KR101312859B1 - 쌍극형 이차 전지, 쌍극형 이차 전지의 제조 방법, 쌍극형 전극, 쌍극형 전극의 제조 방법 및 조전지 - Google Patents

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Abstract

쌍극형 이차 전지는 일 표면에 정극층을, 그 대향 표면에 부극층을 갖는 집전체를 각각 포함하는 복수의 쌍극형 전극을 포함한다. 세퍼레이터는 하나의 쌍극형 전극의 정극층 및 인접한 쌍극형 전극의 부극층이 세퍼레이터의 길이를 따라 서로 대향되도록 인접한 두 개의 쌍극형 전극의 사이에 배치된다. 정극층 및 부극층에는 집전체의 길이를 따라 서로로부터 오프셋된 위치에 배치된 돌출부가 형성된다.

Description

쌍극형 이차 전지, 쌍극형 이차 전지의 제조 방법, 쌍극형 전극, 쌍극형 전극의 제조 방법 및 조전지 {BIPOLAR SECONDARY BATTERY, METHOD FOR MANUFACTURING THE BIPOLAR SECONDARY BATTERY, BIPOLAR ELECTRODE, METHOD FOR MANUFACTURING THE BIPOLAR ELECTRODE AND ASSEMBLED BATTERY}
본 출원은 2008년 9월 26일자로 출원된 일본 특허 출원 제2008-247721호 및 2009년 6월 3일자로 출원된 일본 특허 출원 제2009-133934호로부터 우선권을 주장하며, 그 양 출원의 내용은 본 명세서에서 전반적으로 포함된다.
본 발명은 쌍극형 이차 전지, 쌍극형 이차 전지의 제조 방법, 쌍극형 전극, 쌍극형 전극의 제조 방법 및 조전지에 관한 것이다.
쌍극형 이차 전지(바이폴라 이차 전지로도 지칭됨)는 집전체, 집전체의 일 표면에 배치된 정극 및 집전체의 대향 표면에 배치된 부극을 각각 포함하는 복수의 쌍극형 전극을 포함한다. 쌍극형 전극의 이러한 구조에서, 복수의 쌍극형 전극은 정극 및 부극이 전해질 층을 포함한 세퍼레이터를 따라 서로 대향되도록 서로 적층된다(일본 특허 출원 공개 제11-204136호 참조). 따라서, 쌍극형 이차 전지에서, 하나의 전지 셀(단전지)은 집전체들의 사이에 배치된, 정극, 부극 및 세퍼레이터(전해질 층)으로 구성된다.
일본 특허 출원 공개 제11-204136호는 정극 및 부극 모두가 집전체의 표면에 정극 및 부극을 위한 활 물질(active material)을 각각 도포하여 형성한 것을 개시한다. 이 경우, 전극이 활 물질의 도포 등으로 형성되면, 전극은 각각 그 단부에 볼록부(돌출부)를 갖는다.
각각의 전극의 이러한 볼록부가 전극 사이의 세퍼레이터를 따라 서로 정렬되어 위치되면, 세퍼레이터의 국부 영역이 볼록부의 존재로 인해 강한 힘을 받을 것이다. 세퍼레이터의 국부 영역은 과도하게 두께가 감소하거나 관통되어서, 정극과 부극의 사이에서 단락을 야기할 수 있다.
본 발명의 실시예는 각각의 그 단전지에서 내부 단락을 방지할 수 있는 쌍극형 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 쌍극형 이차 전지의 일례는 집전체의 제1 표면에 형성된 제1 전극층 및 집전체의 제2 표면에 형성된 제2 전극층을 갖는 쌍극형 전극을 포함한다. 또한, 복수의 쌍극형 전극은 제1 전극층과 제2 전극층이 제1 전극층과 제2 전극층의 사이에 배치된 세퍼레이터를 따라 서로 대향되도록 적층된다. 제1 전극층의 단부에 배치된 돌출부의 위치는 제2 전극층의 단부에 배치된 돌출부의 위치와 다른 곳에 위치된다.
이러한 구성에 의하면, 제1 전극층과 제2 전극층 각각의 단부에 배치된 돌출부가 제1 및 제2 전극층의 사이에 배치된 세퍼레이터를 따라 서로 정렬하여 대향되는 것이 방지된다. 따라서, 쌍극형 이차 전지에 있어서 각각의 단전지 내부의 단락 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시예의 상세한 설명 및 변형예와 기타 사항 등은 이하에서 설명한다.
본 명세서의 설명은 첨부 도면을 참조로 하여 이루어지며, 몇몇 도면들의 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 부품을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지 내부의 개략적인 구조를 설명하기 위한 설명도이다.
도 2a는 제1 실시예에 따른 쌍극형 이차 전지에 사용되는 쌍극형 전극의 측면도이다.
도 2b는 정극층의 일측에서 본 도 2b의 쌍극형 전극의 평면도이다.
도 3은 제1 실시예에 있어서의 쌍극형 이차 전지의 쌍극형 전극의 적층 배향을 도시한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 제1 실시예에 따른 쌍극형 이차 전지의 작용을 도시한 설명도이다.
도 5는 도포 개시 위치에 배치된 단부와 도포 종료 위치에 배치된 단부가 서로 오프셋을 가지고 배열된 쌍극형 전극을 도시한 설명도이다.
도 6a는 제1 실시예에 따른 조전지의 평면도이다.
도 6b는 도 6a에 따른 조전지의 정면도이다.
도 6c는 도 6a에 따른 조전지의 측면도이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 조전지가 사용된 차량을 도시한 설명도이다.
도 8a는 본 발명의 제2 실시예의 쌍극형 이차 전지에 사용되는 쌍극형 전극의 측면도이다.
도 8b는 정극층의 일측에서 본, 도 8b의 쌍극형 전극의 평면도이다.
도 9는 제2 실시예에 있어서의 쌍극형 이차 전지의 쌍극형 전극의 적층 배향을 도시한 사시도이다.
도 10은 정극층의 일측에서 본 본 발명의 제3 실시예에 따른 쌍극형 이차 전지에 사용되는 쌍극형 전극의 평면도이다.
도 11은 제3 실시예의 쌍극형 이차 전지의 쌍극형 전극의 적층 배향을 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예의 쌍극형 이차 전지에 사용되고, 적층 배향에 있어서 서로 인접하여 배치된 2개의 쌍극형 전극을 도시한 측면도이다.
도 13은 제4 실시예에 있어서의 쌍극형 이차 전지의 쌍극형 전극의 적층 배향을 도시한 사시도이다.
도 14는 제4 실시예에 있어서의 쌍극형 이차 전지의 쌍극형 전극의 적층 배향의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 15a 및 도 15b는 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지의 다른 작용을 도시한 설명도이다.
이하, 첨부 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 설명한다. 도면에 있어서, 부품의 치수 및 비율은 실제 치수 및 비율과는 다르며, 따라서, 치수 및 비율은 본 설명을 용이하게 하기 위해서만 과장 또는 간략화되었다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지(1)는 집전체(11)의 제1 표면에 형성된 정극층(12)(제1 전극층) 및 집전체(11)의 제2 표면에 형성된 부극층(13)(제2 전극층)을 각각 갖는 복수의 쌍극형 전극(10)을 포함한다. 제2 표면은 제1 표면에 대향된다. 정극층(12) 및 부극층(13)은 각각 정극 활 물질 및 부극 활 물질을 함유한다.
도 1은 쌍극형 이차 전지(1)의 기본 구성을 도시하며, 쌍극형 전극(10)의 세부에 대해서는 설명하지 않는다(세부에 대해서는 도 2a를 참조).
쌍극형 전극(10)은 전해질을 포함하는 세퍼레이터(14)를 통해 서로 적층된다. 정극층(12), 세퍼레이터(14) 및 부극층(13)이 단전지(15)를 형성한다. 최외곽 위치에 배치된 집전체(11)[소위, 최외곽 집전체(11a, 1lb)]는 제1 및 제2 표면 중의 한 표면에 부극층(13) 또는 정극층(12) 중의 하나를 갖는다.
단전지(15)는 인접한 집전체(11)들을 서로 절연하기 위한 시일 부재(51)를 그 외주 표면에 갖는다.
이러한 구성 요소(발전 요소)는 라미네이트 시트(52)에 의해 시일된다. 집전판(53a, 54b)은 부극측 최외곽 집전체(11a)의 외측 및 정극측 최외곽 집전체(11b)의 외측에 각각 배치된다. 집전판(53a, 54b)은 부극 탭(53) 및 정극 탭(54)을 형성하기 위해 각각 연장된다. 집전판(53a, 54b)은 각각 집전체(11)의 두께보다 두꺼운 두께를 가짐으로써, 서로 적층되어 있는 복수의 단전지(15)로부터 전류를 용이하게 수집하게 한다.
집전판(53a, 54b)의 설치 대신에, 최외곽 집전체(11a, 1lb)의 두께를 두껍게 하여 라미네이트 시트(52)의 외측으로 연장하여서, 이러한 연장부가 부극 탭(53) 및 정극 탭(54)으로 각각 기능할 수도 있다. 또한, 최외곽 집전체(11a)와 집전판(53a)의 사이 및 최외곽 집전체(11b)와 집전판(54b)의 사이에 전극 활 물질이 배치될 수 있다. 즉, 그 대향 표면 양쪽에 전극 활 물질을 갖는 집전체(11)는 그 대향 표면 중 하나의 표면에만 전극 활 물질을 갖는 최외곽 집전체(11a, 1lb) 대신에 최외곽 집전체로 사용될 수 있다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 제1 실시예의 쌍극형 전극(10)에서, 정극층(12)과 부극층(13)은 하나의 집전체(11) 상에 형성된다. 정극층(12)과 부극층(13)의 각각의 단부에 배치된 돌출부(12a, 13a)(볼록부)는 배열 위치가 다르다(즉 오프셋되어 있거나 정렬되어 있지 않음). 돌출부(12a, 13a)는 이후에 상세하게 설명되는 바와 같이, 활 물질의 도포가 개시된 도포 개시 위치에 배치된다.
