KR101746628B1 - 전극의 노출이 억제된 전지셀 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며; 상기 전극조립체에서 분리막은 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하고 있고; 상기 전극조립체의 외주면 중의 적어도 일부에는 전극조립체의 적층 구조를 유지할 수 있도록 접착부재가 부가되어 있으며; 상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 잉여부는 일측 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며; 상기 전극조립체에서 분리막은 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하고 있고; 상기 전극조립체의 외주면 중의 적어도 일부에는 전극조립체의 적층 구조를 유지할 수 있도록 접착부재가 부가되어 있으며; 상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 잉여부는 일측 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 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 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 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.
리튬 이차전지는 리튬이온의 흡장, 방출이 가능한 양극활물질을 포함하고 있는 양극과, 리튬이온의 흡장, 방출이 가능한 음극활물질을 포함하고 있는 음극 사이에 미세 다공성 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬이온을 함유한 비수 전해질이 포함되어 있는 전지를 의미한다.
예를 들어, 리튬 이차전지의 양극활물질로는, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 전이금속 산화물, 이들 전이금속의 일부가 다른 전이금속으로 치환된 복합 산화물 등이 주로 사용되고 있다. 또한, 음극활물질로는 비정질 탄소계 물질, 결정질 탄소계 물질 등이 주로 사용되고 있고, 최근에는 실리콘계 물질을 활용하는 연구도 활발히 진행되고 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-롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
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.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.
상기 문제점들을 예방하기 위해, 스택형 전극조립체의 경우, 최외곽에 위치한 전극의 외측에 분리막을 더 부가함으로써 전극의 노출을 방지하고, 이를 통해 이차전지의 안전성을 향상시키기도 한다.
또한, 스택형 전극조립체에 있어서, 안전성의 문제 중 하나로, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시 분리막을 중심으로 한 전극들의 움직임으로 인해 전극간의 단락이 유발될 가능성이 높으며, 이에 따라, 전극조립체의 외주면에 전극조립체를 고정하기 위한 접착부재가 적용되기도 한다.
한편, 일반적으로 분리막으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공성 고분자 필름이 사용되고 있으며, 이러한 분리막은 저렴하고 내화학성이 우수하여 전지의 작동에 바람직하다는 장점을 가지고 있지만, 고온의 환경에서 수축하기 쉽다.
따라서, 전지가 고온에 노출되었을 때 발생되는 분리막의 수축 또는 파손으로 인한 내부단락은 매우 심각한 실정이고, 이에 대한 원인규명 및 대안에 대한 연구가 많이 행해지고 있는 바, 대표적으로 분리막의 크기를 양극 및 음극보다 크게 구성함으로써 상기 문제를 해결하기도 한다.
그러나, 분리막의 크기를 양극 및 음극보다 크게 구성한 적층 구조의 스택형 전극조립체에 있어서, 상기 전극조립체의 외주면에 전극조립체를 고정하기 위한 접착부재가 적용될 경우, 상기 접착부재가 부가되는 부위에서 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 형성된 분리막의 외주면 잉여부가 절곡될 수 있으며, 이에 따라, 전극을 보호하기 위해 부가한 최외곽의 분리막분리막이 절곡될 수 있고, 이에 따라 전극이 외부로 노출될 수 있다.
도 1에는 종래의 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 파우치형 전지 케이스(120) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극 조립체(130)가 그것의 양극 및 음극 탭들(131, 132)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극 리드(140, 141)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(120)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(130)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(123)를 포함하는 케이스 본체(121)와 그러한 본체(121)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(122)로 이루어져 있다. 전지케이스(120)의 수납부(123)는 전극조립체(130)가 안착될 수 있도록 판상의 라미네이트 시트를, 예를 들어, 그에 대응하는 형상이 각인되어 있는 금형에서 성형함으로써 형성될 수 있다.
스택형 전극조립체(130)는 다수의 양극 탭들(132)과 다수의 음극 탭들(134)이 각각 융착되어 전극 리드(140, 141)에 함께 결합되어 있고, 전극 리드(140, 141)에는 전지케이스(120)와의 전기적 절연성과 밀봉성을 확보하기 위하여 절연필름(150)이 상하면에 부착된다.
