KR101136205B1 - 이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지 - Google Patents

이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 특히 이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 일방향으로 연장되는 기준선을 따라 적층된 형태로 배열된 다수의 전극부재; 및 상기 다수의 전극부재 중 인접한 두 전극부재 사이를 분리시키는 제1 세퍼레이터를 포함하며, 상기 제1 세퍼레이터는 지그재그형으로 접힌 다수의 폴딩부와, 상기 다수의 폴딩부 사이를 연결하는 다수의 권취부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 및 그 전극 조립체를 포함하는 이차전지가 제공된다.
이차전지, 전극조립체, 세퍼레이터, 권취, 전극부재, 전극판

Description

이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY WITH THE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 특히 이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지에 관한 것이다..
일반적으로, 이차전지는 양극판과 음극판 및 이들 두 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성된 전극조립체를 전해액과 함께 외장 케이스에 수납하여 형성된다.
고용량 이차전지에서, 적층된 다수의 전극부재와, 적층된 다수의 전극부재를 분리하는 세퍼레이터로 형성된 전극조립체가 사용되기도 한다. 이러한 전극조립체는 권취형태로 제작되거나 지그재그로 접힌 폴딩형태로 제조된다. 권취형태의 경우 다수의 전극부재들이 정렬되기 쉽지 않으며, 지그재그로 접힌 폴딩형태의 경우 구조적으로 취약하다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 다수의 전극부재들의 정렬이 용이하며, 구조적으로 강화된 이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 따르면,
일방향으로 연장되는 기준선을 따라 적층된 형태로 배열된 다수의 전극부재; 및 상기 다수의 전극부재 중 인접한 두 전극부재 사이를 분리시키는 제1 세퍼레이터를 포함하며, 상기 제1 세퍼레이터는 지그재그형으로 접힌 다수의 폴딩부와, 상기 다수의 폴딩부 사이를 연결하는 다수의 권취부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체가 제공된다.
상기 다수의 폴딩부는 상기 기준선을 따라 배치된 제1 폴딩부와 제2 폴딩부를 구비하며, 상기 다수의 권취부는 제1 권취부와 제2 권취부를 구비하며, 상기 제1 권취부는 상기 제1 폴딩부를 감싸며 상기 제2 권취부에 연결되며, 상기 제2 권취부는 상기 제2 폴딩부와 상기 제1 권취부를 감쌀 수 있다.
상기 다수의 권취부는 동일한 방향으로 권취될 수 있다.
상기 다수의 권취부는 권취방향이 교대로 변경될 수 있다.
상기 다수의 전극부재의 중심은 상기 기준선 상에 위치할 수 있다.
상기 다수의 전극부재는 양면이 양극으로 이루어진 양극형 전극부재와, 양면 이 음극으로 이루어진 음극형 전극부재가 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 상기 양극형 전극부재는 하나의 양극판으로 형성될 수 있다. 상기 음극형 전극부재는 하나의 음극판으로 형성될 수 있다.
상기 전극부재는 극성이 다른 전극판들이 제3 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층되며 양면이 서로 다른 극성으로 형성될 수 있다. 상기 전극부재는 상기 제3 세퍼레이터를 사이에 두고 양면에 각각 형성된 양극판과 음극판을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기의 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하는 외장 케이스를 포함하는 이차전지가 제공된다.
본 발명의 구성을 따르면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 달성 할 수 있다. 구체적으로는 본 발명에 의하면, 전극조립체가 지그재그로 접힌 폴딩부와 상기 폴딩부를 감싸는 권취부로 이루어지므로 구조적으로 강화되면서, 다수의 전극부재들이 정확하게 정렬될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 다른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전극조립체를 구비하는 이차전지의 사시도이다. 도1을 참조하면, 이차전지(10)는 파우치형으로서, 외장 케이스(20)와, 외장 케이스(20)에 수용되는 전극조립체(100)를 구비한다.
