KR101908089B1 - 플렉서블 전지를 위한 플렉서블 전극 조립체 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플렉서블 전지를 구현하기 위한 외장재 및 전해액을 제외한 모든 전지 요소가 조립된 플렉서블 전극 조립체의 구조, 형태 및 제조 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 성공적인 플렉서블 특성을 발현하기 위해 신규 도입되는 것으로서, 1) 전극 리드 연결용 탭과 전극 병렬 연결용 탭이 독립적으로 존재하는 1종 전극판과 함께 전극 병렬 연결용 탭만 존재하는 2종 전극판이 동시에 채용된 플렉서블 전극 조립체를 기본 채용하며, 2) 기존 집전체보다 비커스 경도(Vickers hardness)가 강화된 집전체로 교체되어 플렉서블 전극 조립체의 특정부분에 패턴화되어 삽입될 수 있으며, 3) 상기 플렉서블 전극 조립체에는 탭-리드 결합부 및 예외적인 탭-리드 결합부 및 탭-탭 결합부의 본 발명에 따른 위치 및 형태가 포함되며, 상기 탭-리드 결합부 또는 예외적인 탭-리드 결합부에는 타공부(700)가 포함될 수 있고, 4) 만능 관절부 (Universal joint)가 포함되는 전극 리드, 그리고 5) 초음파 용착으로 용착이 어려운 기존 보다 높은 비커스 경도의 집전체 또는 전극 리드가 탭-리드 또는 탭-탭 결합부를 형성할 때, 용착강도를 향상시키는 용착 강화재 및 이를 포함하는 플렉서블 전극 조립체에 관한 것이다.

Description

플렉서블 전지를 위한 플렉서블 전극 조립체 구조 {Flexible electrode assembly structure for flexible batteries}
본 발명은 성공적인 플렉서블 특성이 발현되는 전지를 구현하기 위한 플렉서블 전극 조립체 부속 요소의 재료특성, 형태, 배치, 구조, 디자인 및 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 리드 연결용 탭과 전극 병렬 연결용 탭이 독립적으로 존재하는 1종 전극판(100)과 함께 전극 병렬 연결용 탭만 존재하는 2종 전극판(200)이 동시에 채용된 플렉서블 전극 조립체(300, 400, 500, 600)를 기본으로 하고, 상기 1종 전극판 또는 2종 전극판은 기존 집전체보다 비커스 경도(Vickers hardness)가 강화된 집전체로 교체되어 플렉서블 전극 조립체의 특정부분에 패턴화되어 삽입될 수도 있다. 또한, 상기 플렉서블 전극 조립체에는 탭-리드 결합부(340, 440, 540, 640) 및 예외적인 탭-리드 결합부(341, 441) 및 탭-탭 결합부(360, 460, 550, 650)의 본 발명에 따른 위치 및 형태가 포함되며, 상기 탭-리드 결합부에는 타공부(700)가 포함될 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 구조 및 형태를 지닌 만능 관절부(800)는 전극 리드에 포함될 수 있다. 이뿐만 아니라, 초음파 용착으로 용착이 어려운 기존 보다 높은 비커스 경도의 집전체 또는 전극 리드가 탭-리드 또는 탭-탭 결합부를 형성할 때, 용착강도를 향상시키는 용착 강화재(910)를 포함할 수 있다. 마지막으로, 본 발명은 상기 모든 내용의 일부분 또는 모든 것이 포함된 플렉서블 전극 조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대형 컴퓨터와 같은 휴대형 전자기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그리고 사물인터넷(Internet of things, IoT) 시대가 도래하고, 휴대기기의 구동 전원으로 사용되는 일차전지 또는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 일차전지의 예를 들면, 망간-아연 전지, 망간-리튬 전지, 불화흑연-리튬 전지 등이 있고, 이차전지의 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬이온 전지 등이 있다.
이러한 이차전지 중 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지는 원통형이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 실링 시킨 형태로 사용되고, 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 전기 제품의 디자인을 제한하는 단점이 있다.
