KR101425257B1 - 전극조립체 및 이를 이용한 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스택형 이차 전지의 제조 시 전극판과 세퍼레이터의 에지부를 접착한 뒤 적층함으로써, 세퍼레이터가 수축되는 것을 방지할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전극조립체는 적어도 하나의 제1 전극판; 적어도 하나의 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터;를 포함하되, 상기 제1 전극판 또는 제2 전극판 중 어느 하나 이상의 에지(edge)부와 상기 에지부와, 상기 에지부에 대응하는 상기 세퍼레이터의 일 영역은 접착된 상태로 적층된다.

Description

전극조립체 및 이를 이용한 이차 전지{Electrode assembly and secondary battery using the same}
본 발명은 전극조립체 및 이를 이용한 이차 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 생산성을 향상시킬 수 있는 전극조립체 및 이를 이용한 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지에 이용되는 전극조립체는 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
먼저, 권취형 전극조립체는 양극탭 및 음극탭이 각각 고정된 양극판과 음극판을 구비하고, 그 사이에 세퍼레이터를 개재한 뒤 권취(winding)하여 형성한다. 전극조립체의 권취 시에는, 권취가 시작되는 부분에 권심을 넣고 권취한 뒤, 권취가 완료되면 권심을 전극조립체 외부로 제거한다. 그러나, 이는 제작 공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다.
그리고, 스택형 전극조립체는 양극탭이 형성된 양극판, 음극탭이 형성된 음극판 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 반복적으로 적층하여 형성한다. 그러나, 세퍼레이터의 수축이 발생되는 경우, 안전성에 문제를 일으킬 수 있으며, 양극판 및 음극판과의 얼라인(align) 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 스택형 이차 전지의 제조 시 전극판 중 어느 하나 이상의 에지부와, 에지부에 대응하는 세퍼레이터의 일 영역을 접착한 뒤 적층함으로써, 세퍼레이터가 수축되는 것을 방지할 수 있는 전극조립체 및 이를 이용한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전극조립체는 적어도 하나의 제1 전극판; 적어도 하나의 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터;를 포함하되, 상기 제1 전극판 또는 제2 전극판 중 어느 하나 이상의 에지부(edge)와, 상기 에지부에 대응하는 상기 세퍼레이터의 일 영역은 접착된 상태로 적층된다.
여기서, 상기 에지부는 연속적으로 접착될 수 있다.
그리고, 상기 에지부는 0.5㎜ 내지 3.0㎜의 폭으로 접착될 수 있다.
또한, 상기 에지부는 열융착 또는 접착제에 의해 접착될 수 있다.
더욱이, 상기 제1 전극판 및 제2 전극판 중 음극을 띠는 전극판의 활물질로는 LTO(리튬티탄산화물, lithium titanate)가 사용될 수 있다.
게다가, 상기 제1 전극판과 제2 전극판은 크기가 동일하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터는 크기가 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터는 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 세퍼레이터는 올레핀(Olefin) 계열로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene)으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지는 상기의 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하는 외장재;를 포함한다.
본 발명에 의하면 세퍼레이터 수축 등으로 발생하는 안전성 및 얼라인(align) 문제에 따른 전극판의 이온 석출을 억제할 수 있다. 또한, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체를 나타내는 분해사시도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 전극판과 세퍼레이터가 접착된 에지부를 나타내는 평면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체를 나타내는 결합사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체를 나타내는 분해사시도.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체를 나타내는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체(10)는 적어도 하나의 제1 전극판(11), 적어도 하나의 제2 전극판(13) 및 그 사이에 세퍼레이터(12)가 개재되어 적층된다. 이때, 제1 전극판(11)의 일측으로부터 제1 전극탭(16)이 돌출 형성되고, 제2 전극판(13)의 타측, 즉 제1 전극탭(16)과 겹쳐지지 않도록 제2 전극판(13)으로부터 제2 전극탭(17)이 돌출 형성된다.
