KR101586881B1 - 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체에 관한 것으로, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리머 2차전지 셀용 전극조립체{ELECTRODE ASSEMBLY FOR CELL OF POLYMER LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 제조되는 새로운 타입의 전극조립체에 있어, 전극을 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체에 관한 것이다.
이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 및 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다.
여기서 스택형 구조는 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다. 이때 분리막은 양극과 음극의 사이마다 배치된다.
권취형 구조는 양극, 분리막, 음극, 분리막을 시트 형상으로 형성한 다음에 이들을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 형성한다.
스택/폴딩형 구조는 풀셀 또는 바이셀을 형성한 다음에 이들을 분리막 시트를 통해 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하면, 풀셀 또는 바이셀을 형성할 수 있다(풀셀 또는 바이셀은 각각 1개 이상의 양극, 분리막, 음극을 포함한다.).
그런데 스택형 구조는 전극조립체를 구성하는 전극단위(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 전극조립체를 생산하기 위해 매우 많은 공정이 요구된다는 단점이 있다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 일반적으로 2대의 라미네이션 장비와 1대의 폴딩 장비가 요구되기 때문에, 전극조립체의 제조공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 특히, 스택/폴딩형 구조는 폴딩을 통해 풀셀이나 바이셀을 적층하기 때문에 풀셀이나 바이셀을 정밀하게 정렬하기 어렵다는 단점도 있다.
이와 같은 단점을 보완하기 위해 최근 적층만으로 전극조립체를 제조하면서도 전극조립체를 정밀하게 정렬시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생산성을 향상시킬 수 있는 제조방법이 본 출원인에 의해 제안된 바 있다(특허문헌 1).
여기서, 종래기술에 따른 스택형 전극조립체는 도 1을 참조하면, 제1 극성 전극(14) 및 제2 극성 전극(12)의 크기가 분리막(16)의 크기 보다 많이 작게 형성되며, 이에 분리막(16) 사이에 제1 극성 전극(14) 및 제2 극성 전극(12)이 움직이게 되고, 규칙적인 정렬이 불가능하여 안전성에 문제가 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 별도의 정렬공정을 추가로 수행해야 하는 문제가 있었다.
한국 특허출원 제10-2013-0016514호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전극을 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성하며, 이에 전극과 분리막의 규칙적인 정렬이 가능하여 안전성을 확보할 수 있고, 더불어 전극의 용량이 증대되는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이 중의 어느 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하고, 다른 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하거나 작게 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이를 기준으로 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막보다 0~0.3mm만큼 작게 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 한다.
상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제1 전극인 제1 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 제1 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막 및 양극이 적층되어 형성될 수 있다.
상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 양극으로 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극을 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성함으로써 전극과 분리막을 보다 용이하게 적층시킬 수 있어 안전성을 증대시키고, 더욱이 전극의 용량이 증대되어 전극조립체의 상품성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스택형 구조를 가지는 전극조립체를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제1 구조를 도시한 분리 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제1 구조의 조립된 상태에서 폭방향으로의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제1 구조의 조립된 상태에서 길이방향으로의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제2 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제조공정을 도시한 공정도.
도 7은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도
도 8은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도
도 9는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도
도 10은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도
도 11은 본 발명에 따른 기본 단위체, 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제5 구조를 도시하고 있는 측면도
도 12는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제6 구조를 도시하고 있는 측면도
도 13은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제7 구조를 도시하고 있는 측면도
본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하되, 상기 전극의 크기는 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성하여 적층 효율성과 용량 증대로 인한 상품성 향상을 얻을 수 있는 구성이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체]
본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 단위체 스택부는 기본 단위체를 적어도 1개 적층되어 형성되고, 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 형성된다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 구성을 보다 명확히 설명한다.
기본 단위체(110)의 제1 구조는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 이와 같이 기본 단위체(110)는 기본적으로 4층 구조를 가진다.
즉, 기본 단위체(110)는 도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층되어 형성된다. 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 양극이면 제2 전극(113)은 음극이다. 물론 이의 반대일 수도 있다.
