KR101600605B1 - 안전성이 개선된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막의 일정 부분을 테이핑 처리함으로써 사행 불량으로 인한 분리막 손상 및 그로 인한 내부 단락이 방지되도록 고안된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 분리막과 전극 사이에 보호테이프가 개재됨에 따라 집전체와 분리막 와인딩시 일부 불량으로 인한 사행이 발생하더라도 이로 인한 충격이 분리막에 직접 전달되는 것을 보호테이프가 방지 또는 완충하는 효과를 갖는다.

Description

안전성이 개선된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode assembly with improved safety and secondary battery containing the same}

본 발명은 안전성이 개선된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 분리막의 최외곽부 가로방향 단부에 보호테이프를 적용함으로써 사행(meander) 불량으로 인한 분리막 손상 및 그로 인한 내부 단락이 방지되도록 한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌으며 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 집전체, 음극 활물질이 코팅된 음극 집전체, 및 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 위치하여 리튬 이온(Li-ion) 등의 이동을 가능하게 하고 쇼트를 방지하는 분리막이 적층된 전극 조립체를 젤리롤 등의 형태로 권취하여 원통형 또는 각형의 금속 케이스에 내장시키고, 리튬 이온 등의 이동을 가능하게 하는 전해액을 상기 케이스 내에 주입하여 제조할 수 있다.

이와 같이 제조된 이차전지는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있는 반면, 집전체와 분리막의 와인딩(winding)시 일부 불량으로 인해 사행이 발생할 수 있는데, 사행 불량으로 인한 damage가 분리막에 바로 전달되어 분리막 손상을 일으키며, 그 결과 내부 단락(short)을 초래하게 된다. 이러한 사행 불량으로 인한 내부 단락은 다른 원인에 의한 내부 단락에 비해 일반적으로 더 큰 위험을 초래하는 경향이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 사행 불량으로 인한 분리막 손상이 방지되도록 고안된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체에 있어서, 상기 분리막의 최외곽부 가로방향 단부 각각에 보호테이프가 구비되어 있으며, 상기 보호테이프가 전극과 분리막 사이에 개재되어 있는 전극 조립체가 제공된다.

상기 전극은 양극, 음극, 또는 양극과 음극 둘다일 수 있다.

상기 전극 집전체의 최외곽부 모서리가 보호테이프 위에 적층될 수 있다.

상기 보호테이프의 세로방향 길이는 2 내지 5 ㎜ 일 수 있다.

상기 보호테이프의 가로방향 길이는 10 내지 100 ㎜ 일 수 있다.

상기 보호테이프의 두께는 0보다 크고 50 ㎛ 이하일 수 있다.

상기 보호테이프는 전해액에 부반응이 일어나지 않는 수지라면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 폴리올레핀계 수지로부터 제조될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 전술한 전극 조립체가 권취되어 케이스에 내장되고, 여기에 전해액이 주입되어 제조된 이차전지가 제공된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 분리막의 최외곽부 가로방향 단부에 보호테이프가 놓이고, 상기 보호테이프 위에 전극 집전체의 최외곽부 모서리가 놓이게 됨에 따라, 집전체와 분리막의 와인딩시 사행 불량으로 인해 발생하였던 분리막 손상이나 내부 단락이 방지되는 효과를 갖는다.

도 1은 분리막의 최외곽부 가로방향 단부 각각에 보호테이프가 적용되어 있고, 그 위에 전극 집전체가 적층되어 있는, 본 발명에 따른 전극 조립체의 권취전 양태를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 양극 집전체를 중심으로 2매의 분리막이 적층되어 있는 권취전 전극 조립체의 단면도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 전극 조립체는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 것으로, 상기 분리막의 최외곽부 가로방향 단부 각각에 보호테이프가 구비되어 있으며, 상기 보호테이프가 전극과 분리막 사이에 개재되어 있음을 특징으로 한다.

