KR101560435B1 - 고용량 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고용량 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 구체적으로는 다수의 단위셀들을 긴 분리막 시트 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 제조되는 스택-폴딩형 전극조립체에 있어서, 상기 단위셀 중 1개 이상이 방열 및 버퍼 기능을 수행하는 판재(이하 '방열부재'라 약칭함)로 대체된 것을 특징으로 하는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 스택-폴딩형 전극조립체에서 폴딩되는 다수의 단위셀 중 하나 이상을 방열부재로 대체함으로써 한 번의 폴딩만으로 분리된 복수개의 전극조립체가 적층 배열된 구조와 같은 효과를 갖는 전극조립체를 제공할 수 있다.
따라서, 기존의 병렬 연결된 복수개의 전극조립체를 하나의 전극조립체로 대체 가능하므로, 전기자동차용 전지팩 제조시에 소요되던 모듈(module) 비용이나 BMS(Battery Management System) 비용을 줄일 수 있다.

Description

고용량 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY WITH HIGH CAPACITY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 고용량 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 구체적으로는 다수의 단위셀들을 긴 분리막 시트 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 제조되는 스택-폴딩형 전극조립체에 있어서, 상기 단위셀 중 1개 이상이 방열 및 버퍼 기능을 수행하는 판재(이하 '방열부재'라 약칭함)로 대체된 것을 특징으로 하는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

근래, 휴대전화, PDA, 랩탑 컴퓨터 등 휴대 전자기기를 비롯해 다방면에서 리튬이차전지가 사용되고 있다. 특히 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요원인 중 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차의 구동원으로서 리튬이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전기자동차용 전지에 요구되는 성능으로는 에너지 밀도, 가속력과 최고속도를 위한 출력확보, 이외에도 안정성, 수명, 충전용이성, 충전효율, 충전시간, 저온성능 등 다양하다. 특히, 자동차 주행거리와 밀접한 관계를 갖고 있는 에너지 밀도(energy density)를 최대화하는 것, 즉 이차전지의 고용량화는 필수적으로 요구된다.

먼저, 이차전지의 구조에 대해 살펴보면, 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.

이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 사용하여 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

구체적으로, 도 1 및 도 2에는 종래의 바이셀을 사용한 스택-폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

먼저, 도1을 참조하면, 스택-폴딩형 전극조립체(100)는, 음극(220)/분리막(250)/양극(210)/분리막(250)/음극(220) 구조의 A-타입 바이 셀(200)들과 양극(210)/분리막(250)/음극(220)/분리막(250)/양극(210) 구조의 C-타입 바이 셀(201)들, 및 시트형의 분리필름(300)으로 구성되어 있으며, A-타입 바이셀(200)과 C-타입 바이셀(201)이 분리필름(300)에 의하여 폴딩시 도 2에 나타난 바와 같이 인접하는 바이셀의 종류가 서로 교대로 적층되도록 분리필름(300) 상에 배열된다.

도 2를 참조하면, 전극조립체(100)는 분리필름(300)이 중앙의 A-타입 바이 셀(200)의 외면을 한 차례 감싸고, 상기 A-타입 바이 셀(200)의 상부와 하부에 각각 C-타입 바이 셀(201)을 위치시킨 상태에서 이들의 외면을 한 차례 감싸는 권취구조로 바이 셀(200, 201)들을 순차적으로 폴딩하는 방식으로 제조된다.

상기와 같은 스택-폴딩형 전극조립체에서 용량을 증가시키기 위해서는 구성하는 풀셀 또는 바이셀의 개수를 증가시킨다. 그러나, 전지의 대용량화를 위해 권취 회수 및/또는 적층 회수가 늘어남에 따라 방열 문제가 심각하게 대두되고 있다. 리튬 이차전지는 충방전시에 열이 발생하는 바, 이러한 열이 효과적으로 제거되지 못하고 축적되는 경우, 전지의 열화가 초래되고 안전성도 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원과 같이 고속 충방전 특성이 요구되는 전지에서는 순간적으로 고출력을 제공하는 과정에서 강한 발열이 수반된다.

이러한 방열 문제는 전지의 고용량화를 위해 전극판들을 높은 밀집도로 충적되는 구조에서 불가피하게 발생하며, 특히, 전극조립체의 외면으로부터 가장 먼 거리를 이루는 중앙 부위에서의 발열 문제가 심각하다.

