KR101395017B1 - 단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 탭이 부착된 전극 유닛이 복수개 적층되되, 시트형 분리필름에 의해 상기 전극 유닛이 서로 분리되어 적층된 스택앤 폴딩형의 적층체를 하나 이상 포함하며, 상기 적층체는 인접하는 전극 유닛에 대하여 면적 차를 갖는 전극 유닛이 적층되어 형성된 단차를 하나 이상 갖는 전극 조립체를 제공한다.

Description

단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스{A Stepwise Electrode Assembly, and Battery Cell, Battery Pack and Device Comprising the Same}
본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 크기가 상이한 2종 이상의 전극 유닛을 포함하는 단차를 갖는 전극 조립체에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 전극 조립체를 포함하는 전지셀, 전지팩, 디바이스 및 전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 전지 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되며, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
이와 같은 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히 중량이 적은 파우치형 전지에 대한 관심이 증대되고 있다.
전지 케이스에 수납되는 전극 조립체는 그 형태에 따라, 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 스택 앤 폴딩형(복합형)의 구조로 구분될 수 있다.
상기 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전판으로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질을 코팅하고 프레싱하여 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리막 필름을 이용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아서 제조된다. 또, 상기 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하여 형성되는 전극 조립체이며, 나아가, 상기 복합형 전극 조립체는 시트형 분리 필름 상에 음극/분리막/양극을 포함하는 다수의 유닛셀들을 배치한 다음, 상기 시트형 분리 필름을 접으면서 상기 유닛셀들을 적층하는 방식으로 제조된다.
일반적으로 종래의 전극 조립체는 동일한 크기의 유닛셀이나 개별 전극들을 적층하는 방식으로 제조되기 때문에 형상 자유도가 현저하게 저하되어 다양한 디자인을 구현하는데 많은 한계를 가지고 있었다. 나아가, 디자인을 변경하기 위해서는 개별 전극 제조시, 전극 적층시 또는 전기적 연결시 복잡하고 까다로운 공정이 요구되는 경우가 많았다.
이와 같이, 최근의 모바일 기기는 다양한 형태로 출시되고 있고, 이에 따라 모바일 기기에 장착되는 전지 또한 다양한 형태를 가질 것이 요구되고 있다. 이에, 모바일 기기의 형태에 따른 요구에 수반하여 전지셀이 적용되는 디바이스 모양에 따라 다양한 형태로의 변형이 용이한 전지를 제조할 수 있는 새로운 형태의 전극 조립체가 요구되고 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 다양한 디자인을 구현할 수 있는 전극 조립체를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 구현예는 박형이면서, 우수한 전기 용량 특성을 갖는 전극 조립체를 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명의 전극 조립체를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명은 전극 탭이 부착된 전극 유닛이 복수개 적층되되, 시트형 분리필름에 의해 상기 전극 유닛이 서로 분리되어 적층된 스택앤 폴딩형의 적층체를 하나 이상 포함하며, 상기 적층체는 인접하는 전극 유닛에 대하여 면적 차를 갖는 전극 유닛이 적층되어 형성된 단차를 하나 이상 포함하는 전극 조립체를 제공하고자 한다.
상기 면적 차를 갖는 전극 유닛과 이에 인접하는 전극 유닛은 분리필름을 경계로 상호 대면하는 대면 전극이 서로 다른 극성의 전극인 것이 바람직하다.
상기 스택앤 폴딩형 전극 적층체는 Z 폴딩형의 전극 적층체일 수 있으며,이때, 상기 전극 조립체는 상기 단차를 1 또는 2개 포함할 수 있다.
또한, 상기 면적 차를 갖는 전극 유닛과 인접하는 전극 유닛 중 면적이 큰 전극 유닛의 대면 전극은 음극인 것이 바람직하다.
상기 전극 유닛은 각각 독립적으로 양극, 음극, 및 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 유닛셀로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
이때, 상기 유닛셀은 독립적으로 젤리롤형, 스택형, 라미네이션 앤 스택형 및 스택 앤 폴딩형으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
나아가, 상기 유닛셀은 분리막을 경계로 인접하는 전극에 대하여 면적 차를 갖는 전극이 적층되어 형성된 단차를 적어도 하나 포함할 수 있다.
상기 분리막은 시트형 분리필름이며, 상기 시트형 분리필름은 상기 단차 형상에 부합하도록 굴곡되거나 절단되어 있을 수 있다.
한편, 상기 적층체는 상기 Z-폴딩형의 적층체와 함께, 젤리롤형 적층체, 라미네이션 앤 스택형 적층체, 스택 앤 폴딩형 적층체 또는 이들의 조합인 적층체가 상기 시트형 분리필름에 의해 적층된 것일 수 있다.
나아가, 상기 전극 조립체는 상기 Z-폴딩형의 적층체와 함께, 스택형 적층체, 젤리롤형 적층체, 라미네이션 앤 스택형 적층체, 스택 앤 폴딩형 적층체 및 이들이 2 이상 조합된 적층체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하여 적층될 수 있으며, 상기 스택형 적층체, 젤리롤형 적층체, 라미네이션 앤 스택형 적층체, 스택앤 폴딩형 적층체 및 이들의 조합 중 적어도 하나의 적층체는 단차를 갖는 것일 수 있다.
한편, 상기 적층체는 적어도 하나의 코너부 형상이 상이한 전극 유닛을 적어도 하나 포함할 수 있다.
나아가, 상기 적층체는 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 전극 유닛을 하나 이상 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 전극 유닛을 2 이상 포함하며, 이 중 적어도 하나의 전극 유닛은 다른 전극 유닛과 곡률이 상이한 곡면 형상의 코너부를 가질 수 있다.
상기 적층체는, 예를 들어, 상기 전극 유닛이 적층되는 높이 방향으로 전극 유닛의 면적이 작아지도록 적층된 것일 수 있고, 각 전극 유닛의 일 모서리가 일치되는 배열로 적층될 수 있으며, 또한, 분리필름을 경계로 상호 인접하는 전극 유닛 중 적어도 하나는 다른 전극 유닛의 면 내에 포함되도록 적층될 수 있다. 나아가, 상기 적층체는 각 전극 유닛의 중심부가 일치되도록 적층될 수 있다.
한편, 상기 전극 유닛은 두께가 서로 동일할 수 있고, 또 상이할 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 전극은 일면이 전극 무지부인 단면 코팅 전극일 수 있으며, 상기 전극 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치되되 상기 전극 조립체는 분리필름 또는 분리막이 외부에 노출될 수 있다. 이때, 상기 단면 코팅 전극은 양극일 수 있다.
한편, 상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 전극은 음극일 수 있으며, 상기 전극 조립체는 분리필름 또는 분리막이 외부에 노출될 수 있다.
