KR101556088B1 - 젤리-롤형 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체로서, 각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극 중에서 양극은 다수의 단위 시트들로 이루어져 있고, 음극은 양극의 단위 시트들의 길이 총합과 동일 내지 그 이상의 길이를 가진 하나의 시트로 이루어져 있으며, 상기 음극은 양극이 탑재된 상태에서 단위 시트의 길이에 대응하는 간격으로 권취되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

젤리-롤형 전극조립체 {JELLY-ROLL TYPE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 개선된 젤리-롤형 전극조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체로서, 각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극 중에서 양극은 다수의 단위 시트들로 이루어져 있고, 음극은 양극의 단위 시트들의 길이 총합과 동일 내지 그 이상의 길이를 가진 하나의 시트로 이루어져 있고, 상기 음극은 양극이 탑재된 상태에서 단위 시트의 길이에 대응하는 간격으로 권취되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다.
그러나, 이러한 종래의 전극조립체는 몇가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 젤리-롤 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 된다. 상기 전극조립체의 변형으로, 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다. 또한, 양극의 단위 면적당 활물질 로딩(loading) 양이 많거나, 재료의 특성에 의해 시트형의 양극과 음극을 권취할 경우에, 접히는 부분에 균열이 발생하거나 끊어지는 경우가 발생하고, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 있다.
둘째, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 생산성이 낮다는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호, 제2001-0082060호 등에 개시되어 있다.
도 1 및 도 2에는 이러한 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조 및 제조 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 단위 셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 적층된 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 분리막 시트(20)가 개재되어 있다. 분리막 시트(20)는 풀셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀셀(10)로부터 시작되어 최외각의 풀셀(14)까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸서 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 분리막 시트(20)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(25) 등을 붙여서 마무리한다.
이러한 스택/폴딩형 전극조립체는, 예를 들어, 긴 길이의 분리막 시트(20) 상에 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)을 배열하고 분리막 시트(20)의 일 단부(21)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다.
이 때, 단위 셀인 풀셀들의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(10)의 외면이 분리막 시트(20)로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(10)의 하단면 전극이 제 2 풀셀(11)의 상단면 전극에 접하게 된다.
제 2 풀셀 이후의 풀셀들(11, 12, 13, 14 …)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리막 시트(20)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 풀셀들의 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 3 풀셀(12)은 상단면 전극이 음극인 풀셀이며, 제 4 풀셀(13)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 5 풀셀(14)은 상단면 전극이 음극인 풀셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 풀셀(10)을 제외하면 상단면 전극이 양극인 풀셀과 상단면 전극이 음극인 풀셀이 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다. 한편, 도시되어 있지 않지만, 단위 셀이 바이셀인 경우에는 바이셀이 두 개의 단위로 교번되는 배열로 탑재되게 된다.
따라서, 이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 상기 젤리-롤과 스택형 전극조립체의 단점들을 상당히 보완하고는 있지만, 단위 셀들 간의 접촉 계면에서 서로 반대 전극이 되도록 적층되기 위해서는 분리막 시트에 단위 셀인 바이셀 또는 풀셀을 타입 별로 구별하여 소정의 규칙으로 탑재하여야 하는 바, 제조 공정이 번잡해지게 되어 생산성이 저하되는 문제가 있다. 더욱이, 단위 셀을 타입 별로 구별하는 것이 매우 까다로우므로, 분리막 시트 상에 탑재하는 과정에서 작업 상의 부주의나 오류 등의 다양한 원인으로 인해, 단위 셀들 중 어느 하나가 누락되거나 잘못 위치되는 경우, 동일한 극성을 갖는 전극이 계면에서 접촉하게 됨으로써 전지의 성능 저하를 일으킬 염려가 있다.
이상을 종합할 때, 전지의 작동 성능 및 안전성 측면에서는 스택/폴딩형 전극조립체가 바람직하지만, 생산성의 측면에서 상기와 같은 문제점들이 존재하는 바, 이러한 단점들을 보완하면서 더욱 우수한 생산성 및 작동 성능 등을 제공할 수 있는 전극조립체에 대한 필요성이 높아지고 있다.
