KR101072292B1 - 섬유상의 구조체들을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유상의 구조체들을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 양극 및 음극 중 어느 하나의 극성을 갖는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 1 구조체를 포함하는 제 1 전극; 및 제 1 구조체와 다른 극성을 가지며, 상기 제 1 구조체를 나선상으로 감싸는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 2 구조체를 포함한다.

Description

섬유상의 구조체들을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지{Electrode assembly having fiber-shaped structures and battery}
본 발명은 전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 섬유상의 구조체들을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다.
전지 산업은 최근 반도체 제조 기술 및 통신 기술의 발달에 따른 휴대용 전자 장치에 관한 산업이 팽창하고, 환경 보존과 자원의 고갈로 인한 대체 에너지의 개발 요구에 따라 활발히 연구되고 있다. 대표적인 전지로서, 리튬 일차 전지는, 종래의 수용액계 전지에 비해서 고전압이고 에너지 밀도가 높기 때문에 소형화 및 경량화 측면에서 용이하다. 이러한 리튬 일차 전지는 휴대용 전자 장치의 주전원이나 백업용 전원 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
이차 전지는 가역성이 우수한 전극 재료로 형성하여 충방전이 가능한 전지이다. 상기 이차 전지는 외관상 원통형과 각형으로 구분되고 양극 및 음극 물질에 따라 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬(Li) 전지, 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 구분되고 있다. 이러한 이차 전지는 휴대폰, 노트북형 PC, 이동형 디스플레이와 같은 소형 전지에서부터 전기 자동차용 배터리, 하이브리드 자동차에 사용되는 중대형 전지에 이르기까지 그 적용분야가 점차로 확대되고 있다. 이에 따라, 전지는 경량이고 에너지 밀도가 높으면서도, 우수한 충방전 속도, 충방전 효율 및 사이클 특성뿐만 아니라, 높은 안정성과 경제성을 요구한다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 충방전 효율, 충방전 속도 및 사이클 특성이 우수하고, 나아가, 형상 변화와 용량 조절이 용이한 전지를 얻을 수 있는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 전극 조립체를 이용한 전지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 조립체는, 양극 및 음극 중 어느 하나의 극성을 갖는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 1 구조체를 포함하는 제 1 전극; 및 제 1 구조체와 다른 극성을 가지며, 상기 제 1 구조체를 나선상으로 감싸는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 2 구조체를 포함하는 제 2 전극을 포함한다. 일부 실시예에서는, 상기 제 1 구조체도 나선상으로 연장되어 상기 제 1 구조체 및 상기 제 2 구조체가 서로를 감싸는 이중 나선 구조를 가질 수도 있다.
상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 적어도 어느 하나는 집전체 코어 및 상기 집전체 코어를 둘러싸는 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 양극 구조체의 상기 집전체 코어는 Al 또는 Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 음극 구조체의 상기 집전체 코어는 Cu 또는 Cu 합금을 포함할 수 있다.
상기 활물질층은 1차 또는 2차 전지용 활물질층을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 양극 구조체의 활물질층의 두께는 1 ㎛ 내지 300 ㎛이며, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 음극 구조체의 활물질층의 두께는, 3 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전극 조립체는, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 적어도 어느 하나 상에 전해질 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질 코팅층은 고체 전해질층을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 상기 전극 조립체는, 상기 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 분리막을 더 포함할 수도 있다. 상기 분리막은 제 1 및 제 2 구조체들 중 적어도 어느 상에 코팅될 수도 있다.
상기 전극 조립체들은 전지 케이스 내에 소정 길이를 갖는 복수의 세그먼트들로 제공되어 전지를 형성할 수 있다. 상기 세그먼트들은 나선 구조를 가질 수도 있다.
상기 세그먼트들은 전해질이 충전될 임의의 공간을 형성하도록 랜덤하게 배열될 수 있다. 또한, 상기 세그먼트들은 서로 비틀어 연장되어 굵은 와이어 구조를 제공할 수도 있다. 또한, 전극 조립체는, 상기 굵은 와이어 구조를 나선상으로 감싸는 다른 쎄그먼트들을 더 포함할 수도 있다.