유연한 고분자와 라미네이트된 알루미늄 포일 기반의 파우치를 외장재로 이용한 리튬-이온 폴리머 전지도 상용화되어 제품으로 나오고 있다. 이러한 파우치 기반의 이차전지의 경우, 금속 캔을 이용한 경우와 달리, 얇고, 유연한 특성으로 인해, 굽혀질 수 있으며, 플렉서블 전지로 구현될 가능성이 높다. 이와 같은 리튬-이온 폴리머 전지의 경우, 그 파우치 내부에 전해액에 함침된 양/음극, 그리고 분리막이 각 전극과 전극 사이에 삽입된 형태의 전극 조립체가 단층 또는 다층으로 적층되어 파우치 속에 밀봉된 형태의 전지 조립체이다.
위와 같은 형태를 기반으로 하여, 일본의 주식회사 반도체 에너지 연구소의 공개특허 10-2016-0018389에서는 상기 파우치 외장재만을 엠보싱 처리하여 웨어러블 디바이스에 적합한 전지를 만들려고 시도했고, 10-2016-0063992에서는 외장재에 엠보싱 처리함에도 불구하고, 반복되는 굽힘 동작에서는 외장재 손상이 취약하기 때문에, 이보다 더 손상에 취약한 배선을 외장재에 표면에 배치함으로써, 외장재가 손상되기 전 배선이 먼저 손상되어 사용자에게 전지를 사용하지 않게 신호를 보내주는 장치에 관한 특허를 출원했다. 또한, 한국의 주식회사 아모그린텍에서도 공개특허 10-2016-0058626와 같이 일본 특허와 유사하게 패턴부를 갖는 외장재를 구비한 플렉서블 전지에 관련된 특허를 출원했다.
상기 인용특허와 같이 플렉서블 전지 기술을 구현하기 위해서, 전지 자체의 전체적인 재설계나, 외장재 내부 전극 조립체의 구조변경이 없는, 그저 전지의 극히 일부분인 외장재 구조를 바꾸는 방향으로 기술의 초점을 맞추게 되면, 플렉서블 전지의 기본 특성인 반복 굽힘 시험 시, 외장재를 제외한 다양한 부속 요소 간의 균형이 무너지게 되고, 결국에는 특정 전지 요소에 지속적인 응력이 누적된다. 이러한 응력으로 인해서 절단, 분리, 이격, 흠집, 그리고 박리 현상 등이 전지 요소에 유발되고, 이는 전지 성능에 치명적인 문제를 야기하게 된다.
따라서 플렉서블 전지 기술을 구현하기 위해서 상기 문제를 최소화 시킬 수 있는 본 발명에 따른 플렉서블 전지를 위한 플렉서블 전극 조립체 구조가 절실히 필요하다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 플렉서블 전극 조립체가 채용된 플렉서블 전지, 이를 단위 전지로서 포함하는 플렉서블 전지 팩, 그리고 상기 플렉서블 전지 및 플렉서블 전지 팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 반복적으로 굽힐 때, 상기 단위 전지인 플렉서블 전지에 채용된 플렉서블 전극 조립체(300, 400, 500, 600), 이에 포함된 전극판(100, 200), 집전체(111, 121, 211, 221), 분리막(310, 410, 510, 610), 테이프(320, 420, 520, 620) 전극 병렬 연결용 탭(111a, 121a, 211a, 221a), 전극 리드 연결용 탭(111b, 121b), 전극 리드(330, 350, 430, 450, 530, 630), 