KR101345349B1 - 신규한 구조의 전극조립체 - Google Patents

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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 일 단위의 연속적인 전극 시트로 구성되어 있고, 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극; 둘 또는 그 이상의 단위의 전극 시트들로 구성되어 있고, 각각의 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭이 상단에 형성되어 있는 제 2 전극들; 및 제 1 전극과 제 2 전극들 사이에 개재되는 분리막;을 포함하고 있고, 상기 분리막이 개재된 상태에서 제 1 전극의 권취에 의해 제 2 전극들은 제 2 전극의 전극 탭들이 동일한 위치로 배열되며, 상기 제 1 전극의 전극 탭들은 권취 단위의 간격으로 제 1 전극의 상단에 각각 형성되어 있고, 권취된 상태에서 제 1 전극의 전극 탭들은 동일한 위치로 배열되어 있는 전극조립체를 제공한다.

Description

신규한 구조의 전극조립체 {Electrode Assembly of Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 전극조립체로서, 더욱 상세하게는, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극, 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭이 상단에 형성되어 있는 제 2 전극들, 및 제 1 전극과 제 2 전극들 사이에 개재되는 분리막을 포함하고 있고, 상기 분리막이 개재된 상태에서 제 1 전극의 권취에 의해 제 2 전극들은 제 2 전극의 전극 탭들이 동일한 위치로 배열되며, 상기 제 1 전극의 전극 탭들은 권취 단위의 간격으로 제 1 전극의 상단에 각각 형성되어 있고, 권취된 상태에서 제 1 전극의 전극 탭들은 동일한 위치로 배열되어 있는 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
한편, 젤리-롤형 전극조립체는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 음극(10)과 양극(20)의 일측 단부에 음극 활물질(14)과 양극 활물질(24)이 도포되지 않은 음극 무지부(12)와 양극 무지부(22)를 형성한 후, 음극 무지부(12)와 양극 무지부(22)에 음극리드(16)와 양극리드(26)를 권취방향에 대해 수직 방향으로 초음파 용접하고 분리시트(도시하지 않음)가 개재된 상태에서 음극(10)과 양극(20)을 화살표 방향으로 권취하여 제조된다.
그러나, 상기 구조의 젤리-롤형 전극조립체(100)는 음극(10)과 양극(20)의 일측 단부에 음극 무지부(12)와 양극 무지부(22)가 형성되어 있으므로, 동일 규격의 전극조립체와 비교하여 음극 활물질(14)과 양극 활물질(24)이 도포되지 않은 음극 무지부(12)와 양극 무지부(22)의 면적(A, B)만큼 전지 용량이 적어지는 문제점이 있다.
또한, 권취 후에도 음극리드(16) 및 양극리드(26)의 용접부위(C, D)가 외부로 돌출되어 있으므로, 동일 규격의 전극조립체와 비교하여 돌출된 음극리드(16)와 양극리드(26)의 부위만큼 전지 용량이 적어지는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같이 음극 무지부 및 양극 무지부와 음극리드 및 양극리드에 의해 전지용량이 적어지는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 특정 구조의 전극조립체에 대한 기술이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들을 제 1 전극의 상단에 형성하고, 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭을 제 2 전극들의 상단에 각각 형성한 새로운 구조의 전극조립체를 개발하기에 이르렀고, 이러한 전극조립체는 동일 크기의 젤리-롤형 전극조립체와 비교하여 전지용량을 크게 증가시킬 수 있고 더불어 내부 저항을 낮출 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 하나의 바람직한 예에서, 일 단위의 연속적인 전극 시트로 구성되어 있고, 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극;
둘 또는 그 이상의 단위의 전극 시트들로 구성되어 있고, 각각의 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭이 상단에 형성되어 있는 제 2 전극들; 및
제 1 전극과 제 2 전극들 사이에 개재되는 분리막;
을 포함하고 있고,
상기 분리막이 개재된 상태에서 제 1 전극의 권취에 의해 제 2 전극들은 제 2 전극의 전극 탭들이 동일한 위치로 배열되며,
상기 제 1 전극의 전극 탭들은 권취 단위의 간격으로 제 1 전극의 상단에 각각 형성되어 있고, 권취된 상태에서 제 1 전극의 전극 탭들은 동일한 위치로 배열되어 있는 구조의 전극조립체를 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극과 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭이 상단에 형성되어 있는 제 2 전극들이 분리막을 개재한 상태로 권취되어 있는 구조로 이루어져 있으므로, 전극 시트에 전극리드의 장착을 위한 무지부가 형성되어 있는 종래의 전극조립체와 비교하여 무지부의 면적만큼 전지용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 권취된 전극조립체의 상에 전극리드가 위치하지 않으므로, 그만큼 동일 규격 대비 전지용량의 감소를 방지할 수 있다.
