KR101791432B1 - 집전체의 일부로 이루어진 전극단자를 포함하는 전극조립체 - Google Patents

집전체의 일부로 이루어진 전극단자를 포함하는 전극조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극용 집전체의 일면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극용 집전체의 일면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이, 분리막이 개재된 상태에서 서로 대면하도록 권취되어 있고; 전극활물질이 코팅되지 않은 양극용 집전체의 일부 및 음극용 집전체의 일부가 각각 분리막으로부터 외부로 연장되어 양극단자 및 음극단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체을 제공한다.

Description

집전체의 일부로 이루어진 전극단자를 포함하는 전극조립체 {Electrode Assembly Comprising Electrode Terminal Composed of Portion of Current Collector}
본 발명은 전극활물질이 코팅되지 않은 양극용 집전체의 일부 및 음극용 집전체의 일부가 각각 분리막으로부터 외부로 연장되어 양극단자 및 음극단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
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.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.
그 중에서 흔히 사용되는 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지에 사용되며, 경우에 따라서는, 이를 판상형으로 압축하여 각형 또는 파우치형 전지에 적용하기도 한다.
일반적으로 원통형 이차전지는, 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 금속 캔에 장착한 상태에서 전극조립체의 음극을 캔의 하단에 용접하고, 전극조립체와 전해질이 내장된 상태에서 전지를 밀폐시키기 위해 그것의 상단에 결합되는 탑 캡의 돌출단자에 전극조립체의 양극을 용접하여 제조된다.
이와 같이 원통형 캔의 개방 상단에 결합되는 탑 캡에는, 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 CID(Current Interruptive Device)와, 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element) 등이 장착되어 있다.
원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합은 일반적인 원통형 전지에 대한 부분 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있는 도 1에 잘 나타나 있다.
도 1에는 종래의 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(12)를 원통형 케이스(13)에 수납하고, 원통형 케이스(13) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(13)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(14)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(12)는 양극(12a)과 음극(12b), 및 이들 사이에 분리막(12c)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(15)이 삽입되어 있다. 센터 핀(15)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(15)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(100)는 양극(110), 음극(160), 및 양극(110)과 음극(160) 사이에 분리막(190)이 개재되어 적층된 후 화살표 방향으로 권취되는 구조이다.
전극조립체(100)의 양극(110)은 양극 집전체(111) 상에 양극 합제(112)가 도포되어 있지 않은 양극 무지부(121)를 포함하고 있고, 양극 무지부(121)에는 상향 돌출 형태로 양극 탭(131)이 부착되어 있다. 양극 무지부(121)는 전극조립체의 권취 개시부에 위치하고 있다.
한편, 전극조립체(100)의 음극(160)은 음극 집전체(161) 상에 음극 합제(162)가 도포되어 있지 않은 음극 무지부(172)를 포함하고 있고, 음극 무지부(172)에는 하향 돌출 형태로 음극 탭(182)이 부착되어 있다. 음극 무지부(172)는 전극조립체의 권취 종료부에 위치하고 있다.
이때, 양극 탭(131)과 음극 탭(182)은 일반적으로 대략 100 ㎛ 두께와 3 mm 내지 4 mm의 폭을 가지므로, 전극조립체의 권취시, 무지부상에 부착되는 탭들이 무지부에 대하여 단차를 형성하게 되어, 전극조립체의 권취가 종료시에, 젤리-롤의 형상이 비대칭이 되거나, 양극과 음극이 제대로 정렬되지 않는 문제점을 야기한다. 또한, 탭들이 수량과 폭이 한정되어 있어, 전지셀의 작동시, 탭 주변에 높은 저항이 발생하여, 고출력을 구현하는데 한계가 있다. 리튬 이차전지가 고용량화되어 에너지 밀도가 증가할수록, 이는 더욱 심각한 문제로 대두되고 있다.
