KR101817399B1 - 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 스택형 구조나 스택/폴딩형 구조와 구별되는 새로운 구조의 전극 조립체이며, 더 절감된 원료 및 비용으로도 더 우수한 성능 및 품질을 구현할 수 있는 전극 조립체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 복수 개의 전극 및 분리막이 교대로 적층된 구조를 가지는 단위체 스택부를 포함하며, 전극은 양극 및 음극을 포함하고, 분리막의 크기는 양극보다는 크고, 음극과는 동일하다.
또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는 단위체 스택부의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 보조 단위체를 더 포함하며, 보조 단위체에 포함되는 분리막은 단위체 스택부의 측부를 덮도록 연장된다.

Description

전극 조립체{ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 스택형 구조나 스택/폴딩형 구조와 구별되는 새로운 구조의 전극 조립체이며, 더 절감된 원료 및 비용으로도 더 우수한 성능 및 품질을 구현할 수 있는 전극 조립체에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스에 전극 조립체가 내장되어 구성될 수 있다. 전지 케이스의 내부에 장착되는 전극 조립체는 복수 개의 양극, 분리막, 및 음극이 적층된 형태를 가지는 충방전이 가능한 발전소자이다.
여기서 분리막은 양극과 음극이 서로 단락되지 않도록 하기 위하여 양극과 음극을 서로 전기적으로 분리시키는 역할을 하는 막일 수 있다. 따라서 종래에는 이러한 분리막이 분리 역할이 철저히 수행하도록 하기 위하여, 분리막이 양극 및 음극 보다 큰 크기로 제작되는 것이 일반적이었다.
그러나 이렇게 크게 제작되는 분리막으로 인하여 분리막이 낭비되고, 또한, 분리막이 차지하는 공간의 낭비로 인하여 전극 조립체의 에너지 밀도가 작아지는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 스택형 구조나 스택/폴딩형 구조와 구별되는 새로운 구조의 전극 조립체에 있어 분리막의 낭비를 줄이고, 전극 조립체의 에너지 밀도를 높여, 더 절감된 원료 및 비용으로도 더 우수한 성능 및 품질을 구현할 수 있는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 복수 개의 전극 및 분리막이 교대로 적층된 구조를 가지는 단위체 스택부를 포함하며, 전극은 양극 및 음극을 포함하고, 분리막의 크기는 양극보다는 크고, 음극과는 동일하다.
또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는 단위체 스택부의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 보조 단위체를 더 포함하며, 보조 단위체에 포함되는 분리막은 단위체 스택부의 측부를 덮도록 연장된다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 복수 개의 전극 및 분리막이 교대로 적층된 구조를 가지는 단위체 스택부에서 분리막의 크기가 양극보다는 크고, 음극과는 동일하게 됨으로써, 분리막의 낭비를 줄이고, 전극 조립체의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 그에 따라 더 절감된 원료 및 비용으로도 더 우수한 성능 및 품질을 가지는 전극 조립체를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는 단위체 스택부의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 보조 단위체를 더 포함하며, 보조 단위체에 포함되는 분리막이 단위체 스택부의 측부를 덮도록 연장됨으로써, 전극 조립체의 절연성이 현저히 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 조립체를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체의 보조 단위체를 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 B-B선에 따른 단면도이다.
도 5은 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체를 도시하는 사시도이다.
도 7은 기본 단위체의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도이다.
도 8은 기본 단위체의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도이다.
도 9는 도 7의 기본 단위체의 적층으로 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 측면도이다.
도 10은 기본 단위체의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도이다.
도 11은 기본 단위체의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도이다.
도 12는 도 10의 기본 단위체와 도 11의 기본 단위체의 적층으로 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 측면도이다.
도 13은 기본 단위체를 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도이다.
도 14는 다른 크기를 가지는 기본 단위체가 적층되어 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 사시도이다.
도 15는 도 14의 단위체 스택부를 도시하고 있는 측면도이다.
