KR101211863B1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 상기 전 전극 조립체는 양극 활물질층이 구비된 양극과, LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하는 음극 활물질층이 구비된 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며, 상기 양극 활물질층의 면적이 상기 음극 활물질층의 면적보다 더 크게 형성된다. 이와 같이 양극 활물질층의 면적이 음극 활물질층의 면적보다 더 크게 형성되는 경우 음극 활물질층에 포함된 모든 LTO(Lithium Titanium Oxide)가 충반전에 참여하게 된다. 따라서 LTO와 전해액과의 추가반응에 의한 가스발생이 억제되어 이차 전지의 스웰링 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{Electrode assembly and secondary battery including the same}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
최근 전자, 통신 컴퓨터 산업의 급속한 발전에 따라 휴대용 전자기기의 보급이 늘어나고 있다. 휴대용 전자기기의 전원으로는 재충전이 가능한 이차 전지가 주로 사용되고 있다. 상기 이차 전지는 일반적으로 양극활물질을 포함하는 양극, 음극활물질을 포함하는 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되며, 상기 양극과 음극을 절연하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 포함하고 있다.
상기 이차 전지에서 중요하게 고려되어야 할 특성 중의 하나로 고온 저장 시의 스웰링(swelling) 현상의 제어를 들 수 있다. 특히 음극활물질로　LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하는 경우 방전상태(SOC(state of charge) 0%)에서의 스웰링이 충전상태(SOC 100%)의 스웰링에 비하여 더 크게 나타난다. 스웰링 현상이 발생할 경우 이차 전지의 밀폐가 깨져서 전해액이 누출되거나, 수분의 침투로 인해 이차 전지 성능이 악화된다. 따라서, 이차 전지에서의 스웰링의 제어는 반드시 고려되어야 한다.
본 발명의 목적은 이차 전지에 적용시 스웰링을 방지할 수 있으며, 특히 음극활물질로　LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하는 경우에도 방전상태(SOC 0%)에서의 스웰링 방지 효과가 우수한 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 스웰링의 방지효과가 우수한 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 양상에 따른 전극 조립체는 제1전극 집전체 및 상기 제1전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제1전극 활물질층을 포함하는 제1전극; 제2전극 집전체 및 상기 제2전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제2전극 활물질층을 포함하는 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 놓여지는 세퍼레이터를 포함하며, 상기 제2전극 활물질층은 상기 제1전극 활물질층에 대향하고, 상기 제1전극 활물질층의 면적은 상기 제2전극 활물질층의 면적보다 크고, 상기 제2전극 활물질층은 LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1전극 집전체의 면적은 제2전극 집전체의 면적보다 큰 것일 수 있다. 상기 제2전극 집전체의 면적은 상기 제1전극 집전체의 면적보다 큰 것일 수 있다. 상기 제1전극 집전체의 면적은 상기 제2전극 집전체의 면적과 실질적으로 같은 것일 수 있다.
상기 제1전극은 양극이고 제2전극은 음극일 수 있다.
상기 제2전극 활물질층에 대한 제1전극 활물질층의 면적비는 1.01 내지 1.21일 수 있다. 상기 제2전극 활물질층에 대한 제1전극 활물질층의 면적비는 1.01 내지 1.10일 수 있다.
상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층을 덮도록 형성될 수 있다.
상기 제1전극 활물질층의 용량(capacity)에 대한 제2전극 활물질층의 용량 비는 1.0 내지 1.3일 수 있다.
상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층에 대향하는 상기 제1전극 집전체의 표면 및 상기 제1전극 집전체의 반대표면에 각각 형성되고, 상기 제2전극 활물질층은 상기 제1전극 활물질층에 대향하는 상기 제2전극 집전체의 표면 및 상기 제2전극 집전체의 반대표면에 각각 형성될 수 있다.