이하에서는 설명의 편의상, 제1 전극탭(16)을 양극탭, 제2 전극탭(17)을 음극탭으로 설명하기로 한다. 이와 더불어, 제1 전극판(11)을 양극판, 제2 전극판(13)을 음극판으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체(10)는 스택형이며, 앞서 설명한 바와 같이 적어도 하나의 양극판(11), 세퍼레이터(12) 및 음극판(13)이 순차적으로 적층된다. 이와 같은 스택형 전극조립체(10)는 얼라인을 맞추기가 용이하지 않으며, 전지 구현 시 세퍼레이터(12)가 수축되면서 양극판(11)과 음극판(13)이 닿게 되어 쇼트(short)가 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위하여 세퍼레이터(12)는 양극판(11)과 접착된 상태로 적층된다. 즉, 양면에 세퍼레이터(12)가 접착된 양극판(11)의 상부에 음극판(13)을 위치시키고, 그 상부에 다시 세퍼레이터(12)가 양면에 접착된 양극판(11)을 위치시킨다. 그리고, 그 상부에 음극판(13)을 위치시키고, 다시 그 상부에는 하면에 세퍼레이터(12)가 접착된 양극판(11)을 위치시킨다. 이에 의해 전극조립체(10)는 양극판(11), 세퍼레이터(12), 음극판(13)이 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
이때, 양극판(11)과 음극판(13)은 크기가 동일하게 형성될 수 있다. 그리고, 세퍼레이터(12)의 크기는 양극판(11)과 음극판(13)은 크기보다 더 크게 형성될 수 있다. 또한, 양극판(11)의 에지부(14)와, 에지부(14)에 대응하는 세퍼레이터(12)가 접착되는 영역은 연속적으로 형성될 수 있다. 이러한 에지부(14)는 열융착 또는 접착제를 이용하여 접착함에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 접착 영역이 세퍼레이터(12)와 양극판(11)의 전면(全面)에 형성되는 경우, 고출력에서 전지의 저항이 커져서 출력 특성이 저하될 수 있다. 그리고, 전면 융착 시 융착된 양극판(11) 또는 음극판(13)이 세퍼레이터(12)의 기공도를 손상시킬 수 있다. 일반적으로 세퍼레이터(12)에는 38~53%의 기공이 형성된다. 그러나, 세퍼레이터(12) 상에 접착층(바인더계 모노머)이 없는 상태에서 양극판(11) 또는 음극판(13)이 세퍼레이터(12)에 융착되는 경우 세퍼레이터(12)의 기공이 막히고 수축 현상을 야기하므로 전지로서의 구현이 어려워질 수 있다. 또한, 열융착 온도는 적어도 100℃ 이상의 온도인데, 상기 온도에서는 세퍼레이터(12)의 기공도가 10% 이하로 떨어져서 전지로서의 성능구현이 어려울 수 있다. 또한, 접착 영역이 세퍼레이터(12)와 양극판(11)의 둘레 일부에 불연속적으로 형성되는 경우에는 세퍼레이터(12)의 일부가 수축되며 양극판(11)과 음극판(13)이 닿게 되어 쇼트가 발생될 수 있다.
이처럼 스택형 이차 전지의 제조 시 양극판(11)의 에지부(14)와, 에지부(14)에 대응하는 세퍼레이터(12)의 일 영역을 접착한 뒤 적층함으로써, 세퍼레이터(12)가 수축되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해 전지의 안전성을 향상시키고, 양극판(11), 음극판(13) 및 세퍼레이터(12)의 얼라인(align)을 용이하게 할 수 있다.
도 1에서 양극판(11), 세퍼레이터(12) 및 음극판(13)의 갯수는 한정되지 않으며, 적층형 전지를 구현할 수 있도록 다양하게 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 양극판(11), 음극판(13) 및 세퍼레이터(12)에 대하여 간략하게 설명한다.
양극판(11)은 도전성이 우수한 양극 집전체와, 양극 집전체의 적어도 일면에 도포된 양극 활물질층을 포함한다. 이때, 양극판(11)의 일측에는 양극 활물질이 도포되지 않은 양극탭(16)이 돌출 형성된다. 일반적으로 양극 집전체로는 도전성이 우수한 알루미늄(Al)이 사용된다. 그리고, 양극 활물질층은 용매를 통하여 양극 활물질, 도전제 및 양극바인더가 혼합된 양극 슬러리를 양극 집전체의 적어도 일면 상에 코팅하여 형성된다.