외장 케이스(20)는 본체(22)와, 커버(24)를 구비한다. 본체(22)에는 전극조립체(100)가 수용되는 공간인 수용부(22a)와, 수용부(22a)의 입구측에 바깥쪽으로 확장되어 형성된 밀봉부(23)가 형성된다. 커버(24)는 밀봉부(23)의 일측변과 일체로 연결되어 형성된다. 전극조립체(100)가 본체(22)의 수용부(22a)에 수용된 후 본체(22)와 커버(24)는 밀착된 상태에서 밀봉부(23)가 열융착된다.
도2는 도1에 도시한 전극조립체의 제1 실시예에 대한 모식도이다. 도1과 도2를 참조하면, 전극조립체(100)는 다수의 전극부재(110)와, 제1 세퍼레이터(140)를 구비한다.
다수의 전극부재(110)는 배열 기준선(X)을 따라 적층된 형태로 배열되며, 제1 세퍼레이터(140)에 의해 인접한 두 전극부재(110)가 분리된다. 다수의 전극부재(110)는 양극형 전극부재(120a, 120b, 120c, 120d, 120e, 120f, 120g)와 음극형 전극부재(130a, 130b, 130c, 130d, 130e, 130f, 130g)가 기준선(X)을 따라 하나씩 번갈아 위치하도록 배열된다. 다수의 전극부재(110)는 그 중심이 기준선(X) 상에 위치하도록 정렬된다.
양극형 전극부재(120a, 120b, 120c, 120d, 120e, 120f, 120g)는 하나의 양극판(121)으로 이루어진다. 양극판(121)은 양극 집전체(122)와, 양극 집전체(122)의 양면에 코팅된 양극 활물질(123)을 구비한다. 일반적으로 양극 집전체(122)는 알루미늄과 같은 전도성 금속판으로 형성된다. 양극 집전체(122)에는 양극 활물질(123)이 형성되지 않고 외부로 돌출된 양극탭(122a)이 마련된다. 각 양극판(121)의 양극탭(122a)은 파우치 케이스(20)의 외부로 인출되는 양극단자(160)와 초음파 용접, 저항 용접 등과 같은 방법에 의해 융착된다. 양극 활물질(123)은 리튬을 포함하는 층상화합물과, 전도성을 향상시키는 도전재와, 층상화합물과 도전재 간의 결합력을 향상시키는 바인더를 포함하여 형성된다.
음극형 전극부재(130a, 130b, 130c, 130d, 130e, 130g, 130f, 130g)는 하나의 음극판(131)으로 이루어진다. 음극판(131)은 음극 집전체(132)와, 음극 집전체(132)의 양면에 코팅된 음극 활물질(133)을 구비한다. 일반적으로 음극 집전체(132)는 구리와 같은 전도성 금속판으로 형성된다. 음극 집전체(132)에는 음극 활물질(133)이 형성되지 않고 외부로 돌출된 음극탭(132a)이 마련된다. 각 음극판(131)의 음극탭(132a)은 파우치 케이스(20)의 외부로 인출되는 음극단자(170)와 초음파 용접 또는 저항용접과 같은 방법에 의해 융착된다. 음극 활물질(133)은 탄소를 함유하는 흑연과 같은 카본과, 카본 입자들의 결합력을 향상시키는 바인더를 포함하여 형성된다. 또한, 음극 활물질(133)로는 주석산화물(SnO) 또는 리튬 티타늄 산화물(LTO)로 형성될 수 있다. 음극 활물질로서 흑연이 사용되는 경우 대응하는 양극판이 음극판보다 작은 면적으로 형성될 수 있다. 또한, 음극활물질로서 SnO 또는 리튬 티타늄 산화물이 사용되는 경우에는 대응하는 양극판이 음극판보다 큰 면적으로 형성될 수 있다.
도2를 참조하면, 제1 세퍼레이터(140)는 다수의 폴딩부(150)와, 다수의 권취부(160)를 구비한다. 제1 세퍼레이터(140)는 다수의 단위 전극들(110) 중 인접한 두 단위 전극(110)을 분리시킨다. 제1 세퍼레이터(140)에는 미세기공이 형성되고, 그 미세기공을 통해 단위 전극부재들(110) 사이를 이동하는 리튬 이온이 통과한다. 제1 세퍼레이터(140)는 폴리 에틸렌(PE) 또는 폴리 프로필렌(PP)와 같은 고분자 수지로 형성될 수 있다.