특히, 최근 많은 관심을 모으고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 사용되는 대형 전지모듈은, 그것의 제조를 위해 많은 수의 전지셀(단위전지)들이 필요하고 또한 긴 수명 특성이 요구되므로, 상기 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 구조의 전극조립체에 관한 기술이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량이 높거나, 재료의 특성에 의하여 권취 시 접히는 부분에 균열이 쉽게 발생하거나 끊어질 수 있는 재료에 대해 젤리-롤 구조의 형성이 가능한 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 스택/폴딩 공정에 비해 바이셀 수에 따른 공정 변화의 제약이 없고, 공정의 간편화를 통해 쉽게 제조될 수 있으며, 기존 스택/폴딩형 전극조립체가 가지는 안전성 문제를 해결할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체로서,
각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며;
상기 전극 중에서 양극은 다수의 단위 시트들로 이루어져 있고, 음극은 양극의 단위 시트들의 길이 총합과 동일 내지 그 이상의 길이를 가진 하나의 시트로 이루어져 있으며;
상기 음극은 양극이 탑재된 상태에서 단위 시트의 길이에 대응하는 간격으로 권취되어 있는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명은 전극조립체의 양극을 다수의 단위 시트로 구성하고, 음극과 분리막이 적층된 구조에 상기 양극을 탑재한 상태에서 상기 음극과 분리막을 권취한 구조로 이루어져 있다. 따라서, 전극조립체의 양극이 단위 면적당 활물질 로딩량이 높거나, 권취시 접히는 부분에 균열이 쉽게 발생하는 재료로 이루어지는 경우에도 양극을 다수의 단위 시트로 구성하여 권취 구조 사이에 탑재되도록 함으로써 양극이 절곡되지 않고 평면의 시트 형상을 유지하는 것이 가능하다.
이러한 구조는 젤리-롤의 권취 구조에 의해 발생하는 균열, 파열 등의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 스택/폴딩 공정에 비해 바이셀 수에 따른 공정 변화의 제약이 없고, 공정의 간편화를 통해 쉽게 제조될 수 있으며, 기존 스택/폴딩형 전극조립체가 가지는 안전성 문제를 해결하여 전지의 수명 및 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 음극 시트는 양극의 단위 시트들의 길이 총합과 동일 내지 그 이상의 길이를 가지는 바, 예를 들어, 음극 시트의 길이는 양극 단위 시트들의 길이 총합을 기준으로 100% 내지 130%의 범위일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극은 전극 시트의 양면에 분리막 시트가 부가되어 있는 분리막 - 음극시트 - 분리막의 적층 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 음극 시트와 분리막은 상호 접착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 양극의 활물질 총량은 음극의 활물질 총량보다 작으며, 구체적으로는 상기 양극의 활물질 총량은 음극의 활물질 총량을 기준으로 80 내지 99%일 수 있다.
한편, 최근에는 다양한 모바일 및 멀티 컨텐츠 이용을 위해 이동이 가능한 에너지원이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 리튬 이차전지가 사용되어 왔으며, 시간이 지날수록 소비자들은 더 큰 용량의 에너지를 필요로 하고 있다.
그러나, 현 시점에서는 전지의 에너지 밀도에 한계를 지니는 바, 동일한 성분의 물질로 전극을 성형하는 경우, 기존의 전지보다 에너지 밀도를 높이기 위해서는, 전극의 로딩량을 증가시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 구체적으로, 상기 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량이 음극의 단위 면적당 활물질 로딩량보다 크며, 보다 구체적으로는 상기 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량은 음극의 단위 면적당 활물질 로딩량을 기준으로 105 내지 150%일 수 있다.