이와 같은 파우치형 이차전지(100)는 전지케이스(120)가 강도가 약한 연포장재로 되어 있음으로 인해 낙하, 외부 충격 등에 의해 쉽게 변형되며, 더욱이 스택형 전극조립체(130)의 경우 낙하, 외부 층격 등에 의해 분리막을 중심으로 한 전극들이 움직임으로 인해, 내부 단락이 유발될 수 있다. 또한, 이러한 스택형 전극조립체(130)의 경우, 내부에서 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막은 고온의 환경에서 그것의 양측 단부가 전극들의 계면 사이로 수축되어 내부 단락을 유발하기 쉬운 바, 상기 문제점을 해결하기 위해, 분리막을 양극 및 음극보다 크게 구성하고, 외주면에 접착부재가 부가된 스택형 전극조립체의 적층 구조가 도 2에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(200)는 양극(210), 음극(220), 상기 양극(210)과 음극(220) 사이에 개재되는 분리막(230)이 교대로 적층되어 있는 구조로서, 전극조립체(200)에서 분리막은 양극(210) 및 음극(220)보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하고 있고 있다.
또한, 전극조립체(200)에서 전극의 적층 방향을 기준으로 최하단의 전극은 노출을 억제하기 위해 상기 최하단에 위치한 양극의 상면 및 하면에 모두 분리막을 포함하고 있다.
전극조립체(200)의 서로 대향하는 외주면에는 각각 두 개의 접착부재(241, 242, 243, 244)가 부가되어 있는 바, 상기 접착부재(241, 242, 243, 244)는 분리막(230)의 외주면 잉여부가 절곡되어 있는 상태로 전극조립체(200)의 외주면에 부착되어 있다.
전극조립체(200)의 외주면에서 접착부재(241, 242, 243, 244)가 부가되어 있는 외주면과 접착부재(241, 242, 243, 244)가 부가되어 있지 않은 외주면에서 분리막(230)의 외주면 잉여부가 절곡되어 있는 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도 3a 내지 도 3b에 도시되어 있다.
우선, 도 3a를 참조하면, 접착부재(340)는 전극조립체(300)의 적층 방향을 기준으로 최상단면(301)에서 최하단면(302)에 걸쳐 부가되어 있고, 하향 절곡된 분리막(330)의 외주면 잉여부와 함께 전극조립체에 밀착되어 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 접착부재의 부가에 의해 분리막(330)의 외주면 잉여부가 절곡됨에 따라, 접착부재가 부가되지 않은 전극조립체(300)의 외주면에서 분리막(330)의 외주면 잉여부도 하향 절곡된다.
이러한 경우에, 전극조립체(300)의 적층 방향을 기준으로 최하단(302)에 위치한 전극(310)의 하면에 개재되어 있는 분리막(330)은 하향 절곡되는 과정에서 상기 최하단의 전극(310)으로부터 탈리되고, 이에 따라, 최하단에 위치한 전극(310)이 외부로 노출되어, 전지의 안전성이 저하될 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 전극조립체의 외주면에 접착부재를 부가하는 과정에서, 분리막의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 있는 클램프를 통해 전극조립체의 상면 및 하면을 고정함으로써, 접착부재가 부가되지 않는 부위에서 최외곽에 위치한 분리막의 절곡에 의해 전극이 외부로 노출되는 것을 억제할 수 있는 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 분리막의 외주면 잉여부를 양극 및 음극과 함께 접착, 고정함으로써, 전극조립체의 적층 구조가 안정적으로 고정되며, 고온의 환경에서도 분리막의 수축에 의한 내부 단락을 방지하고, 고온 안전성을 향상시킬 수 있는 전지셀을 제공 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 전극조립체에서 분리막은 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하고 있고;
상기 전극조립체의 외주면 중의 적어도 일부에는 전극조립체의 적층 구조를 유지할 수 있도록 접착부재가 부가되어 있으며;
상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 잉여부는 일측 방향으로 절곡되어 있는 구조로 구성되어 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 외주면에 접착부재를 부가하는 과정에서, 분리막의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 있는 클램프를 통해 전극조립체의 상면 및 하면을 고정함으로써, 접착부재가 부가되지 않는 부위에서 최외곽에 위치한 분리막의 절곡에 의해 전극이 외부로 노출되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀은, 분리막의 외주면 잉여부를 양극 및 음극과 함께 접착, 고정함으로써, 전극조립체의 적층 구조가 안정적으로 고정되며, 고온의 환경에서도 분리막의 수축에 의한 내부 단락을 방지하고, 고온 안전성을 향상시키는 효과를 발휘한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체에서 최외곽 전극 중 적어도 하나의 전극은 전극들의 적층 방향을 기준으로 상면 및 하면에 분리막을 포함하는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층되어 있는 구조로서, 최외곽에 위치하는 전극들 중 적어도 한편의 외측에는 최외곽 전극을 보호할 수 있는 분리막이 추가로 더 적층될 수 있다.
