KR101719396B1 - 전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법 - Google Patents

전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로서, 복수개의 전극; 상기 전극과 교대로 적층되며, 테두리 중 적어도 일부는 상기 전극보다 외측으로 연장되는 복수개의 분리막;을 포함하고, 상기 분리막은 상기 전극으로부터 외측으로 연장되는 영역 간 상호 접합되는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 내구성 및 젖음성이 개선되는 전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법이 제공된다.

Description

전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비정형 구조의 전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극(cathode or positive electrode)과 음극 (anode or negative electrode) 및 상기 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급할 수 있는 것이다.
이러한 전지는 한번 사용 후 폐기되는 일차전지(일반 전지)와, 충방전을 통해 반영구적으로 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다.
근래에는 스마트폰, 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기들의 보급으로 재충전이 가능한 이차전지의 수요량이 급증하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능이 점차 개선되어 대량 생산되고 있다.
대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion) 전지가 사용되고 있다. 또한 이차전지는 전극조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형과 각형 및 파우치형 전지로 구분할 수 있다.
이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 서로 번갈아가며 겹친 후, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 혹은 파우치(pouch) 등의 전지케이스에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입함으로써 제작된다. 이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며든다.
한편, 최근 개발되는 휴대용 전자기기가 소형화되면서, 단순히 각형의 이차전지에 대한 요구는 감소하고, 효율적으로 공간을 활용할 수 있도록 설계되는 비정형 이차전지에 대한 요구가 증가하고 있는 추세다.
그러나, 종래의 비정형 이차전지는 전극과 접합된 분리막이 들뜨는 등 내구성이 약하고, 전극 및 분리막에 대한 전해액의 우수한 젖음성(wettability)을 구현하기가 어렵다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 내구성 및 젖음성이 개선되는 전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 복수개의 전극; 상기 전극과 교대로 적층되며, 테두리 중 적어도 일부는 상기 전극보다 외측으로 연장되는 복수개의 분리막;을 포함하고, 상기 분리막은 상기 전극으로부터 외측으로 연장되는 영역 간 상호 접합되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체에 의해 달성된다.
또한, 상기 분리막 및 상기 전극의 테두리 중 적어도 일부는 곡선일 수 있다.
또한, 상기 전극과 상기 분리막은 상기 곡선의 테두리를 따라 접촉되는 영역이 서로 접합될 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명에 따라, 복수개의 전극과 복수개의 분리막을 교대로 배치하는 배치단계; 상기 전극으로부터 외측으로 연장되는 분리막의 테두리를 이웃하는 분리막의 테두리와 접합하는 접합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 접합단계에서는 곡선의 접합경로를 따라서 접촉되는 상기 전극과 상기 분리막의 영역을 접합할 수 있다.
또한, 상기 접합경로의 경계선을 따라서 전극과 상기 분리막을 절단하는 절단단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일부 테두리 영역에서는 분리막이 상호 접합되고, 나머지 테두리 영역에서는 분리막과 전극끼리 접합되는 복합적인 접합방식을 채택함으로써, 종래의 전극과 분리막 간의 접합으로만 제작되는 전극 조립체에 비하여 내구성이 향상되는 전극 조립체가 제공된다.
또한, 분리막이 접합됨으로써 전해액의 젖음성(wettability)이 향상될 수 있다.
또한, 분리막 간의 접합으로 인하여 분리막 변형이 발생할 가능성이 감소한다.
또한, 적어도 일부구간은 곡면 테두리가 형성됨으로써, 공간 활용성이 우수한 이차전지를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이고,
도 2는 도 1의 전극 조립체의 평면도이고,
도 3은 도 1의 전극 조립체를 III - III' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이고,
도 4는 도 1의 전극 조립체를 IV - IV' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체 제조방법의 공정 흐름도이고,
도 6은 도 5의 전극 조립체 제조방법의 접합단계 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 도 5의 전극 조립체 제조방법의 절단단계 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 조립체(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이고, 도 2는 도 1의 전극 조립체의 평면도이고, 도 3은 도 1의 전극 조립체를 III - III' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이고, 도 4는 도 1의 전극 조립체를 IV - IV' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 조립체(100)는 전극(110)과 분리막(120)을 포함한다.
상기 전극(110)은 양극(111)과 음극(112)을 포함하며, 본 실시예의 전극 조립체는 양극(111), 분리막(120), 음극(112), 분리막(120)이 교대로 적층되는 구조를 갖는다.
상기 양극(111)은 양극집전체 상에 양극활물질이 일부 도포되는 것으로서, 양극집전체는 통상 3㎛ 내지 500㎛의 두께로 마련된다.
이러한 양극집전체는 높은 전기적 전도성을 가지는 소재로 마련되며, 스테인리스스틸, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 소성 탄소, 또는 알루미늄(Al) 이나 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 코팅처리하여 사용될 수도 있다. 또한, 양극집전체는 표면에 미세한 요철이 형성되도록 표면처리함으로써 양극활물질의 접합력을 향상시킬 수도 있다.