상기 전극 유닛은 각각의 전극에 대응하는 전극탭이 부착되며, 상기 각각의 전극탭은 크기가 서로 동일하거나 상이한 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 전극 조립체가 전지 케이스에 수납되어 있는 전지셀로서, 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지를 제공하며, 상기 전지 케이스는 파우치형 케이스일 수 있다. 이때, 상기 전지 케이스는 상기 전지 케이스는 내부에 전극 조립체를 수납하되, 전극 조립체의 형상에 대응하여 단차 또는 경사면을 가질 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다. 이때, 상기 전지셀의 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치할 수 있으며, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, Z-폴딩에 의해 하나의 공정으로 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있어, 보다 다양한 디자인의 전지를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 단차를 갖는 전극 조립체를 제조함에 있어서, 유닛셀의 배열 구조를 단순화할 수 있어, 제조가 간단하며, 양극과 음극이 조립되어 있는 유닛셀은 물론, 유닛셀을 제조하지 않고 단위 전극을 사용하여 전극 조립체를 제조할 수 있어, 공정 간소화를 도모할 수도 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명에 따라 얻어진 단차를 갖는 전극 조립체를 전지 제조에 사용함으로써 디자인적인 요소 때문에 발생하게 되는 데드 스페이스(dead space)를 최소화할 수 있어 공간 활용도를 높일 수 있고, 나아가, 전지 용량을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 전극 조립체는 크기가 다른 유닛셀들 간의 계면에서 서로 다른 종류의 전극이 대면하도록 형성되어 있기 때문에, 계면 부분에서도 전기 화학적 반응이 발생되며, 그 결과 종래의 복합형 전극 조립체와 비교할 때, 동일 크기 대비 높은 출력을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 것으로 한정되지 않으며, 이하에서 기술하는 사항에 의해 다양한 발명의 효과가 얻어짐을 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체를 제조하는 전극 유닛의 전개도를 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따라 얻어진 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명에 의해 얻어진 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13 내지 15는 본 발명에서 유닛셀로 사용되는 라미네이션 앤 스택형 유닛셀의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 하나의 단차를 갖는 전극 조립체의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 의해 얻어진 단차를 갖는 전극 조립체의 단면 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 18 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 다양한 구현예에 따른 단차를 갖는 전지셀의 사시도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 탭의 적층 형태를 나타내는 것으로서, (a)는 평면도이며, (b)는 정면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기 도면은 본 발명의 이해를 돕기 하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위가 이들 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 이하의 도면은 발명의 원활한 이해를 위해 일부 구성요소가 과장, 축소 또는 생략되어 표현될 수 있다.
본 발명은 단차를 갖는 전극 조립체를 제공하고자 한다. 본 발명에 있어서, 상기 단차를 갖는 전극 조립체는 스택앤 폴딩 타입에 의해 얻을 수 있다. 예를 들어, 분리필름을 그 위에 적층된 전극 유닛에 따라 일정한 방향으로 폴딩하는 와인딩 타입에 의한 전극 조립체일 수 있으며, 시트형 분리필름 상에 전극 유닛을 배열하고, 이를 병풍 형태로 접는 Z-폴딩(zigzag-folding) 타입에 의해 전극 조립체를 얻을 수 있다. 상기 폴딩 타입 중 Z-폴딩 타입에 대하여 도 1 내지 도 4에 개략적으로 나타내었다. 이하, Z-폴딩 타입의 전극 조립체를 기준으로 본 발명을 설명한다.
본 발명의 전극 조립체는 면적이 상이한 전극 유닛의 조합일 수 있다. 이때, 상기 전극 유닛은 음극, 양극 또는 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 유닛셀을 포함하는 것으로서, 이들 중 어느 하나이거나 이들의 조합에 의해 전극 조립체가 구성될 수 있다. 본 발명에 있어서, 면적이 상이하다고 함은 서로 대면하는 전극 유닛의 폭 또는 너비 중 어느 하나가 상이함으로 인해 서로 대면하는 두 전극 유닛의 대면 전극의 면적이 동일하지 않은 것을 의미하는 것이다.
전극 유닛의 면적 차이는 전극 유닛이 적층되어 형성되는 전극 조립체에 단차를 형성할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 폭 또는 너비는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 폭 또는 너비의 20％ 내지 95％, 예를 들어, 30 내지 90％ 범위일 수 있다. 상기 전극 유닛은 너비 및 폭 중 어느 하나가 상이함으로써 면적 차를 갖는 것일 수 있음은 물론, 둘 모두 상이함으로써 면적차를 갖는 것일 수 있다.
예를 들어, 일정한 면적을 갖는 전극 유닛이 하나 또는 복수개 적층된 제1 전극 적층체 상에 보다 작은 크기를 갖는 전극 유닛이 단수 또는 복수개 적층된 제2 전극 적층체를 적층함으로써 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있다. 또한, 상기 제1 전극 적층체 및 제2 전극 적층체를 형성함에 있어서, 전극 유닛의 적층 수는 특별히 한정하지 않으며, 또한, 상기 전극 적층체의 높이 또한 한정하지 않는 것으로서, 각 적층체 별로 동일할 수 있음은 물론, 상이할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체의 단차는 1 이상이라면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 3개의 면적차를 갖는 전극 적층체를 적층함으로써 2개의 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있음은 물론, 2개의 면적차를 갖는 전극 적층체를 적층함으로써 하나의 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있다. 나아가, 필요에 따라서는 그 이상의 단차가 형성될 수도 있다. 이하, 2개의 단차를 갖는 전극 조립체를 중심으로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 각 적층체를 형성하는 각 전극 유닛은 동일 적층체 내에서는 물론, 적층체 간에 있어서도 동일한 두께를 갖는 전극 유닛, 특히 전극을 사용할 수도 있으나, 두께가 상이한 전극을 적층하여 각 전극 유닛 적층체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 단차를 형성하기 위해 전극의 면적이 작은 전극 유닛에 대하여는 전극 활물질의 로딩량을 증대시킴으로써 전극의 면적 감소로 인한 전지 용량 감소를 상쇄시킬 수 있을 것이다. 그러나, 반드시 이로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서 면적이 큰 전극 유닛에 대하여 두께를 증대시킬 수 있으며, 반대로 두께를 감소시킬 수도 있다. 이때, 전극 유닛의 두께는 제조되는 전지가 적용되는 디바이스에서 요구하는 전지 형상 및 높이, 전지 용량 등을 고려하여 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있는 것으로서, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 전극 조립체를 구성함에 있어서, 상기 각각의 양극, 음극 및 분리막의 재질은 특별히 한정되지 않는 것으로서, 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명의 유닛셀에 있어서 음극 전극과 양극 전극의 각각의 전극 집전판 표면에 전극 활물질이 도포되어 있다. 이때, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 전극 집전판(21, 31)은 음극(20)과 양극(30)의 집전판(21, 31)의 사이즈가 동일하다. 한편, 전극 활물질(21, 31)은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 전극 집전판(21,31) 표면의 전체에 대하여 코팅될 수 있으며, 경우에 따라서는 말단 일부 영역은 코팅되지 않을 수 있다. 따라서, 전극 집전판의 전체 면에 전극 활물질이 코팅되는 경우에는 두 전극은 사이즈가 동일하게 된다. 그러나 이 경우, 전지 반응 중에 양극 활물질에 포함된 리튬이 석출되어 나오는 경우가 있어, 전지 성능 저하를 초래할 우려가 있다. 따라서, 경우에 따라서는 양극 활물질이 양극 전극에 도포되는 영역은 음극 전극에 음극활물질이 도포되는 면적보다 작도록 코팅될 수 있다. 이에 의해 양극 활물질로부터 리튬이 석출되는 것을 억제할 수 있다.
