KR101810281B1 - 2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각형 캔부재의 두께를 혁신적으로 개선할 수 있는 2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 내부에 상측이 개구되는 수용공간이 마련되는 캔부재, 상기 수용공간 내부에 수용되는 전극 조립체, 상기 전극 조립체의 상측에 마련되는 파우치부재 및 상기 캔부재의 상부에 상기 수용공간 측으로 돌출되는 비드부를 포함하여, 상기 파우치부재가 상기 비드부에 걸려 상기 전극 조립체가 상기 수용공간에 밀봉되는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법 {SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING PROCESS FOR THE SAME}

본 발명은 2차 전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 각형 캔부재의 두께를 혁신적으로 개선할 수 있는 2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(cell, battery)는 각종 전기전자 기기로 둘러싸여 있는 생활환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못할 경우나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학전지인 일차전지와 이차전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 또한, 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.

한편, 전지의 외형을 이루며 케이스로 사용되는 전지용 캔(can)은 평판 형태의 강판을 딥 드로잉(deep drawing) 가공하여 이루어지는 것으로, 이와 같은 전지용 캔은 컵(cup) 형상으로 성형되는 것이 일반적이다.

이와 같은 전지용 캔의 제조와 관련한 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0855182호 "용접에 의해 탑 캡이 결합된 원통형 전지"가 안출되어 있다.

여기서, 상기 등록번호 제10-0855182호 "용접에 의해 탑 캡이 결합된 원통형 전지"는 캔의 상단에 탑 캡을 용접에 의해 결합하는 방법을 개시하고 있다.

이와 같이 종래의 와인딩(winding) 방식 전지는 일반적으로 캔에 탑 캡을 용접하여 밀봉하는 방법을 사용한다.

그런데 자동차 전지로 사용되는 각형 구조의 전지는 와인딩 방식 전극 조립체를 갖는 전지를 적용할 시 캔에 탑 캡을 용접하면서 캔이 트위스트(twist)하는 것을 방지하기 위해 캔의 두께를 0.6mm 이상으로 유지하여야 한다.

하지만 캔의 크기에 제한이 있는 전지로서는 캔의 두께가 두꺼울 시 내부에 장착되는 전극 조립체의 용량이 줄어들게 되어 캔의 두께를 최소화하기 위해 추가 공정이 필요하다.

따라서 각형의 자동차 전지에 적합한 전지 및 그 전지의 제작 방법의 개발이 필요하다.

따라서 본 발명은 위와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전극 조립체를 고용량화, 고밀도화하면서 각형 캔구조의 두께를 혁신적으로 개선할 수 있는 2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 2차 전지는 내부에 상측이 개구되는 수용공간이 마련되는 캔부재, 상기 수용공간 내부에 수용되는 전극 조립체, 상기 전극 조립체의 상측에 마련되는 파우치부재 및 상기 캔부재의 상부에 상기 수용공간 측으로 돌출되는 비드부를 포함하여, 상기 파우치부재가 상기 비드부에 걸려 상기 전극 조립체가 상기 수용공간에 밀봉되는 것을 특징으로 한다.

상기 캔부재는 각형인 것을 특징으로 한다.

상기 캔부재의 두께는 0.1mm ~ 0.2mm로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 비드부는 상기 캔부재의 상부 둘레를 따라 상기 수용공간 측으로 함몰되는 것을 특징으로 한다.

상기 비드부는 상기 캔부재의 상부 둘레를 따라 상기 수용공간 측으로 돌출되는 복수의 돌기인 것을 특징으로 한다.

상기 비드부는 상기 캔부재의 상부 둘레 일부에 상기 수용공간 측으로 돌출되는 것을 특징으로 한다.

상기 파우치부재의 형상은 상기 수용공간의 개구 형상과 일치하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극조립체로부터 상기 파우치부재로 연결되는 리드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극조립체와 상기 파우치부재는 상호 거리를 가지며, 상기 전극조립체와 상기 파우치부재의 사이의 상기 리드부는 상기 전극조립체의 단면을 따라 절곡되어 끝단이 상기 파우치부재에 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기 파우치부재의 상측에 돌출되는 전극봉을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극 조립체는 (a) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조를 가지거나, 또는 (b) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라 배치된 구조를 가지는 단위체 스택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극 조립체는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체는 인접한 기본 단위체와 결합되지 않거나, 또는 상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 분리막이 서로 결합된 결합력과 다른 결합력으로 인접한 기본 단위체와 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가지는 제1 기본 단위체를 포함하며, 상기 단위체 스택부는 상기 제1 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극 및 제1 분리막이 차례로 배치되어 일체로 결합된 제2 기본 단위체와 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 배치되어 일체로 결합된 제3 기본 단위체를 포함하며, 상기 단위체 스택부는 상기 제2 기본 단위체와 상기 제3 기본 단위체가 교호적으로 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 크기를 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉘며, 상기 단위체 스택부(100c)는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 크기에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 기하학적 형상을 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉘며, 상기 단위체 스택부는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 기하학적 형상에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 각각의 기본 단위체 내에서 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 상기 인접한 분리막을 바라보는 면에서 전체적으로 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극과 상기 분리막간의 접착은, 상기 전극과 상기 인접한 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 인접한 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 한다.

상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 인접한 분리막간의 접착력은 상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 분리막은 다공성의 분리막 기재, 및 상기 분리막 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 무기물 입자들과 상기 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성되며. 상기 전극은 상기 코팅층에 의해 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 한다.

