator included in the separator overlapping portion is adjusted to a specific range, preventing sliding of the electrode during battery charging and discharging. This may prevent damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrode.
  • the first separator and the second separator may each include a coating layer provided on one surface.
  • the first separator (200, 200') and the second separator (400, 400') each have the coating layer (202, 202', 402, 402') provided on one side. and a base layer (201, 201', 401, 401'), and may have a friction coefficient in a specific range by adjusting the composition, content, and particle size of the coating layer.
  • the first separator and the second separator By adjusting the facing direction of the coating layer provided on one side of the separator, the friction coefficient between the interfaces of the separator included in the separator overlapping portion is adjusted to a specific range, suppressing sliding of the electrode when charging and discharging the battery, preventing contraction/expansion of the electrode. This may be to prevent damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly.
  • the first separator and the second separator each include a coating layer provided on one surface, and the first interface is directly connected to the coating layer of the second separator. It may be something to encounter.
  • the first separators 200, 200' and the second separators 400, 400' each have coating layers 202, 202', 402, and 402' provided on one side.
  • the first interface (S1) may be in direct contact with the coating layer 402 of the second separator and the coating layer 402' of the second separator.
  • the friction coefficient between the coating layer of the separator may be greater than the friction coefficient between the base layer and the base layer or the friction coefficient between the coating layer and the base layer, , the friction coefficient of the first interface may have a larger value.
  • the friction coefficient between the interfaces of the separator included in the separator overlap increases, thereby suppressing sliding of the electrode during battery charging and discharging. This may be to prevent damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrode.
  • the first separator and the second separator each include a coating layer provided on one surface
  • the second interface is a surface not provided with a coating layer of the second separator and the first separator.
  • the side that is not provided with the coating layer of the separator may be in direct contact.
  • the first separators 200, 200' and the second separators 400, 400' each have coating layers 202, 202', 402, and 402' provided on one side.
  • the second interface S2 includes a surface not provided with a coating layer of the second separator, that is, a second separator base layer 401', and a surface not provided with a coating layer of the first separator, that is, a first separator.
  • the base layer 201' may be in direct contact.
  • the friction coefficient between the base layer of the separator is greater than the friction coefficient between the coating layer and the base layer. It may be that the friction coefficient of the second interface may have a larger value.
  • the first interface includes the second separator facing the first surface of the anode; And the second separator extending from the longitudinal end of the cathode may be in direct contact with the core portion of the electrode assembly.
  • the second separator 400' extending from the longitudinal end 110 of the cathode is opposite the anode 300 and the first surface of the anode. It may be overlapped between the cathodes 100 to form a separator overlapping portion (S).
  • S separator overlapping portion
  • the separator constituting the separator overlapping part can be made to have three or more layers through a simpler bending structure, and it can be easier to control the facing direction of the separators constituting the separator overlapping part and to control the frictional force at the interface.
  • the second interface includes: the first separator extending from a longitudinal end of the cathode in the core portion of the electrode assembly; And the second separator extending from the longitudinal end of the cathode may be in direct contact with the core portion of the electrode assembly.
  • the first separator 200' extends from the longitudinal end 110 of the cathode;
  • the second separator 400' extending from the longitudinal end of the cathode is disposed to overlap between the anode 300 and the cathode 100 opposite the first surface of the anode, forming a separator overlap portion S. ) may be formed.
  • the first separator 200' extending from the longitudinal end 110 of the cathode and the second separator 400' extending from the longitudinal end 110 of the cathode are in direct contact with the second interface. It may be forming (S2).
  • the separator constituting the separator overlapping part can be made to have three or more layers through a simpler bending structure, and it can be easier to control the facing direction of the separators constituting the separator overlapping part and the friction force at the interface.
  • the longitudinal length of the separator overlapping portion may be 30% or more based on 100% of the circumference of the electrode assembly.
  • the longitudinal length of the separator overlapping portion may be 40% or more or 50% or more based on 100% of the circumference of the electrode assembly, and 1/3 turn or more of the inner peripheral surface of the core portion of the electrode assembly. It may be more than 1/2 turn.
  • the circumference of the electrode assembly may mean the circumference of the inner peripheral surface of the electrode assembly, and the 'circumference of the inner peripheral surface' is the distance from the winding axis of the electrode assembly to the innermost layer in contact with the hollow of the electrode assembly. It may mean the circumference of an imaginary circle with the largest value as the radius.
  • the circumference of the inner peripheral surface of the electrode assembly may be about 10 mm, but is not limited thereto.
  • the friction between the interfaces of the separators included in the separator overlap prevents the electrode assembly from being deformed by contraction/expansion of the electrode by suppressing sliding of the electrode during battery charging and discharging. This may be sufficient to prevent damage to the cathode and separator.
  • the separation distance between the longitudinal end of the separator overlapping portion and the longitudinal end of the anode may be 3 mm or more.
  • the separation distance (L) between the longitudinal end of the separator overlapping portion and the longitudinal end of the anode may be 4 mm or more, 5 mm or more, or 6 mm or more.
  • the first separator 200' extending from the longitudinal end 110 of the cathode in the core portion of the electrode assembly; and the second separator 400' extending from the longitudinal end 110 of the cathode in the core portion of the electrode assembly, the cathode 100 facing the anode 300 and the first surface of the anode. In between, it may be disposed 3 mm or more from the longitudinal end 310 of the anode.
  • the separator overlapping portion faces the anode and the first surface of the anode. It can be placed between the cathodes.
  • the friction between the interfaces of the separators included in the separator overlapping portion may be sufficient to prevent damage to the cathode and separator from deformation of the electrode assembly due to contraction/expansion of the electrode by suppressing sliding of the electrode during charging and discharging of the battery.
  • the positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer provided on the positive electrode current collector.
  • the positive electrode 300 is formed on a positive electrode current collector 301 and one or both sides of the positive electrode current collector 301, and includes a positive electrode active material layer 302 and 303 containing a positive electrode active material. may include.
  • the positive electrode active material layer is formed on the positive electrode holding portion of the positive electrode current collector, and the side not provided with the positive active material layer may be expressed as a positive electrode uncoated region.
  • the positive electrode current collector may include a positive electrode holding portion to which the positive electrode active material is applied and a positive electrode uncoated portion to which the positive electrode active material is not applied, and may include a tab on the positive electrode uncoated portion.
  • the positive electrode current collector may include a positive electrode uncoated portion, and may include a positive electrode tab provided on the positive electrode uncoated portion.
  • the electrode assembly is wound by stacking a positive electrode, a separator, and a negative electrode, and the positive electrode includes a positive electrode current collector; and a positive electrode active material layer provided on at least one surface of the positive electrode current collector and having a longitudinal end at the same position as the positive electrode current collector.
  • the electrode assembly is wound by stacking a positive electrode 300, a separator 200, 400, and a negative electrode 100, and the positive electrode 300 includes a positive electrode current collector 301; and a positive electrode active material layer (302, 303) provided on at least one surface of the positive electrode current collector 301 and having a longitudinal end 310 at the same position as the positive electrode current collector 301.
  • one longitudinal end 310 of the anode may be in a free-edge shape.
  • the slitting process can be performed after forming the active material layer on the electrode, resulting in roll-to-roll including the slitting process and winding process.
  • the process can be done more efficiently.
  • 'same position' means that the longitudinal ends are the same, and may include cases where the ends are formed at substantially the same position due to process errors that may occur in the slitting process, etc.
  • the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery.
  • the positive electrode current collector includes stainless steel, aluminum, nickel, and titanium. , fired carbon, or surface treatment of aluminum or stainless steel with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. That is, the positive electrode current collector may be provided in the form of surface-treated stainless steel, aluminum foil, etc.
  • the positive electrode current collector may typically have a thickness of 3 to 50 ⁇ m, and fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to increase the adhesion of the positive electrode active material.
  • it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven materials.
  • the positive electrode active material may be a commonly used positive electrode active material.
  • the positive electrode active material is a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium iron oxide such as LiFe 3 O 4 ; Lithium manganese oxide with the formula Li 1+x Mn 2-x O 4 (0 ⁇ x ⁇ 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; With the chemical formula LiNi 1-y M y O 2 (where M is at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B and Ga, and satisfies 0.01 ⁇ y ⁇ 0.3) Ni site type lithium nickel oxide expressed;
  • the positive electrode active material layer may further include a positive electrode conductive material and a positive electrode binder.
  • the anode conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and can be used without particular restrictions in the battery being constructed as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity.
  • the anode conductive material includes graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; Metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Alternatively, conductive polymers such as polyphenylene derivatives may be used, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used.
