KR101352738B1 - 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리막과, 상기 분리막의 양면에 배치되는 음극판과 양극판이 권취 및 압착되어 제조되는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 음극판은 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부가 교대로 형성되고, 상기 양극판은 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄코팅부와 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부가 교대로 형성된 것을 특징으로 하는, 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체에 관한 것이다.

Description

활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지{Jelly-roll type electrode assembly pattern-coated with active material and secondary battery therewith}
본 발명은 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 그러나, 이러한 리튬 이차전지는 유기 전해액을 사용하는 데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조가 까다로운 단점이 있다.
이러한 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 충방전이 가능한 전극조립체를 전지케이스에 장착한 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체의 대표적인 예로는 젤리-롤형 전극조립체를 들 수 있다.
그러나, 이러한 젤리-롤형 전극조립체의 경우, 권취 및 압착되는 과정에서 평탄부와 굴곡부가 존재함으로써 굴곡부에서 부러짐 또는 크랙이 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 분리막과, 상기 분리막의 양면에 배치되는 음극판과 양극판이 권취 및 압착되어 제조되는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 음극판은 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부가 교대로 형성되고, 상기 양극판은 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄코팅부와 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부가 교대로 형성된 것을 특징으로 하는, 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 분리막과, 상기 분리막의 양면에 배치되는 음극판과 양극판이 권취 및 압착되어 제조되는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 음극판은 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부가 교대로 형성되고, 상기 양극판은 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄코팅부와 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부가 교대로 형성된 것을 특징으로 하는, 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.
본 발명의 일 구현예로, 상기 젤리-롤형 전극조립체를 구비하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체 굴곡부에는 활물질을 코팅하지 않음으로써, 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되는 과정에서 전극조립체 굴곡부에서 발생할 수 있는 부러짐 및 크랙의 발생을 효과적으로 방지함으로써 내부 저항 감소로 인해 이차전지의 충방전 효율이 증가되고, 급속충전 특성이 개선될 수 있어 고용량 이차전지를 구현하면서도, 이차전지의 불량률을 개선할 수 있다.
도 1은 일반적인 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되기 전 상태를 도시한 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되기 전 상태를 도시한 단면도이다.
본 발명자들은 젤리-롤형 전극조립체 굴곡부에는 활물질을 코팅하지 않음으로써, 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되는 과정에서 전극조립체 굴곡부에서 발생할 수 있는 부러짐 및 크랙의 발생을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
구체적으로, 본 발명은 분리막과, 상기 분리막의 양면에 배치되는 음극판과 양극판이 권취 및 압착되어 제조되는 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 음극판은 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부가 교대로 형성되고, 상기 양극판은 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄코팅부와 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부가 교대로 형성된 것을 특징으로 하는, 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.
일반적인 젤리-롤형 전극조립체는 분리막과, 상기 분리막의 양면에 배치되는 음극판과 양극판이 권취 및 압착되어 제조되는 것으로, 전극조립체 평탄부와 전극조립체 굴곡부로 구분된다.
이때, 본 발명에서 사용되는 용어 “전극조립체 평탄부”는 젤리-롤형 전극조립체의 평탄한 부분을 의미하는 것이고, 본 발명에서 사용되는 용어 “전극조립체 굴곡부”는 젤리-롤형 전극조립체의 양 측면에 굴곡진 부분을 의미하는 것이다.
상기 음극판 평탄코팅부 또는 상기 양극판 평탄코팅부는 전극조립체 평탄부에 대응되는 부분이다. 또한, 상기 음극판 평탄코팅부 또는 상기 양극판 평탄코팅부는 음극판 또는 양극판에 활물질이 코팅되어 있는데, 음극판 또는 양극판 양면에 모두 활물질이 코팅될 수도 있고, 일면에만 활물질이 코팅될 수도 있으나, 이차전지의 용량을 고려하면 양면에 모두 활물질이 코팅된 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 음극판 굴곡무지부는 전극조립체 굴곡부에 대응되는 부분인 것으로, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것을 특징으로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따르는 젤리-롤형 전극조립체(10)의 권취 형태를 나타내는 것이다. 즉, 음극판(100)/분리막(300)/양극(200)으로 구성된 전극조립체를 권취함에 있어서 최초의 권취 방향이 도 1a에서 나타내는 바와 같이 음극(100) 방향일 수 있고, 도 1b에서 나타내는 바와 같이 양극(200) 방향일 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전극조립체(10)은 도 1a에서 나타내는 바와 같이, 최초의 권취 방향이 음극 방향일 수 있다. 이 경우 전극조립체의 최초 굴곡부에서의 음극판(100)의 곡률반경이 양극판(200)의 곡률반경보다 작게 된다. 즉, 최초의 상기 음극판(100) 굴곡무지부의 곡률반경은 최초의 상기 양극판(200) 굴곡무지부의 곡률반경보다 작게 된다.