상기 세그먼트들은 씨줄과 날줄로서 서로 교차하여 직조된 배열을 가질 수 있다. 이 경우, 전극 조립체는, 상기 세그먼트들 사이에 분리막을 더 포함할 수 있으며, 상기 세그먼트들은 상기 분리막을 왕복 관통하는 씨줄과 날줄로서 서로 교차하여 직조되는 배열을 가질 수도 있다.
상기 세그먼트들은 적어도 하나의 가상 평면 상에 나란히 연장되는 배열을 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체는, 상기 배열의 복수개의 가상 평면을 포함하며, 상기 가상 평면들 사이에 분리막을 더 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 상기 세그먼트들은 분리 매트릭스 내에 관통하도록 배열될 수도 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는 전술한 전극 조립체들이 쌓음, 굽힘, 또는 감음식으로 제공되고, 상기 전극 조립체들을 둘러싸는 케이스를 포함한다. 상기 전지는 일차 전지 또는 이차 전지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 극성을 갖는 전극이 각각 섬유상의 구조체들로 이루어지고, 이들이 나선상으로 감싸기 때문에, 상기 구조체들의 곡면과 3차원적인 대향 위치에 의해 전극 사이의 대향 표면적이 증가될 수 있다. 이로 인하여, 동일 부피에서 전지의 에너지 밀도가 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 속도, 충방전 효율 및 전지의 사이클 특성이 개선될 수 있다.
또한, 각 구조체들의 세그먼트들을 무질서하게 또는 질서 있게 배열하여, 적절한 공간을 형성함으로써 전해질의 함침 공정을 용이하게 할 뿐만 아니라, 형상 변형이 용이하다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 크기, 모양, 다양한 용량을 갖는 전지를 용이하게 제공할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 전지의 전극 조립체의 구성을 개략적으로 도시하며, 도 1b 및 도 1c는 도 1a의 선 A-B를 따라 절취한 단면도로서, 다양한 실시예들에 따른 나선형 구조체들의 단면 형상을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지의 전극 조립체의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전지의 캐이스 내에서 적용 가능한 전극 조립체들의 배치를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 전극 조립체를 형성하는 세그먼트들의 질서 있는 다른 배열들을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 전극 조립체의 세그먼트들의 질서 있는 또 다른 배열들을 도시한다.
도 6은 전극 조립체의 세그먼트들의 배열의 성형 공정을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
본 명세서의 실시예들은, 판형 양극과 음극이 서로 마주보는 종래의 2차원 전지 구조에 비하여, 전극간 대향 표면적을 증가시킬 수 있는 구조로서, 복수의 섬유상의 구조체들을 포함하는 전극으로 이루어진 전극 조립체에 관하여 개시한다.
본 명세서에서 사용되는 '서로 다른 방향'이란 용어의 의미는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 1 구조체들 및 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 2 구조체들로 이루어진 전극 조립체가 전극 구조를 형성할 때, 어느 하나의 전극 조립체가 다른 전극 조립체의 연장 방향과 동일한 방향을 제외한 임의의 방향으로 연장되는 것을 지칭한다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 서로 다른 전극 조립체들이 다양한 각도 및 방향으로 배열될 수 있는 구조적인 유연성을 가진다고 할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '교차된 구조'라는 의미는 서로 다른 전극 조립체의 세그먼트들이 적층되거나 권취되어 전극 구조를 형성할 때, 적어도 하나 이상의 지점에서 만나는 교차점을 정의하도록 배열되는 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'이란 용어는 상기 분리막과 친화성이 작은 액체 전해질을 사용하는 액체 전해질 전지에서 일반적으로 통용되는 분리막을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'은 전해질이 분리막에 강하게 속박되어, 전해질과 분리막이 동일한 것으로 인식되는 진성 고체 폴리머 전해질 및/또는 겔 고체 폴리머 전해질을 포함한다. 따라서, 상기 분리막은 본 명세서에서 정의하는 바에 따라 그 의미가 정의되어야 한다.