이러한 경우에, 상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 외주면 잉여부는 상면 및 하면에 분리막을 포함하는 최외곽 전극의 방향으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
상기 접착부재는 전극조립체의 외주면에 부가되는 과정에서 전극조립체를 이루는 분리막의 외주면 잉여부를 일측 방향으로 절곡시키는 바, 상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 외주면 잉여부는 외측에 분리막을 추가로 더 포함하는 전극 방향으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체는 접촉부재가 부가되어 있지 않은 전극조립체의 외주면에서 분리막의 외주면 잉여부가 절곡되지 않으며, 이에 따라, 외측에 보호막이 추가로 더 부가된 최외곽 전극의 노출을 방지할 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 접착부재는 전극들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 최상단면에서 최하단면에 걸쳐 부가되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀의 전극조립체는 접촉부재가 부가되는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 외주면 잉여부가 전극조립체를 이루는 모든 양극 및 음극과 함께 접착 및 고정됨으로써, 전극조립체의 적층 구조가 안정적으로 고정될 수 있으며, 이에 따라, 전지셀의 낙하, 외부 충격 등에 의해 분리막을 중심으로 한 전극들이 움직임으로 인해 발생할 수 있는 내부 단락을 방지할 수 있다.
한편, 상기 접착부재가 부가되는 전극조립체의 외주면의 크기는 전극조립체의 폭 또는 길이를 기준으로 10 내지 60%일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 폭은 양극 또는 음극 단자의 돌출방향에 대한 수직 방향으로의 전극조립체의 외주면 크기를 의미하고, 상기 길이는 양극 또는 음극 단자의 돌출방향에 대한 수평 방향으로의 전극조립체의 외주면의 크기를 의미한다.
만일, 상기 접착부재가 부가되는 전극조립체의 외주면의 크기가 전극조립체의 폭 또는 길이를 기준으로 10% 미만일 경우, 전극조립체의 적층 구조가 안정적으로 고정될 수 없으며, 60%를 초과할 경우, 전지셀 제조시 전극조립체와 전해액의 접촉 부위가 지나치게 감소되어, 상기 전극조립체에 대한 전해액의 함침성이 저해될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접착부재는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 필름 기재에 접착제가 도포되어 있는 부재일 수 있는 바, 상기 접착부재의 소재는 전극조립체의 적층 구조를 안정적으로 고정할 수 있고, 물리적 특성 및 화학적 특성에 영향을 미치지 않는 소재라면 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 복수의 전극들과 분리막들로 구성된 유닛셀 둘 이상이 분리막이 개재된 상태에서 적층된 구조로 이루어진 구조일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 교대로 적층되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하는 바, 상기 전극조립체가 단순히 복수의 전극들과 분리막들을 연속적으로 적층함으로써 제조될 경우, 공정에 소요되는 시간이 증가하고, 이에 따라, 생산 효율성이 저하되며, 완성된 제품의 불량률을 상승시킬 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체는 복수의 전극들과 분리막들로 하나의 독립된 유닛셀을 구성하고, 상기 유닛셀 둘 이상을 분리막이 개재된 상태에서 적층함으로써 구성됨으로써, 상기 문제점들을 방지할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 유닛셀은 양측 외곽의 전극들이 동일한 극성을 가진 구조로 이루어진 바이셀일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 소망하는 성능을 발휘할 수 있는 것이라면, 양측 외곽의 전극들이 상이한 극성을 가진 구조로 이루어진 풀-셀일 수도 있다.
한편, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형 캔, 및 상기 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡을 포함하는 구조로 이루어지거나, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 상기와 같은 구조로 이루어진 것이라면 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.
리튬 이차전지를 포함하여 전지셀의 구성, 구조, 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명은 상기와 같은 구조로 이루어진 전지셀을 제조하는 방법을 제공하는 바, 상기 전지셀을 제조하는 방법은,
(a) 하나 이상의 양극, 음극, 상기 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하는 분리막을 적층하여 전극조립체를 제조하는 단계;
(b) 상기 단계(a)에서 제조된 전극조립체의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 상면 및 하면에서 전극조립체의 외주면의 일부를 클램프로 고정하는 단계;
(c) 상기 단계(b)에서 고정된 전극조립체의 외주면의 일부에 접착부재를 부가하는 단계; 및
(d) 상기 단계(c)에서 접착부재가 부가된 전극조립체를 전지케이스에 수납하고 전해액을 주입한 후 전지케이스의 외주면을 밀봉하여 전지셀을 제조하는 단계;
를 포함할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 전극조립체에서 최외곽 전극 중 적어도 하나의 전극은 전극들의 적층 방향을 기준으로 상면 및 하면에 분리막을 포함하는 구조일 수 있다.
