KR101834035B1 - 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면적이 상기 면적이 상이한 전극 유닛들의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 음극이 대향되고, 상기 경계면에 배치되는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛과 대향되는 면에 양극 활물질이 코팅된 제1영역 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 제2영역을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스에 관한 것이다.

Description

전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스{ELECTRODE ASSEMBLY, BATTERY CELL AND DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛들이 단차가 형성되도록 적층된 전극 조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 전지 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되며, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
한편, 전지 케이스에 수납되는 전극 조립체는 그 형태에 따라, 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 스택 앤 폴딩형(복합형)의 구조로 구분될 수 있다. 통상 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질을 코팅하고, 프레싱한 후, 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리 필름을 이용해 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아서 제조되는 전극 조립체를 말하며, 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하는 방식으로 제조되는 전극 조립체를 말한다. 한편, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체는 단일 전극 또는 음극/분리막/양극으로 이루어진 전극 적층체들을 길이가 긴 하나의 긴 시트형 분리 필름으로 말거나 접어서 제조되는 전극 조립체를 말한다.
그러나, 현재까지 알려진 종래의 전극 조립체들은 일반적으로 동일한 크기의 단위셀이나 개별 전극들을 적층하는 방식으로 제조되기 때문에 형상 자유도가 떨어져 디자인적인 제약이 많았다.
이에 다양한 디자인을 구현하기 위해, 서로 다른 크기를 갖는 전극들 또는 단위셀들을 적층하여 단차가 있는 전지를 제조하는 방안들이 제안되었다. 그러나 현재까지 제안된 단차가 있는 전지들은 양극판 및 음극판을 원하는 면적으로 재단하여 서로 다른 면적의 단위셀들을 만들고 이들을 적층하는 방법으로 제조되는데, 이 경우 각 단의 면적을 조절할 수는 있지만, 각 단의 두께는 단위셀 두께의 배수로 한정되기 때문에 전지의 두께 방향의 디자인 자유도가 그다지 넓지 않다.
또한, 상기 종래 기술들의 경우, 단순히 음극판과 양극판을 원하는 크기로 재단하여 서로 다른 크기의 단위셀들을 형성한 후, 이들을 적층하여 디자인을 변경할 수 있다는 아이디어 정도만을 제시하고 있을 뿐, 실제로 사용가능한 정도의 전지 특성을 갖는 전지를 제조할 수 있는 구체적인 방법은 전혀 제시하고 있지 못하다. 예를 들면, 단차가 있는 전지의 경우, 전지를 구성하는 크기가 다른 단위셀들 각각은 문제없이 작동하더라도, 각 단을 구성하는 단위셀들의 구성에 따라 이들을 적층하였을 때는 작동이 불가능하거나, 동일 부피 대비 전지 용량이 현저하게 떨어진다거나, 충방전이 반복됨에 따라 단과 단 사이의 계면에서 스웰링이 심하게 발생하여 제품 수명이 지나치게 짧은 등의 문제점이 발생하여 실제로 사용할 수 없는 경우가 많다. 그러나 종래 제안된 단차가 있는 전지들의 경우, 이러한 문제점에 대해서 전혀 고려하고 있지 않다.
이에 본 발명자는 부단한 연구 끝에 면적이 상이한 전극 유닛들을 적층한 전극 조립체에서, 면적이 상이한 전극 유닛들 간의 밸런스를 조절함으로써 우수한 전기 용량 및 내구성 특성을 갖는 전극 조립체를 제조할 수 있음을 알아내고, 기출원한 바 있다(한국특허출원 제2013-0028287호, 제2013-0028288호, 제2013-0028289호).
그러나 상기 기출원된 특허들의 경우, 대면적 전극 유닛의 최외각 전극이 음극이여야 한다는 제약이 있기 때문에, 개별 전극 유닛의 두께를 변경하는데 한계가 존재하였다. 한편, 최근 이차 전지들이 적용되는 디바이스의 디자인이 다양화됨에 따라, 전지 디자인에 대한 고객사의 요구 역시 까다로워지고 있는 추세이다. 따라서, 고객사의 요구 조건을 만족시킬 수 있도록 두께 방향의 디자인 자유도가 높은 전지의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래에 비해 두께 방향 디자인 자유도가 현저하게 높고, 우수한 전기 용량 및 내구성 특성을 갖는 것과 같은 장점들을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기셀 및 디바이스를 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 본 발명은 면적이 상이한 2종 이상의 전극 유닛들이 단차가 형성되도록 적층된 전극 조립체이며, 상기 면적이 상이한 전극 유닛들의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 음극이 대향되고, 상기 경계면에 배치되는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛과 대향되는 면에 양극 활물질이 코팅된 제1영역 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 제2영역을 포함하며, 하기 식 1을 만족하도록 형성되는 전극 조립체를 제공한다.
식 1: PL , interface ≤ PL
상기 식 1에서, PL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, PL , interface는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량임.
이때, 상기 제1영역은 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛이 적층되는 부분에 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 제1영역은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 면적 이하의 면적으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛은 그 두께가 서로 상이한 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는 25 ℃에서 500회의 충방전을 실시하였을 때의 전기 용량이 1회 충방전 후의 전기용량 대비 60% 이상이고, 전극 조립체 전체의 두께 변화율이 15% 이하인 것이 바람직하다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 전극 조립체는 하기 식 2 또는 식 2-1을 만족하도록 구성될 수 있다.
식 2: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface
식 2-1: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn +1
상기 식 2 및 식 2-1에서, n은 1 이상의 정수이며, Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, Pn , interface는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량, Pn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량, Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량, Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량임.
한편, 본 발명의 전극 조립체가 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛을 포함하는 경우에는, 하기 식 2-2를 만족하도록 구성될 수 있다.
식 2-2: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn +1 ≤ Nn +2/Pn +2
상기 식 2-2에서, n은 1 이상의 정수이며, Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, Pn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량, Pn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량, Pn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량, Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량, Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량, Nn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량임.
또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 전극 조립체는 하기 식 3을 만족하도록 구성될 수 있다.
식 3: dPL , interface ≤ dPL
상기 식 3에서, dPL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(최외각 양극은 제외함)의 두께, dPL , interface 는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께임.
또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 전극 조립체는 하기 식 4 또는 식 4-1을 만족하도록 구성될 수 있다.
식 4: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface
식 4-1: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn +1
상기 식 4 및 식 4-1에서, n은 1 이상의 정수이며, dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께, dPn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께, dPn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께, dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께, dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
한편, 본 발명의 전극 조립체가 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛을 포함하는 경우에는, 하기 식 4-2를 만족하도록 구성될 수 있다.