여기서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성되며, 이에 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)을 적층하면, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)이 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 단부에 일치되게 또는 근접되게 정렬되면서 규칙적으로 정렬시킬 수 있다.
일례로, 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)는 도 2를 참조하면, 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성되며, 이에 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)의 폭방향 길이와 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 폭방향 길이의 차이가 거의 없게 되며(도 3 참조), 또한 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)의 길이방향 길이와 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 길이방향 길이의 차이가 거의 없게 된다(도 4 참조).
따라서 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114) 적층시 별도의 정렬과정 없이도 규칙적으로 정렬시킬 수 있고, 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)이 움직이는 현상을 방지하여 안전성을 확보할 수 있으며, 더욱이 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)의 용량 증대로 인해 전극조립체의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 첨부된 도면에서는 도시하지 않았지만, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)을 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성할 수 있으며, 이는 제1 전극(111) 및 제2 전극(113) 중 어느 하나의 용량 증대가 필요하거나 또는 정렬이 필요할 경우 적용 가능하다.
여기서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 크기가 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 99.6% 이하 크기로 형성될 경우 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114) 내에서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)이 움직이게 되며, 이에 별도의 정렬과정을 수행해야 하는 문제가 있다.
또한, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 크기가 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 100.0% 이상 크기로 형성될 경우 제1 전극(111)과 제2 전극(113)의 접촉현상으로 인해 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명에 첨부된 도면에서는 도시하지 않았지만, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이 중의 어느 하나에 있어 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)과 동일하고, 다른 하나에 있어 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114) 보다 작게 형성할 수 있다.
즉, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 폭 또는 길이 중 어느 하나만을 증대하여 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 폭 또는 길이에 동일하게 형성되며, 이에 증대된 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 어느 한 변을 통해 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)과 규칙적으로 정렬시킬 수 있다.
따라서 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114) 순차적으로 적층하되, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중 적어도 어느 하나의 크기를 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 99.7%~100% 크기로 형성함으로써 정렬성, 용량확대 및 안전성을 증대시킬 수 있다.
그리고 이와 같은 구조를 가지는 기본 단위체(110)를 적어도 1개 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성한다.
즉, 단위체 스택부(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 1개의 기본 단위체(110)를 포함한다. 즉, 단위체 스택부(100)는 1개의 기본 단위체(110)로 형성되거나, 또는 적어도 2개의 기본 단위체(110)로 형성된다. 그리고 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 적층되어 형성된다.
예를 들어, 1개의 기본 단위체(110) 위에 다른 1개의 기본 단위체(110)가 적층되어 단위체 스택부(100)가 형성될 수 있다. 이와 같이 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 기본 단위체 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 기본 단위체(110)를 미리 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 형성된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 방식으로 단위체 스택부(100)를 형성하면, 기본 단위체(110)를 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다는 장점과, 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
한편, 기본 단위체(110')의 제2 구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
여기서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬될 수 있다.
한편, 기본 단위체(110')의 제2 구조는 전술한 기본 단위체(110)의 제1 구조와 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 적층되는 순서에서 차이가 있을 뿐, 나머지의 구성은 동일하며, 이에 중복되는 설명은 생략한다.
그리고 이와 같은 구조를 가지는 기본 단위체(110')를 적어도 1개 적층하여 단위체 스택부(100')를 형성한다.
즉, 단위체 스택부(100')는 도 11에 도시된 바와 같이, 적어도 1개의 기본 단위체(110')를 포함한다. 즉, 단위체 스택부(100')는 1개의 기본 단위체(110')로 형성되거나, 또는 적어도 2개의 기본 단위체(110')로 형성된다.
[본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체]
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체로서, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이를 기준으로 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114) 보다 0~0.3mm만큼 작게 형성될 수 있으며, 이에 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬된다. 여기서 본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 전술한 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체와 단위에서 차이가 있을 뿐 구성 및 효과는 동일하며, 이에 자세한 설명은 생략한다.
[기본 단위체의 제조공정]
이와 같은 적층 구조를 가지는 기본 단위체(110)는 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 6 참조).
