KR101288739B1 - 우수한 내부 단락 방지 성능의 스택/폴딩형 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택/폴딩형 전극조립체에 관한 것이다. 본 발명은, 일축방향 연신 분리막을 포함하는 2 이상의 단위셀이 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름과 함께 폴딩되어 형성되는 전극조립체에 있어서, 상기 단위셀의 일축방향 연신 분리막과 상기 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름은, 분리막의 연신방향에 있어서, 상호 직교된 것임을 특징으로 한다. 본 발명의 전극조립체는, 단위셀에 사용된 분리막의 연신방향과 상기 단위셀 폴딩시 사용하는 긴 시트형 분리필름의 연신방향을 수직으로 교차되어 있어 보다 강한 인장력에도 찢어지지 않는 바, 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

내부 단락, 스택 폴딩, 전극조립체, 이차전지, 연신 분리막, 풀셀, 바이셀, 연신 방향, 수직, 직교

Description

우수한 내부 단락 방지 성능의 스택/폴딩형 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차전지{STACK/FOLDING-TYPE ELECTRODE ASSEMBLY CHARACTERIZED BY HIGH PERFORMANCE OF PREVENTING INTERNAL SHORT CIRCUIT, AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 스택/폴딩형 전극조립체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 단위셀 분리막의 연신방향과 폴딩시 사용되는 긴 시트형 분리필름의 연신방향이 직교되도록 폴딩하여, 전해액 기화에 의한 내부단락 유발 정도를 현저히 낮춘 높은 안전성의 스택/폴딩형 전극조립체에 관한 것이다.

이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다.

젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리 막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다.

이러한 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 바람직하게 사용될 수 있지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는, 국부적으로 응력이 집중되어 전극 활물질이 박리되거나 충방전 과정에서 반복되는 수축 및 팽창 현상에 의해 전지의 변형을 유발하는 문제점이 있다.

반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

상기 스택/폴딩형 전극조립체에 대한 내용은 본 출원인에 의해 출원되어 한국 특허청에 공개된 한국 특허출원공개 제 10-2001-82058호, 제 10-2001-82059호, 제 10-2001-82060호 등에 상세히 개시되어 있는 바, 이를 참조하여 이해할 수 있고, 상기 한국 특허출원공개 제 10-2001-82058호, 제 10-2001-82059호, 제 10-2001-82060호의 내용은 본 발명 명세서의 내용으로 합체된다.

한편, 이차전지의 전극조립체 형성에 사용되는 분리막은 다공성, 및 절연성이 있어야 하는데, 이는 주로 고분자 필름을 사용하여 제조된다.

분리막에 사용될 고분자 필름은 제조방법에 따라 크게 2 가지로 나눌 수 있는데, 건식방법에 의한 연신 분리막과 습식에칭방법에 의한 트랙에칭막(track ething membrane)이 그것이다.

이 중에서 습식에칭방법에 의한 트랙에칭막은 다공도가 떨어지고, 제조단가가 높다는 단점이 있는 바, 다공도가 높고 제조단가가 상대적으로 싼 연신 분리막이 널리 사용되고 있는 실정이다.

연신 분리막은 잡아당겨서 다공성이 부여된 막인데, 결정성 고분자 내의 비결정성 부분이 결정성 부분에 비하여 약하기 때문에, 이 부분에 연신이 일어나서 기공이 형성된다. 또한, 연신이 일어나면 연신방향으로 미세한 피브릴(fibril)들도 생겨나고, 고분자 필름을 롤에 감은 후 이에 인장력을 가하는 연신공정을 사용하므로 일축방향으로만 연신되는 것이 보통이다.

그런데, 연신 분리막은 일정한 방향으로 연신시켜 다공성을 부여한 막이므로 연신되어진 방향이 분리막 성능에 지대한 영향을 미친다.

예를들어, 전지의 내부 단락 등에 의해 열충격을 받았을 경우 분리막이 수축하게 되는데, 수축되는 방향이 연신방향과 대부분 일치한다. 이는 연신방향으로 미세한 피브릴이 형성되어 있는데, 이들이 열에 의해 응축되면서 수축되기 때문이다.

또한, 연신방향으로 피브릴들이 형성되어 있으므로, 연신방향과 다른 방향으로 외력이 가해졌을 경우와 연신방향으로 외력이 가해졌을 경우의 분리막의 인장력(tension)를 비교하면, 그 값이 현저히 다르게 나타난다.

따라서, 이러한 연신 분리막의 연신방향에 대한 물성은 전지의 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있는 것이다.

종래의 연신 분리막을 폴딩하여 제작한 전극조립체는 단위셀 분리막의 연신방향과 폴딩시 사용되는 긴 시트형 분리필름의 연신방향이 동일하였으므로, 분리필름이 내부 압력에 대해서 일측방향으로 찢어지기 쉬웠다.