상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층에 대향하는 제1전극 집전체의 표면에만 형성되고, 상기 제2전극 활물질층은 상기 제1전극 활물질층에 대향하는 제2전극 집전체의 표면에만 형성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 양상에 따른 이차 전지는 제1전극 집전체 및 상기 제1전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제1전극 활물질층을 포함하는 제1전극과, 제2전극 집전체 및 상기 제2전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제2전극 활물질층을 포함하는 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 놓여지는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 전극 조립체의 제1전극 및 제2전극와 전기적으로 연결되는 보호회로모듈; 및 케이스에 채워지는 전해액을 포함하며, 상기 전극 조립체는: 상기 제2전극 활물질층이 상기 제1전극 활물질층에 대향하고, 상기 제1전극 활물질층의 면적은 상기 제2전극 활물질층의 면적보다 크고, 상기 제2전극 활물질층은 LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 따른 전극 조립체는 양극 활물질층의 면적이 음극 활물질층의 면적보다 더 크게 형성됨에 따라 이차 전지에 적용시 음극 활물질층에 포함된 모든 LTO(Lithium Titanium Oxide)가 충방전에 참여하게 된다. 즉, 모든 LTO는 첨가제 및 전해액과의 반응하여 음극 표면에 피막을 형성하게 되고, 그에 따라 LTO와 전해액과의 추가반응에 의한 가스발생이 억제되어 이차전지의 스웰링 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 일 부분을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하나, 본 발명이 이하의 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다. 첨부된 도면에서 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 일 부분을 도시한 도면이다.
상기 도 1 내지 도 3를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체(100)는 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 놓여지는 세퍼레이터(130)를 포함하여 이루어진다. 상기 제1전극은 양극이고, 제2전극은 음극일 수 있으며, 반대로 상기 제1전극은 음극이고 상기 제2전극은 양극일 수 있다. 이하에서는 제1전극이 양극(110)이고, 제2전극이 음극(120)인 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
상기 양극(110)은 양극 집전체(111)와, 상기 양극 집전체(111)의 적어도 일면에 구비된 양극 활물질층(112) 및 양극 탭(114)을 포함하여 이루어진다.
상기 양극 집전체(111)는 일반적으로 10~500 ㎛의 두께의 것을 사용하게 된다. 이러한 양극 집전체(111)는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 집전체(111) 상에 형성되는 양극 활물질층(112)은 양극 활물질과 도전제 및 바인더를 포함하여 이루어지는 통상의 양극 활물질 코팅조성물을 양극 집전체(111)에 코팅하여 형성된다. 상기 양극 활물질층(112)은 양극 집전체(111)의 일면에 형성될 수도 있으나 전지효율을 고려하여 양극 집전체(111)의 양면에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 양극 활물질은 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 적용할 수 있으며, 예를 들어 LiCoO2를 사용할 수 있다. LiCoO2는 안정된 충?방전특성, 우수한 전자전도성, 높은 안정성 및 평탄한 방전전압 특성을 갖는 뛰어난 물질이다. 이외에도 당해분야에서 일반적으로 사용되는 니켈-코발트-망간이 혼합된 형태인 Li[NixCo1-x-yMny]O2 (여기서 0<x<0.5, 0<y<0.5이다)를 사용할 수도 있다.
상기 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전제는 양극활물질 조성물에 통상의 첨가범위내에서 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10중량% 함유되는 것이 좋다.
상기 바인더는 결합력을 부여하기 위하여 첨가하는 것으로, 통상의 양극 활물질 조성물에 사용되는 범위내에서 첨가할 수 있다. 상기 바인더로는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필렌셀룰로즈, 디아세틸렌셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 활물질 코팅 조성물에는 상기한 양극 활물질, 도전제 및 바인더 이외에 필요에 따라서 통상의 양극 활물질 코팅 조성물 제조 과정에서 첨가되는 첨가제를 추가할 수 있다.
상기 양극 탭(114)은 상기 양극 집전체(111)의 일측에 형성되며, 상기 양극 탭(114)은 후술하는 바와 같이 별도의 양극 리드단자를 통해서 보호회로모듈에 전기적으로 접속된다.
상기 음극(120)은 음극 집전체(121)와, 상기 음극 집전체(121) 상에 구비된 음극 활물질층(122) 및 음극 탭(124)을 포함하여 이루어진다.
상기 음극 집전체(121)는 일반적으로 5~500 ㎛의 두께로 만들어진 것을 사용하게 된다. 이러한 음극 집전체(121)는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체(121)는 양극 집전체(111)와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 집전체(121) 상에 형성되는 음극 활물질층(122)은 음극 활물질과 도전제 및 바인더를 포함하여 이루어지는 음극 활물질 코팅 조성물을 음극 집전체(121) 상에 코팅하여 형성된다. 상기 음극 활물질층(122)은 음극 집전체(121)의 일면에 형성될 수도 있으나 전지효율을 고려하여 음극 집전체(121)의 양면에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 음극 활물질은 LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함한다.
상기 도전제와 바인더는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 적용할 수 있으며, 예를 들어 전술한 양극 활물질 조성물에 적용된 도전제와 바인더를 사용할 수 있다.
