KR101493423B1 - 절취부를 포함하는 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 양극 시트와 음극 시트; 및 상기 양극 시트 및 음극 시트 사이에 개재되어 있는 제 1 분리 시트와, 상기 양극 시트 또는 음극 시트의 외면에 접하는 제 2 분리 시트; 를 포함하고,
상기 양극 시트 및 음극 시트는 시트의 일부가 절취된 절취부를 각각 포함하고 있으며,
상기 양극 시트, 제 1 분리 시트, 음극 시트 및 제 2 분리 시트를 권취한 권취체에는, 단차 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.
상기 단차는 디바이스의 곡률을 따라 형성되어, 종래의 전극조립체와 달리 디바이스 내부의 사공간을 활용함으로써, 디바이스의 부피당 용량을 향상시킬 수 있다.

Description

절취부를 포함하는 전극조립체 {Winding-typed Electrode Assembly of Stair Structure}
본 발명은 이차전지를 구성하는 전극조립체에 관한 것으로서, 절취부를 포함하는 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 권취형 전극조립체와 상기한 권취형 전극조립체를 제조할 수 있는 절취부를 포함하는 전극조립체를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 권취형 전극조립체는,
전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 양극 시트와 음극 시트; 및
상기 양극 시트 및 음극 시트 사이에 개재되어 있는 제 1 분리 시트와, 상기 양극 시트 또는 음극 시트의 외면에 접하는 제 2 분리 시트;
를 포함하고,
상기 양극 시트 및 음극 시트는 시트의 일부가 절취된 절취부를 각각 포함하고 있으며,
상기 양극 시트, 제 1 분리 시트, 음극 시트 및 제 2 분리 시트를 권취한 권취체에는, 단차 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 권취형 전극조립체는, 절취부를 포함하는 전극 탭이 형성된 구조의 양극 시트와 음극 시트의 사이와 상기 양극 시트 또는 음극 시트의 외면에 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트를 각각 적층하여 적층 시트를 형성하고, 상기 양극 시트 및 음극 시트의 일측 단부에 평판 형상 또는 원통 형상의 권취축을 위치시키고, 양극 시트 및 음극 시트의 타측 단부 방향으로 적층 시트를 권취하는 방법으로 제작할 수 있다.
상기 단차 구조는 권취 방향에 평행인 권취체의 폭 방향 및/또는 상기 권취 방향에 수직 방향인 권취체의 길이방향으로 형성되어 있을 수 있고, 상기 단차의 길이는 상기 양극 시트 및 음극 시트의 절취부의 폭 및/또는 높이에 따라 변할 수 있고, 상기 단차의 길이는 권취형 전극조립체가 내장된 전지셀이 장착된 디바이스의 곡률에 따라 변할 수 있다.
예를 들어, 상기 양극 시트 및 음극 시트가 사각형 형상인 경우, 여기서, 상기 절취부의 폭은, 권취 방향에서의 일변의 길이일 수 있고, 상기 절취부의 높이는 권취 방향에 수직인 방향에서의 일변의 길이일 수 있다.
구체적으로, 상기 절취부의 폭은 양극 시트의 폭을 기준으로 30 내지 70%의 크기일 수 있고, 상기 절취부의 높이는 양극 시트의 높이를 기준으로 30 내지 70%의 크기일 수 있다.
상기 절취부는 양극 시트의 폭의 30 내지 70%의 길이로 양극 시트 및 음극 시트의 일측 단부로부터 이격되어 형성되어 있을 수 있고, 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
이 때, 상기한 단차 구조를 형성하기 위해서, 각각의 절취부들은 상호 무게중심의 위치가 일치하는 닮음꼴 도형의 형상으로 이루어져 있을 수 있다. 상기 닮음꼴 도형의 닮음 비는 0.9 내지 1.1일 수 있다.
상기 단차 구조의 형태는 계단형 단차 구조 또는 나선형 단차 구조로서 나타날 수 있고, 상기 절취부는, 다각형, 원호, 원 또는 타원 형상일 수 있다.
계단형 단차 구조를 구현하기 위한 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 절취부는 하나의 사각형으로 이루어져 있을 수도 있다. 이 경우, 상기 양극 시트 및 음극 시트는 평면상‘ㄱ’자 형상일 수 있다. 또한, 상기 절취부는 둘 이상의 사각형들로 이루어져 있을 수도 있으며, 상기 둘 이상의 사각형들은 등 간격으로 이격되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 양극 시트 및 음극 시트는 평면상 요철 형상을 포함하고 있을 수 있다.
나선형 단차 구조를 구현하기 위한 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 절취부는 직각 삼각형으로 이루어져 있을 수 있고, 상기 직각 삼각형의 직각 모서리는 양극 시트 및 음극 시트의 타측 단부에 위치할 수 있다.
상기 절취부는, 상기 양극 시트 및 음극 시트뿐만 아니라, 상기 제 1 분리 시트 및 제 2 분리 시트에도 각각 형성되어 있을 수 있음은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기한 전극조립체가 전지 케이스 내에 내장되어 있는 구조로 이루어진 전지셀을 제공한다.
