KR101713082B1 - 전극의 구성이 상이한 단위셀들을 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며; 상기 전극조립체는 홀수인 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최상단 또는 최하단에 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있고; 상기 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있고, 나머지 단위셀들은 각각 독립적으로 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 전극의 구성이 상이한 단위셀들을 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치에도 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 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.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
도 1에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(100)는 음극-분리막-양극-분리막-음극 구조의 단위셀들(110, 130, 150, 170)과 양극-분리막-음극-분리막-양극 구조의 단위셀들(120, 140, 160)의 조합으로 이루어져 있고, 전극조립체(100)의 각 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)의 사이에 개재되어 있는 분리필름(180)은, 전극 단자가 형성되어 있지 않은 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)의 각각의 측면을 감싸고 있다.
이러한 전극조립체(100)는 분리필름(180) 상에 각 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)을 배열하고 분리필름(180)을 권취하여 제작되며, 따라서, 전극조립체(100)는 총 10개의 음극(102), 9개의 양극(103), 2개의 단면 음극(171), 23개의 분리막(101) 및 1개의 분리필름(180)을 포함하고 있다.
그러나, 이러한 스택/폴딩형 전극조립체의 경우, 각 단위셀들은, 일반적으로 상기와 같이 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어지는데, 이러한 형태의 단위셀들로 이루어진 전극조립체는, 동일 부피 내에서 많은 양의 집전체 및 분리막과 같은 불활성 재료를 포함하고 있어 전지셀의 두께에 비례하는 정도의 에너지 밀도가 충족되지 못하며, 전지셀의 전체적인 용량을 향상시키는데 제한이 따르는 문제가 있다.
또한, 상기 전극조립체는 최외곽의 전극에 있어서, 집전체의 양면에 활물질이 모두 부가되어 있는 바, 금속성 물질과 같은 도전성 물질에 의해 전지셀이 파손될 경우, 상기 활물질이 도전성 물질과 직접적으로 접촉하게 되어, 전지셀의 내부 단락을 일으키며, 이로 인한 발화 내지 폭발을 초래할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 홀수인 n개의 단위셀들로 구성된 전극조립체에서, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 단위셀을 포함시켜 전극조립체를 구성하는 경우, 종래 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀들만으로 이루어진 전지셀에 비해 전체적으로 분리막 및 집전체의 수가 감소하는 바, 동일한 부피의 전지셀을 제조할 때, 감소된 두께만큼 단위셀의 활물질의 도포량을 증가시킬 수 있으므로, 동일 부피 대비 보다 높은 용량 특성을 갖는 고에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 전극조립체는 홀수인 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최상단 또는 최하단에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있고;
상기 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있고, 나머지 단위셀들은 각각 독립적으로 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조, 예를 들어, 양극-분리막-음극으로 이루어진 단위셀들을 포함하고 있으므로, 이는 종래 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀들, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극 또는 음극-분리막-양극-분리막-음극으로 이루어진 단위셀들로만 이루어진 전지셀에 비해 전체적으로 분리막 및 집전체의 수가 감소하는 바, 동일한 부피의 전지셀을 제조할 때, 감소된 두께만큼 각 단위셀의 활물질의 도포량을 증가시킬 수 있으므로, 동일 부피 대비 보다 높은 용량 특성을 갖는 고에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지셀은 전기화학적 성능을 발휘하기 위해서 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 바, 상기 전극조립체를 구성하는 단위셀들 가운데 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 양면 전극을 포함하거나, 집전체의 일면에만 활물질이 도포되어 있는 단면 전극을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극조립체의 최상단 또는 최하단에 위치하는 전극들, 즉 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀은, 권취한 상태에서 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있을 수 있다.
상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있고, 분리필름과 대면하는 집전체의 타면에는 활물질이 부가되어 있지 않으므로, 침상 도체가 전극조립체를 관통하는 경우, 침상 도체가 전극 활물질과 직접 접촉하는 것을 막을 수 있으므로 침상 도체로 과도한 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있어 안전성을 확보할 수 있다.