상기 음극 및 양극은 본 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 본 별명에서도 적절하게 사용할 수 있는 것으로서, 예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들의 조합에 의해 제조된 음극 집전판의 일면 또는 양면에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유 코크, 활성화 카본, 그라파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 1종 이상의 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것을 사용할 수 있다. 또한, 양극은 알루미늄, 니켈 또는 이들의 합금, 또는 이들의 조합에 의해 제조된 양극 집전판의 일면 또는 양면에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물 및 이들의 조합 또는 이들의 복합산화물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.
이때, 상기 각각의 전극 집전체에는 동일한 양의 전극 활물질을 코팅하여 전극 두께를 동일하게 형성할 수 있으며, 전극 활물질의 코팅양은 다르게 하여 전극 두께를 상이하게 할 수 있다. 나아가, 상기 전극 활물질의 코팅양은 하나의 전극에 대하여 전극 집전체의 양면에 대하여 상이한 양으로 코팅될 수 있으며, 나아가, 어느 일면에 전극 활물질이 코팅되지 않을 수 있다.
또한, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름을 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 시트형 분리필름은 상기 분리막과 동일한 재질의 것을 사용할 수 있다.
상기와 같은 전극 유닛을 분리필름 상에 배열하고 Z-폴딩함으로써 얻어지는 전극 적층체의 전개도를 도 1 내지 도 4에 나타내었다. 이들 전개도는 단차를 갖는 전극 조립체를 제조할 수 있는 예시에 불과한 것으로서, 이들 도면으로 나타낸 전개도로부터 이외의 다양한 배열에 의해 전극 조립체를 제조할 수 있음은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 도면에는 하나의 분리필름을 사용하여 적층하는 예를 나타내었으나, 2 이상의 분리필름을 병렬로 배열하고, 상기 분리필름 사이 및 적어도 하나의 분리필름 상에 전극 유닛을 배열하여 폴딩함으로써 본 발명의 전극 조립체를 얻을 수 있는 것으로서, 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
상기 전극 적층체는 음극, 양극 및 음극과 양극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 유닛셀로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전극 유닛이 분리막 또는 시트상의 분리필름을 경계로 2 이상 적층된 구조를 갖는 것을 의미하는 것으로서, 상기 전극 적층체는 2 이상의 전극이 적층되어 형성되는 하나의 유닛셀일 수 있으며, 또한, 하나 이상의 유닛셀과 하나 이상의 전극의 조합일 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서, 유닛셀과 전극 적층체는 엄밀하게 구별되지 않을 수 있다. 나아가, 이와 같은 전극 적층체는 하나의 전극 적층체에 의해 전극 조립체를 형성할 수 있으며, 2 이상의 전극 적층체를 조합하거나, 하나 이상의 단일 전극을 함께 조합함으로써 전극 조립체 얻을 수 있다. 따라서, 이하에서 사용되는 전극 적층체는 전극 조립체를 형성하는 하나의 단위 구조일 수 있으며, 그 자체가 전극 조립체일 수도 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 면적이 상이한 음극(20) 및 양극(30) 각각의 단일 전극을 시트형 분리필름(40) 상에 적층하여 지그재그 방향으로 폴딩함으로써 단차를 갖는 전극 적층체를 얻을 수 있다. 도 1의 (a)는 시트형 분리필름(40)의 일면에 전극 유닛으로서 단일의 음극(20) 및 양극(30)을 일정한 간격을 두고 순차로 교차 배열하여 Z-폴딩하는 예를 나타낸 것이다. 한편, (b)는 단일의 음극(20) 및 양극(30)을 시트형 분리필름(40)의 양면에 배열하여 전극 적층체를 제조하는 것을 도시한 것으로서, 상기 시트형 분리필름(40)의 일면에 음극(20)을 일정한 간격을 두고 배열하고, 상기 시트형 분리필름(40) 중 상기 음극(30)이 위치하지 않는 반대 면에 양극을 배열하고 Z-폴딩함으로써 전극 적층체를 얻는 예를 나타낸 것이다.
또한, 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 음극(20)과 양극(30)이 분리막(50)이 개재된 상태로 적층된 유닛셀(60)을 사용하여 Z-폴딩함으로써 전극 적층체를 얻을 수 있다. 도 2는 면적이 서로 다른 유닛셀(60)을 분리 필름의 일면에 배열하여 Z-폴딩함으로써 전극 적층체를 제조하는 전개도를 나타낸 것으로서, 이때, 상기 유닛셀(60)은 음극(20)과 양극(30)이 분리막(50)을 경계로 하나씩 적층된 유닛셀(60)(풀셀)일 수 있으며, 음극(20)과 양극(30)이 분리막(50)을 경계로 교차 적층되되, 양면에는 동일한 전극이 위치하는 유닛셀(60)(바이셀)일 수도 있다. 이들의 예를 도 3 및 4에 나타내었다.
도 3은 두 개의 양극(30) 사이에 분리막(50)이 개재된 음극(20)이 적층된 바이셀(A-타입 바이셀)과 두 개의 음극(20) 사이에 분리막(50)이 개재된 양극(30)이 적층된 바이셀(C-타입 바이셀)을 사용하여 시트형 분리필름(40)에 배열한 전개도를 나타내는 것으로서, (a)는 시트형 분리필름(40)의 일면에 전극 유닛을 배열하여 Z-폴딩에 의해 전극 적층체를 제조하는 전개도이고, (b)는 시트형 분리필름(40)의 양면에 전극 유닛을 배열하여 Z-폴딩에 의해 전극 적층체를 제조하는 전개도이다.
