KR101811834B1 - 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀 - Google Patents

요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀 Download PDF

Info

Publication number
KR101811834B1
KR101811834B1 KR1020140166076A KR20140166076A KR101811834B1 KR 101811834 B1 KR101811834 B1 KR 101811834B1 KR 1020140166076 A KR1020140166076 A KR 1020140166076A KR 20140166076 A KR20140166076 A KR 20140166076A KR 101811834 B1 KR101811834 B1 KR 101811834B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current collector
electrode
negative electrode
collector
positive electrode
Prior art date
Application number
KR1020140166076A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160062883A (ko
Inventor
이정필
김동명
윤형구
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020140166076A priority Critical patent/KR101811834B1/ko
Publication of KR20160062883A publication Critical patent/KR20160062883A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101811834B1 publication Critical patent/KR101811834B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B1/227—Surface roughening or texturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/005—Rolls with a roughened or textured surface; Methods for making same
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0481—Compression means other than compression means for stacks of electrodes and separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/043—Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/78—Shapes other than plane or cylindrical, e.g. helical
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀로서, 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제층이 도포되어 있는 양극과 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하고 있고, 양극 집전체 및 음극 집전체 각각의 제 1 면 및 제 2 면에는 융기부와 만입부가 반복적인 패턴 구조로 형성되어 있으며, 동일 전극에서 제 1 면의 만입부에 대응되는 위치의 제 2 면에는 융기부가 형성되어 있고, 상기 제 1 면의 융기부에 대응되는 위치의 제 2 면에는 만입부가 형성되어 있으며, 분리막을 중심으로 서로 대면하는 양극과 음극에서, 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀 {Battery Cell Comprising Current Collector Having Convexo-Concave Structure}
본 발명은 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀로서, 융기부와 만입부가 반복적인 패턴 구조로 형성된 집전체에 양극 합제층 또는 음극 합제층을 도포한 후, 분리막이 개재된 상태에서 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열된 전지셀을 형성함으로써, 전극집전체와 전극 합제층 간의 접착력을 향상시킬 뿐만 아니라 활물질의 비표면적을 증가시켜 이차전지의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 기술이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 시간이 지날수록 소비자들은 더 큰 용량의 에너지를 필요로 하고 있는 바, 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해서는 전극을 두껍게 하여야 하는데, 더욱 상세하게는 전극의 집전체에 도포되는 합제층의 두께를 증가시켜야 한다.
도 1은 종래의 전극조립체 및 상기 전극조립체를 압축하기 위한 가압부재를 도시하고 있다.
도 1에 따르면, 전극조립체(110)는 전극 합제층(101), 전극집전체(102) 및 전극 합제층(103)이 순서대로 적층 배열되어 있고, 상기 전극조립체(110)를 사이에 두고 전극조립체(110)의 상면에 위치한 제 1 가압부재(121) 및 제 1 가압부재에 대응하여 전극조립체(110)의 하면에 위치한 제 2 가압부재(122)로 구성된 롤 프레스가 전극조립체(110)를 가압하여 압축함으로써 전극집전체(102)에 대해 전극 합제층들(101, 103)을 부착 및 고정시킨다.
한편, 상기 전극조립체(110)가 A방향으로 이동하는 경우에, 제 1 가압부재(121) 및 제 2 가압부재(122)는 시계 방향으로 동일한 속도로 회전하면서 전극조립체(110)를 압축하는데, 상기 가압부재들(121, 122)의 표면은 매끄러운 상태이므로, 전극조립체(110)를 단순 압착하는 역할만 수행할 수 있기 때문에, 전극집전체(102)에 대한 전극 합제층들(101, 103)의 접착력이 낮고, 전극 합제층들(101, 103)의 두께는 균일하게 형성된다.
이 때, 에너지 밀도를 증가시키기 위하여 전극 합제층의 두께를 두껍게 형성할 수 있는 바, 이와 같이 전극 합제층의 두께를 증가시키면 전극의 전해액 젖음(웨팅: wetting)이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생한다.
