KR101483505B1 - 단차 구조가 형성된 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극 탭이 형성되어 있는 구조의 둘 이상의 전극판들; 및 상기 전극판들 사이에 개재되는 분리판 및/또는 상기 전극판들 사이에 개재되고 전극 탭 비형성 부위인 전극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 분리 시트를 포함하고, 서로 반대 극성을 가진 전극판들은 분리판 및/또는 분리 시트를 사이에 두고 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있으며, 상기 전극판들의 적층체는 서로 다른 크기의 전극판들을 포함하고, 상호 대면하고 있는 서로 다른 크기의 전극판들의 두께 차이의 절대값은, 0 내지 79 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체에 관한 것이다.

Description

단차 구조가 형성된 전극조립체 {Stepped Electrode Assembly}
본 발명은 이차전지를 구성하는 전극조립체에 관한 것으로서, 상세하게는 단차 구조가 형성된 전극조립체에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
상기한 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1A 및 1B에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1A를 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1A에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 1B에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1A 및 1B는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1A 및 도 1B는, 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 1A 및 도 1B에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있다.
이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩은 디바이스 내부의 공간 활용도에 한계가 있다는 문제가 있다.
즉, 곡선 처리된 부분에는 전지셀이 장착될 수 없는 사공간(dead space)이 형성된다. 이러한 사공간은, 종국에는 디바이스 부피 당 용량이 저하시키는 문제가 있다.
본 출원의 발명자들은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시킬 수 있는 전극조립체를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,
전극 탭이 형성되어 있는 구조의 둘 이상의 전극판들; 및 상기 전극판들 사이에 개재되는 분리판 및/또는 상기 전극판들 사이에 개재되고 전극 탭 비형성 부위인 전극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 분리 시트를 포함하고,
서로 반대 극성을 가진 전극판들은 분리판 및/또는 분리 시트를 사이에 두고 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있으며,
상기 전극판들의 적층체는 서로 다른 크기의 전극판들을 포함하고,
상호 대면하고 있는 서로 다른 크기의 전극판들의 두께 차이의 절대값은, 0 내지 79 ㎛인 것을 특징으로 한다.
상기에서, 평면은 지면 또는 지면에 수직한 평면일 수 있고, 예를 들어,“평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층된다”는 것은, 극판들이 지면으로부터 중력 방향 및/또는 중력 반대 방향으로 적층될 수 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 극판들의 적층 방향은 중력 방향 및/또는 중력 반대 방향일 수 있다.
상기한 전극판의 두께는 전해액이 함침되는 공극도(porosity)를 고려하여 설계되어야 한다. 종래의 전극 조립체의 경우, 전해액의 함침속도가 일정할 수 있으나, 본 발명과 같이 서로 다른 크기의 전극판들을 포함하여 단차가 형성된 전극조립체의 경우에는, 전해액의 함침속도에 차이가 있다. 이러한 차이를 보상하기 위해서, 본 발명은 서로 다른 크기의 전극판들 사이의 두께 차이의 절대값을 0 내지 79 ㎛ 로 설계하였고, 상기한 범위 내에서 전해액이 서로 다른 크기의 전극판들로 일정한 속도로 함침될 수 있음을 확인하였다.
상기에서, 서로 반대 극성을 가진 전극판들은, 양극판과 음극판일 수 있고, 서로 다른 크기의 양극판과 음극판의 대항비(N/P ratio)는 1.0 이상 내지 1.1 미만인 것을 특징으로 한다. 상기한 대항비 범위 내에서, 서로 다른 크기의 양극판과 음극판의 두께는 변할 수 있고, 본 발명에 따른 하나의 비제한적인 실시예에서, 서로 다른 크기의 양극판에 대한 음극판의 두께의 비는 0.5 내지 2.0 일 수 있다.
0.5 미만인 경우에는 양극의 리튬 이온을 받을 수 있는 음극의 자리가 부족하여 리튬이온이 석출되어 성능 및 설계한 용량 대비 낮은 용량을 보일 수 있고, 2를 초과할 경우에는 초기 충전 시 리튬 이온을 받을 수 있는 음극의 Site가 많아 비가역 용량이 커지고 설계한 용량 대비 실제 용량이 낮으며 과도한 량의 음극이 사용되어 전지 밀도대비 용량의 효율인 에너지 밀도가 낮아질 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 서로 다른 크기의 양극판과 음극판의 두께의 비는 적층 방향을 따라 점차 증가할 수도 있고, 감소할 수도 있다. 바람직하게는, 상기 두께의 비는 적층 방향을 따라 점차 증가할 수 있다.