따라서, 상기의 문제점을 극복할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 집전체의 일부가 분리막으로부터 외부로 연장되어 전극단자를 형성하는 전극조립체를 개발하게 되었고, 이러한 전극조립체를 사용하면 젤리-롤이 비대칭화되는 것을 방지하고, 고출력을 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 양극용 집전체의 일면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극용 집전체의 일면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이, 분리막이 개재된 상태에서 서로 대면하도록 권취되어 있고; 전극활물질이 코팅되지 않은 양극용 집전체의 일부 및 음극용 집전체의 일부가 각각 분리막으로부터 외부로 연장되어 양극단자 및 음극단자를 형성하는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극활물질이 코팅되지 않은 집전체의 일부가 각각 분리막으로부터 외부로 연장되어 있어서, 전극조립체의 권취가 종료되었을 때, 비대칭형의 젤리-롤이 형성되거나, 양극과 음극 제대로 정렬되지 않는 문제점을 최소화할 수 있다.
상기 전극조립체는 수직 단면상으로, 예를 들어, 원형 또는 타원형일 수 있다.
상기 양극단자 및 음극단자를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 하나의 구체적인 예에서, 양극단자 및 음극단자를 형성하는 양극용 집전체의 일부 및 음극용 집전체의 일부는 권취 이전에 집전체를 노칭(notching)하여 형성할 수 있다. 이 경우, 집전체의 무지부 상에 전극탭을 부착함으로써 생기는 단차가 형성되지 않고, 상기 양극단자 및 음극단자의 두께가 양극용 및 음극용 집전체의 두께와 각각 동일하게 형성될 수 있어, 전극조립체의 권취가 종료되었을 때, 비대칭형의 젤리-롤이 형성되거나, 양극과 음극 제대로 정렬되지 않는 문제점을 최소화할 수 있다. 더욱이, 별도로 탭을 제작하여 부착하는 과정을 생략할 수 있는 바, 제조 공정이 간소화될 수 있을 뿐만 아니라, 전극탭의 부착을 위해 필요한 무지부를 제거할 수 있으므로, 동일 크기에서 용량을 최대화할 수 있다.
상기 전극조립체를 포함하는 전지셀은, 그것의 제조 목적에 따라, 양극단자 및 음극단자의 두께을 양극용 및 음극용 집전체의 두께와 각각 다르게 할 수 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극단자를 형성하는 양극용 집전체의 일부는, 전극조립체의 권취 개시부에서, 양극의 길이 방향에 대해 수직으로 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있다. 이와 유사하게, 상기 음극단자를 형성하는 음극용 집전체의 일부는, 전극조립체의 권취 개시부에서, 음극의 길이 방향에 대해 수직으로 하향 돌출되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 상기 전극조립체의 귄취가 종료되었을 때, 상기 양극단자 및 음극단자는 전극조립체의 권취 외측 양단부 상에 각각 위치하는 구조가 만들어질 수 있다.
그러나, 전지케이스의 형상에 따라, 양극단자 및 음극단자가 동일한 방향으로 돌출될 수 있음은 물론이다.
앞에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체의 양극단자와 음극단자는 집전체 상에 단차를 형성하지 않으며, 전극 탭의 부착을 부착을 위해 전극활물질이 코팅되지 않은 무지부가 없으므로, 전극단자의 폭의 크기를 다양하게 형성할 수 있다.
이때, 상기 양극단자의 폭은, 전지셀의 출력과, 전지셀의 작동시 집전체의 양극단자의 돌출 시작부위에 전자의 흐름에 의해 발생하는 저항을 고려하여 결정될 수 있으며, 상세하게는, 상기 폭은 양극의 귄취 길이 대비 1% 내지 10%일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 그 폭이 1% 미만인 경우, 전지셀의 작동시 집전체에서 양극단자의 돌출 시작부위에 발생하는 과도한 전자의 흐름에 의해 높은 저항이 발생하여 폭발의 위험성이 있고, 10%를 초과하는 경우에는 전극조립체의 전체적인 부피가 증가하고, 전극단자의 연결이 용이하지 않아 바 바람직하지 않다. 마찬가지로, 상기 음극단자의 폭은 음극의 권취 길이 대비 1% 내지 10%일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 전극조립체의 전극단자의 폭은 종래 기술에 의한 전극단자의 폭보다 †œ게 형성될 수 있으므로, 고출력의 요하는 전지셀에 적용가능하다.
상기 양극단자의 돌출 길이는, 원통형 전지의 경우, 양극단자와 탑캡의 결합 용이성 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 상세하게는, 전극조립체의 높이 대비 10% 내지 30%일 수 있다.