식 4-2: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn +1 ≤ dNn +2/dPn +2
상기 식 4-2에서, n은 1 이상의 정수이며, dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께, dPn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께, dPn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께, dPn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께, dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께, dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께, dNn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
한편, 본 발명의 전극 조립체는, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 있어서, 최외각 양극과 음극의 두께 비율은 0.5 내지 2 정도인 것이 바람직하며, 예를 들면, 0.6 내지 1.9, 0.8 내지 1.5, 또는 1.0 내지 1.5 정도, 보다 구체적으로는, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 정도일 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 있어서, 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량에 대한 음극의 단위 면적당 가역 용량의 비율이 약 1 이상인 것이 바람직하며, 예를 들면, 1 ~ 2, 1 ~ 1.5, 1 ~ 1.2, 1 ~ 1.1, 1. 5 ~ 2, 1 ~ 1.09, 1.02 ~ 1.2, 1.02 ~ 1.09 또는 1.05 ~1.09 정도, 보다 구체적으로는, 1.05, 1.06, 1.07, 1.08, 1.09 정도일 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 전극 유닛은 단일 전극; 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 단위셀은 젤리-롤형, 스택형, 라미네이션 앤 스택형 및 스택 앤 폴딩형 단위셀로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 상기 단위셀은 최외각 양면에 배치되는 2개의 전극의 극성이 서로 동일하거나, 상이할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 전극 조립체는, 상기 전극 유닛들을 구성하는 단일 전극 및 단위셀의 일부 또는 전부가 적어도 하나의 길이가 긴 시트형 분리 필름에 의해 감싸져 있는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 전극 유닛은 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 예를 들면, 사각형, 적어도 하나의 모서리가 곡선 형태인 사각형, 사다리꼴 또는 적어도 하나 이상의 변이 곡선 형태인 단면 형상을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체는 단면 형상이 상이한 전극 유닛들의 조합으로 이루어질 수도 있고, 단면 형상이 동일한 전극 유닛들의 조합으로 이루어질 수도 있다.
한편, 본 발명의 상기 전극 유닛들은 적어도 하나 이상의 전극탭을 구비할 수 있으며, 이때, 상기 전극탭들은 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다. 이때, 상기 전극탭들은 그 크기가 동일할 수도 있고, 전극 유닛의 면적에 따라 서로 상이한 크기를 가질 수도 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 면적이 상이한 2종 이상의 전극 유닛들을 다양한 배열로 적층될 수 있다. 전극 유닛의 적층 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 하부 방향에서 상부 방향으로 갈수록 전극 유닛의 면적이 작아지는 배열로 전극 유닛들을 적층할 수도 있고, 반대로, 하부 방향에서 상부 방향으로 갈수록 전극 유닛의 면적이 커지는 배열로 전극 유닛들을 적층할 수도 있으며, 또는 가장 면적이 큰 전극 유닛이 전극 조립체의 중간층에 배열되는 방식으로 전극 유닛들을 적층할 수도 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 유닛들은 각각의 전극 유닛의 평면 방향의 중심점이 일치되는 배열로 적층되거나, 또는, 각각의 전극 유닛의 평면 방향의 중심점이 소정의 간격으로 이격되어 있는 배열로 적층되거나, 또는 각각의 전극 유닛의 일 모서리가 일치되는 배열로 적층될 수도 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 본 발명의 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제공한다. 이때, 상기 전지 케이스는, 이로써 제한되는 것은 아니나, 파우치형 케이스일 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 전지 케이스는, 바람직하게는, 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 본 발명의 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다. 이때, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등일 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 전지셀의 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치할 수 있다.
본 발명의 전극 조립체는 대면적 전극 유닛의 최외각에 양극을 배치할 수 있도록 구성되어 종래에 비해 전극 유닛의 두께에 대한 제한이 적고, 그 결과 고객이 요구하는 두께 조건을 만족하는 전극 조립체를 제공할 수 있도록 하였다.
또한, 본 발명의 전극 조립체는, 대면적 전극 유닛 내의 양극들 간의 단위 면적당 가역용량 또는 두께가 특정한 조건을 만족하도록 함으로써, 상용화 가능한 수준의 우수한 전기 용량 및 내구성 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 조립체의 사시도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 전극 조립체의 전개도이다.
도 3은 도 1의 전극 조립체를 A-A' 방향으로 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극 조립체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 전극 조립체의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 전극 조립체의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 전극 유닛들의 적층예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다.
도 11은 실시예 1에 의해 제조된 전극 조립체의 충방전 횟수에 따른 전기 용량 및 두께 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 비교예 1 및 2에 의해 제조된 전극 조립체의 충방전 횟수에 따른 전기 용량 및 두께 변화를 보여주는 그래프이다.
먼저 본 발명의 용어에 대해 설명한다.
본 발명에 있어서, '면적'은 전극 유닛들의 적층 방향에 대하여 수직하는 방향(이하, '평면 방향'이라 함)의 표면 면적을 의미한다.
또한, 본 발명에 있어서, '전극 유닛'은 단차가 있는 전극 조립체에 있어서의 한 층을 구성하는 기본 단위를 지칭하는 것으로, 각각의 전극 유닛들은 음극 또는 양극과 같은 단일 전극; 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, '대향'이라는 용어는 서로 마주 보는 방향에 배치되어 있는 것을 의미하는 것으로, 대향되는 두 전극이 서로 접촉하고 있을 필요는 없으며, 두 전극 사이에 다른 구성요소들, 예를 들면, 분리막 및/또는 시트형 분리 필름이 개재되어 있는 경우를 포괄하는 개념이다.
본 발명에 있어서, '단위셀'이라는 용어는 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 분리막을 포함하는 전극 적층체를 모두 포함하는 개념으로, 단위셀에서의 음극, 양극 및 분리막의 적층 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 상기 '단위셀'이라는 용어는, 시트형 음극 및 시트형 양극을 분리막 필름을 이용하여 격막한 후, 나선형으로 감아서 제조되는 젤리-롤 방식으로 제조된 전극 적층체; 적어도 하나 이상의 음극, 적어도 하나 이상의 분리막, 적어도 하나 이상의 양극을 순차적으로 적층하여 제조되는 스택 방식으로 제조된 전극 적층체; 또는 단일 전극 및/또는 적어도 하나 이상의 양극, 분리막, 음극들이 적층된 전극 적층체들을 길이가 긴 시트형 분리 필름 상에 배치한 다음 폴딩하는 스택 앤 폴딩 방식으로 제조되는 전극 적층체들을 모두 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 단위셀들은 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극 등과 같이 단위셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 동일한 극성을 갖는 것일 수도 있고, 양극/분리막/음극 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극과 같이 단위셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 반대의 극성을 갖는 것일 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 스택 방식으로 제조된 전극 적층체는, 양극, 분리막, 음극을 하나씩 순차적으로 적층하는 전통적인 방식으로 제조되는 것뿐 아니라, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 라미네이션(lamination)하여 전극 단위체를 형성한 다음, 이 전극 단위체들을 적층(stacking)하는 방식(이하 '라미네이션 앤 스택 방식'으로 지칭됨)으로 제조된 전극 적층체를 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우, 상기 전극 단위체는 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 포함하는 것이면 되고, 그 구성이 특별히 제한되는 것은 아니다.