탭-리드 결합부(340, 440, 540, 640), 예외적인 탭-리드 결합부(341, 441), 탭-탭 결합부(360, 460, 550, 650) 등과 같은 전지 부속 요소에 가해지는 지속적인 응력 누적으로 인한 절단, 분리, 이격, 흠집, 그리고 박리 현상 등의 문제를 구조적으로 최소화 시킬 수 있는 플렉서블 전지를 위한 플렉서블 전극 조립체 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은 집전체, 집전체 상 단면 또는 양면에 도포된 전극 합재의 양극 또는 음극 물질에 따라 단면 또는 양면 양극판과 음극판으로 구분된 전극판, 이를 물리적으로 이격시키지만, 전해액에 포함된 이온은 통과시키는 분리막, 전극판으로부터 돌출되어 전극 합재가 도포되지 않은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭, 복수의 상기 병렬 연결용 탭끼리 구성된 탭-탭 결합부에 의해서 전기적으로 병렬 연결되는 동일극의 집전체, 단수 또는 복수의 상기 전극 리드 연결용 탭과 단수의 전극 리드로 구성된 탭-리드 결합부에 의해서 집전체와 전기적으로 연결되어 외장재 외부로 노출되어 있는 전극 리드, 모든 방향을 향하여 굽힐 수 있고, 수축과 신장이 가능한 만능 관절부를 포함할 수 있는 전극 리드, 탭-리드 결합부의 유연한 특성을 향상시키기 위한 타공부, 기존 보다 비커스 경도가 강화된 재료가 포함된 상태로 초음파 용착을 통해 탭-리드 또는 탭-탭 결합부가 형성될 때, 용착강도를 향상시키는 용착 강화재, 상기 모든 전지 요소가 하나 이상 조합되어 구성된 플렉서블 전극 조립체의 구체적인 특성은 아래와 같다.
전극판, 즉 도포된 물질에 따라 분류되는 양극판 및 음극판에 있어서,
보다 상세하게, 양극판의 집전체(Current collector)는 알루미늄 및 알루미늄 합금 또는 니켈 및 스테인레스 스틸 재질을 사용하고, 또한, 음극판의 집전체는 구리 및 구리 합금 또는 니켈 및 스테인레스 스틸 재질을 사용하고, 상기 두 집전체는 얇은 금속박 형태인 포일(Foil)이며, 상기 양극판 또는 음극판의 집전체 중에서 선택된 집전체의 단면 또는 양면에 각각의 양극 또는 음극 합재를 도포하여 양극판 또는 음극판을 제조하고, 상기 양극 또는 음극 합재가 도포된 양극판 또는 음극판 각각에서 합재가 도포되지 않은 곳을 전극 탭으로 포함시켜, 하기와 같이 두 가지 용도의 전극으로 사용하기 위해서 일정한 면적으로 잘라내어 준비한다.
(1) 1종 전극판: 동일 전극판 상에 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭이 독립적으로 준비된 양극판 또는 음극판.
(2) 2종 전극판: 전극판에 단지 전극 병렬 연결용 탭만 준비된 양극판 또는 음극판.
상기 플렉서블 전극 조립체는 상기 1종 전극판 및 2종 전극판을 반드시 한 장 이상 포함시키고, 적절히 조합하여 선택된 양극판과 음극판을 대면방식을 통해 교대로 적층하고, 그 사이에 전극의 양극 또는 음극 합재가 도포된 넓이보다 넓은 분리막이 끼워진 구조다.