한편, 상기 클램프는 분리막의 외주면에서 적어도 두 군데 이상을 고정함으로써, 전극조립체의 적층 구조를 안정적으로 고정하고, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시 분리막을 중심으로 한 전극들의 움직임으로 인한 전극간의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 상기 클램프는 분리막의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 있는 구조로서, 접촉부재의 부가 과정에서 상기 접촉부재가 부가되지 않는 전극조립체의 외주면에서 분리막 외주면 잉여부가 일측 방향으로 절곡됨으로써, 최외곽의 전극이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 분리막의 외주면 잉여부에 비해 돌출되어 있는 클램프 부위의 크기는 분리막의 외주면 잉여부에 대해 10 내지 30%일 수 있다.
한편, 상기 접착부재는 전극조립체의 상면 또는 하면에 대해 50 내지 80도로 기울어진 상태에서 상기 상면 또는 하면의 외주면으로부터 부가될 수 있다.
구체적으로, 상기 접착부재가 전극조립체의 상면 또는 하면에 대해 완전히 직각인 방향에서 부가될 경우, 전극조립체를 구성하는 다수의 분리막을 한번에 절곡하면서 접촉부재를 부가하는데 어려움이 있다.
즉, 상기 접착부재는 전극조립체의 상면 또는 하면을 포함하는 평면에 대해 50 내지 80 도로 기울어진 상태에서 상기 상면 또는 하면의 외주면으로부터 부가됨으로써, 전극조립체를 구성하는 다수의 분리막을 한번에 절곡하는 동시에, 상기 접촉부재가 부가되는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 외주면 잉여부가 모두 하향 절곡되고, 접착부재가 전극조립체의 외주면에 더욱 밀착됨으로써, 전극조립체의 전체적인 적층 구조가 안정적으로 고정될 수 있다.
이러한 경우에, 상기 접착부재의 부가는 상단 및 하단의 진공 흡착 부재에 의해 고정된 상태로 수행될 수 있는 바, 상기 진공 흡착 부재는 전극조립체의 상단 및 하단에서 각각 접착부재의 일측 단부와 타측 단부를 진공 흡착 방식으로 고정한 상태에서 접착부재를 전극조립체 방향으로 이동시켜, 전극조립체의 외주면에 부가한다.
본 발명은 상기 전지셀을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 외주면에 접착부재를 부가하는 과정에서, 분리막의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 있는 클램프를 통해 전극조립체의 상면 및 하면을 고정함으로써, 접착부재가 부가되지 않는 부위에서 최외곽에 위치한 분리막의 절곡에 의해 전극이 외부로 노출되는 것을 억제할 수 있고, 분리막의 외주면 잉여부를 양극 및 음극과 함께 접착, 고정함으로써, 전극조립체의 적층 구조가 안정적으로 고정되며, 고온의 환경에서도 분리막의 수축에 의한 내부 단락을 방지하고, 고온 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1에는 종래의 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 분리막의 외주면 잉여부가 형성되어 있고, 접착부재가 부가되어 있는 스택형 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3a는 스택형 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되어 있는 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3b는 스택형 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되어 있지 않은 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체에 접착부재를 부가하기에 앞서 클램프로 고정된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 외주면에 접착부재를 부가하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되지 않는 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 분리막의 외주면 잉여부가 형성되어 있고, 접착부재가 부가되어 있는 스택형 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3a는 스택형 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되어 있는 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3b는 스택형 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되어 있지 않은 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체에 접착부재를 부가하기에 앞서 클램프로 고정된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 외주면에 접착부재를 부가하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되지 않는 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체에 접착부재를 부가하기에 앞서 클램프로 고정된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 스택형 전극조립체(400)는 양극(410), 음극(420) 및 상기 양극(410)과 음극(420) 사이에 개재되는 분리막(430)이 교대로 적층되어 있는 구조로서, 최외곽 전극들의 극성이 동일한 구조로 이루어져 있다.