한편, 상기 젤리-롤형 전극조립체(10)는 분리막(300)과, 상기 분리막(300)의 양면에 배치되는 음극판(100)과 양극판(200)이 권취 및 압착되어 제조되는 것으로, 전극조립체 평탄부(11)와 전극조립체 굴곡부(12)로 구분되어 형성된다.
한편, 상기 음극판의 굴곡무지부의 폭은 등차수열을 이룸으로써, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는데, 이때 연속되는 음극판 굴곡무지부의 폭의 차(공차)는 분리막의 두께, 음극판의 두께의 1/2, 및 양극판의 두께의 1/2을 모두 합한 값으로 일정한 것이 바람직하다. 다만, 상기 음극판의 굴곡무지부의 폭을 전극조립체 굴곡부의 폭보다 작게 형성하더라도, 전극조립체의 굴복부의 변곡점이 상기 음극판의 굴곡무지부에 포함되어 있기만 한다면, 본 발명의 목적을 달성하는 데에 무리가 없다. 왜냐하면, 음극집전체에 코팅된 음극활물질의 크랙은 상기 전극조립체의 굴복부의 변곡점에서 가장 심각하게 발생하기 때문에, 적어도 이 부분을 무지부로 형성한다면 음극활물질의 크랙 발생을 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다. 여기서, 전극조립체의 굴곡부의 변곡점은 전극조립체가 권취됨에 따라 그 방향이 반대로 꺾이는 꼭지점을 말한다.
한편, 본 발명에서 사용되는 용어 “내면”은 중심 부위 방향으로 향하는 면을 의미하며, “외면”은 외측 부위 방향을 향하는 면을 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 용어 “중심 부위 방향”은 전극조립체를 감는 코어에 접하는 최초 선단 부위 방향을 의미하며, “외측 부위 방향”은 전극조립체의 권취가 종료되는 끝단 부위 방향을 의미한다.
구체적으로, 상기 음극판 굴곡무지부의 내면의 폭은 하기 수학식 1인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 1]
W(Ⅰ)n≤π{(Ts/2)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 1에서, W(Ⅰ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내며, n은 정수다.
또한, 상기 음극판 굴곡무지부의 외면의 폭은 하기 수학식 2인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 2]
W(Ⅱ)n≤π{(Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 2에서, W(Ⅱ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내고, n은 정수다.
한편, 상기 양극판 굴곡무지부는 전극조립체 굴곡부에 대응되는 부분인 것으로, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 양극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것을 특징으로 한다.
상기 양극판 굴곡무지부의 폭은 등차수열을 이룸으로써, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 양극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는데, 이때 연속되는 양극판 굴곡무지부의 폭의 차(공차)는 분리막의 두께, 음극판의 두께의 1/2, 및 양극판의 두께의 1/2을 모두 합한 값으로 일정한 것이 바람직하다.
다만, 상기 음극판에서와 마찬가지로, 양극판의 굴곡무지부의 폭을 전극조립체 굴곡부의 폭보다 작게 형성하더라도, 전극조립체의 굴복부의 변곡점이 상기 양극판의 굴곡무지부에 포함되어 있기만 한다면, 본 발명의 목적을 달성하는 데에 무리가 없다. 즉, 양극집전체에 코팅된 양극활물질의 크랙은 상기 전극조립체의 굴복부의 변곡점에서 가장 심각하게 발생하기 때문에, 적어도 이 부분을 무지부로 형성한다면 양극활물질의 크랙 발생을 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다.
구체적으로, 상기 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭은 하기 수학식 3인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 3]
W(Ⅲ)n≤π{(3Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 3에서, W(Ⅲ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내며, n은 정수다.