여기서, 양극 활물질은 리튬 이차 전지의 양극 화학 반응에 참여하여 전자를 발생시키며, 도전제는 양극 활물질에서 발생한 전자를 양극 집전체로 전달할 수 있다. 또한, 양극 바인더는 양극 활물질 및 도전제를 결착시키며 양극판(11)의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi-xCoxO2(0<x>1), LiMnO2 및 LTO 등의 리튬 복합 금속 산화물들이 사용되나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다.
음극판(13)은 전도성 금속 박판으로 이루어지는 음극 집전체와, 음극 집전체의 적어도 일면에 도포된 음극 활물질층을 포함한다. 이때, 음극판(13)의 일측에는 음극 활물질이 도포되지 않은 음극탭(17)이 돌출 형성된다. 음극 활물질층에는 음극 활물질 및 음극 활물질을 음극 집전체에 결착하도록 하는 음극 바인더를 포함한다.
여기서, 음극 집전체는 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 형성될 수 있다. 그리고, 음극 활물질로는 LTO가 사용될 수 있다. 양극 활물질과 동일한 LTO가 음극 활물질로 사용되면, 양극판(11)과 음극판(13)의 사이즈를 동일하게 제조할 수 있다. 그리고, 본 발명의 LTO, 즉 리튬티탄산화물로는 Li4Ti5O12 등이 이용될 수 있다.
세퍼레이터(12)는 양극판(11) 및 음극판(13) 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 세퍼레이터(12)는 충방전 중 양극 및 음극의 전기적 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 한다.
세퍼레이터(12)는 리튬 이온의 이동이 가능하도록 미세 다공성 재질로 형성될 수 있다. 이러한 세퍼레이터(12)는 올레핀계(olefin) 또는 그 등가물로 형성 가능하다. 예를 들면, 폴리에틸렌(PE:Polyethylene) 또는 폴리프로필렌(PP:Polypropylene)으로 형성 가능하다.
그리고, 세퍼레이터(12)는 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성될 수 있다. 세퍼레이터(12)가 30㎛ 미만의 두께로 형성되면, 열융착 시 미세한 크랙(crack)이나 포어(pore)를 형성시킬 수 있다. 또한, 세퍼레이터(12)가 100㎛를 초과하는 두께로 형성되면, 저항이 커지고 전류 흐름이 저하된다는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 전극판과 세퍼레이터가 접착된 에지부를 나타내는 평면도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 세퍼레이터(12, 도 1 참조)가 하면에 접착된 상태의 양극판(11)을 상부에서 보면, 양극판(11)에 돌출 형성된 양극탭(16)을 제외하고, 양극판(11)과 세퍼레이터(12)는 동일한 크기로 형성된다. 이때, 음극판(13)도 양극판(11) 및 세퍼레이터(12)와 동일한 크기로 형성된다. 그리고, 세퍼레이터(12)와 양극판(11)의 에지부(14)는 일정 폭으로 접착된다. 도 2에서 접착된 에지부(14)의 폭을 나타내는 W1과 W2는 동일한 폭으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 에지부(14)를 따라 0.5㎜ 내지 3.0㎜의 폭으로 연속적으로 형성될 수 있다.
이때, 접착된 에지부(14)의 폭이 0.5㎜ 미만으로 형성되는 경우, 접착성능이 떨어져 얼라인 효과가 저하될 수 있다. 그리고, 접착된 에지부(14)의 폭이 3.0㎜를 초과하면, 전지의 용량이 떨어진다는 문제점이 있다. 따라서, 접착된 에지부(14)의 폭(W1, W2)은 0.5㎜ 내지 3.0㎜으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체를 나타내는 결합사시도이다.
도 3을 참조하면, 전극조립체(10)는 양극 활물질이 도포된 다수의 양극판(11) 및 음극 활물질이 도포된 다수의 음극판(13)이 교호적으로 배치되며, 각각의 사이에 세퍼레이터(12)가 개재되어 적층된다. 양극판(11)에는 일측에서 돌출되는 양극탭들(16)이 형성되며, 음극판(13)에는 양극탭들(16)과 같은 방향이지만 타측에서 돌출되는 음극탭들(17)이 형성된다.