먼저 제1 전극 재료(121), 제1 분리막 재료(122), 제2 전극 재료(123) 및 제2 분리막 재료(124)를 준비한다. 여기서 전극 재료(121, 123)는 이하에서 살펴볼 바와 같이 소정 크기로 절단되어 전극(111, 113)을 형성한다. 이는 분리막 재료(122, 124)도 동일하다. 공정의 자동화를 위해 전극 재료와 분리막 재료는 롤에 권취되어 있는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 재료들을 준비한 다음에 제1 전극 재료(121)를 커터(C1)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그리고 제2 전극 재료(123)도 커터(C2)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 소정 크기의 제1 전극 재료(121)를 제1 분리막 재료(122) 위로 공급한다. 그리고 소정 크기의 제2 전극 재료(123)도 제2 분리막 재료(124) 위로 공급한다. 그런 다음 재료들을 모두 함께 라미네이터(L1, L2)로 공급한다.
단위체 스택부(100)는 앞서 살펴본 바와 같이, 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 형성된다. 그런데 기본 단위체(110)를 구성하는 전극과 분리막이 서로 분리된다면, 기본 단위체(110)를 반복적으로 적층하는 것이 매우 어려워질 것이다. 따라서 기본 단위체(110)를 형성할 때, 전극과 분리막을 서로 접착하는 것이 바람직하다. 라미네이터(L1, L2)는 이와 같이 전극과 분리막을 서로 접착하기 위해 사용된다. 즉, 라미네이터(L1, L2)는 재료들에 압력을 가하거나, 또는 열과 압력을 가하여 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착한다. 이와 같이 전극 재료와 분리막 재료는 라미네이터(L1, L2)에서 서로 접착된다. 이와 같은 접착으로 기본 단위체(110)는 보다 안정적으로 자신의 형상을 유지할 수 있다.
마지막으로 제1 분리막 재료(122)와 제2 분리막 재료(124)를 함께 커터(C3)를 통해 소정 크기로 절단한다. 이와 같은 절단으로 기본 단위체(110)가 형성될 수 있다. 추가적으로 필요에 따라 기본 단위체(110)에 대한 각종 검사를 수행할 수도 있다. 예를 들어, 두께 검사, 비전 검사, 쇼트 검사와 같은 검사를 추가적으로 수행할 수도 있다.
한편, 분리막(분리막 재료)은 접착력을 가지는 코팅 물질로 표면이 코팅될 수 있다. 이때 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물일 수 있다. 여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시킬 수 있다. 이와 같은 무기물 입자들로 인해 분리막 표면에 형성되는 코팅층에는 소정의 기공 구조가 형성될 수 있다. 이와 같은 기공 구조로 인해 무기물 입자가 분리막에 코팅되어 있더라도 양극으로부터 음극으로 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 또한 바인더 고분자는 무기물 입자를 분리막에 안정적으로 유지시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 더욱이 바인더 고분자는 분리막을 전극에 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다. (이와 같은 코팅을 SRS 코팅이라 한다.) 참고로, 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재로 형성될 수 있다.
그런데 도 2와 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 분리막(112)은 양면에 전극(111, 113)이 위치하는데 반해, 제2 분리막(114)은 일면에만 전극(113)이 위치한다. 따라서 제1 분리막(112)은 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 제2 분리막(114)은 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 즉, 제1 분리막(112)은 제1 전극(111)과 제2 전극(113)을 바라보는 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 제2 분리막(114)은 제2 전극(113)을 바라보는 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다.
이와 같이 코팅 물질에 의한 접착은 기본 단위체 내에서 이루어지는 것으로 충분하다. 따라서 앞서 살펴본 바와 같이 제2 분리막(114)은 일면에만 코팅이 이루어져도 무방하다. 다만, 기본 단위체끼리도 heat press 등의 방법으로 서로 접착될 수 있으므로, 필요에 따라 제2 분리막(114)도 양면에 코팅이 이루어질 수 있다. 즉, 제2 분리막(114)도 제2 전극(113)을 바라보는 일면과 그 반대면에 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 이와 같은 경우 상측에 위치하는 기본 단위체와 이의 바로 아래에 위치하는 기본 단위체는 제2 분리막 외면의 코팅 물질을 통해 서로 접착될 수 있다.