또한, 상기 양극판 굴곡무지부의 외면의 폭은 하기 수학식 4인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 4]
W(Ⅳ)n≤π{(3Ts/2+Ta+Tc)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 4에서, W(Ⅳ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내고, n은 정수다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전극조립체(20)은 도 1b에서 나타내는 바와 같이, 최초의 권취 방향이 양극 방향일 수 있다. 이 경우 전극조립체의 최초의 굴곡부에서의 양극판의 곡률반경이 음극판의 곡률반경보다 작게 된다. 도 1b를 참조하면, 전극조립체(20)는 분리막(300)과, 상기 분리막(300)의 양면에 배치되는 음극판(100)과 양극판(200)이 권취 및 압착되어 제조되는 것으로, 전극조립체 평탄부(21)와 전극조립체 굴곡부(22)로 구분되어 형성된다.
여기서, 상기 양극판의 굴곡무지부의 폭과 음극판의 굴곡무지부의 폭은 전술한 최초 권취 방향이 음극 방향인 경우와 유사하게 산출될 수 있다.
구체적으로, 상기 양극판의 굴곡무지부의 폭은 등차수열을 이룸으로써, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 양극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는데, 이때 연속되는 양극판 굴곡무지부의 폭의 차(공차)는 분리막의 두께, 양극판의 두께의 1/2, 및 음극판의 두께의 1/2을 모두 합한 값으로 일정한 것이 바람직하다. 다만, 상기 양극판의 굴곡무지부의 폭을 전극조립체 굴곡부의 폭보다 작게 형성하더라도, 전극조립체의 굴복부의 변곡점이 상기 양극판의 굴곡무지부에 포함되어 있어도 된다.
보다 구체적으로, 상기 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭은 하기 수학식 1인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 1]
W(Ⅰ)n≤π{(Ts/2)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 1에서, W(Ⅰ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내며, n은 정수다.
또한, 상기 양극판 굴곡무지부의 외면의 폭은 하기 수학식 2인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 2]
W(Ⅱ)n≤π{(Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 2에서, W(Ⅱ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내고, n은 정수다.
한편, 상기 음극판 굴곡무지부는 전극조립체 굴곡부에 대응되는 부분인 것으로, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것을 특징으로 한다.
상기 음극판 굴곡무지부의 폭은 등차수열을 이룸으로써, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는데, 이때 연속되는 음극판 굴곡무지부의 폭의 차(공차)는 분리막의 두께, 양극판의 두께의 1/2, 및 음극판의 두께의 1/2을 모두 합한 값으로 일정한 것이 바람직하다. 다만, 상기 양극판에서와 마찬가지로, 음극판의 굴곡무지부의 폭을 전극조립체 굴곡부의 폭보다 작게 형성함과 동시에, 전극조립체의 굴복부의 변곡점을 상기 음극판의 굴곡무지부에 포함시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭은 하기 수학식 3인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 3]
W(Ⅲ)n≤π{(3Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 3에서, W(Ⅲ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내며, n은 정수다.
또한, 상기 음극판 굴곡무지부의 외면의 폭은 하기 수학식 4인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.
[수학식 4]
W(Ⅳ)n≤π{(3Ts/2+Ta+Tc)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
상기 수학식 4에서, W(Ⅳ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내고, n은 정수다.
더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전극조립체에 있어서, 양극활물질은 하기 화학식 1의 조성을 가지는 올리빈 결정구조의 리튬 철인산화물일 수 있다. 특히, 상기 리튬 철인산화물은 LiFePO4인 것일 수 있다.
[화학식 1]
Li1 + aFe1 - xMx(PO4 -b)Xb
(상기 식에서, M은 Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn 및 Y 중에서 선택된 1종 이상이고, X는 F, S 및 N 중에서 선택된 1종 이상이며, -0.5≤a≤+0.5, 0≤x≤0.5, 0≤b≤0.1이다.)
상기 리튬 철인산화물은 고온 안정성이 우수하고, 특히 Fe는 저가이기 때문에 경제적으로도 유리한 점이 있다. 하지만 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 리튬 철인산화물이 집전체에 도포/압연되어 코팅되어 권취되는 경우, 전술한 전극조립체의 굴곡부에서 크랙이 발생하기 쉽다. 따라서, 전극조립체의 굴곡부에서의 크랙을 방지하고자 하는 본 발명의 전극조립체의 구조는 양극활물질이 리튬 철인산화물인 경우에 특히 적합하다고 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 젤리-롤형 전극조립체를 구비하는 이차전지를 제공한다.