그러나, 공정의 간편성 및 경제성의 관점에서, 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우에는 전극 단위체는 제1전극/분리막/제2전극/분리막 또는 분리막/제1전극/분리막/제2전극으로 이루어진 기본 구조를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1전극과 제2전극의 서로 다른 극성을 갖는 전극으로, 양극 또는 음극일 수 있으며, 상기 전극 단위체는 하나 또는 복수개의 기본 구조를 포함할 수 있다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체는 상기한 기본 구조를 포함하는 전극 단위체만으로 구성되어도 되고, 상기 기본 구조를 갖는 전극 단위체와 다른 구조의 전극 구조체를 조합하여 사용하여도 무방하다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 '스택 앤 폴딩'이라는 용어는, 길이가 긴 시트형 분리 필름 상에 단일 전극 및/또는 적어도 하나 이상의 양극, 분리막, 음극들이 적층된 전극 적층체들을 배치한 다음 폴딩하는 방식을 통칭하는 것으로, 폴딩 방식은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 폴딩 방식, 예를 들면, 시트형 분리 필름을 지그재그 형태로 접는 방식(Z-폴딩형 또는 병풍형으로 지칭됨), 시트형 분리 필름의 일면에 적어도 하나 이상의 음극과 양극을 분리막을 개재하여 적층시킨 전극 적층체들을 배치한 다음 감아서 마는 방식, 또는 시트형 분리 필름의 양면에 단일 전극들을 교대로 배치한 다음 시트형 분리 필름을 감아서 마는 방식 등과 같은 다양한 폴딩 방식들을 모두 포괄하는 개념으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서는 편의상 젤리-롤 방식으로 제조된 단위셀을 젤리-롤형 단위셀로, 스택 방식으로 제조된 단위셀을 스택형 단위셀로, 스택 앤 폴딩 방식으로 제조된 단위셀을 스택 앤 폴딩형 단위셀로 지칭하기로 한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기 도면은 본 발명의 이해를 원활하게 하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위가 도면에 기재된 범위로 한정되는 것은 아니다. 또한 하기 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 발명의 원활한 이해를 위해 일부 구성요소가 과장, 축소 또는 생략되어 표현될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 전극 조립체의 일 실시예의 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 전극 조립체의 전개도가 도시되어 있고, 도 3에는 상기 도 1의 전극 조립체를 A-A' 방향으로 절단한 단면도가 개시되어 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는, 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛들(110, 120)이 단차가 형성되도록 적층된 전극 조립체이며, 상기 면적이 상이한 전극 유닛들(110, 120)의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(120)의 양극(40a)과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(110)의 음극(50)이 대향(對向)되고, 상기 경계면에 배치되는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(120)의 최외각 양극(40a)은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(110)과 대향되는 면에 양극 활물질이 코팅된 제1영역(42) 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 제2영역(44)을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 전극 조립체는 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛을 단차가 형성되도록 적층함으로써, 종래에 비해 다양한 형상의 전지를 구현할 수 있도록 한다. 이때, 상기 전극 유닛들의 면적의 차이는, 전극 유닛들이 적층되었을 때, 단차를 형성할 수 있는 정도이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니며, 원하는 전지의 디자인 등을 고려하여 자유롭게 조절될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 구현예에서, 전극 조립체에 포함되는 두 개의 전극 유닛을 비교할 때, 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(이하, 편의상, 소면적 전극 유닛이라 함)은, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(이하, 편의상, 대면적 전극 유닛이라 함)의 면적을 100%라 할 때, 약 20% 내지 95%의 범위, 바람직하게는 약 30 내지 90%의 범위의 면적을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는, 도 2에 도시된 바와 같이, 면적이 상이한 전극 유닛들의 경계면에서 대면적 전극 유닛(120)의 양극(40a)과 소면적 전극 유닛(110)의 음극(50)이 대향(對向)되고, 상기 경계면에 배치되는 대면적 전극 유닛(120)의 최외각 양극(40a)은 소면적 전극 유닛(110)과 대향되는 면에 양극 활물질이 코팅된 제1영역(42) 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 제2영역(44)을 포함하도록 형성된다. 본 발명은 상기와 같이 대면적 전극 유닛의 최외각에 양극 활물질이 부분 코팅된 양극을 배치하고, 상기 최외각 양극(40a)이 소면적 전극 유닛의 음극과 대향되도록 함으로써, 전극 유닛 간의 경계면에서도 전기를 저장할 수 있도록 하여 전기 용량을 증가시킬 수 있도록 하였다. 또한, 상기와 같은 구성을 통해 전극 유닛들의 두께를 자유롭게 조절할 수 있도록 하였다.
한편, 상기 제1영역(42), 즉, 양극 활물질이 코팅된 부분은 소면적 전극 유닛이 적층되는 영역에 대응되는 부분에 형성되는 것이 바람직하며, 그 면적은 소면적 전극 유닛의 면적 이하인 것이 바람직하다. 제1영역의 위치 및 면적이 상기 조건을 만족하지 못할 경우, 상기 제1영역으로부터 리튬 금속이 석출되어 전지 수명이 단축시키거나, 전지의 안정성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. 바람직하게는 상기 제1영역(42)의 면적은 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛, 즉 소면적 전극 유닛의 면적의 100% 이하, 바람직하게는 95% 내지 97% 정도일 수 있다.
다음으로, 상기 제2영역(44)은 양극 활물질이 코팅되지 않은 부분으로, 양극 활물질을 포함하지 않는 바인더 수지로 코팅되거나, 절연 테이프 등을 이용한 절연층으로 형성될 수도 있고, 제2영역에 해당되는 부분에 별도의 코팅 없이 집전체가 노출되도록 형성하여도 무방하다. 다만, 전극 조립체의 구조적 안정성을 감안할 때, 제2영역 부분에 코팅층 또는 절연층이 형성되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 각각의 전극 유닛의 두께는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 대면적 전극 유닛이 소면적 전극 유닛보다 얇은 두께를 가질 수도 있고, 두꺼운 두께를 가질 수도 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체가 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛을 포함할 경우에는 대면적 전극 유닛과 소면적 전극 유닛의 경계면이 2 이상 발생하게 된다. 이 경우, 상기 대면적 전극 유닛과 소면적 전극 유닛의 경계면 중 적어도 하나의 경계면에서 대면적 전극의 양극과 소면적 전극의 음극이 대향되면 되고, 모든 경계면에서 대면적 전극의 양극과 소면적 전극의 음극이 대향될 필요는 없다.