종래에는 양극판과 음극판의 대항비는 1.1 이상인 것이 일반적이다. 그러나, 상기한 대항비는 서로 실질적으로 동일한 크기를 가진 양극판과 음극판들 사이의 반응 밸런스(valence)를 맞추기 위한 것이므로, 본 발명의 전극 조립체와 같이 서로 다른 크기의 전극판들 사이의 두께 차이로 인해서 단차가 형성되는 경우에는, 일률적으로 적용하기 어렵다.
상기에서, 실질적으로 동일한 크기를 가진 양극판과 음극판은 본 발명과 달리 단차가 형성되어 있지 않은 종래의 전극 조립체를 구성하는 양극판과 음극판을 의미하는 것으로서, 종래 기술로서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 양극판과 음극판의 크기 차이는 실질적 동일의 개념에 포함된다.
상기한 일반적인 대항비를 본 발명에 단순히 적용한 경우, 충전 시 과량의 리튬 이온이 석출되어 안전성이 급격히 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자, 본 발명은, 서로 다른 크기의 양극판과 음극판의 대항비가 1.0 이상 내지 1.1 미만인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 양극판은, 양극 집전체 상에 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 구조일 수 있고, 양극 집전체의 일면에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 일면 양극판들과 양극 집전체의 양면에 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 양면 양극판들로 이루어져 있을 수 있다.
상기 일면 양극판의 양극 집전체의 두께와 양면 양극판의 두께는 동일할 수도 있고, 일면 양극판의 양극 집전체의 두께가 양면 양극판의 두께에 비해 두꺼울 수도 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 일면 양극판의 양극 집전체의 두께와 양면 양극판의 양극 집전체의 두께의 비는, 2.5: 1 내지 1.5:1 일 수 있다. 더욱 구체적으로는 2 : 1 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 일면 양극판의 양극 집전체의 두께는, 양면 양극판의 양극 집전체의 두께에 비해 두꺼울 수 있다. 이 경우, 양극 집전체 상에 양극 슬러리 층이 형성된 양극판을 압연(roll press)할 때, 일면 양극판이 벤딩(bending)되는 현상을 막을 수 있다. 이는 양품성 및 공정성을 향상시키는 등의 장점이 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 일면 양극판의 최대 두께는, 87 내지 92 ㎛이고, 상기 일면 양극판의 최소 두께는, 70 내지 74 ㎛일 수 있으며, 상기 양면 양극판의 최대 두께는, 128 내지 133 ㎛이고, 상기 양면 양극판의 최소 두께는, 91 내지 99 ㎛일 수 있다.
상기 일면 양극판의 경우, 양극 슬러리의 로딩량은, 16 mg/cm2 내지 22 mg/cm2 의 범위 내일 수 있고, 상기 양면 양극판의 경우, 양극 슬러리의 로딩량은, 32 mg/cm2 내지 44 mg/cm2 의 범위 내일 수 있다.
상기 음극판은, 음극 집전체 상에 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 구조일 수 있고, 음극 집전체의 일면에만 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 일면 음극판들과 음극 집전체의 양면에 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 양면 음극판들로 이루어져 있을 수 있다.
마찬가지로, 상기 일면 음극판의 음극 집전체의 두께와 양면 음극판의 두께는 동일할 수도 있고, 일면 음극판의 양극 집전체의 두께가 양면 음극판의 두께에 비해 두꺼울 수도 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 일면 음극판의 음극 집전체의 두께와 양면 음극판의 음극 집전체의 두께의 비는, 2.5: 1 내지 1.5:1 일 수 있고, 더욱 구체적으로, 2 : 1 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 일면 음극판의 음극 집전체의 두께는, 양면 음극판의 음극 집전체의 두께에 비해 두꺼울 수 있다. 이 경우, 음극 집전체 상에 음극 슬러리 층이 형성된 음극판을 압연(roll press)할 때, 일면 음극판이 벤딩(bending)되는 현상을 막을 수 있다. 이는 양품성 및 공정성을 향상시키는 등의 장점이 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 일면 음극판의 최대 두께는, 86 내지 91 ㎛이고, 상기 일면 음극판의 최소 두께는, 67 내지 70 ㎛이며, 상기 양면 음극판의 최대 두께는, 139 내지 149 ㎛이고, 상기 양면 음극판의 최소 두께는, 101 내지 108 ㎛일 수 있다.