상기 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 이차전지, 각형 이차전지, 파우치형 이차전지에 모두 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 젤리-롤형 전극조립체는 권취 및 압착되어 제조되는바 각형 이차전지에 사용되는 것이 더욱 바람직하다.
구체적으로, 상기 젤리-롤형 전극조립체를 구비하는 각형 이차전지는 젤리-롤형 전극조립체가 각형의 금속 케이스에 내장되어 있고 케이스의 개방 상단에 돌출형 전극단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다. 젤리-롤형 전극조립체의 음극판은 음극탭을 통해 탑 캡 상의 음극단자의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자는 절연부재에 의해 탑 캡으로부터 절연되어 있다. 반면에, 젤리-롤형 전극조립체의 양극판은 그것의 양극탭이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다. 또한, 전극탭들을 제외하고 젤리-롤형 전극조립체와 탑 캡의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 케이스와 젤리-롤형 전극조립체 사이에 시트형 절연부재를 삽입한 뒤, 탑 캡을 장착하고, 탑 캡과 케이스의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 후 금속 볼 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 젤리-롤형 전극조립체를 구비하는 각형 이차전지가 제조된다.
또한, 본 발명은 상기 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다. 상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것을 특징으로 한다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되기 전 상태를 도시한 사시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되기 전, 분리막(300)과, 상기 분리막(300)의 양면에 음극판(100)과 양극판(200)이 배치된다. 이때, 상기 음극판(100)은 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부(110)와 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부(120)가 교대로 형성되는데, 음극판 평탄코팅부(110)는 그 폭이 모두 동일하나, 음극판 굴곡무지부(120)는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지도록 형성된다. 또한, 상기 양극판(200)은 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄코팅부(210)와 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부(220)가 교대로 형성되는데, 양극판 평탄코팅부(210)는 그 폭이 모두 동일하나, 양극판 굴곡무지부(220)는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 양극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지도록 형성된다.
한편, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체가 권취 및 압착되기 전에 있어서, 양극(310), 분리막(300) 및 음극(320)의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 양극(310)은 양극 집전체(317) 및 상기 양극 집전체(317) 상에 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄 코팅부(311, 313, 314, 316)를 포함할 수 있다. 상기 양극판 평탄 코팅부(311, 313, 314, 316)에서 외부를 향하는 양극판 평탄 코팅부(311, 313)은 내부를 향하는 양극판 평탄 코팅부(314, 316)에 비하여 그 폭이 작은 수 있다. 그러나, 권취한 후의 코팅된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서는, 상기 양극판 평탄 코팅부는 그 폭이 모두 동일할 수 있다. 마찬가지로, 상기 음극은 음극 집전체(327) 상에 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄 코팅부(321, 323, 324, 326)를 포함할 수 있고, 권취한 후의 젤리-롤형 전극조립체에서의 음극판 평탄 코팅부의 폭이 동일할 수 있다.
한편, 상기 양극판 평탄 코팅부의 각각의 사이에는 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부(312, 315)가 형성될 수 있다. 상기 양극판 굴곡무지부는 양극(310)의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커질 수 있다. 나아가, 전극조립체의 권취를 고려하여, 전술한 바와 마찬가지로, 내부에 형성된 양극판 굴곡무지부(315)는 그 대응되는 위치에서 외부에 형성된 양극판 굴곡무지부(312)보다 그 폭이 클 수 있다.