본원 명세서에서 ‘보호테이프’라 함은 분리막의 최외곽부 가로방향 단부 각각에 위치하며, 보호테이프의 일부에 전극이 적층된다. 예컨대, 보호테이프에 전극의 최외곽부 모서리가 걸쳐지게 적층될 수 있다(도 1 참조).

보호테이프는 그의 가로방향 단부가 분리막의 가로방향 단부와 평행하도록 분리막 위에 위치할 수 있으나, 분리막 손상 방지라는 소기의 목적을 달성할 수 있다면 보호테이프의 가로방향 단부가 분리막의 가로방향 단부와 반드시 평행할 필요는 없다. 또한, 보호테이프의 바깥쪽 가로방향 단부가 분리막의 가로방향 단부와 일치하도록 놓이는 양태뿐만 아니라, 보호테이프의 바깥쪽 가로방향 단부가 분리막 가로방향 단부보다 약간 안쪽으로 놓이거나, 또는 보호테이프의 바깥쪽 가로방향 단부가 분리막의 가로방향 단부보다 더 바깥쪽으로 위치하는 양태도 가능하다.

보호테이프는 용량 손실을 방지하는 측면에서 분리막에 접착되는 것이 유리하나, 전극에 접착된 양태 역시 본 발명의 권리범위에 포함된다. 접착은 당업계에 통상적인 방식으로 이루어질 수 있으며, 예컨대 일면에 접착층이 형성된 보호테이프를 사용하거나, 보호테이프를 분리막에 열융착시켜 결합시킬 수도 있다

보호테이프의 소재로는 전지와 화학적 반응을 일으키지 않는 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 소수성, 내화학성이 우수한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지가 사용될 수 있으며, 특히 폴리프로필렌계 수지가 바람직하다.

보호테이프의 세로방향 길이(높이)는 2 내지 5 ㎜일 수 있다. 보호테이프의 세로방향 길이가 상기 하한치보다 적으면 보호테이프를 사용하는 소기의 목적을 달성할 수 없게 되고, 상기 상한치보다 크면 리튬 이온의 원활한 이동을 방해하고 전지의 부피를 불필요하게 증가시킬 수 있다.

보호테이프의 가로방향 길이는 10 내지 100 ㎜일 수 있다. 보호테이프의 길이가 상기 하한치보다 적으면 보호테이프를 사용하는 소기의 목적을 달성할 수 없게 되고, 상기 상한치보다 크면 전지의 부피를 불필요하게 증가시킬 수 있다.

보호테이프의 두께는 0보다 크고 50 ㎛ 이하일 수 있다. 보호테이프의 두께가 상기 상한치보다 두꺼우면 전극 조립체의 부피를 필요 이상으로 증가시킬 뿐만 아니라 리튬 이온의 원활한 이동을 저해하게 되고, 보호테이프의 두께가 상기 하한치보다 얇으면 분리막 손상을 방지할 수 없게 된다.

본원 명세서에서 ‘가로방향 단부’라 함은 전극 조립체의 권취에 의해 양극 집전체, 음극 집전체, 분리막 또는 보호테이프 등에서 길이가 감소하는 변의 단부를 지칭하는 것으로 이해한다.

본원 명세서에서 ‘분리막의 최외곽부 가로방향 단부’라 함은 전극 조립체를 젤리롤 형태로 권취하는 경우, 권취가 마무리되는 쪽의 가로방향 단부를 의미한다.

상기와 같이 적층된 전극 조립체는 권취되어 젤리롤 형태를 형성하여, 전지케이스에 수용되고, 이후에 전해액이 함침되고 캔이 밀봉되어 이차전지로 제조될 수 있다.

상기 전지케이스는, 예를 들어, 각형 또는 원통형의 금속 캔일 수 있으며, 각형 이차전지는 둥글게 권취한 젤리롤을 납작하게 압축한 후 각형 캔에 삽입한다는 점을 제외하고는 상기 원통형 이차전지와 동일한 방법으로 제조할 수 있다.

상기 양극과 음극은 집전체와 상기 집전체의 적어도 일면에 도포되는 전극 활물질, 즉 양극 활물질 또는 음극 활물질을 포함한다.

