KR101252914B1 - 전극조립체 및 이를 포함한 이차전지와 그 제조방법 - Google Patents

전극조립체 및 이를 포함한 이차전지와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체와 이차전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 일면상에 활물질이 도포된 활성부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 양극판과 음극판과 상기 양극판과 음극판 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체에 있어서, 상기 양극판 또는 음극판의 적어도 어느하나의 활성부 및 상기 활성부에서 연장된 측면부는 무기 코팅층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체와 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전극조립체의 절단면에서 문제가 되는 버(burr) 발생을 완화하는 동시에 세퍼레이터의 낮은 열적 안전성을 보완할 수 있다.

Description

전극조립체 및 이를 포함한 이차전지와 그 제조방법{Electrode assembly, secondary battery including the same and manufacturing method of the same}
본 발명은 전극조립체 및 이를 포함한 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극조립체의 절단면에서 문제가 되는 버(burr) 발생을 완화하는 동시에 세퍼레이터의 낮은 열적 안전성을 보완할 수 있는 전극조립체 및 이를 포함한 이차전지에 관한 것이다.
이차 전지는 양극 집전체 및 음극 집전체 각각에 활성물질을 도포한 후에, 그 사이에 세퍼레이터(separator)를 개재하여 권취한 전극 조립체를 케이스등에 수납하고 전해액을 주입하여 밀폐하여 사용한다.
이때, 세퍼레이터는 양극과 음극의 직접적인 접촉에 의한 단락을 방지하는 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 혹은 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 계열의 다공성 물질로 구성되어 있으나, 상기 다공성 물질의 열적 안전성이 낮아 내부 이물 및 외부 충격에 의한 쇼트 발생시, 다공성 구조가 폐쇄되거나 녹게 되어 세퍼레이터로써의 역할을 수행할 수 없게 되는 문제점이 있다.
또한, 양극 및 음극 극판의 절단면에서 필연적으로 발생하는 버(burr)에 의해 쇼트 발생이나 전지의 폭발이 초래될 수 있어, 이와 같은 안전성 문제를 해결할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극조립체의 절단면에서 문제가 되는 버(burr) 발생을 완화하는 동시에 세퍼레이터의 낮은 열적 안전성을 보완할 수 있는 전극조립체와 이를 포함하는 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 일면상에 활물질이 도포된 활성부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 양극판과 음극판과 상기 양극판과 음극판 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체에 있어서, 상기 양극판 또는 음극판의 적어도 어느하나의 활성부 및 상기 활성부에서 연장된 측면부는 무기 코팅층으로 덮여 있는 전극조립체가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전극조립체의 양극판과 음극판에 각각 연결된 양극탭 및 음극탭; 및 상기 전극조립체를 수용하는 케이스를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 일면상에 활물질이 도포된 활성부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 양극판과 음극판과 상기 양극판과 음극판 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체의 제조방법에 있어서, 상기 양극판 또는 상기 음극판을 소정 크기로 절단하는 단계; 및 상기 양극판 또는 음극판의 적어도 어느하나의 활성부 및 상기 활성부에서 연장된 측면부에 무기 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전극조립체의 절단면에서 문제가 되는 버(burr) 발생을 완화하는 동시에 세퍼레이터의 낮은 열적 안전성을 보완할 수 있는 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 전기적인 쇼트 현상 유발 및 전지의 폭발을 방지하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 전지의 제조과정에서의 불량을 최소화할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 전극조립체의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 양극판의 개략적인 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 양극판의 개략적인 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 양극판의 개략적인 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 양극판의 개략적인 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 음극판의 개략적인 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 음극판의 개략적인 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 음극판의 개략적인 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 음극판의 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤 코팅 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 롤 코팅 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 롤 코팅 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체, 양극판 또는 음극판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극조립체(110)은 양극판(111)과, 음극판(112) 및 이들 두 전극판(111, 112) 사이에 개재되는 세퍼레이터(113)를 구성 요소로 한다. 여기서, 통상적으로 양극판(111)은 알루미늄(Al)으로, 음극판(112)은 구리(Cu)로 이루어진 박판일 수 있으나, 양극판(111) 및 음극판(112)을 구성하는 금속 물질이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 전극조립체(110)는 일 단부가 상단부 위로 돌출되어 고정되는 양극탭(114) 및 음극탭(115)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극탭(114) 및 상기 음극탭(115)이 전극조립체(110)의 상단부로 돌출되는 부분에는 전극판(111, 112) 간의 단락 방지를 위한 절연테이프(116)가 감겨질 수 있다. 한편, 상기 전극조립체(110)는 통상적으로 전기용량을 높이기 위해 양극판(111) 및 음극판(112) 사이에 이들을 절연시키는 세퍼레이터(113)를 개재하여 적층한 후, 와인딩(winding)하여 젤리 롤(jelly roll) 형태로 권취되어 제조된다.