반면에, 전지의 용량 감소 방지의 필요성도 존재하는바, 상기 단면전극을 포함하는 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀을 제외한 나머지 단위셀은 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 양면전극으로 이루어 질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀을 제외한 나머지 단위셀들은 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조라면 한정되지 아니하고, 상세하게는, 양극이 양단에 위치하는 구조의 단위셀들과, 음극이 양단에 위치하는 구조의 단위셀들을 모두 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체의 단위셀로서, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조와 양극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조, 및 음극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조를 모두 포함할 수 있다.
이와 같이 상기 단위셀들의 수량이 홀수인 경우, 전극조립체의 최상단 또는 최하단에 위치한 최외곽 전극들의 극성은 서로 동일할 수 있는데, 이는, 단위셀들의 배열은 권취된 상태에서 양극과 음극이 번갈아 나타나도록 구성되어야 하는 한편, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀이 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀로 2개 존재하기 때문이다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 제 1 전지셀은 권취 전 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 음극이 분리필름을 기준으로 위쪽을 향하도록 배치될 수 있고, 제 n-1 전지셀은 권취 전 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 음극이 분리필름을 기준으로 위쪽을 향하도록 배치될 수 있는 바, 상기와 같이 구성되는 경우에는, 본 발명의 전극조립체의 최외곽 전극은 서로 동일한 극성의 전극이 배치되고 상기 최외곽 전극들의 극성은 양극일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 제 1 단위셀을 중심으로 권취되고, 따라서 제 2 단위셀 및 제 3 단위셀은 제 1 단위셀의 양측에 위치하게 되는 바, 제 1 단위셀의 양면에 모두 분리막이 위치할 수 있도록, 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 단위셀의 크기에 상응하는 이격부위가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 서로 동일한 극성의 전극이 동일한 방향을 향하도록 위치하는 구조일 수 있다. 이는, 상기에서 설명한 바와 같이 단위셀들의 구성과 배열은 권취된 상태에서 양극과 음극이 번갈아 나타나도록 구성되어야 하기 때문이다.
상기 n은 5 이상의 자연수일 수 있으며, 상세하게는 7개의 단위셀들로 구성된 전극조립체가 이에 해당될 수 있다.
한편, 상기 단위셀들은 두께가 서로 동일할 수도, 또는 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀과, 나머지 단위셀들의 두께가 서로 상이할 수도 있는데, 상세하게는 서로 상이할 수 있다.
구체적으로, 종래 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 만큼의 활물질을 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 제 1 단위셀 및/또는 제 n-1 단위셀에 추가로 부가할 수 있고, 이에 따라, 상기 단위셀들 모두는 구성에 상관없이 동일한 두께를 가질 수 있다.
이와 같이 제 1 단위셀 및/또는 제 n-1 단위셀에 활물질을 추가로 부가하는 경우, 더 높은 에너지 밀도를 가지는 전지셀을 제조할 수 있으므로 바람직하다.
반면에, 종래 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 만큼의 활물질을 전지셀을 구성하는 모든 단위셀들에 균등하게 부가할 수 있고, 이에 따라, 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀과, 나머지 단위셀들은 상이한 두께를 가질 수 있다. 즉, 상기 단위셀들은 집전체 일면에 대한 활물질의 도포량이 동일하고, 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 한 개의 전극이 생략되므로, 나머지 단위셀에 비하여 두께가 얇게 구성된다.
더욱이, 제 n-1 단위셀은 최외곽 전극이 단면 전극으로 구성되므로 모든 전극을 양면 전극으로 사용하는 제 1 단위셀에 비하여 더 얇은 두께를 갖게 된다.
이와 같이 모든 단위셀들에 균등하게 부가하여 상이한 두께로 단위셀들을 제조하는 경우에는, 각각의 단위셀들의 집전체의 일면에 대한 양극 활물질 또는 음극 활물질의 도포량이 각각 동일할 수 있고, 따라서, 전지셀의 제조 과정에서, 단위셀의 구성에 대한 구분 없이, 집전체의 일면에 동일한 양의 활물질을 도포할 수 있는 바, 공정에 소요되는 인력 및 시간을 감소시킬 수 있으므로 바람직하다.
상기 단위셀들은 폭 및 길이가 서로 동일한 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지셀이 탑재되는 디바이스의 종류 및 형상에 따라 다양한 형태로 제조될 수 있도록, 단위셀들의 폭 및/또는 길이가 서로 상이한 구조로 이루어질 수도 있다.
