KR101678537B1 - 이차 전지 - Google Patents

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KR101678537B1 KR1020130091086A KR20130091086A KR101678537B1 KR 101678537 B1 KR101678537 B1 KR 101678537B1 KR 1020130091086 A KR1020130091086 A KR 1020130091086A KR 20130091086 A KR20130091086 A KR 20130091086A KR 101678537 B1 KR101678537 B1 KR 101678537B1
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Abstract

본 발명은 제1 양극기재 상에 제1 양극활물질이 코팅된 제1 양극활물질코팅부를 구비하는 제1 양극판; 상기 제1 양극판과 대면하고 제1 음극기재 상에 제1 음극활물질이 코팅된 제1 음극활물질코팅부를 구비하는 제1 음극판; 및 상기 제1 양극판과 제1 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어지는 고용량 전극부; 제2 양극기재 상에 제2 양극활물질이 코팅된 제2 양극활물질코팅부를 구비하는 제2 양극판; 상기 제2 양극판과 대면하고 제2 음극기재 상에 제2 음극활물질이 코팅된 제2 음극활물질코팅부를 구비하는 제2 음극판; 및 상기 제2 양극판과 제2 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어지는 고출력 전극부; 상기 고용량 전극부 및 고출력 전극부와 접촉하는 전해액; 및 상기 고용량 전극부, 고출력 전극부 및 전해액을 수납하는 전지케이스;를 포함하고, 상기 고출력 전극부의 출력밀도는 상기 고용량 전극부의 출력밀도의 4배 이상이고, 상기 제1 및 제2 양극활물질부코팅의 체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%인 이차 전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
휴대용 기기의 전원으로 널리 쓰이는 전지는 이차 전지는 복수회 가역적으로 충방전이 가능하여, 재사용이 가능하므로 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 이차 전지는 이들 이차 전지가 채용되는 외부 전자 기기에 따라 그 사용 형태를 자유롭게 변경시킬 수 있다. 이와 같이, 이차 전지는 부피 및 질량에 비하여 효과적으로 에너지를 축적할 수 있어 통상 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있다.
특히, 휴대용 통신 기기의 발달로 인하여, 이들 통신 기기에 채용되는 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 따라서, 이차 전지의 수명특성 등의 신뢰성을 향상시키기 위하여 다양한 방향으로 연구되고 있다.
본 발명의 목적은 수명특성 등의 신뢰성이 향상된 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고용량 및 고출력 특성을 모두 갖는 새로운 전극조립체를 구비한 이차 전지를 제공하기 위함이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 일측면에 따르는 이차 전지는, 제1 양극기재 상에 제1 양극활물질이 코팅된 제1 양극활물질코팅부를 구비하는 제1 양극판; 상기 제1 양극판과 대면하고 제1 음극기재 상에 제1 음극활물질이 코팅된 제1 음극활물질코팅부를 구비하는 제1 음극판; 및 상기 제1 양극판과 제1 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어지는 고용량 전극부; 제2 양극기재 상에 제2 양극활물질이 코팅된 제2 양극활물질코팅부를 구비하는 제2 양극판; 상기 제2 양극판과 대면하고 제2 음극기재 상에 제2 음극활물질이 코팅된 제2 음극활물질코팅부를 구비하는 제2 음극판; 및 상기 제2 양극판과 제2 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어지는 고출력 전극부; 상기 고용량 전극부 및 고출력 전극부와 접촉하는 전해액; 및 상기 고용량 전극부, 고출력 전극부 및 전해액을 수납하는 전지케이스;를 포함하고, 상기 고출력 전극부의 출력밀도는 상기 고용량 전극부의 출력밀도의 4배 이상이고, 상기 제1 및 제2 양극활물질부코팅의 체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%이다.
상기 고출력 전극부의 출력밀도는 1000W/L 이상이고, 하기 식 (1)에 따른 상기 고출력 전극부의 출력비는 상기 고용량 전극부의 출력비에 대하여 1배 내지 5배일 수 있다.
식 (1) : 고출력의 총출력 (고출력 전극부의 부피비율 * 고출력 전극부의 출력밀도)/고용량의 총출력 (고용량 전극부의 부피비율 * 고용량 전극부의 출력밀도)
상기 고용량 전극부의 에너지밀도는 550W/L 이상이고, 상기 고출력 전극부의 에너지밀도는 상기 고용량 전극부의 에너지밀도에 대하여 1/4 내지 1/3일 수 있다.
상기 고출력 전극부의 출력밀도는 3000W/L 내지 8000W/L이고, 상기 고용량 전극부의 출력밀도는 560W/L 내지 630W/L일 수 있다.
상기 고출력 전극부의 에너지밀도는 120Wh/L 내지 280Wh/L이고, 상기 고용량 전극부의 에너지밀도는 560Wh/L 내지 630Wh/L일 수 있다.
상기 고출력 전극부와 상기 고용량 전극부는 전기적으로 연결되되 병렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 양극판은 상기 제1 양극활물질이 코팅되지 않고 제1 양극기재가 노출되는 제1 양극무지부를 포함하고, 상기 제2 양극판은 상기 제2 양극활물질이 코팅되지 않고 제2 양극기재가 노출되는 제2 양극무지부를 포함하며, 상기 제1 음극판은 상기 제1 음극활물질이 코팅되지 않고 제1 음극기재가 노출되는 제1 음극무지부를 포함하고, 상기 제2 음극판은 상기 제2 음극활물질이 코팅되지 않고 제2 음극기재가 노출되는 제2 음극무지부를 포함할 수 있다.
상기 제1 양극판, 제1 음극판 및 세퍼레이터는 권취되어 하나의 젤리롤의 형태로 구비되고, 상기 제2 양극판, 제2 음극판 및 세퍼레이터는 상기 제1 양극판, 제1 음극판 및 세퍼레이터와 별도로 권취되어 다른 젤리롤의 형태로 구비될 수 있다.
상기 제1 양극판과 제2 양극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 양극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 양극기재 상에는 제1 양극무지부, 제1 양극활물질코팅부, 제2 양극무지부 및 제2 양극활물질코팅부가 순차적으로 정렬될 수 있다.
상기 제1 양극판과 제2 양극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 양극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 양극기재 상에는 제1 양극무지부, 제1 양극활물질코팅부, 제2 양극활물질코팅부 및 제2 양극무지부가 순차적으로 정렬될 수 있다.
상기 제1 음극판과 제2 음극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 음극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 음극기재 상에는 상기 제1 음극무지부, 제1 음극활물질코팅부, 제2 음극무지부 및 제2 음극활물질코팅부가 순차적으로 정렬될 수 있다.
상기 제1 음극판과 제2 음극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 음극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 음극기재 상에는 상기 제1 음극무지부, 제1 음극활물질코팅부, 제2 음극활물질코팅부 가 순차적으로 정렬될 수 있다.
상기 제1 음극활물질코팅부에 코팅된 제1 음극활물질과, 상기 제2 음극활물질코팅부에 코팅된 제2 음극활물질은 서로 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 양극무지부에는 각각 제1 및 제2 양극탭이 구비되고, 상기 제1 및 제2 음극무지부에는 각각 제1 및 제2 음극탭이 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 양극탭은 제2 방향으로 돌출되어 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 음극탭은 상기 제2 방향의 반대방향으로 돌출되어 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수명특성 등의 신뢰성이 향상된 이차 전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 고용량 및 고출력 특성을 모두 갖는 새로운 전극조립체를 구비한 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이다.
도 3a는 도 2의 전극 조립체의 분해사시도이다.
도 3b는 도 3a의 I-I에 따른 단면도이다.
도 4a는 도 3a의 양극판 및 음극판의 사시도이다.