또한, 에너지 밀도를 높이기 위해서는 전극을 두껍게 형성하여야 하며, 구체적으로 전극의 집전체에 도포되는 활물질층의 두께를 증가시켜야 한다. 하나의 예로, 상기 양극의 두께는 집전체의 두께를 포함한 상태에서 50 ㎛ 내지 2000 ㎛의 범위에서 형성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 양극의 활물질 총량이 음극의 활물질 총량보다 작으면서, 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량이 음극의 단위 면적당 활물질 로딩량보다 큰 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 기존의 젤리-롤 전극조립체는 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량이 높거나, 재료의 특성에 의해 시트형의 양극과 음극을 권취할 경우 접히는 부분에 균열이 발생하거나 끊어지는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
반면에, 본 발명에 따른 전극조립체의 경우, 음극 시트 상에 양극 시트들을 순차적으로 배열한 상태에서 음극과 양극이 교번 적층되도록 음극 시트를 권취하는 구조이므로, 상기와 같이 양극이 접히는 부분에 균열이 발생하거나 끊어지는 문제점을 해결할 수 있고, 상기와 같이 충분히 두꺼운 구조의 형성이 가능하므로 전지의 용량을 상승시킬 수 있다.
상기 분리막 또는 분리막 시트는, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리막 또는 분리막 시트의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 또는 분리막 시트로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 주석계 활물질, 실리콘-주석계 산화물 및 실리콘-탄소계 활물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는, 예를 들어, 각형의 전지케이스에 상기 전극조립체가 장착되어 있는 구조의 각형 전지일수 있으며, 이러한 각형 전지는 상기 전극조립체를 각형 전지케이스에 삽입한 다음, 전지케이스의 개방 상단에 돌출형 음극단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합시키고 전해액을 탑 캡에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 주입함으로써 제조할 수 있다.
그러나, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스를 사용하는 이차전지와, 원통형 캔의 전지케이스를 사용하는 이차전지에도 사용될 수 있음을 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 따른 전극조립체는 젤리-롤의 권취 구조에 의해 발생하는 균열, 파열 등의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 스택/폴딩 공정에 비해 바이셀 수에 따른 공정 변화의 제약이 없고, 공정의 간편화를 통해 쉽게 제조될 수 있으며, 기존 스택/폴딩형 전극조립체가 가지는 안전성 문제를 해결하여 전지의 수명 및 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조에 대한 모식도이다;
도 2는 도 1의 스택/폴딩형 전극조립체의 제조 공정에서 단위 셀들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 4 내지 도 7은 음극 시트 상에 양극 시트들을 순차적으로 배열한 상태에서 음극과 양극이 교번 적층되도록 음극 시트를 권취하는 공정의 모식도들이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체(100)는 양극과 음극 사이에 분리막들(111, 112, 113, 114)이 개재되어 있고, 각각의 전극은 시트형 집전체의 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극들 중에서 양극(131, 132)은 다수의 단위 시트들로 이루어져 있고, 음극(121, 122)은 양극의 단위 시트들의 길이 총합과 동일 내지 그 이상의 길이를 가진 하나의 시트로 이루어져 있으며, 음극(121, 122)은 양극(131, 132)이 탑재된 상태에서 단위 시트의 길이에 대응하는 간격으로 권취되어 있는 구조로 이루어져 있다.
도 4 내지 7에는 음극 시트 상에 양극 시트들을 순차적으로 배열한 상태에서 음극과 양극이 교번 적층되도록 음극 시트를 권취하는 공정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 음극(210)은 전극 시트의 양면에 분리막 시트(221, 222)가 부가되어 있는 분리막(221) - 음극 시트(210) - 분리막(222)의 적층 구조로 이루어져 있고, 음극 시트(210)와 분리막(221, 222)은 상호 접착되어 있는 음극조립체(200) 구조로 이루어져 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 단위 시트로 이루어져 있는 양극시트(231)가 음극조립체(200)에 배열된 상태에서 1차적으로 권취되어 도 5의 구조로 배치된다.