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 전지의 전극 조립체(100)의 구성을 개략적으로 도시하며, 도 1b 및 도 1c는 도 1a의 선 A-B를 따라 절취한 단면도로서, 다양한 실시예들에 따른 나선형 구조체들의 단면 형상을 개략적으로 도시한다.
도 1a을 참조하면, 전지를 구성하는 전극 조립체(100)는 양극 및 음극 중 어느 하나의 극성을 갖는 섬유상의 제 1 구조체(10)를 포함하는 제 1 전극; 및 제 1 구조체(10)와 다른 극성을 가지며, 제 1 구조체(10)를 나선상으로 감싸는 섬유상의 제 2 구조체(20)를 포함하는 제 2 전극을 포함한다. 제 1 구조체(10)와 제 2 구조체(20)는 각각 1개씩 도시하였으나, 이는 예시적일 뿐, 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)은 복수일 수 있다. 이 경우, 제 2 구조체들(20)의 다발이 제 1 구조체들(10)을 나선상으로 감쌀 수도 있다. 또한, 어느 하나의 전극은 단일한 구조체로 이루어지고, 다른 전극은 복수의 구조체들로 이루어질 수도 있다.
제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)은 수 mm에서 수십 m 로 연장된 길이를 갖는 세그먼트 형태로 제공될 수 있으며, 각 구조체들(10, 20)의 일 단부는 전극 탭에 접속되어 외부 회로에 대해 양극 또는 음극 중 어느 하나의 외부 전극을 제공하고, 타단부는 다른 전극 탭에 접속되어 다른 극성의 외부 전극을 제공할 수 있다.
제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)은, 후술하는 실시예들에서와 같이, 다양한 배열 패턴을 위하여 적합한 성형 가공성을 제공할 수 있는 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 구조체들(10, 20)의 두께는 400 ㎛ 내지 2000 ㎛일 수 있으며, 전지의 응용 분야에 따라 적절히 선택될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)은 집전체 코어(11, 21) 및 집전체 코어(11, 12)를 둘러싸는 활물질층(12, 22)을 포함할 수 있다. 또한, 집전체 코어(11, 21)는 원형 단면을 갖지만, 이는 예시적이며, 집전체 코어(11, 21)는 타원형 단면 또는 직사각 단면을 가질 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 활물질층(12, 22)과의 접합이 용이한 표면을 제공하기 위해, 집전체 코어(11, 21)는 소정의 표면 거칠기를 갖거나, 접합을 위한 도전성의 접착층이 형성될 수도 있다.
집전체 코어(12, 22)는, 예를 들면, 연성을 갖는 금속 선일 수 있다. 제 1 구조체와 제 2 구조체 중 양극 구조체에는, 스테인리스강, 티탄, 알루미늄 또는 이들 중 어느 하나의 합금과 같은 금속계 재료가 집전체 코어로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 양극용 집전체 코어는 알루미늄 또는 이의 합금이다. 음극 구조체에는, 구리, 스테인리스강, 니켈, 구리 또는 이들 중 어느 하나의 합금과 같은 금속계 재료가 집전체 코어로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 음극용 집전체 코어는 구리 또는 구리의 합금이다.
그러나, 본 발명의 실시예가 전술한 재료들에 제한되는 것은 아니며, 집전체 코어(12, 22)는 형상 변형이 용이한 다른 적합한 도전성 재료, 예를 들면, Poly(sulfurnitrile), Polypyrrole, Poly(p-phenylene), Poly(phenylene sulfide), Polyaniline, Poly(p-phenylenevinylene)과 같은 전자 전도성을 갖는 폴리머 재료를 포함할 수도 있다. 또는, 집전체 코어(12, 22)는 전도성 카본 페이스트, 나노 금속 입자 페이스트 또는 ITO 페이스트(idium tin oxide)를 적합한 결합제와 혼합하여 섬유상으로 성형된 재료일 수도 있다.