상기 플렉서블 전극 조립체를 구성하는 1종 전극판 또는 2종 전극판의 집전체 재료 특성에 있어서,
보다 상세하게, 1층에서 p층까지 이르는 1종 또는 2종 양극판에 대해서, 각 층 양극판의 집전체 재질의 비커스 경도 (Vickers hardness)가 정해진 패턴에 따라, 기존 양극판의 집전체인 알루미늄의 비커스 경도보다 150% 이상, 750% 이하의 범위만큼 더 강화된 경도의 집전체로 한 장 이상 교체되어 적층될 수도 있고, 1층에서 n층까지 이르는 1종 또는 2종 음극판에 대해서, 각 층 음극판의 집전체 재질의 비커스 경도가 정해진 패턴에 따라, 기존 음극판의 집전체인 구리의 비커스 경도보다 150% 이상, 400% 이하의 범위만큼 더 강화된 경도의 집전체로 한 장 이상 교체되어 적층될 수도 있다. 그러나 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플렉서블 전극 조립체의 전극판에 구성되는 전극 병렬 연결용 탭의 역할 및 크기에 있어서,
보다 상세하게, 상기 전극 병렬 연결용 탭은 복수의 동일극 집전체끼리 전기적으로 병렬 연결하기 위한 용도로서, 양극판 또는 음극판 각각을 병렬로 연결할 수 있도록 집전체가 노출된 부분이고, 전기적인 병렬 연결을 토대로 플렉서블 전지의 전체 용량을 증가시키는데 이용되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭의 길이는 플렉서블 전극 조립체의 길이에 대해 3% 이상, 25% 이하 범위의 길이를 갖고, 폭은 플렉서블 전극 조립체의 폭에 대해 10% 이상, 80% 이하 범위의 폭을 갖을 수 있지만, 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플렉서블 전극 조립체의 전극판에 구성되는 전극 병렬 연결용 탭 및 탭-탭 결합부의 위치 및 형태에 있어서,
보다 상세하게, 상기 전극 병렬 연결용 탭과 탭-탭 결합부는 플렉서블 전극 조립체의 평행선을 기준으로 0° 이상, 70° 이하 범위의 예각을 이루며, 탭-탭 결합부는 1종 또는 2종 전극판에 구비된 전극 병렬 연결용 탭의 면적에 대해서 5% 초과, 90% 미만의 범위에 속하는 면적의 탭-탭 결합부를 포함하고, 플렉서블 전극 조립체의 평행선을 기준으로 160° 이상, 200° 이하 범위의 각도를 이루며, 플렉서블 전극 조립체 두께 TE에 대해서 1/4 TE이상 3/4 TE이하의 범위의 굽힘 반경으로 굴절된 상태로 플렉서블 전극 조립체의 최상단 또는 최하단에 접하여 위치할 수도 있거나, 플렉서블 전극 조립체 두께 TE에 대해서 1/4 TE 두께 이내로 외면으로부터 이격하여 위치하거나, 상기 외면에 추가적인 절연성 필름이 위치한 상태에서 탭-탭 결합부가 상기 절연성 필름 상에 밀착되어 있거나, 고정부재에 의해 플렉서블 전극 조립체의 외면 또는 상기 외면에 추가적인 절연성 필름 상에 밀착된 채로 고정되어 있을 수도 있으며, 상기 고정부재는 접착제 또는 접착제가 단면이나 양면에 도포된 접착 테이프 일 수 있다. 그러나 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플렉서블 전극 조립체의 전극판에 구성되는 전극 리드 연결용 탭의 역할 및 크기에 있어서,
보다 상세하게, 상기 전극 리드 연결용 탭은 외장재의 외부까지 노출되는 전극 리드와 전극판을 전기적으로 연결할 수 있도록 집전체가 노출된 부분이고, 이를 토대로 플렉서블 전지를 단위 전지로 포함하는 플렉서블 전지 팩을 구성하거나, 이들을 전원으로서 포함하는 디바이스와 연결되는데 이용되고 있으며, 상기 전극 리드 연결용 탭의 길이는 플렉서블 전극 조립체의 길이에 대해 2% 이상, 40% 이하 범위의 길이를 갖고, 폭은 플렉서블 전극 조립체의 폭에 대해 20% 이상, 80% 이하 범위의 폭을 갖을 수 있지만, 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플렉서블 전극 조립체의 전극판에 구성되는 전극 리드 연결용 탭 및 탭-리드 결합부의 위치 및 형태에 있어서,