예를들어, 내부 단락으로 인한 전해액 기화로 인해 전지가 부풀게 될 경우, 모두 같은 연신방향을 가지므로 동일한 방향 인장력 특성을 나타내어 찢어지기가 쉬었고, 분리막이 찢어짐에 따라 내부 단락이 더 심해지거나, 폭발하는 경우가 있었던 것이다. 상기한 한국 특허출원공개 제 10-2001-82058호, 제 10-2001-82059호, 제 10-2001-82060호에 개시된 스택/폴딩형 전극조립체도 역시 같은 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 단위셀에 사용된 분리막의 연신방향과, 상기 단위셀 폴딩시 사용하는 긴 시트형 분리필름의 연신방향을 수직으로 교차시키면 분리막의 찢어짐을 완화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

일축방향 연신 분리막을 포함하는 2 이상의 단위셀이 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름과 함께 폴딩되어 형성되는 전극조립체에 있어서,

상기 단위셀의 일축방향 연신 분리막과 상기 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름은, 분리막의 연신방향에 있어서, 상호 직교된 것임을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 단위셀은 양측이 동일한 전극 구조인 바이셀; 양측이 서로 다른 전극 구조인 풀셀; 또는 상기 바이셀 및 상기 풀셀로 이루어진 것임을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

또한, 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.

본 발명의 전극조립체는, 단위셀에 사용된 분리막의 연신방향과 상기 단위셀 폴딩시 사용하는 긴 시트형 분리필름의 연신방향을 수직으로 교차되어 있어 보다 강한 인장력에도 찢어지지 않는 바, 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은,

일축방향 연신 분리막을 포함하는 2 이상의 단위셀이 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름과 함께 폴딩되어 형성되는 전극조립체에 있어서,

상기 단위셀의 일축방향 연신 분리막과 상기 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름은, 분리막의 연신방향에 있어서, 상호 직교된 것임을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전극조립체는 2 이상의 단위셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체로서, 상기 단위셀은 연신 분리막들을 포함하고 있다.

상기 긴 시트형 연신 분리필름은 상기 단위셀이 포함하는 연신 분리막과 같은 종류, 재질의 것을 사용할 수 있다(혼동을 막기 위해, 용어를 별칭하여 사용하는 것이다).

도 4에 본 발명이 종래의 것에서 개선하려는 기술적 특징을 모식적으로 도시하였다. 종래에는 단위셀에 사용되는 연신 분리막의 연신방향과 긴 시트형 연신 분리필름의 연신방향이 동일하게하여 폴딩(folding)하였지만, 본 발명에서는 연신방향을 서로 직교되게끔 폴딩하는 것이다. 연신방향만 교차되게 폴딩되면되므로, 도 4에 도시한 것과 같이, 2 가지 형태의 실시예가 존재할 수 있다.

본 발명에서, 상기 단위셀은 양측이 동일한 전극 구조인 바이셀 및/또는 양측이 서로 다른 전극 구조인 풀셀로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 단위셀로서의 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 한다.

또한, 단위셀로서의 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위 구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 이러한 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀(양극 바이셀)과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀(음극 바이셀)이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.

경우에 따라서는, 더 많은 적층 수의 바이셀들도 가능한 바, 예를 들어, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극 및 음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀도 가능하다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 분리막들은 1 개체의 분리막으로서, 전극 구조에 따라 절곡될 수 있다.

구체적인 예를 들어 설명하면, 제 1 양극/제 1 분리막/음극/제 2 분리막/제 2 양극 구조로 이루어진 바이셀의 경우, 상기 제 1 분리막과 제 2 분리막은, 예시적으로 단위셀의 우측면에서 상호 연결되어 있는 1 개체로서, 상기 분리막들의 연 결부위가 음극의 우측면에 위치할 수 있도록 절곡될 수 있다. 상기 구조에서, 분리막은, 제 1 분리막이 제 1 양극의 하면과 음극의 상면 사이에 위치하고, 절곡부가 음극의 우측면을 감싸며, 제 1 분리막에 연속된 제 2 분리막이 음극의 하면과 제 2 양극의 상면 사이에 위치할 수 있도록, ㄷ-자의 형태로 절곡될 수 있다. 여기서, 상기 분리막의 절곡되어 있는 연결부위는 음극의 우측면에 밀착되어 있다.