구체적으로, 전해액은 전극 합제 성분들에 대한 친화성이 높지 않을 뿐만 아니라, 합제층의 부피를 크게 하는 경우에는 그에 따라 전해액의 이동 경로가 길어지므로, 전해액의 침투가 용이하지 않아 충분한 웨팅 특성을 달성하기 어렵다. 또한, 전극에 전해액이 충분히 침투하지 못하면, 이온의 이동이 느려지게 되어 전극 반응이 원활히 이루어질 수 없고 결과적으로 전지의 효율이 저하된다.
일반적으로, 이차전지의 전극은 집전체와 그 표면에 코팅되는 전극 합제로 이루어지는데, 소망하는 전지의 성능을 얻기 위하여 전극의 형태에 변화를 주거나 활물질의 성분 등을 조절하는 방법이 활발히 연구되고 있다.
종래에 전극의 형태에 변화를 주는 방법으로서, 집전체에 패턴형성용 잉크 등을 도포하고 에칭하는 방법으로 개구공을 형성하여 집전체에 패턴을 형성하는 방법이 알려져 있으며, 집전체 상에 활물질을 패턴화하여 도포하는 기술도 알려져 있으나, 이 방법들은 활물질의 도포에 있어서, 분사나 압착 등을 이용하여 집전체 면에 선택적으로 도포하는 방법으로, 일정한 패턴에 따라 도포 부분과 비도포 부분으로 나눔으로써 집전체의 일부가 노출되게 하였다. 이러한 활물질 패터닝 방식은 충방전시의 부피 변화를 효과적으로 완충하는 작용을 하지만, 비도포 부분의 존재로 인해 활물질의 로딩량이 크게 줄어들게 되어 전지의 효율성 감소가 불가피하다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 에너지 밀도를 증가시킬 수 있음과 동시에, 전해액의 용이한 침투로 인해 충분한 웨팅 특성을 달성함으로써, 전극 반응이 활발히 이루어질 수 있고, 집전체에 대한 전극 합제층의 결합력을 향상시킬 수 있는 이차전지의 개발에 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, 돌기가 형성된 가압부재를 이용하여 패턴 구조를 형성한 집전체에 양극 합제층 또는 음극 합제층을 도포한 후, 분리막이 개재된 상태에서 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열된 전지셀을 형성함으로써, 전극집전체와 전극 합제층 간의 접착력을 향상시킬 뿐만 아니라 활물질의 비표면적을 증가시켜 전기화학적 성능이 향상된 이차전지를 완성하였다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은,
집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제층이 도포되어 있는 양극과 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막;
을 포함하고 있고,
양극 집전체 및 음극 집전체 각각의 제 1 면 및 제 2 면에는 융기부와 만입부가 반복적인 패턴 구조로 형성되어 있으며,
동일 전극에서 제 1 면의 만입부에 대응되는 위치의 제 2 면에는 융기부가 형성되어 있고, 상기 제 1 면의 융기부에 대응되는 위치의 제 2 면에는 만입부가 형성되어 있으며,
분리막을 중심으로 서로 대면하는 양극과 음극에서, 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열되어 있는 구성일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극집전체 상에 융기부와 만입부가 반복되는 패턴 구조로 형성되어 있고, 분리막이 개재된 상태에서 양극 집전체의 만입부와 음극 집전체의 만입부가 서로 어긋나도록 배열되기 때문에, 전극 합제층의 비표면적을 증가시킬 수 있으므로, 종래에 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해 전극집전체에 도포되는 합제층의 두께를 증가시킴으로써 전해액 웨팅이 낮아지는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 전극집전체에 융기부 및 만입부의 굴곡이 형성되기 때문에 전극집전체와 전극 합제층 간의 접착력을 향상시킬 수 있으므로 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 전극조립체를 구성하는 양극 합제층 및 음극 합제층에는 전극 활물질의 로딩양이 증가되는 경우에도 활물질의 비표면적을 증가시키기 위하여 융기부 및 만입부가 형성되어 있는 바, 상기 융기부 및 만입부는 평면상으로 각각 스트립 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 융기부와 만입부를 형성하기 위한 방법은, 전극집전체에 굴곡을 형성하여 전극 합제층의 로딩양을 증가시킬 뿐만 아니라 전극 합제층과의 접착력을 증가시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는, 융기부와 만입부에 대응하는 형상이 각인되어 있는 부재를 사용하여, 집전체에 압력을 인가함으로써 형성될 수 있다.