상기 일면 음극판의 경우, 음극 슬러리의 로딩량이 7.7 mg/cm2 내지 10.5 mg/cm2 의 범위 내일 수 있고, 상기 양면 음극판의 경우, 음극 슬러리의 로딩량이, 15.4 mg/cm2 내지 21 mg/cm2 의 범위 내일 수 있다.
상기 상호 대면하는 서로 다른 크기의 전극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 전극판은 음극판일 수 있다. 이 때, 상기 음극판은, 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 음극판과 대면하는 양면에 음극 슬러리 층이 형성되어 있으며, 상기 음극 슬러리 층은, 대면하는 양극판의 양극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있을 수 있다.
분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 인접하고 있는 전극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 전극판이 음극판인 경우에는, 상기 음극판은, 외부로부터 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 관통하게 되는 경우, 안전 부재로 작용하여, 일차적으로 미세 단락을 유발하므로, 전지의 발화 및 폭발을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이러한 음극판의 안전 부재로서의 기능은, 전지모듈 또는 전지팩을 구성하는 하나의 전지의 발화 및 폭발이 전지모듈 및 전지팩 전체의 발화 및 폭발로 연결될 수 있는 전지모듈 및 전지팩에서 특히 중요하다.
또한, 분리 시트를 사이에 두고 인접하고 있는 전극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판이 음극판인 경우에는, 분리 시트를 사이에 두고 인접하고 있는 전극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 전극판이 양극판인 경우에 비해, 충방전 시 수지상 성장을 최소화할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상대적으로 크기가 큰 전극판이 양극판일 수도 있다. 이 경우, 상기 양극판은, 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 음극판과 대면하는 양면에 양극 슬러리 층이 형성되어 있으며, 상기 양극 슬러리 층은, 대면하는 음극판의 음극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있을 수 있다.
상기 전극판들의 적층체는, 최하단에 일면 양극판 또는 일면 음극판이 적층된 구조일 수 있다.
구체적으로, 최하단에 일면 음극판이 적층되어 있는 경우, 상기 일면 음극판은 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 양극판과 대면하는 일면에만 음극 슬러리 층이 형성되어 있을 수 있고, 이 때, 상기 음극 슬러리 층은, 대면하는 양극판의 양극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있을 수 있다.
또한, 최하단에 일면 양극판이 적층되어 있는 경우, 상기 일면 양극판은 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있으며, 상기 양극 슬러리 층은, 대면하는 음극판의 음극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있을 수 있다.
상기 전극판의 모서리들은 모두 직각으로 처리되어 있을 수도 있고, 적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있을 수도 있다. 더욱 구체적으로, 평면상 사각형 형상의 전극판의 4개의 모서리들 중 적어도 하나는 곡선을 이루고 있을 수 있다. 상기와 같이 적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있는 경우, 낙하 시 곡선 처리된 모서리에 가해지는 충격이 완화될 수 있으므로, 낙하 안전성이 향상되는 효과가 있다.
상기 분리 시트는, 전극판의 측면을 감싼 상태로 양극판과 음극판 사이에 개재되므로, 반복되는 충방전으로 인해 전극판들과 분리 시트 간의 계면 접촉을 견고하게 유지할 수 있다. 구체적으로, 분리 시트를 권취할 때 발생하는 인장력은 전극판과 분리 시트 간의 계면을 밀착하는 압력을 제공할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 분리 시트는, 상기한 적층체의 일부 또는 전부의 외주면을 감싸고 있을 수도 있다. 이 때, 분리 시트의 말단은 열융착되거나 테이프가 붙어져 고정될 수 있다.
또한, 상기한 적층체를 구성하는 전극판의 측면을 감싸고 있는 분리 시트는서로 다른 크기의 전극판들의 측면에 밀착되지 않고, 소정의 거리로 이격되어 있을 수 있다. 따라서, 이 경우, 측면으로부터 이격되어 있는 부분을 절단하거나 열처리하여 분리 시트들이 전극판의 측면에 밀착되도록 할 수 있다.