상기 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 상기 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성하고, 상기 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 상기 코팅층에 기공 구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 말단 전극이 양극일 때 상기 제1 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고, 상기 말단 전극이 음극일 때 상기 제1 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막 및 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 보조 단위체의 양극은 집전체 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막에 접한 전극이 양극일 때 상기 제2 보조 단위체는 상기 말단 분리막으로부터 차례로 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고, 상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막에 접한 전극이 음극일 때 상기 제2 보조 단위체는 양극으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 보조 단위체의 양극은 집전체 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 말단 전극이 양극일 때 상기 제1 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막 및 음극이 적층되어 형성되고, 상기 말단 전극이 음극일 때 상기 제1 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 보조 단위체는 상기 음극의 외측에 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막에 접한 전극이 양극일 때 상기 제2 보조 단위체는 음극으로 형성되고, 상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막에 접한 전극이 음극일 때 상기 제2 보조 단위체는 상기 말단 분리막으로부터 차례로 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 보조 단위체는 상기 음극의 외측에 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막에 접한 전극이 음극일 때 상기 제2 보조 단위체는 상기 말단 분리막으로부터 차례로 제1 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 제2 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 보조 단위체의 제2 양극은, 집전체 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막에 접한 전극이 양극일 때 상기 제2 보조 단위체는 상기 말단 분리막으로부터 차례로 제1 음극, 분리막, 양극, 분리막 및 제2 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 2차 전지의 제작 방법은, 파우치부재가 상측에 마련된 전극 조립체를 캔부재의 상측이 개구된 내부 수용공간에 수용하는 단계 및 상기 수용공간에 수용된 상기 전극 조립체의 파우치부재와 밀봉 결합하도록 상기 수용공간에 상기 전극 조립체가 수용된 상태에서 상기 캔부재의 상부 둘레를 압박하여 비드부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 캔부재의 상부 둘레를 프레스 가공하여 상기 비드부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 캔부재의 상부 둘레를 따라 연속되게 압박하여 상기 비드부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 캔부재의 상부 둘레를 일부 압박하여 상기 비드부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 캔부재의 상부 둘레를 일정 간격으로 압박하여 상기 비드부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스태킹형 구조의 전극 조립체를 적용하여 각형 캔부재에서 고용량화 및 고밀도화 기술과 두께 억제 효과를 구현할 수 있게 한다.

본 발명에 따르면, 캔부재와 전극 조립체가 캔부재에 형성되는 비드부에 의해 밀봉되게 하여 캔부재의 두께를 극소화하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 도시하고 있는 사시도,
도 2는 도 1에서 캡부재만을 도시하고 있는 사시도,
도 3은 도 2의 평면도,
도 4는 도 1에서 전극 조립체만을 도시하고 있는 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡부재만을 도시하고 있는 사시도
도 6은 도 5의 평면도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡부재만을 도시하고 있는 사시도
도 8은 도 7의 평면도,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡부재만을 도시하고 있는 사시도
도 10은 도 도 9의 평면도,
도 11은 본 발명에 따른 기본 단위체의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 12는 본 발명에 따른 기본 단위체의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 13은 도 11의 기본 단위체의 적층으로 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 측면도,
도 14는 본 발명에 따른 기본 단위체의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 15는 본 발명에 따른 기본 단위체의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 16은 도 14의 기본 단위체와 도 15의 기본 단위체의 적층으로 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 측면도,
도 17은 본 발명에 따른 기본 단위체를 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도,
도 18은 다른 크기를 가지는 기본 단위체가 적층되어 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 사시도,
도 19는 도 18의 단위체 스택부를 도시하고 있는 측면도,
도 20은 다른 기하학적 형상을 가지는 기본 단위체가 적층되어 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 사시도,
도 21은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 22는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 23은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 24는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 25는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제5 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 26은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제6 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 27은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제7 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 28은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제8 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 29는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제9 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 30은 본 발명에 따른 기본 단위체, 제1 보조 단위체 및 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제10 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 31은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제11 구조를 도시하고 있는 측면도,
도 32는 본 발명에 따른 2차 전지의 제작 방법을 순차적을 도시한 흐름도이다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 도시하고 있는 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지는 내부에 상측이 개구되는 수용공간(11, 도 3 참조)이 마련되는 캔부재(10), 상기 수용공간(11) 내부에 수용되는 전극 조립체(20, 도 4 참조), 상기 전극 조립체(20)의 상측에 마련되는 파우치부재(21) 및 상기 캔부재(10)의 상부에 상기 수용공간(11) 측으로 돌출되는 비드부(13)를 포함한다.

도 2는 도 1에서 캡부재만을 도시하고 있는 사시도이고, 도 3은 도 2의 평면도이다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 캔부재(10)는 장방형과 같은 각형의 통체로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 캔부재(10)는 기존의 0.6mm 이상의 두께를 갖는 캔부재와는 다르게 두께가 0.1mm ~ 0.2mm로 이루어짐에 따라 상기 수용공간(11)이 고용량의 상기 전극 조립체(20)를 수용하기 충분한 공간을 확보하면서도 상기 캔부재(10)의 전장의 길이는 최소화할 수 있게 하는 것이다.

이와 같이 상기 캔부재(10)의 전장의 길이를 최소화함에 따라 본 발명의 2차 전지가 설치되는 자동차 등의 설계를 유리하게 할 수 있다.

여기서 본 발명의 캔부재(10)가 기존의 캔부재와는 다르게 두께를 얇게 형성할 수 있는 이유는 상기 비드부(13)가 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 따라 상기 수용공간(11) 측으로 함몰되게 형성되기 때문이다.