다수의 폴딩부(150)는 기준선(X)을 따라 차례대로 위치하는 제1 폴딩부(151)와, 제2 폴딩부(152)와, 제3 폴딩부(153)를 구비한다.
제1 폴딩부(151)는 제1 세퍼레이터(140)의 제1 단부(141)로부터 지그재그 형태로 접혀서 형성된다. 제1 폴딩부(151)는 단위 전극들(120a, 130a, 120b, 130b) 사이를 분리시킨다.
제2 폴딩부(152)는 권취부(160)로부터 지그재그 형태로 접혀서 형성된다. 제 2 폴딩부(152)는 전극부재들(120c, 130c, 120d, 130d, 120e) 사이를 분리시킨다.
제3 폴딩부(153)는 권취부(160)로부터 지그재그 형태로 접혀서 형성된다. 제3 폴딩부(153)는 전극부재들(130e, 120f, 130f, 120g, 130f) 사이를 분리시킨다.
각 폴딩부(151, 152, 153)의 폴딩 과정에서 각 단위 전극(110)들이 기준선(X)을 따라 정확하게 정렬되도록 위치하게 된다.
다수의 권취부(160)는 동일한 방향(도면에서는 시계방향)으로 권취된 제1 권취부(161)과, 제2 권취부(162)와, 제3 권취부(163)을 구비한다. 권취부(160)는 폴딩부(150)를 감싸며 전극조립체(100)를 구조적으로 강화시킨다.
제1 권취부(161)는 제1 폴딩부(151)로부터 연장되어 제1 폴딩부(151)를 감싸며 제2 폴딩부(152)와 연결된다. 제1 권취부(161)는 제1 폴딩부(151)에 마련된 제1 세퍼레이터(140)의 제1 끝단(141)과, 다수의 접힘부(151a)를 포함하여 감싸게 된다. 따라서, 제1 폴딩부(151)의 구조가 강화된다.
제2 권취부(162)는 제2 폴딩부(152)로부터 연장되어 제2 폴딩부(152)와 제1 권취부(161)를 감싸며 제3 폴딩부(153)와 연결된다. 제2 권취부(162)는 제2 폴딩부(152)에 마련된 다수의 접힘부(152a)를 포함하여 감싸게 된다. 따라서, 제2 폴딩부(152)의 구조가 강화된다. 또한, 제2 권취부(162)는 제1 권취부(161)를 감싸게 되므로, 제1 폴딩부(151)의 구조를 더 강화시킨다.
제3 권취부(163)는 제3 폴딩부(153)로부터 연장되어 제3 폴딩부(153)와 제2 권취부(162)를 감싼다. 제3 권취부(163)는 제3 폴딩부(153)에 마련된 다수의 접힘 부(153a)를 포함하여 감싸게 된다. 따라서, 제3 폴딩부(153)의 구조가 강화된다. 또한, 제3 권취부(163)는 제2 권취부(162)를 감싸게 되므로, 제1 폴딩부(151)와 제2 폴딩부(152)의 구조를 더욱 강화시킨다.
다수의 권취부(160)는 다수의 폴딩부(150)에 형성된 다수의 접힘부(151a, 152a, 153a)를 포함하는 양 측면을 겹겹이 감싸므로 전극조립체(100)의 구조가 강화된다. 도2에 도시된 구조를 갖는 전극조립체(100)는 폴딩공정과 권취공정을 교대로 반복함으로써 제조될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 도2에 도시된 구조의 전극조립체(100)는 다수의 권취부(160)가 모두 동일한 방향으로 권취되므로 생산효율을 높일 수 있다.
제1 세퍼레이터(140)의 제2 끝단(142)은 접착 테이프(144)에 의해 제1 세퍼레이터(140)의 외주면(143)에 고정된다.