도 16은 다른 기하학적 형상을 가지는 기본 단위체가 적층되어 형성되는 단위체 스택부를 도시하고 있는 사시도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 조립체를 도시하는 사시도이다. 도 2는 도 의 A-A선에 따른 단면도이다.
이하에서는 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 조립체에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 전극 조립체(1000)는 복수 개의 전극(1311, 1313) 및 분리막(1315)이 교대로 적층된 구조를 가지는 단위체 스택부(1301)를 포함하며, 이때 상기 전극(1311, 1313)은 양극(1311) 및 음극(1313)을 포함한다.
단위체 스택부(1301)는 복수 개의 전극 및 분리막이 교대로 적층된 구조를 가진다. 단위체 스택부(1301)는 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 기본 단위체(1310)가 반복적으로 배치된 구조를 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 양극(1311), 분리막(1315), 음극(1313), 분리막(1315)이 차례로 상측에서 하측으로 적층되어 형성된 기본 단위체(1310)가 차례로 적층되어 단위체 스택부(1301)가 형성될 수 있다.
기본 단위체(1310)를 포함하는 단위체 스택부(1301)의 상세한 구조는 후술하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 조립체(1000)에서 분리막(1315)의 크기는 양극(1311)보다는 크고, 음극(1313)과는 동일하게 된다. 즉, 분리막(1315)은 음극(1313)과 모양 및 크기가 같을 수 있다.
구체적으로 도 1을 참조하며, 분리막(1315)의 폭 및 길이가 양극(1311)보다는 크고 음극(1313)과는 동일하게 형성될 수 있다. 여기서 분리막(1315)의 폭은 전극 조립체(1000)의 폭 방향(X)을 따르는 분리막(1315)의 치수이고, 분리막(1315)의 길이는 전극 조립체(1000)의 길이 방향(Y)을 따르는 분리막(1315)의 치수일 수 있다.
전극 조립체(1000) 내에서 분리막(1315)의 크기를 이와 같이 형성하면, 분리막(1315)의 낭비를 줄일 수 있다. 기존에 음극(1313) 보다 분리막(1315)의 크기를 크게 하였던 것과 비교하면 분리막(1315)의 원료가 그만큼 적게 사용될 수 있는 것이다.
또한, 전극 조립체(1000)의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 전극 조립체(1000)의 에너지 밀도란 전극 조립체(1000)의 단위 부피당 저장된 에너지를 의미할 수 있다. 그리고 전기 에너지의 저장량은 양극(1311)과 음극(1313)의 크기에 의하여 결정되고 분리막(1315)의 크기와는 무관할 수 있다.
그러므로, 분리막(1315)의 크기가 줄어들면, 동일한 전기 에너지를 저장하는 전극 조립체(1000)의 부피가 그만큼 줄어들기 때문에 전극 조립체(1000)의 에너지 밀도가 높아질 수 있다. 그리고 분리막(1315)이 양극(1311) 보다는 크므로 분리막은 여전히 양극(1311)과 음극(1313)의 단락을 방지할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예 1에 따른 전극 조립체(1000)는 더 절감된 원료 및 비용으로 더 우수한 성능 및 품질을 구현할 수 있다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체의 보조 단위체를 도시하는 사시도이다. 도 4는 도 3의 B-B선에 따른 단면도이다. 도 5은 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다. 도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체를 도시하는 사시도이다.
본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체는 전술한 실시예 1에 따른 전극 조립체와 유사한 구성을 가진다. 다만, 실시예 2는 보조 단위체를 더 포함한다는 점에서 실시예 1과 차이가 있다.
참고로 전술한 구성과 동일한 (또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한 (또는 상당한) 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체에 대해 설명한다.
본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)는 단위체 스택부(1301)의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 보조 단위체(1350)를 더 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에서는 이러한 보조 단위체(1350)가 도시되고 있다.