  • graphite such as natural graphite or artificial graphite
  • Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber
  • Metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver
  • Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate
  • Conductive metal oxides such as titanium oxide
  • conductive polymers such as polyphenylene
  • the positive electrode binder serves to improve adhesion between positive electrode active material particles and adhesion between the positive electrode active material and the positive electrode current collector.
  • Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and carboxymethyl cellulose (CMC). ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber. (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-co-HFP vinylidene
  • the negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector.
  • the negative electrode 100 is formed on a negative electrode current collector 101 and one or both sides of the negative electrode current collector 101, and includes a negative electrode active material layer 102 and 103 containing a negative electrode active material. may include.
  • the negative electrode active material layer is formed on the negative electrode holding portion of the negative electrode current collector, and the side not provided with the negative electrode active material layer can be expressed as a negative electrode uncoated region.
  • the negative electrode current collector may include a negative electrode holding portion on which the negative electrode active material layer is formed and a negative electrode uncoated portion on which the negative electrode active material layer is not formed, and may include a tab on the negative electrode uncoated portion.
  • the negative electrode current collector may include a negative electrode uncoated portion and may include a negative electrode tab provided on the negative electrode uncoated portion.
  • the manufactured electrode assembly may include one or more negative electrode tabs.
  • the negative electrode active material layer may include a negative electrode active material containing at least one selected from the group consisting of silicon-based materials and carbon-based materials.
  • the negative electrode active material layer may further include a negative electrode conductive material and a negative electrode binder, and may include the negative electrode active material; cathode conductive material; And the cathode binder may be any material used in the art without limitation.
  • the negative electrode current collector can be any conductive material without causing chemical changes in the battery, and is not particularly limited.
  • the negative electrode current collector may be copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. .
  • a transition metal that adsorbs carbon well such as copper or nickel, can be used as the negative electrode current collector.
  • the thickness of the negative electrode current collector may be 6 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less, but the thickness of the negative electrode current collector is not limited thereto.
  • the negative electrode binder is polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, Polymethylmethacrylate, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene.
  • PVDF-co-HFP polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer
  • EPDM propylene-diene monomer
  • SBR styrene butadiene rubber
  • fluororubber poly acrylic acid
  • materials whose hydrogen is replaced with Li, Na, or Ca etc. It may include at least one of the following, and may also include various copolymers thereof.
  • the anode conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • graphite such as natural graphite or artificial graphite
  • Carbon black such as acetylene black, Ketjen black, channel black, Paneth black, lamp black, and thermal black
  • Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber
  • Conductive tubes such as carbon nanotubes
  • Metal powders such as fluorocarbon, aluminum, and nickel powder
  • Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate
  • Conductive metal oxides such as titanium oxide
  • Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • One embodiment of the present invention includes the jelly-roll type electrode assembly; and a battery case for accommodating the electrode assembly.
  • the secondary battery may include an electrode assembly according to the above-described embodiment and a battery case for accommodating the electrode assembly.
  • the secondary battery according to the present invention includes a separator overlapping portion in which the bending structure of the core separator and the friction coefficient between the interfaces are adjusted, thereby preventing internal short circuit between the anode and cathode even when the electrode assembly is deformed due to contraction/expansion of the electrode during battery charging and discharging. By preventing, battery stability and lifespan characteristics can be improved.
  • the battery case may be cylindrical.
  • the battery case may be cylindrical, prismatic, or pouch-shaped depending on the use.
  • the battery case may be more suitable for accommodating a jelly-roll type electrode assembly, and if the battery case is cylindrical, the battery case may be more suitable for housing the jelly-roll type electrode assembly.
  • a secondary battery including a jelly-roll type electrode assembly and a battery case for accommodating the electrode assembly may have a cylindrical shape.
  • the interior of the battery case may contain electrolyte.
  • the electrolyte may include, but is not limited to, an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, or a molten inorganic electrolyte that can be used when manufacturing a lithium secondary battery.
  • the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.
  • the non-aqueous organic solvent includes, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma- Butylolactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxorane, formamide, dimethylformamide, dioxoren, acetonitrile, nitro Methane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxy methane, dioxoran derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative Aprotic organic solvents such as , ether, methyl propionate, and ethylene carbonate derivative, tetra
  • the metal salt may be a lithium salt
  • the lithium salt is a material that is easily soluble in the non-aqueous electrolyte solution.
  • anions of the lithium salt include F - , Cl - , I - , NO 3 - , N(CN) 2- , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF
  • the electrolyte in addition to the electrolyte components, includes, for example, halo such as difluoroethylene carbonate for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity.
  • halo such as difluoroethylene carbonate
  • Alkylene carbonate compounds pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexanoic acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazoli
  • One or more additives such as dinon, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxyethanol, or aluminum trichloride may be further included.
  • An Al foil with a thickness of 15 ⁇ m and a width direction of 63.9 mm was prepared as a positive electrode current collector, and an NMCA (Ni-Mn-Co-Al) composite with a Ni content of 92% or more as a positive electrode active material and a conductive material were placed on the positive electrode current collector.
  • a positive electrode active material layer was formed by applying and drying a positive electrode active material slurry containing CNTs to prepare a positive electrode with a thickness of 154 ⁇ m.
  • first separator and a second separator two separators each having a coating layer formed on one side of a sheet-shaped polyethylene base layer containing Al 2 O 3 as an inorganic component and a PVdF-based binder and lithium salt as a binder component were prepared.
  • the base layers of the first separator and the second separator are overlapped to face each other, and the first separator and the second separator are wound about 3 turns of the core in the opposite direction of the winding direction.
  • An extension part was prepared for a length corresponding to .
  • the core having an outer peripheral circumference of about 10 mm was used.
  • winding is started by folding the points corresponding to 3 turns of the core from the longitudinal ends of the first separator and the second separator in the winding direction, and the cathode and anode are sequentially put in, forming a jelly-roll type.
  • An electrode assembly was manufactured.
  • the core part of the jelly-roll type electrode assembly is a separator by placing extensions of the first separator and the second separator between one surface in the winding axis direction of the positive electrode and the second separator located on one surface of the cathode.
  • An overlapping portion was provided to have the structure according to Figures 1 and 2.
  • the inner peripheral circumference of the manufactured jelly-roll type electrode assembly was about 10 mm.
  • ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): ethyl methyl carbonate (EMC) was mixed in a ratio of 4:9:3.
  • An electrolyte solution containing 15 wt% of LiPF 6 was mixed by weight and injected, and a cylindrical battery can was sealed with a cap assembly to manufacture a secondary battery.
  • a jelly-roll type electrode assembly and secondary battery were manufactured in the same manner as Example 1.
  • a jelly-roll type electrode assembly and a secondary battery were manufactured in the same manner as Example 1, except that two separators without a coating layer formed on both sides of the sheet-shaped polyethylene base layer were used as the first separator and the second separator. .
  • a jelly-roll type electrode assembly and a secondary battery were manufactured in the same manner as Example 1, except that the separator overlapping portion was not provided.
  • the friction coefficients ( ⁇ ) between coating layers of the first separator and the second separator between coating layers, between coating layers and base layers, and between base layers and base layers were measured according to ASTM D 1894 standards. At this time, the friction coefficient was measured in a dry method, and then the same specimen was immersed in the electrolyte solution for 60 minutes and then measured again in a wet method, and is shown in Table 1 below.
  • the friction coefficient between the coating layer of the first separator and the second separator had a higher value than the friction coefficient between the base layer and the base layer or between the coating layer and the base layer.
  • the friction coefficient measured in a wet state had a higher value than the friction coefficient measured in a dry state.
  • the friction coefficient between base layer and base layer has a relatively low value compared to the friction coefficient between coating layer and base layer, but in the wet state, which is the internal environment of the secondary battery being manufactured, the friction coefficient between base layer and base layer is higher. It was confirmed that it had a value.
  • the friction coefficient between the coating layer of the first separator and the second separator and the friction coefficient between the base layer and the base layer have a value greater than the friction coefficient between the coating layer and the base layer.
  • the secondary batteries manufactured in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were prepared after being activated by performing 2 cycles of charging at 4.2 V-2.5 V, 0.2 C, and discharging at 0.2 C, respectively. Afterwards, each activated secondary battery was prepared after 20 cycles at 4.3 V-2.5 V 1 C/1 C @25 °C, and core impingement was performed using computed tomography (CT) of the core part. Short-term cycle stability was evaluated by checking whether, and the images are shown in Figures 4 and 6, respectively.