즉, 기존의 캔부재는 전극 조립체를 캔부재에 용접하여 결합하는 방식을 사용하여 캔부재가 0.6mm 이상을 이루어야 했지만 본 별명의 캔부재(10)는 상기 전극 조립체(20)가 상기 수용공간(11)에 수용된 상태에서 상기 비드부(13)가 상기 전극 조립체(20)를 밀봉하게 하여 용접이 필요 없게 함에 따라 상기 캔부재(10)의 두께를 0.1mm ~ 0.2mm로 형성할 수 있게 하는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 캔부재(10)의 비드부(13)는 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 따라 이어지게 형성되어 상기 전극 조립체(20)의 밀봉력을 극대화할 수 있다.

도 4는 도 1에서 전극 조립체만을 도시하고 있는 사시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 파우치부재(21)는 장방형의 판체를 형성할 수 있는데, 바람직하게는 상기 파우치부재(21)의 형상이 상기 캔부재(10)의 개구의 형상과 일치하게 형성되어 상기 파우치부재(21)가 상기 캔부재(10)의 개구에 삽입될 시 상기 파우치부재(21)에 의해 상기 캔부재(10)의 개구가 폐쇄되게 하는 것이 좋다.

한편, 상기 파우치부재(21)의 상면 양측에는 전극봉(25)이 돌출되어 외부의 단자 등과 연결될 수 있게 한다.

그리고 상기 파우치부재(21)는 리드부(23)에 의해 상기 전극조립체(20)와 연결된다.

상기 리드부(23)는 상기 전극조립체(20)의 일측면의 양단측에 각각 부착되어 상기 전극조립체(20)의 하측에서 상측으로 연장되게 형성되며, 상단이 상기 파우치부재(21)의 저면에 부착된다. 즉, 상기 전극조립체(20)와 상기 파우치부재(21)의 사이에서 상기 리드부(23)는 도 4 에 도시된 바와 같이 상기 전극조립체(20)의 상단 모서리에서 상기 전극조립체(20)의 상면에 평행하게 절곡되고 수직 윗쪽으로 한번 더 절곡된 모양을 갖는다.

여기서 상기 전극조립체(20)와 상기 파우치부재(21)는 상호 일정거리를 형성하는데, 상기 전극조립체(20)와 상기 파우치부재(21)와의 사이의 상기 리드부(23)는 상기 전극조립체(20)의 상단을 따라 절곡되다가 다시 상측으로 절곡되며 상기 파우치부재(21)의 저면에 부착되게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡부재만을 도시하고 있는 사시도이고, 도 6은 도 5의 평면도 이다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡부재(10)는 비드부(13)가 상기 캡부재(10)의 상부 양단에 각각 함몰되어 수용공간(11)의 내측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡부재(10)의 비드부(13)는 제작이 쉽다는 장점이 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡부재만을 도시하고 있는 사시도이고, 도 8은 도 7의 평면도이다.

도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡부재(10)는 비드부(13)가 상기 캡부재(10)의 상부 양측면에 각각 함몰되어 수용공간(11)의 내측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡부재(10)의 비드부(13)는 설계가 자유롭다는 장점이 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡부재만을 도시하고 있는 사시도이고, 도 10은 도 도 9의 평면도이다.

도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡부재(10)는 비드부(130)가 상기 캡부재(10)의 상부 둘레를 따라 일정 간격으로 함몰되어 수용공간(11)의 내측으로 돌출되는 돌기일 수 있다.

이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡부재(10)의 비드부(13)는 설계가 자유롭다는 장점이 있다.

본 발명의 전극 조립체(20)는 전극과 분리막이 교대로 배치되는 구조의 스태킹형을 적용하여 각형 캔부재에서 고용량화 및 고밀도화 기술과 두께 억제 효과를 구현할 수 있게 한다

이러한 상기 전극 조립체(20)에 대해 도 11 내지 도 31을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 전극 조립체(20)는 단위체 스택부를 포함하며, 단위체 스택부는 1종의 기본 단위체가 반복적으로 적층된 구조를 가지거나, 또는 2종 이상의 기본 단위체가 교호적으로 적층된 구조를 가진다. 이에 이하에서 우선 기본 단위체에 대해 살펴본다.

[기본 단위체의 구조]

본 발명에 따른 전극 조립체에서 기본 단위체는 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성된다. 이때 전극과 분리막은 같은 수만큼 적층된다. 예를 들어, 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 단위체(110a)는 2개의 전극(111, 113)과 2개의 분리막(112, 114)이 적층되어 형성될 수 있다. (이때 양극과 음극은 당연히 분리막을 통해 서로 마주 본다.) 기본 단위체가 이와 같이 형성되면, 기본 단위체의 일측 말단에 전극(도 11과 12에서 도면부호 111의 전극 참조)이 위치하게 되고, 기본 단위체의 타측 말단에 분리막(도 11과 12에서 도면부호 114의 분리막 참조)이 위치하게 된다.

본 발명에 따른 전극 조립체는 기본 단위체의 적층만으로 단위체 스택부(전극 조립체)를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 즉, 본 발명은 1종의 기본 단위체를 반복적으로 적층하여, 또는 2종 이상의 기본 단위체를 교호적으로 적층하여 단위체 스택부를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 특징을 구현하기 위해 기본 단위체는 이하와 같은 구조를 가질 수 있다.

첫째로, 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 기본 단위체(110a, 110b)는 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성되거나, 또는 도 12에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 하측에서 상측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. (이와 같은 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제1 기본 단위체라 한다.) 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 양극이면 제2 전극(113)은 음극이다.

이와 같이 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 기본 단위체가 형성되면, 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이 1종의 기본 단위체(110a)를 반복적으로 적층하는 것만으로도 단위체 스택부(100a)를 형성할 수 있다. 여기서 기본 단위체는 이와 같은 4층 구조 이외에도 8층 구조나 12층 구조를 가질 수 있다. 즉, 기본 단위체는 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 형성될 수도 있다.