보조 단위체(1350)는 단위체 스택부(1301)에 추가로 적층될 수 있는 단위체로, 전극과 분리막이 교대로 배치되어 결합된 형태일 수 있다. 도 3 및 도 4에서 도시되는 보조 단위체(1350)는 분리막(1355), 음극(1353), 분리막(1355)이 위에서 아래로 순차적으로 배치되어 형성되어 있다. 다만, 보조 단위체(1350)는 필요에 따라 분리막(1355), 음극(1353), 분리막(1355)의 순서 이외에 다른 구성을 가질 수 도 있다. 예를 들면, 분리막 및 음극이 하나씩만 적층되어 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)에서 보조 단위체(1350)의 분리막(1355)은 음극(1353)보다 훨씬 길게 연장될 수 있다. 도 4에서 보조 단위체(1350)의 분리막(1355)이 양 옆으로 음극(1353) 보다 훨씬 길게 연장된 모습이 도시되고 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)에서 단위체 스택부(1301)의 상측에 보조 단위체(1350)가 적층될 수 있다. 그리고 보조 단위체(1350)의 길게 연장된 분리막 부분, 즉 분리막 연장부(S)는 단위체 스택부(1301)의 측부를 덮을 수 있다. 이때, 도 5에서 도시되는 것과 같이, 분리막 연장부(S)는 단위체 스택부(1301)의 바닥부를 덮지 않을 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)는 보조 단위체(1350)의 분리막 연장부(S)가 단위체 스택부(1301)의 측부를 덮은 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)가 이와 같은 구성을 가질 경우 전극 조립체의 절연성이 현저히 향상될 수 있다. 보조 단위체(1350)의 분리막 연장부(S)로 인하여 단위체 스택부(1301)의 측부에 도전성 물체가 접촉되는 것이 차단될 수 있기 때문이다.
단위체 스택부(1301) 내의 음극(1313)이 분리막(1315)의 크기와 같기 때문에, 음극(1313)의 가장자리 부분이 외부 도전성 물체와 접촉할 우려가 있을 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)에서처럼 보조 단위체(1350)의 분리막 연장부(S)가 측부에서 음극(1353)의 가장자리 옆 부분을 덮어 보호하면, 전극 조립체(2000)에서 발생할 수 있는 단락 사고가 확실히 방지될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)는 보조 단위체(1350)에 포함되는 분리막(1355)이 단위체 스택부(1301)의 측부를 덮도록 연장됨으로써, 전극 조립체(2000)의 절연성을 현저히 향상시킬 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 전극 조립체(2000)는 보조 단위체(1350)에 포함되는 분리막(1355)의 외측으로 테이프(1370)가 부착될 수 있다. 테이프(1370)는 보조 단위체(1350)의 분리막(1355)이 타이트하게 감싸지도록 부착될 수 있다. 특히 도 5 및 도 6에서 도시되는 것과 같이 테이프(1370)는 분리막 연장부(S)의 외측으로 부착될 수 있다.
테이프(1370)가 이렇게 보조 단위체(1350)의 분리막(1355)의 외측으로 부착되면, 보조 단위체(1350)의 분리막(1355)이 수행하는 절연 역할이 더욱 견고하게 수행될 수 있다. 또한, 보조 단위체(1350)와 단위체 스택부(1301)가 서로 분리되는 것이 방지되며 더욱 견고한 전극 조립체(2000)가 만들어질 수 있다.
[단위체 스택부의 구조]
앞서 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 내부에 포함되는 단위체 스택부는 전극과 분리막이 교대로 적층되어 형성된다고 하였다. 그런데 이러한 단위체 스택부는 좀더 구체적이고 특별한 내부 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 포함되는 단위체 스택부는 기본 단위체를 적층하여 형성되는 구조를 가질 수 있다.
여기서, 단위체 스택부는 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조를 가지거나, 또는 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라, 예를 들어 교호적으로 배치된 구조를 가질 수 있다.