  • CT computed tomography
  • the secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were activated by performing two cycles of 4.2 V-2.5 V, 0.2 C charging, and 0.2 C discharging, respectively, to prepare secondary batteries. Afterwards, the activated secondary batteries were each subjected to 200 cycles under the conditions of 4.25 V (0.3 C)-2.85 V (0.5 C) and @55 °C, and the presence of core impingement was confirmed by performing computed tomography (CT) on the core part. By doing this, long-term cycle stability was evaluated, and the images are shown in Figure 7. In addition, the energy density, capacity retention rate, and coulombic efficiency according to the cycle progress were measured and shown in Table 2 and Figure 8 below.
  • CT computed tomography
  • Figure 9 schematically shows a method for evaluating whether core impingement has occurred. Specifically, Figure 9 (a) schematically shows a method for evaluating whether core impingement occurs when strain occurs in the cathode, and Figure 9 (b) shows whether core impingement occurs when strain does not occur in the cathode. This schematically shows the evaluation method.
  • the curvature direction changes within a distance of 5 mm from the longitudinal end 310 of the anode.
  • Figure 4 is a CT image showing the short-term cycle stability evaluation results of the secondary battery according to Example 1 and Comparative Example 1
  • Figure 7 is a CT image showing the long-term cycle stability evaluation result of the secondary battery according to Example 1 and Comparative Example 1. am.
  • Figure 6 is a CT image showing the results of short-term cycle stability evaluation of secondary batteries according to Examples 1 to 4.
  • Example 6 it was confirmed that no core impingement occurred in the secondary batteries manufactured in Examples 1 to 4 after activation, but in the case of Example 3 including a first separator and a second separator without a coating layer. , It was confirmed that a slight bending phenomenon of the cathode facing the second side of the anode occurred after the acceleration cycle. In the case of Example 4, in which the separator overlap was less than 6 mm, it was confirmed that the cathode opposing the second surface of the anode was slightly bent after activation, and that core impingement occurred after the acceleration cycle.
  • the separator overlap does not include a coating layer, that is, both the first interface and the second interface are the base layer and the second separator.
  • the base layer is in contact
  • a higher coefficient of friction can be realized, and it can be seen that the sliding of the electrode is suppressed and the effect of preventing damage to the cathode and separator is excellent even when the electrode shrinks/expands.
  • the length of the separator overlapping portion is adjusted to a certain range or more, it can be seen that the effect of preventing damage to the cathode and separator described above is more excellent.
  • Figure 8 is a graph showing the long-term cycle stability evaluation results of secondary batteries according to Example 1 and Comparative Example 1. Specifically, Figure 8 (a) is a graph showing the capacity maintenance rate according to cycle progress of the secondary battery according to Example 1 and Comparative Example 1, and Figure 8 (b) is a graph showing the secondary battery according to Example 1 and Comparative Example 1. This is a graph showing the coulombic efficiency according to the progress of the battery cycle.
  • the secondary battery according to Example 1 was provided with a separator overlapping portion to improve core impingement, it exhibited initial energy density and capacity maintenance at similar levels to the comparative example without this.
  • the secondary battery according to Comparative Example 1 had a decrease in capacity maintenance rate after the initial 50 cycles, that is, when a long-term cycle was performed. Specifically, after 50 cycles, a reversal in the coulombic efficiency of the secondary battery according to Example 1 occurred, and it was confirmed that the lifespan was reduced due to internal short through the large fluctuation range.
  • the secondary battery according to Example 1 does not have a significant decrease in initial energy density and capacity maintenance rate even when provided with a separator overlapping portion, while compared to the secondary battery according to Comparative Example 1 without a separator overlapping portion, the battery It can be seen that stability and lifespan characteristics are excellent.
  • the jelly-roll type electrode assembly includes a separator overlapping portion having three or more layers of overlapping separators at a specific position, thereby suppressing sliding of the electrode during battery charging and discharging, preventing contraction/expansion of the electrode. It can be seen that damage to the cathode and separator can be prevented from deformation of the electrode assembly. In addition, even when damage to the separator occurs, it can be seen that battery stability and lifespan characteristics can be improved by preventing an internal short circuit between the anode and cathode due to the separator overlapping portion. Furthermore, it can be seen that the above-described effects can be better when adjusting the bending structure of the core separator, the friction coefficient between the interfaces, and the length range of the separator overlapping portion.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 제1 분리막, 음극, 제2 분리막 및 양극이 차례대로 적층되어 권취된 젤리롤형 전극 조립체이 있어서, 상기 양극은 상기 젤리롤형 전극조립체의 권취축 방향인 제1면과, 상기 제1면의 반대면인 제2면을 포함하고, 상기 전극조립체의 코어부는 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에 분리막 중첩부를 포함하고, 상기 분리막 중첩부는 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 전극 조립체에 관한 것입니다.

Description

젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분리막 중첩부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다. 본 출원은 2022년 12월 1일 한국 특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2022-0165808호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.
원통형 전지의 경우 폭이 정해진 긴 전극을 롤 형태로 말아 젤리-롤(Jelly Roll) 형태의 전극조립체를 제조한다. 이러한 젤리-롤형 전극조립체를 전지케이스에 삽입하여 제조되는 원통형 전지는 충방전시 전극의 수축/팽창을 반복하게 된다. 특히, 젤리-롤형 전극조립체의 코어에 탭(In tab)이 위치하거나, 음극 전극 내 실리콘계 활물질이 첨가되어 전극조립체의 수축/팽창 정도가 증가하는 경우 전극조립체의 코어부에 작용하는 압력은 크게 증가하게 된다.
최근 저저항/고용량 설계가 증가함에 따라 젤리-롤형 전극조립체가 복수의 탭을 포함하거나, 실리콘계 활물질이 첨가되는 경우가 증가하고 있으며, 이에 따라, 전극조립체의 수축/팽창에 따른 상기 코어부에 위치하는 전극조립체의 변형 가능성이 증가하고, 특히 음극 및 양극 사이에 위치하는 분리막이 파손되는 경우 음극 및 양극이 직접 접촉하여 내부 쇼트로 인해 발열 및 발화가 발생하는 문제가 있었다.
이러한 전극조립체의 변형에 따른 분리막 파손 및 내부 쇼트 발생 문제를 해결하기 위하여 해당 영역의 음극 및 분리막을 보호하고, 내부 쇼트 발생을 억제할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체의 설계를 변경한 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 제1분리막; 음극; 제2분리막; 및 양극이 차례대로 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 양극은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취축 방향인 제1면과, 상기 제1면의 반대면인 제2면을 포함하고, 상기 전극조립체의 코어부는, 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에 분리막 중첩부를 포함하고, 상기 분리막 중첩부는 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 상기 젤리-롤형 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것인 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 코어부 분리막의 절곡구조 및 계면 간 마찰계수를 조절한 분리막 중첩부를 포함함으로써, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하고, 분리막 손상이 발생하는 경우에도 상기 분리막 중첩부에 의해 양극 및 음극 간 내부 쇼트를 방지하여 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 분리막 중첩부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 분리막 중첩부를 모식적으로 도시한 것이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 단기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 CT 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 분리막 중첩부를 모식적으로 도시한 것이다.
도 6은 실시예 1 내지 4에 따른 이차전지의 단기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 CT 이미지이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 장기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 CT 이미지이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 장기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 코어부 분리막 손상 여부 평가 방법을 도시한 것이다.