상기 전극 탭들은 권취 방향을 기준으로 제 1 전극 및 제 2 전극들로부터 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있으며, 이와는 반대로 하향 돌출된 구조로도 구성될 수 있음은 물론이다.
상기 제 1 전극의 크기는 제 2 전극들의 크기 합보다 큰 구조로 이루어질 수 있고, 이 경우, 제 1 전극은 음극이고 제 2 전극은 양극일 수 있다. 따라서, 리튬 이온의 석출에 의한 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
경우에 따라서는, 이와는 반대로 제 1 전극은 양극이고 제 2 전극은 음극일 수도 있다.
상기 제 1 전극의 전극 탭들은 제 2 전극의 크기와 폴딩 크기의 합의 간격으로 전극 시트의 상단에 형성되어 있는 구조일 수 있다. 그에 따라, 제 1 전극에는 다수의 전극 탭들이 일정한 간격으로 반복적으로 형성된 구조가 만들어지며, 권취된 상태에서 제 1 전극의 전극 탭들은 동일한 위치로 배열되고, 예를 들어, 전극리드 등에 연결되어 외부 입출력 단자에 접속될 수 있다.
또 다른 바람직한 예로서, 본 발명의 전극조립체는,
일 단위의 연속적인 전극 시트로 구성되어 있고, 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극;
일 단위의 연속적인 전극 시트로 구성되어 있고, 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 2 전극;
제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재되는 분리막;
을 포함하고 있고,
상기 분리막이 개재된 상태에서 권취된 제 1 전극과 제 2 전극에서,
상기 제 1 전극의 전극 탭들은 권취 단위의 간격으로 제 1 전극의 상단에서 동일한 위치에 배열되도록 각각 형성되어 있고,
상기 제 2 전극의 전극 탭들은 권취 단위의 간격으로 제 2 전극의 상단에서 동일한 위치에 배열되도록 각각 형성되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극과 제 2 전극이 분리막을 개재한 상태로 권취되어 있는 구조로 이루어져 있으므로, 전극 시트에 전극리드의 장착을 위한 무지부가 형성되어 있고 그에 따라 권취된 전극조립체 상에 전극리드가 위치하는 종래의 전극조립체와 비교하여 동일 규격 대비 전지용량을 증가시킬 수 있다.
상기 전극 탭들은 권취 방향을 기준으로 제 1 전극 및 제 2 전극으로부터 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있으며, 이와는 반대로 하향 돌출된 구조로도 구성될 수 있음은 물론이다.
상기 제 1 전극의 크기는 제 2 전극의 크기보다 큰 구조로 이루어질 수 있고, 이 경우, 제 1 전극은 음극이고 제 2 전극은 양극일 수 있다. 따라서, 리튬 이온의 석출에 의한 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
경우에 따라서는, 이와는 반대로 제 1 전극은 양극이고 제 2 전극은 음극일 수도 있다.
한편, 권취된 상태에서 제 1 전극의 전극 탭들은 제 2 전극의 전극 탭들에 대해 대향 방향에 위치되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 권취된 전극조립체의 대향하는 위치, 예를 들어, 전극조립체 상단의 일측 단부에 인접한 부위에 제 1 전극의 전극 탭들이 위치하고 그것의 대향측 단부에 인접한 부위에 제 2 전극의 전극 탭들이 위치할 수 있다.