제1 실시예에 따른 쌍극형 이차 전지(1)는, 도 2a, 도 2b 및 도 3에 도시한 바와 같이, 정극층(12)과 부극층(13)이 그들 사이에 배치된 세퍼레이터(14)를 따라 서로 대향되도록 서로 적층된 쌍극형 전극(10)을 포함한다. 이러한 구성에 의해, 각각의 전극층[정극층(12) 및 부극층(13)]의 단부에 배치된 돌출부(12a, 13a)가 세퍼레이터(14)를 따라 동일 위치가 되는 것을 방지하고, 즉, 서로 위치가 정렬되는 것을 방지한다. 적층된 구조의 간단한 설명을 위해, 도 3은 쌍극형 전극(10)만을 도시한다.
이제 정극층(12) 및 부극층(13)의 단부에 돌출부(12a, 13a)(또는 볼록부)의 형성의 현상에 대해 설명한다.
집전체(11)에 정극층(12) 및 부극층(13)을 형성하는 동안, 각각의 전극층을 형성하는 활 물질의 슬러리(농도를 갖는 점성액)가 집전체(11) 상에 도포된 후 건조된다. 도포 공정에 있어서, 활 물질의 슬러리는 슬릿 노즐을 집전체(11) 위로 이동시키면서 슬릿 노즐로부터 밀려나온다. 도포 개시 위치에서, 슬러리는 슬릿 노즐을 정지시킨 상태로 슬러리가 밀려나오고, 집전체(11)의 표면에 슬러리가 적하된 시점에서부터 슬릿 노즐이 이동된다. 따라서, 집전체(11)의 표면에 부착된 슬러리는 도포 개시 위치에서의 활 물질의 소정의 두께보다 다소 두껍게 코팅된다. 도포 개시 위치에 배치된 슬러리는 표면 장력 및 슬러리의 탄성으로 인해 도포 개시 위치와는 다른 위치에 도포된 슬러리의 잔류부와 비교하여 큰 부피 및 볼록부를 갖는다. 이것은 각각의 전극층의 단부에 돌출부(12a, 13a)가 형성되게 한다.
따라서, 돌출부(12a, 13a)의 형성은 도포 공정으로 인해 도포 개시 위치에 현저하고 빈번하게 야기된다. 그러나, 돌출부(12a, 13a)의 형성은 슬러리의 점도 및 도포 방법에 의존하여, 슬러리의 도포 방향에 따라 위치된 각각의 전극층의 측 방향 단부 또는 도포 종료 위치에도 발생할 수 있다. 따라서, 도포 개시 위치 외의 위치에 볼록부(돌출부)를 발생시키는 방법이 채용될 경우, 정극층과 부극층의 단부는 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 따라 정렬되어 서로 대향하는 것이 방지되는 것이 바람직하다.
이제 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 실시예에 의한 쌍극형 이차 전지(1)의 작용을 설명한다.
도 4a에서, 쌍극형 이차 전지(1)의 단전지 부분의 정극층(12)의 돌출부(12a) 및 부극층(13)의 돌출부(13a)는 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 따라 서로 위치가 다르게 배열된다. 한편, 도 4b는 정극층(12)의 돌출부(102a) 및 부극층(13)의 돌출부(103a)가 세퍼레이터(14)의 동일 주연의 일측을 따라 서로 배열된 쌍극형 이차 전지의 단전지 부분의 구조를 도시한다.
각각의 돌출부의 크기(높이)는 정극층(12) 및 부극층(13)을 도포 형성하는 슬러리의 점도 또는 슬러리를 도포하는 장치에 따라 다르다. 각각의 층을 적층한 방향으로 취해진, 도 4a에 도시한 바와 같은 단면도에서, 각각의 전극층[정극층(12) 및 부극층(13)]은 집전체(11)의 표면으로부터 연장되어, 약 40 내지 200㎛의 두께를 갖도록 형성되고, 각각의 돌출부는 각각의 전극층의 편평부(표면)로부터 연장되어, 약 5 내지 40㎛의 크기를 갖는다.
제1 실시예의 쌍극형 이차 전지(1)의 각각의 단전지에서, 정극층(12)의 돌출부(12a) 및 부극층(13)의 돌출부(13a)는, 도 4a에 도시한 바와 같이, 서로 오프셋된 위치로 배치된다. 따라서, 돌출부(12a) 및 돌출부(13a)는 그들 사이에 위치된 세퍼레이터(14)를 따라 서로 정렬되지 않게 위치된다. 그 결과, 단전지가 그 상하 방향으로 압박되어도, 세퍼레이터(14)는 약간 변형될 수 있지만, 세퍼레이터(14)의 양측으로부터의 국소적 압박을 받는 것을 피할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(14)가 그 국소 영역에서의 관통 및 두께가 감소되는 것을 방지할 수 있으므로, 정극층(12)의 단부와 부극층(13)의 단부 사이의 단락이 방지된다.
한편, 도 4b에 도시한 바와 같이, 정극층(12)의 돌출부(102a)와 부극층(13)의 돌출부(103a)가 각각의 전극층(12, 13)의 유사한 단부에 형성되면, 단전지의 돌출부(102a, 103a)도 세퍼레이터(14)를 따라 서로 정렬하여 위치된다. 그러므로, 단전지가 그 상하 방향으로 압박되면, 세퍼레이터(14)는 세퍼레이터(14)의 양측으로부터 돌출부(102a, 103a)에 의해 국소적으로 압박된다. 따라서, 세퍼레이터(14)의 국소적인 압박 부분은 두께가 감소되고 관통되어, 단전지 내의 내부 단락을 야기할 수 있다. 또한, 초기의 제조 단계에서는 단락이 일어나지 않아도, 시간이 흐르면서 사용을 하는 동안 쌍극형 전지(1)의 반복되는 진동이 전지 효율을 감소시키는 단락과 같은 것을 야기할 수 있다.
위에서 설명한 제1 실시예에서는, 정극층(12)의 돌출부(12a) 및 부극층(13)의 돌출부(13a)가 서로 오프셋된 위치에 위치된다. 이러한 배열에 의해, 사용시 오랜 시간 동안 쌍극형 이차 전지(1)에 진동이 가해져도, 내부 단락의 발생이 억제될 수 있다.
바람직하게는, 집전체(11)의 제1 표면과 제2 표면에 각각 배치된, 정극층(12)과 부극층(13)의 돌출부(12a, 13a, 도포 개시 위치) 사이의 오프셋량은, 예를 들어, 적층 방향에서 취해진 단면도에서 2mm 이상이다. 그 이유는 이하와 같다. 돌출부(12a, 13a)는 도포된 활 물질이, 최외곽 부분(그 단부)으로부터 약 2mm까지 연장되도록 형성될 수 있으므로, 볼록부는 그들 사이의 오프셋량이 약 2mm 이상으로 설정된 경우 서로 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 특히, 오프셋량의 상한은 내부 단락 억제의 관점에서, 2mm 이상이기만 하면 제한되지 않는다. 그러나, 오프셋량이 과도하게 크면, 결과적으로 하나의 전극층의 크기, 여기서는 정극층(12)이 매우 작아질 수 있다. 일 실시예에서는, 약 5mm의 오프셋량이 상한값으로 충족된다. 또한, 오프셋량은 집전체(11)의 표면으로부터 정극층(12) 또는 부극층(13)의 두께의 적어도 10배의 두께 또는 대응하는 전극층의 편평부로부터 연장된 돌출부(12a, 13a)의 높이의 적어도 약 50배 이하로 설정될 수 있다. 이 경우, 약 5mm의 오프셋량이 충족되어질 수도 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조로 하여, 세퍼레이터(14)의 양측으로부터 세퍼레이터(14)의 국소 영역에 압력이 인가되어 세퍼레이터(14)에 내부 단락이 발생하는 것을 방지하는 작용을 설명했지만, 제1 실시예는 집전체(11)가 내부 단락과 같은 것을 방지하는 기능을 수행할 수도 있다.
도 15a 및 도 15b는 이러한 작용을 도시한다. 도 15a에 도시한 바와 같이, 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지(1)는, 위에서 설명한 바와 같이, 1매의 집전체(11)의 대향 표면에 정극층(12)과 부극층(13)이 배치된 쌍극형 전극(10)을 포함한다. 이러한 구조에서는, 정극층(12)과 부극층(13)을 위한 각각의 활 물질의 도포 개시 위치에 위치된 돌출부(12a, 13a)가 집전체(11)에 대하여 서로 오프셋되어 있다. 즉, 1매의 집전체(11)의 제1 표면에 형성되어 있는 정극층(12)의 단부와, 그 제1 표면에 대항된 1매의 집전체(11)의 제2 표면에 형성되어 있는 부극층(13)의 단부가 서로 정렬되어 있지 않다.
여기서, 쌍극형 이차 전지(1)에서, 발전 요소는 도 1에 도시한 바와 같이 라미네이트 시트(52)에 의해 시일되어 있다. 따라서, 압축력이 적층 방향으로 집전체(11)에 가해진다. 이 경우, 정극층(12) 단부의 돌출부(12a) 및 부극층(13) 단부의 돌출부(13a)가 서로 정렬되어 위치된 경우, 돌출부(12a, 13a)를 통해 집전체(11)의 국소 영역에 힘이 가해질 수 있다. 국소 영역으로 장시간 계속하여 힘이 가해지면, 집전체(11)는 그곳에 파손 또는 관통이 발생될 수 있다.
집전체(11)용 재료는 이후에 상세하게 설명하는 바와 같이 기본적으로 금속이다. 집전체(11)의 두께는 매우 얇은데, 예를 들면, 100㎛ 이하, 몇몇 경우에는 50㎛, 25㎛ 이하일 수도 있다. 따라서, 집전체(11)가 극히 얇은 두께를 갖고 있을 경우에는, 집전체(11)가 금속 재료로 제조되어도 집전체(11)의 국소 영역에 가하여지는 계속되는 압력으로 인해 관통이나 파손이 일어날 수 있다. 특히, 쌍극형 이차 전지(1)가 후술되는 차량에 탑재될 경우, 압력을 받는 집전체(11)의 국소 영역에 차량으로부터 전달되는 진동으로 인한 큰 힘이 가해지게 되어서, 관통 또는 파손이 일어날 가능성이 커진다.