도 4 내지 도 6에는 면적이 상이한 전극 유닛을 3개 포함하는 전극 조립체들의 구현예들이 도시되어 있다. 편의상, 가장 면적이 큰 전극 유닛을 대면적 전극 유닛, 중간 면적의 전극 유닛을 중면적 전극 유닛, 가장 면적이 작은 전극 유닛을 소면적 전극 유닛이라 지칭하기로 한다.
본 발명의 전극 조립체는, 도 4에 도시된 바와 같이, 대면적 전극 유닛과 중면적 전극 유닛 간의 경계면에서는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(즉, 대면적 전극 유닛)의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(즉, 중면적 전극 유닛)의 음극이 대향되도록 배치되고, 중면적 전극 유닛과 소면적 전극 유닛 간의 경계면에서는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(즉, 중면적 전극 유닛)의 음극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(즉, 소면적 전극 유닛)의 양극이 대향되도록 구성될 수 있다.
또는, 본 발명의 전극 조립체는, 도 5에 도시된 바와 같이, 대면적 전극 유닛과 중면적 전극 유닛 간의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(즉, 대면적 전극 유닛)의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(즉, 중면적 전극 유닛)의 음극이 대향되도록 배치되고, 중면적 전극 유닛과 소면적 전극 유닛 간의 경계면에서도 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(즉, 중면적 전극 유닛)의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(즉, 소면적 전극 유닛)의 음극이 대향되도록 구성될 수 있다.
또는, 본 발명의 전극 조립체는, 도 6에 도시된 바와 같이, 대면적 전극 유닛과 중면적 전극 유닛 간의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(즉, 대면적 전극 유닛)의 음극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(즉, 중면적 전극 유닛)의 양극이 대향되도록 배치되고, 중면적 전극 유닛과 소면적 전극 유닛 간의 경계면에서도 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛(즉, 중면적 전극 유닛)의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛(즉, 소면적 전극 유닛)의 음극이 대향되도록 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 6를 통해, 본 발명과 같이, 전극 유닛들 간의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 음극이 배치되는 조합을 포함하는 경우, 전극 유닛의 두께를 매우 자유롭게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체와 같이, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극으로 양극 활물질이 부분 코팅된 양극을 사용할 경우, 상용화가 가능한 용량 및 내구성을 갖는 전극 조립체를 제조하기 위해서는, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛이 하기 식 1을 만족하도록 형성되어야 한다.
식 1: PL , interface ≤ PL
상기 식 1에서, PL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, PL , interface는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량이다.
본 발명자들의 연구에 따르면, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 양극 및 최외각 양극이 상기 식 1을 만족하지 못할 경우, 충방전이 반복됨에 따라, 대면적 전극 유닛의 음극과 최외각 양극 사이에서 스웰링이 발생하거나, 전지 용량이 급격히 저하되는 문제가 발생하였다.
이에 반해, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛이 상기 식 1을 만족하도록 형성된 전극 조립체의 경우, 25℃에서 500회의 충방전을 실시하였을 때의 전기 용량이 1회 충방전 후의 전기용량 대비 60% 이상이고, 전극 조립체 전체의 두께 변화율이 15% 이하 정도로 내구성 및 전기 용량이 매우 우수하게 나타났다.
이때, 상기 전기 용량은 하기와 같은 충전 조건(A) 및 방전 조건(B) 하에서 측정된 전기 용량을 의미한다. 한편, 충전과 방전 사이에는 10분의 휴지 시간을 두었다.
충전 조건 (A): 1C으로 정전류(constant Current)모드에서 4.25V 또는 4.35V까지 충전한 후, 정전압(constant Voltage) 모드로 전환하여 충전 전류의 양이 전지의 최소 용량의 1/20이 될 때까지 전류를 흘려 보낸 후 충전을 종료하였다.
방전 조건(B): 정전류(constant Current)모드로 1C의 방전 전류를 흘려보내고, 전압이 3V에 도달하면 방전을 종료하였다.
한편, 상기 전극 조립체의 두께 변화율은 (500회 충방전 실시 후의 전극 조립체 전체의 두께 / 1회 충방전 실시 후의 전극 조립체 전체의 두께)× 100을 의미한다.
보다 바람직하게는, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛은 하기 식 1-1을 만족하도록 형성될 수 있다.
식 1-1: PL , interface ≤ PL ≤ NL
상기 식 1-1 에서, PL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, PL , interface는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량, NL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 음극의 단위 면적당 가역용량이다.
이때, 상기 음극의 단위 면적당 가역 용량은 단위 면적당 음극 충전 용량[mAh/cm2] × 음극 효율[%]로 정의된 값을 의미하는 것이고, 상기 단위 면적당 음극 충전 용량은 단위 면적당 음극 활물질의 로딩량 [g/cm2] × 단위 무게당 음극 충전 용량 [mAh/g]로 정의되는 값을 말하며, 상기 음극 효율은 음극의 충전 용량에 대한 음극의 방전 용량의 비 × 100으로 정의된 값을 말한다. 또한, 상기 양극의 단위 면적당 가역용량은, 양극 활물질의 로딩량[g/cm2] × 단위 무게당 양극 충전 용량 [mAh/g] - 음극의 단위 면적당 비가역용량[mAh]으로 정의되는 값을 의미한다.
한편, 음극 활물질 로딩량은 음극 집전체에 코팅되는 음극 활물질의 단위 면적당 무게를 의미하며, 양극 활물질 로딩량은 양극 집전체에 코팅되는 양극 활물질의 단위 면적당 무게를 의미한다. 또한, 상기 단위 무게당 양극 및 음극의 충전 용량, 방전 용량 및 비가역용량은 각각 하기와 같은 방법을 통해 측정될 수 있다.
1) 단위 무게당 양극의 충전 용량
평가하고자 하는 양극을 반전지(half Cell)로 만든 후, 상대 전극을 리튬 금속으로 구성하고, 0.1C의 정전류 하에서 충전하여 작용 전극 전위가 4.25V에 도달했을 때 전기 용량을 측정하였다. 그런 다음, 측정된 전기 용량을 양극 반전지의 활물질 무게로 나눈 값을 단위 무게당 양극의 충전용량으로 한다.
2) 단위 무게당 음극의 충전 용량
평가하고자 하는 음극을 반전지(half Cell)로 만든 후, 상대 전극을 리튬 금속으로 구성하고, 0.1C의 정전류 하에서 충전하여 작용 전극 전위가 1.6V에 도달하였을 때의 전기 용량을 측정하였다. 그런 다음, 측정된 전기 용량을 음극 반전지의 활물질 무게로 나눈 값을 단위 무게당 음극의 충전용량으로 한다.
3) 단위 무게당 음극의 방전 용량
평가하고자 하는 음극을 반전지(half Cell)로 만든 후, 상대 전극을 리튬 금속으로 구성하고, 0.1C의 정전류 하에서 충전하여 작용 전극 전위가 1.6V에 도달 후 0.1C의 정전류 하에서 방전하여 작용 전극 전위가 0V 때의 전기 용량을 측정하였다. 그런 다음, 측정된 전기 용량을 음극 반전지의 활물질 무게로 나눈 값을 단위 무게당 음극의 충전용량으로 한다.