보다 상세하게, 상기 탭-리드 또는 예외적인 탭-리드 결합부는 1종 전극판에 구비된 전극 리드 연결용 탭 또는 2종 전극판에 구비된 전극 병렬 연결용 탭의 면적에 대해서 5% 초과, 90% 미만의 범위에 속하는 면적의 탭-리드 또는 예외적인 탭-리드 결합부를 포함하고, 이것들이 플렉서블 전극 조립체와 평행한 상태로 분리막 내측에 삽입되기 위해서, 1종 전극판의 두 탭을 제외한 전극 합재가 도포된 면적이 2종 전극판의 탭을 제외한 전극 합재가 도포된 면적보다 1% 이상, 20% 이하의 범위만큼 감소한 1종 전극판을 포함하는 것일 수 있거나, 상기 탭-리드 결합부가 플렉서블 전극 조립체의 평행선을 기준으로 160° 이상, 200° 이하 범위의 각도를 이루며, 플렉서블 전극 조립체 두께 TE에 대해서 1/4 TE이상 3/4 TE이하의 범위의 굽힘 반경으로 굴절된 상태로 플렉서블 전극 조립체의 최상단 또는 최하단의 외면에 접하거나, 플렉서블 전극 조립체 두께 TE에 대해서 1/4 TE 두께 이내로 외면으로부터 이격하여 위치하거나, 상기 외면에 추가적인 절연성 필름이 위치한 상태에서 탭-리드 결합부 또는 예외적인 탭-리드 결합부가 절연성 필름 상에 밀착되어 있거나, 고정부재에 의해 플렉서블 전극 조립체 외면 또는 추가적인 절연성 필름 상에 밀착된 채로 고정되어 있을 수도 있으며, 상기 고정부재는 접착제 또는 접착제가 단면이나 양면에 도포된 접착 테이프 일 수 있다. 그러나 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플렉서블 전극 조립체를 구성하는 탭-리드 결합부의 구조 및 형태에 있어서,
보다 상세하게, 상기 전극 탭, 또는 전극 리드, 또는 탭-리드 결합부에 타공이 되어 있는 타공부가 포함 되어 있으며, 타공부는 하나 이상의 원, 타원, 그리고 다각형으로 패턴을 갖으며 구성될 수 있으며, 상기 타공부의 열린 면적 중 가장 큰 직경은 0.1 mm 이상, 4 mm 이하의 범위의 길이일 수 있다. 그러나 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
탭-리드 결합부를 통해서 상기 플렉서블 전극 조립체에 결합되는 전극 리드의 구조 및 디자인에 있어서,
보다 상세하게, 전극 리드에 수축, 연신, 기울임, 굽힘 등 자유로운 움직임이 가능한 만능 관절 (Universal joint)부가 하나 이상 포함될 수 있으며, 상기 만능 관절부는 나사산(Screw thread)과 같은 볼록부와 오목부가 있고, 볼록부와 볼록부 사이의 거리인 피치(Pitch)가 규칙 또는 불규칙적인 물결 구조(Wavy structure)이거나, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 니켈, 스테인레스 스틸 재질의 금속사를 직조한 익스팬더블 케이블 메쉬 튜브 (Expandable cable mesh tube)를 포함하여 부분적으로 직물 형태이거나, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 니켈, 스테인레스 스틸 재질의 금속 포일에 일정한 간격으로 절삭 자국을 내어, 이것을 절삭자국과 직각방향으로 잡아당겨 늘여서 그물 형태인 익스펜디드 메탈 (Expanded metal)을 포함하여 부분적으로 메쉬 형태일 수 있다. 그러나 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플렉서블 전극 조립체를 구성하는 탭-탭 및 탭-리드 결합부에 포함되는 재료 및 결합 방법에 있어서,
보다 상세하게, 상기 전극판의 전극 병렬 연결용 탭과 전극 병렬 연결용 탭 사이의 탭-탭 결합부 및 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드 사이의 탭-리드 결합부의 형성을 위해서, 상기 탭-탭 및 탭-리드 결합부는 초음파 용접 또는 스팟 용접되어 전기적으로 연결되는 형태일 수 있는데, 전극 병렬 연결용 탭 또는 전극 리드 연결용 탭 또는 전극 리드 중에서 어느 한 쪽의 비커스 경도가 600 MPa 이상, 2400 MPa 이하의 범위인 재료를 상기 초음파 용착으로 접합하는 경우, 탭-탭 및 탭-리드 결합부의 초음파 용착강도를 향상시키기 위해서 50 MPa 이상, 200 MPa 이하의 범위의 상대적으로 낮은 비커스 경도를 갖는 초음파 용착 강화재를 추가하여 용착강도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 그러나 이는 구체적인 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
신규 구조를 갖는 이차 전지 또는 에너지 저장 장치를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 전극 어셈블리를 채용한 플렉서블 전지가 구현되므로, 전지 형상를 자유롭게 설계할 수 있게 된다. 따라서 신체에 맞게 곡면으로 디자인 된 전자 기기의 내측의 굴곡을 따라 전지가 제공됨으로써, 전자 기기의 형태 자유도가 향상되며, 기기 내의 공간도 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 또한, 착용감을 비약적으로 향상시킬 수 있기 때문에 궁극적으로 다양한 디자인을 갖는 웨어러블 전자 기기를 실현할 수 있게 되는 효과를 갖는다. 즉, 신규 구조를 갖는 전자 기기를 실현할 수 있다.