바람직한 구조의 예로서, 상기 전극조립체는 단위셀로서 적어도 하나의 양극 바이셀 및 음극 바이셀을 포함하고 있으며, 각 바이셀의 분리막들은 1 개체의 분리막이 절곡되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 구조에서, 분리막은 단위셀을 이루는 각각의 바이셀에서 1 개체로서 전극의 구조에 따라 절곡되어 있을 수있다. 여기서, 상기 "양극 바이셀"은 예를 들어 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 양극이 위치하는 셀을 의미하고, 상기 "음극 바이셀"은 예를 들어 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 음극이 위치하는 셀을 의미한다.

또 다른 바람직한 구조의 예로서, 상기 전극조립체는 각각의 단위셀로서 적어도 2개 이상의 풀셀을 포함하고 있으며, 풀셀들로 이루어진 각 단위셀의 분리막들은 1 개체의 분리막이 절곡되어 있는 구조로 이루어질 수도 있다. 즉, 상기 구조에서, 분리막은 단위셀을 이루는 두 개의 풀셀에서 1 개체로서 전극의 구조에 따라 절곡되어 있을 수 있다.

구체적으로, 단위셀이 양극/분리막/음극의 풀셀 두 개(제 1 풀셀, 제 2 풀셀)가 적층되어 있는 구조일 경우, 제 1 풀셀 및 제 2 풀셀의 양극과 음극 사이에 각각 개재되어 있는 분리막들과 제 1 풀셀과 제 2 풀셀 사이에 개재되어 있는 분리막은, 제 1 풀셀 하단에 위치하는 음극(1b)의 우측면 및 제 2 풀셀 상단에 위치하는 양극(2a)의 좌측면에서 상호 연결되어 있는 1 개체일 수 있다. 여기서, 상기 분리막은 음극(1b)의 우측면 및 양극(2a)의 좌측면에 위치하는 연결부위에서 절곡되어 상기 전극들(1b, 2a)의 측면에 밀착되어 있는 구조일 수 있다.

또한, 상기한 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.

본 발명의 이차전지는 상기한 본 발명의 전극조립체를 포함하는 것을 제외하고는 모두 종래의 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 종래의 이차전지 제작방법 및 나머지 구성요소들은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 자명한 사항이므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범위를 실시예들에 의해 한정하려는 것은 아님을 분명히 한다.

도 1a 내지 1e에는 본 발명의 전극조립체에서 단위셀로서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀셀 및 바이셀들의 모식도들이 도시되어 있다.

우선, 도 1a를 참조하면, 풀셀(400)은, 본 발명에 따른 전극조립체의 하나의 단위셀로서, 각각 양극(100a, 100b)과 음극(200a, 200b)을 포함하는 제 1 단위 풀셀(400a)과 제 2 단위 풀셀(400b)로 이루어져 있다.

따라서, 전체적으로 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극의 구조를 이룬다.

분리막(300)은 제 1 단위 풀셀(400a)의 양극(100a)과 음극(200a) 사이에 개재된 상태에서 음극(200a)의 우측면을 감싸는 형태로 1차 절곡되고, 제 1 단위 풀셀(400a)의 음극(200a)과 제 2 단위 풀셀(400b)의 양극(100b) 사이에 개재된 상태에서 양극(100b)의 좌측면을 감싸는 형태로 2차 절곡되며, 다시 제 2 단위 풀셀(400b)의 양극(100b)과 음극(200b) 사이에 개재된다. 또한, 분리막(300)은 그것의 단부(310)가 제 1 단위 풀셀(400a)의 좌측면 및 제 2 단위 풀셀(400b)의 우측면으로부터 소정의 길이만큼 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.

상기 절곡 부위는 그에 대응하는 전극의 측면에 밀착된 상태로 절곡되어 있다. 이러한 밀착 상태는 이하의 예시에도 마찬가지로 적용된다.

단위 풀셀들(400a, 400b) 내부와 이들 사이에 위치하는 분리막(300)이 상호 연결되어 있으므로, 고온 환경하에서도 연결부(즉, 절곡 부위)로 인해 열수축이 최소화된다.

도 1b 및 1c를 참조하면, 양극 바이셀(500)은 양극(100)/분리막(300)/음극(200)/분리막(300)/양극(100)의 구조로 이루어져 있고, 음극 바이셀(600)은 음극(200)/분리막(300)/양극(100)/분리막(300)/음극(200)의 구조로 이루어져 있다.

도 1b의 양극 바이셀(500)에서는 분리막(300)이 양극(100)과 음극(200) 사이에 개재된 상태에서 음극(200)의 우측면을 감싸는 구조로 절곡되어 있고, 도 1c의 음극 바이셀(600)에서는 분리막(300)이 양극(100)과 음극(200) 사이에 개재된 상태에서 양극(100)의 우측면을 감싸는 구조로 절곡되어 있다. 이들 도면에서도, 분리막(300)은 그것의 단부가 단위셀의 좌측면으로부터 소정의 길이만큼 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이러한 양극 바이셀(500)과 음극 바이셀(600)은 도 1d 및 1e와 같이 더 많은 수의 양극(100)과 음극(200)들이 순차적으로 적층되어 있는 구조일 수도 있다. 이 경우, 분리막(300)은 양극(100)과 음극(200)의 구조에 따라 전극들(100, 200)의 일측면을 감쌀 수 있도록 여러 차례 절곡된다.