양극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있다.

음극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있다.

상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiMn₂O₄, 또는 LiNi_{1 -x- y}Co_xM_yO₂ (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전극 조립체의 양극 및 음극에는 각각 양극탭 및 음극탭이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착될 수 있다.

이들 전극탭은 전극 조립체가 권취되는 방향과 수직한 방향으로 전극 조립체로부터 돌출되도록 형성되어 있다. 상기 밀봉부 중 상기 케이스 본체와 케이스 커버가 연결되어 있는 변과 반대편에 위치한 밀봉부를 통해서 상기 전극 조립체의 양극탭과 음극탭이 인출될 수 있다. 상기 전극탭에는 절연성 소재로 만들어진 보호 테이프가 부착되어 전극 간의 단락을 방지할 수 있다.

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 1은 분리막의 최외곽부 가로방향 단부 각각에 보호테이프가 적용되어 있고, 그 위에 전극 집전체가 적층되어 있는, 본 발명에 따른 전극 조립체(E)의 일 양태를 나타낸 평면도이다.

도 1에 따르면, 분리막(S1)의 최외곽부 가로방향 단부에 보호테이프(T_1u, T_1b)가 놓여있고, 그 위에 전극 집전체의 최외곽부 모서리가 놓여 있다. 도 1에서 C는 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 의미하고, E_cf는 전극 활물질 코팅부를 의미한다.

도 2는 양극을 중심으로 2매의 분리막이 적층되어 있는 권취전 전극 조립체(E)의 단면도이다.

도 2에 따르면, 양극 집전체를 중심으로 2매의 분리막(S1, S2)이 적층되어 있으며, 보호테이프(T_1u, T_2u)가 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부(C )보다 최외곽부쪽으로 더 연장되어 있다. 도 2에서, E_cb 및 E_cf는 각각 양극 집전체의 양면에 위치한 활물질 코팅부를 나타내고, C는 전극 활물질이 코팅되어 있지 않은 무지부를 나타낸다. S2, E_{cb ,} T_2u는 도 1에는 도시되어 있지 않은 구성요소이다.

집전체와 분리막의 와인딩시 일부 불량으로 인해 사행이 발생될 때 손상되었던 종래 분리막과 달리, 본 발명에서는 도 1로부터 알 수 있듯이 전극 집전체의 최외곽부 모서리가 보호테이프(T_1u, T_1b) 위에 적층되어 있어, 사행 불량으로 인한 분리막 손상을 방지할 수 있다.

S1, S2: 분리막
T_1u, T_1b, T_2u: 보호테이프
E: 전극 조립체
E_cf, E_cb: 전극 활물질 코팅부
C: 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부

Claims (8)

1. 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 젤리롤 형태의 전극 조립체에 있어서,
   상기 분리막에 있어서 젤리롤 형태로의 권취가 마무리되는 쪽의 가로방향 단부인 분리막의 최외곽부 가로방향 단부 각각에 보호테이프가 구비되어 있으며, 상기 보호테이프가 전극과 분리막 사이에 개재되어 있고,
   보호테이프의 바깥쪽 가로방향 단부가 분리막의 가로방향 단부보다 더 바깥쪽으로 위치하며,
   상기 보호테이프의 가로방향 길이가 10 내지 100 ㎜인
   젤리롤 형태의 전극 조립체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전극이 양극, 음극, 또는 양극과 음극 둘다인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
   
3. 제1항에 있어서,
   전극 집전체의 최외곽부 모서리가 보호테이프위에 적층되어 있는 전극 조립체.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 보호테이프의 세로방향 길이가 2 내지 5 ㎜인 전극 조립체.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 보호테이프의 두께가 0보다 크고 50㎛ 이하인 전극 조립체.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 보호테이프는 폴리올레핀계 수지로 제조된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
   
8. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제7항중 어느 한 항에 따른 전극 조립체가 케이스에 내장되고, 여기에 전해액이 주입되어 제조된 이차전지.
   
   

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