참고로, 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 것은 바람직하지 않다. 분리막은 통상적으로 전극보다 외측으로 길게 연장된다. 따라서 제1 분리막(112)의 말단과 제2 분리막(114)의 말단을 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 분리막(112)의 말단과 제2 분리막(114)의 말단을 초음파 융착으로 서로 융착시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 이와 같은 초음파 융착은 혼(horn)으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 이와 같이 혼으로 분리막의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅 물질로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다. 따라서 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 공정을 적용하는 것은 바람직하지 않다.
추가적으로, 기본 단위체(110)가 반드시 4층 구조를 가져야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 순차적으로 적층되어 형성되는 8층 구조를 가질 수도 있다. 즉, 기본 단위체(110)는 4층 구조가 반복적으로 적층되어 형성되는 구조를 가질 수도 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 형성된다. 따라서 4층 구조를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성할 수도 있지만, 예를 들어 8층 구조를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성할 수도 있다.
[본 발명의 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 다른 실시예]
한편, 단위체 스택부(100a)는 제1 보조 단위체(130)와 제2 보조 단위체(140) 중의 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 우선, 제1 보조 단위체(130)에 대해 살펴본다. 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로, 또는 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성된다. 따라서 이와 같은 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 단위체 스택부(100)가 형성되면, 단위체 스택부(100)의 가장 위쪽(도 2 참조), 또는 가장 아래쪽(도 5 참조)에 제1 전극(116, 이하 '제1 말단 전극'이라 한다)이 위치하게 된다. (제1 말단 전극은 양극일 수도 있고 음극일 수도 있다.) 제1 보조 단위체(130)는 이와 같은 제1 말단 전극(116)에 추가적으로 적층된다.
여기서 제1 전극(111)과 제2 전극(113)의 크기는 분리막(114)(112)에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성될 수 있으며, 이에 제1 보조 단위체(130)의 정렬특성과 안전성을 확보할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제1 구조를 도시한 도면이다.
구체적으로 설명하면, 단위체 스택부(100a)은 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 보조 단위체(130a)를 포함하며, 제1 보조 단위체(130a)는 제1 전극(111)이 양극이고 제2 전극(113)이 음극이면, 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로, 즉 제1 말단 전극(116)으로부터 외측(도 7을 기준으로 상측)으로 분리막(114), 음극(113), 분리막(112) 및 양극(111)이 차례로 적층되어 형성된다.
도 8은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제2 구조를 도시한 도면이다.
또한, 단위체 스택부(100b)은 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 보조 단위체(130b)를 포함할 수 있으며, 제1 보조 단위체(130b)은 제1 전극(111)이 음극이고 제2 전극(113)이 양극이면, 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로, 즉 제1 말단 전극(116)으로부터 외측으로 분리막(114) 및 양극(113)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다.
따라서, 단위체 스택부(100)는 도 7 및 8을 참조하면, 제1 보조 단위체(130)로 인하여 제1 말단 전극(116) 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다.
한편, 전극은 일반적으로 집전체와 집전체의 양면에 도포되는 활물질층(활물질)으로 구성된다. 이에 따라 도 7을 기준으로 양극의 활물질층 중 집전체의 아래쪽에 위치한 활물질층은 분리막을 매개로 음극의 활물질층 중 집전체의 위쪽에 위치한 활물질층과 서로 반응한다. 그런데 기본 단위체(110)를 동일하게 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성하면, 단위체 스택부(100)의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치한 제1 말단 전극은 다른 제1 전극과 동일하게 집전체의 양면에 활물질층을 구비할 수밖에 없다. 그러나 제1 말단 전극이 집전체의 양면에 활물질층을 도포한 구조를 가지면, 제1 말단 전극의 활물질층 중 외측에 위치한 활물질층은 다른 활물질층과 반응할 수 없다. 따라서 활물질층이 낭비되는 문제가 초래된다.