마찬가지로, 상기 음극판 평탄 코팅부의 각각의 사이에는 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부(322, 325)가 형성될 수 있다. 상기 음극판 굴곡무지부는 음극(320)의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커질 수 있다. 나아가, 전극조립체의 권취를 고려하여, 전술한 바와 마찬가지로, 내부에 형성된 음극판 굴곡무지부(325)는 그 대응되는 위치에서 외부에 형성된 음극판 굴곡무지부(322)보다 그 폭이 클 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 전극조립체
11: 전극조립체 평탄부
12: 전극조립체 굴곡부
100: 음극판
110: 음극판 평탄코팅부
120: 음극판 굴곡무지부
130: 음극판의 두께
200: 양극판
210: 양극판 평탄코팅부
220: 양극판 굴곡무지부
230: 양극판의 두께
300: 분리막
330: 분리막의 두께

Claims (21)

  1. 분리막과, 상기 분리막의 양면에 배치되는 음극판과 양극판이 권취 및 압착되어 제조되는 젤리-롤형 전극조립체로서, 상기 음극판은 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와 음극활물질이 코팅되지 아니한 음극판 굴곡무지부가 교대로 형성되고, 상기 양극판은 양극활물질이 코팅된 양극판 평탄코팅부와 양극활물질이 코팅되지 아니한 양극판 굴곡무지부가 교대로 형성되며, 상기 양극판 및 음극판의 굴곡무지부의 폭은 상기 전극조립체의 굴곡부의 폭보다 작게 형성되고, 상기 전극조립체의 굴곡부의 변곡점이 상기 양극판 및 음극판의 굴곡무지부에 포함된, 활물질이 패턴 코팅된 젤리-롤형 전극조립체의 제조방법에 있어서,
    최초의 상기 음극판 굴곡무지부의 곡률반경을 최초의 상기 양극판 굴곡무지부의 곡률반경보다 작게 형성하기 위하여, 상기 음극판 굴곡무지부의 내면과 외면의 폭이 각각 하기 수학식 1 및 수학식 2의 값을 가지고 상기 양극판 굴곡무지부의 내면과 외면의 폭이 각각 하기 수학식 3 및 수학식 4의 값을 가지도록, 상기 음극판 굴곡무지부와 양극판 굴곡무지부의 내면과 외면의 폭을 결정하는 단계; 및
    최초의 상기 양극판 굴곡무지부의 곡률반경을 최초의 상기 음극판 굴곡무지부의 곡률반경보다 작게 형성하기 위하여, 상기 양극판 굴곡무지부의 내면과 외면의 폭이 각각 하기 수학식 5 및 수학식 6의 값을 가지고 상기 음극판 굴곡무지부의 내면과 외면의 폭이 각각 하기 수학식 7 및 수학식 8의 값을 가지도록, 상기 양극판 굴곡무지부와 음극판 굴곡무지부의 내면과 외면의 폭을 결정하는 단계 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 제조방법:
    [수학식 1]
    W(Ⅰ)n<π{(Ts/2)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 1에서, W(Ⅰ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내며, n은 정수이다;
    [수학식 2]
    W(Ⅱ)n<π{(Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 2에서, W(Ⅱ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내고, n은 정수이다;
    [수학식 3]
    W(Ⅲ)n<π{(3Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 3에서, W(Ⅲ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내며, n은 정수이다;
    [수학식 4]
    W(Ⅳ)n<π{(3Ts/2+Ta+Tc)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 4에서, W(Ⅳ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 음극판의 두께, Tc는 양극판의 두께를 나타내고, n은 정수이다;
    [수학식 5]
    W(Ⅰ)n<π{(Ts/2)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 5에서, W(Ⅰ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내며, n은 정수이다;
    [수학식 6]
    W(Ⅱ)n<π{(Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 6에서, W(Ⅱ)n은 n번째 양극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내고, n은 정수이다;
    [수학식 7]
    W(Ⅲ)n<π{(3Ts/2+Ta)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 7에서, W(Ⅲ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 내면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내며, n은 정수이다;
    [수학식 8]
    W(Ⅳ)n<π{(3Ts/2+Ta+Tc)+(n-1)(Ts+Ta/2+Tc/2)}
    상기 수학식 8에서, W(Ⅳ)n은 n번째 음극판 굴곡무지부의 외면의 폭을 나타내고, Ts는 분리막의 두께, Ta는 양극판의 두께, Tc는 음극판의 두께를 나타내고, n은 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극판 평탄코팅부 또는 상기 양극판 평탄코팅부는 그 폭이 모두 동일한 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음극판 굴곡무지부는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    최초의 상기 음극판 굴곡무지부의 곡률반경을 최초의 상기 양극판 굴곡무지부의 곡률반경보다 작게 형성하는 경우, 상기 양극판 굴곡무지부는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 양극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 양극활물질은 하기 화학식 1의 조성을 가지는 올리빈 결정구조의 리튬 철인산화물인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 제조방법.
    [화학식 1]
    Li1+aFe1-xMx(PO4-b)Xb
    여기서, M은 Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn 및 Y 중에서 선택된 1종 이상이고, X는 F, S 및 N 중에서 선택된 1종 이상이며, -0.5≤a≤+0.5, 0≤x≤0.5, 0≤b≤0.1이다.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 리튬 철인산화물은 LiFePO4인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 제조방법.
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