또한, 도 4는 상기 바이셀과 풀셀을 조합하여 시트형 분리필름(40)에 배열한 전개도를 나타내는 것으로서, (a)는 분리필름(40)의 일면에 전극 유닛을 배열하여 Z-폴딩함으로써 전극 적층체를 제조하는 전개도이고, (b)는 분리필름(40)의 양면에 전극 유닛을 배열하여 Z-폴딩함으로써 전극 적층체를 제조하는 전개도이다.
상기 도 2 내지 도 4에는 풀셀과 바이셀을 혼용하여 분리필름(40)에 배열한 예를 나타내었으나, 이외에도 전극 유닛으로서 단위 전극이 함께 배열될 수도 있다. 나아가, 2 이상의 음극(20) 과 2 이상의 양극(30)이 분리막(50)을 경계로 적층된 다양한 형태의 유닛셀(60)이 사용될 수도 있으며, 따라서, 도 2 내지 도 4에 나타낸 것 이외의 다양한 방법으로 전극 유닛을 배열할 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 시트형 분리필름(40) 상에 전극 유닛을 배열하여 Z-폴딩함으로써 얻어진 전극 조립체(1)의 적층형태에 대한 예를 도 5 내지 도 7에 나타내었다. 도 5는 도 1 (b)에 나타낸 바와 같이 단일 전극(10)이 시트형 분리필름(40)의 양면에 배열된 것을 Z-폴딩하여 얻은 단차를 갖는 전극 조립체(1)를 나타내며, 도 6은 도 3의 (a) 또는 도 4의 (a)와 같은 전개도로 시트형 분리필름(40)의 일면에 면적이 상이한 풀셀과 바이셀을 전극 유닛으로서 조합하여 배열하고, 이를 Z-폴딩함으로써 얻어진 전극 조립체(1)의 적층 형태를 나타내며, 도 7은 면적이 상이한 바이셀을 사용하여 시트형 분리필름(40)의 일면에 배열하고 Z-폴딩에 의해 얻어진 전극 조립체(1)의 적층 형태를 나타낸다.
본 발명에 있어서는 면적차를 갖는 전극 유닛을 상호 적층함으로써 서로 적층되는 전극 유닛 간에 단차가 형성된다. 이때, 상기 면적 차를 갖는 전극 유닛과 이에 인접하는 전극 유닛은 분리필름을 경계로 상호 대면하는 대면 전극이 서로 다른 극성의 전극이 대면하도록 전극 유닛을 배열하는 것이 바람직하다. 동일한 극성의 전극이 분리필름을 경계로 서로 대면하는 경우, 두 대면 전극 간에는 전지 반응이 일어나지 않게 된다. 그러나, 서로 상이한 극성의 전극이 대면하도록 적층되는 경우에는 대면전극 간에 전지 반응을 일으킬 수 있어 전체적으로 반응면적을 넓힐 수 있고, 이로 인해 동일한 크기에서 전지 용량 증대의 효과를 얻을 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 면적 차를 갖는 전극 유닛과 인접하는 전극 유닛 중 면적이 큰 전극 유닛의 대면 전극이 음극이 배치되도록 전극 유닛을 배열하는 것이 바람직하다. 즉, 전극 조립체에서 면적이 상이한 전극 유닛이 분리필름을 경계로 대면하는 경우, 분리필름이 적층된 상태에서 면적이 큰 전극 유닛의 표면 일부가 외부를 향하게 되는데, 이때, 상기 외부를 향하는 전극 유닛의 전극이 음극이 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 양극의 표면에는 양극 활물질로서 리튬이 존재하게 되는데, 양극이 외부를 향하게 되는 경우, 양극 표면으로부터 리튬 금속이 석출되어 전지 수명이 단축되거나, 전지의 안정성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
이와 동일한 이유로 상기 전극 유닛을 분리필름 상에 배치함에 있어서는, 도 1, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 전극 유닛의 적층에 의해 얻어진 전극 조립체(1)의 적어도 일면에는 음극(20)이 위치하도록 전극 유닛을 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 도 5 내지 7에 나타낸 바와 같이 전극 조립체(1)의 일면 또는 양면에 음극(20)이 배치되는 전극 조립체(1)를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체의 적어도 일면에는 도 5에 나타낸 바와 같이 상기 음극(20) 이외에 양극(30)이 배치될 수 있다. 그러나, 이 경우에는 상기 양극(30)은 외부를 향하는 면에 양극(30) 활물질(32)이 코팅되지 않은 무지부를 갖는 단면 코팅 양극(33)인 것이 바람직하다. 도 5의 전극 조립체는 하단에 적층되는 전극 유닛은 양극(30)이 배치되며, 상기 양극(30)의 외부를 향하는 면은 전극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부이다. 이때, 특별히 기재하지 않았으나, 전극 표면이 외부로 노출되지 않도록 상기 최외각 전극의 외부면은 분리막 또는 분리필름이 배치될 수 있다.
한편, 상기 전극 유닛의 일종인 유닛셀은 특별히 한정하지 않으나, 음극과 양극을 분리막을 사이에 두고 순차 적층하여 형성되는 스택형 적층체일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기와 같은 전통적인 방식으로 제조되는 것뿐만 아니라, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 분리막을 라미네이션(lamination)하여 전극셀을 형성한 후, 이 전극셀들을 적층(stacking)하는 방식(이하 '라미네이션 앤 스택 방식'으로 지칭됨)으로 제조된 전극 적층체를 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우, 상기 유닛셀은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 포함하는 것이면 되고, 그 구성이 특별히 제한되는 것은 아니다.
그러나, 공정의 간편성 및 경제성의 관점에서, 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우에는 유닛셀은 음극/분리막/양극/분리막 또는 분리막/음극/분리막/양극으로 이루어진 기본 구조를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 유닛셀은 하나 또는 복수개의 기본 구조를 포함할 수 있다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체는 상기한 기본 구조의 유닛셀을 포함하는 전극 유닛만으로 구성되어도 되고, 상기 기본 구조를 갖는 전극 유닛과 다른 구조의 전극 유닛을 조합하여 사용하여도 무방하다.
도 13 내지 도 15에는 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체들의 다양한 예들이 개시되어 있다.