이러한 단위체 스택부의 구체적인 구성을 설명하기 위하여, 이하에서 우선 기본 단위체가 무엇인가에 대한 내용을 살펴본다.
[기본 단위체의 구조]
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1000)에서 기본 단위체는 전극과 분리막이 교대로 배치되어 형성된다. 이때 전극과 분리막은 같은 수만큼 배치된다. 예를 들어, 도 7에서 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 볼 수 있다. 기본 단위체가 이와 같이 형성되면, 기본 단위체의 일측 말단에 전극(도 7과 도 8에서 도면부호 111의 전극 참조)이 위치하게 되고, 기본 단위체의 타측 말단에 분리막(도 7과 도 8에서 도면부호 114의 분리막 참조)이 위치하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(1000)는 기본 단위체의 적층만으로 단위체 스택부를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 즉, 1종의 기본 단위체를 반복적으로 적층하여, 또는 2종 이상의 기본 단위체를 정해진 순서에 따라 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 7에서 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 8에서 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 9에서 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 배치된 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 기본 단위체라 하고, 후자의 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제3 기본 단위체라 한다.
보다 구체적으로 제2 기본 단위체(110c)는 도 10에 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 제3 기본 단위체(110d)는 도 11에 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 기본 단위체(110c)와 제3 기본 단위체(110d)를 하나씩만 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다. 따라서 제2 기본 단위체(110c)와 제3 기본 단위체(110d)를 하나씩 교대로 계속 적층하면, 도 12에서 도시하고 있는 것과 같이 제2 및 제3 기본 단위체의 적층만으로도 단위체 스택부(100b)를 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서, 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 배치된 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가진다. 또한 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 배치하면, 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성된다. 예를 들어, 전술한 제1 기본 단위체는 4층 구조를 가지고, 전술한 제2 기본 단위체와 제3 기본 단위체를 각각 1개씩 총 2개를 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 12층 구조가 형성된다.
따라서 1종의 기본 단위체를 반복적으로 적층하거나, 또는 2종 이상의 기본 단위체를 정해진 순서에 따라 적층하면, 단지 적층만으로도 단위체 스택부를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서, 단위체 스택부는 기본 단위체가 기본 단위체 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 먼저 기본 단위체를 제작한 다음에 이를 반복적으로 또는 정해진 순서에 따라 적층하여 단위체 스택부를 제작한다. 이와 같이 기본 단위체의 적층만으로 단위체 스택부를 형성할 수 있다. 따라서 이 경우 기본 단위체를 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다. 기본 단위체가 정밀하게 정렬되면 전극과 분리막도 단위체 스택부에서 정밀하게 정렬될 수 있다. 또한 단위체 스택부의 생산성을 매우 향상시킬 수 있다. 공정이 매우 단순해지기 때문이다.
[기본 단위체의 제조]
도 13을 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. 이와 같은 접착으로 전극과 분리막이 일체로 결합된 기본 단위체가 제조될 수 있다. 결합의 방법은 다양할 수 있다. 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 같은 과정 중에 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않을 수 있다.
상기와 같이 기본 단위체에서 전극은 인접한 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 7에서 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 분리막 간의 접착력은 단위체 스택부에서 기본 단위체간의 접착력보다 클 수 있다. 물론 기본 단위체간의 접착력은 없을 수도 있다. 이와 같으면 단위체 스택부를 분리할 때 접착력의 차이로 인해 기본 단위체 단위로 분리될 가능성이 높다. 참고로, 접착력은 박리력으로 표현할 수도 있다. 예를 들어, 전극과 분리막 간의 접착력은 전극과 분리막을 서로 떼어낼 때 필요한 힘으로 표현할 수도 있다. 이와 같이 단위체 스택부 내에서 기본 단위체는 인접한 기본 단위체와 결합되지 않거나, 또는 기본 단위체 내에서 전극과 분리막이 서로 결합된 결합력과 다른 결합력으로 인접한 기본 단위체와 결합될 수 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 14와 도 15를 참조하여 보다 상술하면, 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 크기를 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다(도 15의 도면부호 1101a, 1102a, 1103a 참조). 이와 같은 기본 단위체들을 크기에 따라 적층하면, 복수 단의 구조를 가지는 단위체 스택부(100c)가 형성될 수 있다. 도 14와 도 15는 3개의 그룹으로 나뉘는 기본 단위체들(1101a, 1102a, 1103a)이 서로 같은 크기의 기본 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성한 예를 도시하고 있다. 참고로, 한 개의 그룹에 속하는 기본 단위체들이 2개 이상의 단을 형성해도 무방하다.