둘째로, 기본 단위체는, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극 및 제1 분리막이 차례로 적층되어 형성되거나, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. (전자의 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제2-1 기본 단위체라 하고, 후자의 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제2-2 기본 단위체라 한다.)

보다 구체적으로 제2-1 기본 단위체(110c)는 도 14에 도시되어 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111) 및 제1 분리막(112)이 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 제2-2 기본 단위체(110d)는 도 15에 도시되어 있는 것과 같이 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. (이와 반대로 하측에서 상측으로 차례로 적층되어 형성될 수도 있다.)

제2-1 기본 단위체(110c)와 제2-2 기본 단위체(110d)를 하나씩만 적층하면 4층 구조(제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층된 구조)가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다. 따라서 제2-1 기본 단위체(110c)와 제2-2 기본 단위체(110d)를 하나씩 교대로 적층하면, 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이 기본 단위체의 적층만으로도 단위체 스택부(100b)를 형성할 수 있다.

이와 같이 본 발명에서 기본 단위체를 1종당 1개씩 적층하면 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나 이의 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다. 예를 들어, 제1 기본 단위체는 1종당 1개씩 총 1개를 적층하면 4층 구조가 형성되고, 제2-1 기본 단위체와 제2-2 기본 단위체는 1종당 1개씩 총 2개를 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 12층 구조가 형성된다.

따라서 본 발명에서 1종의 기본 단위체를 반복적으로 적층하거나, 2종 이상의 기본 단위체를 교호적으로 적층하면, 단지 적층만으로도 단위체 스택부(즉, 전극 조립체)를 형성할 수 있다.

본 발명에서 단위체 스택부는 기본 단위체가 기본 단위체 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 먼저 기본 단위체를 제작한 다음에 이를 반복적으로 또는 교호적으로 적층하여 단위체 스택부를 제작한다. 이와 같이 본 발명은 기본 단위체의 적층만으로 단위체 스택부를 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 기본 단위체를 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다. (기본 단위체가 정밀하게 정렬되면 전극과 분리막도 단위체 스택부에서 정밀하게 정렬될 수 있다.) 또한 본 발명은 단위체 스택부(전극 조립체)의 생산성을 매우 향상시킬 수 있다. 공정이 매우 단순해지기 때문이다.

[기본 단위체의 제조]

도 17을 참조하여 대표적으로 제1 기본 단위체를 제조하는 공정에 대해 살펴본다. 먼저 제1 전극 재료(121), 제1 분리막 재료(122), 제2 전극 재료(123) 및 제2 분리막 재료(124)를 준비한다. 여기서 제1 분리막 재료(122)와 제2 분리막 재료(124)는 서로 동일한 재료일 수 있다. 그런 다음 제1 전극 재료(121)를 커터(C₁)를 통해 소정 크기로 절단하고, 제2 전극 재료(123)도 커터(C₂)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 제1 전극 재료(121)를 제1 분리막 재료(122)에 적층하고, 제2 전극 재료(123)를 제2 분리막 재료(124)에 적층한다.

그런 다음 라미네이터(L₁, L₂)에서 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착시키는 것이 바람직하다. 라미네이터(L₁, L₂)는 접착을 위해 재료에 압력을 가하거나 압력과 열을 가한다. 이와 같은 접착은 단위체 스택부를 제조할 때 기본 단위체의 적층을 보다 용이하게 한다. 또한 이와 같은 접착은 기본 단위체의 정렬에도 유리하다. 이와 같은 접착 후에 제1 분리막 재료(122)와 제2 분리막 재료(124)를 커터(C₃)를 통해 소정 크기로 절단하면, 기본 단위체(110a)가 제조될 수 있다.

이와 같이 기본 단위체에서 전극은 분리막에 접착될 수 있다. (또는 분리막이 전극에 접착된다고 볼 수도 있다.) 이때 전극은 분리막을 바라보는 면에서 전체적으로 분리막에 접착되는 것이 바람직하다. 이와 같으면 전극이 안정적으로 분리막에 고정될 수 있기 때문이다. (통상적으로 전극은 분리막보다 작다.)

이를 위해 접착제를 분리막에 도포할 수 있다. 그러나 이와 같이 접착제를 이용하려면 접착제를 접착면에 걸쳐 매시(mesh) 형태나 도트(dot) 형태로 도포할 필요가 있다. 접착제를 접착면의 전체에 빈틈없이 도포한다면, 리튬 이온과 같은 반응 이온이 분리막을 통과할 수 없기 때문이다. 따라서 접착제를 이용하면, 전극을 전체적으로 (즉, 접착면의 전체에 걸쳐서) 분리막에 접착시킬 수는 있다 하더라도 전체적으로 빈틈없이 접착시키기는 어렵다.

또는 접착력을 가지는 코팅층을 구비하는 분리막을 통해 전체적으로 전극을 분리막에 접착시킬 수 있다. 보다 상술한다. 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재와 같은 다공성의 분리막 기재, 및 분리막 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함할 수 있다. 이때 코팅층은 무기물 입자들과 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성될 수 있다.

여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 또한 바인더 고분자는 전극을 분리막에 접착시킬 수 있다. 바인더 고분자는 코팅층에 전체적으로 분포하므로, 전술한 접착제와 다르게 접착면의 전체에서 빈틈없이 접착이 일어날 수 있다. 따라서 이와 같은 분리막을 이용하면 전극을 보다 안정적으로 분리막에 고정 시킬 수 있다. (이와 같은 접착을 강화하기 위해 전술한 라미네이터를 이용할 수 있다.)