또한, 집전체(11)용 재료는 비금속 재료일 수 있으며, 예를 들어, 후술되는 전도성 수지일 수도 있다. 이러한 경우에도, 관통이나 파손 등의 발생 위험이 있다.
집전체(11)에 관통 또는 파손이 일어나면, 정극 활 물질 또는 부극 활 물질이 서로 직접 접촉하여서 단락이 초래되거나, 전지 전해질을 통하여 집전체(11)를 통해 그들 사이에서 예기치 않는 전지 반응이 일어난다.
제1 실시예에서는, 도 15a에 도시한 바와 같이, 1매의 집전체(11)의 제1 표면 및 제2 표면에 각각 형성된 정극층(12) 및 부극층(13) 단부의 돌출부(12a, 13a)가 서로 오프셋된 위치에 배치된다. 돌출부(12a, 13a) 사이의 오프셋 때문에, 도 15b에 도시한 바와 같이, 발전 요소에 적층 방향으로 압축력이 가해져도, 돌출부(12a, 13a)에 의해 집전체(11)의 양측으로부터 집전체(11)의 동일한 국소 영역에 가해지는 압력을 받는 것이 방지될 수 있다. 그 결과, 집전체(11)가 관통 또는 파손되는 것을 방지할 수 있다.
돌출부(12a, 13a) 사이의 오프셋량은, 예를 들어, 세퍼레이터(14)에서의 그 오프셋량과 유사한 2mm 이상일 수 있다. 오프셋량의 상한은 세퍼레이터(14)에서의 그 상한과 유사하게, 최대 약 5mm일 수 있다.
제1 실시예에서는, 쌍극형 이차 전지(1)는 도 4a, 도 4b, 도 15a 및 도 15b를 참조하여 설명한 작용들 모두를 수행하도록 구성된다. 이것은 집전체(11)에 서로 다른 도포 개시 위치에서 정극층(12), 부극층(13)을 위한 각각의 활 물질을 도포하여서 쌍극형 전극(10)이 제작되고, 쌍극형 전극(10)은 정극층(12), 부극층(13)이 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 따라 서로 대향되도록 서로 적층되기 때문이다. 이러한 구성에 의해, 세퍼레이터(14)에 인가되는 국소 압력으로 인한 내부 단락의 발생 및 집전체(11)에 인가되는 국소 압력으로 인한 내부 단락의 발생을 동시에 방지할 수 있다.
쌍극형 이차 전지(1)는 위에서 설명한 작용 중의 하나만을 수행하도록 구성될 수도 있다. 특히, 각각 정극층(12)과 부극층(13)의 단부에 위치되는 돌출부(12a, 13a)는 세퍼레이터(14)의 대향 측에서 서로에 대하여 오프셋되어 있을 수 있지만, 돌출부(12a, 13a)는 그들 사이의 집전체(11)를 따라 각각 정렬하여 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 세퍼레이터(14)에 인가되는 국소 압력으로 인한 내부 단락의 발생을 적극적으로 방지할 수 있다. 이와 달리, 각각 정극층(12)과 부극층(13)의 단부에 위치되는 돌출부(12a, 13a)는 집전체(11)의 제1 및 제2 표면에 서로 정렬되지 않게 배치될 수 있으나, 돌출부(12a, 13a)는 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 따라 서로 정렬하여 배치될 수 있다. 이 경우, 집전체(11)에 인가되는 국소 압력으로 인해 내부 단락의 발생을 적극적으로 방지할 수 있다. 따라서, 위에서 설명한 작용 중 어느 하나를 선택적으로 수행할 수 있다.
다음으로, 제1 실시예에 있어서의 쌍극형 이차 전지(1)의 제조 방법을 설명한다.
도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 정극층(12)의 돌출부(12a)와 부극층(13)의 돌출부(13a)가 서로 정렬되지 않게 위치된 쌍극형 전극(10)이 다음과 같이 마련된다. 정극층(12)을 위한 활 물질이 집전체(11)의 제1 표면에 도포되고 정극층(12)을 형성하기 위해 건조된다. 부극층(13)을 위한 활 물질이 집전체(11)의 제2 표면에 도포되고 부극층(13)을 형성하기 위해 건조된다. 각각의 활 물질은 서로로부터 오프셋된 도포 개시 위치에서 동일 방향을 따라 집전체(11)의 제1 표면 및 제2 표면에 도포된다. 동일한 폭을 갖는 슬릿 노즐이 사용되면, 부극층(13)이 정극층(12)보다 큰 치수로 형성되는 것이 바람직하나, 필수적이지는 않다. 따라서, 부극층(13)을 위한 활 물질의 도포는 집전체(11)의 최외곽 주연으로부터 시작된다. 한편, 정극층(12)을 위한 활 물질의 도포는 부극층(13)의 단부로부터 내향으로 오프셋된 위치로부터 부극층(13)을 위한 활 물질을 도포하는 방향과 동일한 방향으로 개시된다. 그 결과, 부극층(13)의 표면 영역은 정극층(12)의 표면 영역보다 커진다. 이렇게 정극층(12)과 부극층(13)을 형성함으로써, 쌍극형 이차 전지(1)의 충방전 사이클의 반복으로 인한 리튬 덴드라이트(lithium dendrite)의 형성을 억제할 수 있다. 부극층(13)을 위한 활 물질의 도포는 정극층(12)을 위한 활물질의 도포보다 앞서 이루어질 수 있으며, 그 반대도 좋다.
그러나, 대향 표면 중의 하나에만 정극층(12) 및 부극층(13) 중 하나가 형성되어 있는 최외곽 집전체(11a, 1lb)가 마련된다.
이어서, 마련된 복수의 쌍극형 전극(10)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 정극층(12)과 부극층(13)이 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 따라 서로 대향되며, 돌출부(12a, 13a)가 정렬되지 않게 위치되도록 적층된다. 적층시, 각각의 단전지(15)의 외주에 시일 부재(51)도 끼워질 수 있다.
이 경우, 적층되는 각각의 복수의 쌍극형 전극(10)에 있어서, 정극층(12) 및 부극층(13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치는 그 편평한 방향에서 볼 때 각각의 쌍극형 전극(10)의 어느 측에도 위치될 수 있다. 도 3에서, 적층되는 복수의 쌍극형 전극(10)의 모두에, 정극층(12) 및 부극층(13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치의 단부는 편평한 방향에서 볼 때 우측에 위치된다(도 2a). 도 2a에서의 우측은 도 3에서의 바닥측에 대응하며, 도 2a에서의 좌측은 도 3에서의 상측에 대응한다. 그러나, 적층되는 복수의 쌍극형 전극(10)에 있어서, 정극층(12) 및 부극층(13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치의 단부는 도 2a의 좌측에 위치될 수도 있다. 이것은 제1 실시예에서의 각각의 쌍극형 전극(10)에 있어서, 정극층(12) 및 부극층(13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치가 서로로부터 오프셋되어서, 돌출부(12a, 13a)가 정 및 부극층(12, 13)의 도포 개시 위치에 형성되기 때문이다.
이어서, 도 1에 도시한 바와 같이, 전극 탭(53, 54)이 인출되고, 적층된 본체는 라미네이트 시트(52)로 시일되어서 쌍극형 이차 전지(1)를 완성시킨다.
위에서 설명한 바와 같은 실시예에서는, 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a, 13a)만이 서로 정렬하지 않게 위치된다. 그러나, 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 종료 위치에 배치된 정 및 부극층(12, 13)의 타 단부도 서로 정렬하지 않게 위치될 수 있다.
도 5는 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a, 13a)와 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 종료 위치에 형성된 돌출부(12b, 13b) 둘 다 서로 정렬되지 않게 위치된 쌍극형 전극(10)을 도시한 설명도이다.
도 5에 도시한 쌍극형 전극(10)에서, 1매의 집전체(11)의 대향 측에 배치된 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 종료 위치에 형성된 돌출부(12b, 13b)는 돌출부(12b)가 돌출부(13b)로부터 내향으로 오프셋되도록 구성된다.
이러한 구성으로, 각각의 단전지(15) 내에서는, 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 종료 위치에 형성된 돌출부(12b, 13b)가 정 및 부극층(12, 13)을 위한 활 물질의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a, 13a)와 같이 서로 정렬하지 않게 위치된다.
전술한 바와 같이, 도포된 활 물질은 도포 방법의 종류에 따라 다양한 볼록부를 가지지만, 대체적으로, 상승된 활 물질은 도포 개시 위치에서 높이가 증가된다. 그러나, 몇몇 경우에는, 도포된 활 물질이 도포 종료 위치에서도 볼록부를 가진다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이, 활 물질의 볼록부가 도포 종료 위치에도 형성되는 방법에 의해 활 물질이 도포되어도, 도포 개시 위치뿐만 아니라 도포 종료 위치에서도, 정 및 부극층(12, 13) 단부의 돌출부를 변위시킴으로써 내부 단락을 방지할 수 있다.
이하에서는 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지(1)의 각각의 부품을 설명한다.
설명할 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지(1)의 제1 부품은 집전체(11)이다.
집전체(11)는 전기 전도성 재료로 형성되며, 위에서 설명한 바와 같이, 그 하나의 표면(예를 들면, 제1 표면) 상에 정극층 및 그 다른 표면(예를 들면, 제2 표면) 상에 부극층을 갖는다. 최외곽 위치에 배치되는 집전체(11)에는 발전 요소의 내부 대향측만의 전극(정극 또는 부극)이 형성된다. 집전체(11)의 크기는 전지의 용도에 따라 결정된다. 예를 들면, 고에너지 밀도를 요구하는 대형 전지에는 큰 영역 크기를 갖는 집전체(11)를 사용할 수 있다.
집전체(11)용 재료는 전기 전도성을 갖는 물질이기만 하면 특정 물질로 제한되지 않는다. 예를 들면, 금속 및 전기 전도성 고분자가 채용될 수 있다. 재료의 구체적인 예에는 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스 강, 티타늄, 구리 등의 금속 재료가 포함된다. 또한, 니켈과 알루미늄으로 형성된 클래드(clad) 금속, 구리와 알루미늄으로 형성된 클래드 금속 및 위 금속들의 임의의 조합으로 형성된 도금 재료도 사용될 수 있다. 또한, 금속 표면을 알루미늄으로 피복하여 형성되는 호일(foil)도 사용될 수 있다. 위 재료들 중, 전자전도성 및 전지 작동 전위의 관점에서는, 알루미늄 및 구리가 바람직하다.