상기 음극 활물질과 도전제 및 바인더는 통상의 사용범위 내에서 다양한 비율로 혼합될 수 있다. 아울러 상기 음극 활물질 코팅 조성물에는 상기한 음극 활물질, 도전제 및 바인더 이외에 필요에 따라서 통상의 음극 활물질 코팅 조성물 제조 과정에서 첨가되는 첨가제를 추가할 수 있다.
상기 음극 탭(124)은 상기 음극 집전체(121)의 일측에 형성되며, 상기 음극 탭(124)은 후술하는 바와 같이 별도의 음극 리드단자를 통해서 보호회로모듈에 전기적으로 접속된다.
상기 세퍼레이터(130)는 상기 양극(110)과 음극(120) 사이에 개재되어 그 사이를 절연하기 위하여 형성된다. 상기 세퍼레이터(130)는 폴리에틸렌(polyetylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리 에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 세퍼레이터(130)는 상기 양극(110)과 음극(120) 사이뿐만 아니라 상기 전극 조립체(100)의 최외각에 위치한 양극(110) 또는 음극(120)의 외측에 형성될 수 있다. 이 경우 전지의 조립시 전극 조립체(100)를 수용하는 케이스 등과의 절연을 도모할 수 있다.
통상적으로 음극 활물질로 그라파이트(graphite)를 사용하는 경우 SOC 100%가 SOC 0%에 비해 스웰링이 큰 것으로 알려져 있으며, 그에 따라 다양한 개선방법이 알려져 왔다. 그러나 음극 활물질로 LTO를 사용하는 경우 SOC 0%에서의 스웰링이 SOC 100%에서의 스웰링에 비하여 더 큰 것으로 나타난다. LTO를 음극 활물질로 사용하는 경우에 발생하는 스웰링현상의 제어를 위하여 본 발명은 상기 양극 활물질층(112)의 면적을 상기 음극 활물질층(122)의 면적보다 더 크게 형성한다. 이때, 상기 양극 집전체(111)의 면적은 음극 집전체(121)의 면적보다 크거나, 상기 음극 집전체(121)의 면적은 상기 양극 집전체(111)의 면적보다 크거나 또는 상기 양극 집전체(111)의 면적은 상기 음극 집전체(121)의 면적과 실질적으로 같은 것일 수 있다.
상기 양극 활물질층(112)의 표면은 상기 음극 활물질층의 표면에 대향하며, 세퍼레이터(130)는 상기 양극 활물질층(112)의 표면과 상기 음극 활물질층(122)의 표면 사이에 놓여진다. 여기서 양극 활물질층(112) 및 음극 활물질층(122)의 면적은 서로 대향하는 상기 양극 활물질층(112) 및 음극 활물질층(122)의 표면 면적을 나타낸다.
LTO은 이미 여러 문헌에서 기술한 바와 같이 다음의 반응식 1에 나타낸 바와 같은 충방전시의 반응식을 가지고 있다.
[반응식 1]
Figure 112010053828359-pat00001
상기 반응식 1에서 보는 바와 같이 방전 상태에서 LTO는 스피넬(spinel) 형태의 Li4Ti5O12로 존재하게 된다. 그에 따라 음극 활물질층(122)의 면적을 양극 활물질층(112)의 면적보다 크게 설계할 경우 충방전(formation)에 참여하지 않은 상태의 Li4Ti5O12 가 존재하게 된다. 충방전 반응이 진행되지 않은 LTO가 음극에 남아 있는 경우 LTO는 Li 이온을 가지고 있으므로 지속적으로 전해액과 반응을 하여 가스를 생성하게 되고, 그에 따라 스웰링이 커지게 된다. 반대로, 양극 활물질층(112)의 면적을 음극 활물질층(122)의 면적보다 크게 설계할 경우 음극 활물질층(122)의 모든 LTO가 전지의 충방전(formation)에 참여하게 된다. 즉, 모든 LTO는 첨가제 및 전해액과의 반응하여 음극 표면에 피막을 형성하게 되고, 그에 따라 LTO와 전해액과의 추가반응에 의한 가스발생이 억제되어 스웰링 현상이 방지되게 된다.