상기 전극판의 형상은, 특별히 한정되지 않으므로, 평행 육면체 형상일수도 있고, 평면상 다각형, 원형 등일 수 있다. 상기 전극판은 평판상일 수도 있고, 곡면을 가진 판상일 수도 있다. 상세하게는, 상기 전극판은, 전폭, 전장 및 전고를 갖는 평행 육면체 형상일 수 있다. 상기 평행 육면체는 평면상 사각형 형상일 수 있다.
상기 전극판들은 2 개 이상의 전극판들로 이루어져 있고, 이것들은 모두 크기가 상이할 수도 있고, 하나의 전극판이 동일한 크기의 나머지 전극판들과 크기가 상이할 수도 있으며, 동일한 크기의 전극판(A) 2개 이상과 상기 전극판(A)와 크기가 다른 동일한 크기의 전극판(B) 2개 이상의 조합일 수도 있으며, 동일한 크기의 전극판(A) 2개 이상과 상기 전극판(A)와 크기가 다른 동일한 크기의 전극판(B) 2개 이상 및 상기 전극판(A) 및 전극판(B)와 서로 크기가 다른 동일한 크기의 전극판(C) 2개 이상의 조합일 수도 있다.
본 발명은 상기한 전극 조립체가 전지 케이스 내에 내장되어 전해질로 함침되고 밀봉된 구조로 이루어진 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 전지 케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스로서, 본 발명에 따른 계단 구조의 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체가 내장되는 수납부가 형성되어 있을 수 있고, 상기 수납부는 본 발명에 따른 계단 구조의 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체의 형상에 대응하는 계단 구조의 형상을 가질 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 하나의 디바이스의 전원 또는 동력원으로 사용될 수 있다. 다만 이들에 한정되는 것은 아니다.
전지셀의 구조 및 제작방법 또는 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 디바이스의 곡률에 따라 변화하는 계단 구조를 포함하고 있으므로, 종래의 전극 조립체와 달리 디바이스 내부의 사공간을 활용하여 디바이스의 부피당 용량을 향상시키는 효과가 있다.
도 1A 및 1B는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체를 구성하는 극판과 분리판의 사시도와 수직 단면도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 4 및 도 5는 최상단 극판과 최하단 극판의 극성이 상이한 단위셀의 수직 단면도의 모식도이다;
도 6은 최상단 극판과 최하단 극판의 극성이 동일한 단위셀의 수직 단면도의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 조립체의 수직 단면도의 모식도이다;
도 8은 도 7의 전극 조립체의 전개도의 모식도이다;
도 9 내지 도 12는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전극 조립체의 수직 단면도이다.
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 2 내지 도 3에는 본 발명에 따른 전극 조립체를 구성하는 양극판(130), 음극판(170) 및 분리판(150)이 모식적으로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 양극판(130)은 양극 집전체(136)상에 양극 슬러리(132)가 도포되어 있는 구조이고, 음극판(170)은 음극 집전체(172)에 음극 슬러리(176)가 도포되어 있는 구조이다.
도 2의 양극판(130)은 양극 슬러리(132)가 양극 집전체(136)의 상하 양면에 도포되어 있고, 음극판(170)은 음극 슬러리(172)가 음극 집전체(176)의 상하 양면에 도포되어 있다. 도 2의 내지 도 3의 양극판(130) 및 음극판(170)은 전장(L1), 전폭(S1), 전고(H)를 가진 평행 직육면체의 형상으로 이루어져 있다.
도 4 내지 도 6에는 도 3의 양극판(130)과 음극판(170)이 분리판(150)을 사이에 두고 적층면과 평행한 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 교대로 적층되어 있는 전극 조립체들(300, 400)의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4 및 도 5의 전극 조립체들(210, 220, 230, 240, 250)은 적층된 전극판들 중에서 최상단의 전극판과 최하단의 전극판의 극성이 서로 상이하다. 도 6의 전극 조립체들(310, 320, 330)은 적층된 전극판들 중에서 최상단의 전극판과 최하단의 전극판의 극성이 서로 동일하다.