도 13에는 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)/양극(30)의 기본구조를 갖는 전극 유닛들(65)로 이루어진 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 13에는 기본 구조가 분리막/음극/분리막/양극으로 개시되어 있으나, 양극과 음극의 위치를 바꿔 분리막/양극/분리막/음극의 기본 구조로 형성하여도 무방하다. 한편, 도 13에 도시된 바와 같이, 전극 유닛의 기본 구조가 분리막/음극/분리막/양극인 경우에는 전극 적층체의 최외각에 분리막 없이 양극이 노출되게 되므로, 이러한 기본 구조를 사용하는 경우에는 최외각에 노출되는 양극은 노출되는 면에 활물질이 코팅되지 않는 단면 코팅 양극을 사용하는 것이 용량 등을 고려한 전극 설계 시 바람직할 수도 있다. 한편, 도 13에는 전극 유닛들이 하나의 기본 구조를 갖는 것으로 개시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기본 구조가 2개 이상 반복하여 적층되어 있는 것을 하나의 전극 유닛으로 사용할 수도 있다.
도 14에는 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)/양극(20)의 기본구조를 갖는 전극 유닛(66)들과 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)구조로 이루어진 전극 유닛이 적층(stacking)되어 이루어진 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 14와 같이, 최외각면에 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)구조로 이루어진 전극 유닛을 적층할 경우, 양극(30)이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기 용량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 이와 유사하게, 전극 단위체의 최외각에 음극이 위치하는 배열의 경우에는, 그 상부에 분리막/양극/분리막 구조로 이루어진 전극 유닛을 적층할 수 있으며, 이 경우, 음극의 용량을 최대한 사용할 수 있다는 점에서 장점이 있다.
도 15에는 음극(20)/분리막(50)/양극(30)/분리막(50)의 기본구조를 갖는 전극 유닛(68)들과 음극(20)/분리막(50)/양극(30)/분리막(50)/음극(20)의 구조를 갖는 전극 유닛(67)이 적층(stacking)되어 이루어진 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 15와 같이, 전극 적층체의 최외각면에 음극(20)/분리막(50)/양극(30)/분리막(50)/음극(20)의 구조를 갖는 전극 유닛(67)을 적층할 경우, 양극이 외부로 노출하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기 용량도 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 14 및 도 15에 예시된 바와 같이, 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체들은 상기한 기본 구조를 갖는 전극 유닛들과 함께, 단일 전극, 분리막 또는 상기한 전극 유닛들과 배열 및 구성이 상이한 유닛셀들을 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 기본 구조를 갖는 전극 유닛들을 적층하였을 때, 외부로 양극이 노출되는 것을 방지하기 위한 측면 및/또는 전지 용량의 향상 측면에서 전극 적층체의 최외각 일면 및/또는 양면에 단일 전극, 단면 코팅 전극, 분리막 또는 상기한 전극 유닛들과 배열 및 구성이 상이한 유닛셀을 배치할 수 있다. 한편, 도 14 및 도 15에는 전극 적층체의 상부에 다른 구조의 전극 유닛이 적층되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 전극 적층체의 하부에 다른 구조의 전극 유닛이 적층될 수도 있고, 상부와 하부에 모두 다른 구조의 전극 유닛이 적층될 수도 있다.
나아가, 하나의 시트형 분리필름 상에 음극 및 양극 또는 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 분리막을 개재한 상태로 적층된 적층체를 배열하고, 상기 시트형 분리필름을 접어서 폴딩한 스택 앤 폴딩형 적층체일 수 있다.
이때, 상기 스택 앤 폴딩형 적층체는 일 방향으로 폴딩하는 와인딩형 적층체와 지그재그 방향으로 폴딩한 Z-폴딩형 적층체일 수 있다. 한편, 상기 와인딩형 적층체는 도면으로 나타내지는 않았으나, 시트형 분리필름에 의한 권취 방향이 시계 방향에서 반시계 방향으로, 또 그 반대로 변경될 수 있다. 예를 들면 도 11의 젤리롤형 유닛셀(73)의 권취 방법과 같이 와인딩형 유닛셀(71)의 권취 방향이 변경될 수 있다. 또한, 도 12의 젤리롤형 유닛셀(73)의 권취 방법과 같이 와인딩형 적층체를 권취할 수도 있다.
또한, 적어도 하나의 장방형 시트형 음극과 적어도 하나의 장방형 시트형 양극을 시트형 분리필름이 개재되어 나선형으로 폴딩된 젤리롤형 적층체일 수 있다. 예를 들어, 하나의 분리필름에 의해 본 발명에 따른 Z-폴딩 타입의 적층체를 형성하고, 연속하여 젤리롤 타입의 적층체를 형성하거나, 스택앤 폴딩 타입의 적층체를 형성하거나, 연속하여 형성함으로써 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있다.
이때, 본 발명의 전극 조립체는 상기와 같은 각각의 전극 적층체의 조합에 의한 Z-폴딩형의 전극 조립체일 수 있음은 물론, 어느 하나의 적층체를 복수개 적층한 Z-폴딩형의 전극 조립체일 수 있고, 또한, 이들 적층체 이외에, 다른 전극 유닛, 예를 들어, 단일 전극이 함께 적층될 수 있다.
이와 같이, 유닛셀로서 상기 스택형 적층체, 라미네이션 앤 스택형 적층체, 스택 앤 폴딩형 적층체 및 젤리롤형 적층체 중 적어도 하나 이상을 하나의 시트형 분리필름의 일면 또는 양면에 배열하여 Z-폴딩함으로써 본 발명에 따른 Z-폴딩형의 전극 조립체를 얻을 수 있다. 이때, 상기 유닛셀은 분리막을 경계로 인접하는 유닛셀에 대하여 면적 차를 갖는 유닛셀을 적층함으로써 단차를 형성할 수 있다.