상기 음극단자의 돌출 길이는, 원통형 전지의 경우, 음극단자와 케이스의 결합 용이성 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 상세하게는, 전극조립체의 높이 대비 10% 내지 30%일 수 있다.
한편, 상기 양극단자를 형성하는 양극용 집전체의 일부와 음극단자를 형성하는 음극용 집전체의 일부 중의 적어도 하나는, 권취된 전극조립체에서, 부분적으로 중첩되어 있는 구조일 수 있다.
상기 중첩된 부위의 크기는, 캡 어셈블리나 전지케이스 내면에 대한 용접성, 그 자체의 기계적 강성 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 상세하게는, 전극단자의 돌출 길이의 20% 내지 80%일 수 있다. 더 나아가, 상기 중첩된 부위의 크기는 전극단자의 폭의 20% 내지 100%일 수 있다.
본 발명에 따른 전극조립체는 권취 이전 상태에서 양극과 음극 사이에 위치하는 제 1 분리막과, 음극의 대향 외면에 위치하는 제 2 분리막을 포함하고, 권취 단부에 절연 테이프가 부착되어 있는 구조일 수 있다.
그 밖의 본 발명의 전지셀에 포함되는 기타 성분에 대해서는 이하에서 설명한다.
상기 양극은 양극용 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극용 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극용 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 = 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; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 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 상기 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극용 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극용 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (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 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 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.
상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 수용되는 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있는 리튬염 함유 비수 전해액일 수 있고, 이때, 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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 중합제 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, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 전해액을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 원통형 케이스이고, 양극단자는 원통형 케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에 직접 접속되어 있으며, 음극단자는 원통형 케이스의 내면에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 각형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 원통형 케이스의 개방 상단에 장착되는 탑 플레이트의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 전지케이스가 파우치형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 파우치형 케이스의 외부에 장착되는 보호회로 부재의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다. 특히, 상기 파우치형 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있고, 상세하게는 금속층이 Al인 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이러한 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장 장치(Energy Storage System)일 수 있다.
상기 디바이스의 제조방법은 당업계에 공지되어 있는 바, 본 명세서에서는 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 전극활물질이 코팅되지 않은 집전체의 일부가 각각 분리막으로부터 외부로 연장되어 전극단자를 형성하고 있어, 비대칭형의 젤리-롤이 형성되거나 양극과 음극 제대로 정렬되지 않는 문제점을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 전극단자의 폭의 크기를 넓게 형성하여 고출력 구현이 가능하며, 전극활물질이 코팅되지 않은 무지부가 제거될 수 있으므로, 제조 과정의 간소화와 고용량의 효과를 제공한다.
도 1에는 종래의 기술에 따른 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식도이다;
도 2는 종래의 기술에 따른 권취 이전의 전극조립체의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 권취 이전의 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 도 3의 전극조립체의, 권취 이후의, 전극조집체의 모식도이다.
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 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 권취 이전의 전극조립체의 모식도이고, 도 4는 도 3의 전극조립체의 권취 이후의 모식도이다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 전극조립체(200)은, 양극용 집전체(211)의 양면에 양극활물질 코팅부(212)를 포함하는 양극(210)과, 음극용 집전체(221)의 양면에 음극활물질 코팅부(222)를 포함하는 음극(220)을 포함하고 있다.
양극(210)과 음극(220)은 분리막(230)이 개재된 상태에서 서로 대면하도록 권취되어 있고, 전극활물질이 코팅되지 않은 양극용 집전체(211)의 일부 및 음극용 집전체(221)의 일부가 각각 분리막(230)으로부터 외부로 연장되어 양극단자(213) 및 음극단자(223)를 형성하고 있다. 이때, 전극조립체(200)는 수직 단면상으로 원형 또는 타원형이다.
양극단자(213) 및 음극단자(223)를 형성하는 양극용 집전체(211)의 일부 및 음극용 집전체(221)의 일부는 권취 이전에 집전체(211, 221)를 노칭(notching)하여 형성될 수 있다. 따라서, 양극단자(213) 및 음극단자(223)의 두께는 양극용 및 음극용 집전체(211, 221)의 두께와 각각 동일하다.