또한, 상기 전극조립체(400)에서 전극의 적층 방향을 기준으로 최하단의 전극은 노출을 억제하기 위해 상기 최하단에 위치한 양극의 상면 및 하면에 모두 분리막을 포함하고 있다.
상기 전극조립체(400)는 적층 방향을 기준으로 전극조립체(400)의 상면 및 하면에서 전극조립체(400)의 외주면의 일부가 클램프(450)로 고정되어 있는 바, 바람직하게는, 서로 대향하는 외주면에서 클램프(450)로 고정되어 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 외주면에 접착부재를 부가하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전극조립체(500)는 양극(510), 음극 및 상기 양극(510)과 음극(520) 사이에 개재되는 분리막(530)이 순차적으로 적층되어 이루어지는 구조로서, 상기 분리막(530)은 양극(510) 및 음극(520)보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부(531)를 형성하고 있다.
상기 전극조립체(500)의 외주면의 일부에는 접착부재(540)가 부가되는 바, 상기 접착부재(540)의 부가는 전극조립체(500)의 상단(501) 및 하단(502)에 각각 위치하는 진공 흡착 부재들(561, 562)에 의해 이루어진다.
구체적으로, 상기 진공 흡착 부재들(561, 562)은 전극조립체(500)의 상단(501) 및 하단(502)에서 각각 접착부재(540)의 일측 및 타측 단부를 진공 흡착 방식으로 고정시킨 상태에서 이를 전극조립체(500)의 외주면에 부가한다.
이러한 경우에 상기 접착부재(540)는 전극조립체(500)의 상면(501)에 대해 기울어진 상태에서 진공 흡착 부재들(561, 562)이 A 방향으로 이송됨으로써, 전극조립체(500)의 외주면에 부가되는 바, 상기 접착부재(470)가 기울어진 각도(541)는 전극조립체(500)의 상면(501)에 대해 50 내지 80도 일 수 있다.
따라서, 상기 접착부재(540)는 분리막(530)의 외주면 잉여부(531)를 하향 절곡한 상태로 전극조립체(500)의 외주면에 부가된다.
그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 전극조립체(500)에 있어서 전극의 최상단에 위치한 전극의 상면(501)에 분리막이 개재되어 있는 경우, 상기 접착부재(540)는 전극조립체(500)의 하면(502)에 대해 기울어진 상태에서 진공 흡착 부재들(561, 562)이 A 방향으로 이송됨으로써, 전극조립체(500)의 외주면에 부가될 수도 있으며, 이러한 경우에, 상기 접착부재(540)가 기울어진 각도(541)는 전극조립체(500)의 하면(502)에 대해 50 내지 80도 일 수 있고, 이에 따라 상기 접착부재(540)는 분리막(530)의 외주면 잉여부(531)를 상향 절곡한 상태로 전극조립체(500)의 외주면에 부가될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀의 전극조립체(500)는 최외곽 전극 중 적어도 하나의 전극이 전극들의 적층 방향을 기준으로 상면(501) 및 하면(502)에 분리막(530)을 포함하는 구조일 수 있으며, 상기 접착부재(540)가 부가되어 있는 전극조립체(500)의 외주면에서 분리막(530)의 잉여부(531)는 상면 및 하면에 분리막(530)을 포함하는 최외곽 전극의 방향으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 외주면에서 접착부재가 부가되지 않는 부분의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전극조립체(600)의 외주면에서 접착부재가 부가되지 않는 부분에는 전극조립체(600)의 적층 방향을 기준으로 전극조립체(600)의 상면(601) 및 하면(602)에서 클램프(651, 652)로 고정된다.
이러한 경우에, 상기 분리막(630)의 외주면 잉여부에 비해 돌출되어 있는 클램프(651, 652) 부위의 크기는 분리막(630)의 외주면 잉여부에 대해 10 내지 30%일 수 있다.
상기 클램프(651, 652)는 분리막(630)의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 있는 바, 전극조립체(600)의 외주면에 접착부재가 부가되는 과정에서, 상기 접착부재가 부가되지 않는 전극조립체(600)의 외주면에서 분리막(630)의 절곡을 방지(670)한다.
구체적으로, 전극조립체(600)의 상면(601) 및 하면(602)에서 외주면이 클램프(651, 652)로 고정된 부위에서는 접착부재의 부가에 따라 분리막(630)의 외주면 잉여부가 하향 절곡된다.