전극 유닛으로서, 상기와 같은 적층체를 유닛셀로 포함하는 본 발명의 전극 조립체의 일 예를 도 8에 나타내었다. 도 8은 하나의 젤리롤형 유닛셀(73)을를 대면적 유닛셀로 사용하고, 하나의 스택형 적층체(74)를 중면적 유닛셀로 사용하며, 또, 하나의 스택 앤 폴딩형 적층체로서 Z-폴딩형 적층체(76)와 단일 전극(10)을 소면적 유닛셀로 사용하여 하나의 시트형 분리필름(40)으로 Z-폴딩함으로써 형성된 단차를 갖는 전극 조립체(1)이다. 도 8에 나타낸 구조와는 상이한 다양한 구조의 전극 조립체(1)가 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 전극 조립체는, 전극 유닛들의 일부 또는 모든 전극 유닛들이 적어도 하나의 시트형 분리 필름에 의해 권취되어 있는 구조로 이루어질 수도 있다. 한편, 도 8에 나타내지는 않았으나, 상기 유닛셀로서 사용되는 적층체(70) 자체가 단차를 갖는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는 하나의 시트형 분리필름에 의해 전극 전극 유닛을 Z타입 및 와인딩타입으로 폴딩하고, 또한 젤로롤 타입으로 폴딩하여 형성할 수 있다. 이에 대한 일 예를 도 9에 나타내었다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 하나의 시트형 분리필름(40)에 의해 대면적 전극 유닛으로서 와인딩 타입의 스택 앤 폴딩형 적층체(72)가 형성되고, 중면적 전극 유닛으로서 Z-폴딩 타입의 스택 앤 폴딩형 적층체(71)가 형성되며, 이어서, 젤리롤형 전극 적층체(73)가 소면적 전극 유닛으로 형성된 전극 조립체 (1)를 얻을 수 있어, 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체를 형성할 수 있다. 이때, 도 9에는 하나의 상기 시트형 분리필름(40)을 사용하여 얻어진 전극 조립체(1)를 예시하였으나, 2 이상의 분리필름(40)을 직렬로 연결하여 도 9와 같은 구조의 단차를 갖는 전극 조립체(1)를 형성할 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 전극 조립체(1)의 상단에는 외부에 분리막(50)이 적층되어 있는 단일 전극(10)으로서 음극(20)이 적층되어 있다. 이는 상기한 바와 같이, 외부로 향하는 전극으로 음극(20)이 적층되는 것이 바람직한데, 그 하부에 적층된 젤리롤의 유닛셀(60)의 외부에는 분리필름(40)이 적층된 양극(30)이 존재하기 때문에 별도의 음극(20)을 추가로 적층한 것이다. 또한, 도 9의 최하단에는 분리필름(40)이 적층된 양극 무지부가 외부로 향하는 단면 코팅 양극(33)이 배치되어 있다.
본 발명의 전극 조립체는 전극 유닛으로서, 상기 Z-폴딩형의 전극 적층체 이외에, 별개의 스택형 적층체, 젤리롤형 적층체 또는 스택 앤 폴딩형 적층체가 추가로 적층될 수 있다. 이때, 상기 전극 조립체는 상기 전극 적층체를 적어도 일종 이상 포함할 수 있으며, 동일한 종류의 전극 적층체가 2 이상 포함될 수도 있다. 또한, 상기 전극 적층체는 그 내부에 단차가 형성된 것일 수 있으며, 전극 적층체의 조합에 의해 단차가 형성될 수 있다. 나아가, 상기 적층체 이외에 단일 전극이 또한 적층될 수 있다. 상기 본 발명의 전극 조립체를 구성하는 각각의 전극 적층체 또는 단일 전극은 필요에 따라 분리막이 개재되어 적층될 수 있다.
이와 같은 구조의 전극 조립체가 도 10에 예시되어 있다. 도 10에 도시된 전극 조립체(1)는 대면적 전극 유닛으로서, 단일 전극(10)이 적층되고, 또, 대면적 전극 유닛과 중면적 전극 유닛의 단차가 형성된 Z-폴딩형 적층체(71)가 적층되어 있으며, 나아가 중면적 전극 유닛으로 단일 전극(10)과 젤리롤 형 유닛셀(73)이 조합되어 있으며, 소면적 전극 유닛으로 Z-폴딩형의 유닛셀(71) 이 적층되어 있는 구조를 갖는다.
나아가, 도 11 및 도 12에 복수의 전극 적층체가 적층되어 단차를 갖는 전극 조립체를 구성하는 다른 예가 도시되어 있다. 도 11 및 도 12는 단차를 갖는 젤리롤형의 적층체(73)를 조립함에 있어서, 권취하는 방향이 상이한 것을 제외하고는 동일하다. 즉, 도 11의 젤리롤형 적층체(73)은 중면적 젤리롤형 유닛셀(73)을 시계 방향으로, 그리고, 대면적 젤리롤형 유닛셀(73) 을 반시계 방향으로 말아 각 젤리롤형 유닛셀을 하나의 시트형 분리필름으로 형성하고, 이들 중면적 및 대면적 젤리롤형 유닛셀을 서로 적층함으로써 형성된 것이다. 도 11 및 도 12에 따르면, 대면적 및 중면적의 단차를 갖는 전극 유닛인 Z-폴딩형 적층체(71)가 적층되고, 중면적 및 소면적의 단차를 갖는 전극 유닛인 젤리롤형의 전극 유닛셀(63)과 소면적 전극 유닛으로서, 단일 전극(10)이 적층된 전극 조립체(1)가 도시되어 있다. 이때, 도 11 및 도 12의 상기 젤리롤형 유닛셀은 젤리롤형 유닛셀의 권취 방법과 같이 권취된 스택 앤 폴딩형의 와인딩 타입으로 대체될 수 있다.
이상에서는 2개의 단차를 갖는 전극 조립체에 대하여 첨부 도면을 예로 들어 설명하였으나, 상기한 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는 2개의 전극 적층체를 적층하여 하나의 단차를 갖는 전극 조립체를 형성할 수 있다. 이에 대한 전극 조립체의 예를 도 16에 나타내었다.
본 발명의 전극 조립체는 다양한 형태의 적층 구조를 가질 수 있다. 도 16은 전극 조립체의 단면을 나타내는 것으로서, 전극 유닛의 적층 형태를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 전극 유닛의 적층방향, 즉, 높이 방향으로 전극 유닛의 크기가 작아질 수 있으며(a), 반대로, 전극 유닛의 크기가 증가하도록 적층될 수 있다(b). 또한, 적층 방향으로 증가한 후에 감소하도록 적층될 수 있으며(c), 반대로, 적층방향으로 면적이 감소한 후에 증가하도록 적층될 수 있다. 이들 적층 형태는 상하 대칭을 이룰 수도 있다. 물론, 적층 형태가 일정한 패턴을 갖지 않을 수도 있다.
또한, 예를 들어, 도 18 내지 도 22에 나타낸 바와 같이 하나의 코너부가 일치하도록 전극 유닛들이 적층될 수 있다. 이때, 도 18 또는 도 19와 같이 각 전극 유닛은 면적은 상이하나 형상이 동일할 수 있으며, 또, 도 20 내지 도 22와 같이 면적 및 형상이 상이할 수도 있다.
*예를 들어, 도 20 내지 도 21에 나타낸 바와 같이 적어도 하나의 전극 유닛은 코너부가 라운드 형상일 수 있으며, 이러한 코너부 라운드 형상은 하나의 전극 유닛에 2 이상 형성될 수 있다. 이와 같은 코너부 형상에 대하여 라운드 형상만을 예로 나타내었으나, 이외에 다양한 형상을 가질 수 있다. 이는 이하에서도 동일하다.