따라서, 이차전지의 용량을 증가시키면서, 고속 충방전시 발생하는 많은 열을 외부로 배출하기 용이한 구조로 구성하여 이차전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

특허문헌1 및 2에는 이차전지의 용량을 증가시키기 위하여 파우치형 전지케이스 또는 각형 전지케이스에 두 개 이상의 스택형 전극조립체 또는 권취형 전극조립체를 병렬방식으로 연결하여 장착하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술들은 두 개 이상의 전극조립체들이 전기적 연결을 위하여 전극단자들에서만 결합되고, 그러한 전극단자들은 전극조립체의 일측 단부에서만 돌출되어 있으므로, 구조적 안정성이 매우 낮은 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점은 고용량을 요구하는 이차전지에서 빈번하게 발생할 수 있는 충격 또는 진동 등의 외부환경에 노출되었을 경우 안전성을 저하시키는 주요 원인 중 하나로 작용할 수 있다.

특허문헌 3은, 바이셀 또는 풀셀을 긴 분리막 시트로 권취하여 제조되는 스택-폴딩형 구조의 셀('유닛 셀')을 포함하고 있는 이차전지로서, 상기 유닛 셀 둘 또는 그 이상이 하나의 전지케이스에 내장되어 있고, 상기 유닛 셀들 사이에는 열전도성이 우수한 시트('방열시트')가 개재되어 있는 구조로 이루어진 이차전지를 제공한다. 즉, 유닛 셀들 사이에 열전도성 부재를 개재함으로써 전지 구성 요소의 열화에 의한 수명 단축과 고열 발생으로 인한 안전성 문제를 해소하는 것이다. 그러나, 상기 기술은 복수개의 유닛 셀을 별도로 제조하고, 각 유닛 셀 사이로 방열시트를 개재하여 적층하는 매우 번잡한 조립공정을 필요로 한다.

한국 공개특허 제10-2004-0054201호(2004.06.25.) 한국 공개특허 제10-2004-0092533호(2004.11.04.) 한국 공개특허 제10-2008-0074239호(2008.08.13.)

본 발명은 상기와 같은 요구 및 종래 문제를 해결하고자 한 것으로, 한번의 폴딩만으로 분리된 복수개의 전극조립체가 적층 배열된 구조와 같은 효과를 갖는 전극조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 안전성이 향상된 고용량의 전극조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고용량 전극조립체를 포함하는 리튬이차전지를 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 다수의 단위셀들을 긴 분리막 시트 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 제조되는 스택-폴딩형 전극조립체에 있어서, 상기 단위셀 중 1개 이상이 방열 및 버퍼 기능을 수행하는 판재(이하 '방열부재'라 약칭함)로 대체된 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 구성된 전극조립체를 전지케이스 내부에 장착한 상태에서 리튬 전해액을 주입하여 제조되는 리튬이차전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스택-폴딩형 전극조립체에서 폴딩되는 다수의 단위셀 중 하나 이상을 방열부재로 대체함으로써 한 번의 폴딩만으로 분리된 복수개의 전극조립체가 적층 배열된 구조와 같은 효과를 갖는 전극조립체를 제공할 수 있다.

예컨대, 다수의 단위셀 중 1개가 방열부재로 대체된 경우 한 번 폴딩된 하나의 전극조립체이지만, 상기 방열부재를 기준으로 상하로 분리된 2개의 전극조립체가 병렬 적층된 것과 동일한 효과를 가지게 된다.

즉, 상기 방열부재는 전극조립체의 용량을 분산시키고, 국부적인 발열을 억제하므로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있고, 또한 셀 작동 중에도 온도변화에 대한 댐퍼(damper)역할을 하며, 면적방향의 불균일한 온도분포를 최소화하여 셀 성능을 향상시킬 수 있다.

따라서, 기존의 병렬 연결된 복수개의 전극조립체를 하나의 전극조립체로 대체 가능하므로, 전기자동차용 전지팩 제조시에 소요되던 모듈(module) 비용이나 BMS(Battery Management System) 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 종래의 스택-폴딩형 전극조립체를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 전극조립체를 조립한 상태의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일례 나타내는 전극조립체를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 전극조립체를 하나의 예시적인 방법으로 조립한 상태의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 예를 나타내는 전극조립체를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 6은 도5의 전극조립체를 하나의 예시적인 방법으로 조립한 상태의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 전극조립체를 다른 예시적인 방법으로 조립한 상태의 모식도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 전극조립체(100)는, 양측이 동일한 음극으로 이루어진 구조의 A-타입 바이셀(200)들과 양측이 동일한 양극으로 이루어진 구조의 C-타입 바이셀(201)들, 및 시트형의 분리필름(300)으로 구성되어 있으며, 전극조립체(100)의 중앙부분으로 폴딩될 바이셀, 즉 폴딩이 시작되는 위치의 분리필름(300) 상의 바이셀이 방열부재(400)로 대체된다.