상기 전지 케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지 케이스일 수 있고, 또는, 각형 전지에 사용되는 금속 캔일 수 있다.
상기 라미네이트 시트의 전지 케이스와 금속 캔에는, 본 발명에 따른 권취형 전극조립체가 내장되는 수납부가 형성되어 있을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 권취형 전극조립체는, 디바이스의 곡률에 따라 변하는 계단형 단차 구조 또는 나선형 단차 구조를 포함하고 있으므로, 종래의 전극조립체와 달리 디바이스 내부의 사공간을 활용하여 디바이스의 부피당 용량을 향상시키는 효과가 있다.
도 1A 및 1B는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 3은 도 2의 전극조립체를 권취하여 형성한 권취형 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 도 3의 도면을 A 방향으로 바라본 전면도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 6은 도 5의 전극조립체를 권취하여 형성한 권취형 전극조립체의 모식도이다;
도 7은 도 6의 도면을 A 방향으로 바라본 전면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 9는 도 8의 전극조립체를 권취하여 형성한 권취형 전극조립체의 모식도이다;
도 10은 도 9의 도면을 A 방향으로 바라본 전면도이다.
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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전극조립체를 권취하여 형성한 권취형 전극조립체의 모식도가 도시되어 있으며, 도4에는 도 3의 도면을 A 방향으로 바라본 전면도가 도시되어 있다.
도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 전극조립체(700)는 양극 시트(100), 음극 시트(200), 제 1 분리 시트(310), 제 2 분리 시트(320), 및 절취부(400)로 이루어져 있다. 양극 시트(100)와 음극 시트(200) 사이에는 제 1 분리 시트(310)가 개재되어 있고, 음극 시트(200)의 후면에는 제 2 분리 시트(320)가 접해 있다. 양극 시트(100), 음극 시트(200), 제 1 분리 시트(310) 및 제 2 분리 시트(320)의 좌측 단부에는 직사각형 형태의 절취부(400)가 형성되어 있다.
이해의 편의를 돕기 위하여, 도 2를 포함한 도면들에서는 제 1 분리 시트(310)의 크기를 상대적으로 과장하여 작게 나타내었지만, 실제적으로 제 1 분리 시트(310)의 크기는 제 2 분리 시트(320)의 크기에 대응하여, 양극 시트(100) 및 음극 시트(200)를 덮을 수 있는 크기일 수 있다.
또한, 제 1 분리 시트(310)와 제 2 분리 시트(320)에 절취부(400)가 형성되어 있는 구조를 개시하고 있지만, 제 1 분리 시트(310)와 제 2 분리 시트(320)에 절취부(400)가 형성되어 있지 않은 구조 또한 가능함은 물론이다.
권취형 전극조립체(710)는 양극 시트(100), 음극 시트(200), 제 1 분리 시트(310), 및 제 2 분리 시트(320)가 우측 단부에서부터 화살표 방향으로 권취 개시되어, 좌측 단부에서 권취 종료됨으로써 형성된다.
권취형 전극조립체(710)는 절취부(400)에 의해 계단 구조의 단차를 포함하고 있다. 계단 구조는 권취형 전극조립체(710)의 외주면을 따라 형성되어 있다. 계단 구조의 폭(W2)은 절취부(400)의 폭(W1)에 비례하여, 절취부(400)의 폭(W1)이 증가하면, 계단 구조의 폭(W2)이 증가하고, 절취부(400)의 폭(W1)이 감소하면, 계단 구조의 폭(W2)은 감소한다. 계단 구조의 높이(H2)는 절취부(400)의 높이(H1)와 대응한다.
권취형 전극조립체(710)는 수직면 상 타원형으로 이루어져 있다. 제 1 타원(510)과 제 2 타원(520)은 같은 중심을 갖는 동심원 구조를 이루고 있다. 제 1 타원(510)과 제 2 타원(520)의 반지름의 차이(D1)는 계단 구조의 폭(W2)과 대응한다. 제 1 타원(510) 및 제 2 타원(520)은 권취 축(600)에 대해 상하 대칭을 이루고 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 전극조립체의 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 전극조립체를 권취하여 형성한 권취형 전극조립체의 모식도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 6의 도면을 A 방향으로 바라본 전면도가 도시되어 있다.
도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 전극조립체(800)의 양극 시트(100), 음극 시트(200), 제 1 분리 시트(310) 및 제 2 분리 시트(320)에는 이들의 좌측 단부로부터 직사각형 형태의 절취부(410, 420, 430, 440)들이 동일한 이격 거리를 가지고 형성되어 있다.
권취형 전극조립체(810)는 절취부(410, 420, 430, 440)들에 의해 계단 구조의 단차를 포함하고 있다. 계단 구조는 권취형 전극조립체(810)의 상면에만 형성되어 있다. 계단 구조의 폭(W4)은 절취부의 개수에 비례하여, 절취부가 추가로 형성되면, 계단 구조의 폭(W4)이 증가하고, 절취부가 감소하면, 계단 구조의 폭(W4)은 감소한다. 계단 구조의 높이(H4)는 절취부(400)의 높이(H3)와 대응한다.