이때, 상기 음극 활물질층(122)에 대한 양극 활물질층(112)의 면적비는 1.01 내지 1.21인 것이 바람직하고, 특히 음극 활물질층(122)에 대한 양극 활물질층(112)의 면적비가 1.01 내지 1.1인 것이 더욱 바람직하다. 상기 음극 활물질층(122)에 대한 양극 활물질층(112)의 면적비가 1.21을 초과할 경우 전지용량이 떨어지는 문제점이 있으며, 상기 음극 활물질층(122)에 대한 양극 활물질층(112)의 면적비가 1.01 미만일 경우 스웰링 방지 효과가 떨어지는 문제점이 있다.
상기 음극 활물질층(122) 또는 양극 활물질층(112)은 양극 활물질 코팅 조성물 또는 음극 활물질 코팅조성물을 닥터 블레이드 등과 같은 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 코팅기를 사용하여 상기한 범위내의 면적비가 되도록 코팅하면 용이하게 형성할 수 있다. 일예로, 음극 활물질층(122)과 양극 활물질층(112)의 면적비 조절은 도 2에 도시된 바와 같이 집전체 상부 또는 하부의 무지부 폭의 조절을 통해 조절할 수도 있다.
상기 양극(110)과 음극(120) 사이에는 세퍼레이터(130)가 개재되는데, 이때 상기 양극(110)에 구비된 양극 활물질층(112)과 상기 음극(120)에 구비된 음극 활물질층(122)은 도 3에서 보는 바와 같이 세퍼레이터(130)를 매개로 서로 대면되게 적층된다. 이때, 스웰링 현상의 방지를 극대화하기 위하여 상기 음극 활물질층(122)의 모든 면적은 상기 양극 활물질층(112)에 대면하게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 양극 활물질층(122)의 모든 면적인 음극 활물질층(112)의 면적을 덮도록 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우 모든 LTO가 충방전 반응에 참여함에 따라 스웰링 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면 상기 양극 활물질층(112)에 대한 음극 활물질층(122)의 용량비는 1.0 내지 1.5인 것이 바람직하고, 1.0 내지 1.3인 것이 더욱 바람직하다. 상기 용량비는 충방전에 참여하는 양극 활물질층과 음극 활물질층 만의 용량을 고려한 것으로서, 상기 용량비가 1.0 내지 1.5의 범위 내에 포함될 경우 스웰링 방지효과가 우수한 특성을 나타낸다. 여기서 용량은 1C-rate("C-rate" 암페어로 나타내어지는 전지의 충전 또는 방전 전류 비율임)로 방전을 했을 때 비가역 용량을 제외한 가역용량만을 의미한다. 상기 용량비가 1.0 내지 1.5의 범위를 벗어날 경우 전지의 전체 용량이 감소되는 결과가 나오게 되는 단점이 있다.
본 발명의 일예에 따르면 상기 전극 조립체(100)는 양극(110), 세퍼레이터(130) 및 음극(120)이 반복적으로 적층되어 있는 스택형(stack type)인 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 분해사시도이다.
상기 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 전극 조립체(100)는 양극(110,110a), 음극(120,120b) 및 세퍼레이터(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 전극 조립체(100)는 양극(110), 세퍼레이터(130) 및 음극(120)이 반복적으로 적층되며, 각각의 구성은 전술한 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 본 실시예에서는 전극 조립체(100)의 최외각 부분에 형성되는 양극(110a)과 음극(120a)에 대한 차이점이 있으므로, 이부분에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
상기 전극 조립체(100)의 최외각에 위치하는 양극(110a) 및 음극(120a)은 그 내측 표면에만 활물질층이 형성되고, 상기 전극 조립체(100)의 최외각에 위치하는 양극(110a) 및 음극(120a)을 제외한 나머지 양극(110) 및 음극(120)은 양면에 활물질층이 형성된다. 만일 최외각에 위치하는 음극(120a)의 양면에 음극 활물질층(122)이 형성될 경우 외측 표면에 형성된 음극 활물질층(122)에 포함되어 있는 LTO가 충방전반응에 참여하지 않을 가능성이 있고, 그에 따라 스웰링 현상의 제어가 효과적이지 못하게 된다. 그러나, 최외각에 위치하는 음극(120a)의 내측 표면에만 음극 활물질층(122)이 형성될 경우 모든 LTO가 충방전에 참여하게 되므로 스웰링 현상의 방지효과가 극대화된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 나타낸 사시도이다.
상기 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 이차 전지는 전극 조립체(100)와, 상기 전극 조립체(100)를 수용하는 케이스(210), 상기 전극 조립체(100)와 리드단자(115,125)를 통해 전기적으로 연결되는 보호회로모듈(220) 및 전해액을 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 이차 전지(200)는 파우치 타입인 것이 바람직하다.