상기 폭은 단위셀의 전극 단자가 돌출된 외주면에 인접한 외주면 사이의 거리를 나타내며, 길이는 단위셀의 전극 단자가 돌출된 외주면에서 대향하는 외주면까지의 거리를 나타낸다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지셀은 상기 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착함으로써 제조되는 바, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형 캔, 및 상기 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡을 포함하는 구조의 케이스로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다. 본 발명에서는 분리막과 동일한 기능으로서 분리필름 역시 포함한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMeyOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막 및 분리필름의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 및 분리필름으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 고에너지 밀도의 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 활성층 및 폴리올레핀 계열 분리막 기재 모두에 균일한 기공 구조가 다수 형성되어 있으며, 이러한 기공을 통해 리튬 이온의 원활한 이동이 이루어지고, 다량의 전해액이 채워져 높은 함침율을 나타낼 수 있으므로, 전지의 성능 향상을 함께 도모할 수 있다.
상기 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 유/무기 복합 다공성 분리막은 무기물 입자의 내열성으로 인해 고온 열수축이 발생하지 않는다. 따라서, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 분리막으로 이용하는 전기 화학 소자에서는 고온, 과충전, 외부 충격 등의 내부 또는 외부 요인으로 인한 과도한 조건에 의해 전지 내부에서 분리막이 파열되더라도, 유/무기 복합 다공성 활성층에 의해 양 전극이 완전히 단락되기 어려우며, 만약 단락이 발생하더라도 단락된 영역이 크게 확대되는 것이 억제되어 전지의 안전성 향상이 도모될 수 있다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 상에 직접 코팅하여 형성된 것이므로, 폴리올레핀 계열 분리막 기재 표면의 기공과 활성층이 상호 엉켜있는 형태(anchoring)로 존재하여 활성층과 다공성 기재가 물리적으로 견고하게 결합된다. 따라서, 부서짐(brittle) 등과 같은 기계적 물성의 문제점이 개선될 수 있을 뿐만 아니라 폴리올레핀 계열 분리막 기재와 활성층 사이의 계면 접착력이 우수하게 되어 계면 저항이 감소하게 되는 특징이 있다. 실제로, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 형성된 유/무기 복합 활성층과 다공성 기재가 서로 유기적으로 결합하여 있을 뿐만 아니라, 상기 활성층으로 인해 다공성 기재 내 존재하는 기공 구조가 영향을 받지 않고 그대로 유지됨과 동시에 활성층 자체 내에서도 무기물 입자로 인한 균일한 기공 구조가 형성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 기공 구조는 추후 주입되는 액체 전해질로 채워지게 되는데, 이로 인해 무기물 입자들 사이 또는 무기물 입자와 바인더 고분자 사이에서 발생하는 계면 저항이 크게 감소하는 효과를 나타내게 된다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막에서, 폴리올레핀 계열 분리막 기재의 표면 및/또는 기재 중 기공부 일부에 형성되는 활성층 성분 중 하나는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 무기물 입자이다. 상기 무기물 입자는 무기물 입자들간 빈 공간의 형성을 가능하게 하여 미세 기공을 형성하는 역할과 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 겸하게 된다. 또한, 상기 무기물 입자는 일반적으로 200℃ 이상의 고온이 되어도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 형성된 유/무기 복합 다공성 필름이 탁월한 내열성을 갖게 된다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 상세하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합체가 바람직하다.
상기 압전성(piezoelectricity) 무기물 입자는 상압에서는 부도체이나, 일정 압력이 인가되었을 경우 내부 구조 변화에 의해 전기가 통하는 물성을 갖는 물질을 의미하는 것으로서, 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을나타낼 뿐만 아니라 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 한 면은 양으로, 반대편은 음으로 각각 대전됨으로써, 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 기능을 갖는 물질이다.