[부호의 설명]
100: 음극
101: 음극 집전체
102, 103: 음극 활물질층
110: 음극의 길이방향 단부
200, 200': 제1분리막
210: 제1분리막의 길이방향 단부
201, 201': 제1분리막 기재층
202, 202': 제1분리막 코팅층
300: 양극
301: 양극 집전체
302, 303: 양극 활물질층
310: 양극의 길이방향 단부
400, 400': 제2분리막
410: 제2분리막의 길이방향 단부
401, 401': 제2분리막 기재층
402, 402': 제2분리막 코팅층
S: 분리막 중첩부
S1: 제1계면
S2: 제2계면
L, L’: 분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리
E1: 제1연장선
E2: 제2연장선
본원 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 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1분리막; 음극; 제2분리막; 및 양극이 차례대로 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 양극은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취축 방향인 제1면과, 상기 제1면의 반대면인 제2면을 포함하고, 상기 전극조립체의 코어부는, 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에 분리막 중첩부를 포함하고, 상기 분리막 중첩부는 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 분리막 중첩부를 포함함으로써, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하고, 분리막 손상이 발생하는 경우에도 상기 분리막 중첩부에 의해 양극 및 음극 간 내부 쇼트를 방지하여 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있다. 여기서, 상기 '코어부'는 전극조립체의 권취축에 위치한 중공; 및 권취된 제1분리막/음극/제2분리막/양극의 적층구조 일부를 포함하는 영역으로서, 상기 전극조립체의 최내각에 위치하는 상기 양극의 길이방향 일 단부로부터 상기 양극의 2 턴(Turn) 이내의 영역을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 '1 턴(Turn)'은 전극조립체에 포함되는 전극 또는 분리막의, 기준점으로부터 360° 권취에 필요한 길이를 의미하는 것일 수 있고, 전극조립체의 권취에 사용되는 권심의 외경, 전극 또는 분리막의 두께, 및 내측에 위치하는 전극 또는 분리막의 권취 수에 따라 길이가 정해지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 양극의 1 턴은, 상기 양극의 길이방향 단부로부터 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취가 이루어지는 방향으로 상기 양극을 360° 권취하기 위해 필요한 길이를 의미하는 것일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 분리막 중첩부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시상태에 따른 분리막 중첩부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극조립체의 코어부에서, 상기 제1분리막, 음극 및 제2분리막이 상기 양극의 길이방향 단부보다 길게 연장되어 추가 권취되는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 제1분리막(200), 음극(100) 및 제2분리막(400)이 상기 양극의 길이방향 단부(310)보다 길게 연장되어 추가 권취되는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1분리막, 음극 및 제2분리막의 권취가 이루어진 후에, 상기 양극과 함께 권취가 이루어지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1분리막, 음극 및 제2분리막이 권심의 둘레를 1 턴(turn) 이상 함께 권취된 후에, 상기 양극과 함께 권취가 이루어지는 것일 수 있다. 즉, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 코어부에서, 상기 제1분리막, 음극 및 제2분리막의 길이방향 단부(210, 110, 410)는 상기 양극의 길이방향 단부(310)보다 내측에 위치하는 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 음극의 길이 및 폭은 상기 양극보다 큰 것일 수 있고, 상기 음극의 일면 및 반대면에 위치한 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 길이 및 폭 또한 상기 양극보다 큰 것일 수 있다. 상기 제1분리막, 음극 및 제2분리막이 상기 양극의 길이방향 단부보다 길게 연장되어 추가 권취되는 경우, 리튬이온 전지의 화학반응에서 양극의 리튬 이온의 음극으로의 전달이 보다 용이할 수 있다. 음극의 길이나 폭이 더 넓게 형성되는 경우, 리튬 이온을 받는 음극의 면적이 증가하여 충/방전 효율의 감소를 방지할 수 있고, 전지 안정성 및 수명 특성이 우수할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 분리막 중첩부를 모식적으로 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극조립체의 코어부는, 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에 분리막 중첩부를 포함하고, 상기 분리막 중첩부는 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 전극조립체의 코어부는, 상기 양극(300)과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극(100) 사이에 분리막 중첩부(S)를 포함하고, 상기 분리막 중첩부(S)는 상기 양극의 길이방향 단부(310)를 중심으로, 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 영역의 일부를 의미하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 분리막 중첩부(S)는 상기 양극의 길이방향 단부(310)를 중심으로, 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 영역의 단부, 즉 분리막 중첩부의 길이방향 단부까지의 영역과, 상기 전극조립체의 코어부 방향으로 동일한 길이를 갖는 영역을 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막 중첩부(S)는 상기 양극의 길이방향 단부(310)을 중심으로, 상기 분리막 중첩부(S)의 길이방향 단부로부터, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리(L)와 상기 전극조립체의 코어부 방향으로 동일한 길이(L')까지의 영역을 의미하는 것일 수 있고, 상기 분리막 중첩부(S)의 길이방향 단부로부터 L+L'=L+L=2L의 길이를 갖는 영역을 의미하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분리막 중첩부는, 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막이 중첩되어 배치되는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 분리막 중첩부(S)는, 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된, 상기 제1분리막(200') 및 상기 제2분리막(400')이 중첩되어 배치되는 것일 수 있고, 상기 제1분리막(200) 및 상기 제2분리막(400)은 상기 음극의 길이방향 단부로(110)부터 연장된 영역을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1분리막(200) 및 제2분리막(400)이 상기 음극의 길이방향 단부(110)보다 길게 연장되어 추가 권취되는 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 제1분리막(200) 및 제2분리막(400)의 권취가 소정의 길이만큼 이루어진 후에, 상기 음극(100)과 함께 권취가 이루어지는 것일 수 있다. 즉, 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제1분리막(200') 및 상기 제2분리막(400')은 상기 음극(100)보다 먼저 권취가 이루어진 상기 제1분리막(200) 및 상기 제2분리막(400)의 일부분일 수 있고, 절곡 및 중첩 배치되어 분리막 중첩부(S)를 형성하는 것일 수 있다. 즉, 별도의 보조 분리막 등을 구비하지 않고 상기 제1분리막 및 제2분리막으로부터 일체로 연장된 절곡구조에 의해 분리막 중첩부를 형성할 수 있다. 이를 통해, 보다 간단한 구조에 의해 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막이 3 겹 이상이 되도록 조절되는 것일 수 있다. 또한, 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막이 중첩되어 배치됨으로써 분리막 중첩부를 형성하는 경우, 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하고, 분리막 손상이 발생하는 경우에도 상기 분리막 중첩부에 의해 양극 및 음극 간 내부 쇼트를 방지하여 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은, 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장되고, 상기 음극의 권취축에 대향하는 방향의 반대방향으로 함께 절곡되어, 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 제2분리막 사이에 중첩되어 배치되는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제1분리막(200') 및 상기 제2분리막(400')은, 상기 음극의 권취축에 대향하는 방향의 반대방향, 즉 상기 양극의 길이방향 단부(310) 측으로 함께 절곡되는 것일 수 있고, 상기 양극(300)과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극(100) 사이에 중첩 배치되어 분리막 중첩부(S)를 형성하는 것일 수 있다. 이를 통해, 보다 간단한 절곡구조에 의해 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막이 3 겹 이상이 되도록 하면서도, 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막들의 대면방향 조절이 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분리막 중첩부는, 상기 제2분리막과 상기 제2분리막이 직접 접하는 제1계면; 및 상기 제2분리막과 상기 제1분리막이 직접 접하는 제2계면을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 분리막 중첩부(S)는 중첩되어 배치되는 분리막이 3 겹 이상인 것일 수 있고, 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')을 각각 1 이상 포함하는 것일 수 있으며, 상기 제2분리막(400)과 상기 제2분리막(400')이 직접 접하는 제1계면(S1); 및 상기 제2분리막(400')과 상기 제1분리막(200')이 직접 접하는 제2계면(S2)을 포함하는 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 분리막 중첩부는 단일한 분리막의 중첩구조가 아닌 복수의 분리막인 제1분리막 및 제2분리막의 중첩구조를 포함하고, 이들이 서로 접하는 계면을 각각 포함하는 것일 수 있다. 상기 분리막 중첩부가 복수의 계면을 포함함으로써, 보다 간단한 절곡구조에 의해 분리막들의 대면방향 조절 및 각 계면의 마찰계수 조절이 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1계면 및 상기 제2계면의 마찰계수는 각각 0.4 이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 제1계면(S1) 및 상기 제2계면(S2)의 마찰계수는 각각 0.42 이상, 0.44 이상 또는 0.46 이상인 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 분리막 중첩부는 단일한 분리막의 중첩구조가 아닌 복수의 분리막인 제1분리막 및 제2분리막의 중첩구조를 포함하고, 이들이 서로 접하는 계면을 복수로 포함하되, 상기 복수의 계면의 마찰계수는 각각 특정범위 이상으로 조절되는 것일 수 있다. 상기 제1계면 및 상기 제2계면의 마찰계수가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지 충방전 시 상기 분리막 중첩부와 일체로 형성된 제1분리막 및 제2분리막에 의해 상기 양극의 슬라이딩을 억제하는 것일 수 있고, 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 마찰계수(μ)는 ASTM D 1894 기준에 따라 측정된 정지 마찰계수를 의미하는 것일 수 있고, 상기 마찰계수는 건식 방식으로 측정된 것일 수 있으며, 시편을 증류수 또는 전해액에 함침하여 습식 방식으로 측정하는 경우 보다 큰 값을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1계면의 마찰계수는 0.6 이상이고, 상기 제2계면의 마찰계수는 0.4 이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 제1계면(S1) 및 상기 제2계면(S2)의 마찰계수는 대면하는 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')의 종류 및 대면방향에 따라 서로 상이한 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1계면(S1)의 마찰계수는 0.62 이상, 0.64 이상 또는 0.66 이상인 것일 수 있고, 상기 제2계면(S2)의 마찰계수는 0.42 이상, 0.44 이상 또는 0.46 이상인 것일 수 있다. 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수를 전술한 범위로 조절하는 경우, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하고, 분리막 손상이 발생하는 경우에도 상기 분리막 중첩부에 의해 양극 및 음극 간 내부 쇼트를 방지하여 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 복수의 분리막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 제1분리막/음극/제2분리막/양극을 순서대로 적층한 구조일 수 있다. 상기 분리막(200, 400)은 음극(100)과 양극(300)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2 층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또한, 상기 분리막은 통상적으로 10 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있고, 전술한 분리막 소재를 기재층으로 하여, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 슬러리를 기재층 상에 코팅한 분리막이 사용될 수 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 분리막 중첩부를 모식적으로 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5의 (a)는 각각 양면 상에 코팅층이 구비된 제1분리막 및 제2분리막을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체의 분리막 중첩부를 모식적으로 도시한 것이고, 도 5의 (b)는 코팅층이 구비되지 않은 제1분리막 및 제2분리막을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체의 분리막 중첩부를 모식적으로 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3 및 도 5의 (a)를 참고하면, 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')은 각각 적어도 일면 상에 구비된 상기 코팅층(202, 202', 402, 402') 및 기재층(201, 201', 401, 401')을 포함하고, 상기 코팅층의 성분, 함량 및 입도 조절을 통해 특정 범위의 마찰계수를 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막의 코팅층-코팅층 간 마찰계수 및 기재층-기재층 간 마찰계수가 코팅층-기재층 간 마찰계수보다 큰 것일 수 있다. 또한, 상기 마찰계수는 건식 방식으로 측정된 것일 수 있으나, 증류수 또는 전해액에 함침 시, 즉 습식 방식으로 측정되는 경우에는 보다 현저한 차이를 갖는 것일 수 있다.