상기 만입부 및 융기부는 활물질의 표면적을 증가시키기 위하여 2개 이상의 복수의 개수로 형성되는 것이 바람직한 바, 상기 만입부의 중간 깊이의 폭은 집전체의 폭을 기준으로 1% 내지 10%의 범위일 수 있고, 상세하게는 3% 내지 8%의 범위일 수 있다.
상기 만입부의 중간 깊이의 폭이 집전체 폭의 1%보다 좁은 경우에는 도포되는 활물질 부피의 증가 폭이 적고, 10%보다 넓은 경우에는 전체적인 합제층의 두께가 두꺼워지기 때문에 전해액의 함침성이 나빠질 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 만입부의 형상은 집전체에 패턴을 형성하기 위한 가압부재에 각인되어 있는 형상에 따라 달라질 수 있는 바, 만입부 최종단은 곡면 또는 평면으로 형성될 수 있고, 상호 인접한 만입부들 간의 거리는 집전체의 폭을 기준으로 2% 내지 20%의 범위일 수 있으며, 상세하게는 5% 내지 18%일 수 있고, 더욱 상세하게는 10% 내지 15%일 수 있다.
상기 상호 인접한 만입부들 간의 거리가 집전체의 폭을 기준으로 2% 보다 적을 경우에는 동일 전극에서 제 1 면의 융기부에 대응되는 위치에 형성되는 제 2 면의 만입부의 폭이 좁아질 수 있고, 20%보다 클 경우에는 동일 전극에서 제 1 면의 융기부에 대응되는 위치에 형성되는 제 2 면의 만입부의 폭이 넓어질 수 있기 때문에 제 1 면과 제 2 면의 표면적이 달라질 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 전지셀은 만입부 및 융기부가 형성된 전극집전체를 포함하고 있는 바, 상기 만입부의 깊이는 도포되는 활물질의 양 및 전극집전체의 파단 가능성을 고려하여 적절한 범위에서 선택될 수 있는데, 집전체의 최대 두께(D)를 기준으로 20% 내지 70%의 범위로 형성될 수 있으며, 상세하게는 30% 내지 70%일 수 있고, 더욱 상세하게는 40% 내지 60%일 수 있다.
상기 만입부의 깊이가 전극집전체 최대 두께의 20% 보다 낮을 경우에는 합제층의 표면적을 증가시키는 데에 한계가 있고, 70% 보다 깊을 경우에는 전극집전체가 얇아져서 내구성이 문제될 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 전극 합제층은 전극집전체에 형성된 만입부에 도입되면서 집전체 상에 도포되는 바, 만입부의 최종단으로부터 합제층 표면까지 이르는 전극 합제층의 최대 두께는 30 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위일 수 있고, 상세하게는 50 ㎛ 내지 400 ㎛일 수 있으며, 더욱 상세하게는 100 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 상기 전극 합제층의 최대 두께가 30 ㎛보다 적을 때는 전지의 용량이 충분하지 못할 수 있고, 500 ㎛보다 클 때는 이온전도도가 낮아질 수 있으므로 바람직하지 않다.