이와 같은 분리막 연결 형태는 앞서 설명한 바와 같은 열수축의 억제 뿐만 아니라, 도 1b 내지 1d에서 보는 바와 같이, 분리막(300)의 절곡 부위가 위치하는 우측면에 분리막의 단부쪽 잉여부가 존재하지 않으므로 콤팩트한 전극조립체를 제공한다. 따라서, 동일 규격의 전지케이스에서 전극조립체의 크기를 크게 하여 전지의 용량을 증가시키거나, 또는 다른 용도로의 사용을 가능케 한다. 여기서, 분리막의 단부쪽 잉여부는 열수축에 의한 크기 감소를 보상할 수 있도록, 분리막의 크기를 전극보다 크게 구성할 때 생성되는 잔여 부위를 의미하며, 도 1b 내지 1d에서는 전극의 좌측면으로부터 돌출되어 있는 분리막의 끝 부위에 해당한다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 단위셀로서 도 1a와 같은 풀셀들 로 구성된 전극조립체의 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전극조립체(800)는 다수의 풀셀들(401, 402, 403 …)이 긴 분리필름(700)에 의해 폴딩되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극조립체(800)는 분리필름(700)이 중앙의 제 1 풀셀(401)의 외면을 한 차례 감싸고, 제 1 풀셀(401)의 상부와 하부에 각각 제 2 풀셀(402)와 제 3 풀셀(403)을 위치시킨 상태에서 그 것들의 외면을 한 차례 감싸는 구조로 풀셀들(401, 402, 403 …)을 순차적으로 폴딩하여 제조될 수 있다. 단, 이 경우 풀셀의 연신 분리막 연신방향과 분리필름의 연신방향이 직교되게끔 폴딩하여야 함은 상술한 바와 같다.

도 3a 및 3b에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 단위셀로서 도 1b 및 1c와 같은 바이셀들로 구성된 전극조립체의 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전극조립체(900, 901)은 다수의 양극 바이셀들(501, 504, 505 …)과 다수의 음극 바이셀들(502, 504 …)이 긴 분리필름(700)에 의해 순차적으로 폴딩되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전극조립체들(900, 901)은, 도 3a에서와 같이, 분리필름(700)이 중앙의 양극 바이셀(501)의 외면을 한차례 감싸고, 양극 바이셀(501)의 상부와 하부에 각각 음극 바이셀(602, 603)을 위치시킨 상태에서 이들의 외면을 한 차례 감싸는 구조로 바이셀들(501, 602, 603 …)을 폴딩하거나, 또는 도 3b에서와 같이, 분리필름(700)이 최하단의 바이셀(510)에서 중앙의 바이셀들(501, 602, 603)을 지나 최상단의 바이셀(520)까지 Z형태로 감싸는 구조로 바이셀들(510 … 603, 501, 602 … 520)을 폴딩하여 제조될 수 있다. 단, 이 경우 바이셀의 연신 분리막 연신방향과 분리필름의 연신방향이 직교되게끔 폴딩하여야 함은 상술한 바와 같다.

이상에서, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하였는 바, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

도 1a 내지 1e는 본 발명의 전극조립체에서 단위셀로서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀셀 및 바이셀들의 구조도이다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 단위셀로서 도 1a와 같은 풀셀들로 구성된 전극조립체의 구조도이다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 단위셀로서 도 1b 및 1c와 같은 바이셀들로 구성된 전극조립체의 구조도이다.

도 4는 본 발명이 종래의 것에서 개선하려는 본 발명의 기술적 특징을 모식적으로 나타낸 도면이다.

Claims (3)

1. 일축방향 연신 분리막을 포함하는 2 이상의 단위셀이 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름과 함께 폴딩되어 형성되는 전극조립체에 있어서,

   상기 단위셀의 일축방향 연신 분리막과 상기 긴 시트형 일축방향 연신 분리필름은, 연신방향에 있어서 상호 직교된 것이고, 상기 분리필름의 연신방향은 폴딩방향에 대해 수직방향인 것임을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 양측이 동일한 전극 구조인 바이셀; 양측이 서로 다른 전극 구조인 풀셀; 또는 상기 바이셀 및 상기 풀셀로 이루어진 것임을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 제 1 항, 또는 제 2 항의 전극조립체를 포함하는 이차전지.

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