도 4b는 도 3a의 양극판의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 4c는 도 3a의 음극판의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 6은 도 5의 이차 전지의 분해사시도이다.
도 7은 도 6의 전극 조립체의 분해사시도이다.
도 8은 도 7의 II-II에 따른 단면도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이다. 도 3a는 도 2의 전극 조립체의 분해사시도이고, 도 3b는 도 3a의 I-I에 따른 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 (10)는 전지케이스 (11, 15) 및 상기 전지케이스 (11, 15) 내에 수납되는 전해액과, 및 전극조립체 (100)를 포함할 수 있다. 상기 전극조립체 (100)는 양극판 (110), 음극판 (120) 및 상기 양극판 (110)과 음극판 (120) 사이에 개재되는 세퍼레이터 (130)를 포함할 수 있다. 상기 양극판 (110)은 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)을 포함하고, 상기 음극판 (120)은 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 양극판 (110a)과 제1 음극판 (120a)은 서로 대향하도록 구비되어 고용량 전극부 (S)를 형성하고, 상기 제2 양극판 (110b)과 제2 음극판 (120b)은 서로 대향하도록 구비되어 고출력 전극부 (T)을 형성할 수 있다.
상기 전극조립체 (110)는 제1 양극기재 상에 제1 양극활물질이 코팅된 제1 양극활물질코팅부 (112)를 구비하는 제1 양극판 (110a); 상기 제1 양극판 (110a)과 대면하고 제1 음극기재 상에 제1 음극활물질이 코팅된 제1 음극활물질코팅부 (122)를 구비하는 제1 음극판 (120a); 및 상기 제1 양극판 (110a)과 제1 음극판 (120a) 사이에 개재되는 세퍼레이터 (130)로 이루어지는 고용량 전극부 (S); 제2 양극기재 상에 제2 양극활물질이 코팅된 제2 양극활물질코팅부 (114)를 구비하는 제2 양극판 (110a); 상기 제2 양극판 (110a)과 대면하고 제2 음극기재 상에 제2 음극활물질이 코팅된 제2 음극활물질코팅부 (124)를 구비하는 제2 음극판 (120b); 및 상기 제2 양극판 (110b)과 제2 음극판 (120b) 사이에 개재되는 세퍼레이터 (130)로 이루어지는 고출력 전극부 (T)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전지케이스 내에는 상기 고용량 전극부 (S) 및 고출력 전극부 (T)와, 전해액이 수납될 수 있으며, 상기 전해액은 고용량 전극부 (S) 및 고출력 전극부 (T)와 접촉할 수 있다. 상기 고출력 전극부 (S)의 출력밀도는 상기 고용량 전극부 (T)의 출력밀도의 4배 이상이고, 상기 제1 및 제2 양극활물질부코팅 (112, 114)의 체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부 (112)의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%일 수 있다.
전지케이스 (11, 15)는 일면이 개구되어 내부에 전극조립체 (100)와 전해액을 수납하는 본체 (11)와 상기 본체 (11)의 개구된 면을 밀폐하는 캡조립체 (15)로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 캡조립체 (15)는 상기 전극조립체 (100)의 양극판 (110)과 전기적으로 연결되고, 상기 본체 (11)는 상기 전극조립체 (100)의 음극판 (120)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 캡조립체 (15)와 상기 본체 (11)는 서로 다른 극성을 갖을 수 있다. 또한, 상기 본체 (11)와 캡조립체 (15)는 가스켓 등의 절연체로 절연될 수 있다.
상기 전해액은 양극판 (110) 및 음극판 (120) 사이에서 리튬이온 등의 이온의 이동을 가능하게 하며, 상기 전해액는 이차전지 내에서 리튬이온의 공급원으로 작용하는 리튬염 또는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 전해액은 비수성 유기 용매일 수 있으며, 상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 비수성 유기 용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 및 비양성자성 용매 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 카보네이트계 용매로는 예컨대 디메틸 카보네이트 (dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트 (diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트 (dipropyl carbonate, DPC), 메틸 프로필 카보네이트 (methylpropyl carbonate, MPC), 에틸프로필 카보네이트 (ethylpropyl carbonate, EPC), 메틸에틸 카보네이트 (methylethyl carbonate, MEC), 에틸메틸 카보네이트 (ethylmethyl carbonate, EMC) 등의 사슬형 카보네이트 화합물; 에틸렌 카보네이트 (ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트 (propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트 (butylene carbonate, BC) 등의 환형 카보네이트 화합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 에스테르계 용매로는 예컨대 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, 데카놀라이드 (decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤 (mevalonolactone), 카프로락톤 (caprolactone) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 에테르 용매로는 예컨대 디부틸에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 비수성 유기 용매는 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 상기 리튬염의 구체적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2) (여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2 (리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB), 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 약 0.1M 내지 약 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있으며, 상기 리튬염의 농도 또한 각각의 이차 전지의 설계 사양에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
전극조립체 (100)는 서로 대면하는 양극판 (110) 및 음극판 (120)과, 상기 양극판 (110)과 음극판 (120) 사이에 개재되는 세퍼레이터 (130)를 권취하거나 또는 적층하여 형성될 수 있다. 도면에서는 권취된 형태의 전극조립체 (100)에 대해서만 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
세퍼레이터 (130)는 양극판 (110)과 음극판 (120)이 직접 접촉하는 것을 방지하기 위한 것으로, 상기 양극판 (110) 및 음극판 (120) 사이의 이온 또는 전해액의 이동이 가능하도록 다공성의 절연체로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 세퍼레이터 (130)로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포를 사용할 수 있다. 또한 다공성의 폴리올레핀 필름에 안정성이 우수한 고분자 수지가 코팅된 필름을 사용할 수 있다.