그런데 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성할 수 있다. 이때 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 코팅층에는 기공 구조가 형성될 수 있다. 이러한 기공 구조로 인해 분리막에 코팅층이 형성되어 있더라도 리튬 이온이 분리막을 양호하게 통과할 수 있다. 참고로 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨은 위치에 따라 바인더 고분자에 의해 막혀 있을 수도 있다.

여기서 충전 구조는 유리병에 자갈이 담겨 있는 것과 같은 구조로 설명될 수 있다. 따라서 무기물 입자들이 충전 구조를 이루면, 코팅층에서 국부적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨이 형성되는 것이 아니라, 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨이 형성된다. (이에 따라 무기물 입자의 크기가 증가하면 인터스티셜 볼륨에 의한 기공의 크기도 함께 증가한다.) 이와 같은 충전 구조로 인해 분리막의 전체면에서 리튬 이온이 원활하게 분리막을 통과할 수 있다.

한편, 단위체 스택부에서 기본 단위체도 기본 단위체끼리 서로 접착될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 제2 분리막(114)의 하면에 접착제가 도포된다거나 전술한 코팅층이 코팅된다면, 제2 분리막(114)의 하면에 다른 기본 단위체가 접착될 수 있다.

이때 기본 단위체에서 전극과 분리막간의 접착력은 단위체 스택부에서 기본 단위체간의 접착력보다 클 수 있다. (물론 기본 단위체간의 접착력은 없을 수도 있다.) 이와 같으면 전극 조립체(단위체 스택부)를 분리할 때 접착력의 차이로 인해 기본 단위체 단위로 분리될 가능성이 높다. 참고로, 접착력은 박리력으로 표현할 수도 있다. 예를 들어, 전극과 분리막간의 접착력은 전극과 분리막을 서로 떼어낼 때 필요한 힘으로 표현할 수도 있다.

참고로, 분리막이 전술한 코팅층을 포함할 경우 분리막에 대한 초음파 융착은 바람직하지 않다. 분리막은 통상적으로 전극보다 크다. 이에 따라 제1 분리막(112)의 말단과 제2 분리막(114)의 말단을 초음파 융착으로 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 초음파 융착은 혼으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 혼으로 분리막의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅층으로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다.

[기본 단위체의 변형]

지금까지 서로 같은 크기를 가지는 기본 단위체만을 설명했다. 그러나 기본 단위체는 서로 다른 크기를 가질 수도 있다. 서로 다른 크기를 가지는 기본 단위체를 적층하면 단위체 스택부를 다양한 형상으로 제조할 수 있다. 여기서 기본 단위체의 크기는 분리막의 크기를 기준으로 설명한다. 통상적으로 분리막이 전극보다 크기 때문이다.

도 18과 도 19를 참조하여 보다 상술하면, 기본 단위체는 복수 개의 서브 단위체(1101a, 1102a, 1103a)를 포함할 수 있다. 이와 같은 서브 단위체의 적층으로 단위체 스택부(100c)가 형성될 수 있다. 이때 서브 단위체들은 서로 다른 크기의 적어도 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 그리고 서브 단위체들은 서로 같은 크기의 서브 단위체끼리 적층되어 복수 단을 형성할 수 있다. 도 8과 도 9는 3개의 그룹으로 나뉘는 서브 단위체들(1101a, 1102a, 1103a)이 서로 같은 크기의 서브 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성한 예를 도시하고 있다. 참고로, 한 개의 그룹에 속하는 서브 단위체들이 2개 이상의 단을 형성해도 무방하다.

그런데 이처럼 복수 단을 형성하는 경우, 기본 단위체(서브 단위체)는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 기본 단위체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 서브 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 크기가 다르더라도 1종의 기본 단위체에 속하는 것으로 본다.)

이에 대해 상술하면, 1개의 단에서 양극과 음극은 서로 같은 수만큼 적층되는 것이 바람직하다. 그리고 단과 단의 사이에서 서로 반대되는 전극이 분리막을 통해 서로 대향하는 것이 바람직하다. 그런데 예를 들어 제2 기본 단위체(제2-1과 제2-2 포함)의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 기본 단위체가 필요하게 된다.

그러나 도 19에 도시되어 있는 것과 같이 제1 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 기본 단위체(서브 단위체)만 필요하게 된다. 따라서 기본 단위체(서브 단위체)가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성하더라도 기본 단위체(서브 단위체)의 가짓수를 줄일 수 있다.

또한 예를 들어 제2 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 기본 단위체를 적어도 1개씩 적층할 필요가 있으므로, 1개의 단은 최소 12층의 구조를 가지게 된다. 그러나 제1 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 기본 단위체(서브 단위체)만 적층하면 되므로, 1개의 단은 최소 4층의 구조를 가지게 된다. 따라서 기본 단위체(서브 단위체)가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성할 때 각 단의 두께를 매우 용이하게 조절할 수 있다.

한편, 기본 단위체(서브 단위체)는 서로 다른 크기를 가질 수도 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 20에서 도시하고 있는 것과 같이, 서브 단위체들은 크기뿐만 아니라, 모서리 형상에 있어 차이가 있을 수 있고, 천공 유무에 있어 차이가 있을 수 있다. 보다 구체적으로 도 20에서 도시하고 있는 것과 같이, 3개의 그룹으로 나뉘는 서브 단위체들이 서로 같은 기하학적 형상의 서브 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성할 수도 있다. 이를 위해 기본 단위체는 적어도 2개의 그룹(각 그룹은 서로 다른 기하학적 형상을 가짐)으로 나뉘는 서브 단위체들을 포함할 수 있다. 이때도 동일하게 기본 단위체(서브 단위체)는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 기본 단위체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 서브 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 기하학적 형상이 다르더라도 1종의 기본 단위체에 속하는 것으로 본다.)