4) 단위 무게당 음극의 비가역 용량:
상기와 같은 방식으로 측정된 음극의 충전 용량과 방전 용량의 차이를 음극 반전지의 활무질의 무게로 나눈 값이다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는 하기 식 2를 만족하도록 구성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 하기 식 2-1을 만족하도록 구성될 수 있다.
식 2: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface
식 2-1: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn +1
상기 식 2 및 식 2-1에서, n은 1 이상의 정수이며, Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, Pn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량, Pn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량, Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량, Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량이다.
본 발명의 전극 조립체가 상기 식 2 또는 식 2-1을 만족하지 못할 경우, 각각의 전극 유닛들이 제대로 구동되더라도, 이를 적층한 전극 조립체가 제대로 구동하지 않거나, 충방전이 반복됨에 따라, 스웰링이 발생하거나, 전지 용량이 급격히 저하되는 문제 등이 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체가 크기가 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛을 포함하는 경우에는, 하기 식 2-2를 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.
식 2-2: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn +1 ≤ Nn +2/Pn +2
상기 식 2-2에서, n은 1 이상의 정수이며, Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량, Pn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량, Pn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량, Pn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량, Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량, Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량, Nn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량이다.
면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들의 조합을 포함하는 경우에는 전극 유닛들 간의 경계면이 2 이상 발생하게 되는데, 이들 상기 2 이상의 경계면에서의 양극과 음극 간의 밸런스가 조절되지 않으면, 구조적 변형에 따른 전지 안정성 및 성능의 저하될 수 있다. 본 발명자들의 연구에 따르면, 면적이 상이한 3 종류 이상의 전극 유닛들의 조합을 포함하는 경우, 각 전극 유닛들 간의 양극과 음극의 단위 면적당 가역 용량의 비율이 식 2-2를 만족하도록 구성될 경우, 구조적 변형에 따른 전지 안정성 및 성능의 저하를 최대한 억제할 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 있어서, 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량에 대한 음극의 단위 면적당 가역 용량의 비율이 약 1 이상인 것이 바람직하며, 예를 들면, 1 ~ 2, 1 ~ 1.5, 1 ~ 1.2, 1 ~ 1.1, 1. 5 ~ 2, 1 ~ 1.09, 1.02 ~ 1.2, 1.02 ~ 1.09 또는 1.05 ~1.09 정도, 보다 구체적으로는, 1.05, 1.06, 1.07, 1.08, 1.09 정도일 수 있다. 본 발명자들의 연구에 따르면, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에서 최외각 양극에 대한 음극의 단위 면적당 가역 용량 비율이 1 이상인 조건을 만족하는 범위 내에서는 전극 유닛의 면적이나 두께 등을 비교적 자유롭게 변경시켜도 상용 가능한 수준의 전지 용량 및 내구성을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 그러나, 최외각 양극에 대한 음극의 단위 면적당 가역 용량 비율이 1 미만인 경우에는, 스웰링이 발생하여 전지 안정성 및 전극 효율이 급격하게 저하되는 것으로 나타났다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛은 하기 식 3을 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다.
식 3: dPL , interface ≤ dPL
상기 식 3에서, dPL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께, dPL , interface 는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께임.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에서, 최외각 양극의 두께에 대한 음극의 두께의 비율(즉, 음극 두께/최외각 양극 두께)은 0.5 내지 2 정도일 수 있으며, 바람직하게는 0.7 내지 1.8, 보다 바람직하게는 1.0 내지 1.4 정도일 수 있다. 대면적 전극 유닛에서의 최외각 양극과 음극의 두께 비율이 0.5 미만인 경우에는 양극의 리튬 이온을 받을 수 있는 음극의 자리가 부족하여 리튬이온이 석출되어 성능 및 설계한 용량 대비 낮은 용량을 보일 수 있고, 2를 초과할 경우에는 초기 충전 시 리튬 이온을 받을 수 있는 음극의 사이트가 많아져 비가역 용량이 커지고 설계한 용량 대비 실제 용량이 낮으며 과도한 량의 음극이 사용되어 전지 밀도 대비 용량의 효율인 에너지 밀도가 낮아질 뿐 아니라, 코팅력이 저하되어 음극 활물질이 탈리되는 등의 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 양극 및 음극의 두께는, 이온 밀링 방지(CP, cross section polisher)를 이용하여 전극 조립체를 절단하여 단면을 노출시킨 다음, SEM 장비를 이용하여 단면을 스캔함으로써 측정될 수 있다. 이때, 상기 양극 및 음극의 두께는 전극 집전체와 전극 활물질층을 모두 포함하는 두께를 말하며, 예를 들면, 전극 활물질층이 단면에 코팅되어 있는 단면 전극의 경우에는 활물질층과 집전체를 합한 두께를 의미하고, 전극 활물질층이 양면에 코팅되어 있는 양면 전극의 경우, 즉 활물질층/집전체/활물질층로 이루어진 전극의 경우에는 2개의 활물질층과 집전체를 합한 두께를 의미한다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 전극 조립체에 포함되는 양극과 음극의 두께는 하기 식 4 또는 식 4-1을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.
식 4: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface
식 4-1: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn +1
상기 식 4 및 식4-1에서, n은 1 이상의 정수이며, dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께, dPn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께, dPn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께, dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께, dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
한편, 본 발명의 전극 조립체가 크기가 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛을 포함하는 경우에는, 본 발명의 전극 조립체는 하기 식 4-2를 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.
식 4-2: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn +1 ≤ dNn +2/dPn +2
상기 식 4-2에서, n은 1 이상의 정수이며, dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께, dPn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께, dPn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께, dPn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께, dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께, dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께, dNn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
본 발명의 전극 조립체가 상기 식 4, 4-1 또는 4-2를 만족하도록 구성될 경우, 구조적 변형에 따른 전지 안정성 및 성능의 저하를 최대한 억제할 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 포함되는 각각의 양극 및 음극의 두께, 공극율, 로딩량 등이 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 전극 조립체에 포함되는 양극 및 음극의 두께는, 사용되는 전극 활물질의 종류, 구현하고자 하는 전지 용량 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 양극의 두께는 50 ~ 150㎛, 80 ~ 140㎛ 또는 100 ~ 150㎛ 정도일 수 있고, 상기 음극의 두께는 80 ~ 200㎛, 100 ~ 200㎛ 또는 100 ~ 150㎛ 정도일 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 포함되는 양극 및 음극에 있어서, 전극 활물질의 단위 면적당 코팅량(로딩량이라고도 함)은 특별히 한정되는 것은 아니며, 사용되는 전극 활물질의 종류, 구현하고자 하는 전지 용량 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 양극 활물질의 단위 면적당 코팅량은, 10mg/cm2 내지 30 mg/cm2 정도, 10mg/cm2 내지 25 mg/cm2 정도, 또는 15mg/cm2 내지 30 mg/cm2 정도일 수 있으며, 음극 활물질의 단위 면적당 코팅량은 5mg/cm2 내지 20 mg/cm2 정도, 5 mg/cm2 내지 15 mg/cm2 정도, 또는 10mg/cm2 내지 20 mg/cm2정도일 수 있다.