이와 같이, 만입부에 도포된 합제층의 부피가 융기부에 도포된 합제층의 부피에 비해 더 크게 형성되는 바, 상기 만입부에 도포된 합제층의 부피는 융기부에 도포된 합제층의 부피에 비해 10% 내지 50% 더 크게 도포될 수 있고, 바람직하게는 10% 내지 40% 더 크게 도포될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 전지셀은 이차전지로서 충방전이 반복됨에 따라 전극 합제층의 부피가 증가할 수 있는데, 이 때, 전극 합제층의 부피 증가율은 전극 합제층의 두께에 비례할 수 있다. 따라서, 만입부에 도포된 합제층의 두께가 융기부에 도포된 합제층의 두께에 비해 더 두껍게 형성되는 바, 상기 만입부에 도포된 합제층의 부피 증가가 융기부에 도포된 합제층의 부피 증가에 비해 더 클 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 양극 집전체와 음극 집전체는 분리막을 사이에 두고 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열됨으로써, 전지셀의 사용에 의해 합제층의 부피가 증가되는 경우에도, 양극 및 음극 간의 리튬 이온의 이동 경로를 단축시킬 수 있으므로, 우수한 출력 특성 및 레이트 특성을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 분리막을 중심으로 서로 대면하는 양극과 음극에서, 양극 집전체의 제 2 면에 형성된 만입부는 음극 집전체의 제 1 면에 형성된 융기부와 대면하는 위치에 형성되어 있고, 양극 집전체의 제 2 면에 형성된 융기부는 음극 집전체의 제 1 면에 형성된 만입부와 대면하는 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 전지셀의 양극 및 음극이 부피 팽창에 의한 변형이 일어나는 경우에는, 상기 양극 집전체의 제 2 면의 만입부 상에 위치하는 양극 합제층의 상단 변형 부위가, 분리막이 개재된 상태에서, 음극 집전체의 제 1 면의 융기부 상에 위치하는 음극 합제층의 상단 변형 부위에 도입될 수 있다.
한편, 본 발명의 전지셀에 포함되는 전극집전체의 배열과 관련하여 전극조립체의 구조를 설명하면, 상기 전지셀은 양극 및 음극을 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층한 경우, 양극 집전체의 제 1 면의 만입부 및 음극 집전체의 제 1 면의 만입부, 또는 양극 집전체의 제 2 면의 만입부 및 음극 집전체의 제 2 면의 만입부가, 수직 방향으로 동일한 위치에 배열되어 있을 수 있다.
이와 같은 형상으로 전극조립체를 형성하는 경우에는 양극 및 음극의 부피 변화에도 불구하고, 서로 다른 합제층 간의 거리가 가까이 유지되기 때문에, 높은 전기전도성을 갖는 전지셀을 얻을 수 있다.
이 때, 서로 대면하는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개제되어 있는 바, 상기 분리막을 양극 합제층의 상단 변형 부위와 음극 합제층의 상단 변형 부위 사이의 계면에 대응하여 절곡되도록 위치시킴으로써, 양극 집전체의 제 2 면의 만입부 상에 위치하는 양극 합제층의 상단 변형 부위 및 음극 집전체의 제 1 면의 융기부 상에 위치하는 음극 합제층의 상단 변형 부위가 접할 수 있으므로 컴팩트한 구조의 전극조립체를 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 이온의 이동 경로가 단축되기 때문에 전기화학적 성능이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공하는 바, 상기 이차전지는 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 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 중대형 디바이스에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 모바일 전자기기, 전지 기반 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); 전력저장용 시스템을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀에 포함되는 전극조립체를 제조하는 장치로서,
집전체의 일면을 가압하는 제 1 가압부재, 및 상기 제 1 가압부재에 대응하여 집전체의 타면을 가압하는 제 2 가압부재를 포함하고 있고;
상기 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재의 표면에는 집전체에 형성된 융기부 및 만입부에 대응하는 요철 구조가 형성되어 있는 전극조립체 제조 장치를 제공한다.
따라서, 본 전극조립체 제조 장치를 이용하여 제조된 전극조립체는 융기부 및 만입부가 반복적으로 형성되는 패턴 구조로 이루어져 있는 바, 상기 만입부에 전극 합제가 도입되도록 전극 합제층을 형성함으로써 로딩양을 증가시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 패턴 구조에 의해 전극 합제층의 비표면적이 증가하기 때문에 전해액 함침성이 향상되어 출력 특성 및 레이트 특성이 우수한 이차전지를 제공할 수 있다.