[보조 단위체]

단위체 스택부는 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체 중의 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 먼저 제1 보조 단위체에 대해 살펴본다. 본 발명에서 기본 단위체는 일측 말단에 전극이 위치하고 타측 말단에 분리막이 위치한다. 따라서 기본 단위체를 순차적으로 적층하면, 단위체 스택부의 가장 위쪽이나 가장 아래쪽에 전극(도 21에서 도면부호 116의 전극 참조, 이하 '말단 전극'이라 한다)이 위치하게 된다. 제1 보조 단위체는 이와 같은 말단 전극에 추가적으로 적층된다.

보다 구체적으로 말단 전극(116)이 양극이면, 제1 보조 단위체(130a)는 도 21에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 전극(116)으로부터 차례로, 즉 말단 전극(116)으로부터 외측으로 분리막(114), 음극(113), 분리막(112) 및 양극(111)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 말단 전극(116)이 음극이면, 제1 보조 단위체(130b)는 도 22에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 전극(116)으로부터 차례로, 즉 말단 전극(116)으로부터 외측으로 분리막(114) 및 양극(113)이 순차적으로 적층 되어 형성될 수 있다.

단위체 스택부(100d, 100e)는 도 21과 도 22에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 보조 단위체(130a, 130b)를 통해 말단 전극 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다. 이때 가장 외측에 위치하는 양극, 즉 제1 보조 단위체의 양극은 집전체의 양면 중에 기본 단위체를 바라보는 일면(도 21을 기준으로 아래쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅되는 것이 바람직하다. 이와 같이 활물질층이 코팅되면, 말단 전극 측의 가장 외측에 활물질층이 위치하지 않게 되므로, 활물질층이 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 참고로, 양극은 (예를 들어) 리튬 이온을 방출하는 구성이므로 가장 외측에 양극을 위치시키면 전지 용량에 있어 유리하다.

다음으로 제2 보조 단위체에 대해 살펴본다. 제2 보조 단위체는 기본적으로 제1 보조 단위체와 동일한 역할을 수행한다. 보다 상술한다. 본 발명에서 기본 단위체는 일측 말단에 전극이 위치하고 타측 말단에 분리막이 위치한다. 따라서 기본 단위체를 순차적으로 적층하면, 단위체 스택부의 가장 위쪽이나 가장 아래쪽에 분리막(도 23에서 도면부호 117의 분리막 참조, 이하 '말단 분리막'이라 한다)이 위치하게 된다. 제2 보조 단위체는 이와 같은 말단 분리막에 추가적으로 적층된다.

보다 구체적으로 기본 단위체에서 말단 분리막(117)에 접한 전극(113)이 양극이면, 제2 보조 단위체(140a)는 도 23에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 분리막(117)으로부터 차례로 음극(111), 분리막(112) 및 양극(113)이 적층되어 형성될 수 있다. 또한 기본 단위체에서 말단 분리막(117)에 접한 전극(113)이 음극이면, 제2 보조 단위체(140b)는 도 24에서 도시하고 있는 것과 같이 양극(111)으로 형성될 수 있다.

단위체 스택부(100f, 100g)는 도 23과 도 24에 도시되어 있는 것과 같이, 제2 보조 단위체(140a, 140b)를 통해 말단 분리막 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다. 이때 가장 외측에 위치하는 양극, 즉 제2 보조 단위체의 양극도 제1 보조 단위체의 양극과 동일하게, 집전체의 양면 중에 기본 단위체를 바라보는 일면(도 13을 기준으로 위쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅되는 것이 바람직하다.

그런데 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체는 전술한 구조와 다른 구조를 가질 수도 있다. 먼저 제1 보조 단위체에 대해 살펴본다. 도 25에서 도시하고 있는 것과 같이 말단 전극(116)이 양극이면, 제1 보조 단위체(130c)는 분리막(114) 및 음극(113)이 말단 전극(116)으로부터 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 도 26에 도시되어 있는 것과 같이 말단 전극(116)이 음극이면, 제1 보조 단위체(130d)는 분리막(114), 양극(113), 분리막(112) 및 음극(111)이 말단 전극(116)으로부터 차례로 적층되어 형성될 수 있다.

단위체 스택부(100h, 100i)는 도 25와 도 26에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 보조 단위체(130c, 130d)를 통해 말단 전극 측의 가장 외측에 음극을 위치시킬 수 있다.

다음으로 제2 보조 단위체에 대해 살펴본다. 도 27에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 단위체에서 말단 분리막(117)에 접한 전극(113)이 양극이면, 제2 보조 단위체(140c)는 음극(111)으로 형성될 수 있다. 또한 도 28에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 단위체에서 말단 분리막(117)에 접한 전극(113)이 음극이면, 제2 보조 단위체(140d)는 양극(111), 분리막(112) 및 음극(13)이 말단 분리막(117)으로부터 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 단위체 스택부(100j, 100k)는 도 27과 도 28에 도시되어 있는 것과 같이, 제2 보조 단위체(140c, 140d)를 통해 말단 분리막 측의 가장 외측에 음극을 위치시킬 수 있다.

참고로, 음극은 전위차로 인해 전지 케이스(예를 들어, 파우치형 케이스)의 알루미늄층과 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 음극은 분리막을 통해 전지 케이스로부터 절연되는 것이 바람직하다. 이를 위해 도 25 내지 도 28에서 제1 및 제2 보조 단위체는 음극의 외측에 분리막을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 25의 제1 보조 단위체(130c)와 대비하여 도 29의 제1 보조 단위체(130e)는 가장 외측에 분리막(112)을 더 포함할 수도 있다. 참고로, 보조 단위체가 분리막을 포함하면 보조 단위체를 기본 단위체에 정렬할 때 보다 용이하다.