집전체 코어(11, 21)를 둘러싸는 활물질층(12, 22)은 일차 전지 또는 이차 전지용으로 적합한 재료층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일차 전지의 경우, 양극용 활물질층은 망간 산화물, EMD(electrolytic manganese dioxide), 니켈 산화물, 산화납, 이산화납, 은산화물, 황화철, 또는 전도성 고분자 입자를 포함할 수 있으며. 음극용 활물질층은 아연, 알루미늄, 철, 납 또는 마그네슘 입자들을 포함할 수 있다.
이차 전지의 경우, 양극용 활물질층은 Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, Ce 중 적어도 하나 이상의 금속과 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 Li 화합물을 포함할 수 있다. 이차 전지의 음극용 활물질층은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 저결정 탄소 또는 고결정성 탄소와 같은 탄소계 재료를 포함할 수 있다. 상기 저결정성 탄소는 연화 탄소(soft carbon) 또는 경화 탄소(hard carbon)일 수 있다. 상기 고결정성 탄소는 천연 흑연, 키시 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소 섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소 구체(meso-carbon microbeads), 액정 피치(Mesophase pitches), 석유 또는 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes)와 같은 고온 소성 탄소일 수 있다. 음극용 활물질층은 결합제를 포함할 수 있으며, 상기 결합제는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate)와 같은 고분자 재료가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 고용량의 이차 전지를 제공하기 위하여, 음극용 활물질층은 S, Si 또는 Sn을 포함하는 금속계 또는 금속간 화합물(intermetallic compounds)을 포함할 수도 있다.
활물질층(12, 22)은 해당 활물질, 결합제 및 도전재를 포함하는 슬러리 형태로 집전체 코어(11, 21) 상에 도포될 수 있다. 상기 슬러리는 해당 활물질 80∼98중량%, 결합제 1∼10중량%, 및 도전재 1∼10중량%의 범위로부터 적절히 선택하여, 합계량이 100중량%을 갖도록 형성될 수 있다.
각 극성의 활물질(12, 22)의 두께는, 내부 단락의 진행을 완화하는 정도와 박형화를 충분히 얻을 수 있는 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 양극용 활물질층의 두께는, 1 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는, 30 ㎛ 내지 100 ㎛ 이다. 또한, 음극용 활물질층의 두께는, 3 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는, 3 ㎛ 내지 40 ㎛ 이며, 더욱 바람직하게는, 5 ㎛ 내지 20 ㎛이다. 이들 활물질층(12, 22)의 두께를 상기 범위로 선택하는 것에 의해, 전지의 고출력화를 얻으면서도 박형화를 높은 수준으로 달성할 수 있다.
제 1 구조체(10)와 제 2 구조체(20) 중 적어도 어느 하나에 전해질 코팅층(13)을 더 형성할 수 있다. 도 1b는 제 1 구조체(10)에만 선택적으로 전해질 코팅층(13)이 형성된 것을 예시하지만, 제 2 구조체(20)에만, 또는 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20) 모두에 전해질 코팅층(13)이 형성될 수도 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 어느 한쪽 극성의 구조체(10)에만, 전해질 코팅층(13)을 형성하는 것은 양극 및 음극 구조체 모두에 전해질 코팅층(13)을 형성하는 것에 비해 부피를 감소시킬 수 있으므로, 전지의 에너지 밀도를 증가시키는 이점이 있다. 또한, 서로 다른 극성의 구조체들(10, 20)이 가까이 접할 때, 충방전시 발생하는 구조체들(10, 20)의 부피 변화로 인하여 전해질 코팅층(13)에 크랙이 발생할 수 있으며, 이러한 크랙은 전극 구조체(10, 20)의 수명 감소를 초래할 수 있다. 따라서, 도 1b와 같이 어느 한쪽 극성의 구조체(10)에만 전해질 코팅층(13)을 형성하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 충방전시 부피 변화가 작은 극성의 구조체에만 선택적으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 이차 전지의 경우, 도 1b에 도시된 바와 같이 충방전시 부피 변화가 상대적으로 작은 음극 구조체(10)에만 선택적으로 전해질 코팅층(13)을 형성할 수도 있다.