이때, 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 일면 상에는 각각 양극활물질과 음극활물질이 도포된 활성부(111b, 112b)가 형성된다. 상기 양극활물질은 높은 안정성의 망간계 산화물로 이루어질 수 있고, 상기 음극활물질은 탄소 계열로 이루어질 수 있는데, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 일면 중 상기 양극활물질 또는 상기 음극활물질이 도포되지 않는 부분에는 무지부(111a, 112a)가 형성된다. 그리고, 본 발명에서는 상기 활성부(111b, 112b)로부터 연장되거나 상기 활성부(111b, 112b)로부터 절곡된 부분을 측면부라 정의하기로 한다. 상기 측면부는 실질적으로 양극판(111)과 음극판(112)을 길이방향으로 절단하였을 때의 절단면을 지칭하는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 측면부에는 무기 코팅층(111c, 112c)이 덮여 있다. 보다 상세하게는, 상기 무기 코팅층(111c, 112c)은 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 길이 방향에서의 측면부를 덮도록 형성된다. 또한, 동시에 상기 무기 코팅층(111c, 112c)은 상기 활성부(111b, 112b)를 덮고 있다. 이때, 상기 무기 코팅층(111c, 112c)은 1㎛ 내지 15㎛의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 무기 코팅층(111c, 112c)은 무기 세라믹 페이스트를 함유한 슬러리가 도포 및 건조되어 형성되는 것으로, 무기 세라믹 페이스트는 알루미나, 지르코니아, 및 알루미나-지르코니아 혼합물 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 세라믹 분말을 함유할 수 있다. 상기 세라믹 분말은 상기 무기 세라믹 페이스트 전체에 대하여 7wt% 이하로 함유되며, 이때 무기 세라믹 페이스트의 점도는 1cps 내지 500cps 범위인 것이 바람직하다.
도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예를 설명하면, 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 일면 상에도 역시 각각 양극활물질과 음극활물질이 도포된 활성부(111b, 112b)가 형성된다. 또한, 상기 일면 중 상기 양극활물질 또는 상기 음극활물질이 도포되지 않는 부분에는 무지부(111a, 112a)가 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 측면부에는 무기 코팅층(111c', 112c')이 덮여 있다. 보다 상세하게는, 상기 무기 코팅층(111c', 112c')은 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 길이 방향에서의 측면부를 덮도록 형성된다. 또한, 동시에 상기 무기 코팅층(111c', 112c')은 상기 활성부(111b, 112b)를 덮고 있다. 여기서, 이전 실시예와 다른 점은, 상기 무기 코팅층(111c', 112c')이 상기 활성부(111b, 112b) 상부면 만을 덮는 것이 아니라 연장되어 상기 무지부(111a, 112a)의 일부분을 덮도록 형성되는 것이다. 이때에도, 상기 무기 코팅층(111c', 112c')은 1㎛ 내지 15㎛의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 무기 코팅층(111c', 112c')의 두께가 1㎛ 이하인 경우, 열적 안정성 구현이 불완전할 수 있다. 또한, 무기 코팅층(111c', 112c')의 두께가 15㎛ 이상인 경우, 열적 안전성은 우수하나 전지 충전 방전시의 이온 이동 속도가 떨어질 수 있으며, 이차전지(100)에서 무기 코팅층의 볼륨이 증가하게 되어, 동일 크기를 갖는 이차전지(100)에서 단위 체적당 용량이 줄어들 수 있다.