권취형 전극조립체(810)는 수직면 상 타원형으로 이루어져 있다. 제 3 타원(530)과 제 4 타원(540)은 중심이 상이하고, 외주의 일부가 접한 상태로 제 4 타원(540) 안에 제 3 타원(530)이 내재되어 있는 구조를 이루고 있다. 제 4 타원(540)의 외주로부터 제 3 타원(530)의 외주까지의 거리(D2)는 계단 구조의 폭(W4)과 대응한다. 제 3 타원(530)은 권취 축(600)에 대해 상하 비대칭을 이루고 있고, 제 4 타원(540)은 권취 축(600)에 대해 상하 대칭을 이루고 있다. 상기한 구조를 제외한 나머지 구조는 도 2, 도 3, 및 도4에 언급한 실시예의 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 전극조립체를 권취하여 형성한 권취형 전극조립체의 모식도가 도시되어 있으며, 도 10에는 도 9의 도면을 A 방향으로 바라본 전면도가 도시되어 있다.
도 8, 도 9, 및 도 10을 참조하면, 전극조립체(900)는 양극 시트(100), 음극 시트(200), 제 1 분리 시트(310) 및 제 2 분리 시트(320)의 좌측 단부에 직삼각형 형태의 절취부(450)가 형성되어 있다. 권취형 전극조립체(910)는 절취부(450)에 의해 나선 구조의 단차를 포함하고 있다. 나선 구조는 권취형 전극조립체(910) 외주면을 따라 원뿔대 형상과 유사하게 형성되어 있다.
나선 구조의 폭(W6)은 권취형 전극조립체(910)의 전면 단부 방향으로 갈수록 연속적으로 좁아지는 구조로 되어 있다. 나선 구조의 높이(H6)는 절취부(450)의 높이(H5)와 대응한다.
권취형 전극조립체(910)는 수직면 상 타원형으로 이루어져 있다. 제 5 타원(530)과 제 6 타원(540)은 같은 중심을 갖는 동심원 구조를 이루고 있다. 제 5 타원(550)과 제 6 타원(560)의 사이에는 나선 구조가 형성되어 있다. 상기한 구조를 제외한 나머지 구조는 도 2, 도 3, 및 도4에 언급한 실시예의 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 양극 시트와 음극 시트; 및
    상기 양극 시트 및 음극 시트 사이에 개재되어 있는 제 1 분리 시트와, 상기 양극 시트 또는 음극 시트의 외면에 접하는 제 2 분리 시트;
    를 포함하고,
    상기 양극 시트 및 음극 시트는 시트의 일부가 절취된 절취부를 각각 포함하고,
    상기 양극 시트, 제 1 분리 시트, 음극 시트 및 제 2 분리 시트를 권취한 권취체에는, 단차 구조가 형성되어 있으며,
    상기 각각의 절취부들은 무게중심의 위치가 일치하는 닮음꼴 도형의 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리 시트 및 제 2 분리 시트에도 절취부가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단차 구조는 권취 방향에 평행인 권취체의 폭 방향 및/또는 상기 권취 방향에 수직인 방향인 권취체의 길이방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단차는, 양극 시트 및 음극 시트의 절취부의 폭 및/또는 높이에 따라 길이가 변하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단차 구조는 계단형 단차 구조 또는 나선형 단차 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 닮음꼴 도형들의 닮음 비는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부의 폭은 양극 시트의 폭을 기준으로 30 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부의 높이는 양극 시트의 높이를 기준으로 30 내지 70%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부는 양극 시트의 폭의 30 내지 70%의 길이로 양극 시트 및 음극 시트의 일측 단부로부터 이격되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 절취부는 다각형, 원호, 원, 또는 타원 형상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 절취부는 하나의 사각형으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 절취부는 둘 이상의 사각형들로 이루어져 있고, 상기 둘 이상의 사각형들은 등 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 절취부는 직각 삼각형으로 이루어져 있고, 상기 직각 삼각형의 직각 모서리는 양극 시트 및 음극 시트의 타측 단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전지 케이스 내에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지 케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지 케이스, 또는 각형 전지에 사용되는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트의 전지 케이스와 금속 캔은 권취형 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 수납부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 절취부를 포함하는 전극 탭이 형성된 구조의 양극 시트와 음극 시트의 사이와 상기 양극 시트 또는 음극 시트의 외면에 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트를 각각 적층하여 적층시트를 형성하고,
    상기 각각의 절취부들은 무게중심의 위치가 일치하는 닮음꼴 도형의 형상으로 이루어져 있으며,
    상기 적층시트의 타측 단부에 평판 형상 또는 원통 형상의 권취축을 위치시키고, 적층 시트의 일측 단부 방향으로 적층시트를 권취하여 권취체의 길이방향을 따라 단차 구조가 형성되어 있는 전극조립체를 제조하는 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 분리 시트 및 제 2 분리 시트에도 절취부가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
  21. 삭제
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 닮음꼴 도형들의 닮음 비는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
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