그런데 이처럼 복수 단을 형성하는 경우, 기본 단위체는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 기본 단위체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 기본 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 및 제3 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 기본 단위체가 필요하게 된다.
그러나 도 15에 도시되어 있는 것과 같이 제1 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 기본 단위체만 필요하게 된다. 따라서 기본 단위체가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성하더라도 기본 단위체의 가짓수를 줄일 수 있다.
또한 예를 들어 제2 및 제3 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 단위체만 적층하면 되므로, 1개의 단은 최소 4층의 구조를 가지게 된다. 따라서 기본 단위체가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성할 때 각 단의 두께를 매우 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 기본 단위체는 서로 다른 크기를 가질 수도 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 단위체들은 크기뿐만 아니라, 모서리 형상에 있어 차이가 있을 수 있고, 천공 유무에 있어 차이가 있을 수 있다. 보다 구체적으로 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이, 3개의 그룹으로 나뉘는 기본 단위체들이 서로 같은 기하학적 형상의 기본 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성할 수도 있다. 이를 위해 기본 단위체는 적어도 2개의 그룹(각 그룹은 서로 다른 기하학적 형상을 가짐)으로 나뉠 수 있다. 이때도 동일하게 기본 단위체는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 기본 단위체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 기본 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 기하학적 형상이 다르더라도 1종의 기본 단위체에 속하는 것으로 본다.)
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
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
1000, 2000: 전극 조립체
1301: 단위체 스택부
1310: 기본 단위체
1311: 양극
1313: 음극
1315: 분리막
1330: 전극 탭
1331: 음극 탭
1350: 보조 단위체
1353: 음극
1355: 분리막
1370: 테이프
S: 분리막 연장부

Claims (17)

  1. 복수 개의 전극 및 분리막이 교대로 적층된 구조를 가지는 단위체 스택부를 포함하며,
    상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 분리막의 크기는 상기 양극보다는 크고, 상기 음극과는 동일하며,
    상기 단위체 스택부의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 전극인 말단 전극에 적층되는 보조 단위체를 더 포함하고,
    상기 보조 단위체에 포함되는 분리막은 상기 단위체 스택부의 측부를 덮도록 연장되는 분리막 부분인 분리막 연장부를 구비하되, 상기 분리막 연장부는 상기 단위체 스택부의 바닥부는 덮지 않고,
    상기 분리막 연장부의 외측으로 테이프가 부착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막의 폭 및 길이는 상기 양극보다는 크고 상기 음극과 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 단위체는 분리막, 음극, 분리막이 순차로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 삭제
  6. 청구항 1, 청구항 2, 및 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서
    상기 단위체 스택부는 (a) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조나, 또는 (b) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라 배치된 구조를 가지며,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고,
    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 전극 조립체.
  7. 청구항 6에 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 전극 조립체.
  8. 청구항 6에 있어서,
    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 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    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 하는 전극 조립체.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 크기를 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉘며,
    상기 단위체 스택부는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 크기에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 청구항 6에 있어서,
    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 하는 전극 조립체.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극은 각각의 기본 단위체 내에서 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전극은 상기 인접한 분리막을 바라보는 면에서 전체적으로 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막 간의 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 전극 조립체.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 인접한 분리막 간의 접착력은 상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 청구항 12에 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 전극 조립체.
  17. 청구항 16에 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 전극 조립체.
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