도3에는 도1에 도시한 전극조립체의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도3을 참조하면, 전극조립체(200)는 다수의 전극부재(210)와, 세퍼레이터(240)를 구비한다. 다수의 전극부재(210)은 도2에 도시된 다수의 전극부재(110)과 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
세퍼레이터(240)는 다수의 폴딩부(250)와, 다수의 권취부(260)를 구비한다. 다수의 폴딩부(250)는 도2에 도시된 다수의 폴딩부(150)와 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다수의 권취부(260)는 제1 권취부(261)과, 제2 권취부(262)와, 제3 권취 부(263)을 구비한다. 권취부(260)는 폴딩부(250)를 감싸며 전극조립체(200)를 구조적으로 강화시킨다. 제2 권취부(262)의 권취방향(도면상 반시계방향)은 제1 권취부(261)의 권취방향(도면상 시계방향)은 반대이며, 제3 권취부(263)의 권취방향(도면상 반시계방향)은 제2 권취부(262)의 권취방향(도면상 시계방향)과는 반대이다.
도4a 및 도4b에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극형 전극부재 및 음극형 전극부재가 각각 도시되어 있다.
도4a를 참조하면, 양극형 전극부재(320)는 두 개의 양극판(321, 322)과, 두 양극판(321, 322)의 사이에 위치하는 하나의 음극판(323)과, 음극판(323)과 두 양극판(321, 322) 사이 각각에 삽입된 두 개의 제2 세퍼레이터(324, 325)를 구비한다. 양극판(321, 322)은 도2에 도시된 실시예의 양극판(121)과 동일한 구성이며, 음극판(323)은 도2에 도시된 실시예의 음극판(131)과 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 제2 세퍼레이터(324, 325)에는 미세기공이 형성되고, 그 미세기공을 통해 전극판(321, 322, 323) 사이를 이동하는 리튬 이온이 통과한다. 제2 세퍼레이터(324, 325)는 폴리 에틸렌(PE) 또는 폴리 프로필렌(PP)와 같은 고분자 수지로 형성될 수 있다.
도4b를 참조하면, 음극형 전극부재(330)는 두 개의 음극판(331, 332)과, 두 음극판(331, 332)의 사이에 위치하는 하나의 양극판(333)과, 양극판(333)과 두 음극판(331, 332) 사이 각각에 삽입된 두 개의 제2 세퍼레이터(334, 335)를 구비한다. 음극판(331, 332)은 도2에 도시된 실시예의 음극판(131)과 동일한 구성이며, 양극판(333)은 도2에 도시된 실시예의 양극판(121)과 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 두 제2 세퍼레이터(334, 335)에는 미세기공이 형성되고, 그 미세기공을 통해 전극판(331, 332, 333) 사이를 이동하는 리튬 이온이 통과한다. 제2 세퍼레이터(334, 335)는 폴리 에틸렌(PE) 또는 폴리 프로필렌(PP)와 같은 고분자 수지로 형성될 수 있다.
도4a 및 도4b의 실시예에서는 3개의 전극판을 이용하여 양극형 전극부재와 음극형 전극부재가 형성되는 것을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 그 보다 더 많은 전극판을 이용하여 양극형 전극부재와 음극형 전극부재를 형성할 수 있다. 서로 다른 극성의 전극판이 교대로 위치하며, 양면의 전극판이 동일한 극성을 갖는 구성이라면 어느 것이든 가능하다.
도5에는 도2에 도시한 전극부재의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도5를 참조하면, 전극부재(410)는 제3 세퍼레이터(411)와, 제3 세퍼레이터(411)를 사이에 두고 양쪽에 형성된 양극판(412)과 음극판(413)을 구비한다. 제3 세퍼레이터(411)에는 미세기공이 형성되고, 그 미세기공을 통해 두 전극판(412, 413) 사이를 이동하는 리튬 이온이 통과한다. 세퍼레이터(411)는 폴리 에틸렌(PE) 또는 폴리 프로필렌(PP)와 같은 고분자 수지로 형성될 수 있다. 양극판(412)은 도2에 도시한 실시예의 양극판(121)과 동일한 구성이며, 음극판(413)은 도2에 도시된 실시예의 음극판(131)과 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 전극부재(410)는 도2에 도시된 바와 같은 구조에서 제1 세퍼레이터(140)를 사이에 두고 서로 다른 극성의 전극판이 대향하도록 배치됨으로써 전극조립체가 형성된다. 도5에 도시된 실시예는 한가지 형태의 단위 전극으로 전극조립체를 형성할 수 있다는 장점이 있다.