전해질 코팅층(13)은 고체 전해질층일 수 있다. 상기 고체 전해질층은, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라드 및 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드 및 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 고분자 메트릭스, 첨가제 및 전해액을 포함할 수 있다.
상기 첨가제는, 실리카, 탈크, 알루미나(Al2O3), TiO2, 클레이(clay), 제올라이트 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 전해액은, 수산화칼륨(KOH), 브롬화칼륨(KBr), 염화칼륨(KCL), 염화아연(ZnCl2) 및 황산(H2SO4)과 같은 염을 포함하는 수계 전해액일 수 있다. 상기 전해질 코팅층은 하지의 활물질층의 형성시 사용된 용매와 동일한 용매를 이용하여, 전술한 재료들의 연속적인 함침 공정에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 조립체(100)는 서로 접하는 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)의 전기적 절연을 확보하기 위해 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 분리막을 더 포함할 수도 있다. 예를 들면, 도 1c에 도시된 바와 같이, 분리막은 제 2 구조체(20) 상에 코팅된 층(30)일 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 분리막(30)은 제 1 구조체(10) 상에만, 또는 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20) 모두에 형성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 구조체들(10, 20) 사이에 제공되는 상기 분리막은 제 1 및 제 2 섬유상 구조체들(10, 20)의 전기적 절연을 확보하기 위한 임의의 구조를 가질 수도 있다. 예를 들면, 분리막은 후술하는 바와 같이 층상 구조(도 5a의 30) 또는 덩어리진 매트릭스 구조(도 5b의 30)로 제공될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 층상 구조 또는 덩어리진 매트릭스 구조를 갖는 분리막을 관통하여 제 1 및 제 2 섬유상 구조체들이 나선상으로 서로를 감싸면서 연장될 수도 있다.
분리막(30)은, 예를 들면, 미세다공막, 직포, 부직포, 진성 고체 고분자 전해질막 또는 겔 고체 고분자 전해질막일 수 있다. 상기 진성 고체 고분자 전해질막은, 직쇄 폴리머 재료, 또는 가교 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질막은, 염을 포함하는 가소제 함유 폴리머, 필러 함유 폴리머 또는 순 폴리머 중 어느 하나 이들의 조합일 수 있다.
전술한 분리막(30)에 관하여 열거한 재료들은 예시적이며, 분리막(30)으로서 형상 변화가 용이하고, 기계적 강도가 우수하여 전극 구조체(100)의 변형에도 찢어지거나 균열되지 않는 임의의 적합한 전자 절연성 재료가 사용될 수 있으며, 전자 절연성 재료로서 적합한 이온 전도성을 가질 수도 있다. 분리막(30)은 단층막 또는 다층막일 수 있으며, 상기 다층막은 동일 단층막의 적층체이거나 다른 재료로 형성된 단층막의 적층체일 수 있다. 분리막(30)의 두께는 내구성, 셧다운 기능, 전지의 안전성을 고려하면, 10 ㎛ 내지 300 ㎛이고, 바람직하게는, 10 ㎛ 내지 40㎛이며, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다. 전극 조립체들(10, 20)의 활성화를 위해 전해질액(40)이 전극 조립체를 둘러쌀 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)은 연장 방향으로 나선상으로 연속적으로 교차하여, 동일 부피 내에서 전극간 대향 표면적이 증가될 수 있다. 그에 따라, 제 1 및 제 2 구조체들을 이용하여 전극을 구성함으로써 에너지 밀도가 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 속도, 충방전 효율 및 전지의 사이클 특성이 개선될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지의 전극 조립체(200)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 전극 조립체(200)는, 도 1a의 전극 조립체(100)와 달리, 제 1 구조체(10)와 제 2 구조체(20)가 모두 나선상으로 연장되면서 서로를 감싸는 이중 나선 구조를 갖는다. 도시된 실시예에서, 각 구성 부재들에 대한 설명은, 모순되지 않는 한, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 개시한 사항을 참조할 수 있으며, 반복되는 설명은 생략한다.