상기 전극 조립체(100)는 적어도 일면에 양극 활물질층이 구비된 양극과, 적어도 일면에 LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하는 음극 활물질층이 구비된 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 개재되며, 상기 양극 전극과 음극 전극 사이를 절연하는 세퍼레이터를 포함하며, 상기 양극 활물질층의 면적이 상기 음극 활물질층의 면적보다 더 크게 형성된다. 상기한 구성을 갖는 전극 조립체(100)는 전술한 바와 같으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 케이스(210)는 본체(212) 및 커버(214)를 구비하고 있다.
상기 본체(212)는 상기 전극 조립체(100)를 수용하는 공간인 수용부(212a) 및 상기 수용부(212a)의 입구로부터 연장되어 구비된 밀봉부(212b)를 구비하고 있다.
상기 커버(214)는 상기 본체(212)의 밀봉부(212b)의 어느 가장자리로부터 연장되게 형성될 수 있다.
상기 커버(214)는 상기 본체(212)의 수용부(212a)를 덮으면서 상기 본체(212)의 밀봉부(212b)와 밀봉됨으로 상기 본체(212)의 수용부(212a)와 대응되는 덮개 영역(214a) 및 상기 본체(212)의 밀봉부(212b)와 대응되는 밀봉부(214b)를 구비하고 있다.
따라서, 상기 이차 전지(200)는 상기 전극 조립체(100)가 상기 수용부(212a)에 수용되고, 상기 본체(212)의 밀봉부(212b)와 상기 커버(214)의 밀봉부(214b)가 열융착과 같은 방법으로 밀봉되어 구비된다.
상기 보호회로 모듈(220)은 리드 단자(115,125)을 통해 상기 전극 조립체(100)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 리드 단자(115,125)은 전극 탭(114,124)과 전기적으로 연결되어 형성된다. 상기 보호회로 모듈(220)은 상기 이차 전지(100)를 제어하는 제어 소자(222)들을 구비하고 있다. 상기 보호회로 모듈(220)은 상기 이차 전지(100)의 충방전을 제어하는 역할을 한다. 상기 보호회로 모듈(220)은 상기 이차 전지(100)와 외부 기기를 연결하는 외부 단자(224)들을 구비하고 있다.
상기 본체의 밀봉이 완료되면, 전해액을 주입하게 된다. 상기 전해액은 비수성 유기용매와 리튬염을 포함하여 이루어지는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 적용할 수 있다. 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 본 발명의 보다 바람직한 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것에 불과한 것으로 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2>
양극 제조
활물질로 LiCoO2를 사용하였고, 바인더로는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 사용하였으며, 도전제로는 카본블랙을 사용하여 양극 활물질 코팅 조성물을 제조하였다. 이때 양극 활물질 코팅 조성물은 활물질:바인더:도전제의 비율이 94:3:3이 되도록 하였으며, 상기 활물질 코팅 조성물을 혼합기(Planetary Despa Mixer)를 이용하여 N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 슬리리화한 후 닥터블레이드를 이용하여 두께 20㎛의 알루미늄 호일에 코팅한 후 건조하였다. 이때 코팅면적은 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 실시하였다. 이후 롤프레스로 프레스를 실시하고 진공건조(vacuum dryer) 설비로 코팅층 내 수분을 제거하여 양극을 제조하였다.
음극 제조
활물질은 LTO를 사용하고, 양극과 마찬가지로 바인더로는 PVDF를, 도전제로는 카본블랙을 사용하여 음극 활물질 코팅 조성물을 제조였으며, 두께 15㎛의 구리 호일에 코팅한 것을 제외하고는 양극 제조와 동일하게 하여 음극을 제조하였다. 이때 코팅면적은 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 실시하였다.
이차 전지 제조
제조된 극판은 bi-cell 구조를 가지는 파우치 형태로 이차 전지를 제조하였으며, 이때 전해액은 1.1M 농도의 LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트(EC) / 에틸메틸 카보네이트(EMC) /(부피비로 EC:EMC 혼합비는 30/70)의 혼합 유기용매 2.7 g을 사용하였고, 첨가제를 사용하지 않았다.
<실험예>
상기 제조된 전지를 60℃에서 방치한 후 10일 후에 전지의 두께를 측정하여 방치 전 두께와 비교하였다.