여기서, 상기 무기 코팅층(111c', 112c') 역시 무기 세라믹 페이스트를 함유한 슬러리가 도포 및 건조되어 형성되는 것으로, 무기 세라믹 페이스트는 알루미나, 지르코니아, 및 알루미나-지르코니아 혼합물 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 세라믹 분말을 함유할 수 있다. 상기 세라믹 분말은 상기 무기 세라믹 페이스트 전체에 대하여 7wt% 이하로 함유되며, 이때 무기 세라믹 페이스트의 점도는 1cps 내지 500cps 범위인 것이 바람직하다. 즉, 상기와 같이 세라믹 분말이 무기 세라믹 페이스트 전체에 대하여 7wt% 이하로 함유되고, 무기 세라믹 페이스트의 점도가 1cps 내지 500cps 범위로 유지되면, 목표하는 무기 코팅층(111c, 112c, 111c' 112c')의 두께를 1㎛ 내지 15㎛의 범위로 유지할 수 있다.
상술한 대로, 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 활성부(111b, 112b), 측면 및 무지부(111a, 112a)의 일부분에 무기 코팅층(111c, 112c, 111c' 112c')을 형성함으로써, 상기 양극판(111) 및 상기 음극판(112)의 절단면에서 필연적으로 발생하는 버(burr)에 의해 쇼트 발생이나 전지의 폭발이 초래되는 것을 방지할 수 있다. 동시에, 열에 약한 다공성 물질로 이루어진 세퍼레이터(113)를 보완하여 전지의 열적 안정성을 보완할 수 있는 효과가 있다.
다음, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 양극판 상에 무기 코팅층을 형성하는 방법을 간략하게 설명한다.
먼저, 일면 상에 활물질이 도포된 활성부(111b), 상기 일면 중 활물질이 도포되지 않는 무지부(111c) 및 상기 일면 중 상기 활성부(111b)로부터 절곡된 측면부를 포함하는 양극판(111)을 마련한다.
다음, 도 6에 도시된 것과 같이, 슬리터(15)를 이용하여 상기 양극판(111)을 소정 크기로 절단한다. 다음, 상기 활성부(111b)로부터 절곡된 측면부에 무기 코팅층(111c)을 형성한다. 여기서, 무기 코팅층(111c)을 양극판(111)의 일면 상에 양극판(111)의 길이 방향에서의 측면부를 덮도록 형성할 수 있다. 또한, 동시에 상기 무기 코팅층(111c)은 활성부(111b)를 덮도록 형성한다. 상기의 무기 코팅층(111c) 형성 단계는 롤 코팅 장치(17a)에 의해 수행될 수 있다. 롤 코팅 장치(17a)는 절단 이전의 양극판(111)의 두께 방향을 가로지르며 덮도록 배치되며, 내부 또는 하부 전면에 걸쳐 무기 코팅층(111c) 형성용 무기 세라믹 페이스트를 포함하고 있다. 상기 슬리터(15)를 이용하여 상기 양극판(111)을 소정 크기로 절단함과 동시에 언와인더(11) 및 리와인더(13)를 구비한 롤 코팅 장치를 이용하여 무기 코팅층(111c)을 양극판(111)의 일면 상에 형성할 수 있다. 여기서, 상기 무기 코팅층(111c)은 무기 세라믹 페이스트를 함유한 슬러리가 도포 및 건조되어 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 절단 단계와 상기 무기 코팅층(111c) 형성 단계는 하나의 공정 중에 수행될 수 있고, 연속된 공정으로 수행될 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서와 같이, 무기 코팅층(111c)이 무지부(111a)의 일부분을 덮도록 형성하는 것도 물론 가능하다.