전극 조립체(220, 250, 330)은 최하단에 적층되어 있는 양극판은, 상단에 적층된 분리판과 직접 접촉하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있다.
도 7에는 도 4 및 도 5의 전극 조립체들로만 구성한 본 발명에 따른 전극 조립체의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 최하단에는, 동일한 전폭을 가지고 전극 조립체들(300B, 300D, 300F, 300H)에 비해 가장 전폭이 긴 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A)가 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 순서대로 적층되어 있고, 전극 조립체(300A)의 상단에는, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A)에 비해 전폭이 짧고, 동일한 크기의 전폭을 갖는 전극 조립체들(300B, 300D)가 순서대로 적층되어 있으며, 전극 조립체(300D)의 상단에는, 전극 조립체들(300B, 300D)에 비해 전폭이 짧고 동일한 전폭을 갖는 전극 조립체들(300F, 300H)가 순서대로 적층되어 있다.
이 때, 최하단의 전극 조립체(300I)는 도 3 및 도 4의 전극 조립체들(220, 250)일 수 있다.
전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 일측면 또는 대향면이 일치 또는 동일 평면 상에 존재하도록 적층되어 있다.
전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 일면 및 대향면과 일측면 및 대향 측면은 분리 필름(450)으로 감싸여 있고, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면 또한 분리 필름(450)으로 감싸여 있다.
분리 필름(450)은 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면을 감싼 후, 열 융착으로 고정되거나, 테이프로 고정될 수 있다. 도 7에서, 분리 필름(450)은 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면을 감싼 후, 테이프로 고정되어 있다.
도 8에는, 도 7의 전극 조립체의 전개도가 개시되어 있다. 구체적으로, 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)는, 가장 큰 전장(L1)을 가진 전극 조립체들(300A, 300C, 300E, 300I)에 대응하는 폭(L2)를 가진 분리 필름 상에 분리 필름(450)의 길이(S2) 방향을 따라,
전극 조립체(300A)가 그것의 전폭(S1) 및 전극 조립체(300B)의 높이를 합한 거리만큼, 전극 조립체(300B)와 이격되고, 전극 조립체(300C)가 전극 조립체들(300A, 300B)의 높이와 분리 필름의 두께를 합한 거리만큼 전극 조립체(300B)와 이격되는 방식으로, 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)가 소정의 거리로 이격된 상태로, 순서대로 분리 필름(450)에 배열되어 있고, 전극 조립체(300A)가 권취 개시점에 위치하며, 전극 조립체(300I)가 권취 종료점에 위치되어 있다.
이렇게 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)가 배열되어 있는 분리 필름을 권취함으로써, 도 7의 전극 조립체를 제작할 수 있다.
도 8에서 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)는, 평면 상, 모서리들 중 하나가 곡선을 이루고 있다. 물론, 평면 상 모서리들이 직각을 이루고 있는 경우에도 도 8과 같이 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)를 배열하여 도 7의 전극 조립체를 제작할 수 있음은 물론이다.
도 8에서, 전극 조립체들(300A, 300C, 300E, 300G, 300I)의 전극탭들의 전폭은, 전극 조립체들(300B, 300D)의 전극탭들의 전폭에 비해 크다. 마찬가지로, 전극 조립체들(300B, 300D)의 전극탭들의 전폭은 전극 조립체들(300F, 300H)의 전극탭들의 전폭에 비해 크다.
구체적으로, 전극 조립체(300E)와 전극 조립체(300F)의 각각의 양극탭들(138E, 138F)의 전폭은 서로 상이하다. 다만, 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)의 전극탭들의 전폭은 동일할 수도 있다.
도 8에는 분리 시트(450)가 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 일면 및 대향면과 일측면 및 대향 측면을 감싸는 길이(S2)를 갖는 것처럼 표현되어 있으나, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면을 감쌀 수 있는 길이를 가질 수 있음은 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.
도 7에서, 전극 조립체(300A)와 전극 조립체(300B)의 적층면에는, 전극 조립체(300A)와 전극 조립체(300B)의 전폭의 차이만큼의 공간이 형성된다. 또한, 전극 조립체(300D)와 전극 조립체(300F)의 적층면에도, 전극 조립체(300D)와 전극 조립체(300F)의 전폭의 차이만큼의 공간이 형성된다. 따라서, 전극 조립체들(300A, 300B, 300F)의 적층면에는, 폭과 높이가 있는 계단 구조가 형성된다. 폭은 전극 조립체들(300A, 300B, 300F)의 전폭의 차이에 따라 변할 수 있다. 이러한 계단 구조의 폭을 구성하는 전극판은 음극판이다.