양극집전체의 양쪽 표면에는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극활물질이 도포되며, 단부에는 양극탭이 형성된다.
상기 음극(112)은 음극집전체의 양면에 음극활물질을 도포됨으로써 제작되며, 양극집전체는 통상 3㎛ 내지 500㎛의 두께로 마련된다.
음극집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소가 사용될 수 있으며, 또는, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 코팅하여 사용될 수도 있다.
또한, 음극집전체의 양쪽 표면에는 탄소재를 주성분으로 하는 음극활물질이 도포되며, 음극집전체의 단부에는 음극탭이 형성된다.
한편, 상술한 양극(111)과 음극(112)을 포함하는 전극(110)은 어느 하나의 모서리 부분이 절단되어 곡선 테두리를 형성함으로써, 다양한 구조 및 형상을 갖는 어플리케이션에 적용될 수 있고, 이를 이용하면, 공간 활용효율이 높은 이차전지를 제작할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 전극(110)의 사각형 모서리 중 어느 하나의 모서리 부분만이 절단되어 곡면 형상의 테두리를 갖는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 다양한 구조 및 형상의 곡면이 형성될 수 있다.
상기 분리막(120)은 상술한 양극과 음극 사이 및 음극의 하면에 하나씩 개재된다. 즉, 상술한 설명에 의하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 양극(111), 분리막(120), 음극(112), 분리막(120)의 순서로 적층된다.
또한, 상술한 4층 구조의 구조물이 여러번 적층될 수도 있으며, 전극(110)과 분리막(120)이 교대로 적층되는 구조를 갖는 것이라면 전극(110) 및 분리막(120)의 갯수는 제한되는 것은 아니다.
한편, 분리막(120)은 전극(110)의 형상에 대응되는 형상을 갖도록 어느 하나의 모서리 부분이 절단되어 곡면 테두리를 형성한다. 또한, 전극(110)과 교대로 적층되어 정렬된 상태에서 곡면 테두리를 제외한 나머지 테두리가 바깥쪽으로 노출될 수 있도록 분리막(120)은 전극(110)보다 큰 면적을 갖는다.
즉, 후술하는 바와 같이, 곡면 테두리 부분은 전극(110)과 분리막(120)이 적층된 상태에서 동시에 절단됨으로써 형성되는 것이므로, 분리막(120)이 전극(110)보다 연장되도록 형성되지 않고, 동일한 윤곽선을 갖는다.
한편, 상술한 분리막(120)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리올레핀계 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)의 접합구조에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체(100)는 이웃하는 분리막(120)이 서로 접합된다. 즉, 전극(110)의 테두리로부터 바깥쪽으로 연장되어 노출되는 분리막(120)의 부분은 마주보는 분리막(120)의 테두리 부분과 서로 접합된다. 이때, 분리막(120) 간의 접합만 이루어질 수도 있고, 분리막(120)과 전극(110)이 접촉하는 일부 영역도 접합될 수도 있다.
또한, 절단되어 곡면이 형성되는 테두리 영역은 분리막과 전극의 윤곽선이 일치하므로 전극(110)과 분리막(120)이 서로 접합된다.
따라서, 본 실시예의 전극 조립체(100)에 따르면 일부 테두리는 이웃하는 분리막 간이 접합되고, 나머지 일부 테두리는 분리막(120)과 전극(110)끼리 접합되는 복합적인 접합방식을 갖는다. 따라서, 본 실시예의 전극 조립체(100)에 의하면, 종래의 전극과 분리막 간의 접합으로만 제작되는 전극 조립체에 비하여 구조적인 내구성이 향상될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체 제조방법에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체 제조방법의 공정 흐름도이다..
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체 제조방법(S100)은 배치단계(S110)와 접합단계(S120)와 절단단계(S130)를 포함한다.
상기 배치단계(S110)는 전극(110)과 분리막(120)을 교대로 배치하는 단계이다. 본 실시예에서는 양극(111), 분리막(120), 음극(112), 분리막(120)을 교대로 배치하는 것으로 설명하나, 상술한 바와 같이 전극(110) 및 분리막(120)의 수가 제한되는 것은 아니다.
분리막(120)은 전극보다 면적이 큰 것으로 마련되어 정열 후에 분리막(120)의 테두리가 전극(110)보다 바깥쪽으로 돌출되는 형태로 구성되며, 한 쌍의 분리막의 테두리는 서로 마주보도록 배치된다.
도 6은 도 5의 전극 조립체 제조방법의 접합단계 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 접합단계(S120)는 전극(110)과 분리막(120)이 교대로 배열된 구조를 접합하는 단계이다.
본 단계에서는 전극(110)보다 바깥쪽으로 연장되는 분리막(120)의 테두리를 이웃하는 분리막(120)의 테두리와 접합하는 동시에, 소정의 폭을 갖는 곡선의 접합경로(L)를 따라서 전극(110)과 분리막(120)을 서로 접합한다.
이때, 전극(110)과 분리막(120)이 접합되는 곡선의 접합경로(L)의 윤곽선은 후술하는 절단단계(S130)에서의 절단 테두리가 되는 것이므로 이를 고려하여 접합한다.
도 7은 도 5의 전극 조립체 제조방법의 절단단계 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 절단단계(S130)는 전극 조립체(100)의 테두리 중 적어도 일부가 곡선이 되도록 상술한 접합단계(S120)에서 접합되는 전극(110)과 분리막(120)의 일부를 절단하여, 사각형이 아닌 비정형(irregular) 구조의 전극 조립체를 완성하는 단계이다.
본 단계에서는 접합경로(L)의 윤곽선이 전극 조립체(100)의 테두리이 될 수 있도록 전극(110) 및 분리막(120)을 절단한다. 절단되어 최종 완성되는 전극 조립체(100)는 비정형 구조가 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110 : 전극 111 : 양극
112 : 음극 120 : 분리막

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 복수개의 전극과 복수개의 분리막을 교대로 배치하는 배치단계;
    상기 전극으로부터 외측으로 연장되는 분리막의 테두리를 이웃하는 분리막의 테두리와 접합하는 접합단계;를 포함하고,
    상기 접합단계에서는, 곡선의 접합경로를 따라서 접촉되는 상기 전극과 상기 분리막의 영역을 접합하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 접합경로의 경계선을 따라서 전극과 상기 분리막을 절단하는 절단단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 제조방법.
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