이상의 실시예들에서, 긴 길이의 전극시트 상에 다수의 전극 탭들이 형성되어 있는 경우에는, 전극시트의 각 부위로부터 외부입출력 단자에 이르는 경로 상에서 내부 저항을 감소시켜, 예를 들어, 고출력 전지에서 우수한 효과를 발휘하는 효과도 있다.
본 발명은 또한 상기 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀을 제공하는 바, 이러한 전기화학 셀의 대표적인 예로는 이차전지와 캐패시터를 들 수 있다.
이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 특히 전지케이스의 기계적 강성이 작아 낙하 또는 외부 충격의 인가시 변형이 쉽게 일어날 수 있는 판상형의 전지케이스를 사용하는 이차전지에 본 발명에 따른 전극조립체가 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 이차전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지가 바람직하며, 그 중에서도 전해액의 누액 가능성이 적고, 중량 및 제조비용이 적으며, 다양한 형태로의 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 이차전지가 더욱 바람직하다. 리튬 이차전지의 기타 구성요소들 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있는 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들을 제 1 전극의 상단에 형성함으로써, 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭을 제 2 전극들의 상단에 각각 형성하는 경우, 무지부가 형성되어 있는 전극조립체와 비교하여 전지용량을 크게 증가하고 하나의 전극 탭을 사용하는 경우와 비교하여 내부 저항을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 젤리-롤형 전극조립체의 제조과정을 나타내는 모식도들이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 6 및 도 7은 도 4 및 도 5의 전극조립체를 권취한 후의 제조과정을 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 도 6 및 도 7과 함께 참조하면, 전극조립체(100a)는 음극(10a)과 양극들(20a)이 분리막(도시하지 않음)이 개재된 상태에서 음극(10a)의 권취에 의해 양극들(20a)은 양극 탭들(40)이 동일한 위치로 배열되어 있다.
또한, 음극 탭들(30)은 권취 단위의 간격(L)으로 음극(10a)의 상단에 각각 규칙적으로 형성되어 있고, 권취된 상태에서 음극 탭들(30)은 동일한 위치로 배열되어 있다.
음극(10a)은 일 단위의 연속적인 음극 시트로 구성되어 있고, 음극 시트의 양면에 음극 활물질이 도포되어 있으며, 음극 활물질이 도포되지 않은 7개의 음극 탭들(30)이 상단에 형성되어 있다. 따라서, 음극 시트의 각 부위로부터 외부입출력 단자(도시하지 않음)의 접속 경로가 짧아져서 내부 저항을 감소시킬 수 있다.
양극들(20a)은 6개의 양극 시트들로 구성되어 있고, 각각의 양극 시트의 양면에 양극 활물질이 도포되어 있으며, 양극 활물질이 도포되지 않은 하나의 양극 탭(40)이 상단에 형성되어 있다.
또한, 분리막(편의상 도시하지 않음)은 음극(10a)과 양극들(20a) 사이에 개재되어 있다.
음극 탭들(30)과 양극 탭들(40)은 권취 방향을 기준으로 음극(10a) 및 양극들(20a)로부터 상향 돌출되어 있고, 음극(10a)의 크기는 양극들(20a)의 크기 합보다 큰 구조로 이루어져 있다.