집전체(11)의 두께는 집전체(11)의 기능이 수행될 수만 있다면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 임의의 실시예에 따른 집전체(11)의 두께는 0.1 내지 100㎛의 범위 내인 것이 바람직하다. 이러한 두께를 갖는 집전체(11)는 복수의 단전지(15)가 적층된 경우에(예를 들면, 몇십 층 또는 100층 이상) 전체로서 전지의 경량화에 기여한다.
또한, 집전체(11)는 전기 전도성 수지로 형성될 수 있다. 집전체(11)에 사용가능한 전기 전도성 수지는, 예를 들면, 집전체 내에 형성되는 전기 전도성을 갖는 수지층의 모양일 수 있다. 전기 전도성을 갖는 수지층은 특정 형태로 제공된다. 수지층의 한 형태는 수지 재료 및 전기 전도성 재료(전기 전도성 필러)를 포함할 수 있다. 수지층의 다른 형태는 수지를 위한 고분자 재료로서 전기 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 수지 재료 및 전기 전도성 재료를 선택하는 관점에서 수지 재료 및 전기 전도성 재료를 포함하는 수지층의 형태가 임의의 실시예에서 더욱 바람직하다.
이제, 수지를 위한 고분자 재료로서 전기 전도성 고분자를 포함하는 수지층의 다른 형태를 간략하게 설명한다. 전기 전도성 고분자는 전기 전도성을 가지지만, 전하 운반 매체로 사용되는 이온에는 전도성을 가지지 않는 재료에서 선택될 수 있다. 전기 전도성 고분자는 짝폴리엔계(conjugated polyene)로 형성된 그 에너지 밴드 때문에 전도성을 나타내는 것으로 여겨진다. 폴리엔계 전기 전도성 고분자의 전형적인 예에는 요즘 전해 커패시터(electrolytic capacitor)에 실제로 사용되고 있는 것들을 포함한다. 바람직한 폴리엔계 전기 전도성 고분자의 구체적인 예로는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리옥사디아졸(polyoxadiazole) 및 이들 중합체의 혼합물이 포함된다. 전자 전도성 및 전지 내의 안정적인 사용의 관점에서, 이들 중합체 중, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리아세틸렌이 더욱 바람직하다.
다음으로, 수지 및 전기 전도성 재료를 포함하는 하나의 예시적인 수지층에 대해 설명한다. 전기 전도성 재료(전기 전도성 필러)는 전기 전도성을 갖는 재료로부터 선택될 수 있다. 필수적이지는 않지만, 전기 전도성을 갖는 수지층 내의 이온 투과 억제의 관점에서, 전하 운반 매체로 사용될 수 있는 이온에 전도성을 갖지 않는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
전기 전도성 재료의 특정한 예는 알루미늄 재료, 스테인리스 강(SUS) 재료, 흑연 및 카본 블랙과 같은 카본 재료, 은 재료, 금 재료, 구리 재료 및 티타늄 재료이지만, 전기 전도성 재료는 특별히 이것들로 한정되지 않는다. 이러한 전기 전도성 재료는 단독 또는 그것들을 2 이상 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 전기 전도성 재료는 그것들의 합금 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 전기 전도성 재료 중에서, 은 재료, 금 재료, 알루미늄 재료, 스테인리스 강 재료(SUS) 및 카본 재료가 바람직하며, 카본 재료가 더욱 바람직하다. 또한, 전기 전도성 재료는 위에서 설명한 전기 전도성 재료로 도금 등에 의해 코팅한 입자계 세라믹 재료 또는 수지 재료일 수 있다.
전기 전도성 재료의 형상(형태)은 입자 형태일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 전기 전도성 재료의 형상은 카본 나노튜브와 같은, 소위, 필러계 전기 전도성 수지 조성물로 실제 사용되고 있는 입자 형태 이외의 형태일 수도 있다.
카본 블랙이나 흑연 이외의 카본 재료의 예로는 카본 섬유나 c/c 복합물(즉, 흑연 및 카본 섬유의 혼합물)이 있다. 카본 블랙 및 흑연과 같은 카본 입자는 우수한 전기 전도도뿐만 아니라, 정극 전위 및 부극 전위 둘 다에 넓은 범위에 걸쳐서 훌륭한 안정성을 보이며 매우 넓은 전위창(potential window)을 갖는다. 또한, 카본 입자는 상당히 가벼워서, 전지의 질량 증가의 최소화에 기여한다. 또한, 카본 입자는 전극의 전기 전도성을 향상시키는 보조 역할을 전기적으로 수행하기 위해 통상 사용되는 경향이 있다. 따라서, 전극을 전기 전도 보조제(electrically conducting assistant)로서의 카본 입자에 접촉하여도, 전극과 전기 전도 보조제가 동일한 재료로 형성되었기 때문에, 전극과 전기 전도 보조제 사이에 야기되는 접촉 저항이 상당히 감소될 수 있다. 카본 입자를 전기 전도성 입자로 사용하는 경우에는, 카본 입자의 표면에 소수성 처리를 하여 전해질과의 친화성을 감소시켜서, 집전체의 세공에 전해질이 쉽게 주입되는 것을 방지할 수 있다.
전기 전도성 재료의 평균 입자 직경은 특별히 한정되지 않으나, 약 0.01 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 "입자 직경"이라는 용어는 전기 전도성 재료의 윤곽선 상의 두 지점 사이의 거리 중 최대 거리(L)를 의미한다. "평균 입자 직경"으로는, 주사형 전자 현미경(SEM), 투과형 전자 현미경(TEM) 등과 같은 관찰 수단을 사용하여, 시야의 수 내지 수십 필드로 관찰되는 입자의 입자 직경의 평균치로 산출된 값을 채용한다. 후술하는 활 물질 입자의 입자 직경 및 평균 입자 직경도 동일한 방식으로 정의될 수 있다.
또한, 수지층이 전기 전도성 재료를 포함하는 형태의 경우, 수지층을 형성하는 수지는 전기 전도성 재료에 더해서, 전기 전도성 재료를 결속하며 전기 전도성을 갖지 않는 고분자 재료를 포함할 수 있다. 수지층의 구성 재료로 고분자 재료를 사용함으로써, 전기 전도성 재료의 포박성을 향상시켜서, 전지의 신뢰성을 높일 수 있다. 고분자 재료는 집전체에 인가되는 정극 전위 및 부극 전위를 견디어낼 수 있는 재료에서 선택될 수 있다.
고분자재료의 예로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르 니트릴(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸 아크릴레이트(PMA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF), 에폭시 수지 및 이들의 혼합물이 있다. 이들 재료는 매우 넓은 전위창을 가지며, 정극 전위, 부극 전위 둘 다에 대하여 안정성을 나타낸다. 또한, 이 재료들은 경량이어서, 전지의 고출력 밀도화를 가능하게 해준다.
수지층에 존재하는 전기 전도성 재료의 비율은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 고분자 재료 및 전기 전도성 재료의 총 질량에 대하여 1 내지 30％의 질량일 수 있다. 충분한 양의 전기 전도성 재료의 존재로 인해, 수지층의 전기 전도성이 충분히 확보될 수 있다.
수지층은 전기 전도성 재료 및 수지 이외의 첨가제를 포함할 수도 있으나, 전기 전도성 재료 및 수지만으로 이루어진 수지층이 바람직하다.
수지층은 종래의 공지된 방법, 예를 들면, 스프레이 또는 코팅에 의해 제조될 수 있다. 구체적으로, 고분자 재료를 포함하는 슬러리를 마련한 후, 슬러리를 도포하고 경화시켜서 형성될 수 있다. 슬러리의 마련을 위해 사용되는 고분자 재료의 구체적인 형태는 위에서 설명한 바와 같으므로, 여기에서는 설명을 생략한다. 슬러리에 포함될 수 있는 다른 성분은 전기 전도성 재료이다. 전기 전도성 재료의 구체적인 예는 위에서 설명한 것이며, 여기서는 설명을 생략한다. 이와 달리, 수지층은 고분자 재료, 전기 전도성 입자 및 그 밖의 첨가제를 종래 공지된 방법으로 혼합한 후 얻어진 혼합물을 필름으로 주조하여 얻을 수도 있다. 또한, 예를 들면, 수지층은 일본 특허 출원 공개 제2006-190649호에 기재된 바와 같은 잉크젯 프린팅 방식으로 제작될 수 있다.
집전체의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 가능한 한 얇지만 전지의 출력 밀도를 증가시키기에 충분할 정도의 두께가 바람직하다. 쌍극형 이차 전지에서, 정극 및 부극의 사이에 존재하는 수지 집전체는 적층 방향에 수평한 방향으로 높은 전기 저항을 가질 수 있다. 따라서, 집전체의 두께를 줄일 수 있다. 구체적으로, 임의의 실시예에서 집전체의 두께는 0.1 내지 150㎛이며, 다른 실시예에서는 10 내지 100㎛인 것이 더 바람직하다.
다음으로 설명할 것은 쌍극형 이차 전지(1)의 제1 실시예의 정극층(12) 및 부극층(13)이다.
정극층(12) 및 부극층(13)은 각각 활 물질을 포함하며, 필요에 따라 다른 첨가제를 더 포함한다.
정극 활 물질의 예로는 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, Li(Ni-Co-Mn)O2 및 변이 금속의 일부가 다른 원소에 의해 치환된 리튬-변이 금속 복합 산화물, 리튬 및 변이 금속을 포함하는 인산 화합물, 리튬 및 변이 금속을 포함하는 황산 화합물 등이 있다. 이러한 정극 활 물질은 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다. 이들 정극 활 물질 중에서, 리튬-변이 금속 복합 산화물이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 다른 정극 활 물질이 사용될 수도 있다.
부극 활 물질의 예로는 흑연, 소프트 카본, 하드 카본과 같은 카본 재료, 리튬-변이 금속 복합 산화물(예를 들면, Li4Ti5O12), 금속 재료 및 리튬-금속 합금 재료가 있다. 이러한 부극 활 물질은 이들의 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다. 이러한 부극 활 물질 중에서, 카본 재료와 리튬-변이 금속 복합 산화물이 바람직하다. 본 발명에서는 다른 부극 활 물질이 사용될 수도 있다.