상기와 같은 특징을 갖는 무기물 입자를 다공성 활성층 성분으로 사용하는 경우, Local crush, Nail 등의 외부 충격에 의해 양(兩) 전극의 내부 단락이 발생하는 경우 분리막에 코팅된 무기물 입자로 인해 양극과 음극이 직접 접촉하지 않을 뿐만 아니라, 무기물 입자의 압전성으로 인해 입자 내 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 양(兩) 전극 간의 전자 이동, 즉 미세한 전류의 흐름이 이루어짐으로써, 완만한 전지의 전압 감소 및 이로 인한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전성을 갖는 무기물 입자의 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1 -xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2 /3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) hafnia (HfO2) 또는 이들의 혼합체 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), Li3 .25Ge0 .25P0 .75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 glass (LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7), 또는 이들의 혼합물 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 유전율 상수 5 이상인 무기물 입자의 예로는 SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합물 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 고유전율 무기물 입자, 압전성을 갖는 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우, 이들의 상승 효과는 배가 될 수 있다.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 기재의 활성층 구성 성분인 무기물 입자의 크기, 무기물 입자의 함량 및 무기물 입자와 바인더 고분자의 조성을 조절함으로써, 분리막 기재에 포함된 기공과 더불어 활성층의 기공 구조를 형성할 수 있으며, 또한 상기 기공 크기 및 기공도를 함께 조절할 수 있다.
상기 무기물 입자의 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 필름 형성 및 적절한 공극률을 위하여 가능한 한 0.001 내지 10 ㎛ 범위인 것이 바람직하다. 0.001 ㎛ 미만인 경우 분산성이 저하되어 유/무기 복합 다공성 분리막의 물성을 조절하기가 어려우며, 10 ㎛를 초과하는 경우 동일한 고형분 함량으로 제조되는 유/무기 복합 다공성 분리막의 두께가 증가하여 기계적 물성이 저하되며, 또한 지나치게 큰 기공 크기로 인해 전지 충방전시 내부 단락이 일어날 확률이 높아진다.
상기 무기물 입자의 함량은 특별한 제한이 없으나, 유/무기 복합 다공성 분리막을 구성하는 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물 100 중량% 당 50 내지 99 중량% 범위가 바람직하며, 특히 60 내지 95 중량%가 더욱 바람직하다. 50 중량% 미만일 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성되는 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기될 수 있다. 반대로, 99 중량%를 초과할 경우, 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 최종 유/무기 복합 다공성 분리막의 기계적 물성이 저하된다.
본 발명에 따른 유/무기 복합 다공성 분리막에서, 폴리올레핀 계열 분리막 기재의 표면 및/또는 상기 기재 중 기공부 일부에 형성되는 활성층 성분 중 다른 하나는 당업계에서 통상적으로 사용되는 고분자이다. 특히, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 가능한 낮은 것을 사용할 수 있으며, 상세하게는 -200 내지 200℃ 범위이다. 이는 최종필름의 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 고분자는 무기물 입자와 입자 사이, 무기물 입자들과 분리막 기재의 표면 및 분리막 중 기공부 일부를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 충실히 수행함으로써, 최종 제조되는 유/무기 복합 다공성 분리막의 기계적 물성 저하를 방지한다.
또한, 상기 바인더 고분자는 이온 전도 능력을 반드시 가질 필요는 없으나, 이온 전도 능력을 갖는 고분자를 사용할 경우 전기 화학 소자의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 바인더 고분자는 가능한 유전율 상수가 높은 것이 바람직하다.
실제로 전해액에서 염의 해리도는 전해액 용매의 유전율 상수에 의존하기 때문에, 상기 고분자의 유전율 상수가 높을수록 본 발명의 전해질에서의 염 해리도를 향상시킬 수 있다. 상기 고분자의 유전율 상수는 1.0 내지 100(측정 주파수 = 1 kHz) 범위가 사용 가능하며, 특히 10 이상인 것이 바람직하다.