이상 본 발명을 상기 실시예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전극조립체를 구비하는 이차전지의 사시도이다.
도2는 도1에 도시한 전극조립체의 제1 실시예에 대한 모식도이다.
도3은 도1에 도시한 전극조립체의 제2 실시예에 대한 모식도이다.
도4a는 도2에 도시한 제1 전극부재의 다른 실시예를 도시한 모식도이다.
도4b는 도2에 도시한 제2 전극부재의 다른 실시예를 도시한 모식도이다.
도5는 도2에 도시한 전극부재의 또 다른 실시예를 도시한 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 이차전지 20 : 외장 케이스
100 : 전극조립체 110 : 전극부재
140 : 제1 세퍼레이터 150 : 폴딩부
160 : 권취부

Claims (20)

  1. 일방향으로 연장되는 기준선을 따라 적층된 형태로 배열된 다수의 전극부재; 및
    상기 다수의 전극부재 중 인접한 두 전극부재 사이를 분리시키는 제1 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 세퍼레이터는 지그재그형으로 접힌 다수의 폴딩부와, 상기 다수의 폴딩부 사이를 연결하는 다수의 권취부를 포함하며,
    상기 다수의 폴딩부는 상기 기준선을 따라 배치된 제1 폴딩부와 제2 폴딩부를 포함하며,
    상기 다수의 권취부는 제1 권취부와 제2 권취부를 포함하며,
    상기 제1 권취부는 상기 제1 폴딩부를 감싸며 상기 제2 권취부에 연결되며,
    상기 제2 권취부는 상기 제2 폴딩부와 상기 제1 권취부를 감싸는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 권취부는 동일한 방향으로 권취된 것을 특징으로 하는 이차전지 용 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 권취부는 권취방향이 교대로 변경되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 전극부재의 중심은 상기 기준선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 전극부재는 양면이 양극으로 이루어진 양극형 전극부재와, 양면이 음극으로 이루어진 음극형 전극부재가 교대로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양극형 전극부재는 하나의 양극판으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 음극형 전극부재는 하나의 음극판으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재는 극성이 다른 전극판들이 제3 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층되며 양면이 서로 다른 극성으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극부재는 상기 제3 세퍼레이터를 사이에 두고 양면에 각각 형성된 양극판과 음극판을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  11. 기준선을 따라 적층된 형태로 배열된 다수의 전극부재와, 상기 다수의 전극부재 중 인접한 두 전극부재 사이를 분리시키는 제1 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체가 수용된 외장 케이스를 포함하며,
    상기 제1 세퍼레이터는 지그재그형으로 접힌 다수의 폴딩부와, 상기 다수의 폴딩부 사이를 연결하는 다수의 권취부를 포함하며,
    상기 다수의 폴딩부는 상기 기준선을 따라 배치된 제1 폴딩부와 제2 폴딩부를 포함하며,
    상기 다수의 권취부는 제1 권취부와 제2 권취부를 포함하며,
    상기 제1 권취부는 상기 제1 폴딩부를 감싸며 상기 제2 권취부에 연결되며,
    상기 제2 권취부는 상기 제2 폴딩부와 상기 제1 권취부를 감싸는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 권취부는 동일한 방향으로 권취된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 권취부는 권취방향이 교대로 변경되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 전극부재의 중심은 상기 기준선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 전극부재는 양면이 양극으로 이루어진 양극형 전극부재와, 양면이 음극으로 이루어진 음극형 전극부재가 교대로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 양극형 전극부재는 하나의 양극판으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 음극형 전극부재는 하나의 음극판으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 전극부재는 극성이 다른 전극판들이 제3 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층되며 양면이 서로 다른 극성으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전극부재는 상기 제3 세퍼레이터를 사이에 두고 양면에 각각 형성된 양극판과 음극판을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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