또한, 첨가제의 예에는 바인더(binder), 전기 전도 보조제, 전해질 염(리튬 염), 이온-전도성 폴리머가 있다.
전기 전도 보조제는 정극 활 물질 또는 부극 활 물질의 전기 전도성을 향상시키기 위한 첨가물이다. 전기 전도 보조제로서는, 예를 들면, 아세틸렌 블랙과 같은 카본 블랙, 흑연, 기상성장(vapor-phase epitaxy) 카본 섬유 등의 카본 재료를 포함할 수 있다. 활 물질층이 전기 전도 보조제를 포함하면, 활 물질층 내에서 전자 네트워크가 효과적으로 형성될 수 있어서, 전지의 출력 특성 향상에 기여할 수 있다.
전해질 염(리튬 염)의 예로는 Li(C2F5SO2)2N, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6 및 LiCF3SO3이 있다.
이온 전도성 폴리머의 예로는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)계 폴리머 및 폴리프로필렌 옥사이드(PPO)계 폴리머가 있다.
정극 활 물질 및 부극 활 물질이 포함된 성분의 비율은 특별히 한정되지 않는다. 비율은 소수성 용매 이차 전지에 관한 종래의 공지된 발견을 적절히 참조하여 조정될 수 있다.
각각의 정 및 부극 활 물질의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 전지에 관한 종래의 공지된 발견을 적절히 참조하여 조정될 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 제1 실시예에 따른 쌍극형 이차 전지(1)의 세 번째 부품은 세퍼레이터(14)이다.
세퍼레이터(14)는, 예를 들면, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀으로 이루어진 미세 다공막일 수 있다. 세퍼레이터(14)는 액체 전해질에 함침되어 있다.
액체 전해질은 가소제인 유기 용매에 지지 염으로서 리튬 염을 용해시켜 생성될 수 있다. 가소제로 사용가능한 유기 용매의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 등이 있다. 지지 염(리튬 염)의 예로는 LiBETI와 같은 전극 활 물질층에 첨가될 수 있는 화합물이 있다.
액체 전해질과 같은 것에 함침된 세퍼레이터(14) 대신에, 세퍼레이터(14)로 폴리머 전해질 자체가 사용될 수 있다. 폴리머 전해질은 액체 전해질을 포함하는 겔 전해질과, 액체 전해질을 포함하지 않는 진성 폴리머 전해질로 분류된다.
겔 전해질은 이온 전도성 폴리머로 이루어진 매트릭스 폴리머에 액체 전해질이 주입된 구성을 갖는다. 매트릭스 폴리머로 사용되는 이온 전도성 폴리머의 예로는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌 옥사이드(PPO) 및 이들의 공중합체가 있다. 이러한 폴리알킬렌 옥사이드계 폴리머에는 리튬 염과 같은 전해질 염이 잘 용해된다.
전해질 층이 액체 전해질 및 겔 전해질로 형성되면, 세퍼레이터(14)로 전해질 층이 사용될 수 있다. 이 경우, 세퍼레이터(14)의 구체적인 형태는, 예를 들면, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀으로 이루어진 미세 다공막일 수 있다.
진성 폴리머 전해질은 위에서 설명한 바와 같이 가소제로서 유기 용매를 포함하지 않고 매트릭스 폴리머에 지지 염(리튬 염)이 용해되는 구성을 갖는다. 따라서, 전해질 층이 진성 폴리머 전해질로 형성된 경우, 전지로부터의 액체 누설이 방지될 수 있어서, 전지의 신뢰성이 향상될 수 있다.
겔 전해질 또는 진성 폴리머 전해질의 매트릭스 폴리머는 가교 구조를 형성함으로써, 세퍼레이터에 우수한 기계적 강도를 준다. 가교 구조는 적절한 중합 개시제가 있는 상태에서 고분자 전해질을 형성하기 위한 중합성 폴리머(예를 들면, PEO나 PPO)에 열 중합, 자외선 중합, 방사선 중합 및 전자선 중합과 같은 중합 처리를 하여 형성될 수 있다.
다음으로는, 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지를 이용한 조전지를 설명한다.
조전지(300)는 복수의 쌍극형 이차 전지(1)를 직렬 또는 병렬로 전기 접속하여 형성된 복수의 탈착/부착가능한 소형 조전지(250)를 포함한다. 고체적 에너지 밀도와 고체적 출력 밀도를 갖는 조전지(300)는 소형 조전지(250)를 직렬 또는 병렬로 전기 접속하여 형성된다. 이러한 조전지(300)는 차량 구동용 전원 및 보조 전원에 적합한 대용량 및 대출력을 갖도록 구성될 수 있다.
소형 조전지(250)는 버스 바(bus bar)와 같은 전기적인 접속 수단을 통해 서로 전기 접속되어 있으며, 접속 지그(310, connecting jig)를 써서 다중층을 형성하도록 적층된다. 사용되는 소형 조전지(250)의 개수는 전지를 탑재한 차량(예를 들어, 전기 자동차)에 요구되는 바와 같은 전지 용량 및 출력에 따라 결정될 수 있다.
본 실시예의 조전지(300)는 조전지(300)를 구성하는 각각의 쌍극형 이차 전지(1)도 우수한 내구성을 갖기 때문에 내구성이 우수하다. 따라서, 탈착/부착가능한 소형 조전지(250) 또는 조전지(250) 내의 각각의 쌍극형 이차 전지(1)의 오작동 발생으로 인한 교환 빈도가 적어질 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하여 조전지를 탑재한 차량을 설명한다.
전기 자동차(400)는 차체 중앙부의 좌석 아래에 설치되고, 그 모터를 위한 전원으로 사용하는 조전지(300)를 탑재한다. 조전지(300)를 좌석 아래에 설치하여서, 차량(400)의 내부 공간 및 트렁크 룸을 넓게 할 수 있다. 조전지(300)의 설치 장소는 좌석 아래로 한정되지 않으며, 차량(400) 후방부의 트렁크 룸 하부 또는 차량(400) 전방의 엔진 룸일 수도 있다.
조전지(300)를 구성하는 쌍극형 이차 전지(1)가 우수한 내구성을 가지므로, 조전지(300)를 사용하는 전기 자동차(400)는 장기간 사용되어도 충분한 출력을 제공할 수 있다. 특히, 쌍극형 이차 전지(1)는 진동으로 인한 내부 단락에 저항하도록 구성되어있다. 따라서, 쌍극형 이차 전지(1)는 차량에 적용되기에 최적이다.
쌍극형 이차 전지(1) 또는 조전지(300)는, 예를 들면, 가솔린을 사용하지 않는 순수한 전기 자동차, 직렬 하이브리드 자동차 및 병렬 하이브리드 자동차와 같은 하이브리드 자동차 및 모터에 의해 차륜을 구동하는 연료 전지 자동차와 같은 모터 구동 차량 등의 차량의 모터 전원으로 사용될 수 있다. 또한, 쌍극형 이차 전지(1) 또는 조전지(300)는 이륜 차량(오토바이), 삼륜 차량 또는 전동차와 같은 이동 유닛의 다양한 전원 또는 이차 전지로 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예의 쌍극형 이차 전지(1) 또는 조전지(300)는 무정전전원장치 등의 장착 전원으로 이용할 수도 있다.
도 8a, 도 8b 및 도 9를 참조하여 본 발명의 제2 실시예의 쌍극형 이차 전지에 사용되는 쌍극형 전극을 설명한다. 도 9는 쌍극형 전극만을 도시하고, 다른 구성 요소는 생략되었지만, 쌍극형 이차 전지의 전체 구성은 도 1에 도시한 바와 동일하다.
도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 제2 실시예의 쌍극형 이차 전지의 쌍극형 전극(20)은 정극층(12) 및 부극층(13)의 도포 개시 위치에 각각 형성된 돌출부(12a, 13a)가 집전체(11)의 대향 표면상의 집전체(11)의 대향 주연 단부에 위치되도록 구성된다. 즉, 정극 활 물질의 슬러리 도포는 집전체(11)의 하나의 주연 단부로부터 개시된다. 이어서, 집전체(11)의 제2 표면상의 부극 활 물질의 슬러리 도포는 정극 활 물질의 슬러리가 시작되는 집전체(11)의 주연 단부에 대향하는 집전체(11)의 타 주연 단부로부터 개시된다. 따라서, 쌍극형 전극(20)이 형성된다.
도 9에 도시한 바와 같이, 도포 개시 위치에 각각 형성된 돌출부(12a, 13a)는 정극층(12) 및 부극층(13)이 세퍼레이터(14)를 따라 서로 대향되도록 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 통해 서로 쌍극형 전극(20)을 적층하여 제1 실시예와 유사하게 서로 정렬되는 것이 방지될 수 있다(도 8a참조).
따라서, 제1 실시예와 유사하게, 단전지(15) 내의 세퍼레이터(14)가 국소 압력을 받는 것을 방지하여서 단전지(15) 내의 내부 단락의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 정극층(12)의 돌출부(12a) 및 부극층(13)의 돌출부(13a)는 정 및 부극층(12, 13) 사이에 배치된 집전체(11)의 대향측에 위치되며, 서로 정렬되지 않게 위치된다. 이러한 구성에 의해, 집전체(11)는 국소 압력을 받는 것이 방지될 수 있으므로, 쌍극형 전극(20) 내의 내부 단락의 발생이 방지될 수 있다.
제2 실시예의 쌍극형 이차 전지의 제조 방법은 제1 실시예의 것과 구조가 다른 쌍극형 전극(20)을 마련하는 단계를 제외하고는 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지의 제조 방법과 동일하다. 또한, 라미네이트 시트(52)의 시일 및 전극 탭(53, 54)의 인출은 제1 실시예에서와 동일한 방식으로 수행된다.