양극 활물질층 면적 음극 활물질층 면적 면적비(양극 활물질층/음극 활물질층) 용량비(음극 활물질층/양극 활물질층) 스웰링
두께 증가(%)
실시예 1 65.42 62.64 1.04 1.2~1.3 14
실시예 2 137.5 120 1.15 1.3~1.5 25
실시예 3 210.08 194 1.09 1.0~1.15 12
실시예 4 195.8 186.18 1.05 1.0~1.15 2
비교예 1 62.61 65.42 0.96 1.2~1.4 57
비교예 2 120 137.5 0.87 1.3~1.5 50
상기 표 1에서 보는 바와 같이 음극 활물질층의 면적이 양극 활물질층의 면적에 비하여 작은 실시예 1 내지 4의 경우 음극 활물질층의 면적이 양극 활물질층의 면적에 비하여 큰 비교예 1 및 2의 경우보다 스웰링 방지 효과가 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 아울러, 음극 활물질층의 면적이 양극 활물질층의 면적에 비하여 작은 실시예 1 내지 4에서 용량비가 작을수록 스웰링 방지효과가 우수한 것을 확인할 수 있다.
상기에서 본 발명은 실시예들을 참조하여 설명되어 있으나, 이는 본 발명의이해를 돕기 위하여 제시된 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 균등한 다른 다양한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : 전극 조립체 110 : 양극
111 : 양극 집전체 112 : 양극 활물질층
114 : 양극 탭 115 : 양극 리드단자
120 : 음극 121 : 음극 집전체
122 : 음극 활물질층 124 : 음극 탭
125 : 음극 리드단자 130 : 세퍼레이터
200 : 이차 전지

Claims (20)

  1. 제1전극 집전체 및 상기 제1전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제1전극 활물질층을 포함하는 제1전극;
    제2전극 집전체 및 상기 제2전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제2전극 활물질층을 포함하는 제2전극; 및
    상기 제1전극과 제2전극 사이에 놓여지는 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제2전극 활물질층은 상기 제1전극 활물질층에 대향하고, 상기 제1전극 활물질층의 면적은 상기 제2전극 활물질층의 면적보다 크고, 상기 제2전극 활물질층은 LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하고,
    상기 제1전극 활물질층의 용량(capacity)에 대한 제2전극 활물질층의 용량 비는 1.0 내지 1.15이며,
    상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층을 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1전극 집전체의 면적은 제2전극 집전체의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2전극 집전체의 면적은 상기 제1전극 집전체의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1전극 집전체의 면적은 상기 제2전극 집전체의 면적과 실질적으로 같은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1전극은 양극이고 제2전극은 음극인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2전극 활물질층에 대한 제1전극 활물질층의 면적비는 1.01 내지 1.21인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2전극 활물질층에 대한 제1전극 활물질층의 면적비는 1.01 내지 1.10인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층에 대향하는 상기 제1전극 집전체의 표면 및 상기 제1전극 집전체의 반대표면에 각각 형성되고, 상기 제2전극 활물질층은 상기 제1전극 활물질층에 대향하는 상기 제2전극 집전체의 표면 및 상기 제2전극 집전체의 반대표면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층에 대향하는 제1전극 집전체의 표면에만 형성되고, 상기 제2전극 활물질층은 상기 제1전극 활물질층에 대향하는 제2전극 집전체의 표면에만 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제1전극 집전체 및 상기 제1전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제1전극 활물질층을 포함하는 제1전극과, 제2전극 집전체 및 상기 제2전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 제2전극 활물질층을 포함하는 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 놓여지는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 전극 조립체의 제1전극 및 제2전극와 전기적으로 연결되는 보호회로모듈; 및
    케이스에 채워지는 전해액을 포함하며,
    상기 전극 조립체는: 상기 제2전극 활물질층이 상기 제1전극 활물질층에 대향하고, 상기 제1전극 활물질층의 면적은 상기 제2전극 활물질층의 면적보다 크고, 상기 제2전극 활물질층은 LTO(Lithium Titanium Oxide)를 포함하고,
    상기 제1전극 활물질층의 용량(capacity)에 대한 제2전극 활물질층의 용량 비는 1.0 내지 1.15이며,
    상기 제1전극 활물질층은 상기 제2전극 활물질층을 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1전극 집전체의 면적은 제2전극 집전체의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2전극 집전체의 면적은 상기 제1전극 집전체의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제1전극 집전체의 면적은 상기 제2전극 집전체의 면적과 실질적으로 같은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제1전극은 양극이고 제2전극은 음극인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제2전극 활물질층에 대한 제1전극 활물질층의 면적비는 1.01 내지 1.21인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  19. 삭제
  20. 삭제
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