제1 보조 단위체(130)는 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, 제1 보조 단위체(130)는 기본 단위체(110)와 별개로 형성된다. 따라서 제1 보조 단위체(130)는 집전체의 일면에만 활물질층이 형성된 양극을 구비할 수 있다. 즉, 제1 보조 단위체(130)는 집전체의 양면 중에 기본 단위체(110)를 바라보는 일면(도 7을 기준으로 아래쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅된 양극을 구비할 수 있다. 결과적으로, 제1 말단 전극(116)에 추가적으로 제1 보조 단위체(130)를 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성하면, 제1 말단 전극(116) 측의 가장 외측에 단면만 코팅된 양극을 위치시킬 수 있다. 따라서 활물질층이 낭비되는 문제를 해결할 수 있다. 그리고 양극은 (예를 들어) 니켈 이온을 방출하는 구성이므로, 가장 외측에 양극을 위치시키는 것이 전지 용량에 유리하다.
다음으로 제2 보조 단위체(140)에 대해 살펴본다.
제2 보조 단위체(140)는 기본적으로 제1 보조 단위체(130)와 동일한 역할을 수행한다. 보다 구체적으로 설명한다. 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로, 또는 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성된다. 따라서 이와 같은 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 단위체 스택부(100)가 형성되면, 단위체 스택부(100)의 가장 위쪽(도 5 참조), 또는 가장 아래쪽(도 2 참조)에 제2 분리막(117, 이하 '제2 말단 분리막'이라 한다)이 위치하게 된다. 제2 보조 단위체(140)는 이와 같은 제2 말단 분리막(117)에 추가적으로 적층된다.
여기서 상기 제1 전극(111)과 제2 전극(113)의 크기는 분리막(114)(112)에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성될 수 있으며, 이에 제2 보조 단위체(140)의 정렬특성과 안전성을 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제3 구조를 도시한 도면이다.
보다 구체적으로 단위체 스택부(100c)는 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 보조 단위체(140a)를 포함할 수 있으며, 제2 보조 단위체(140a)는 제1 전극(111)이 양극이고 제2 전극(113)이 음극이면, 양극(111)으로 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제4 구조를 도시한 도면이다.
또한 단위체 스택부(100d)는 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 보조 단위체(140b)를 포함할 수 있으며, 제2 보조 단위체(140b)는 제1 전극(111)이 음극이고 제2 전극(113)이 양극이면, 제2 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로, 즉 제2 말단 분리막(117)으로부터 외측(도 10을 기준으로 하측)으로 음극(111), 분리막(112) 및 양극(113)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 제2 보조 단위체(140)도 제1 보조 단위체(130)와 동일하게 집전체의 양면 중에 기본 단위체(110)를 바라보는 일면(도 10을 기준으로 위쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅된 양극을 구비할 수 있다. 결과적으로 제2 말단 분리막(117)에 제2 보조 단위체(140)를 추가적으로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성하면, 제2 말단 분리막(117) 측의 가장 외측에 단면만 코팅된 양극을 위치시킬 수 있다.
참고로, 도 7과 도 8, 그리고 도 9과 도 10은 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층된 경우를 예시하고 있다. 이와는 반대로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층된 경우도 앞서 설명된 바와 동일하게 설명될 수 있다. 그리고 제1 보조 단위체(130)와 제2 보조 단위체(140)는 필요에 따라 가장 외측에 분리막을 더 포함할 수도 있다. 일례로 가장 외측에 위치한 양극이 케이스와 전기적으로 절연될 필요가 있을 경우 제1 보조 단위체(130)와 제2 보조 단위체(140)는 양극의 외측에 분리막을 더 포함할 수 있다. 같은 이유에서, 도 9과 같이 제2 보조 단위체(140)가 적층되어 있는 쪽의 반대쪽(즉, 도 10의 단위체 스택부의 최상측)에 노출되어 있는 양극에도 분리막이 더 포함될 수 있다.
한편, 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 단위체 스택부를 형성하는 것이 바람직하다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 기본 단위체, 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제5 구조 및 제6 구조를 도시한 도면이다.