또한, 제2 실시예에서 사용되는 각각의 부품의 재료는 위에서 설명한 바와 같은 제1 실시예의 것과 동일할 수 있다. 제2 실시예의 쌍극형 이차 전지도 조전지를 구성할 수 있으며, 조전지는 차량에 설치될 수 있다. 조전지 및 조전지를 구비한 차량은 제1 실시예와 유사하게, 우수한 내구성을 달성할 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 제3 실시예의 쌍극형 이차 전지를 설명한다. 도 11은 쌍극형 전극만을 도시하고, 본 명세서의 다른 구성 요소는 생략하였지만, 쌍극형 이차 전지의 전체 구성은 도 1에 도시한 바와 대체로 동일하다.
제3 실시예에서, 집전체(11)의 대향 표면에 전극 활 물질의 슬러리를 도포하여 정극층(12) 및 부극층(13) 상의 도포 개시 위치에 각각 형성된 돌출부(12a, 13a)는 평면도에서 서로 수직으로 연장되는 집전체(11)의 제1 및 제2 표면의 측 주연 상에 위치된다.
구체적으로, 정극층(12)의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a)가 집전체(11)의 제1 표면의 측부 주연(즉, 제1 측)을 따라 제공되면, 부극층(13)의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(13a)는 평면도에서 보았을 때 제1 측과 수직으로 연장되는 집전체(11)의 제2 표면의 측부 주연(즉, 제2 측)을 따라 제공된다.
쌍극형 전극(30)은 도 10에 도시한 바와 같이 정방형으로 형성된 것이 바람직하다. 쌍극형 전극(30)이 정방형을 가지면, 집전체(11)의 제1 및 제2 표면의 정 및 부극 활 물질의 각각의 슬러리의 도포가 개시되는 도포 개시 위치가 서로에 대해서 90도만큼 각도가 오프셋된 위치에 위치될 수 있다. 따라서, 동일 크기의 슬릿 노즐이 사용될 수 있어서 쌍극형 전극(30)의 제조가 용이해진다. 서로 크기(즉, 슬릿의 폭)가 다른 슬릿 노즐이 사용되면, 쌍극형 전극(30)의 형상은 직사각형일 수도 있다.
도 11에 도시한 바와 같이, 쌍극형 전극(30)은 정극층(12)과 부극층(13)이 세퍼레이터(14)의 대향측에 서로 대향되도록 서로 적층된다. 따라서, 서로 수직으로 연장되는 세퍼레이터(14)의 측부 주연에 위치된 돌출부(12a, 13a)를 갖는 정 및 부극층(12, 13)을 포함하는 쌍극형 이차 전지가 제공된다. 즉, 정극층(12)의 돌출부(12a)와 부극층(13)의 돌출부(13a)가 세퍼레이터(14)의 대향 표면에 배치되고, 서로에 대해 90도만큼 각도가 오프셋된 위치에 위치된다. 또한, 정극층(12)의 돌출부(12a)와 부극층(13)의 돌출부(13a)는 서로에 대해 180도만큼 각도가 오프셋된 위치에 위치될 수도 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 정극층(12) 및 부극층(13)을 형성하기 위해 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a, 13a)는 서로 수직인 다른 위치의 돌출부(12a, 13a)를 제공함으로써 세퍼레이터(14)의 대향측 상에 서로 정렬되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 제3 실시예에서는, 제1 실시예와 유사하게, 세퍼레이터(14)가 단전지(15) 내에서 국부 압력을 받지 않음으로써 단전지(15)의 내부 단락을 억제할 수 있다. 또한, 제3 실시예서는, 제1 실시예와 유사하게, 정극층(12)의 돌출부(12a) 및 부극층(13)의 돌출부(13a)가 서로 정렬되지 않게 위치된다. 이러한 구성에 의해, 집전체(11)는 국소 압력을 받는 것이 방지되어, 내부 단락이 회피될 수 있다.
제3 실시예의 쌍극형 이차 전지를 제조하는 방법은 제1 실시예에서의 방법과 적층 구조가 다른 쌍극형 전극(30)을 마련하는 단계를 제외하고는 제1 실시예의 쌍극형 이차 전지의 제조 방법과 동일하다. 또한, 라미네이트 시트(52)의 시일 및 전극 탭(53, 54)의 인출은 제1 실시예에서와 동일한 방식으로 수행된다. 제3 실시예에서 사용되는 각각의 부품의 재료는 위에서 설명한 제1 실시예에서의 것과 동일하다. 결국, 제1 실시예와 유사하게, 제3 실시예의 쌍극형 이차 전지는 조전지를 구성할 수 있으며, 조전지는 차량에 설치될 수 있다. 조전지 및 조전지를 구비한 차량은 제1 실시예에서와 유사하게, 우수한 내구성을 달성할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명의 제4 실시예의 쌍극형 이차 전지에 사용되는 쌍극형 전극을 설명한다. 도 13은 쌍극형 전극만을 도시하고, 본 명세서의 다른 구성 요소는 생략하였으나, 쌍극형 이차 전지의 전체 구성은 도 1에 도시한 바와 대체로 동일하다.
제4 실시예에서는, 하나의 쌍극형 전극(40)의 정극층(12) 및 부극층(13)의 도포 개시 위치에 각각 형성된 돌출부(12a, 13a)가 서로 정렬되어 위치된다.
도 13에 도시한 바와 같이, 정극층(12)과 부극층(13)이 그들 사이의 세퍼레이터(14)를 따라 서로 대향되도록 쌍극형 전극(40)이 서로 적층되면, 적층 방향으로 서로 인접한 쌍극형 전극(40)은 인접한 쌍극형 전극(40) 중 하나의 돌출부(12a)가 세퍼레이터(14)의 일 표면의 하나의 주연 단부에 위치되고 인접한 쌍극형 전극(40)의 다른 쪽의 돌출부(13a)는 세퍼레이터(14)의 대향 표면의 타 주연 단부에 위치되도록 수평 방향으로 교호 배열된다.
제4 실시예의 쌍극형 이차 전지의 위 구조로, 세퍼레이터(14)의 길이를 따라 서로 대향되는 정극층(12)의 돌출부(12a) 및 부극층(13)의 돌출부(13a)가 서로 정렬되는 것이 방지된다.
제4 실시예의 쌍극형 이차 전지의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 쌍극형 전극(40)은 정극층(12) 및 부극층(13)을 형성하는 동일한 도포 개시 위치에서 전극 활 물질의 슬러리를 도포 개시함으로써 마련된다. 따라서, 마련된 쌍극형 전극(40)은 그 수평 방향으로 교호 배열되어서 그들 사이에 세퍼레이터(14)를 개재하도록 서로 적층된다. 즉, 교호 쌍극형 전극은 도포 개시 위치가 적층 방향으로 교호 배치되도록 180도 회전된다.
이어서, 제1 실시예와 유사하게, 시일 부재(51)가 각각의 단전지(15)의 외주연에 끼워지고, 전극 탭(53, 54)이 인출된다. 그 후, 적층된 본체는 라미네이트 시트(52)로 시일된다.
이렇게 제작된 제4 실시예의 쌍극형 이차 전지에서, 정극층(12) 및 부극층(13)의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a, 13a)는 돌출부(12a, 13a)가 서로 세퍼레이터(14)와 대향될 때 서로 정렬되는 것이 방지된다. 이러한 구성에 의해, 제1 실시예와 유사하게, 돌출부(12a, 13a)는 단전지(15)의 내부 단락의 발생이 억제될 수 있도록 세퍼레이터(14)의 국부 압력이 방지될 수 있다.
또한, 제4 실시예에서 사용되는 각각의 부품의 재료는 위에서 설명한 바와 같은 제1 실시예에서의 재료와 동일할 수 있다. 제1 실시예와 유사하게, 제4 실시예의 쌍극형 이차 전지는 조전지를 구성할 수 있으며, 조전지는 차량에 설치될 수 있다. 조전지 및 조전지를 구비한 차량은 제1 실시예에서와 유사하게, 우수한 내구성을 달성할 수 있다.
도 13에는 직사각형을 갖는 쌍극형 전극(40)을 도시하였지만, 쌍극형 전극(40)은 정방형으로 형성될 수도 있다. 쌍극형 전극(40)이 정방형을 가질 경우에는, 도 14에 도시한 바와 같이, 쌍극형 전극(40)은 인접한 쌍극형 전극(40) 중 하나의 정극층(12) 및 부극층(13)의 도포 개시 위치에 형성된 돌출부(12a, 13a)가 인접한 쌍극형 전극(40)의 다른 쪽의 돌출부(12a, 13a)로부터 90도 만큼 각도가 오프셋되게 위치되도록 서로 적층될 수 있다. 이러한 경우라도, 돌출부(12a, 13a)는 돌출부(12a, 13a)가 그들 사이의 세퍼레이터(14)와 서로 대향될 때 서로 정렬되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 도포 개시 위치에 배치된 전극층의 볼록한 단부로 인한 내부 단락의 발생을 억제할 수 있다.
다음으로 설명할 것은 위에서 설명한 실시예에 따른 쌍극형 이차 전지의 예이다. 전지는 이하의 방식으로 제작되며, 이들을 충/방전 사이클 시험 및 진동 시험함으로써 평가되었다.
1) 부극층
부극 슬러리는 소정의 비율로 이하의 재료를 혼합하여 마련된다.
부극 활 물질 : Li4Ti5O12, 85wt%
전기 전도 보조제 : 아세틸렌 블랙, 5wt%
바인더 : PVDF, 10wt%
슬러리 점도 조정 용매 : NMP
마련된 부극 슬러리는 집전체로서의 SUS 호일(두께 : 20㎛)의 한 표면에 도포된 후 건조되어서 부극층을 형성한다. 도포 및 건조 후의 부극층을 관찰한 결과, 슬러리의 도포가 시작된 위치에 부극층의 볼록부가 형성되었음이 확인되었다.
2) 정극층
정극 슬러리는 이하의 재료를 소정의 비율로 혼합하여 마련된다.
정극 활 물질 : LiMn2O4, 85wt%
전기 전도 보조제 : 아세틸렌 블랙, 5wt%
바인더 : PVDF, 10wt%
슬러리 점도 조정 용매 : NMP
마련된 부극 슬러리는 부극층이 형성된 SUS 호일의 대향 표면에 도포된 후 건조되어서 정극층을 형성한다. 도포 및 건조 후의 정극층을 관찰한 결과, 정극층의 볼록부가 슬러리의 도포가 개시된 위치에 형성되었음이 확인되었다.