상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 경우, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 적어도 일면 상에 구비된 코팅층의 대면방향 조절에 의해 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수가 특정 범위로 조절되어, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 것일 수 있고, 상기 코팅층은 무기 성분, 바인더 성분 및 리튬염을 포함하는 것일 수 있다. 상기 분리막이 전술한 성분을 포함함으로써, 전극과의 접착력 향상을 위한 바인더 및 분리막의 기계적 강도 향상을 위한 무기 성분 등이 포함되어 있음에도 불구하고, 코팅층에 포함되어 있는 리튬염의 용출에 의해 내부 저항 증가가 초래되지 않으므로 셀 안정성이 우수한 것일 수 있다.
또한, 상기 분리막에 대면하는 전극의 전해액 함침 수준을 높일 수 있으므로, 장기 수명 측면에서 유리한 성능을 가지는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅층은 상기 무기 성분을 포함할 수 있고, 무기 성분을 포함하는 상기 코팅층은 단순 폴리머 재질의 분리막에 비하여 열 수축률 측면에서 유리하므로, 이를 포함하는 상기 분리막은 보다 우수한 고온 안전성을 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 리튬염은 실질적으로 리튬 이차전지의 전해액에 포함되어 있는 것과 동일할 수 있으며, 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, 및 4 페닐 붕산 리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 무기 성분은, 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5 V)에서 양극 또는 음극 집전체와 산화 및/또는 환원 반응 즉, 전기 화학적 반응을 일으키지 않고, 통전성을 해하지 않는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), Pb(Mg3Nb2/3)O3 -PbTiO3(PMN-PT), hafnia(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2,Y2O3, Al2O3, 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 바인더는 분리막에 적층되는 전극과의 결합력과, 혼합 코팅층 중의 무기 성분 및 리튬염들 상호간의 결합력을 발휘하면서, 전해액에 의해 쉽게 용해되는 않는 성분이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-cohexafluoropropylene), 폴리비닐리덴플로라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-cotrichloroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌(PVdF-CTFE), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는 PVdF 또는 PVdF-CTFE 일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 것일 수 있고, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층이 구비된 면은, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면보다 마찰계수가 큰 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')은 각각 일면 상에 구비된 코팅층(202, 202', 402, 402')을 포함하고, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층이 구비된 면은, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면보다 마찰계수가 큰 것일 수 있다. 즉, 상기 코팅층은 상기 분리막 상에 구비되는 경우 계면의 마찰계수를 증가시키는 것일 수 있다. 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 일면 상에 구비된 코팅층의 대면방향 조절에 의해 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수가 특정 범위로 조절되어, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')은 각각 일면 상에 구비된 상기 코팅층(202, 202', 402, 402') 및 기재층(201, 201', 401, 401')을 포함하고, 상기 코팅층의 성분, 함량 및 입도 조절을 통해 특정 범위의 마찰계수를 갖는 것일 수 있다.
상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 경우, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 경우, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 일면 상에 구비된 코팅층의 대면방향 조절에 의해 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수가 특정 범위로 조절되어, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하고, 상기 제1계면은 상기 제2분리막의 코팅층과 상기 제2분리막의 코팅층이 직접 접하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')은 각각 일면 상에 구비된 코팅층(202, 202', 402, 402')을 포함하고, 상기 제1계면(S1)은 상기 제2분리막의 코팅층(402)과 상기 제2분리막의 코팅층(402')이 직접 접하는 것일 수 있다. 상기 제2분리막의 코팅층과 상기 제2분리막의 코팅층이 직접 접하는 경우, 즉 상기 분리막의 코팅층-코팅층 간 마찰계수는 기재층-기재층 간 마찰계수 또는 코팅층-기재층 간 마찰계수보다 큰 것일 수 있고, 상기 제1계면의 마찰계수가 보다 큰 값을 가지는 것일 수 있다. 상기 제1계면에서 상기 제2분리막의 코팅층과 상기 제2분리막의 코팅층이 직접 접하는 경우, 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수가 증가하여, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제함으로써 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하고, 상기 제2계면은 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면과 상기 제1분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면이 직접 접하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 제1분리막(200, 200') 및 상기 제2분리막(400, 400')은 각각 일면 상에 구비된 코팅층(202, 202', 402, 402')을 포함하고, 상기 제2계면(S2)은 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면, 즉 제2분리막 기재층(401')과 상기 제1분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면, 즉 제1분리막 기재층(201')이 직접 접하는 것일 수 있다. 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면과 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면이 직접 접하는 경우, 즉 상기 분리막의 기재층-기재층 간 마찰계수는 코팅층-기재층 간 마찰계수보다 큰 것일 수 있고, 상기 제2계면의 마찰계수가 보다 큰 값을 가지는 것일 수 있다. 상기 제2계면에서 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면과 상기 제1분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면이 직접 접하는 경우, 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수가 증가하여, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제함으로써 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1계면은, 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 제2분리막; 및 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제2 분리막이 직접 접하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제2분리막(400')은, 상기 양극(300)과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극(100) 사이에 중첩 배치되어 분리막 중첩부(S)를 형성하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 양극(300)과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극(100) 사이에는 상기 제2분리막(400)이 위치하므로, 상기 연장된 제2분리막(400')은, 상기 양극(300)과 상기 음극(100) 사이에 위치하는 제2분리막(400)과 직접 접하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제2분리막(400); 및 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제2 분리막(400')이 직접 접하는 제1계면(S1)을 형성하는 것일 수 있다. 이를 통해, 보다 간단한 절곡구조에 의해 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막이 3 겹 이상이 되도록 하면서도, 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막들의 대면방향 조절 및 계면의 마찰력 조절이 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2계면은, 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제1분리막; 및 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제2분리막이 직접 접하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제1분리막(200'); 및 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제2분리막(400')은, 상기 양극(300)과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극(100) 사이에 중첩 배치되어 분리막 중첩부(S)를 형성하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제1분리막(200') 및 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제2분리막(400')이 직접 접하는 제2계면(S2)을 형성하는 것일 수 있다. 이를 통해, 보다 간단한 절곡구조에 의해 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막이 3 겹 이상이 되도록 하면서도, 상기 분리막 중첩부를 구성하는 분리막들의 대면방향 조절 및 계면의 마찰력 조절이 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이는, 상기 전극조립체의 둘레 100 %를 기준으로 30 % 이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이는, 상기 전극조립체의 둘레 100 %를 기준으로 40 % 이상 또는 50 % 이상인 것일 수 있고, 상기 전극조립체의 코어부 내주면의 1/3 턴(turn) 이상 또는 1/2 턴 이상인 것일 수 있다.
여기서, 상기 전극조립체의 둘레는 상기 전극조립체의 내주면 둘레를 의미하는 것일 수 있고, 상기 '내주면 둘레'는 상기 전극조립체의 권취축을 중심으로, 상기 전극조립체의 중공에 접하는 최내각 층까지의 거리 중 가장 큰 값을 반지름으로 하는 가상의 원의 둘레를 의미하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전극조립체의 내주면 둘레는 약 10 mm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 도 3을 참고하면, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이는, L+L'=L+L=2L의 길이를 의미하는 것일 수 있다. 즉, 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제1분리막; 및 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제2분리막은, 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에, 상기 양극의 길이방향 단부로부터 1/6 턴(turn) 이상 또는 1/4 턴 이상 배치되는 것일 수 있고, 이 경우 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이는 1/3 턴(turn) 이상 또는 1/2 턴 이상인 것일 수 있다. 전술한 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이 범위를 만족하는 경우, 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰력이 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제함으로써 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하기에 충분한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리는 3 mm 이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리(L)는 4 mm 이상, 5 mm 이상 또는 6 mm 이상인 것일 수 있다.