양극판 (110)은 제1 양극판 (110a)과 제2 양극판 (110b)으로 이루어 질 수 있고, 상기 제1 양극판 (110a)은 제1 양극기재 상에 제1 양극활물질이 코팅된 제1 양극활물질코팅부 (112)와, 상기 제1 양극활물질이 코팅되지 않고 제1 양극기재가 노출되는 제1 양극무지부 (111)를 포함하고, 상기 제2 양극판 (110b)은 제2 양극기재 상에 제2 양극활물질이 코팅된 제2 양극활물질코팅부 (114)와 상기 제2 양극활물질이 코팅되지 않고 제2 양극기재가 노출되는 제2 양극무지부 (113)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 양극기재는 높은 도전성을 가진 물질로, 화학적 변화를 유발하지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 양극 집전체는 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등이 사용될 수 있다. 제1 및 제2 양극활물질은 리튬을 포함하는 층상 화합물인 리튬화합물을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 양극활물질의 전도성을 향상시키기 위한 도전제와, 상기 리튬화합물과 제1 및 제2 양극기재 사이의 결합력을 향상시키기 위한 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 양극활물질은 상기 리튬화합물과 도전제 및 바인더를 용매와 함께 혼합하여 슬러리 형태로 만든 후, 상기 슬러리 형태의 제1 및 제2 양극활물질을 제1 및 제2 양극기재에 코팅함으로써 형성된다. 바람직하게는, 용매로는 NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone), 리튬화합물로는 LiCoOx, LiMnOx, LiNiOx (여기서, x는 자연수) 등을 포함할 수 있다. 도전제로는 카본 블랙 또는 아세틸렌블랙, 바인더로는 폴리불화비닐리덴을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
음극판 (120)은 제1 음극판 (120a)과 제2 음극판 (120b)으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 음극판 (120a)은 제1 음극기재 상에 제1 음극활물질이 코팅된 제1 음극활물질코팅부 (122)와 상기 제1 음극활물질이 코팅되지 않고 제1 음극기재가 노출되는 제1 음극무지부 (121)를 포함하고, 상기 제2 음극판 (120b)은 제2 음극기재 상에 제2 음극활물질이 코팅된 제2 음극활물질코팅부 (124)와 상기 제2 음극활물질이 코팅되지 않고 제2 음극기재가 노출되는 제2 음극무지부 (123)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 음극기재로는 전도성 금속판으로, 예컨대 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈 등으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 음극활물질은 카본화합물을 포함할 수 있으며, 여기에 상기 카본화합물과 상기 제1 및 제2 음극기재의 결합력을 향상시키기 위하여 바인더 등을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 음극활물질은 카본화합물, 바인더 등을 용매와 혼합하여 슬러리 형태로 만든 후, 상기 슬러리 형태의 제1 및 제2 음극활물질을 각각 제1 및 제2 음극기재에 코팅하여 형성된다. 바람직하게는, 용매로는 물, 카본화합물로는 흑연, 바인더로는 스티렌-부타디엔 고무 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 양극판 (110) 및 음극판 (120)은 서로 대면하는데, 예컨대 제1 양극판 (110a)은 제1 음극판 (120a)과 대면하고, 제2 양극판 (110a)은 제2 음극판 (120b)과 대면하도록 구비될 수 있다. 상기 제1 양극판 (110a)과 제1 음극판 (120a)은 고용량 전극부 (S)를 형성하고, 제2 양극판 (110b)과 제2 음극판 (120b)은 고출력 전극부 (T)를 형성할 수 있다. 상기 제1 양극판 (110a)에서 리튬이온의 실질적인 공급소스는 제1 양극활물질코팅부 (112)이고, 제2 양극판 (110b)에서 리튬이온의 실질적인 공급소스는 제2 양극활물질코팅부 (114)일 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 양극활물질코팅부 (112, 114)는 제2 양극무지부 (113)에 의하여 이격되어 구비되므로, 상기 제1 및 제2 양극활물질코팅부 (112, 114)는 각각 가장 인접하게 구비되어 직접 대면하는 제1 및 제2 음극활물질코팅부 (122, 124)와 이온교환을 할 수 있다. 따라서, 상기 양극판 (110) 및 음극판 (120)은 고용량 전극부 (S)와 고출력 전극부 (T)로 구분될 수 있으며, 고용량 전극부 (S)와 고출력 전극부 (T)는 서로 대면하는 양극활물질코팅부 및 음극활물질코팅부에서 각각 개별적으로 이온교환을 하면서, 동시에 상기 고용량 전극부 (S)와 고출력 전극부 (T)는 전기적으로 연결되므로 서로 전류의 이동 등에 의하여 상호작용할 수 있다.
이차 전지는 전자기기의 전원으로 상기 전자기기가 소모하는 전류의 공급원으로 작용할 수 있다. 이때, 상기 전자기기의 특성 및 사용패턴에 따라 이차 전지에 요구되는 전류의 상태가 달라지나, 상기 이차 전지의 수명 및 사용시간에 대한 기대치는 항상 높다. 반면, 전자기기는 작동 시와 대기 시에 각각 필요 출력과 사용용량이 상이하나, 통상의 이차 전지의 경우에는 용량이 높거나 또는 출력이 유리하거나 어느 일측의 특성만을 구비한다. 특히, 부하 (load)의 변동이 큰 전자기기에서 용량이 큰 이차 전지를 전원으로 사용하는 경우에는 상기 전자기기에서의 베이스로드 (base load)에서 피크로드 (peak load)의 변동에 대하여 유연하게 대응하기가 어렵고, 이러한 문제가 반복적으로 발생함에 따라 이차 전지의 열화를 가속시켜 수명 및 사용시간을 저하시킨다. 또한, 출력 특성이 우수한 이차 전지는 통상 용량이 낮으므로, 이와 같은 이차 전지를 전원으로 채용하는 경우에는 전자기기의 사용시간이 짧아져 문제가 된다.
반면, 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지는 높은 용량을 담당하는 고용량 전극부와 높은 출력을 담당하는 고출력 전극부를 구비한다. 따라서, 상기 이차 전지는 고출력 전극부에 의하여 부하의 변동이 큰 전자기기에 대하여 유연하게 대응할 수 있고, 고용량 전극부에 의하여 사용시간을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 전자기기가 피크로드인 상태에서 상기 고출력 전극부는 신속하게 대전류를 발생할 수 있으므로, 이차 전지로 데미지를 주지 않아 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 이차 전지는 고용량 전극부와 고출력 전극부가 각각 하나의 케이스 내에서 전해액을 공유하므로 이차 전지의 크기를 감소시킬 수 있다. 본 실시예들에 따른 이차 전지에서 고용량 전극부와 고출력 전극부는 서로 전기적으로 상호작용하여 고용량 전극부와 고출력 전극부를 연결하는 별도의 전압조절 소자 등을 생략할 수 있으므로 생산단가를 절감할 수 있다.
상기 양극판 (110)에서 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)은 각각 별도의 제1 및 제2 양극기재를 이용하여 개별적으로 형성되거나, 또는 서로 연결된 제1 및 제2 양극기재를 이용하여 일체형으로 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 음극판 (120)에서 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)은 개별적으로 형성되거나 또는 일체형으로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)이 개별적으로 형성되는 경우, 상기 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)은 일체형 또는 개별적으로 형성될 수 있으며, 각각의 형상에 의하여 영향받지는 않는다. 또한, 상기 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)과 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)도 서로 대면하도록 구비되면 가능한 것으로, 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)과 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)은 각각 복수개로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 제1 양극판 (110a)은 두개 이상으로 구비될 수 있으며, 이때 상기 제2 양극판 (110b)은 서로 이웃하는 두개의 제1 양극판 (110a) 사이에 구비되거나, 또는 상기 제1 양극판 (110a)의 외각에 구비될 수 있다. 반면, 본 실시예에서는 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)과 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)이 모두 일체형으로 형성되는 형태로 설명하나, 전술한 바와 같이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4a는 도 3a의 양극판 및 음극판의 사시도이다. 도 4b는 도 3a의 양극판의 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도 4c는 도 3a의 음극판의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 4a를 참조하면, 상기 제1 양극판 (110a)과 제2 양극판 (110b)은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 양극기재는 제1 방향 (x방향)으로 서로 연장되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 양극기재 상에는 제1 양극무지부 (111), 제1 양극활물질코팅부 (112), 제2 양극무지부 (113) 및 제2 양극활물질코팅부 (114)가 순차적으로 정렬될 수 있다. 