양극단자(213)의 폭(w1)은 양극(210)의 권취 길이(L1) 대비 1% 내지 10% 이고, 음극단자(223)의 폭(w2)은 음극(220)의 권취 길이(L2) 대비 1% 내지 10% 이다. 양극단자(213)의 돌출 길이(p1)는 전극조립체의 높이(H) 대비 10% 내지 30% 이고, 음극단자(223)의 돌출 길이(p2)는 전극조립체의 높이(H) 대비 10% 내지 30% 이다.
한편, 양극단자(213)를 형성하는 양극용 집전체(211)의 일부는, 전극조립체(200)의 권취 개시부에서, 양극(210)의 길이 방향에 대해 수직으로 상향 돌출되어 있고, 음극단자(223)를 형성하는 음극용 집전체(221)의 일부는, 전극조립체(200)의 권취 개시부에서, 음극(220)의 길이 방향에 대해 수직으로 하향 돌출되어 있다. 따라서, 양극단자(213) 및 음극단자(223)는, 권취 후에, 전극조립체(200)의 권취 외측 양단부 상에 각각 위치한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 권취된 전극조립체에서, 양극단자(213)를 형성하는 양극용 집전체(211)의 일부는 부분적으로 중첩되게 된다. 설명 및 이해의 편의를 위하여, 도 4에는 중첩될 부위가 표현되어 있다.
도 4를 참조하면, 중첩 예정 부위의 크기(I, II)는 양극단자(213)의 돌출 길이(p1)의 20% 내지 80% 이고, 양극단자(213)의 폭(w1)의 20% 내지 100% 이다. 마찬가지로, 음극단자(223)를 형성하는 음극용 집전체(221)의 일부도 부분적으로 중첩되게 된다. 중첩 예정 부위의 크기(도시하지 않음)는 음극단자(223)의 돌출 길이(p2)의 20% 내지 80% 이고, 음극단자(223)의 폭(w2)의 20% 내지 100% 이다.
예를 들어, 상기 중첩 예정 부위들은 해당 부위에서 집전체들이 상호 밀착되도록 절곡되어, 그 자체의 기계적 강성과 전지셀 내의 타 부위에 대한 용접성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 양극용 집전체의 일면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극용 집전체의 일면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이, 분리막이 개재된 상태에서 서로 대면하도록 권취되어 있고;
    전극활물질이 코팅되지 않은 양극용 집전체의 일부 및 음극용 집전체의 일부가 각각 분리막으로부터 외부로 연장되어 양극단자 및 음극단자를 형성하고 있으며,
    상기 양극단자를 형성하는 양극용 집전체의 일부와 음극단자를 형성하는 음극용 집전체의 일부는 각각, 권취된 전극조립체에서, 부분적으로 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 수직 단면상으로 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자 및 음극단자를 형성하는 양극용 집전체의 일부 및 음극용 집전체의 일부는 권취 이전에 집전체를 노칭(notching)하여 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자를 형성하는 양극용 집전체의 일부 는, 전극조립체의 권취 개시부에서, 양극의 길이 방향에 대해 수직으로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 음극단자를 형성하는 음극용 집전체의 일부 는, 전극조립체의 권취 개시부에서, 음극의 길이 방향에 대해 수직으로 하향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자 및 음극단자는 전극조립체의 권취 외측 양단부 상에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자 및 음극단자의 두께는 양극용 및 음극용 집전체의 두께와 각각 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자의 폭은 양극의 권취 길이 대비 1% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 음극단자의 폭은 음극의 권취 길이 대비 1% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자의 돌출 길이는 전극조립체의 높이 대비 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 음극단자의 돌출 길이는 전극조립체의 높이 대비 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 중첩된 부위의 크기는 전극단자의 돌출 길이의 20% 내지 80%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 중첩된 부위의 크기는 전극단자의 폭의 20% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취 이전 상태에서 양극과 음극 사이에 위치하는 제 1 분리막과, 음극의 대향 외면에 위치하는 제 2 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취 단부에 절연 테이프가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항 내지 제 11 항, 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 케이스이고, 양극단자는 원통형 케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에 직접 접속되어 있으며, 음극단자는 원통형 케이스의 내면에 직접 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 전지케이스는 각형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 원통형 케이스의 개방 상단에 장착되는 탑 플레이트의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 전지케이스는 파우치형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 파우치형 케이스의 외부에 장착되는 보호회로 부재의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 17 항에 따른 전지셀을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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