따라서, 집전체로서의 SUS 호일의 양 표면에 정극층 및 부극층이 형성된 쌍극형 전극이 제작되었다. 쌍극형 전극은 정방형을 가졌다.
3) 세퍼레이터
전해질을 함유하는 세퍼레이터로서, 겔 전해질이 사용되었다.
세퍼레이터로서의 겔 전해질이 이하와 같이 마련된다. 폴리프로필렌으로 형성된 50㎛ 두께의 부직포는 7500 내지 9000의 평균 분자량을 갖는 이온 전도성 고분자 매트릭스의 전구체인 5wt% 모노머 용액(폴리에틸렌 옥사이드와 폴리프로필렌 옥사이드의 공중합체)、95wt% 전해액[EC+DＭC(1:3)], 1.0M LiBF4 및 중합 개시제(BDK)로 형성된 프리 겔(pre-gel) 용액에 침지된다. 침지된 부직포는 석영 유리 기판 사이에 개재되고, 자외선을 15분 조사하여 전구체를 가교시켜서, 겔 폴리머 전해질 층을 얻었다.
4) 적층 단계
전해질을 보유한 부직포는 쌍극형 전극의 부극에 위치된 후, 3층 구조 핫 멜트 코팅(hot melt coating)이 부직포의 외주연 주위에 형성되어 시일 부재로 이용된다. 이렇게 시일 부재를 구비하여 마련된 세퍼레이터 및 쌍극형 전극 모두는 5층 구조를 형성하여 적층되며, 시일 부재는 상하로부터 열과 압력에 의해 용융되어 각각의 층을 시일한다.
이어서, 적층체는 라미네이트 팩으로 시일되었다. 따라서, 쌍극형 이차 전지가 제작되었다.
실시예 1
각각의 쌍극형 전극의 마련시에, 정극 슬러리는 집전체의 후방 표면에 도포된 부극과 비교하여 결과적인 정극의 크기를 수직 방향 및 측 방향이 2.5mm까지 줄일 수 있도록 집전체의 전방 표면에 도포되었다.
실시예 2
각각의 쌍극형 전극의 마련시에, 정극 슬러리의 도포 및 부극 슬러리의 도포는 서로 정렬된 집전체의 대향 표면상의 위치에서 개시되었다. 마련된 쌍극형 전극은 180도의 각도만큼 이들을 교호 회전시켜서 서로 적층되었다.
실시예 3
각각의 쌍극형 전극의 마련시에, 정극 슬러리가 도포된 후, 부극 슬러리는 그 도포 개시 위치가 앞서 도포된 정극 슬러리의 도포 종료 위치의 일측에 배치되도록 도포되었다.
비교예 1
각각의 쌍극형 전극의 마련시에, 정극 슬러리가 도포된 후, 부극 슬러리는 그 도포 개시 위치가 앞서 도포된 정극 슬러리의 도포 개시 위치의 일측에 배치되도록 도포되었다. 그리고, 정극 슬러리의 도포 개시 위치는 쌍극형 전극 및 세퍼레이터가 적층 위치에 있을 때 서로 개시 위치를 정렬하도록, 그들 사이의 세퍼레이터와 부극 슬러리의 도포 개시 위치가 정렬되었다.
평가는 충/방전 사이클 시험을 이용하여 수행된다. 각각의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 쌍극형 이차 전지를 각각 20개 마련하여 충/방전 사이클 시험을 행했다. 시험의 한 사이클은 쌍극형 이차 전지를 0.5C의 전류로 13.5V까지 정전류 충전(CC)한 후, 5시간의 총 충전 시간까지 정전압 충전하는 것으로 구성되었다. 이어서, 쌍극형 이차 전지는 7.5V에 도달할 때까지 0.5C 전류로 방전되었다.
실시예 1 내지 실시예 3의 쌍극형 이차 전지, 즉, 전극층(도포 단부)의 단부에 형성된 각각의 볼록부가 세퍼레이터를 따라 서로 정렬되지 않은 쌍극형 이차 전지는 내부 단락을 겪는 것이 방지되었고, 충/방전 사이클 시험의 사이클 수가 50번을 넘어도 양호한 사이클 특성을 나타내며 적절한 전압을 유지하였다.
비교예 1에서 얻어진 20개의 쌍극형 이차 전지 중 6개의 쌍극형 이차 전지는 최초 충전시 또는 수회의 충전시에 전극층의 단부(도포 단부)에서 단락이 일어나, 전지 전압이 현저하게 저하되었다.
또한, 평가는 진동 시험을 이용하여 수행되었다. 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 각각 20개의 쌍극형 이차 전지로부터 단락을 일으키지 않았던 쌍극형 이차 전지 5개씩이 선택되었으며, 13.5V까지 0.5C 전류로 정전류 충전(CC)을 한 후, 총 충전 시간이 5시간이 될 때까지 정전압 충전을 하였다. 이어서, 5개의 쌍극형 이차 전지에 장시간 동안 진동이 가해진 후, 5개의 쌍극형 이차 전지는 전압 측정을 하여 그 전압 유지율을 측정하였다.
진동 시험은 다음의 시험 조건 하에서 수행되었다. 실시예 1 내지 3 각각의 5개씩의 쌍극형 이차 전지에 200시간 동안 수직 방향으로 진폭이 3mm이고 주파수가 50Hz인 단조 진동을 가하였다. 이어서, 실시예 1 내지 3 각각의 5개씩의 쌍극형 이차 전지는 전지 전압 측정을 하여, 진동 시험 후 그 전압 유지율을 측정하였다.
실시예 1의 5개의 쌍극형 이차 전지의 진동 시험 전 전압 평균은 13.47V였으나, 진동 시험 후의 실시예 1의 5개의 쌍극형 이차 전지의 전압 평균은 13.33V였다. 따라서, 실시예 1의 5개의 쌍극형 이차 전지의 평균 전압 유지율은 98.96%였다.
실시예 2의 5개의 쌍극형 이차 전지의 진동 시험 전 전압 평균은 13.48V였으나, 진동 시험 후의 실시예 2의 5개의 쌍극형 이차 전지의 전압 평균은 13.21V였다. 따라서, 실시예 2의 5개의 쌍극형 이차 전지의 평균 전압 유지율은 98.00%였다.
실시예 3의 5개의 쌍극형 이차 전지의 진동 시험 전 전압 평균은 13.46V였으나, 진동 시험 후의 실시예 2의 5개의 쌍극형 이차 전지의 전압 평균은 13.18V였다. 따라서, 실시예 3의 5개의 쌍극형 이차 전지의 평균 전압 유지율은 97.92%였다.
비교예 1의 5개의 쌍극형 이차 전지의 진동 시험 전 전압 평균은 13.46V였으나, 진동 시험 후의 비교예 1의 5개의 쌍극형 이차 전지의 전압 평균은 12.23V였다. 따라서, 비교예 1의 5개의 쌍극형 이차 전지의 평균 전압 유지율은 90.86%였다.
진동 시험의 위 결과들로부터, 실시예 1 내지 3의 쌍극형 이차 전지가 진동에 대하여 강한 저항을 가지며, 우수한 내구성을 가짐을 알 수 있었다.
위 시험 결과가 표 1에 나타내고 열거된다.
Figure 112011021607530-pct00001
실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 각각의 위 시험 결과로부터, 본 발명의 쌍극형 이차 전지의 실시예는 충/방전 사이클 특성뿐만 아니라, 그들의 진동 저항도 향상될 수 있음을 알았다.
위에서 설명한 실시예 및 예는 이하의 효과를 나타낼 수 있다.
그들 사이의 세퍼레이터(14)와 서로 대향되는 정극층(12)과 부극층(13)은 서로 상이한 위치에 배치되어(즉, 서로 정렬되지 않음) 전극 활 물질의 도포가 개시되는 단부를 갖는다. 이러한 구성에 의해, 전극 활 물질의 도포시에 정전극(12) 및 부전극(13)의 단부에 볼록부(즉, 돌출부)가 형성되어도, 세퍼레이터(14)가 정 및 부극층(12, 13)의 볼록부에 의해 국부적으로 가압되는 것이 방지될 수 있어서, 단부 내의 내부 단락의 발생이 억제될 수 있으므로, 세퍼레이터(14)의 내구성 및 이러한 구성 요소를 포함하는 임의의 전지의 내구성이 향상된다.
또한, 정극층(12)과 부극층(13)의 도포 개시 위치는 단일 집전체(11)에 대하여 서로 오프셋되므로, 전지 제조시에 쌍극형 전극(10)의 배향을 고려할 필요가 없다. 또한, 정극층(12)과 부극층(13)의 단부에 형성된 볼록부는 약 2mm 이상의 도포 개시 위치의 오프셋량을 설정함으로써 서로 정렬하여 대향되는 것이 확실하게 방지될 수 있다.
또한, 정극층(12)과 부극층(13)을 위한 도포 개시 위치는 단일의 집전체(11)의 대향측에 배치될 수도 있다. 이러한 구성에 의해, 볼록부가 정극층(12)과 부극층(13)의 단부, 즉, 도포 개시 위치에 형성되어도, 세퍼레이터(14)가 볼록부로부터 압력을 받는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 단전지 내의 내부 단락의 발생이 제거되고, 전지의 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 단일의 집전체(11)에 대한 정극층(12)과 부극층(13)을 위한 도포 개시 위치는 서로 수직으로 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 볼록부가 정극층(12)과 부극층(13)의 단부, 즉, 도포 개시 위치에 형성되어도, 세퍼레이터(14)가 볼록부로부터의 압력을 받는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 단전지 내의 내부 단락의 발생이 제거될 수 있고, 단전지에 통합되는 배터리의 내구성이 향상될 수 있다. 특히, 쌍극형 전극(10)이 정방형으로 형성된 경우, 전지 제조시에 쌍극형 전극(10)의 배향을 고려할 필요가 없다.
또한, 서로에 대하여 대향 정렬한 정극층(12) 및 부극층(13)을 갖는 쌍극형 전극(10)을 적층할 시, 쌍극형 전극(10)은 도포 개시 위치에 배치된 정극층(12) 및 부극층(13) 부분이 서로로부터 다른 위치에 있도록 서로로부터 다른 배향 방향으로 교호 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 정극층(12) 및 부극층(13)을 위한 전극 활 물질의 슬러리는 동일한 방식으로 도포될 수 있어서, 쌍극형 이차 전지의 제조를 용이하게 해준다.