이때, 도 20에 나타낸 바와 같이, 코너부 라운드의 곡률은 서로 상이할 수 있다. 또한, 도 21에 나타낸 바와 같이 코너부의 형상이 서로 상이할 수 있다. 한편, 도 22에 나타낸 바와 같이, 하나의 변과 그 변에 인접하는 두 코너부가 하나의 라운드 형상을 가질 수도 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 전극 유닛은 큰 전극 유닛의 면 내에 작은 전극 유닛이 포함되도록 적층될 수 있으며, 이때, 일정한 패턴을 형성함이 없이 적층될 수 있다. 나아가, 도 23에 나타낸 바와 같이 면 중심이 일치되도록 적층될 수 있다.
나아가, 도 24에 나타낸 바와 같이, 각 전극 유닛은 전극 조립체(1)의 세로 방향으로 길이가 동일하나, 폭 방향으로 단차를 형성할 수 있으며, 이때, 단차는 폭 방향의 하나 또는 양 방향으로 단차가 형성될 수 있다. 또한, 도 25에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(1)는 길이 방향으로 단차가 형성될 수도 있다.
상기 도면으로 나타낸 형태 이외에 본 발명의 전극 유닛들은 다양한 형태의 코너부 형상을 가질 수 있다. 상기와 같은 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 전극 유닛은 면적이 큰 전극 유닛의 면 내에 면적이 작은 전극 유닛이 포함되도록 적층될 수 있음은 물론, 십자가(+) 형태와 같이 대면 전극의 접촉 면 중 일부가 서로 접촉하고, 일부는 서로 접촉하지 않도록 적층될 수도 있다.
이와 같이 전극 조립체(1)의 적층 형태 및 전극 유닛의 형상, 코너부 형상 등을 다양하게 형성함으로써, 다양한 형태의 배터리 디자인을 구현할 수 있으며, 나아가, 공간 활용도도 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 유닛들은 각각 음극 전극 탭 및/또는 양극 전극 탭을 포함한다. 전극 유닛이 유닛셀인 경우에는 음극 전극 탭 및 양극 전극 탭을 모두 구비하며, 전극 유닛이 개별 전극으로 이루어지는 경우에는 하나의 전극 탭만을 구비한다. 상기 전극 탭들은 전지 케이스에 삽입된 후 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다.
상기 전극 탭들의 부착 위치는 다양하게 선택할 수 있다. 상기 두 극성의 전극 탭을 전극 유닛의 일 단부에 형성하고, 전극 탭을 동일한 방향으로 향하도록 적층함으로써, 예를 들어, 도 18 내지 도 25에 나타낸 바와 같이 전극 조립체(1)의 일 측면에 전극 탭(25, 35)이 돌출되도록 할 수 있다. 또한, 도 24와 같이 전극조립체(1)의 2 측면에 각각의 전극 탭(25, 35)이 돌출되도록 할 수도 있다.
다만, 전지 케이스 삽입 후 전극 탭들의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해서는, 동일한 극성의 전극들끼리 중첩될 수 있도록 전극 유닛들을 배치하는 것이 바람직하다.
한편, 도 22 또는 도 24와 같은 형태로 단차가 형성되는 경우, 전극 조립체(1)의 전극 탭(25, 35)을 부착하는 경우, 전극 탭(25, 35)이 보다 면적이 큰 전극 유닛과 접촉하게 되어, 전지 안전성에 영향을 끼칠 수 있는바, 전극 탭(25, 35)과 전극 유닛간의 접촉은 차단하는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 전극 탭(25, 35) 표면에 절연성 수지 등을 이용하여 코팅할 수 있다.
상기 전극 탭의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 상기 전극 탭의 면적 역시 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전극 탭들은 그 폭 및 길이가 동일하거나, 이 중 적어도 하나가 상이할 수 있다. 이와 같이 다양한 사이즈의 전극 탭을 사용함으로써 면적이 큰 일단의 전극 탭 위에 면적이 작은 전극 탭을 나란히 배열하여 적층할 수도 있다. 그 예로 면적이 상이한 전극 탭을 사용하는 경우의 전극 탭의 적층 형태는 도 22에 나타낸 바와 같다.
한편, 전극 유닛들의 일부 또는 모든 전극 유닛들이 적어도 하나의 시트형 분리 필름에 의해 폴딩되어 전극 조립체를 구성하는 경우, 상기 분리필름은 면적이 큰 전극 유닛 적층체의 상단과 보다 작은 전극 유닛의 상단이 형성하는 단차에 의해 분리필름이 경사면을 형성할 수 있다. 이와 같은 경사면은 특히 와인딩 타입의 스택 앤 폴딩형 전극 조립체에 의해 단차가 형성되거나, 또는 단차가 형성된 전극 조립체를 분리필름으로 감는 경우에 형성될 수 있을 것이다.
이 경우, 전극 조립체가 수납되는 전극 케이스의 형상을 상기와 같은 분리필름의 경사면에 부합하도록 경사면이 형성될 수 있다. 이 경우, 필요 이상으로 디바이스의 공간을 차지하게 되므로, 상기 분리필름은 전극 조립체의 형상에 부합하도록 형성되는 것이 공간 활용면에서 바람직하다. 따라서, 분리필름이 전극 조립체로부터 이격되어 있는 경우에는 분리필름을 가열 또는 가압에 의해 신장하여 전극 조립체의 형상과 동일하게 형성시킬 수 있다.이 경우, 단차를 갖는 부분에서는 굴곡이 형성될 수 있다. 또한, 단차를 갖는 부분에 있어서는 분리필름을 절단함으로써 전극 조립체의 형상과 동일하게 할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 전지셀에 대해 설명한다. 도 23에는 본 발명의 전지셀(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전지셀(100)은 전지 케이스(120) 내부에 본 발명의 전극 조립체(1)가 내장되어 있다. 이때, 상기 전지 케이스(120)는 파우치형 케이스일 수 있다.
상기 파우치형 케이스는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전지 케이스는 전극 조립체의 전극 유닛들의 전기 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드가 외부로 노출된 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 도시되지는 않았으나, 상기 전극 리드의 상하면에는 전극 리드를 보호하기 위한 절연 필름이 부착될 수 있다.
또한, 상기 전지 케이스는, 본 발명의 전극 조립체의 형상에 따라 전지 케이스의 형상을 다양하게 할 수 있다. 이러한 전지케이스의 형상은 전지케이스 자체를 변형하여 형성하는 방식으로 형성될 수 있다. 이때, 전지케이스의 형상 및 크기가 전극 조립체의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다. 한편, 본 발명의 전지 케이스의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 전지 케이스가 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 전지 케이스는 도 23에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 형상에 따라 단차가 형성될 수 있다. 나아가, 도시하지는 않았으나, 상기 전지 케이스는 전극 조립체가 갖는 단차가 형성되는 면에서 경사면을 가질 수 있다. 즉, 전극 조립체의 단차를 형성하는 영역에 대하여는 전지 케이스가 각 단의 상측 모서리 및 코너부와 동일한 형상을 갖도록 함으로써 경사면을 형성할 수 있다. 이와 같은 경사면은 곡면을 포함할 수 있으며, 경사면은 기울기가 2개 이상일 수 있다.