한편, 도 30에서 도시하고 있는 것과 같이 단위체 스택부(100m)를 형성할 수도 있다. 기본 단위체(110b)는 하측에서 상측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 양극일 수 있고 제2 전극(113)은 음극일 수 있다.

그리고 제1 보조 단위체(130f)는 분리막(114), 음극(113), 분리막(112) 및 양극(111)이 말단 전극(116)으로부터 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 보조 단위체(130f)의 양극(111)은 집전체의 양면 중에 기본 단위체(110b)를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다.

또한 제2 보조 단위체(140e)는 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로 양극(111, 제1 양극), 분리막(112), 음극(113), 분리막(114) 및 양극(118, 제2 양극)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제2 보조 단위체(140e)의 양극 중 가장 외측에 위치한 양극(118, 제2 양극)은 집전체의 양면 중에 기본 단위체(110b)를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다.

마지막으로 도 31에서 도시하고 있는 것과 같이 단위체 스택부(100n)를 형성할 수도 있다. 기본 단위체(110e)는 상측에서 하측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 음극일 수 있고 제2 전극(113)은 양극일 수 있다. 그리고 제2 보조 단위체(140f)는 음극(111), 분리막(112), 양극(113), 분리막(114) 및 음극(119)이 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 2차 전지의 제작 방법에 대해 도 32를 참조하여 설명한다.

도 32는 본 발명에 따른 2차 전지의 제작 방법을 순차적을 도시한 흐름도이다.

도 32에 도시된 바와 같이, 본 발명의 2차 전지의 제작 방법은 각형 캔부재(10)의 내부에 형성되며 상측이 개구된 수용공간(11)의 개구 형상과 형상이 일치하는 파우치부재(21)가 상측에 마련된 전극 조립체(20)를 상기 수용공간(11)에 수용하여 상기 파우치부재(21)에 의해 상기 수용공간(11)의 개구가 밀봉되게 하는 제1 단계(S1)를 포함한다.

그리고 상기 수용공간(11)에 상기 전극 조립체(20)가 수용된 상태에서 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 압박(Press) 가공하여 비드부(13)를 형성하는 제2 단계(S2)를 포함한다.

이때, 상기 비드부(13)는 상기 파우치부재(21)의 상측에 상기 파우치부재(21)와 밀착되어 상기 비드부(13)와 상기 파우치부재(21)가 밀봉 결합할 수 있도록 한다.

한편, 일 실시예로 상기 비드부(13)는 상기 캔부재(10)를 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 따라 연속되게 압박 가공하여 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 따라 연속되게 이어지도록 형성할 수 있다.

또는, 다른 실시예로 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 일부 압박 가공하여 상기 비드부(13)가 상기 캔부재(10)의 상부 둘레 일부에 형성되게 할 수 있다.

또는, 또 다른 실시예로 상기 비드부(13)는 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 일정 간격으로 압박 가공하여 상기 캔부재(13)의 상부 둘레에 일정 간격으로 형성되게 할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법은, 스태킹형 구조의 전극 조립체를 적용하여 각형 캔부재에서 고용량화 및 고밀도화 기술과 두께 억제 효과를 구현할 수 있고, 캔부재와 전극 조립체가 캔부재에 형성되는 비드부에 의해 밀봉되게 하여 캔부재의 두께를 극소화하는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 2차 전지 및 그 2차 전지의 제작 방법을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10: 캔부재 11: 수용공간
13: 비드부 20: 전극 조립체
21: 파우치부재 23: 리드부
25: 전극봉 100a ~ 100n: 단위체 스택부
110a ~ 110e: 기본 단위체 111: 제1 전극
112: 제1 분리막 113: 제2 전극
114: 제2 분리막 116: 말단 전극
117: 말단 분리막 121: 제1 전극 재료
122: 제1 분리막 재료 123: 제2 전극 재료
124: 제2 분리막 재료 130a ~ 130f: 제1 보조 단위체
140a ~ 140f: 제2 보조 단위체

Claims (41)