이와 같은 스택형 전지를 구현할 시, 세퍼레이터(12)와 양극판(11)의 에지부(14)를 접착함에 의해 세퍼레이터(12)가 수축되는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 세퍼레이터(12)와 양극판(11)의 에지부(14)를 따라 연속적으로 접착하여 세퍼레이터(12)를 양극판(11)에 고정시킨다. 이에 의해 세퍼레이터(12)가 수축되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 양극판(11)과 세퍼레이터(12)를 얼라인하는 공정을 하지 않아도 되므로, 작업시간이 줄어들어 생산성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 전극조립체(10)는 외장재(20) 내부에 수용한다. 외장재(20)는 수용부(22) 및 수용부(22)를 밀봉하는 커버부(21)로 구성된 파우치 케이스일 수 있다.
파우치 케이스(20)는 통상적으로 알루미늄 박막의 상면과 하면에 나일론, 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 등의 합성수지로 덮여진 적층구조를 가지도록 형성된다. 그리고, 밀봉을 위해 파우치 케이스(20)의 내면은 열접착성 수지로 이루어진다. 따라서, 파우치 케이스(20)는 내면에 코팅된 열접착성 수지가 가열, 가압에 의하여 상호 융착되어 밀봉될 수 있다.
이러한 파우치 케이스(20)의 수용부(22)에 전극조립체(10)를 수납 시, 양극탭(16)에 접합된 양극리드탭(18) 및 음극탭(17)에 접합된 음극리드탭(19)는 파우치 케이스(20)의 외부로 일부가 노출된다. 이때, 파우치 케이스(20)와 맞닿는 양극리드탭(18) 및 음극리드탭(19)에는 파우치 케이스(20)와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연 상태를 확보하기 위한 절연테이프(18', 19')가 접착되어 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체를 나타내는 분해사시도이다. 도 5에서는 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체(10')는 세퍼레이터(12')가 양극판(11')과 음극판(13')의 에지부(14')에 교번적으로 접착된 상태로 적층한다.
즉, 하면에 세퍼레이터(12')가 접착된 양극판(11')의 상부에는 하면에 세퍼레이터(12')가 접착된 음극판(13')을 위치시킨다. 그리고, 그 상부에는 다시 하면에 세퍼레이터(12')가 접착된 양극판(11')을 위치시킨다. 이후, 그 상부에는 하면에 세퍼레이터(12')가 접착된 음극판(13')을 위치시키고, 다시 그 상부에는 하면에 세퍼레이터(12')가 접착된 양극판(11')을 위치시킨다. 이에 의해 전극조립체(10')는 양극판(11'), 세퍼레이터(12'), 음극판(13')이 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
이때, 양극판(11'), 음극판(13') 및 세퍼레이터(12')는 크기가 동일하게 형성되어, 세퍼레이터(12')와 양극판(11'), 및 세퍼레이터(12')와 음극판(13')의 에지부(14')를 따라 열융착 또는 접착제를 이용하여 접착된다.
이처럼, 에지부(14')를 접착함에 의해 양극판(11'), 세퍼레이터(12') 및 음극판(13')의 얼라인을 용이하게 할 수 있으며, 세퍼레이터(12')가 수축되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
10. 10' : 전극조립체 11, 11' : 제1 전극판
12, 12' : 세퍼레이터 13, 13' : 제2 전극판
14, 14' : 에지부 16, 16' : 제1 전극탭
17, 17' : 제2 전극탭 20 : 외장재

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 제1 전극판;
    적어도 하나의 제2 전극판; 및
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터;를 포함하되,
    상기 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터는 크기가 동일하게 형성되고,
    상기 제1 전극판 또는 제2 전극판 중 어느 하나 이상의 에지(edge)부와, 상기 에지부와 마주보고 있는 상기 세퍼레이터의 일 영역은 0.5㎜ 내지 3.0㎜의 폭으로 서로 연속적으로 접착된 상태로 적층되며,
    상기 에지부는 상기 전극판의 양면 중 적어도 일면의 가장자리를 따라 소정의 폭으로 연속적으로 형성되고,
    상기 세퍼레이터는 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 전극조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에지부는 열융착 또는 접착제에 의해 접착되는 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판 및 제2 전극판 중 음극을 띠는 전극판의 활물질로는 LTO가 사용되는 전극조립체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 올레핀(Olefin) 계열로 형성되는 전극조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene)으로 형성되는 전극조립체.
  11. 제1항, 제4항, 제5항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 기재된 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 수용하는 외장재;를 포함하는 이차 전지.
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