이와 관련하여, 도 7의 전극 조립체는, 도 4 및 도 5의 적층형 적극 조립체들을 사용한 경우이므로, 전폭이 다른 경우로 설명된 것일 뿐이다. 따라서, 전폭이 상이한 경우뿐만 아니라, 전장이 상이한 경우에도 전장의 차이만큼의 폭이 형성될 수 있음은 상기한 설명으로부터 당업자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 도 7에서, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 높이가 모두 동일하므로, 2개의 전극 조립체들(300B, 300D)의 높이의 합은, 4개의 전극 조립체들(300I, 300G, 300C, 300A)의 높이의 합보다 작다. 그 결과, 도 7의 전극 조립체는 높이 차이가 있는 계단 구조를 포함하고 있다. 이러한 폭과 높이는, 곡선 처리된 디바이스의 곡률에 따라 변화할 수 있음은 전술한 바와 같다.
이와 관련하여, 도 11을 참조하면, 도 11에는 도 4 내지 도 6의 적층형 적극 조립체들로 구성한 본 발명에 따른 전극 조립체의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7의 전극 조립체와의 차이점은, 최하단에는, 동일한 전폭을 가지고 전극 조립체들(300A, 400B, 400D)에 비해 가장 전폭이 긴 전극 조립체들(300E, 400C)가 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 순서대로 적층되어 있고, 전극 조립체(400C)의 상단에는, 전극 조립체들(300E, 400C)에 비해 전폭이 짧은 전극 조립체(300A)가 적층되어 있으며, 전극 조립체(300A)의 상단에는, 전극 조립체(300A)에 비해 전폭이 짧고 동일한 전폭을 갖는 전극 조립체들(400B, 400D)가 순서대로 적층되어 있다는 점이다.
또한, 분리 필름(450)이 전극 조립체들(300E, 400C, 300A, 400B, 400D)의 일면 및 대향면과 일측면 및 대향 측면에 밀착되어 있다는 점이다. 구체적으로, 점선으로 표시된 원 영역(II)들을 참조하면, 분리 필름(450)은 전극 조립체들(300E, 400C, 300A, 400B, 400D)의 계단 구조가 형성되어 있는 일측면 또는 대향면에 밀착하기 위해, 절단되어 있음을 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 전극 조립체들(300E, 400C)의 적층 구조물과 전극 조립체(300A)의 꼭지점에 모두 접하는 직선(Y)와 가장 큰 전폭을 갖는 전극 조립체들(300E, 400C)의 일측면 또는 대향 측면에 접하는 임의의 수직선(X) 사이의 각도는, 전극 조립체들(400B, 400D)의 적층 구조물과 전극 조립체(300A)의 꼭지점에 모두 접하는 직선(Z)와 수직선(X) 사이의 각도에 비해 작다. 그러나, 이러한 각도는, 디바이스의 곡률에 따라 변할 수 있는 것이다.
도 9는, 평면을 기준으로, 최상단과 최하단의 전극판의 극성이 동일한 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I)이 높이 방향 및 높이 반대 방향의 양방향으로 적층되어 있는 점에서 도 7의 전극 조립체와 차이가 있다. 이 때, 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I)은 각각, 양극판, 음극판일 수도 있다.
또한, 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I)은 일측면 및 대향 측면이 불일치 또는 동일 평면 상에 존재하지 않는다는 점에서 차이가 있다.
도 10은, 평면의 전극 조립체는, 최상단과 최하단의 전극판의 극성이 동일한 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H)이 평면을 기준으로 높이 방향 또는 높이 반대 방향으로만 적층되어 있는 점에서 도 9와 차이가 있다.
또한, 분리 필름(450)이 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H)의 일측면 또는 대향 측면만을 감싸고 있는 점에서 도 9의 전극 조립체와 차이가 있다.