즉, 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제1분리막(200'); 및 상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부(110)로부터 연장된 상기 제2분리막(400')은, 상기 양극(300)과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극(100) 사이에, 상기 양극의 길이방향 단부(310)로부터 3 mm 이상 배치되는 것일 수 있다.
전술한 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이 범위를 만족하는 경우, 상기 제1분리막 및 제2분리막 투입 시 공정오차가 존재하는 경우에도, 상기 분리막 중첩부가 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰력이 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제함으로써 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지하기에 충분한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 구비된 양극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 양극(300)은 양극 집전체(301) 및 상기 양극 집전체(301)의 일면 또는 양면에 형성되며, 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층(302, 303)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 양극 활물질층은 상기 양극 집전체의 양극 유지부에 형성되고, 상기 양극 활물질층이 구비되지 않은 면은 양극 무지부로 표현될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극 집전체는 양극 활물질이 도포되는 양극 유지부와 양극 활물질이 도포되지 않는 양극 무지부를 포함하는 것일 수 있고, 양극 무지부 상에 탭을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 집전체는 양극 무지부를 포함할 수 있으며, 상기 양극 무지부에 구비된 양극 탭을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 권취되고, 상기 양극은 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면 상에 구비되고, 상기 양극 집전체와 동일한 위치에서 길이방향 단부를 갖는 양극 활물질층을 포함하는 것 일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 전극조립체는 양극(300), 분리막(200, 400) 및 음극(100)이 적층되어 권취되고, 상기 양극(300)은 양극 집전체(301); 및 상기 양극 집전체(301)의 적어도 일면 상에 구비되고, 상기 양극 집전체(301)와 동일한 위치에서 길이방향 단부(310)를 갖는 양극 활물질층(302, 303)을 포함하는 것 일 수 있다. 다시 말해, 상기 양극의 길이방향 일 단부(310)는 프리엣지(Free-edge)형태인 것일 수 있다. 이를 통해, 불필요한 양극 집전체 무지부 면적을 감소시켜 경제성을 확보할 수 있고, 전극 상에 활물질층을 형성한 후 슬리팅 공정이 이루어질 수 있어 슬리팅 공정 및 와인딩 공정을 포함하는 롤-투-롤 공정이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다. 여기서, '동일한 위치'란 길이방향 단부가 동일한 것을 의미하고, 슬리팅 공정 등에서 발생할 수 있는 공정상의 오차로 인해 실질적으로 동일한 위치에서 단부를 형성하는 경우를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로, 상기 양극 집전체로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 즉, 양극 집전체는 표면 처리된 스테인리스 스틸, 알루미늄 호일 등의 형태로 제공될 수 있다.
또한, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (0≤x≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤y≤0.3를 만족한다.)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-zMzO2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤z≤0.1를 만족한다.) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 양극 활물질층은 양극 도전재 및 양극 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로, 상기 양극 도전재는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 구비된 음극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 음극(100)은 음극 집전체(101) 및 상기 음극 집전체(101)의 일면 또는 양면에 형성되며, 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층(102, 103)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체의 음극 유지부에 형성되고, 상기 음극 활물질층이 구비되지 않은 면은 음극 무지부로 표현될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극 집전체는 음극 활물질층이 형성되는 음극 유지부와 음극 활물질층이 형성되지 않는 음극 무지부를 포함하는 것일 수 있고, 음극 무지부 상에 탭을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 집전체는 음극 무지부를 포함할 수 있으며, 상기 음극 무지부에 구비된 음극 탭을 포함하는 것일 수 있다. 이에 따라, 제조되는 전극조립체는 음극 탭을 1개 이상 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극 활물질층은 실리콘계 물질 및 탄소계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 음극 활물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질층은 음극 도전재 및 음극 바인더를 더 포함할 수 있으며, 상기 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더는 당업계에 사용되는 물질이 제한 없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 음극 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 음극 집전체로 사용할 수 있다. 상기 음극 집전체의 두께는 6 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하일 수 있으나, 상기 음극 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 음극 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 젤리-롤형 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것인 이차전지를 제공한다. 구체적으로, 상기 이차전지는 상술한 일 실시상태에 따른 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 코어부 분리막의 절곡구조 및 계면 간 마찰계수를 조절한 분리막 중첩부를 포함함으로써, 전지 충방전 시 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형 시에도 양극 및 음극 간 내부 쇼트를 방지함으로써, 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지케이스는 원통형인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 전지케이스는 용도에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형 등일 수 있으나, 상기 전지케이스가 원통형인 경우, 젤리-롤형 전극조립체의 수용에 보다 적합할 수 있으며, 전지케이스가 원통형인 경우, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 이차전지의 형상이 원통형인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지케이스의 내부는 전해질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질은 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질 또는 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 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, 테트라하이드로푸란, 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.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속염은 리튬염일 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2-, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예
실시예 1
전극조립체 제조
양극 집전체로서 두께 15 ㎛, 폭방향 길이 63.9 mm의 Al 호일을 준비하고, 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질로서 Ni함량이 92 % 이상인 NMCA(Ni-Mn-Co-Al) 복합체 및 도전재로서 CNT를 포함하는 양극 활물질 슬러리를 도포 및 건조함으로써 양극 활물질층을 형성하여 154 ㎛의 두께를 갖는 양극을 제조하였다.
다음으로, 음극 집전체로서 두께 8 ㎛, 폭방향 길이 65.1 mm의 Cu 호일을 준비하고, 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질로서 인조흑연 및 천연흑연을 각각 50 중량부로 포함하는 음극 활물질 슬러리를 도포 및 건조함으로써 음극 활물질층을 형성하여 187 ㎛의 두께를 갖는 음극을 제조하였다.
한편, 제1분리막 및 제2분리막으로서 시트형의 폴리에틸렌 기재층의 일면 상에 무기 성분으로서 Al2O3, 바인더 성분으로서 PVdF계 바인더 및 리튬염을 포함하는 코팅층이 형성된 분리막 2 장을 각각 준비하였다.
젤리-롤형 전극조립체의 권취 이전에, 상기 제1분리막 및 제2분리막의 기재층이 서로 마주하도록 중첩하고, 권취 방향의 역방향으로 상기 제1분리막 및 제2분리막을 권심의 약 3 턴(turn)에 대응되는 길이만큼 연장부를 마련하였다. 이 때, 상기 권심은 외주면의 둘레가 약 10 mm인 것을 사용하였다.
이후, 상기 제1분리막 및 제2분리막의 길이방향 단부로부터 권심의 3 턴(turn)에 대응되는 지점을 권취 방향으로 되접어 권취를 시작하고, 상기 음극 및 양극을 순서대로 투입하여, 젤리-롤형 전극조립체를 제조하였다. 이 때, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 코어부는, 상기 양극의 권취축 방향의 일면과 상기 음극의 일면 상에 위치하는 제2분리막 사이에, 상기 제1분리막 및 제2분리막의 연장부를 게재함으로써 분리막 중첩부를 마련하여 도 1 및 도 2에 따른 구조를 갖도록 하였다. 이 때, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리(L)는 3 mm로서, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이(L+L'=2L)는 6 mm 가 되도록 조절하였다. 제조된 상기 젤리-롤형 전극조립체의 내주면 둘레는 약 10 mm이었다.
이차전지의 제조
상기 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 전지케이스에 삽입한 후, 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC):디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC):에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC)를 4:9:3의 중량비로 혼합하여 LiPF6를 15 wt% 포함되도록 용해한 전해액을 주액하고, 캡 조립체로 원통형 전지 캔을 밀봉하여 이차전지를 제조하였다.
실시예 2
제1분리막 및 제2분리막으로서 시트형의 폴리에틸렌 기재층의 양면 상에 무기 성분으로서 Al2O3, 바인더 성분으로서 PVdF계 바인더 및 리튬염을 포함하는 코팅층이 형성된 분리막 2 장을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리-롤형 전극조립체 및 이차전지를 제조하였다.
실시예 3
제1분리막 및 제2분리막으로서 시트형의 폴리에틸렌 기재층의 양면 상에 코팅층이 형성되지 않은 분리막 2 장을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리-롤형 전극조립체 및 이차전지를 제조하였다.