또한, 상기 양극 및 음극에 있어서, 공극율(porosity)은 특별히 한정되는 것은 아니며, 사용되는 전극 활물질의 종류, 구현하고자 하는 전지 용량 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 양극의 공극율은 10 ~ 30% 정도, 15 내지 30% 정도, 또는 10 ~ 25% 정도일 수 있으며, 음극의 공극율은 15 내지 50% 정도, 20 ~ 50% 정도 또는 15 내지 40% 정도일 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 하나의 전극 유닛은 단일 전극, 적어도 하나 이상의 단위셀 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 단위셀로는 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 다양한 단위셀들, 예를 들면, 스택형, 젤리롤형, 스택 앤 폴딩형 단위셀 및/또는 이들의 조합이 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 있어서 각각의 전극 유닛은, 도 3의 전극 유닛들, 도 4의 소면적 전극 유닛, 또는 도 5의 중면적 전극 유닛과 대면적 전극 유닛 등과 같이, 스택형 단위셀로 이루어질 수도 있고, 도 4의 중면적 전극 유닛과 같이 단일 전극으로 이루어질 수도 있다. 또한, 도 4의 대면적 전극 유닛과 같이 스택 앤 폴딩형 단위셀로 이루어질 수도 있다. 또한, 도 5의 소면적 전극 유닛과 같이, 젤리-롤형 단위셀로 이루어질 수도 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체는 도 3과 같이 동일한 방식으로 제조된 전극 유닛들을 적층하여 형성된 것일 수도 있고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 다른 방식으로 제조된 전극 유닛들을 적층하여 형성된 것일 수도 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는, 전극 유닛들을 구성하는 단일 전극 및 단위셀들의 일부 또는 전부가 적어도 하나의 시트형 분리 필름에 의해 감싸 있는 구조로 이루어질 수도 있다.
한편, 본 발명의 상기 전극 조립체에 포함되는 양극, 음극 및 분리막의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극, 음극 및 분리막들을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 음극 전류 집전체에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 양극은, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 양극 전류 집전체에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 이때, 하나의 단위셀을 구성하는 양극과 음극에서 전극 활물질이 코팅되는 면적은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
한편, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 유닛들은 적어도 하나 이상의 전극탭을 구비할 수 있다. 전극 유닛이 단일 전극으로 구성될 경우(예를 들면, 도 4의 중면적 전극 유닛)에는 하나의 전극탭만 구비하며, 단위셀을 포함하여 구성될 경우에는 음극 전극탭과 양극 전극탭을 모두 구비하는 것이 일반적이다. 상기 전극탭들은 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다. 한편, 본 발명에 있어서, 상기 전극탭들의 면적이나 배열 위치 등은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들면, 본 발명에 있어서, 각각의 전극 유닛에 구비되는 전극탭들은 그 면적이 서로 동일하거나, 상이할 수 있다. 종래에는 전극 조립체에 포함되는 전극 유닛들의 면적이 동일하였으므로 동일한 면적의 전극탭을 사용하는 것이 일반적이었으나, 본 발명의 경우, 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛을 포함하므로, 전극 유닛마다 최적화된 전극탭의 크기가 다를 수 있다. 따라서, 본 발명의 전극 조립체에 있어서는 전극 유닛의 면적에 따라 각기 다른 면적을 갖는 전극탭을 선택하는 것이 전기 용량을 최대화하는데 보다 유리할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전극탭들은 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 예를 들면, 동일한 극성의 전극탭들의 일부 또는 전부가 중첩되도록 배치될 수 있다. 종래의 전극 조립체들의 경우, 전지 케이스 삽입 후 전극 탭들의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해서는, 동일한 극성의 전극탭들이 전부 중첩되도록 배치하는 것이 일반적이었다. 다만 이 경우, 전극 적층수가 많아질 경우 전극탭의 두께가 두꺼워지면서 전극탭간의 접합성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 전극탭들의 전부 중첩되게 배치하지 않고 일부만 중첩되게 배치할 경우, 상기와 같은 문제점을 상당 부분 감소시킬 수 있을 것이다.
특히, 본 발명의 전극 조립체와 같이, 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛을 사용하는 경우라면, 전극 유닛의 면적에 따라 면적이 상이한 전극탭을 사용하고, 이들 전극탭들이 일부만 중첩되도록 배열함으로써, 전기 용량을 극대화하면서, 전극탭의 접합성도 향상시킬 수 있다. 도 7에는 본 발명의 전극 조립체에 적용될 수 있는 전극탭의 일 구현예가 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는, 전극 유닛에 따라 면적이 상이한 전극탭(10, 20, 30)들을 사용하고, 이 중의 일부 전극탭들만 중첩되도록 전극탭들을 배열할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 전극 유닛들은 그 형상이 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전극 유닛들은 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 마름모꼴 등과 같은 사각 형상으로 형성될 수도 있고, 하나 이상의 모서리가 모따기되거나, 곡선으로 이루어진 사각 형상일 수도 있으며, 하나 이상의 변이 곡선으로 이루어진 형상일 수도 있다. 이외에도 다양한 형태의 전극 유닛들이 존재할 수 있으며, 이러한 변형예들은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는, 동일한 형상의 전극 유닛들을 적층하여 이루어질 수도 있고, 도 10에 도시된 바와 같이, 상이한 형상의 전극 유닛들을 조합하여 사용할 수도 있다. 이와 같이 전극 유닛의 형상을 다양하게 형성함으로써, 다양한 형태의 배터리 디자인을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 공간 활용도도 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 면적이 상이한 2종 이상의 전극 유닛들을 다양한 배열로 적층될 수 있다. 전극 유닛의 적층 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 도 8의 (A), (B), (D)에 도시된 바와 같이, 하부 방향에서 상부 방향으로 갈수록 전극 유닛의 면적이 작아지는 배열로 전극 유닛들을 적층할 수도 있고, 도 8의 (E)에 도시된 바와 같이, 하부 방향에서 상부 방향으로 갈수록 전극 유닛의 면적이 커지는 배열로 전극 유닛들을 적층할 수도 있으며, 또는 도 8의 (C)에 도시된 바와 같이, 가장 면적이 큰 전극 유닛이 전극 조립체의 중간층에 배열되는 방식으로 전극 유닛들을 적층할 수도 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 유닛들은, 예를 들면, 도 8의 (A)에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 유닛의 일 모서리가 일치하는 계단형 배열로 적층될 수도 있고, 도 8의 (B)에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 유닛의 평면 방향 중심점이 일치되는 피라미드형 배열로 적층될 수도 있고, 또는 도 8의 (D)에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 유닛의 평면 방향 중심점이 소정의 간격 또는 불규칙하게 이격되어 있는 배열로 적층될 수도 있다. 이외에도 매우 다양한 적층 배열의 변형이 가능하며, 이러한 다양한 변형예들은 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
다음으로, 본 발명의 전지셀에 대해 설명한다. 도 9 및 도 10에는 본 발명의 전지셀의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전지셀(900)은 전지 케이스(910) 내부에 본 발명의 전극 조립체(100)이 내장되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전지 케이스(910)는 파우치형 케이스일 수 있으며, 전극 조립체의 형상에 대응되는 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 파우치형 케이스는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전지 케이스는 전극 조립체의 전극 유닛들의 전기 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드(920, 930)가 외부로 노출된 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 도시되지는 않았으나, 상기 전극 리드의 상하면에는 전극 리드를 보호하기 위한 절연 필름이 부착될 수 있다.