상기 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재는 전극집전체의 상면 및 하면에 각각 위치한 상태에서 시계방향으로 회전하면서 전극집전체를 가압하여 가압부재에 형성된 요철 구조의 형상과 대응되는 융기부 및 만입부를 전극집전체에 형성하는 바, 상기 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재는 각각 프레싱 롤러일 수 있다.
또한, 상기 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재의 표면에 형성된 요철구조는 상기 프레싱 롤러를 이용하여 전극집전체를 이동하면서 전극집전체에 스트립 형상의 융기부 및 만입부를 형성하기 위한 구조인 바, 평면상으로 스트립 형상으로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 돌기가 형성된 가압부재를 이용하여 융기부와 만입부가 반복적인 패턴 구조로 형성된 집전체에 양극 합제층 또는 음극 합제층을 도포한 후, 분리막이 개재된 상태에서 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열된 구조로서, 합제층의 도포량이 증가되어 에너지 밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 전해액의 용이한 침투로 인한 충분한 웨팅 특성을 달성할 수 있으므로 전극 반응을 활발히 일어나게 할 수 있다.
또한, 상기와 같은 전지셀을 제조하는 장치로서, 요철 구조가 형성된 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재 각각을 전극집전체의 상면 및 하면에 위치시킨 후 전극집전체를 가압하여 융기부 및 만입부의 반복적인 패턴구조가 형성된 전극집전체를 포함하는 전지셀을 제조함으로써, 전극집전체에 대한 전극 합제층의 결합력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 전극조립체 및 상기 전극조립체를 압축하기 위한 가압부재에 대한 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극집전체에 패턴이 형성된 전극의 단면 모식도이다;
도 3은 도 2의 전극을 포함하는 전극조립체의 단면 모식도이다;
도 4는 도 3의 전극조립체의 부피가 팽창된 상태의 단면 모식도이다; 및
도 5는 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치의 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패턴이 형성된 전극집전체에 전극 합제층이 도포된 전극의 단면을 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀에 포함되는 전극집전체는 상면인 제 1 면(211) 및 하면인 제 2 면(221)에 융기부들(213, 223) 및 만입부들(212, 222)이 반복적인 패턴으로 형성되어 있다. 상기 제 1 면(211)에 형성된 만입부(212)에 대응되는 위치의 제 2 면(221)에는 융기부(223)가 형성되어 있고, 제 1 면(211)에 형성된 융기부(213)에 대응되는 위치의 제 2 면(221)에는 만입부(222)가 형성되어 있다.
한편, 상기 만입부들(212, 222)의 중간 깊이의 폭(a)은 전극집전체(230)의 폭을 기준으로 1% 내지 10%의 범위일 수 있으며, 동일 면 상에 형성된 상호 인접한 만입부들 간의 거리(b)는 전극집전체(230)의 폭을 기준으로 2% 내지 20%의 범위일 수 있다. 또한, 상기 만입부들(212, 222)의 깊이(d)는 전극집전체(230)의 최대 두께(D)를 기준으로 20% 내지 70%일 수 있으며, 상기 전극집전체(230) 위에 도포된 전극 합제층들(210, 220)의 최대 두께는 30 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위일 수 있다.
도 3은 도 2의 전극을 포함하는 전극조립체의 단면을 모식적으로 도시하였고, 도 4는 도 3의 전극조립체가 부피 팽창에 의해 변형된 상태의 단면을 모식적으로 도시하였다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 분리막(290)을 중심으로 서로 대면하는 양극(270)과 음극(280)에서, 양극 집전체(230)의 제 2 면(225)에 형성된 만입부(222)는 음극 집전체(260)의 제 1 면(241)에 형성된 융기부(243)와 대면하는 위치에 형성되어 있고, 양극 집전체(230)의 제 2 면(225)에 형성된 융기부(223)는 음극 집전체(260)의 제 1 면(241)에 형성된 만입부(242)와 대면하는 위치에 형성되어 있다. 따라서, 상기 양극(270) 및 음극(280)을 분리막(290)을 사이에 개재한 상태로 적층한 경우, 양극 집전체(230)의 제 1 면(221)의 만입부(224) 및 음극 집전체(260)의 제 1 면(241)의 만입부(242), 또는 양극 집전체(230)의 제 2 면(225)의 만입부(222) 및 음극 집전체(260)의 제 2 면(245)의 만입부(244)가, 수직 방향으로 동일한 위치에 배열된다.