상기 제1 음극판 (120a)과 제2 음극판 (120b)은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 음극기재는 제1 방향 (x방향)으로 서로 연장되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 음극기재 상에는 상기 제1 음극무지부 (121), 제1 음극활물질코팅부 (122), 제2 음극무지부 (123) 및 제2 음극활물질코팅부 (124)가 순차적으로 정렬될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 양극무지부 (111, 113)에는 각각 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)이 구비되고, 상기 제1 및 제2 음극무지부 (121, 123)에는 각각 제1 및 제2 음극탭 (125, 126)이 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제2 양극무지부 (111, 113)은 상기 제1 및 제2 음극무지부 (121, 123)와 대면하도록 구비되고, 상기 제1 및 제2 양극판 (110a, 110b)과 상기 제1 및 제2 음극판 (120a, 120b)은 세퍼레이터를 개재한 상태로 권취되어 젤리롤 (jelly roll) 형태의 전극조립체로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 고용량 전극부 (S, 도 3b 참조)는 제1 양극무지부 (111)와 제1 양극활물질코팅부 (112)로 이루어지는 제1 양극판 (110a)과, 제1 음극무지부 (121)와 제1 음극활물질코팅부 (122)로 이루어지는 제1 음극판 (120a) 및 상기 제1 양극판 (110a)과 제1 음극판 (120a) 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어지고, 고출력 전극부 (T, 도 3b 참조)는 상기 제2 양극무지부 (113)와 제2 양극활물질코팅부 (114)로 이루어지는 제2 양극판 (110b)과, 제2 음극무지부 (123)와 제2 음극활물질코팅부 (124)로 이루어지는 제2 음극판 (120b) 및 상기 제2 양극판 (110b)과 제2 음극판 (120b) 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 고용량 전극부와 고출력 전극부는 병렬로 연결될 수 있는데, 고용량 전극부의 제1 양극탭 (115)은 고출력 전극부의 제2 양극탭 (116)과 전기적으로 연결되고, 고용량 전극부의 제1 음극탭 (125)는 고출력 전극부의 제2 음극탭 (126)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 및 제2 양극탭 (115, 116)은 제2 방향 (y방향)으로 돌출되어 서로 전기적으로 연결되고, 제1 및 제2 음극탭 (125, 126)은 상기 제2 방향의 반대방향 (-y방향)으로 돌출되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 서로 연결된 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)는 이차 전지에서 양극단자를 담당하는 부분과 직접 연결되거나 또는 별도의 전극리드를 이용하여 연결될 수 있고, 서로 연결된 제1 및 제2 음극탭 (125, 126)도 이차 전지에서 음극단자를 담당하는 부분과 직접 연결되거나 또는 별도의 전극리드를 이용하여 연결될 수 있다. 반면, 본 실시예에서는 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)과 제1 및 제2 음극탭 (125, 126) 사이의 단락을 방지하기 위해서 상기 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)은 제2 방향으로 돌출되고, 상기 제1 및 제2 음극탭 (125, 126)은 제2 방향의 반대방향으로 돌출되도록 형성하였으나, 전극조립체가 대략 사각형 등의 형상인 경우와 같이 상기 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)과 제1 및 제2 음극탭 (125, 126) 사이의 이격거리를 충분히 확보하여 단락을 방지할 수 있는 경우에는 상기 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)과 제1 및 제2 음극탭 (125, 126)는 모두 제2 방향으로 돌출되어 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극판 (110')의 형태이고, 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극판 (120')의 형태를 나타낸 도면이다. 즉, 도 4a의 양극판 (110) 및 음극판 (120)의 결합 외에도, 도 4a의 양극판 (110) 대신에 도 4b의 양극판 (110')을 사용할 수 있고, 도 4a의 음극판 (120) 대신에 도 4c의 음극판 (120')을 사용할 수 있으며, 또한 도 4b의 양극판 (110')과 도 4c의 음극판 (120')을 이용하여 전극조립체를 형성할 수 있다.
도 4b에 따른 양극판 (110')은 제1 양극판 (110a)과 제2 양극판 (110b)이 일체형으로 구비되도록 제1 및 제2 양극기재는 제1 방향 (x방향)으로 연결되고, 상기 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 양극기재 상에는 제1 양극무지부 (111), 제1 양극활물질코팅부 (112), 제2 양극활물질코팅부 (114) 및 제2 양극무지부 (113)가 순차적으로 정렬될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 활물질코팅부 (112, 114)는 서로 이웃하도록 구비되고, 상기 제1 및 제2 활물질코팅부 (112, 114)의 외각에는 각각 제1 및 제2 양극무지부 (111, 113)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 양극무지부 (111, 113)에는 각각 제1 및 제2 양극탭 (115, 116)에 용접되어 결합될 수 있다.
도 4c에 따른 음극판 (120')은 제1 음극판 (120a)과 제2 음극판 (120b)은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 음극기재는 제1 방향 (x방향)으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 음극기재 상에는 상기 제1 음극무지부 (121), 제1 음극활물질코팅부 (122), 제2 음극활물질코팅부 (124) 가 순차적으로 정렬될 수 있다. 예컨대, 상기 도 4c에 따른 음극판 (120')에는 제2 음극무지부 (123)가 생략되고 제1 음극무지부 (121)만이 구비될 수 있으며, 상기 제1 음극무지부 (121)에는 제1 음극탭 (125)이 구비될 수 있다. 예컨대, 도 4c에 따른 음극판 (120')은 상기 제1 음극활물질코팅부 (122)에 코팅된 제1 음극활물질과, 상기 제2 음극활물질코팅부 (124)에 코팅된 제2 음극활물질은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있고 또한 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 및 제2 음극활물질이 동일한 물질로 이루어지는 경우에는, 상기 제1 및 제2 음극활물질코팅부 (122, 124)는 일회의 코팅에 의하여 연속하여 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지에서, 전극조립체는 상대적으로 짧은 반응시간 내에 고전류를 발생할 수 있는 고출력 전극부와, 상대적으로 고용량을 발생할 수 있는 고용량 전극부로 이루어질 수 있다. 상기 고출력 전극부의 출력밀도는 상기 고용량 전극부의 출력밀도의 4배 이상이고, 예컨대 1000W/L (watt/liter) 이상일 수 있고, 2000W/L 내지 10000W/L가 특히 바람직할 수 있다. 상기 출력밀도는 이차 전지 (또는, 캐퍼시터 등)에서 제공할 수 있는 출력을 표준화하여 비교하기 위한 용어로, 소정의 부피 (liter) 당 구현할 수 있는 출력 (W)을 의미한다. 상기 출력밀도는 이차 전지의 수명 특성의 저하가 없는 상태에서의 최대 출력을 이차 전지의 단위부피당 출력을 나타낸 값을 의미한다. 이차 전지는 구현 가능한 최대 출력 이상을 뽑아내게 되면 최초 몇 회 (약 1회 내지 2회)의 방전은 가능하나 이차 전지의 수명이 급락한다. 상기 이차 전지의 수명 특성의 저하가 없는 상태란 제품군별로 설정된 대략 200cycle 내지 500cycle의 이차 전지의 보증 수명을 유지하는 것을 의미하며, 따라서 출력밀도는 이차 전지의 보증 수명을 유지할 수 있는 상태에서의 이차 전지에서 나타낼 수 있는 이차 전지의 단위부피당 최대 출력을 의미한다.
전자기기의 사용환경은 일반적으로 저전류를 소모하는 상태인 베이스로드와, 급작스럽게 높은 전류를 소모하는 상태인 피크로드를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 피크로드는 짧은 시간 동안 높은 출력을 요구하는 상태로, 실제 제품에서는 GSM 핸드폰으로 발신통화를 걸 때가 가장 대표적이며 (밀리세컨드 (mili-second) 수준의 매우 짧은 고출력 펄스 (pulse)), 노트북 또는 테블릿 (Tablet) 등에서는 동영상/게임 등의 구동시에 순간적으로 출력이 증가하는 AP 버스터 (burst) 현상 (서브세컨드 (sub-second) 수준의 중출력 펄스)을 들 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지는 베이스로드에서는 고출력 전극부와 고용량 전극부가 양측 모두에서 전류가 발생하고, 피크로드인 경우에 고출력 전극부가 신속하게 고전류를 발생하고 이어서 고용량 전극부에서 상기 고출력 전극부로 전류를 공급할 수 있다. 이때, 상기 고출력 전극부의 출력밀도가 고용량 전극부의 출력밀도에 대해서 4배 미만인 경우에는 피크로드에서 상기 고출력 전극부의 대응이 충분하지 않아 출력효율이 저하될 수 있다. 즉, 고출력 전극부의 출력밀도는 높을수록 유리하므로 4배 이상인 것이 바람직하다.