전술한 기능 이외에, 상기 바인더 고분자는 액체 전해액 함침시 겔화되어 높은 전해액 함침율(degree of swelling)을 나타낼 수 있는 특징을 가질 수 있다. 실제로, 상기 바인더 고분자가 전해액 함침율이 우수한 고분자인 경우, 전지 조립 후 주입되는 전해액은 상기 고분자로 스며들게 되고, 흡수된 전해액을 보유하는 고분자는 전해질 이온 전도 능력을 갖게 된다. 따라서, 종래 유/무기 복합 전해질에 비하여 전기 화학 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 종래 소수성 폴리올레핀 계열 분리막에 비해 전지용 전해액에 대한 젖음성(wetting)이 개선될 뿐만 아니라 종래에 사용되기 어려웠던 전지용 극성 전해액의 적용도 가능하다는 장점이 있다. 추가적으로, 상기 고분자가 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자인 경우, 이후 주입된 전해액과 고분자가 반응하여 겔화됨으로써 겔형 유/무기 복합 전해질을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 전해질은 종래 겔형 전해질에 비해 제조 공정이 용이할 뿐만 아니라 높은 이온 전도도 및 전해액 함침율을 나타내어 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 가능하면 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2인 고분자가 바람직하며, 15 내지 25 MPa1/2 및 30 내지 45 MPa1/2 범위가 더욱 바람직하다. 용해도 지수가 15 MPa1/2 미만 및 45 MPa1/2를 초과하는 경우, 통상적인 전지용 액체 전해액에 의해 함침(swelling)되기 어렵게 된다.
사용 가능한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-cotrichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(celluloseacetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide) 또는 이들의 혼합체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상술한 특성을 포함하는 물질이라면 어느 재료라도 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 활성층 성분인 무기물 입자 및 바인더 고분자의 조성비는 크게 제약은 없으나, 10:90 내지 99:1 중량% 비범위 내에서 조절 가능하며, 80:20 내지 99:1 중량% 비 범위가 바람직하다. 10:90 중량% 비 미만인 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성된 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기되며, 반대로 99:1 중량% 비를 초과하는 경우, 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 최종 유/무기 복합 다공성 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막 중 활성층은 전술한 무기물 입자 및 고분자 이외에, 통상적으로 알려진 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막에서, 상기 활성층 구성 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물로 코팅되는 기재(substrate)는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열 분리막일 수 있다. 상기 폴리올레핀 계열 분리막 성분의 예로는 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 유도체 등이 있다.
상기 폴리올레핀 계열 분리막 기재의 두께는 크게 제한이 없으나, 1 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하며, 더욱 상세하게는 5 내지 50 ㎛ 범위가 바람직하다. 1 ㎛ 미만인 경우 기계적 물성을 유지하기가 어렵고, 100 ㎛를 초과하는 경우 저항층으로 작용할 수 있다.
폴리올레핀 계열 분리막 기재 중 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛가 바람직하다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다. 또한, 상기 폴리올레핀 계열 분리막 기재는 섬유 또는 막(membrane) 형태일 수 있다.
폴리올레핀 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물을 코팅하여 형성된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 분리막은, 전술한 바와 같이 분리막 기재 자체 내에 기공부가 포함되어 있을 뿐만 아니라, 기재 상에 형성된 무기물 입자들간의 빈 공간으로 인해 기재와 활성층 모두 기공 구조를 형성하게 된다. 상기 유/무기 복합 다공성 분리막의 기공 크기 및 기공도는 주로 무기물 입자의 크기에 의존하는데, 예컨대 입경이 1 ㎛ 이하인 무기물 입자를 사용하는 경우 형성되는 기공 역시 1 ㎛ 이하를 나타내게 된다. 이와 같은 기공 구조는 추후 주액되는 전해액으로 채워지게 되고, 이와 같이 채워진 전해액은 이온 전달 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 기공의 크기 및 기공도는 유/무기 복합 다공성 분리막의 이온 전도도 조절에 중요한 영향 인자이다.
폴리올레핀 분리막 기재상에 상기 혼합물로 코팅하여 기공 구조가 형성된 활성층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하다. 또한, 상기 활성층의 기공 크기 및 기공도(porosity)는 각각 0.001 내지 10 ㎛ 및 5 내지 95% 범위인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막의 기공 크기 및 기공도(porosity)는 각각 0.001 내지 10 ㎛, 5 내지 95% 범위인 것이 바람직하다. 또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막의 두께는 특별한 제한은 없으며, 전지 성능을 고려하여 조절될 수 있다. 1 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하며, 특히 1 내지 30 ㎛ 범위가 더욱 바람직하다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 전지셀을 단위전지로 하는 전지팩을 사용할 수 있고, 상기 전지팩은 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 디바이스는, 구체적으로, 휴대폰, 노트북, 태블릿 컴퓨터, 시계 또는 안경, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 홀수인 n개의 단위셀들을 포함하는 전극조립체에서 전극조립체의 중심부에 위치하는 제 1 단위셀 및 전극조립체의 최상단 또는 최하단에 위치하는 제 n-1 단위셀을 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 단위셀로 구성함으로써, 종래 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀들 만으로 이루어진 전지셀에 비해, 전체적으로 분리막 및 집전체의 수를 감소시킬 수 있고, 따라서, 동일한 부피의 전지셀을 제조할 때, 감소된 두께만큼 단위셀의 활물질의 도포량을 증가시킬 수 있는 바, 동일 부피 대비 보다 높은 용량 특성을 갖는 고에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있으므로, 침상 도체가 전극조립체를 관통하는 경우, 침상 도체가 전극 활물질과 직접 접촉하는 것을 막을 수 있으므로 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체의 제조 방법을 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 2의 제조 방법에 따라 제조된 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체의 제조 방법을 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 2의 제조 방법에 따라 제조된 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체의 제조 방법을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전극조립체(200)는 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀들(220, 230, 240, 250, 270)과 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 단위셀들(210, 260)을 분리필름(280) 상에 교번방식으로 배열하고, 상기 분리필름(280)을 권취함으로써 제조된다. 또한, 제 1 단위셀(210)은 양극(211)이 하면을 향하여 분리필름(280)과 대면해 있으며, 상기 제 1 단위셀(210)의 전극 방향에 따라, 제 2 단위셀(220)로부터 제 7 단위셀(270)까지 순차적으로 분리필름 상에 위치한다.
구체적으로, 전극조립체(200)는 7개의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)을 포함하고 있고, 이 중 제 1 단위셀(210) 및 제 6 단위셀(260)은 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있으며, 그 외의 5개의 단위셀들(220, 230, 240, 250, 270)은 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조로 이루어져 있다.
상기 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270) 중 제 2 단위셀(220)과 제 5 단위셀(250)은 최외곽 전극이 음극(-)으로 구성되어 있고, 제 3 단위셀(230), 제 4 단위셀(240)과 및 제 7 단위셀(270)은 최외곽 전극이 양극(+)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 배열에 의해, 전극조립체(200)의 최외곽에 위치하는 제 6 단위셀(260)의 최외층에는 양극(261)이 위치하게 되고, 제 7 단위셀(270)의 최외층에는 음극(271)이 위치하게 되므로, 제 6 단위셀(260)과 제 7 단위셀(270)은 모두 양극(261, 271)들이 하면을 향하여 분리필름(280)과 대면한 상태로 배열된다.
좀 더 구체적으로 도 3을 참조하면, 제 1 단위셀(210), 제 6 단위셀(260), 제 7 단위셀(270)의 모식도가 도시되어 있다.
도 3에 따르면, 제 1 단위셀(210)은 양극(211), 분리막(213), 음극(212)로 구성된 형태를 가지며, 양극(211)이 하면을 향하여 분리필름(280)과 대면한 상태로 배열된다.
이 때, 제 1 단위셀(210)의 양극(211) 및 음극(212)은 집전체(211b, 212b)들의 양면에 활물질(211a, 211c, 212a, 212c)들이 모두 도포되어 있다.
반면에, 전극조립체(200)의 최외곽에 위치하게 되는 제 6 단위셀(260)은 전극조립체(200)의 최외곽 전극인 양극(261)에 있어서, 분리막(263)을 사이에 두고 반대 극성인 음극(262)과 대면하는 집전체(261a)의 일면에만 활물질(261b)이 부가되어 있고, 이에 대향해 분리필름(280)과 대면하는 집전체(261a)의 타면에는 활물질이 부가되어 있지 않다.
따라서, 상기 제 6 단위셀(260)의 양극(261)은 전극조립체(200)의 최외곽에서 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체(261a)의 타면을 형성하게 된다.
그러나, 이와 달리, 제 6 단위셀(260)의 최외곽 전극(261)이 아닌 음극(262)은 집전체(262b)의 양면(262a, 262c)들에 활물질이 부가되어 전지의 용량 감소를 방지할 수 있다.
또한, 전극조립체(200)의 또 다른 최외곽에 위치하게 되는 제 7 단위셀(270)은 전극조립체의(200)의 최외곽 전극인 양극(271)에 있어서, 분리막(273)을 사이에 두고 반대 극성인 음극(272)과 대면하는 집전체(271a)의 일면에만 활물질(271b)이 부가되어 있고, 이에 대향해 분리필름(280)과 대면하는 집전체(271a)의 타면(271d)에는 활물질이 부가되어 있지 않다.
따라서, 상기 제 7 단위셀(270)의 양극(271)은 전극조립체(200)의 최외곽에서 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체(271a)의 타면(271d)을 형성하게 된다.
그러나, 이와 달리, 제 7 단위셀(270)의 최외곽 전극(271)이 아닌 음극(272)과 또 다른 양극(274)은 집전체들(272b, 274b)의 양면들(272a, 272c, 274a, 274c)에 활물질이 부가되어 전지의 용량 감소를 방지할 수 있다.
또한, 상기 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체들(261a, 271a)의 타면이 전극조립체(200)의 최외곽에 위치하게 되며, 이에 따라, 외부로부터의 충격 시에, 활물질의 직접적인 접촉을 방지할 수 있어, 안전성을 향상시킬 수 있다.
한편, 전극조립체(200)는 제 1 단위셀(210)이 최내측에 위치하도록, 제 1 단위셀로(210)부터 제 7 단위셀(270)까지 반시계 방향(282)으로 권취하여 제조된다.
제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 사이에는 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위(281)가 형성되어 있고, 이에 따라, 상기 제 1 단위셀(210)이 분리필름(280)과 함께 권취되는 과정에서, 제 1 단위셀(210)의 상면에 위치한 음극(212)과 제 3 단위셀(230)의 상면에 위치한 양극(232) 사이에 분리필름(280)이 개재된다.
구체적으로, 제 1 단위셀(210)은 권취 과정에서 도립된 상태로 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 사이의 이격 부위(281)로 이동하고, 그 후 최초에 제 1 단위셀(210)의 하면에 위치했던 양극(211)이 제 2 단위셀(220)의 상면에 위치한 음극(222)과 분리필름(280)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.
또한, 상기 분리필름(280)을 사이에 두고 대면하는 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220)은 분리필름(280)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 제 1 단위셀(210)의 상면에 위치했던 음극(212)이 제 3 단위셀(230)의 상면에 위치한 양극(232)과 분리필름(280)을 사이에 두고 대면한다.
상기 과정은 제 7 단위셀(270)까지 순차적으로 진행되며, 이에 따라, 전극조립체의 중심부에 제 1 단위셀(210)이 위치하고, 대향하는 최외측에 제 6 단위셀(260)과 제 7 단위셀(270)이 각각 위치하는 구조의 전극조립체(200)가 완성된다.
상기 제조 방법에 따라 제조된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 도 2와 함께 참조하면, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 제 1 단위셀(210)과 제 6 단위셀(260) 및 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조의 제 7 단위셀(270)은 각각 전극조립체(200)의 최내측 단위셀 및 서로 대향하는 최외측의 단위셀들을 구성한다. 상기 최내측 단위셀은 전극조립체(200)의 중심부에 위치하는 단위셀로서, 구체적으로, 7개의 단위셀들 가운데 제 1 단위셀이 위치한 부분을 의미할 수 있다.
상기 전극조립체(200)는 7개의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)을 포함하고 있으며, 전극조립체(200)의 제 1 단위셀(210)은 음극(212)이 상면을 향하고, 이에 따라, 상기 전극조립체(200)의 최외곽 전극들(261, 271)의 극성은 양극으로서 서로 동일하다.
이와 같이 구성된 전극조립체(200)는 7개의 단위셀을 적층하는 경우에, 모두 8개의 양극, 9개의 음극, 2개의 양극 단면 및 21개의 분리막을 포함하고 있다
따라서, 종래의 최외곽 전극의 극성이 서로 동일한 적층 구조의 단위셀들 만으로 구성된 전지셀에 비해, 불활성 재료인 분리막의 수량이 감소되고, 양극과 음극의 수량이 감소됨에 따라, 상기 전극들의 집전체 수량도 감소되며, 상기 감소된 불활성 재료의 두께에 해당하는 활물질이 더 부가될 수 있으므로, 결과적으로, 전지셀의 전체적인 용량은 증가한다.
전극조립체(200)에서, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치한 구조의 제 1 단위셀(210) 및 제 6 단위셀(260)은 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조의 단위셀들(220, 230, 240, 250, 270)과는 전체적인 두께가 서로 상이한 구조로서, 종래의 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 정도의 활물질이 전지셀을 구성하는 모든 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)에 균등하게 부가되어 있다.
따라서, 각 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)의 집전체의 일면에 대한 활물질의 도포량이 모두 균등하므로, 전지셀의 제조 과정에서, 중심부의 단위셀(210) 및 최외측의 단위셀들(260, 270)과 그 외의 단위셀들(220, 230, 240, 250)의 구분 없이, 집전체의 일면에 활물질을 균등하게 도포하게 되므로, 공정에 소요되는 인력 및 시간을 감소시킬 수 있다.
그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 전극조립체(200)의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)은 두께가 서로 동일한 구조일 수 있으며, 구체적으로, 종래의 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 정도의 활물질이 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 제 1 단위셀(210)과 제 6 단위셀(260)에 추가로 부가될 수 있고, 이에 따라, 상기 제 1 단위셀(210)과 제 6 단위셀(260)은 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조의 단위셀들(220, 230, 240, 250, 270)과 동일한 두께를 갖는 구조일 수 있다.
한편 도면에 도시하지 않았지만, 상기 단위셀들은 폭 및 길이가 서로 동일한 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지셀이 탑재되는 디바이스의 종류 및 형상에 따라 다양한 형태로 제조될 수 있도록, 단위셀들의 폭 및/또는 길이가 서로 상이한 구조로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 전지셀의 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 전지셀은 분리필름이 전극조립체의 최하단 단위셀로부터 최상단 단위셀까지 Z자 형태로 감싸는 구조로 단위셀들을 폴딩하여 제조될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 2 내지 도 4의 구성과 같이 전극조립체를 조립하고, 이를 파우치형 전지케이스에 내장한 뒤, 1M LiPF6 리튬염이 포함된 EC/EMC계 전해액을 사용하여 전지셀을 제조하였다. 이때, 전지셀의 크기는 3.5mm * 79.6mm * 92.5 mm가 되도록 설계하였다.
<비교예 1>
도 1의 구성과 같이 전극조립체를 조립하고, 이를 파우치형 전지케이스에 내장한 뒤, 1M LiPF6 리튬염이 포함된 EC/EMC계 전해액을 사용하여 전지셀을 제조하였다. 이때, 전지셀의 크기는 3.5mm * 79.6mm * 92.5 mm가 되도록 설계하였다.
<실험예 1>
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀을 대상으로, 양극의 총 로딩량, 전지 용량 및 에너지 밀도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀이 종래 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀들만으로 이루어진 전지셀에 비해 전극 활물질의 로딩량을 증가시킬 수 있고, 따라서, 전지셀 용량의 2.7% 증가 및 에너지 밀도의 2.7% 증가를 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (24)
- 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 전극조립체는 홀수인 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최상단 또는 최하단에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있고;
상기 제 1 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있고, 나머지 단위셀들은 각각 독립적으로 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조로 이루어져 있으며 상기 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀은 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있는 단면전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 단면전극은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀을 제외한 나머지 단위셀은 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 양면전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 최외곽 전극들의 극성이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 5 항에 있어서, 상기 최외곽 전극들의 극성은 양극인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 음극이 분리필름을 기준으로 위쪽을 향하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 음극이 분리필름을 기준으로 위쪽을 향하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 권취 전의 분리필름 상에서 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에는 단위셀의 폭에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있고, 제 1 단위셀과 제 n-1 단위셀은 서로 동일한 극성의 전극이 동일한 방향을 향하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 n은 5 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 10 항에 있어서, 상기 n은 7인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 두께가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀과 양단의 전극들의 극성이 서로 동일한 적층 구조의 단위셀은 두께가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 13 항에 있어서, 상기 단위셀들은 집전체의 일면에 대한 양극 활물질 또는 음극 활물질의 도포량이 각각 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 폭 및 길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 폭 및/또는 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 17 항에 있어서, 상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 활성층이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형 캔, 및 상기 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항, 제 3 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 단위전지로 하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 22 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 23 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 시계, 안경, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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