또한, 상기 전지셀의 양극(370) 및 음극(380)이 부피 팽창에 의해 변형되는 경우에는, 상기 양극 집전체(330)의 제 2 면(325)의 만입부(322) 상에 위치하는 양극 합제층(320)의 상단 변형 부위(323)가, 분리막(390)이 개재된 상태에서, 음극 집전체(360)의 제 1 면(341)의 융기부(343) 상에 위치하는 음극 합제층(340)의 상단 변형 부위(342)에 도입된다.
도 5는 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치를 모식적으로 도시하였다.
도 5에 따르면, 본 발명에 따른 전극조립체 제조 장치(400)는 집전체(410)의 일면을 가압하는 제 1 가압부재(421), 및 상기 제 1 가압부재(421)에 대응하여 집전체(410)의 타면을 가압하는 제 2 가압부재(422)를 포함하고 있고, 제 1 가압부재(421) 및 제 2 가압부재(422)의 표면에는 집전체(410)에 형성된 융기부(404) 및 만입부(403)에 대응하는 요철들(423, 424)이 형성되어 있는 바, 평면상으로 스트립 형상으로 이루어진 패턴이 형성된 제 1 가압부재(421) 및 제 2 가압부재(422)는 동일한 속도로 시계방향으로 회전하면서, A방향으로 이동하는 집전체(410)를 가압함으로써 융기부(404) 및 만입부(403)로 구성된 패턴을 집전체(410)의 상면 및 하면에 형성시킨다. 이러한 구성을 포함하는 전극집전체는 전극 합제층의 접착력을 향상시킬 수 있고, 합제층의 로딩 양이 증가되더라도 전체적인 표면적이 넓어지기 때문에 레이트 특성 및 출력 특성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제층이 도포되어 있는 양극과 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막;
    을 포함하고 있고,
    양극 집전체 및 음극 집전체 각각의 제 1 면 및 제 2 면에는 융기부와 만입부가 반복적인 패턴 구조로 형성되어 있으며, 상기 융기부와 만입부는 평면상으로 각각 스트립 형상이고,
    동일 전극에서 제 1 면의 만입부에 대응되는 위치의 제 2 면에는 융기부가 형성되어 있고, 상기 제 1 면의 융기부에 대응되는 위치의 제 2 면에는 만입부가 형성되어 있으며,
    분리막을 중심으로 서로 대면하는 양극과 음극에서, 양극 집전체의 제 2 면의 만입부와 음극 집전체의 제 1 면의 만입부가 서로 어긋나도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 융기부와 만입부는, 융기부와 만입부에 대응하는 형상이 각인되어 있는 부재를 사용하여, 집전체를 가압하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부의 중간 깊이의 폭은 집전체의 폭을 기준으로 1% 내지 10%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상호 인접한 만입부들 간의 거리는 집전체의 폭을 기준으로 2% 내지 20%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부의 깊이는 집전체의 최대 두께(D)를 기준으로 20% 내지 70%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 합제층의 최대 두께는 30 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부에 도포된 합제층의 부피는 융기부에 도포된 합제층의 부피에 비해 10% 내지 50% 더 큰 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막을 중심으로 서로 대면하는 양극과 음극에서, 양극 집전체의 제 2 면에 형성된 만입부는 음극 집전체의 제 1 면에 형성된 융기부와 대면하는 위치에 형성되어 있고, 양극 집전체의 제 2 면에 형성된 융기부는 음극 집전체의 제 1 면에 형성된 만입부와 대면하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 양극 및 음극이 부피 팽창에 의해 변형된 상태에서, 상기 양극 집전체의 제 2 면의 만입부 상에 위치하는 양극 합제층의 상단 변형 부위가, 분리막이 개재된 상태에서, 음극 집전체의 제 1 면의 융기부 상에 위치하는 음극 합제층의 상단 변형 부위에 도입되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극을 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층한 경우, 양극 집전체의 제 1 면의 만입부 및 음극 집전체의 제 1 면의 만입부, 또는 양극 집전체의 제 2 면의 만입부 및 음극 집전체의 제 2 면의 만입부가, 수직 방향으로 동일한 위치에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 분리막은 양극 합제층의 상단 변형 부위와 음극 합제층의 상단 변형 부위 사이의 계면에 대응하여 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀은 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 13 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 둘 또는 그 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기, 전지 기반 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); 전력저장용 시스템 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀에 포함되는 전극조립체를 제조하는 장치로서,
    집전체의 일면을 가압하는 제 1 가압부재, 및 상기 제 1 가압부재에 대응하여 집전체의 타면을 가압하는 제 2 가압부재를 포함하고 있고;
    상기 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재의 표면에는 집전체에 형성된 융기부 및 만입부에 대응하는 요철 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 가압부재 및 제 2 가압부재는 각각 프레싱 롤러인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 요철 구조는 평면상으로 스트립 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 장치.