고출력 전극부의 출력밀도는 높을수록 유리한데, 상기 고출력 전극부의 출력밀도를 증가시키는 방법으로는, 제1 및 제2 양극활물질이 동일한 경우에는 제2 양극활물질코팅부의 합제밀도, 두께, 제2 양극활물질의 로딩양 중 어느 하나 이상을 낮추는 방법이 사용될 수 있다. 반면, 상기 제2 양극활물질코팅부의 합제밀도, 두께, 제2 양극활물질의 로딩양을 낮추는 경우에는 이차 전지의 용량도 함께 저하될 수 있다. 따라서, 동일한 부피를 갖는 이차 전지에서 총 유효용량 (실제사용 가능한 용량)을 대략 유사하게 또는 더 높게 유지하면서 동시에 피크로드에서 고출력을 발생하도록 하기 위해서는 상기 고출력 전극부의 체적을 소정의 수치범위로 제어할 필요가 있다. 예컨대, 상기 제1 및 제2 양극활물질부코팅 (112, 114)의 총체적을 100 vol%라 할 때, 상기 제1 및 제2 양극활물질부코팅 (112, 114)의 총체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부 (112)의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%인 것이 바람직하다. 상기 제2 양극활물질코팅부 (114)는 고출력 전극부를 담당하는 부분으로, 상기 제2 양극활물질코팅부 (114)가 2 vol% 미만이면, 상기 고출력 전극부의 출력밀도는 피크로드에서 소정의 전류를 발생할 수 없으므로 고출력 전극부에 의한 효과가 미비하다. 반면, 상기 제2 양극활물질코팅부 (114)가 20 vol% 초과이면, 이차 전지의 용량에 대응되는 에너지밀도가 저하되고 따라서 이차 전지의 실 사용시간이 감소될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 양극활물질은 동일한 물질로 이루어지는 경우, 상기 제2 양극활물질코팅부의 합제밀도, 두께 및 로딩양 중 적어도 어느 하나는 상기 제1 양극활물질코팅부보다 작게 구비되되, 상기 제1 및 제2 양극활물질부코팅 (112, 114)의 총체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부 (112)의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 고출력 전극부의 출력밀도는 1000W/L 이상이고, 상기 고출력 전극부의 출력비는 상기 고용량 전극부의 출력비에 대하여 1배 내지 5배일 수 있다. 여기에서, 출력비는 하기 식 (1)에 따라 나타낼 수 있는데, 고출력 전극부와 고용량 전극부가 발생할 수 있는 총 출력에 대한 비율을 의미하는 것으로, 각각의 출력밀도에서 부피를 곱한 값에 대한 비를 의미한다.
식 (1) : 고출력의 총출력 (고출력 전극부의 부피비율 * 고출력 전극부의 출력밀도)/고용량의 총출력 (고용량 전극부의 부피비율 * 고용량 전극부의 출력밀도)
예컨대, 고출력 전극부의 출력밀도가 4500W/L이고, 고용량 전극부의 출력밀도가 560W/L이며, 상기 부피비는 고출력 전극부와 고용량 전극부가 1:5인 경우에는, 상기 고출력 전극부의 총출력은 4500W (4500W/L * 1)이고 고용량 전극부의 총출력은 2800W (560W/L * 5)이므로 4500:2800, 즉 출력비는 1.6:1이다.
전자기기의 전원으로 고출력을 발생하기 위해서는 고출력 전극부의 출력밀도는 1000W/L 이상인 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 이차 전지에서는 출력밀도는 1000W/L 이상으로 피크로드에서 유연하게 대응할 수 있는 고출력 전극부가 구비될 수 있다. 반면, 고용량 전극부는 출력밀도 그 자체보다는 용량을 담당하는 부분이므로 고출력 전극부와는 달리 출력밀도에 대한 절대적인 수치는 중요하지는 않다. 반면, 상기 피크로드에서 출력이 고출력 전극부측으로 분산되어 상기 고출력 전극부가 상기 고용량 전극부보다 유효한 출력을 발생하기 위해서는 고출력 전극부와 고용량 전극부 사이의 출력비가 중요할 수 있다. 이는 출력분산특성으로 나타낼 수 있는데, 상기 고출력 전극부 및 고용량 전극부 사이의 출력분산특성이 좋기 위해서는 고용량 고출력의 총출력 (고출력 전극부의 부피비율 * 고출력 전극부의 출력밀도)/고용량의 총출력 (고용량 전극부의 부피비율 * 고용량 전극부의 출력밀도)≥1인 것이 바람직하다.
상기 고용량 전극부에 대한 고출력 전극부의 출력비가 1배 미만인 경우에는 피크로드에서 고출력 전극부가 출력에 대응하지 못하고 고용량 전극부가 대응하는 경우에는 전압강하가 발생하여 이차 전지의 용량이 남아있어도 IR 드롭 (drop)에 의하여 이차 전지의 방전 컷오프 (cut-off)가 일찍 형성되고 따라서 이차 전지의 실제 사용시간이 단축될 수 있다. 또한, 고용량 전극부가 무리하게 전류를 발생하여 고출력에 대응하므로 이차 전지의 열화를 촉진하여 수명특성을 저하시킬 수 있다.
또한, 상기 고출력 전극부의 출력비가 상기 고용량 전극부의 출력비에 대하여 5배 초과인 경우에는 상기 고출력 전극부의 이차 전지의 전체적인 용량이 감소될 수 있다. 따라서, 고출력 전극부와 고용량 전극부 사이의 출력비 측면에서는, 상기 고용량 전극부의 출력비는 상기 고출력 전극부의 출력비에 대하여 1배 내지 5배인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차 전지에서, 고출력 전극부는 피크로드에서 유연하고 신속하게 고출력을 발생하여 고용량 전극부의 열화를 방지하고, 또한 상기 고용량 전극부는 이차 전지의 고용량을 담당할 수 있다. 이때, 상기 고용량 전극부의 에너지밀도는 550W/L 이상이고, 상기 고출력 전극부의 에너지밀도는 상기 고용량 전극부의 에너지밀도에 대하여 1/4 내지 1/3인 것이 바람직하다. 여기에서, 에너지밀도는 이차 전지의 용량에 대응하는 의미로, 표준 충방전 조건 (예컨대, 0.5C 충전/0.2C 방전) 하에서 얻어지는 이차 전지의 에너지 (Wh) 를 이차 전지의 부피 (L) 로 나누어 표준화한 값을 의미한다.
상기 고용량 전극부의 에너지밀도가 550W/L 이상인 경우, 상기 고출력 전극부의 에너지밀도가 고용량 전극부의 에너지밀도에 대하여 1/4 미만이면 고용량 전극부로 보충할 수 있는 에너지밀도의 한계를 넘어 이차 전지의 전체적인 용량이 감소할 수 있다. 또한, 상기 고용량 전극부의 에너지밀도가 550W/L 이상인 경우, 상기 고출력 전극부의 에너지밀도가 고용량 전극부의 에너지밀도에 대하여 1/3 초과이면, 반복적인 피크로드에 의하여 고출력 전극부의 열화를 유발할 수 있다.