제 1 구조체(10)와 제 2 구조체(20)는 각각 1개씩 도시하였으나, 이는 예시적일 뿐, 제 1 및 제 2 구조체들(10, 20)는 복수일 수 있다. 이 경우, 제 1 구조체들(10)의 다발과 제 2 구조체들(20)의 다발이 이중 나선 구조를 형성할 수도 있다. 또한, 어느 하나의 전극은 단일한 구조체로 이루어지고, 다른 전극은 복수의 구조체들로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 하나의 음극 구조체와 복수의 양극 구조체 다발이 이중 나선 구조를 형성할 수도 있다.
도 2에 도시된 실시예에 따르면, 2 개 구조체들(10, 20)이 모두 나선상으로 연장되면서 서로 연속적으로 마주보기 때문에 대향 표면적이 더욱 증가하여 전극간 커플링이 더욱 강하게 일어날 수 있다. 그에 따라, 에너지 밀도가 더욱 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 속도, 충방전 효율 및 전지의 사이클 특성이 개선된다. 또한, 이중 나선 구조는 섬유상 구조체의 기계적 강도를 증가시키고, 와이어 구조를 갖기 때문에, 후술하는 바와 같이 전지 케이스 내에 다양한 형태로 배열될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전지의 캐이스 내에서 적용 가능한 전극 조립체들의 배치를 도시한다.
도 3a를 참조하면, 전지를 제공하기 위하여 전술한 전극 조립체들은 전지 케이스 내에서 소정 길이를 갖는 복수의 세그먼트 형태로(300A, 300B)로 제공될 수 있다. 각 세그먼트들(300A, 300B)은, 도 3a에 도시된 바와 같이 나선 구조를 가질 수도 있다. 전극 조립체 자체가 나선 구조를 가지므로, 이들의 세그먼트들도 나선 구조를 갖도록 용이하게 성형될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 세그먼트들(300A, 300B)은 일반적인 실과 같이 나선 구조를 갖지 않거나, 서로 엉킬 수 있도록 웨이브 형태, 곱슬 형태, 벨크로(Velcro) 형태로 성형될 수도 있다. 다양한 형태로 성형된 세그먼트들(300A, 300B)은 무질서하게 배열되어 서로 엉킬 수 있다. 서로 엉켜진 세그먼트들(300A, 300B) 사이에 형성된 공간은 스폰지처럼 전해액을 빨아들이기에 유리하여, 전해액의 함침 공정을 용이하게 할 수 있다.
각 세그먼트(300A)의 양극 구조체의 일 단부와 다른 세그먼트(300B)의 양극 구조체의 일 단부는 서로 전기적으로 결합되어 공통 양극(51)을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 세그먼트들(300A)의 음극 구조체의 일 단부와 다른 세그먼트(300B)의 음극 구조체의 일 단부도 서로 전기적으로 결합되어 공통 음극(52)을 제공할 수 있다. 공통 양극(51)과 공통 음극(52)은 모두 외부 전극으로 제공될 수 있다. 다른 실시 형태로서, 전지 내부에서 양극들중 어느 하나와 음극들 중 어느 하나를 서로 접속할 수도 있으며, 이 경우, 사용 전압이 증가된 다양한 바이폴라 전지가 제공될 수도 있다.