그러나, 전극조립체(600)의 하면에 위치한 클램프(652)에 의해, 최하단의 분리막(630)이 절곡되지 않을 수 있으며, 이에 따라, 분리막(630)의 하향 절곡에 의한 탈리를 방지할 수 있고, 전극의 노출을 방지하여 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 전극조립체(700)는 분리막(720)이 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하고 있는 구조로서, 전극조립체(700)의 서로 대면하는 외주면에서 접착부재(731. 732, 733, 734)가 부가되어 있다.
상기 접착부재(731. 732, 733, 734)는 전극들의 적층 방향을 기준으로 최상단면에서 최하단면에 걸쳐 부가되며, 상기 접착부재(731. 732, 733, 734)가 부가되는 전극조립체(700)의 외주면에서 분리막(720)의 외주면 잉여부들을 하향 절곡시킨 상태로 양극 및 음극과 함께 고정할 수 있다.
또한, 상기 분리막(720)의 외주면 잉여부가 양극 및 음극과 함께 접착, 고정됨으로써, 전극조립체(700)의 적층 구조가 안정적으로 고정되며, 고온의 환경에서도 분리막이 수축되는 것을 방지하거나 최소화하여, 전지셀의 내부 단락을 방지하고, 고온 안전성을 향상시킬 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 (21)
- 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 전극조립체에서 분리막은 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하고 있고;
상기 전극조립체의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 상면 및 하면에서 전극조립체의 외주면의 일부가 클램프로 고정되어 있으며;
상기 전극조립체의 외주면 중의 적어도 일부에는 전극조립체의 적층 구조를 유지할 수 있도록 접착부재가 부가되어 있고;
상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 잉여부는 일측 방향으로 절곡되어 있으며;
상기 클램프는 분리막의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 전극조립체의 상면 및 하면을 고정하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체에서 최외곽 전극 중 적어도 하나의 전극은 전극들의 적층 방향을 기준으로 상면 및 하면에 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 접착부재가 부가되어 있는 전극조립체의 외주면에서 분리막의 잉여부는 상면 및 하면에 분리막을 포함하는 최외곽 전극의 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 접착부재는 전극들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 최상단면에서 최하단면에 걸쳐 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 접착부재가 부가되는 전극조립체의 외주면의 크기는 전극조립체의 폭 또는 길이를 기준으로 10% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 접착부재는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 필름 기재에 접착제가 도포되어 있는 부재인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 복수의 전극들과 분리막들로 구성된 유닛셀 둘 이상이 분리막이 개재된 상태에서 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 7 항에 있어서, 상기 유닛셀은 양측 외곽의 전극들이 동일한 극성을 가진 구조로 이루어진 바이셀인 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 항에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 하나 이상의 양극, 음극, 상기 양극 및 음극보다 긴 길이로 돌출되어 외주면 잉여부를 형성하는 분리막을 적층하여 전극조립체를 제조하는 단계;
(b) 상기 단계(a)에서 제조된 전극조립체의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 상면 및 하면에서 전극조립체의 외주면의 일부를 클램프로 고정하는 단계;
(c) 상기 단계(b)에서 고정된 전극조립체의 외주면의 일부에 접착부재를 부가하는 단계; 및
(d) 상기 단계(c)에서 접착부재가 부가된 전극조립체를 전지케이스에 수납하고 전해액을 주입한 후 전지케이스의 외주면을 밀봉하여 전지셀을 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체에서 최외곽 전극 중 적어도 하나의 전극은 전극들의 적층 방향을 기준으로 상면 및 하면에 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 클램프는 분리막의 외주면에서 적어도 두 군데 이상을 고정하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 클램프는 분리막의 외주면 잉여부에 비해 긴 길이로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 분리막의 외주면 잉여부에 비해 돌출되어 있는 클램프 부위의 크기는 분리막의 외주면 잉여부에 대해 10 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 접착부재는 전극조립체의 상면 또는 하면에 대해 50 내지 80도로 기울어진 상태에서 상기 상면 또는 하면의 외주면으로부터 부가되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 17 항에 있어서, 상기 접착부재는 최외곽에 분리막이 개재되어 있지 않은 전극조립체의 상면 또는 하면의 외주면으로부터 부가되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 17 항에 있어서, 상기 접착부재의 부가는 상단 및 하단의 진공 흡착 부재에 의해 고정된 상태로 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 1 항에 따른 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
- 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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| KR1020130138962A KR101746628B1 (ko) | 2013-11-15 | 2013-11-15 | 전극의 노출이 억제된 전지셀 및 이의 제조방법 |
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-
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