도 12는 도 4 내지 도 6의 적층형 적극 조립체들로 전극 조립체를 구성한 점에서는, 도 11과 동일하지만, 분리 필름(450)에 열을 가하여 전극 조립체들(300A, 400B, 300C, 400D, 400E)의 계단 구조가 형성되어 있는 일측면 또는 대향 측면에 밀착시킨 점에서 차이가 있다(점선 원(I) 참조).
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (31)

  1. 전극 탭이 형성되어 있는 구조의 둘 이상의 전극판들; 및 상기 전극판들 사이에 개재되는 분리판 및/또는 상기 전극판들 사이에 개재되고 전극 탭 비형성 부위인 전극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 분리 시트를 포함하고,
    서로 반대 극성을 가진 전극판들은 분리판 및/또는 분리 시트를 사이에 두고 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있으며,
    상기 전극판들의 적층체는 서로 다른 크기의 전극판들을 포함하고,
    상호 대면하고 있는 서로 다른 크기의 전극판들의 두께 차이의 절대값은, 0 내지 79 ㎛이고,
    서로 다른 크기의 양극판에 대한 음극판의 두께의 비는 적층 방향을 따라 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 크기의 양극판과 음극판의 대항비(N/P ratio)는 1.0 이상 내지 1.1 미만 인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극판들은, 양극 집전체 상에 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 양극판들과 음극 집전체 상에 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 음극판들로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 양극판은 양극 집전체의 일면에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 일면 양극판들과 양극 집전체의 양면에 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 양면 양극판들로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 일면 양극판의 양극 집전체의 두께는, 양면 양극판의 두께에 비해 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 일면 양극판의 양극 집전체의 두께와 양면 양극판의 양극 집전체의 두께의 비는, 2.5: 1 내지 1.5:1 인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 일면 양극판의 최대 두께는, 87 내지 92 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 양면 양극판의 최대 두께는, 128 내지 133 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 일면 양극판의 최소 두께는, 70 내지 74 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 양면 양극판의 최소 두께는, 91 내지 99 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 일면 양극판은, 로딩량이 16 mg/cm2 내지 22 mg/cm2 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 양면 양극판은, 로딩량이, 32 mg/cm2 내지 44 mg/cm2 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제 3 항에 있어서, 상기 음극판은 음극 집전체의 일면에만 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 일면 음극판들과 음극 집전체의 양면에 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 양면 음극판들로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 일면 음극판의 음극 집전체의 두께는, 양면 음극판의 두께에 비해 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 일면 음극판의 음극 집전체의 두께와 양면 음극판의 음극 집전체의 두께의 비는, 2.5: 1 내지 1.5:1 인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 일면 음극판의 최대 두께는, 86 내지 91 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 양면 음극판의 최대 두께는, 139 내지 149 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 일면 음극판의 최소 두께는, 67 내지 70 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 양면 음극판의 최소 두께는, 101 내지 108 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 일면 음극판은, 로딩량이 7.7 mg/cm2 내지 10.5 mg/cm2 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 양면 음극판은, 로딩량이, 15.4 mg/cm2 내지 21 mg/cm2 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 상호 대면하는 서로 다른 크기의 전극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 전극판은 음극판인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 음극판은 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 음극판과 대면하는 양면에 음극 슬러리 층이 형성되어 있으며, 상기 음극 슬러리 층은, 대면하는 양극판의 양극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제 1 항에 있어서, 상호 대면하는 서로 다른 크기의 전극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 전극판은 양극판이고, 상기 양극판은 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 음극판과 대면하는 양면에 양극 슬러리 층이 형성되어 있으며, 상기 양극 슬러리 층은, 대면하는 음극판의 음극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 전극판들의 적층체는, 일면 음극판이 최하단에 적층되어 있고, 상기 일면 음극판은 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 양극판과 대면하는 일면에만 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 음극 슬러리 층은, 대면하는 양극판의 양극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 전극판들의 적층체는, 일면 양극판이 최하단에 적층되어 있고, 상기 일면 양극판은 분리판 또는 분리 시트를 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있으며, 상기 양극 슬러리 층은, 대면하는 음극판의 음극 슬러리 층이 형성된 부위에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 전극판은 모서리들 중 적어도 하나의 모서리가 곡선을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 시트는, 상기 전극판들의 전극 탭 비형성 부위인 전극판의 측면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  30. 삭제
  31. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 하나에 따른 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차전지.
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