부극층(13) 및 정극층(12)은 부극층(13)의 면적이 정극층(12)의 면적보다 크도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 쌍극형 이차 전지의 반복적인 충전 및 방전 사이클로 인한 리튬 덴드라이트의 형성을 억제할 수 있다.
쌍극형 전극(10) 자체에서, 집전체(11)의 대향 표면에 배치된 정극층(12) 및 부극층(13)은 서로로부터 다른 위치에 배치된 단부를 갖는다. 이러한 구성에 의해, 집전체(11)는 정극층(12) 및 부극층(13)의 단부에 배치된 볼록부(돌출부)로부터의 압력 인가를 받는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 볼록부에 의해 집전체(11)에 인가되는 압력이 야기하는 내부 단락의 발생이 억제될 수 있다. 이것은 쌍극형 전극(10)의 내구성 향상을 가져온다.
위에서 본 발명의 실시예 및 예를 설명하였지만, 본 발명은 위의 실시예 및 예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 정극층 및 부극층의 단부는 모든 쌍극형 전극에서 서로 오프셋되어야 할 필요는 없으며, 정극층 및 부극층은 세퍼레이터의 대향측 상의 정극층 및 부극층의 단부가 정렬되지 않게 배열되도록 다른 위치에 교호 위치될 수도 있다.
따라서, 위에서 설명한 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하고자 설명되었으며, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 이와 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항의 범주 내에 포함되는 다양한 변형예 및 등가 구성을 망라하고자 하며, 이러한 범주는 법 하에서 허용되는 한 이러한 모든 변형예 및 등가 구성을 포함하도록 가장 광범위하게 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 쌍극형 이차 전지이며,
    판형 집전체와, 집전체의 제1 표면에 형성된 제1 전극층과, 제1 표면에 대향하는 집전체의 제2 표면에 형성된 제2 전극층을 각각 포함하고, 쌍극형 전극 중 하나의 제1 전극층이 쌍극형 전극 중 인접한 하나의 제2 전극층에 대향하도록 서로 적층된 복수의 쌍극형 전극과,
    인접한 쌍극형 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고,
    각각의 제1 전극층의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나 이상은 돌출부를 갖고,
    각각의 제2 전극층의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나 이상을 돌출부를 가지며,
    상기 제1 전극층의 돌출부의 두께는 제1 전극층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 전극층의 돌출부의 두께는 제2 전극층의 두께보다 두껍고,
    쌍극형 전극 중 하나의 제1 전극층의 돌출부 및 쌍극형 전극 중 인접한 하나의 제2 전극층의 돌출부는 쌍극형 전극이 적층 위치에 있을 때 서로 정렬되지 않은 위치에 배치되는, 쌍극형 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 집전체의 외주연의 부근에 배치되는, 쌍극형 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부는 집전체의 외주연의 제1 측을 따라 배치되고, 제2 전극층의 돌출부는 집전체의 외주연의 제2 측을 따라 배치되는, 쌍극형 이차 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 측 및 제2 측은 집전체의 주연의 동일 측에 있는, 쌍극형 이차 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 직선 형상을 가지며, 집전체의 외주연의 일측 이상과 평행하게 배열되는, 쌍극형 이차 전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 서로로부터 2mm 이상 오프셋된 위치에 배치되는, 쌍극형 이차 전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 집전체의 각각의 표면으로부터의 제1 전극층 또는 제2 전극층의 두께의 10배 이상과, 제1 전극층 또는 제2 전극층의 각각의 최외곽 표면으로부터의 제1 전극층의 돌출부 또는 제2 전극층의 돌출부의 높이의 50배 이상 중 하나 이상만큼 서로로부터 오프셋된 위치에 배치되는, 쌍극형 이차 전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 측 및 제2 측은 집전체의 외주연의 대향측에 있는, 쌍극형 이차 전지.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 외주연의 제1 측 및 제2 측은 서로 수직인, 쌍극형 이차 전지.
  10. 제3항에 있어서, 쌍극형 전극은 정방형을 갖는, 쌍극형 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서, 제1 쌍극형 전극의 각각의 제1 및 제2 전극층의 제1 돌출부 및 제2 돌출부는 서로 정렬되고, 제2 쌍극형 전극의 각각의 제1 및 제2 전극층의 제1 돌출부 및 제2 돌출부는 서로 정렬되며,
    제1 및 제2 쌍극형 전극이 서로 인접한 적층 위치에 있을 때에, 제1 쌍극형 전극의 제1 및 제2 돌출부는 제2 쌍극형 전극의 제1 및 제2 돌출부와 정렬되지 않은, 쌍극형 이차 전지.
  12. 제1항, 제2항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전극층은 정극층이며, 제2 전극층은 부극층이고, 부극층의 표면 면적은 정극층의 표면 면적보다 큰, 쌍극형 이차 전지.
  13. 쌍극형 이차 전지의 제조 방법이며,
    제1 표면 및 제1 표면과 대향하는 제2 표면을 갖는 판형 집전체와, 제1 표면에 형성되고 그 단부에 돌출부를 갖는 제1 전극층과, 집전체의 제2 표면에 형성되고 그 단부에 돌출부를 갖는 제2 전극층을 포함하는 쌍극형 전극을 마련하는 단계와,
    쌍극형 전극 중 하나의 제1 전극층 및 인접한 쌍극형 전극의 제2 전극층이 그들 사이에 세퍼레이터로 서로 대향되며, 쌍극형 전극 중 하나의 제1 전극층의 돌출부 및 인접한 쌍극형 전극의 제2 전극층의 돌출부가 서로 정렬되지 않은 위치에 배치되도록, 복수의 쌍극형 전극을 그들 사이에 세퍼레이터를 배치하여 서로 적층하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전극층의 돌출부의 두께는 제1 전극층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 전극층의 돌출부의 두께는 제2 전극층의 두께보다 두꺼운, 쌍극형 이차 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 쌍극형 전극을 마련하는 단계는,
    집전체의 제1 표면을 따라 제1 전극의 제1 위치로부터 개시되며 제1 전극의 제2 위치에서 종료되는 집전체의 제1 표면에 제1 전극 활 물질을 도포함으로써 제1 전극층을 형성하는 단계와,
    집전체의 제2 표면을 따라 제2 전극의 제2 위치로부터 개시되며 제2 전극의 제2 위치에서 종료되는 집전체의 제2 표면에 제2 전극 활 물질을 도포함으로써 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    제1 전극의 제1 위치의 하나 이상은 제2 전극의 제1 위치로부터 집전체의 길이 방향을 따라 오프셋되고, 제1 전극의 제2 위치는 제2 전극의 제2 위치로부터 오프셋되는, 쌍극형 이차 전지의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 쌍극형 전극을 마련하는 단계는,
    집전체의 제1 표면을 따라 제1 위치로부터 개시하여 집전체의 제1 표면에 제1 전극 활 물질을 도포함으로써 제1 전극층을 형성하는 단계와,
    제2 표면을 따라 제2 위치로부터 개시하여 집전체의 제2 표면에 제2 전극 활 물질을 도포함으로써 제1 및 제2 위치가 서로 정렬되어 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    복수의 전극을 적층하는 단계는 하나의 쌍극형 전극의 제1 및 제2 전극층의 돌출부가 인접한 쌍극형 전극의 제1 및 제2 전극층의 돌출부와 정렬되지 않도록 쌍극형 전극의 배향을 교호시키는 단계를 포함하는 쌍극형 이차 전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서, 쌍극형 전극을 마련하는 단계는,
    집전체의 제1 표면을 따라 제1 전극의 제1 위치에서 개시하고 제1 전극의 제2 위치에서 종료하는 집전체의 제1 표면에 제1 전극 활 물질을 도포함으로써 제1 전극층을 형성하는 단계와,
    제2 표면을 따라 제2 전극의 제1 위치로부터 개시하고 제2 전극의 제2 위치에서 종료하는 집전체의 제2 표면에 제2 전극 활 물질을 도포함으로써 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    제1 전극층의 돌출부는 제1 전극의 제1 위치 및 제1 전극의 제2 위치 중 하나 이상에 위치되며, 제2 전극층의 돌출부는 제2 전극의 제1 위치 및 제2 전극의 제2 위치 중 하나 이상에 위치되는, 쌍극형 이차 전지의 제조 방법.
  17. 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 집전체와,
    집전체의 제1 표면에 형성되고 그 단부에 돌출부를 갖는 제1 전극층과,
    집전체의 제2 표면에 형성되고 그 단부에 돌출부를 갖는 제2 전극층을 포함하고,
    상기 제1 전극층의 돌출부의 두께는 제1 전극층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 전극층의 돌출부의 두께는 제2 전극층의 두께보다 두껍고,
    제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 서로로부터 정렬되지 않은 위치에 배치되는, 쌍극형 전극.
  18. 제17항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 서로로부터 오프셋된 위치에서 집전체의 외주연의 동일 측에 배치되는, 쌍극형 전극.
  19. 제18항에 있어서, 제1 전극층의 돌출부 및 제2 전극층의 돌출부는 집전체의 길이를 따라 2mm 이상 서로로부터 오프셋되어 있는, 쌍극형 전극.
  20. 쌍극형 전극의 제조 방법이며,
    제1 위치로부터 시작하여 집전체의 제1 표면에 제1 전극 활 물질을 도포함으로써, 그 단부에 돌출부를 갖는 제1 전극층을 형성하는 단계와,
    제1 전극 활 물질의 도포가 개시되는 제1 위치에서 오프셋된 제2 위치로부터 시작하여 집전체의 제2 표면에 제2 전극 활 물질을 도포함으로써, 그 단부에 돌출부를 갖는 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전극층의 돌출부의 두께는 제1 전극층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 전극층의 돌출부의 두께는 제2 전극층의 두께보다 두꺼운, 쌍극형 전극의 제조 방법.
  21. 직렬 및 병렬 중의 하나 이상으로 서로 연결되고, 제1항에 따른 복수의 쌍극형 이차 전지를 포함하는, 조전지.
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