다른 실시예에서, 전극 조립체의 세그먼트들(300A, 300B)은 질서 있게 배열될 수도 있다. 도 3b는 세그먼트들(300C)이 질서 있게 배열된 일 형태로서 2 이상의 전극 조립체들의 세그먼트들(300C)이 비틀어 연장되어 형성된 굵은 와이어 구조(WR)를 도시한다. 이와 같은 굵은 와이어 구조(WR)는 전극 조립체의 기계적 강도를 증가시키고, 부피를 감소시켜 단소하고 내구성있는 전지를 제공할 수 있다. 굵은 와이어(WR)는 자체로서 선형 전지를 제공하거나, 다른 굵은 와이어와 직조되거나, 랜덤 배열 또는 벨크로 형태로 성형되어, 임의의 형상을 갖는 전지를 제공할 수도 있다. 또 다른 실시예로서, 굵은 와이어(WR)는 도 3c에 도시된 바와 같이 나선상으로 연장된 또 다른 세그먼트(300D)에 의해서 감싸질 수도 있다. 예시된 세그먼트(300D)는 양극 섬유상의 구조체와 음극 섬유상의 구조체가 결합된 것이지만, 굵은 와이어(WR)을 양극 섬유상의 구조체 및 음극 섬유상의 구조체 중 적어도 어느 하나로 감을 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 전극 조립체를 형성하는 세그먼트들(400A, 400B)의 질서 있는 다른 배열들을 도시한다.
도 4a를 참조하면, 전극 조립체의 세그먼트들(400A, 400B)이 씨줄과 날줄로서 서로 교차하여 직조된 배열을 가질 수 있다. 직조된 배열은 판상 구조를 갖기 때문에, 말기, 접기 또는 굽힘 등의 변형이 용이하여 다양한 형태를 갖는 전지를 제공할 수 있다. 또한, 직조된 배열 역시 도 3a를 참조하여 설명한 바와 같이 세그먼트들 사이의 공간에 전해액의 침투가 용이한 이점이 있다.
도 4b를 참조하면, 전극 조립체의 세그먼트들(400A, 400B)은 분리막(30)을 왕복 관통하는 씨줄과 날줄로서 서로 교차하여 직조되는 배열을 가질 수도 있다. 분리막(30)에 의해 세그먼트들 사이의 절연이 향상되고 전극 조립체의 기계적 강도가 향상될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 전극 조립체의 세그먼트들(500A, 500B)의 질서 있는 또 다른 배열들을 도시한다.
도 5a를 참조하면, 전극 조립체의 세그먼트들(500A, 500B)은 한 가상 평면 내에 일 방향으로 나란히 연장될 수 있다. 나란히 연장된 세그먼트들(500A, 500B)의 가상 평면은 도시된 바와 같이 2 이상일 수 있으며, 각 가상 평면 내의 세그먼트들(500A, 500B)의 연장 방향은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이, 일 가상 평면 내의 세그먼트들(500A)은 다른 평면 내의 세그먼트들(500B)의 연장 방향과 90°의 차이를 가져 교차할 수도 있다. 세그먼트들(500A, 500B) 사이의 간격은 0이거나, 전지의 성형 가공성을 제공할 수 있는 임의적인 크기, 예를 들면, 5 ㎛ 내지 수천 ㎛를 가질 수 있다. 일부 실시예에서는 나란히 연장된 세그먼트들(500A, 500B)로 이루어진 평면들 사이에 분리막(30)이 더 배치될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 나란히 연장된 세그먼트들(500A, 500B)이 이루는 가상 평면들이 분리 매트릭스(30) 내에 내포된다. 분리 매트릭스(30)는 전술한 분리막들(도 5a의 30)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 분리 매트릭스(30)는 적어도 2 개의, 세그먼트들(500A, 500B)의 가상 평면들을 내포할 수 있는 두께를 가지면 된다. 분리 매트릭스(30) 내부에 세그먼트들(500A, 500B)을 정렬하기 위하여, 우선 분리 매트릭스가 될 용액 내에 세그먼트들(500A, 500B)을 정렬한 후, 상기 용액을 굳혀 도시된 배열을 제공할 수 있다. 분리 매트릭스(30)를 관통하여 연장되는 세그먼트들(500A, 500B)은 반드시 동일 평면 상에 배치될 필요는 없으며, 무질서하게 배치될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다. 또한, 전술한 바와 같이, 분리 매트릭스(30)를 관통하여, 서로 다른 극성의 섬유상의 구조체들을 나선상으로 서로를 감싸면서 연장시키는 배열을 선택할 수도 있다.
전술한 구조체들로 이루어진 전극 조립체는 형상 변화가 용이하고, 전지의 용량 조절을 위해 세그먼트들의 길이, 개수, 형태 및 전기적 연결들을 다양하게 선택할 수 있다. 도 6은 전극 조립체의 세그먼트들의 배열의 성형 공정을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 세그먼트들의 배열은 섬유상의 구조체가 갖는 성형 용이성 때문에, 쌓음, 굽힘, 감음과 같은 방법으로 변형되어 다양한 부피와 형상을 갖는 전지들(1000A, 1000B, 1000C)을 제공할 수 있다. 케이스(CS)내의 전극 조립체(600)의 양극 또는 음극은 전지의 외부 전극(+, -)을 제공한다. 전지(1000A, 1000B, 1000C)는, 옷, 가방 등에 부착되거나 옷 및 가방의 천과 일체가 될 수 있는 소형 전지로서 응용되거나, 고용량화되어 자동차의 동력원과 같은 중대형 전지로서 응용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (22)

  1. 양극 및 음극 중 어느 하나의 극성을 갖는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 1 구조체를 포함하는 제 1 전극; 및
    제 1 구조체와 다른 극성을 가지며, 상기 제 1 구조체를 나선상으로 감싸는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 2 구조체를 포함하는 제 2 전극을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체들은 전지 케이스 내에 소정 길이를 갖는 복수의 세그먼트들로서 제공되고, 상기 세그먼트들 사이에 분리막을 포함하며,
    상기 세그먼트들은 상기 분리막을 왕복 관통하는 씨줄과 날줄로서 서로 교차하여 직조되는 배열을 갖는 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 적어도 어느 하나는 집전체 코어 및 상기 집전체 코어를 둘러싸는 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 양극 구조체의 상기 집전체 코어는 Al 또는 Al 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 음극 구조체의 상기 집전체 코어는 Cu 또는 Cu 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 활물질층은 1차 또는 2차 전지용 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 양극 구조체의 활물질층의 두께는 1 ㎛ 내지 300 ㎛이며,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 음극 구조체의 활물질층의 두께는, 3 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 중 적어도 어느 하나 상에 전해질 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전해질 코팅층은 고체 전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 구조체들 사이에 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 분리막은 제 1 및 제 2 구조체들 중 적어도 어느 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구조체도 나선상으로 연장되어 상기 제 1 구조체 및 상기 제 2 구조체가 서로를 감싸는 이중 나선 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 세그먼트들은 서로 비틀어 연장되어 굵은 와이어 구조를 제공하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 1 항에 있어서,
    상기 굵은 와이어 구조를 나선상으로 감싸는 다른 세그먼트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 양극 및 음극 중 어느 하나의 극성을 갖는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 1 구조체를 포함하는 제 1 전극; 및
    제 1 구조체와 다른 극성을 가지며, 상기 제 1 구조체를 나선상으로 감싸는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 2 구조체를 포함하는 제 2 전극을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체들은 전지 케이스 내에 소정 길이를 갖는 복수의 세그먼트들로서 제공되고, 상기 세그먼트들은 복수의 가상 평면들을 형성하도록 나란히 연장되는 배열을 가지며, 상기 가상 평면들 사이에 분리막을 더 포함하는 전극 조립체.
  21. 양극 및 음극 중 어느 하나의 극성을 갖는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 1 구조체를 포함하는 제 1 전극; 및
    제 1 구조체와 다른 극성을 가지며, 상기 제 1 구조체를 나선상으로 감싸는 하나 또는 2 이상의 섬유상의 제 2 구조체를 포함하는 제 2 전극을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체들은 전지 케이스 내에 소정 길이를 갖는 복수의 세그먼트들로서 제공되고, 상기 세그먼트들은 분리 매트릭스 내에 관통하여 배열되는 전극 조립체.
  22. 쌓음, 굽힘 또는 감음식으로 성형된 제 1 항, 제 20 항 및 제 21 항 중 어느 하나의 항 기재의 전극 조립체들의 배열; 및
    상기 전극 조립체들의 배열을 둘러싸는 케이스를 포함하는 전지.
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