또한, 상기 전지 케이스는, 본 발명의 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있으며, 이러한 전지케이스의 형상은 전지케이스 자체를 변형하여 형성하는 방식으로 형성될 수 있다. 이때, 전지케이스의 형상 및 크기가 전극 조립체의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다. 한편, 본 발명의 전지 케이스의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 전지 케이스가 사용될 수 있다.
한편, 상기 전지셀은 바람직하게는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 본 발명의 전지셀은 단독으로 사용될 수도 있고, 전지셀을 적어도 하나 이상 포함하는 전지팩의 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 본 발명의 전지셀 및/또는 전지팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩이 상기와 같은 디바이스에 장착될 경우, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩의 구조로 인해 형성된 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하도록 할 수 있다. 본 발명의 전지셀 또는 전지팩은 크기가 상이한 전극 조립체로 형성되기 때문에 전극 조립체 자체가 단차가 있는 형태로 형성되며, 전지 케이스를 전극 형상에 맞춰 형성하고, 이를 디바이스 장착할 경우, 종래의 각형 또는 타원형 전지셀 또는 전지팩에는 없었던 잉여의 공간이 발생하게 된다. 이와 같은 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품을 장착할 경우, 디바이스의 시스템 부품과 전지셀 또는 전지팩을 유연하게 배치할 수 있으므로 공간 활용도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 전제 디바이스의 두께나 부피를 감소시켜 슬림한 디자인을 구현할 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 구현예들을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예의 범위로 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 양극 A
양극 활물질로 LiCoO2, 바인더로 PVDF(PolyVinyliDene Fluoride)를 사용하였으며, 상기 양극 활물질과 바인더를 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-Pyrrolidone, NMP)에 녹인 후, 믹싱하여 양극 페이스트를 제조하였다. 상기 양극 페이스트를 15㎛두께의 알루미늄 호일 집전체 양면에 도포한 후, 150도 오븐에서 건조한 다음 프레스하여 양극 A를 제조하였다. 제조된 양극 A는 두께가 99㎛, 공극율이 21%였으며, 가역 용량은 325mAh였다.
제조예 2: 양극 B
양극의 두께가 109㎛가 되도록 한 점을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법으로 양극 B를 제조하였다. 제조된 양극 B는 두께가 109㎛, 공극율이 21%였으며, 가역 용량은 334mAh였다.
제조예 3: 양극 C
제조예 1에 의해 제조된 양극 페이스트를 15㎛두께의 알루미늄 호일 집전체 일면의 전면에 도포하고, 상기 알루미늄 호일 집전체의 타면에는 80mm×120mm 면적에만 도포한 후, 150도 오븐에서 건조한 다음 프레스하여 최외각 양극 C를 제조하였다. 이때, 상기 제조된 양극 C의 두께는 105㎛, 공극율이 21%였으며, 가역 용량은 332mAh였다.
제조예 3: 음극 A
음극 활물질로 천연 흑연과 인조 흑연을 블렌드 재료, 바인더로 스티렌-부타디엔 고무(Styrene-Butadiene Rubber, SBR) 및 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl Cellulose, CMC)을 사용하였으며, 상기 음극 활물질과 바인더를 증류수에 녹인 후, 혼합하여 음극 페이스트를 제작하였다. 이와 같이 얻어진 페이스트를 10㎛두께의 구리 호일 집전체 양면에 도포한 후, 100도 오븐에서 열처리한 후 프레스하여 음극 A를 제조하였다. 제조된 음극 A은 두께가 104㎛, 공극율이 27%였으며, 가역 용량은 343mAh였다.
실시예 1
양극 B, 양극 C 및 음극 A를 100mm×150mm로 재단한 후, 각각의 전극 사이에 분리막을 개재하여 양극 B/ 음극 A/양극 C의 순서로 적층하여 대면적 전극 유닛을 제조하였다. 그런 다음, 양극 A 및 음극 A를 80mm×120mm로 재단한 후, 음극 A/양극 A 순서로 적층하여 소면적 전극 유닛을 제조하였다. 그런 다음, 대면적 전극 유닛의 양극 C 상에 분리막을 개재하여 소면적 전극 유닛을 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
비교예 1
양극 A, 양극 C 및 음극 A를 100mm×150mm로 재단한 후, 각각의 전극 사이에 분리막을 개재하여 양극 A/ 음극 A/양극 C의 순서로 적층하여 대면적 전극 유닛을 제조하였다. 그런 다음, 양극 A 및 음극 A를 80mm×120mm로 재단한 후, 음극 A/양극 A 순서로 적층하여 소면적 전극 유닛을 제조하였다. 그런 다음, 대면적 전극 유닛의 양극 C 상에 분리막을 개재하여 소면적 전극 유닛을 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
비교예 2
양극 A, 양극 C 및 음극 A를 100mm×150mm로 재단한 후, 각각의 전극 사이에 분리막을 개재하여 양극 A/ 음극 A/양극 C의 순서로 적층하여 대면적 전극 유닛을 제조하였다. 그런 다음, 양극 B 및 음극 A를 80mm×120mm로 재단한 후, 음극 A/양극 B 순서로 적층하여 소면적 전극 유닛을 제조하였다. 그런 다음, 대면적 전극 유닛의 양극 C 상에 분리막을 개재하여 소면적 전극 유닛을 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 및 비교예 1~2에 의해 제조된 전극 조립체를 500회 충방전 시켰을 때의 전기 용량 및 두께 변화를 측정하였다.
이때, 상기 전기 용량은 하기와 같은 충전 조건 및 방전 조건 하에서 측정되었으며, 충전과 방전 사이에는 10분의 휴지 시간을 두었다.