음극 탭들(30)은 양극(20a)의 크기(a)와 폴딩 크기(b)의 합의 간격으로 음극 시트의 상단에 형성되어 있고, 양극(20a)의 크기 단위로 음극(10a)이 폴딩되어 도 6의 전극조립체(100c)를 형성한 후, 음극 탭(30)과 양극 탭(40)에 음극리드(16)와 양극리드(26)를 열융착하여 도 7의 전극조립체(100d)를 완성한다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 과정의 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 도 6 및 도 7과 함께 참조하면, 전극조립체(100b)는 음극(10b)과 양극(20b)이 분리막이 개재된 상태에서 권취되고, 음극 탭들(30)은 전체적으로 권취 단위의 간격(M)을 가지고 음극(10b)의 상단에서 동일한 위치에 배열되도록 각각 형성되어 있다. 또한, 인접한 위치의 음극 탭들(30)은 권취된 상태에서 음극의 상단에서 동일한 위치에 배열되도록 권취 시의 두께에 대응하는 간격으로도 위치되어 있다. 따라서, 다수의 음극 탭들(30)이 일측에서는 인접한 음극 탭과 좁은 간격으로, 타측에서는 인접한 음극 탭과 넓은 간격으로, 교호 배열 방식으로 위치되어 있고, 이는 음극(10) 전반에서 반복적으로 나타난다.
이러한 배열 방식으로 양극(20b)에서도 마찬가지이다. 예를 들어, 양극 탭들(40)은 일측에서는 권취 단위의 간격(N)을 가지고 양극(20b)의 상단에 형성되어 있고, 타측에서는 권취 시의 두께에 대응하는 간격으로 형성되어 있다
음극(10b)은 일 단위의 연속적인 음극 시트로 구성되어 있고, 음극 시트의 양면에 음극 활물질이 도포되어 있으며, 음극 활물질이 도포되지 않은 7개의 음극 탭들(30)이 상단에 형성되어 있다.
양극(20b)은 일 단위의 연속적인 양극 시트로 구성되어 있고, 양극 시트의 양면에 양극 활물질이 도포되어 있으며, 양극 활물질이 도포되지 않은 6개의 양극 탭들(40)이 상단에 형성되어 있다.
또한, 분리막(편의상 도시하지 않음)은 음극(10b)과 양극(20b) 사이에 개재되어 있다.
음극 탭들(30)과 양극 탭들(40)은 권취 방향을 기준으로 음극(10b) 및 양극(20b)으로부터 상향 돌출되어 있고, 음극(10b)의 크기는 양극(20b)의 크기보다 큰 구조로 이루어져 있다.
또한, 권취된 상태에서 음극 탭들(30)은 양극 탭들(40)에 대해 대향 방향에 위치되어 있다. 이러한 음극 탭들(30)과 양극 탭들(40)은 각각 음극리드 및 양극리드(이상 도시하지 않음)에 용접되어 외부입출력 단자에 접속된다.
상기에서 음극 탭들(30)과 양극 탭들(40)의 개수는 일 예로 기재한 것으로서, 필요로 하는 전지의 용량에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 일 단위의 연속적인 전극 시트로 구성되어 있고, 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 둘 또는 그 이상의 전극 탭들이 상단에 형성되어 있는 제 1 전극;
    둘 또는 그 이상의 단위의 전극 시트들로 구성되어 있고, 각각의 전극 시트의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있으며, 전극 활물질이 도포되지 않은 하나의 전극 탭이 상단에 형성되어 있는 제 2 전극들; 및
    제 1 전극과 제 2 전극들 사이에 개재되는 분리막;
    을 포함하고 있고,
    상기 분리막이 개재된 상태에서 제 1 전극의 권취에 의해 제 2 전극들은 제 2 전극의 전극 탭들이 동일한 위치로 배열되며,
    상기 제 1 전극의 전극 탭들은 권취 단위의 간격으로 제 1 전극의 상단에 각각 형성되어 있고, 권취된 상태에서 제 1 전극의 전극 탭들은 동일한 위치로 배열되어 있고,
    상기 제 1 전극의 크기는 제 2 전극들의 크기 합 보다 크며,
    상기 제 1 전극은 음극이고 상기 제 2 전극은 양극인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 탭들은 권취 방향을 기준으로 제 1 전극 및 제 2 전극들로부터 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극의 전극 탭들은 제 2 전극의 크기와 폴딩 크기의 합의 간격으로 전극 시트의 상단에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극의 크기 단위로 제 1 전극이 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
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  12. 제 1 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
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