실시예 4
분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리(L)가 1.5 mm로서, 상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이(L+L'=2L)는 3 mm가 되도록 조절한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리-롤형 전극조립체 및 이차전지를 제조하였다.
비교예 1
분리막 중첩부를 마련하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리-롤형 전극조립체 및 이차전지를 제조하였다.
실험예
실험예 1 - 마찰계수 평가
상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층-코팅층 간, 코팅층-기재층 간 및 기재층-기재층 간 마찰계수(μ)를 ASTM D 1894 기준에 따라 측정하였다. 이때, 상기 마찰계수는 건식 방식으로 측정한 후, 동일한 시편을 상기 전해액에 60 분 동안 함침한 후 습식 방식으로 재측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
분리막 대면방향
코팅층-코팅층 기재층-기재층 코팅층-기재층
마찰계수(건식) 0.68 0.41 0.44
마찰계수(습식) 0.81 0.45 0.44
상기 표 1을 참고하면, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층-코팅층 간 마찰계수는, 기재층-기재층 간 또는 코팅층-기재층 간 마찰계수에 비하여 높은 값을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 건식(dry) 상태에서 측정된 마찰계수보다 습식(wet) 상태에서 측정된 마찰계수가 높은 값을 갖는 것을 확인하였다. 구체적으로, 기재층-기재층 간 마찰계수는 코팅층-기재층 간 마찰계수에 비하여 상대적으로 낮은 값을 가지나, 제조되는 이차전지의 내부환경인 습식 상태에서는 기재층-기재층 간 마찰계수가 보다 높은 값을 갖는 것을 확인하였다. 이를 통해, 증류수 또는 전해액에 함침 시 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 상기 분리막의 코팅층-코팅층 간 마찰계수 및 기재층-기재층 간 마찰계수가 코팅층-기재층 간 마찰계수보다 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 일면 상에 구비된 코팅층의 대면방향 조절에 의해 상기 분리막 중첩부에 포함되는 분리막의 계면 간 마찰계수가 특정 범위로 조절될 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2 - Core Impingement 평가
단기 사이클 안정성 평가
상기 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1에서 제조된 이차전지, 상기 이차전지를 각각 4.2 V-2.5 V, 0.2 C 충전, 0.2 C 방전으로 2 사이클 진행하여 활성화한 후의 이차전지를 준비하였다. 이후, 상기 활성화된 이차전지를 각각 4.3 V-2.5 V 1 C/1 C @25 ℃조건에서 20 사이클 진행한 후의 이차전지를 각각 준비하고, 코어부를 전산화 단층 촬영(Computed tomography, CT)하여 Core Impingement 여부를 확인함으로써 단기 사이클 안정성을 평가하고, 그 이미지를 도 4 및 도 6에 각각 나타내었다,
장기 사이클 안정성 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차전지를 각각 4.2 V-2.5 V, 0.2 C 충전, 0.2 C 방전으로 2 사이클 진행하여 활성화한 후의 이차전지를 준비하였다. 이후, 상기 활성화된 이차전지를 각각 4.25 V(0.3 C)-2.85 V(0.5 C), @55 ℃ 조건에서 200 사이클 진행하고, 코어부를 전산화 단층 촬영(Computed tomography, CT)하여 Core Impingement 여부를 확인함으로써 장기 사이클 안정성을 평가하고, 그 이미지를 도 7에 각각 나타내었다. 또한, 사이클 진행에 따른 에너지 밀도, 용량 유지율 및 쿨롱 효율을 측정하여 하기 표 2 및 도 8에 나타내었다.
비교예 1 실시예 1
에너지 밀도(Wh) 18.8 18.6 18.7 18.9
18.7 18.8
용량 유지율(%) 71.7 (@309cyc) 73.3 (@309cyc) 79.8 (@309cyc) 73.3 (@309cyc)
79.8 72.5
쿨롱 효율(%) 88.0 92.0
Core Impingement 평가하기의 방법으로 상기 실시예 1 및 비교예 1의 이차전지에 대한 Core Impingement 발생 여부를 평가하였다.
도 9는 Core Impingement 발생 여부 평가 방법을 모식적으로 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 음극에 변형이 발생한 경우의 Core Impingement 발생 여부 평가 방법을 모식적으로 나타낸 것이고, 도 9의 (b)는 음극에 변형이 발생하지 않은 경우의 Core Impingement 발생 여부 평가 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
1) 상기 양극(300)의 제1면에서, 상기 양극의 길이방향 단부(310)와 단부로부터 이격거리가 5 mm 지점을 연결한 직선을 연장하여, 제1연장선(E1)을 작도한다.
2-1) 음극에 변형이 발생한 경우
상기 젤리-롤형 전극조립체의 코어부에서, 상기 음극(100)의 상기 양극의 제1면에 대향하는 면에서, 상기 양극의 길이방향 단부(310)로부터 이격거리 5 mm 내에서 만곡 방향이 바뀌는 2개의 지점을 연결한 직선을 연장하여, 제2연장선(E2)을 작도한다.
2-2) 음극에 변형이 발생하지 않은 경우
상기 젤리-롤형 전극조립체의 코어부에서, 상기 음극(100)의 상기 양극의 제1면에 대향하는 면에서, 상기 양극의 길이방향 단부(310)로부터 이격거리가 5 mm인 2개의 지점을 연결한 직선을 연장하여, 제2연장선(E2)을 작도한다.
3) 상기 제1연장선(E1)과 상기 제2연장선(E2)의 교점을 중심으로, 상기 제1연장선(E1)으로부터 반시계방향으로 상기 제2연장선(E2)까지의 각도가 25°를 초과하는 경우 Core Impingement가 발생한 것으로 평가하였다.
한편, 상기 Core Impingement 발생 여부 평가 방법은, 미지 상태의 이차전지(Unknown Cell)를 입수한 경우, 초기 입수 시점에서 Core Impingement 발생 여부를 평가하고, 250 사이클마다 Core Impingement 발생 여부를 재평가하여, 본 발명에 따른 실시예의 이차전지의 Core Impingement 조건과 비교 분석하는 방식으로 적용될 수 있다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 단기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 CT 이미지이고, 도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 장기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 CT 이미지이다.
도 4 및 도 7을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 이차전지는 단기 사이클 안정성 평가 및 장기 사이클 안정성 평가에서 모두 Core Impingement가 발생하지 않은 것을 확인하였으나, 비교예 1에서 제조된 이차전지는 단기 사이클 안정성 평가 및 장기 사이클 안정성 평가에서 모두 Core Impingement가 발생한 것을 확인하였다. 구체적으로, 비교예 1에서 제조된 이차전지는 활성화 전의 이차전지에는 Core Impingement가 발생하지 않았으나, 활성화 후의 일부 이차전지에서 Core Impingement가 발생한 것을 확인하였다. 나아가, 단기 사이클에 해당하는 20 사이클 후 및 장기 사이클에 해당하는 200 사이클 후에는 양극의 길이방향 단부에 의한 음극 및 분리막 손상, 즉 전극조립체의 수축/팽창에 의한 Core Impingement의 발생 빈도 및 정도가 현저하게 증가한 것을 확인하였다.
도 6은 실시예 1 내지 4에 따른 이차전지의 단기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 CT 이미지이다.
도 6을 참고하면, 실시예 1 내지 4에서 제조된 이차전지는 활성화 후 모두 Core Impingement가 발생하지 않은 것을 확인하였으나, 코팅층이 구비되지 않은 제1분리막 및 제2분리막을 포함하는 실시예 3의 경우, 가속 사이클 이후에는 양극의 제2면에 대향하는 음극의 구부러짐 현상이 미세하게 발생하는 것을 확인하였다. 분리막 중첩부가 6 mm 미만으로 구비된 실시예 4의 경우, 활성화 이후 양극의 제2면에 대향하는 음극의 구부러짐 현상이 미세하게 발생하며, 가속 사이클 이후에는 Core Impingement가 발생하는 것을 확인하였다.
이를 통해, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하는 경우는, 상기 분리막 중첩부가 코팅층을 포함하지 않는 경우, 즉 제1계면 및 제2계면이 모두 기재층과 기재층이 접하는 경우에 비하여 높은 마찰계수를 구현할 수 있고, 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창 시에도 음극 및 분리막 손상 방지 효과가 우수한 것을 알 수 있다. 나아가, 분리막 중첩부의 길이를 특정 범위 이상으로 조절하는 경우, 상술한 음극 및 분리막 손상 방지 효과가 보다 우수함을 알 수 있다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 장기 사이클 안정성 평가 결과를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 8의 (a)는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 사이클 진행에 따른 용량 유지율을 나타낸 그래프이고, 도 8의 (b)는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지의 사이클 진행에 따른 쿨롱 효율을 나타낸 그래프이다.