한편, 도 7과 같이, 상기 롤 코팅 장치(17b, 17b')는 복수개로 구성되어 무기 코팅층(111c)의 형성을 보다 자유롭게 할 수도 있으며, 도 8과 같이, 하나의 롤 코팅 장치(17c) 내의 일부분에만 무기 코팅층(111c) 형성용 무기 세라믹 페이스트를 넣어 작동시켜 원하는 곳에만 무기 코팅층(111c)을 형성하는 것도 가능하다.
상기 전극조립체(110)는 별도의 케이스내에 수용하거나 또는 복수개의 전극조립체(110)를 케이스에 함께 수용하여 대용량으로 제조하는 것도 가능하다. 그리고 상기 케이스는 캡조립체등에 의하여 밀봉될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극조립체의 절단면에서 문제가 되는 버(burr) 발생을 완화하는 동시에 세퍼레이터의 낮은 열적 안전성을 보완할 수 있는 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 전기적인 쇼트 현상 유발 및 전지의 폭발을 방지하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 전지의 제조과정에서의 불량을 최소화할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11: 언와인더 13: 리와인더
15: 슬리터 17: 롤 코팅 장치
110: 전극조립체 111: 양극판
111a, 112a: 무지부 111b, 112b: 활성부
111c, 112c, 111c', 112c': 무기 코팅층 112: 음극판
113: 세퍼레이터 114: 양극탭
115: 음극탭 116: 절연테이프

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 일면상에 활물질이 도포된 활성부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 각각 포함하는 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체에 있어서,
    상기 양극판 또는 음극판의 적어도 어느 하나의 활성부 및 상기 활성부에서 연장된 측면부는 무기 코팅층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 상기 양극판 또는 상기 음극판의 길이 방향에서의 상기 측면부를 덮는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 상기 무지부의 일부분을 덮는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 무기 세라믹 페이스트를 함유한 슬러리가 도포 및 건조되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 무기 세라믹 페이스트는 알루미나, 지르코니아, 및 알루미나-지르코니아 혼합물 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 세라믹 분말을 함유하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 상기 무기 세라믹 페이스트 전체에 대하여 7wt% 이하로 함유되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 무기 세라믹 페이스트는 1cps 내지 500cps 범위의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 1㎛ 내지 15㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제1항 및 제2항, 제4항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 관한 전극조립체;
    상기 전극조립체의 양극판과 음극판에 각각 연결된 양극탭 및 음극탭; 및 상기 전극조립체를 수용하는 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 적어도 하나의 일면상에 활물질이 도포된 활성부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 양극판과 음극판과 상기 양극판과 음극판 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체의 제조방법에 있어서,
    상기 양극판 또는 상기 음극판을 소정 크기로 절단하는 단계; 및
    상기 양극판 또는 음극판의 적어도 어느 하나의 활성부 및 상기 활성부에서 연장된 측면부에 무기 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절단 단계와 상기 코팅층 형성 단계는 하나의 공정 중에 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 절단 단계와 상기 코팅층 형성 단계는 연속된 공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 상기 양극판 또는 상기 음극판의 길이 방향에서의 상기 측면부를 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 제11항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 상기 무지부의 일부분을 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 절단 단계는 슬리터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 코팅 단계는 롤 코팅 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 롤 코팅 장치는 복수개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 무기 코팅층은 무기 세라믹 페이스트를 함유한 슬러리가 도포 및 건조되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 무기 코팅층을 형성하는 상기 무기 세라믹 페이스트는 상기 롤 코팅 장치의 일부분에만 구비되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
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