다음으로, 도 5 내지 7을 참조하면, 1차적으로 양극시 트(231)가 배치된 상태에서 음극조립체(200)의 권취에 의해 적층된 음극조립체(200)에 또 다른 단위 시트로 이루어져 있는 양극 시트(232)가 배열된 상태에서 2차적으로 권취되어 도 6의 구조로 배치되고, 그런 다음, 또 다른 단위 시트로 이루어져 있는 양극 시트(233)가 배열된 상태에서 3차적으로 권취되어 도 7의 구조로 배치된다.
이때, 단위 시트로 이루어져 있는 양극 시트들(231, 232, 233)과 음극조립체(200)의 배열 조합을 살펴보면, 음극조립체(200) 상에 양극 시트들(231, 232, 233)이 순차적으로 배열한 상태에서 음극과 양극이 교번 적층 되도록 음극조립체(200)를 권취한 구조로 이루어져 있다.
도 5 내지 도 6에 도시된 방법에서는 권취 과정에서 양극 시트들(231, 232, 233)이 순차적으로 권취 부위 상에 놓여지는 것으로 설명되어 있지만, 시트형의 음극조립체(200) 상에 양극 시트들(231, 232, 233)을 기배열한 상태에서 권취하는 구조도 가능하다.
한편, 양극 시트들(231, 232, 233)은 전극조립체(100)의 에너지 밀도를 높이기 위해 단위 면적당 활물질 로딩량이 음극조립체(200)의 단위 면적당 활물질 로딩량 보다 크며, 구체적으로는 상기 단위 양극 시트들(231, 232, 233)의 단위 면적당 활물질 로딩량은 음극조립체(200)의 단위 면적당 활물질 로딩량을 기준으로 약 110%로 구성되어 있다.
앞서 설명했던 바와 같이, 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해서는 전극을 두껍게 하여야 하는데, 더욱 상세하게는 전극의 집전체에 도포되는 활물질층의 두께를 증가시켜야 하며, 구체적으로 상기 단위 양극 시트들(231, 232, 233)의 두께는 집전체의 두께를 포함한 상태에서 2000 ㎛로 제조된다.
도 4 내지 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다수의 단위 시트들로 이루어져 있는 양극 시트들이 음극조립체 상에 순차적으로 배열한 상태에서 음극과 양극이 교번 적층되도록 권취를 행하므로, 양극의 단위 면적당 활물질 로딩 이 높거나, 재료의 특성에 의해 권취시 균열이 발생하거나 끊어지는 재료에 대해서도 쉽게 전극조립체를 제조할 수 있으며, 작업 공정이 간단하여 전지의 생산성을 높일 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체로서,
    각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며;
    상기 전극 중에서 양극은 다수의 단위 시트들로 이루어져 있고, 음극은 양극의 단위 시트들의 길이 총합과 동일 내지 그 이상의 길이를 가진 하나의 시트로 이루어져 있으며;
    상기 음극은 양극이 탑재된 상태에서 단위 시트의 길이에 대응하는 간격으로 권취되어 있는 구조로 이루어져 있고;
    상기 음극은 전극 시트의 양면에 분리막 시트가 부가되어 있는 분리막 - 음극 시트 - 분리막의 적층 구조로 이루어져 있으며;
    상기 음극 시트와 분리막들은 상호 접착되어 음극조립체 구조를 이루고 있고;
    상기 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량은 음극의 단위 면적당 활물질 로딩량 보다 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극의 활물질 총량은 음극의 활물질 총량보다 작은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 양극의 활물질 총량은 음극의 활물질 총량을 기준으로 80 내지 99%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 양극의 단위 면적당 활물질 로딩량은 음극의 단위 면적당 활물질 로딩량을 기준으로 105 내지 150%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 양극의 두께는 집전체의 두께를 포함한 상태에서 50 ㎛ 내지 2000 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 3개 이상의 단위 시트들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 음극 시트 상에 양극 시트들을 순차적으로 배열한 상태에서 음극과 양극이 교번 적층되도록 음극 시트를 권취한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 전극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 전극 활물질로서 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질, 주석계 활물질, 실리콘-주석계 산화물 및 실리콘-탄소계 활물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 각형의 전지케이스에 상기 전극조립체가 장착되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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