표 2 및 도 8을 참고하면, 실시예 1에 따른 이차전지는 Core Impingement 개선을 위해 분리막 중첩부를 구비하였음에도, 이를 구비하지 않은 비교예와 유사한 수준의 초기 에너지 밀도 및 용량 유지율을 나타내는 것을 확인하였다. 반면, 비교예 1에 따른 이차전지는 초기 50 사이클 진행 이후, 즉 장기 사이클이 진행되는 경우 용량 유지율 저하가 발생하는 것을 확인하였다. 구체적으로, 50 사이클 이후부터 실시예 1에 따른 이차전지와 쿨롱 효율 역전이 발생하였으며, 큰 변동 폭을 갖는 것을 통해 내부 쇼트에 의한 수명 저하가 발생하는 것을 확인하였다.
이를 통해, 실시예 1에 따른 이차전지는, 분리막 중첩부를 구비하는 경우에도 초기 에너지 밀도 및 용량 유지율의 유의미한 저하는 발생하지 않는 반면, 분리막 중첩부를 구비하지 않은 비교예 1에 따른 이차전지에 비하여 전지 안정성 및 수명 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 분리막 중첩부를 특정 위치에 포함함으로써, 전지 충방전 시 전극의 슬라이딩을 억제하여 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 음극 및 분리막 손상을 방지할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 분리막 손상이 발생하는 경우에도 상기 분리막 중첩부에 의해 양극 및 음극 간 내부 쇼트를 방지하여 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 코어부 분리막의 절곡구조, 계면 간 마찰계수 및 분리막 중첩부의 길이범위를 조절하는 경우 상술한 효과가 보다 우수할 수 있음을 알 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시상태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 전술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 제1분리막; 음극; 제2분리막; 및 양극이 차례대로 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서,
    상기 양극은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취축 방향인 제1면과, 상기 제1면의 반대면인 제2면을 포함하고,
    상기 전극조립체의 코어부는, 상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 음극 사이에 분리막 중첩부를 포함하고,
    상기 분리막 중첩부는 중첩되어 배치되는 분리막이 3겹 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체의 코어부에서,
    상기 제1분리막, 음극 및 제2분리막이 상기 양극의 길이방향 단부보다 길게 연장되어 추가 권취되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 중첩부는,
    상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막이 중첩되어 배치되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은,
    상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장되고,
    상기 음극의 권취축에 대향하는 방향의 반대방향으로 함께 절곡되어,
    상기 양극과 상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 제2분리막 사이에 중첩되어 배치되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 중첩부는,
    상기 제2분리막과 상기 제2분리막이 직접 접하는 제1계면; 및 상기 제2분리막과 상기 제1분리막이 직접 접하는 제2계면을 포함하고,
    상기 제1계면 및 상기 제2계면의 마찰계수는 각각 0.4 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1계면의 마찰계수는 0.6 이상이고,
    상기 제2계면의 마찰계수는 0.4 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하고,
    상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층이 구비된 면은, 상기 제1분리막 및 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면보다 마찰계수가 큰 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 적어도 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층은 무기 성분, 바인더 성분 및 리튬염을 포함하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하고,
    상기 제1계면은 상기 제2분리막의 코팅층과 상기 제2분리막의 코팅층이 직접 접하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1분리막 및 상기 제2분리막은 각각 일면 상에 구비된 코팅층을 포함하고,
    상기 제2계면은 상기 제2분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면과 상기 제1분리막의 코팅층이 구비되지 않은 면이 직접 접하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1계면은,
    상기 양극의 제1면에 대향하는 상기 제2분리막; 및
    상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제2 분리막이 직접 접하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제2계면은,
    상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제1분리막; 및
    상기 전극조립체의 코어부에서 상기 음극의 길이방향 단부로부터 연장된 상기 제2분리막이 직접 접하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 중첩부의 길이방향 길이는,
    상기 전극조립체의 둘레 100 %를 기준으로 30 % 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 중첩부의 길이방향 단부와 양극의 길이방향 단부 간 이격거리는 3 mm 이상인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 젤리-롤형 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것인 이차전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전지케이스는 원통형인 것인 이차전지.
PCT/KR2023/012250 2022-12-01 2023-08-18 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 WO2024117460A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20220165808 2022-12-01
KR10-2022-0165808 2022-12-01
KR10-2023-0105397 2023-08-11
KR1020230105397A KR20240082171A (ko) 2022-12-01 2023-08-11 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024117460A1 true WO2024117460A1 (ko) 2024-06-06

Family

ID=89983364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/012250 WO2024117460A1 (ko) 2022-12-01 2023-08-18 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20240186588A1 (ko)
WO (1) WO2024117460A1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001202985A (ja) * 2000-01-21 2001-07-27 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 円筒形リチウムイオン電池
JP2003303624A (ja) * 2002-04-11 2003-10-24 Sony Corp 非水電解質二次電池
KR20040058921A (ko) * 2002-12-27 2004-07-05 삼성에스디아이 주식회사 권취형 전극 조립체를 구비한 이차 전지
JP4628981B2 (ja) * 2005-03-23 2011-02-09 三星エスディアイ株式会社 リチウムイオン電池用電極組立体とこれを用いたリチウムイオン電池
KR20150015253A (ko) * 2013-07-31 2015-02-10 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
KR20220165808A (ko) 2016-05-04 2022-12-15 랜티우스 메디컬 이메징, 인크. 초음파 조영제의 제조 방법 및 장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001202985A (ja) * 2000-01-21 2001-07-27 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 円筒形リチウムイオン電池
JP2003303624A (ja) * 2002-04-11 2003-10-24 Sony Corp 非水電解質二次電池
KR20040058921A (ko) * 2002-12-27 2004-07-05 삼성에스디아이 주식회사 권취형 전극 조립체를 구비한 이차 전지
JP4628981B2 (ja) * 2005-03-23 2011-02-09 三星エスディアイ株式会社 リチウムイオン電池用電極組立体とこれを用いたリチウムイオン電池
KR20150015253A (ko) * 2013-07-31 2015-02-10 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
KR20220165808A (ko) 2016-05-04 2022-12-15 랜티우스 메디컬 이메징, 인크. 초음파 조영제의 제조 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
US20240186588A1 (en) 2024-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2015065118A1 (ko) 전극조립체 및 그를 포함하는 리튬 이차전지
WO2010071387A2 (ko) 고출력 리튬 이차 전지
WO2018012694A1 (ko) 리튬 금속이 양극에 형성된 리튬 이차전지와 이의 제조방법
WO2015030402A1 (ko) 리튬 전이금속 복합 입자, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 양극 활물질
WO2019194510A1 (ko) 리튬 이차전지용 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지
WO2016126046A1 (ko) 고용량 음극을 포함하는 이차전지 및 그 제조 방법
WO2016060521A1 (ko) 전기절연층이 코팅되어 있는 전극탭 및 이를 포함하는 이차전지
WO2017039385A1 (ko) 점착력이 상이한 점착 코팅부들을 포함하는 분리막 및 이를 포함하는 전극조립체
WO2015105369A1 (ko) 안전 분리막을 가진 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
WO2020209529A1 (ko) 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 안전성 평가방법
WO2020159236A1 (ko) 이차전지용 음극의 전리튬화 방법
WO2019093836A1 (ko) 원통형 젤리롤에 사용되는 스트립형 전극 및 그를 포함하는 리튬 이차전지
WO2021025358A1 (ko) 내부 단락 유도를 위한 전기화학소자 및 이를 이용한 안전성 평가방법
WO2019135640A1 (ko) 절연 코팅층이 구비된 전극탭을 포함하는 이차전지
WO2015105365A1 (ko) 고 연신 특성의 분리막을 가진 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
WO2019221410A1 (ko) 전극 보호층을 포함하는 음극 및 이를 적용한 리튬 이차전지
WO2019139424A1 (ko) 리튬 전극을 포함하는 리튬 금속 이차전지의 제조방법
WO2021045580A1 (ko) 음극 전극의 전소듐화 방법, 전소듐화 음극, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2020159202A1 (ko) 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2018062844A2 (ko) 전도성 직물로 형성된 보호층을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2020080905A1 (ko) 이차전지 패키징용 필름 및 이를 포함하는 이차전지
WO2016163654A1 (ko) 안전성이 향상된 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지
WO2018182195A1 (ko) 고로딩 전극의 제조 방법
WO2021101005A1 (ko) 이차전지 제조방법 및 그의 제조설비
WO2021045581A1 (ko) 음극 전극의 전리튬-전소듐화 방법, 전리튬-전소듐화 음극, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023848460

Country of ref document: EP

Effective date: 20240214