KR1020140166076A 2014-11-26 2014-11-26 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀 KR101811834B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140166076A KR101811834B1 (ko) 2014-11-26 2014-11-26 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140166076A KR101811834B1 (ko) 2014-11-26 2014-11-26 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160062883A KR20160062883A (ko) 2016-06-03
KR101811834B1 true KR101811834B1 (ko) 2017-12-22

Family

ID=56192180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140166076A KR101811834B1 (ko) 2014-11-26 2014-11-26 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101811834B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102001105B1 (ko) * 2016-07-06 2019-07-17 주식회사 엘지화학 이차 전지
JP7289072B2 (ja) * 2018-05-31 2023-06-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 リチウム二次電池
JP7194940B2 (ja) * 2018-05-31 2022-12-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 リチウム二次電池
CN113036233B (zh) * 2019-12-09 2022-10-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种锌基单电池电极结构及应用

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160062883A (ko) 2016-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101192619B1 (ko) 전지케이스
US9142811B2 (en) Current collector having built-in sealing means, and bipolar battery including such a collector
JP5218586B2 (ja) 固体リチウム二次電池およびその製造方法
EP3522263B1 (en) Secondary cell
US9318748B2 (en) Bipolar electrochemical Li-ion battery having increased capacity
KR101517062B1 (ko) 이차전지의 제조방법
KR101850180B1 (ko) 관통구가 천공되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지
KR20150082958A (ko) 이차전지용 전극 및 그 제조방법
KR101811834B1 (ko) 요철이 형성된 집전체를 포함하는 전지셀
CN101569030A (zh) 蓄电装置
JP5413129B2 (ja) 固体電池の製造方法
JP7036125B2 (ja) リチウムイオン二次電池およびその製造方法
KR20160056553A (ko) 요철 형상의 전극 합제가 코팅된 전극
KR101505723B1 (ko) 클립형 탄성구조체를 포함하는 리튬 이차전지 및 이의 제조방법
KR101666873B1 (ko) 전극 어셈블리와 이를 갖는 이차전지
KR101772416B1 (ko) 그래핀 코팅층을 가진 집전체를 포함하는 리튬 이차전지
KR20120075953A (ko) 이차전지용 전극조립체 및 그 제조방법
CN107819103B (zh) 具有提高的活性材料份额的电极
JP2004207253A (ja) 非水電解質二次電池
JP2019121485A (ja) 全固体電池
KR100669435B1 (ko) 이차 전지
KR20240000462U (ko) 리튬 이온 배터리
KR20140019241A (ko) 이차전지 권취용 권심부재 및 이를 포함하는 권취장치, 권취방법
KR20180115053A (ko) 전극 합제층의 접착력이 불균일한 전극조립체 및 이의 제조 장치
KR102398572B1 (ko) 압전 소자 및 열전 소자를 포함하는 원통형 이차 전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant