KR101709546B1 - 유연성 집전체를 포함하는 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 가변적인 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 전지셀로서, 상기 전극조립체는 절곡 또는 굴곡이 가능한 하나 이상의 유연성 집전체(flexible current collector)를 포함하고 있고; 상기 유연성 집전체는, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들과, 상기 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

유연성 집전체를 포함하는 전지셀 {Battery Cell Comprising Flexible current collector}
본 발명은 디바이스의 형상에 따라 유연하게 변형될 수 있는 전지셀로서, 전지셀의 유연성을 효과적으로 높일 수 있는 유연성 집전체(flexible current collector)를 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.
최근 사용량이 증가하고 있는 이차전지는, 전지의 형상 면에서 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
또한, 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도, 파우치형 전지셀이 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고, 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1 및 도 2에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 이러한 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 2에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1 및 도 2는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1 및 도 2는, 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 스택/폴딩형, 권취형, 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 휘어질 수 있는 형상일 수도 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있고, 플렉서블 디스플레이 같은 경우에는 휘거나 굽힐 수 있으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다.
이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스 또는 휘어짐이 가능한 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩을 디바이스 내부의 공간에 내장하는 것에 한계가 있다는 문제가 있는 바, 최근에는 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착할 수 있는 유연한 특성을 가진 전지가 요구되고 있다.
그러나, 선행기술의 유연한 특성을 가진 전지는, 내부 구성인 전극이 적정범위의 기계적 특성들을 갖추는 것에 많은 어려움이 있었다. 예를 들면, 종래의 전지의 전극판은 다양한 형상의 전지에 대응하여 변형될 수 있는 높은 유연성을 발휘하기 어렵고, 전극판을 구기거나 접는 경우 원상 복귀되는 능력이 부족하여 이를 유연한 특성을 가진 전지에 적용하는 데는 한계가 있었다. 더욱이, 종래의 전극판의 소재를 대체할 수 있는 높은 수준의 도전성과 낮은 제조비용을 만족시키면서 뛰어난 유연성을 발휘하는 새로운 소재를 개발하는 것은 많은 어려움이 있었다.
따라서, 앞서 언급한 유연한 특성을 가진 전지의 문제점들을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 정밀하게 대응하여 유연하게 절곡 또는 굴곡될 수 있을 뿐만 아니라, 고무와 같은 탄성을 가지고 있어 외부 충격에도 손상이 적고 절곡 또는 굴곡 후에 원래의 형상으로 복구되는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 가변적인 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 전지셀로서,
상기 전극조립체는 절곡 또는 굴곡이 가능한 하나 이상의 유연성 집전체(flexible current collector)를 포함하고 있고;
상기 유연성 집전체는, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들과, 상기 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 출원의 발명자들은, 상기와 같이 전지셀이, 일반적으로 사용되는 판상형 집전체와 달리 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들 및 상기 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들로 이루어진 신규한 구조의 유연성 집전체를 포함하는 경우, 판상형의 집전체에 비해 뛰어난 유연성을 발휘 할 수 있을 뿐만 아니라, 방사상으로 형성된 구조로 인해 집전체가 어떠한 방향으로 절곡 또는 굴곡 되더라도 동일한 유연성과 탄성을 발휘할 수 있어 다양한 방향으로 절곡 또는 굴곡이 이루어지는 기기에 적용하는 것이 가능하고, 고무와 같은 탄성을 가지고 있어 외부 충격에도 손상이 적으며 절곡 또는 굴곡 후에 원래의 형상으로 복구될 수 있음을 확인하였다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 판상형 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니하나, 상세하게는, 둘 이상의 전극들이 순차적으로 적층되어 있는 구조, 또는 둘 이상의 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있는 구조, 또는 둘 이상의 시트형 전극들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조, 또는 둘 이상의 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조일 수 있다.
이때, 상기 단위셀들은 제 1 전극, 분리막 및 제 2 전극이 차례로 적층된 구조의 풀셀(full cell)이거나, 또는 제 1 전극, 분리막, 제 2 전극, 분리막 및 제 1 전극이 차례로 적층된 구조의 바이셀(bi-cell)일 수 있다.
구체적으로, 상기 바이셀은 같은 종류의 전극이 셀이 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극 또는 음극-분리막-양극-분리막-음극으로 이루어진 셀일 수 있다. 상기 풀셀은 다른 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극으로 이루어진 셀이다.
하나의 구체적인 예에서, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들과, 상기 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들은 거미줄(spider web) 형상의 구조를 이루질 수 있다.
상기 전지셀은 가장 높은 수준의 유연성을 발휘하기 위해 전극조립체를 구성하는 모든 집전체들이 유연성 집전체로 구성할 수 있다.
한편, 상기 제 1 집전 라인들은 중심부의 선 폭과 외주의 선 폭이 동일한 구조를 가질 수 있고, 또는, 상기 제 1 집전 라인들은 전지셀의 절곡 또는 굴곡 시에 집전체의 외주 보다 중심부에서 변형 응력이 많이 발생되는 경우에는, 중심부로부터 외주 방향으로 선 폭이 증가하는 구조일 수 있다.
이와 마찬가지로, 본 발명의 제 2 집전 라인들은 중심부에 위치한 집전 라인의 선 폭과 외주에 위치한 집전 라인의 선 폭이 동일한 구조일 수 있고, 또는 중심부에 위치한 집전 라인의 선 폭이 외주에 위치한 집전 라인의 선 폭보다 작은 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 평균 선 폭은 0.1 마이크로미터 내지 5,000 마이크로미터 범위일 수 있다. 구체적으로, 선 폭이 0.1 마이크로미터 미만인 경우, 집전 라인들의 기계적 강도가 약해 작은 외부 충격에도 집전 라인들이 쉽게 손상되거나 끊어져 소정의 유연성과 탄성을 발휘기 어렵고, 반대로 5,000 마이크로미터를 초과하는 경우, 집전 라인들이 너무 두꺼워져 본 발명에서 요구되는 유연성과 탄성력을 발휘하기 힘들며, 집전 라인들 간의 간극이 줄어들어 침상의 전도성 물질의 관통에 의한 단락(short-circuit) 방지 효과를 발휘하기 힘들다.
또한, 평면상으로 상기 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 면적 합은 집전체 전체 면적의 20% 내지 80% 범위일 수 있다. 구체적으로, 면적 합이 집전체 전체 면적의 20% 미만인 경우, 집전체의 기계적 강도가 약해 작은 외부 충격에 의해 쉽게 손상될 수 있고, 80%를 초과하는 경우에는 본 발명에서 요구되는 유연성과 탄성력을 발휘하기 힘들며, 집전 라인들 간의 간극이 줄어들어 외부로부터 침상의 전도성 물질의 관통에 의한 단락 방지 효과를 발휘하기 힘들다.
본 발명에 따른 유연성 집전체의 외주 형상은 평면상으로 원형, 타원형, 반원 또는 다각형 형상 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니고, 상세하게는 육각형, 팔각형 형상, 또는 엣지가 라운딩 된 구조의 사각형 형상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 전극조립체가 포함하고 있는 전극 활물질은 상기 유연성 집전체를 구성하는 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 외면에 도포될 수 있다.
즉, 본 발명의 전극 활물질이 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 외면에 도포될 경우, 집전 라인들 간의 공간이 형성되므로, 외부로부터 침상의 전도성 물질이 상기 공간에 관통될 경우 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 전극 활물질은 상기 유연성 집전체를 구성하는 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 외면과 상기 집전 라인들 사이의 공간에 채워져 있는 구조로 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 전극 활물질이 상기 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 외면과 상기 집전 라인들 사이의 공간에 채워져 있는 구조로 형성될 경우, 집전체가 소정의 유연성과 탄성을 발휘하면서 보다 많은 양의 전극 활물질을 수용할 수 있어 전지 용량을 상승시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전극조립체를 내부에 수납하고 있는 전지케이스는 내부에 불필요한 공간을 최소화하기 위해 집전체의 평면상의 형태와 동일하게 형성될 수 있다.
상기 전지케이스는, 상세하게는, 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착될 수 있는 전지의 유연한 특성을 가지고 수지층과 금속층을 포함하고 있는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다.
이때, 상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명의 전지셀은 유연한 전극조립체와 가변적인 전지케이스로 인해 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 절곡 또는 굴곡될 수 있는 바, 디바이스에 장착되는 형태는 한정되지 아니하고, 디바이스에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 절곡 또는 굴곡되지 않은 형태로 디바이스에 장착된 후 디바이스의 형상 변형에 따라 유연하게 대응할 수도 있으며, 디바이스에 장착될 때 절곡 또는 굴곡된 형태로 장착될 수 있고, 절곡된 상태로 장착되는 경우에는, 한번 이상 절곡된 형태로 장착될 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 하나 이상으로 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태플릿 PC, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들과, 상기 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들로 이루어진 유연성 집전체를 포함함으로써, 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 대응하여 유연하게 휘거나 굽힐 수 있을 뿐만 아니라, 집전체가 고무와 같은 탄성을 가지고 있어 외부 충격에도 손상이 적고, 절곡 또는 굴곡 후에 원래의 형상으로 신속히 복구되며, 또한, 집전 라인들 간의 공간이 형성되어 있어 외부로부터 침상의 전도성 물질이 관통되어도 단락을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 유연성 집전체의 모식적인 평면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 유연성 집전체의 모식적인 평면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 유연성 집전체들 및 분리막의 모식적인 평면도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀의 모식적인 측면도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀의 모식적인 측면도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체의 모식적인 단면도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체의 모식적인 단면도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식적인 평면도 및 측면도이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 유연성 집전체들 및 분리막의 모식적인 평면도이다;
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체의 모식적인 단면도이다;
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 모식적인 평면도 및 측면도이다.
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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 유연성 집전체의 모식적인 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 유연성 집전체(110)는 절곡 또는 굴곡이 가능하도록, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 육각형의 제 1 집전 라인들(111)과, 이러한 제 1 집전 라인들(111)을 상호 연결하는 직선의 제 2 집전 라인들(112)로 이루어져 있으며, 이러한 집전체(110) 상부에는 외부 방향으로 돌출되어 있는 전극탭이 형성되어 있다.
또한, 제 1 집전 라인들(111)과 제 2 집전 라인들(112)은 중심부에 위치한 집전 라인의 선 폭(W1)과 외주에 위치한 집전 라인의 선 폭(W2)이 동일한 구조로 형성되어 있다.
이러한 제 1 집전 라인들(111)과 제 2 집전 라인들(112)의 평균 선 폭(W3)은 0.1 마이크로미터 내지 5,000 마이크로미터 범위로 형성되고, 평면상으로 제 1 집전 라인들(111)과 제 2 집전 라인들(112)의 면적 합은 집전체 전체 면적의 20% 내지 80% 범위이다.
따라서, 본 발명에 따른 유연성 집전체(110)는 이러한 복수의 제 1 집전 라인들(111)과 제 2 집전 라인들(112)로 이루어진 구조로 인해 어떠한 방향으로 집전체(110)가 절곡 또는 굴곡 되더라도 동일한 유연성과 탄성을 발휘할 수 있어 다양한 형상의 기기에 적용이 용이하고, 고무와 같은 탄성을 가지고 있어 외부 충격에도 손상이 적으며, 절곡 또는 굴곡 후에 원래의 형상으로 복구될 수 있는 전지셀의 제조가 가능하다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 유연성 집전체의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 유연성 집전체(210)는 도 3의 유연성 집전체(110)와 비교하여 제 1 집전 라인들(211)과 제 2 집전 라인들(212)은 중심부에 위치한 집전 라인의 선 폭(W1)이 외주에 위치한 집전 라인의 선 폭(W2)보다 작은 구조를 가진 점에서 차이를 가지고 있고, 나머지 구성들은 도 3의 유연성 집전체(110)와 동일하게 형성되어 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 유연성 집전체들 및 분리막의 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5와 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 단위셀(100)은 알루미늄 소재로 이루어진 유연성 집전체(120), 안전성 강화 분리막(Safety-reinforcing separators)(130) 및 구리 소재로 이루어진 유연성 집전체(140)를 포함하고 있다.
도 6의 단위셀(100)은 양극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 슬러리(152)가 유연성 집전체(120)에 코팅되어 있는 제 1 전극(150), 안전성 강화 분리막(130), 및 음극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 슬러리(162)가 유연성 집전체(140)에 코팅되어 있는 제 2 전극(160)이 차례로 적층된 구조의 풀셀(full cell)로 이루어져 있다.
구체적으로, 슬러리(152)는 유연성 집전체(120)의 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 양 외면에 도포되어 있고, 집전 라인들 간의 각각의 공간(122)들에는 도포되어 있지 않다. 그리고, 슬러리(162)는 유연성 집전체(140)의 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 양 외면에 도포되어 있고, 집전 라인들 간의 각각의 공간(142)들에는 도포되어 있지 않다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 단위셀(200)은 양극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 슬러리(252)가 유연성 집전체(220) 외면에 코팅되어 있는 제 1 전극(250), 안전성 강화 분리막(230), 및 음극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 슬러리(262)가 유연성 집전체(240) 외면에 코팅되어 있는 제 2 전극(260)이 차례로 적층된 구조의 풀셀로 이루어져 있다.
또한, 슬러리(252)는 유연성 집전체(220)의 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 양 외면에 도포되고, 집전 라인들 사이의 각각의 공간(222)들에도 채워져 있다. 그리고, 슬러리(262)는 유연성 집전체(240)의 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 양 외면에 도포되고, 집전 라인들 사이의 공간(242)들에도 채워져 있다.
따라서, 도 7의 단위셀(200)은 도 6의 단위셀(100)에 비해 보다 많은 양의 전극 활물질을 수용할 수 있어 전지 용량을 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체의 모식적인 단면도이다;
도 8을 참조하면, 전극조립체(400)는 도 6의 풀셀로 이루어진 단위셀들(100A, 100B, 100C)이 시트형 분리필름(300)에 의해 폴딩되어 있고, 시트형 분리필름(300)이 각각의 단위셀들(100A, 100B, 100C)을 감쌀 수 있는 단위길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 단위셀(100A)로부터 시작되어 최외각의 단위셀(100C)까지 연속하여 각각의 단위셀들(100A, 100B, 100C)을 감싸는 구조로 제조되고, 시트형 분리필름(300)의 최외각 단부를 테이프(310)로 부착하여 고정하고 있다.
도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 전극조립체(500)는 도 7의 풀셀로 이루어진 단위셀들(200A, 200B, 200C)이 시트형 분리필름(300)에 의해 폴딩되어 있고, 시트형 분리필름(300)이 각각의 단위셀들(200A, 200B, 200C)을 감쌀 수 있는 단위길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 단위셀(200A)로부터 시작되어 최외각의 단위셀(200C)까지 연속하여 각각의 단위셀들(200A, 200B, 200C)을 감싸는 구조로 제조되고, 시트형 분리필름(300)의 최외각 단부를 테이프(310)로 부착하여 고정하고 있다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도 및 측면도를 모식적으로 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 전지셀(600)은 전지케이스(610)가 내부에 불필요한 공간을 최소화하기 위해 도 5의 유연성 집전체(120)의 형태와 동일하게 평면상으로 육각형으로 이루어져 있다. 이러한 전지케이스(610)는 오목한 형상의 수납부(613)를 포함하는 하부 케이스(614)와 그러한 하부 케이스(614)의 상부를 덥고 있는 상부 케이스(612)로 이루어져 있다.
이러한 전지케이스(610)는 수납부(613)에 도 8의 전극조립체(400)를 내장한 후 밀봉하기 위해 상부 케이스(612)와 하부 케이스(614)가 접하고 있는 외주면을 열융착하여 실링부(616)를 형성하고 있다.
도 11에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 유연성 집전체들 및 분리막의 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 12에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 전극조립체의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 11와 도 12를 함께 참조하면, 본 발명의 단위셀들(700A, 700B, 700C)은, 양극 활물질을 도포하기 위한 알루미늄 소재로 이루어지고 외주 형상이 평면상으로 엣지가 라운딩된 구조의 사각형으로 형성되어 있는 유연성 집전체(720), 이러한 유연성 집전체(720)와 동일한 형상을 가진 안전성 강화 분리막(730) 및 음극 활물질을 도포하기 위한 구리 소재로 이루어진 유연성 집전체(740)를 포함하고 있다.
또한, 전극조립체(800)는 도 11의 단위셀들(700A, 700B, 700C)이 시트형 분리필름(300)에 의해 폴딩되어 있고, 시트형 분리필름(300)이 각각의 단위셀들(700A, 700B, 700C)을 감쌀 수 있는 단위길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 단위셀(700A)로부터 시작되어 최외각의 단위셀(700C)까지 연속하여 각각의 단위셀들(700A, 700B, 700C)을 감싸는 구조로 제조되고, 시트형 분리필름(300)의 최외각 단부를 테이프(310)로 부착하여 고정하고 있다.
도 13에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 13를 참조하면, 전지셀(900)은 전지케이스(910)가 내부에 불필요한 공간을 최소화하기 위해 도 11의 유연성 집전체(720)의 형태와 동일하게 평면상으로 외주 형상이 평면상으로 엣지가 라운딩 된 구조의 사각형으로 형성되어 있다. 이러한 전지케이스(910)는 오목한 형상의 수납부(913)를 포함하는 하부 케이스(914)와 그러한 하부 케이스(914)의 상부를 덥고 있는 상부 케이스(912)로 이루어져 있다.
이러한 전지케이스(910)는 수납부(913)에 도 12의 전극조립체(800)를 내장한 후 밀봉하기 위해 상부 케이스(912)와 하부 케이스(914)가 접하고 있는 외주면을 열융착하여 실링부(916)를 형성하고 있다.
앞서 도면을 참조하여 설명하였듯이, 본 발명에 따른 전지셀은, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들과, 이러한 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들로 이루어진 유연성 집전체를 포함함으로써, 어떠한 방향에서도 적절한 유연성을 발휘할 수 가 있어 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 형상을 변형시킬 수 있을 뿐만 아니라, 집전체가 고무와 같은 탄성을 가지고 있어 외부 충격에도 손상이 적고, 절곡 또는 굴곡 후에 원래의 형상으로 복구되며, 집전 라인들 간의 공간이 형성되어 있어 외부로부터 침상의 전도성 물질이 관통되어도 단락을 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 가변적인 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 전지셀로서,
    상기 전극조립체는 절곡 또는 굴곡이 가능한 하나 이상의 유연성 집전체(flexible current collector)를 포함하고 있고;
    상기 유연성 집전체는, 집전체의 중심으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수의 제 1 집전 라인들과, 상기 제 1 집전 라인들을 상호 연결하는 복수의 제 2 집전 라인들로 이루어지며,
    전극 활물질은, 상기 유연성 집전체를 구성하는 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 외면에 도포되어 있고, 상기 집전 라인들 간의 각각의 공간들에는 도포되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 둘 이상의 전극들이 순차적으로 적층되어 있는 구조, 또는 둘 이상의 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있는 구조, 또는 둘 이상의 시트형 전극들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조, 또는 둘 이상의 단위셀들이 시트형 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단위셀들은 제 1 전극, 분리막 및 제 2 전극이 차례로 적층된 구조의 풀셀(full cell), 또는 제 1 전극, 분리막, 제 2 전극, 분리막 및 제 1 전극이 차례로 적층된 구조의 바이셀(bi-cell)인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들은 거미줄(spider web) 형상의 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체를 구성하는 모든 집전체들이 유연성 집전체인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 집전 라인들은 중심부의 선 폭과 외주의 선 폭이 동일한 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 집전 라인들은 중심부로부터 외주 방향으로 선 폭이 증가하는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 집전 라인들은 중심부에 위치한 집전 라인의 선 폭과 외주에 위치한 집전 라인의 선 폭이 동일한 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 집전 라인들은 중심부에 위치한 집전 라인의 선 폭이 외주에 위치한 집전 라인의 선 폭보다 작은 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 평균 선 폭은 0.1 마이크로미터 내지 5,000 마이크로미터 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 평면상으로 상기 제 1 집전 라인들과 제 2 집전 라인들의 면적 합은 집전체 전체 면적의 20% 내지 80% 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 평면상으로 상기 유연성 집전체의 외주 형상은 원형, 타원형, 반원 또는 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 평면상으로 상기 유연성 집전체의 외주 형상은 육각형 또는 팔각형 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 13 항에 있어서, 평면상으로 상기 유연성 집전체의 외주 형상은 엣지가 라운딩 된 구조의 사각형 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 집전체의 형태와 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항에 따른 전지셀을 단위전지로서 하나 이상으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 또는 넷북인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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