1. 자동차용 2차 전지에 있어서,
   내부에 상측이 개구되는 수용공간(11)이 마련되는 캔부재(10);
   상기 수용공간(11) 내부에 수용되는 전극 조립체(20);
   상기 전극 조립체(20)의 상측에 마련되는 파우치부재(21);
   상기 캔부재(10)의 상부에 상기 수용공간(11) 측으로 돌출되는 비드부(13); 및
   상기 전극조립체(20)의 일측면의 양단측에 각각에 부착되어 상기 전극조립체(20)의 하측에서 상측으로 연장되게 형성되며 상기 파우치부재(21)의 저면에 부착되는 리드부(23);를 포함하여,
   상기 파우치부재(21)가 상기 비드부(13)에 걸려 상기 전극 조립체(20)가 상기 수용공간(11)에 밀봉되고,
   상기 전극조립체(20)와 상기 파우치부재(21)는 상호 거리를 가지며, 상기 전극조립체(20)와 상기 파우치부재(21)의 사이에서 상기 리드부(23)는 상기 전극조립체(20)의 상단 모서리에서 상기 전극조립체(20)의 상면에 평행하게 절곡되고 수직 윗쪽으로 한번 더 절곡된 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 캔부재(10)는 각형인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 캔부재(10)의 두께는 0.1mm ~ 0.2mm로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 비드부(13)는 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 따라 상기 수용공간(11) 측으로 함몰되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 비드부(13)는 상기 캔부재(10)의 상부 둘레를 따라 상기 수용공간(11) 측으로 돌출되는 복수의 돌기인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 비드부(13)는 상기 캔부재(10)의 상부 둘레 일부에 상기 수용공간(11) 측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 파우치부재(21)의 형상은 상기 수용공간(11)의 개구 형상과 일치하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 파우치부재(21)의 상측에 돌출되는 전극봉(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체(20)는
    (a) 서로 동일한 개수의 전극(111, 113)과 분리막(112, 114)이 교대로 배치되어 일체로 결합된 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조를 가지거나, 또는 (b) 서로 동일한 개수의 전극(111, 113)과 분리막(112, 114)이 교대로 배치되어 일체로 결합된 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라 배치된 구조를 가지는 단위체 스택부(100a, 100b, 100c, 100d, 100f, 100g, 100h, 100i, 100k, 100l, 100m, 100n)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 전극 조립체(20)는,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
15. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체는 인접한 기본 단위체와 결합되지 않거나, 또는 상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 분리막이 서로 결합된 결합력과 다른 결합력으로 인접한 기본 단위체와 결합되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
16. 청구항 11에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가지는 제1 기본 단위체(110a, 110b)를 포함하며,
    상기 단위체 스택부(100a)는 상기 제1 기본 단위체(110a, 110b)가 반복적으로 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
17. 청구항 11에 있어서,
    상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체는,
    제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111) 및 제1 분리막(112)이 차례로 배치되어 일체로 결합된 제2 기본 단위체(110c)와,
    제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 차례로 배치되어 일체로 결합된 제3 기본 단위체(110d)를 포함하며,
    상기 단위체 스택부(100b)는 상기 제2 기본 단위체(110c)와 상기 제3 기본 단위체(110d)가 교호적으로 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
18. 청구항 11에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 크기를 가지는 적어도 2개의 그룹(1101a, 1102a, 1103a)으로 나뉘며,
    상기 단위체 스택부(100c)는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 크기에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
19. 청구항 11에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 기하학적 형상을 가지는 적어도 2개의 그룹(1101a, 1102a, 1103a)으로 나뉘며,
    상기 단위체 스택부(100c)는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 기하학적 형상에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
20. 청구항 11에 있어서,
    상기 전극은 각각의 기본 단위체 내에서 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 전극은 상기 인접한 분리막을 바라보는 면에서 전체적으로 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
22. 청구항 20에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막간의 접착은, 상기 전극과 상기 인접한 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 인접한 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
23. 청구항 20에 있어서,
    상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 인접한 분리막간의 접착력은 상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 2차 전지.
24. 청구항 20에 있어서,
    상기 분리막은 다공성의 분리막 기재, 및 상기 분리막 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층은 무기물 입자들과 상기 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성되며,
    상기 전극은 상기 코팅층에 의해 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
25. 청구항 24에 있어서,
    상기 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 상기 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성하고, 상기 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 상기 코팅층에 기공 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
26. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부(100d, 100e)는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극(116)에 적층되는 제1 보조 단위체(130a, 130b)를 더 포함하며,
    상기 말단 전극(116)이 양극일 때 상기 제1 보조 단위체(130a)는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고,
    상기 말단 전극(116)이 음극일 때 상기 제1 보조 단위체(130b)는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막 및 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
27. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 보조 단위체(130a, 130b)의 양극은,
    집전체 및
    상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
28. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부(100f, 100g)는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막(117)에 적층되는 제2 보조 단위체(140a, 140b)를 더 포함하며,
    상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막(117)에 접한 전극이 양극일 때 상기 제2 보조 단위체(140a)는 상기 말단 분리막(117)으로부터 차례로 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고,
    상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막(117)에 접한 전극이 음극일 때 상기 제2 보조 단위체(140b)는 양극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
29. 청구항 28에 있어서,
    상기 제2 보조 단위체(140a, 140b)의 양극은,
    집전체 및
    상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
30. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부(100h, 100i, 100l)는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극(116)에 적층되는 제1 보조 단위체(130c, 130d, 130e)를 더 포함하며,
    상기 말단 전극(116)이 양극일 때 상기 제1 보조 단위체(130c)는 상기 말단 전극(116)으로부터 차례로 분리막 및 음극이 적층되어 형성되고,
    상기 말단 전극(116)이 음극일 때 상기 제1 보조 단위체(130d)는 상기 말단 전극(116)으로부터 차례로 분리막, 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
31. 청구항 30에 있어서,
    상기 제1 보조 단위체(130e)는 상기 음극의 외측에 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
32. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부(100j, 100k)는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막(117)에 적층되는 제2 보조 단위체(140c, 140d)를 더 포함하며,
    상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막(117)에 접한 전극이 양극일 때 상기 제2 보조 단위체(140c)는 음극으로 형성되고,
    상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막(117)에 접한 전극이 음극일 때 상기 제2 보조 단위체(140d)는 상기 말단 분리막(117)으로부터 차례로 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
33. 청구항 32에 있어서,
    상기 제2 보조 단위체는 상기 음극의 외측에 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
34. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부(100m)는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막(117)에 적층되는 제2 보조 단위체(140e)를 더 포함하며,
    상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막(117)에 접한 전극이 음극일 때 상기 제2 보조 단위체(140e)는 상기 말단 분리막(117)으로부터 차례로 제1 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 제2 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
35. 청구항 34에 있어서,
    상기 제2 보조 단위체(140e)의 제2 양극은,
    집전체 및
    상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
36. 청구항 11에 있어서,
    상기 단위체 스택부(100n)는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 분리막인 말단 분리막(117)에 적층되는 제2 보조 단위체(140f)를 더 포함하며,
    상기 기본 단위체에서 상기 말단 분리막(117)에 접한 전극이 양극일 때 상기 제2 보조 단위체(140f)는 상기 말단 분리막(117)으로부터 차례로 제1 음극, 분리막, 양극, 분리막 및 제2 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
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