이하에서, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 후술할 내용을 제외하고는, 도 1 내지 도 4에서 설명한 실시예에 기재된 내용과 유사하므로 이에 대한 자세한 내용은 생략한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 6은 도 5의 이차 전지의 분해사시도이다. 도 7은 도 6의 전극 조립체의 분해사시도이며, 도 8은 도 7의 II-II에 따른 단면도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 (20)는 전지케이스 (21, 25)와, 상기 전지케이스 (21, 25) 내부에 수납되는 두개 이상의 전극조립체 (200a, 200b) 및 전해액을 포함할 수 있다. 상기 전지케이스 (21, 25)는 일면이 개구되어 상기 전극조립체 (200a, 200b) 및 전해액을 수납하는 본체 (21)와 상기 본체 (21)를 밀폐하는 캡조립체 (25)로 이루어질 수 있다. 상기 캡조립체 (25)는 상기 본체 (21)의 개구된 면에 대응하는 형태로 구비되는 캡플레이트 (24)와 상기 캡플레이트 (24)에 구비되는 음극핀 (22) 및 상기 음극핀 (22)과 캡플레이트 (24) 사이를 절연시키는 가스켓 (23)으로 이루어질 수 있다. 상기 전극조립체 (200a, 200b)의 제1 및 제2 양극탭 (215, 215)는 상기 캡플레이트 (24) 또는 본체 (21)와 전기적으로 연결되고, 상기 전극조립체 (200a, 200b)의 제1 및 제2 음극탭은 상기 음극핀 (22)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전극조립체 (200a, 200b)는 고용량 전극부 (S)을 담당하는 제1 전극조립체 (200a)와 고출력 전극부 (T)을 담당하는 제2 전극조립체 (200b)을 포함할 수 있다. 상기 고용량 전극부 (S)인 제1 전극조립체 (200a)는 제1 양극판 (210a), 제1 음극판 (220a) 및 세퍼레이터 (230a)가 권취되어 하나의 젤리롤의 형태로 구비되고, 상기 고출력 전극부 (T)인 제2 전극조립체 (200b)는 제2 양극판 (210b), 제2 음극판 (220b) 및 세퍼레이터 (230b)이 상기 제1 양극판 (210a), 제1 음극판 (220a) 및 세퍼레이터 (230a)와 별도로 권취되어 다른 젤리롤의 형태로 구비될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 고용량 전극부 (S)과 고출력 전극부 (T)는 서로 별도의 구비되어 하나의 전지케이스 (21) 내에 수납될 수 있다.
상기 고용량 전극부 (S)는 제1 양극기재 상에 제1 양극활물질이 코팅되지 않아 제1 양극기재가 노출되는 부분인 제1 양극무지부 (211)와, 상기 제1 양극활물질이 코팅된 제1 양극활물질코팅부 (212)로 이루어지는 제1 양극판 (210a)과, 제1 음극기재 상에 제1 음극활물질이 코팅되지 않아 제1 음극기재가 노출되는 부분인 제1 음극무지부 (221)와, 상기 제1 음극활물질이 코팅된 제1 음극활물질코팅부 (222)로 이루어지는 제1 음극판 (220a)을 포함하고, 서로 대면하는 제1 양극판 (210a)과 제1 음극판 (220a) 사이에 세퍼레이터 (230a)을 개재하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 양극무지부 (211)에는 제1 양극탭 (215)가 구비되고, 제1 음극무지부 (221)에는 제1 음극탭이 구비될 수 있다.
상기 고출력 전극부 (T)은 제2 양극기재 상에 제2 양극활물질이 코팅되지 않아 제2 양극기재가 노출되는 부분인 제2 양극무지부 (213)와, 상기 제2 양극활물질이 코팅된 제2 양극활물질코팅부 (214)로 이루어지는 제2 양극판 (210b)과, 제2 음극기재 상에 제2 음극활물질이 코팅되지 않아 제2 음극기재가 노출되는 부분인 제2 음극무지부 (223)와, 상기 제2 음극활물질이 코팅된 제2 음극활물질코팅부 (224)로 이루어지는 제2 음극판 (220b)을 포함하고, 서로 대면하는 제2 양극판 (210b)과 제2 음극판 (220b) 사이에 세퍼레이터 (230b)을 개재하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 양극무지부 (213)에는 제2 양극탭 (216)가 구비되고, 제2 음극무지부 (223)에는 제2 음극탭이 구비될 수 있다. 도면에서는 상기 제1 및 제2 음극탭이 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 및 제2 음극탭은 상기 제1 및 제2 양극탭과 반대방향으로 향하도록 동일한 방향으로 돌출될 수 있다.
상기 고출력 전극부 (T)의 출력밀도는 상기 고용량 전극부 (S)의 출력밀도의 4배 이상인 경우에, 상기 제1 및 제2 양극활물질코팅부 (212, 214)의 체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부 (214)의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%일 수 있다. 즉, 고출력 전극부 (T)는 상기 고용량 전극부 (S)에 비하여 상대적으로 출력밀도가 높아 피크로드에서 고전류를 신속하게 발생할 수 있고, 또한 상기 고출력 전극부 (T)의 크기는 상대적으로 상기 고용량 전극부 (S)보다 작은 크기로 구비될 수 있다.
상기 고용량 전극부 (S)의 제1 양극탭 (215)는 상기 고출력 전극부 (T)의 제2 양극탭 (216)과 전기적으로 연결되고, 상기 고용량 전극부 (S)의 제1 음극탭 는 상기 고출력 전극부 (T)의 제2 음극탭과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 고용량 전극부 (S)는 고출력 전극부 (T)와 병렬로 연결될 수 있으며, 상기 이차 전지 (20)의 내부에서 서로 전류를 보충하는 등 상호작용할 수 있다. 예컨대, 상기 이차 전지 (20)가 전자기기의 전원으로 채용된 경우, 전자기기의 베이스로드에서는 상기 고출력 전극부 (T) 및 고용량 전극부 (S)는 대략 1:1로 전류를 발생하고, 상기 전자기기의 피크로드에서는 고출력 전극부 (T)가 순간적으로 고전류를 발생하고 고용량 전극부 (S)는 상기 고출력 전극부 (T)의 전류를 보충할 수 있다. 또한, 고전류 전극부 (T)에서 발생될 수 있는 용량의 손실은 상기 고용량 전극부 (S)가 상쇄해줄 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 이차 전지 (20)는 피크전압에서 고전류를 유연하게 발생하므로, 순간적인 고전류 발생에 따른 열화를 방지할 수 있고, 또한 고용량 전극부 (S)에 의하여 이차 전지 (20)의 용량을 향상시키면서 사용수명을 증가시킬 수 있다.
하기에서는 도 5 내지 도 8에 도시된 이차 전지를 이용하여 실시예를 제작하였고, 비교예와 성능을 비교하였다.
실시예 1
제1 양극활물질로는 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2)를 이용하였고, 상기 리튬 코발트 산화물와 함께 바인더 폴리불화비닐리덴 및 도전제인 아세틸렌블랙을 92:4:4의 중량비로 혼합한다. 상기 혼합한 물질들을 NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidone)에 분산시켜 제1 양극활물질을 포함하는 슬러리로 제조하였다. 제조된 슬러리를 두께 20 ㎛의 시트 형태인 알루미늄 호일 (제1 양극기재)에 코팅하여 제1 양극활물질코팅부를 형성한 후 건조, 압연하여 출력밀도가 560W/L이 되도록 제1 양극판을 제조하였다. 이후, 상기 제1 양극활물질이 코팅되지 않은 제1 양극무지부 상에는 니켈로 이루어진 제1 양극탭을 용접하였다.
제2 양극판의 출력밀도가 4500W/L이 되도록 상기 제2 양극활물질코팅부의 로딩레벨을 조정하고, 또한 제2 양극활물질코팅부의 체적이 제1 및 제2 양극활물질코팅부의 총체적에 대하여 2 vol%가 되도록 형성하는 것을 제외하고는 상기 제1 양극판과 동일하게 제조하였다.
제1 음극활물질로는 인조 흑연을 이용하였고, 상기 인조 흑연 내에 바인더인 스티렌-부타디엔 고무를 98:2의 중량비로 혼합하고, 물 내에 분산시켜 음극 활물질을 포함하는 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 15㎛의 구리 호일에 코팅하여 제1 음극활물질코팅부를 형성한 후 건조, 압연하여 제1 음극판을 제조하였다. 상기 제1 음극판에서 제1 음극무지부에는 니켈로 이루어진 제2 음극탭을 용접하였다.
제2 음극판은 제2 음극활물질코팅부의 체적이 제1 및 제2 음극활물질코팅부의 총체적에 대하여 2 vol%가 되도록 형성하는 것을 제외하고는 상기 제1 양극판과 동일하게 제조하였다.
제1 양극판과 제1 음극판 사이에 두께 20㎛의 폴리에틸렌 (PE) 재질의 필름 형태의 세퍼레이터를 개재하여 젤리롤 형태로 권취하여 고용량 전극부인 제1 전극조립체를 제조하였다. 또한, 제2 양극판과 제2 음극판 사이에 두께 20㎛의 폴리에틸렌 (PE) 재질의 필름 형태의 세퍼레이터를 개재하여 젤리롤 형태로 권취하여 고출량 전극부인 제2 전극조립체를 제조하였다. 상기 제1 및 제2 양극탭을 동일한 방향으로 돌출되도록 제1 및 제2 전극조립체를 정렬한 후, 제1 및 제2 양극탭을 별도의 니켈리드와 함께 용접하였고, 제1 및 제2 음극탭도 별도의 니켈리드와 함께 용접하였다. 이와 같이 제조된 두개의 제1 및 제2 전극조립체는 전해액과 함께 하나의 전지케이스 내에 수납하고, 전기적으로 연결하여 이차 전지를 제조하였다. 상기 전해액으로는 0.5 M의 LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트 (ethylene carbonate, EC) / 에틸메틸 카보네이트 (ethylmethyl carbonate, EMC) 혼합 용액 (3:7 부피비)을 사용하였다.
실시예 2
제2 양극판의 출력밀도가 4500W/L이 되도록 상기 제2 양극활물질코팅부의 로딩레벨을 조정하고, 제2 양극활물질코팅부의 체적이 제1 및 제2 양극활물질코팅부의 총체적에 대하여 20 vol%가 되도록 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
제2 양극판의 출력밀도를 상기 제1 양극판의 출력밀도와 동일하게 하도록 상기 제1 양극판과 제2 양극판의 출력밀도가 560W/L이 되도록 상기 제1 및 제2 양극활물질코팅부의 로딩레벨을 조정하고, 제2 양극활물질코팅부의 체적이 제1 및 제2 양극활물질코팅부의 총체적에 대하여 50 vol%가 되도록 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
　 제1 및 제2 양극활물질코팅부에 대한 제2 양극활물질코팅부의 체적(vol %) 고출력 전극부의 출력밀도
(W/L)		 고용량 전극부의 출력밀도
(W/L)		 공칭용량
(mAh)		 피크로드에서의 용량
(mAh)
실시예1 2 5000 800 2784　 2704　
실시예2 20 5000 800 2640 2600
비교예1 50 800 800 2800　 2000
표 1은 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1와 같이 제조된 이차 전지를 이용하여 고용량 전극부의 출력밀도에 대한 고출력 전극부의 출력밀도를 확인하였고, 각각의 실시예 1, 2 및 비교예 1의 이차 전지에 대한 공칭용량과 피크로드에서의 용량을 확인하였다. 표 1에서 비교예 1은 제1 및 제2 양극활물질코팅부를 동일한 체적으로 동일한 출력밀도를 갖도록 구비시켰으므로 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2와 같이 고출력 전극부 및 고용량 전극부로 구분할 수는 없으나, 표 1에 기재된 비교예 1에서의 고출력 전극부의 출력밀도와 고용량 전극부의 전극부의 출력밀도는 단순히 서로 이격된 제1 및 제2 양극활물질코팅부를 포함하는 부분을 의미한다.
여기에서, 공칭용량은 이차 전지를 최초 설계했을 때 기대하는 용량 (0.2C로 3.0V cut-off로 CC방전용량)을 의미하고, 피크로드에서의 용량은 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1에 따른 이차 전지를 GSM 핸드폰에 채용했을 때 상기 GSM 핸드폰을 사용시 피크로드 상태에서의 실제 사용가능한 평균용량을 의미한다.
표 1에서 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2의 이차 전지는 비교예 1의 이차 전지와 동일한 전지케이스를 이용하여 유사한 크기를 갖는 이차 전지로 제조되었다. 실시예 1 및 실시예 2에서는 고출력 전극부가 차지하는 부피에 의하여 이차 전지의 공칭용량은 비교예 1에 비하여 낮게 나타난 반면, 실제용량에서는 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1과 대등하거나 더 높음을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 1 및 실시예 2 정도의 부피로 고출력 전극부를 구비하는 경우, 실시예 1 및 실시예 2은 비교예 1에 비하여 공칭용량이 낮음에도 불구하고 실제 이차 전지를 사용시 피크로드 등에서 효율적으로 작용하므로 실시예 1 및 실시예 2의 실제용량에서는 비교예 1보다 더 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 실제용량이 높다는 의미는 동일한 전자기기의 전원으로 사용하는 경우에는 더 오랜 시간 사용할 수 있음을 의미하므로, 실시예 1 및 실시예 2에서의 사용수명이 비교예 1에 비하여 더 높음을 확인할 수 있었다.
실시예 3 내지 실시예 6과, 비교예 2 및 비교예 3는 하기 표 2에 기재된 같이 고출력 전극부와 고전압 전극부의 출력밀도만을 다르게 하여 전술한 실시예 1과 같은 방식으로 이차 전지를 제조하였다. 이와 같이 제조된 이차 전지를 GSM 핸드폰의 전원으로 채용하여 피크로드에서의 출력특성을 확인하였다. GSM 핸드폰이 피크로드 상태일 때, 이차 전지가 해당하는 이차 전지의 공칭용량에 대략 대응하도록 용량을 나타낸 경우에는 OK로 하였고, 반면 이차 전지의 공칭용량이 남아있음에도 불구하고 GSM 핸드폰에서는 이차 전지의 용량이 없는 것으로 인지한 경우에는 NG로 하였다.
　 고출력 전극부의
출력밀도
(W/L)		 고용량 전극부의
출력밀도
(W/L)		 피크로드에서
출력특성
실시예3 4500 560 OK
실시예4 8000 560 OK
실시예5 3000 630 OK
실시예6 7500 630 OK
비교예2 1340 560 NG
비교예3 630 560 NG
표 2를 참조하면, 실시예 3 내지 실시예 6의 경우에는 피크로드에서 출력특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 3 내지 실시예 6의 이차 전지에서 고출력 전극부가 피크로드에서의 고출력을 적절하게 대응하기 때문으로, 상기 실시예 3 내지 실시예 6의 이차 전지는 각각이 갖는 공칭용량과 동일 또는 그 이상의 용량으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 2 및 비교예 3에서는 피크로드에서의 출력특성이 열악함을 확인할 수 있었는데, 이는 고출력 전극부의 출력밀도가 적절하지 않아 피크로드에서 고출력 전극부가 출력에 대응하지 못하여 이차 전지의 방전 컷오프 (cut-off)가 일찍 형성됨을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 3 내지 실시예 6의 이차 전지와 같이 고출력 전극부의 출력밀도는 3000W/L 내지 8000W/L이고, 상기 고용량 전극부의 출력밀도는 560W/L 내지 630W/L인 경우에 피크로드에서의 출력특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
실시예 7 내지 실시예 10과, 비교예 4 및 비교예 5은 하기 표 3에 기재된 같이 고출력 전극부와 고전압 전극부의 에너지밀도만을 다르게 하여 전술한 실시예 1과 같은 방식으로 이차 전지를 제조하였다. 이와 같이 제조된 이차 전지를 GSM 핸드폰의 전원으로 채용하여 피크로드에서 출력특성을 확인하였다.
　 고출력 전극부의
에너지밀도
(Wh/L)		 고용량 전극부의
에너지밀도
(Wh/L)		 피크로드에서
출력특성		 공칭용량
(mAh)
실시예7 280 560 OK 2500
실시예8 120 560 OK 2300
실시예9 280 630 OK 3000
실시예10 120 630 OK 2700
비교예4 460 560 NG 3200
비교예5 280 460 OK 1800
표 3을 참조하면, 실시예 7 내지 실시예 10의 경우에는 피크로드에서의 출력특성이 우수하고, 또한 공칭용량 역시 소정 수준의 이상으로 나타남을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 4의 경우에는 고출력 전극부의 에너지 밀도가 높은 대신에 고출력 전극부에서의 출력특성이 저하되어 피크로드에서의 전압강하가 발생하여 실제 사용가능한 용량이 감소됨을 확인할 수 있었다. 비교예 5의 경우에는 고출력 전극부에서의 출력특성은 우수하므로 피크로드에서는 공칭용량에 상응하는 용량을 사용할 수 있으나, 반면 상대적으로 고용량 전극부의 에너지밀도가 낮아 이차 전지의 절대적인 용량이 낮아 GSM 핸드폰의 사용시간이 감소하였다. 즉, 이차 전지에서 고출력 전극부의 에너지밀도와 고용량 전극부의 에너지밀도 사이의 상호작용에 의하여 이차 전지의 전체 총 에너지밀도 (또는 용량)과 출력분산특성에 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다. 이차 전지에서 고용량 전극부의 에너지밀도는 높은 수록 이차 전지의 전체용량이 증가한다. 따라서, 상기 고용량 전극부의 에너지밀도가 높을수록 유리한데, 상기 고용량 전극부의 에너지밀도가 560Wh/L 내지 630Wh/L인 경우에는, 고출력 전극부의 에너지밀도가 120Wh/L 내지 280Wh/L인 것이 출력분산특성이 바람직함을 확인할 수 있었다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 20 : 이차 전지 100, 200 : 전극조립체
S : 고용량 전극부 T : 고출력 전극부
110a, 210a : 제1 양극판 110b, 210b : 제2 양극판
120a, 220a : 제1 음극판 120b, 220b : 제2 음극판
115, 215 : 제1 양극탭 125 : 제1 음극탭
116, 216 : 제2 양극탭 126 : 제2 음극탭

Claims (16)

  1. 제1 양극기재 상에 제1 양극활물질이 코팅된 제1 양극활물질코팅부를 구비하는 제1 양극판; 상기 제1 양극판과 대면하고 제1 음극기재 상에 제1 음극활물질이 코팅된 제1 음극활물질코팅부를 구비하는 제1 음극판; 및 상기 제1 양극판과 제1 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어지는 고용량 전극부;
    제2 양극기재 상에 제2 양극활물질이 코팅된 제2 양극활물질코팅부를 구비하는 제2 양극판; 상기 제2 양극판과 대면하고 제2 음극기재 상에 제2 음극활물질이 코팅된 제2 음극활물질코팅부를 구비하는 제2 음극판; 및 상기 제2 양극판과 제2 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터로 이루어지는 고출력 전극부;
    상기 고용량 전극부 및 고출력 전극부와 접촉하는 전해액; 및
    상기 고용량 전극부, 고출력 전극부 및 전해액을 수납하는 전지케이스;를 포함하고,
    상기 고출력 전극부의 출력밀도는 상기 고용량 전극부의 출력밀도의 4배 이상이고, 상기 제1 및 제2 양극활물질코팅부의 체적에 대한 상기 제2 양극활물질코팅부의 체적은 2 vol% 내지 20 vol%이며,
    상기 제1 양극판은 상기 제1 양극활물질이 코팅되지 않고 제1 양극기재가 노출되는 제1 양극무지부를 포함하고,
    상기 제2 양극판은 상기 제2 양극활물질이 코팅되지 않고 제2 양극기재가 노출되는 제2 양극무지부를 포함하며,
    상기 제1 음극판은 상기 제1 음극활물질이 코팅되지 않고 제1 음극기재가 노출되는 제1 음극무지부를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고출력 전극부의 출력밀도는 1000W/L 이상이고, 하기 식(1)에 따른 상기 고출력 전극부의 출력비는 상기 고용량 전극부의 출력비에 대하여 1배 내지 5배인 것인 이차 전지.
    식 (1) : 고출력의 총출력 (고출력 전극부의 부피비율 * 고출력 전극부의 출력밀도)/고용량의 총출력 (고용량 전극부의 부피비율 * 고용량 전극부의 출력밀도)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고용량 전극부의 에너지밀도는 550W/L 이상이고, 상기 고출력 전극부의 에너지밀도는 상기 고용량 전극부의 에너지밀도에 대하여 1/4 내지 1/3인 이차 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고출력 전극부의 출력밀도는 3000W/L 내지 8000W/L이고, 상기 고용량 전극부의 출력밀도는 560W/L 내지 630W/L인 이차 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 고출력 전극부의 에너지밀도는 120Wh/L 내지 280Wh/L이고, 상기 고용량 전극부의 에너지밀도는 560Wh/L 내지 630Wh/L인 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고출력 전극부와 상기 고용량 전극부는 전기적으로 연결되되 병렬로 연결되는 이차 전지.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극판, 제1 음극판 및 세퍼레이터는 권취되어 하나의 젤리롤의 형태로 구비되고, 상기 제2 양극판, 제2 음극판 및 세퍼레이터는 상기 제1 양극판, 제1 음극판 및 세퍼레이터와 별도로 권취되어 다른 젤리롤의 형태로 구비되는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극판과 제2 양극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 양극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 양극기재 상에는 제1 양극무지부, 제1 양극활물질코팅부, 제2 양극무지부 및 제2 양극활물질코팅부가 순차적으로 정렬되는 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극판과 제2 양극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 양극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 양극기재 상에는 제1 양극무지부, 제1 양극활물질코팅부, 제2 양극활물질코팅부 및 제2 양극무지부가 순차적으로 정렬되는 이차 전지.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제2 음극판은 상기 제2 음극활물질이 코팅되지 않고 제2 음극기재가 노출되는 제2 음극무지부를 더 구비하고,
    상기 제1 음극판과 제2 음극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 음극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 음극기재 상에는 상기 제1 음극무지부, 제1 음극활물질코팅부, 제2 음극무지부 및 제2 음극활물질코팅부가 순차적으로 정렬되는 이차 전지.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제2 음극판은 상기 제2 음극활물질이 코팅되지 않고 제2 음극기재가 노출되는 제2 음극무지부를 더 구비하고,
    상기 제1 음극판과 제2 음극판은 일체형으로 구비되도록 상기 제1 및 제2 음극기재는 제1 방향으로 연결되고, 상기 제1 방향으로 연결된 제1 및 제2 음극기재 상에는 상기 제1 음극무지부, 제1 음극활물질코팅부, 제2 음극활물질코팅부가 순차적으로 정렬되는 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극활물질코팅부에 코팅된 제1 양극활물질과, 상기 제2 양극활물질코팅부에 코팅된 제2 양극활물질은 서로 동일한 물질로 이루어지는 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 음극활물질코팅부에 코팅된 제1 음극활물질과, 상기 제2 음극활물질코팅부에 코팅된 제2 음극활물질은 서로 동일한 물질로 이루어지는 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양극무지부에는 각각 제1 및 제2 양극탭이 구비되고, 상기 제1 및 제2 음극무지부에는 각각 제1 및 제2 음극탭이 구비되는 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양극탭은 제2 방향으로 돌출되어 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 음극탭은 상기 제2 방향의 반대방향으로 돌출되어 전기적으로 연결되는 이차 전지.
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