(1) 충전 조건: 1C으로 CC(constant Current)모드에서 4.2V 또는 4.35V까지 충전한 후, CV(constant Voltage) 모드로 전환하여 충전 전류의 양이 전지의 최소 용량의 1/20이 될 때까지 전류를 흘려 보낸 후 충전을 종료하였다.
(2) 방전 조건: CC(constant Current)모드로 1C의 방전 전류를 흘려보내고, 전압이 3V에 도달하면 방전을 종료하였다.
또한, 상기 전극 조립체의 두께 변화율은 충방전이 1회 완료되었을 때마다 전극 조립체의 전체 두께를 측정하여 계산하였다.
측정 결과는 도 11 및 도 12에 도시하였다. 도 11은 실시예의 전기 용량 및 두께 변화를 보여주는 그래프이며, 도 12는 비교예 1 및 2의 전기 용량 및 두께 변화를 보여주는 그래프이다. 도 11 및 도 12를 통해, 실시예의 전극 조립체의 경우, 500회 충방전 후에도 전기 용량이 80% 이상이고, 두께 변화율이 10% 이하인데 반해, 비교예 1 및 2의 전극 조립체의 경우, 300회 이상 충반전할 경우, 전기 용량 및 두께가 급격하게 변화됨을 알 수 있다.
10, 20, 30: 전극탭
40. 40': 양극
40a: 최외각 양극
50, 50': 음극
60, 60': 분리막
70: 시트형 분리필름
100: 전극 조립체
110, 120, 130: 전극 유닛
900: 전지셀
910: 전지 케이스
920, 930: 전극 리드

Claims (35)

  1. 면적이 상이한 2종 이상의 전극 유닛들이 단차가 형성되도록 적층된 전극 조립체이며,
    상기 면적이 상이한 전극 유닛들의 경계면에서 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 양극과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 음극이 대향되고,
    상기 경계면에 배치되는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛과 대향되는 면에 양극 활물질이 코팅된 제1영역 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 제2영역을 포함하며,
    하기 식 1을 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 1: PL , interface ≤ PL
    상기 식 1에서,
    PL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량,
    PL , interface는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛이 적층되는 부분에 형성되는 것인 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 면적 이하의 면적으로 형성되는 것인 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛과 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛의 두께가 서로 상이한 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 하기 식 2를 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 2: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface
    상기 식 2에서,
    n은 1 이상의 정수이며,
    Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량,
    Pn , interface는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 하기 식 2-1을 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 2-1: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn +1
    상기 식 2-1에서,
    n은 1 이상의 정수이며,
    Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량,
    Pn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량,
    Pn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들의 조합을 포함하며,
    하기 식 2-2을 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 2-2: Nn/Pn ≤ Nn/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn , interface ≤ Nn +1/Pn +1 ≤ Nn +2/Pn +2
    상기 식 2-2에서,
    n은 1 이상의 정수이며,
    Pn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(전극 유닛들 간 경계면에서 배치되는 양극은 제외함)의 단위 면적당 가역용량,
    Pn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량,
    Pn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량,
    Pn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량,
    Nn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 단위 면적당 가역용량임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 하기 식 3을 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 3: dPL , interface ≤ dPL
    상기 식 3에서,
    dPL은 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께,
    dPL , interface 는 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께임.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 하기 식 4를 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 4: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface
    상기 식 4에서,
    n은 1 이상의 정수이며,
    dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께,
    dPn , interface는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께,
    dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께,
    dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 하기 식 4-1을 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 4-1: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn +1
    상기 식 4-1에서,
    n은 1 이상의 정수이며,
    dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께,
    dPn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께,
    dPn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께,
    dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께,
    dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들의 조합을 포함하며,
    하기 식 4-2을 만족하도록 형성되는 전극 조립체.
    식 4-2: dNn/dPn ≤ dNn/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn , interface ≤ dNn +1/dPn +1 ≤ dNn +2/dPn +2
    상기 식 4-2에서,
    n은 1 이상의 정수이며,
    dPn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극(단, 최외각 양극은 제외함)의 두께,
    dPn , interface 는 n번째로 면적이 큰 전극 유닛의 최외각 양극의 두께,
    dPn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께,
    dPn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 양극의 두께,
    dNn은 n번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께,
    dNn +1은 n+1번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께,
    dNn +2는 n+2번째로 면적이 큰 전극 유닛에 포함되는 음극의 두께임.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 있어서, 최외각 양극과 음극의 두께 비율은 0.5 내지 2인 전극 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛에 있어서, 최외각 양극의 단위 면적당 가역용량에 대한 음극의 단위 면적당 가역 용량의 비율이 1 내지 2인 전극 조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전극 유닛은 단일 전극; 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것인 전극 조립체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단위셀은 젤리-롤형, 스택형, 라미네이션 앤 스택형 및 스택 앤 폴딩형 단위셀로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 전극 조립체.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 단위셀은 최외각 양면에 배치되는 전극의 극성이 동일한 것인 전극 조립체.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 단위셀은 최외각 양면에 배치되는 전극의 극성이 상이한 것인 전극 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 전극 유닛은 그 단면 형상이 사각형, 적어도 하나의 모서리가 곡선 형태인 사각형 또는 적어도 하나 이상의 변이 곡선 형태인 전극 조립체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 단면 형상이 상이한 전극 유닛들의 조합으로 이루어지는 것인 전극 조립체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 단면 형상이 동일한 전극 유닛들의 조합으로 이루어지는 것인 전극 조립체.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 전극 유닛들은 적어도 하나 이상의 전극탭을 가지며,
    상기 전극탭들은 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된 것인 전극 조립체.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전극탭들은 서로 상이한 크기를 갖는 것인 전극 조립체.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 하부 방향에서 상부 방향으로 갈수록 전극 유닛의 면적이 작아지는 배열로 적층된 전극 조립체.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 하부 방향에서 상부 방향으로 갈수록 전극 유닛의 면적이 커지는 배열로 적층된 전극 조립체.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 전극 유닛들 중 가장 면적이 큰 전극 유닛이 상기 전극 조립체의 중간층에 배치되는 배열로 적층된 전극 조립체.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 전극 유닛들은 각각의 전극 유닛의 평면 방향의 중심점이 일치되는 배열로 적층되어 있는 전극 조립체.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 전극 유닛들은 각각의 전극 유닛의 평면 방향의 중심점이 소정의 간격으로 이격되어 있는 배열로 적층되어 있는 전극 조립체.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 전극 유닛들은 각각의 전극 유닛의 일 모서리가 일치되는 배열로 적층되어 있는 전극 조립체.
  29. 청구항 1의 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 전지셀.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 전지 케이스는 파우치형 케이스인 전지셀.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 전지 케이스는 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 이루어진 전지셀.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지인 전지셀.
  33. 청구항 29의 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 전지셀의 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하는 디바이스.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 디바이스.
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