도 4을 참조하면, 전극조립체(100)는 분리필름(300)이 중앙의 방열부재(400)의 외면을 한 차례 감싸고, 상기 방열부재(400)의 상부와 하부에 각각 C-타입 바이셀(201)을 위치시킨 상태에서 이들의 외면을 한 차례 감싸는 권취 구조로 바이셀(200, 201)들을 순차적으로 폴딩하여 제조된다. 이 경우 분리필름(300)은 방열부재(400)의 단부를 둘러쌀 수 있다.

상기와 같은 구조에 의하여, 분리필름(300)을 한 번 폴딩한 것만으로 상기 방열부재(400)를 기준으로 상하의 2개의 단위셀 블록으로 분리되어, 별도로 제조된 2개의 전극조립체를 병렬 적층한 것과 동일한 효과를 가지게 된다.

따라서, 종래에 전지의 안전성 문제로 제한을 받았던 단위셀의 적층 수량으로 인하여 한정된 수의 단위셀을 적층시킨 전극조립체 복수개를 병렬 연결하여 사용하던 것을, 스택-폴딩형 전극조립체의 단위셀 일부를 복수개의 방열부재로 대체하여 사용함으로써 한 번 폴딩한 하나의 전극조립체 만으로 복수개의 전극조립체를 병렬 연결한 것과 동등한 용량을 가질 수 있게 된다. 이로 인해, 전기자동차용 전지 모듈화에 소요되던 비용이나, 일정전압 이하로 떨어지지 않게 유지해주고 일정이상 충전을 막아주는 BMS(Battery Management System)에 소요되는 비용이 절감된다.

본 발명에서 사용되는 상기 방열부재(400)는 높은 열전도성을 가지는 부재이면 특별히 제한되지는 않으며, 특히 메탈폼, 금속판, 부직포, 고분자 수지, 및 카본시트 중 선택된 것이 바람직하다.

또한, 도 3 및 4에서는 상기 단위셀로서 바이셀을 예시적으로 사용한 것일 뿐, 실질적으로 상기 단위셀로서는 양측이 동일한 전극으로 이루어진 바이셀 및 양측이 다른 전극으로 이루어진 풀셀 중에서 선택된 하나 이상인 것을 사용할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 다른의 실시예에 따른 전극조립체의 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 이 경우에는 한 번의 폴딩으로 3개의 전극조립체를 적층시킨 것과 같은 효과를 갖게 되며, 도 6에는 도 5의 전극조립체를 하나의 예시적인 방법으로 조립한 상태의 모식도를 나타내었다.

한편, 도7에는 분리필름(300)이 최하단의 단위셀에서 중앙의 단위셀들을 지나 최상단의 단위셀까지 Z형태로 감싸는 구조로 단위셀들을 폴딩한 것을 나타내고 있는바, 방열부재(400)와 단위셀(200,202)의 배열순서 및 폴딩방식은 배터리팩 설계 기준에 따라 변경 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 전극조립체 200 : A-타입 바이셀
201 : C-타입 바이셀 210 : 양극
220 : 음극 230 : 양극탭
240 : 음극탭 250 : 분리막
300 : 분리필름 400 : 방열부재

Claims (4)

1. 다수의 단위셀들을 긴 분리막 시트 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 제조되는 스택-폴딩형 전극조립체에 있어서,
   상기 단위셀 중 1개 이상이 방열 및 버퍼 기능을 수행하는 판재(이하 '방열부재'라 약칭함)로 대체되고,
   상기 분리막 시트가 상기 방열부재의 단부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열부재는 메탈폼, 금속판, 부직포, 고분자 수지, 및 카본시트 중 선택된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 단위셀이 양측이 동일한 전극으로 이루어진 바이셀 및 양측이 다른 전극으로 이루어진 풀셀 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
   
4. 제 1항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체를 전지케이스 내부에 장착한 상태에서 리튬 전해액을 주입하여 제조되는 리튬이차전지.

Images