상기 전지셀은 바람직하게는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 본 발명의 전지셀은 단독으로 사용될 수도 있고, 전지셀을 적어도 하나 이상 포함하는 전지팩의 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 본 발명의 전지셀 및/또는 전지팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩이 상기와 같은 디바이스에 장착될 경우, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩의 구조로 인해 형성된 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하도록 할 수 있다. 본 발명의 전지셀 또는 전지팩은 크기가 상이한 전극 조립체로 형성되기 때문에 전극 조립체 자체가 단차가 있는 형태로 형성되며, 전지 케이스를 전극 형상에 맞춰 형성하고, 이를 디바이스 장착할 경우, 종래의 각형 또는 타원형 전지셀 또는 전지팩에는 없었던 잉여의 공간이 발생하게 된다.
이와 같은 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품을 장착할 경우, 디바이스의 시스템 부품과 전지셀 또는 전지팩을 유연하게 배치할 수 있으므로 공간 활용도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 전제 디바이스의 두께나 부피를 감소시켜 슬림한 디자인을 구현할 수 있다.
1: 전극 조립체 10: 단일 전극
20: 음극 21: 음극 집전판
22: 음극 활물질 25: 음극 전극 탭
30: 양극 31: 양극 집전판
32: 양극 활물질 33: 단면 코팅 양극
35: 양극 전극 탭 40: 시트형 분리필름
50: 분리막
61, 71: 스택 앤 폴딩형 유닛셀 또는 적층체 (Z-폴딩 타입)
62, 72: 스택 앤 폴딩형 유닛셀 또는 적층체 (와인딩 타입)
63, 73: 젤리롤형 유닛셀 또는 적층체
64: 스택형 유닛셀
65, 66, 67, 68: 라미네이션 앤드 스택형 유닛셀
80: 코너부 90: 단차
100: 전지셀 120: 전지 케이스

Claims (33)

  1. 전극 유닛이 복수개 적층되되, 시트형 분리필름에 의해 상기 전극 유닛이 서로 분리되어 적층된 스택앤 폴딩형 전극 적층체를 하나 이상 포함하고, 상기 전극 유닛은 시트형 분리필름의 일면 또는 양면에 배치되며,
    상기 전극 적층체는 분리필름을 경계로 인접하는 전극 유닛에 대하여 면적 차를 갖는 전극 유닛이 적층되어 형성된 단차를 하나 이상 포함하는 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스택앤 폴딩형 전극 적층체는 Z 폴딩형의 전극 적층체인 전극 조립체.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 단차를 1 또는 2개 포함하는 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 면적 차를 갖는 전극 유닛과 이에 인접하는 전극 유닛은 분리필름을 경계로 상호 대면하는 대면 전극이 서로 다른 극성의 전극인 전극 조립체.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 면적 차를 갖는 전극 유닛과 인접하는 전극 유닛 중 면적이 큰 전극 유닛의 대면 전극이 음극인 전극 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 전극 유닛은 각각 독립적으로 양극, 음극 및 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 유닛셀로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전극 조립체.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 유닛셀은 각각 독립적으로 젤리롤형, 스택형, 라미네이션 앤 스택형 및 스택 앤 폴딩형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전극 조립체.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 유닛셀은 분리막을 경계로 인접하는 유닛셀에 대하여 면적 차를 갖는 유닛셀이 적층되어 형성된 단차를 적어도 하나 포함하는 것인 전극 조립체.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 Z-폴딩형 적층체와 함께, 젤리롤형 적층체, 스택 앤 폴딩형 적층체 또는 이들의 조합인 적층체가 상기 분리필름에 의해 적층된 것인 전극 조립체.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 스택 앤 폴딩형 적층체는 단차를 포함하는 것인 전극 조립체.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 Z-폴딩형의 적층체와 함께, 스택형 적층체, 젤리롤형 적층체, 스택 앤 폴딩형 적층체 및 이들이 2 이상 조합된 적층체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는 전극 조립체.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 스택형 적층체, 젤리롤형 적층체, 스택앤 폴딩형 적층체 및 이들의 조합 중 적어도 하나의 적층체는 단차를 갖는 것인 전극 조립체.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 적어도 하나의 코너부 형상이 상이한 전극 유닛을 적어도 하나 포함하는 전극 조립체.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 전극 유닛을 하나 이상 포함하는 전극 조립체.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 전극 유닛을 2 이상 포함하며, 적어도 하나의 전극 유닛은 다른 전극 유닛과 곡률이 상이한 곡면 형상의 코너부를 갖는 전극 조립체.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 상기 전극 유닛이 적층되는 높이 방향으로 전극 유닛의 면적이 작아지도록 적층된 전극 조립체.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 각 전극 유닛의 일 모서리가 일치되는 배열로 적층되어 있는 전극 조립체.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 분리필름을 경계로 상호 인접하는 전극 유닛 중 적어도 하나는 다른 전극 유닛의 면 내에 포함되도록 적층된 전극 조립체.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 각 전극 유닛의 중심부가 일치되도록 적층된 전극 조립체.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 전극 유닛은 두께가 서로 동일 또는 상이한 것인 전극 조립체.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 전극은 일면이 전극 무지부인 단면 코팅 전극이며, 상기 전극 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치되되 상기 전극 조립체는 분리필름 또는 분리막이 외부에 노출되는 것인 전극 조립체.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 단면 코팅 전극은 양극인 전극 조립체.
  24. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 전극은 음극이며, 상기 전극 조립체는 분리필름 또는 분리막이 외부에 노출되는 것인 전극 조립체.
  25. 제 1항에 있어서, 상기 전극 유닛들은 각각의 전극에 대응하는 전극 탭을 가지며, 상기 전극 탭들의 크기가 서로 동일하거나 상이한 것인 전극 조립체.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 전극 탭은 전극 유닛의 어느 하나의 단부 또는 서로 마주보는 단부에 부착된 전극 조립체.
  27. 제 1항 및 제 3항 내지 제 26항 중 어느 한 항의 전극 조립체가 전지 케이스에 수납되어 있는 전지셀.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 전지 케이스는 파우치형 케이스인 전지셀.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 전지 케이스는 내부에 전극 조립체를 수납하되, 전극 조립체의 형상에 대응하여 단차 또는 경사면을 갖는 전지셀.
  30. 제 27항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지인 전지셀.
  31. 제 27항의 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 전지셀의 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하는 디바이스.
  33. 제 31항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 디바이스.
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