우선, 도 11에 도시된 바와 같이 단위체 스택부(100e)를 형성할 수 있으며, 단위체 스택부(100e)는 기본 단위체(110')와 제1 보조 단위체(130c)와 제2 보조 단위체(140c)를 포함한다.
즉, 기본 단위체(110')는 하측에서 상측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 양극일 수 있고 제2 전극(113)은 음극일 수 있다.
제1 보조 단위체(130c)는 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로, 즉 도 8을 기준으로 상측에서 하측으로 분리막(114), 음극(113), 분리막(112) 및 양극(111)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 보조 단위체(130c)의 양극(111)은 기본 단위체(110')를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다.
제2 보조 단위체(140c)는 제2 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로, 즉 도 11을 기준으로 하측에서 상측으로 양극(111, 제1 양극), 분리막(112), 음극(113), 분리막(114) 및 양극(118, 제2 양극)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제2 보조 단위체(140c)의 양극 중 가장 외측에 위치한 양극(118, 제2 양극)은 기본 단위체(110')를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다. 참고로, 보조 단위체가 분리막을 포함하면 단위체의 정렬에 유리하다.
다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이 단위체 스택부(100f)를 형성할 수 있으며, 단위체 스택부(100f)는 기본 단위체(110')와, 기본 단위체(110')의 하부에 제1 보조 단위체(130d)를 포함한다.
기본 단위체(110')는 하측에서 상측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 양극일 수 있고 제2 전극(113)은 음극일 수 있다.
그리고 제1 보조 단위체(130d)는 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로 분리막(114), 음극(113) 및 분리막(112)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제2 보조 단위체는 구비되지 않아도 무방하다. 참고로, 음극은 전위차로 인해 전극 케이스(예를 들어, 파우치)의 알루미늄층과 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 음극은 분리막을 통해 전극 케이스로부터 절연되는 것이 바람직하다.
도 13은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제7 구조를 도시한 도면이다.
마지막으로, 도 13에 도시된 바와 같이 단위체 스택부(100g)를 형성할 수 있으며, 단위체 스택부(100g)은 기본 단위체(110)와, 기본 단위체(110)의 하부에 제2 보조 단위체(140d)를 포함한다.
기본 단위체(110)는 상측에서 하측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 음극일 수 있고 제2 전극(113)은 양극일 수 있다.
그리고 제2 보조 단위체(140d)는 제2 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로 음극(111), 분리막(112), 양극(113), 분리막(114) 및 음극(119)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 보조 단위체는 구비되지 않아도 무방하다.
또한, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 단위체 스택부 110: 기본 단위체
111: 제1 전극 112: 제1 분리막
113: 제2 전극 114: 제2 분리막

Claims (17)

  1. 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되고,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제1 전극인 제1 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  2. 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이를 기준으로 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막보다 0~0.3mm만큼 작게 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되고,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제1 전극인 제1 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이 중의 어느 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하고, 다른 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하거나 작은 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 단위체는 상기 전극과 상기 분리막이 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막의 접착은, 상기 전극과 상기 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 분리막은 접착력을 가지는 코팅 물질이 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 분리막은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 바라보는 양면에 상기 코팅 물질이 코팅되고, 상기 제2 분리막은 상기 제2 전극을 바라보는 일면에만 상기 코팅 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 분리막은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 바라보는 양면에 상기 코팅 물질이 코팅되고, 상기 제2 분리막은 상기 제2 전극을 바라보는 일면과 그 반대면에 상기 코팅 물질이 코팅되며,
    상기 단위체 스택부는 2개 이상의 기본 단위체가 적층되어 형성되되, 상기 제2 분리막의 코팅 물질에 의해 기본 단위체끼리 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 단위체는 상기 4층 구조가 반복적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막 및 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 보조 단위체의 양극은 집전체, 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막, 음극 및 분리막이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 양극으로 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 보조 단위체의 양극은 집전체, 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 제1 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 제2 양극이 적층되어 형성되며,
    상기 제2 보조 단위체의 제2 양극은 집전체, 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 음극, 분리막, 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
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