또한, 이들 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한, 본 발명의 일 형태는 반드시 이들 효과 모두를 가질 필요는 없다. 또한, 이들 의외의 효과는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명확해 지는 것이고, 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 이들 이외의 효과가 추출될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플렉서블 전지의 구조 개요를 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 플렉서블 전지의 움직임에 따른 응력 발생을 나타내는 도면이다.
도 3은 정면도 또는 단면도로 나타낸 본 발명에 따른 1종 전극판의 각 부의 명칭을 정의하는 도면이다.
도 4는 정면도 또는 단면도로 나타낸 본 발명에 따른 2종 전극판의 각 부의 명칭을 정의하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 구성하는데 있어서, 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정되고, 분리막이 포함된 3층의 전극 조립체에 대한 전극 조립 순서의 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 구성하는데 있어서, 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 음극판으로 한정되고, 분리막이 포함된 3층의 전극 조립체에 대한 전극 조립 순서의 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 구성하는데 있어서, 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정되고, 분리막이 포함된 5층 이상의 전극 조립체에 대한 전극 조립 순서의 일 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 구성하는데 있어서, 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 음극판으로 한정되고, 분리막이 포함된 5층 이상의 전극 조립체에 대한 전극 조립 순서의 일 실시예이다.
도 9는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 구성하는데 있어서, 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정되고, 분리막이 포함된 5층 이상의 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 1종 전극판 및 2종 전극판의 적층 조합 순서에 대한 실시예이다.
도 10은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 구성하는데 있어서, 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 음극판으로 한정되고, 분리막이 포함된 5층 이상의 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 1종 전극판 및 2종 전극판의 적층 조합 순서에 대한 실시예이다.
도 11은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 복수의 전극 병렬 연결용 탭이 연결된, 탭-탭 결합부의 절곡 형태 및 그 위치에 대해 도시한 실시예이다.
도 12는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 단수 혹은 복수의 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드가 연결된, 탭-리드 결합부의 삽입된, 또는 노출된, 또는 절곡되어 적층된 형태 및 그 위치에 대해 도시한 실시예이다.
도 13은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 분리막 끝단 위치의 범위와 그 분리막 끝단을 고정하는 고정부재를 적용하는 방법과 고정부재 적용의 패턴에 대한 실시예이다.
도 14는 일반 전극 조립체 및 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체의 구조적인 차이로부터 야기되는 인-시튜 충/방전 굽힘 시험 결과에 대한 실시예이다.
도 15는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체의 탭-리드 결합부에 있어서, 탭 또는 전극 리드 또는 탭-리드 결합부에 포함될 수 있는 타공부의 형태 및 그 패턴에 대한 실시예이다.
도 16은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체의 전극 리드에 있어서, 전극 리드에 포함될 수 있는 만능 관절부의 구조 실시예이다.
도 17은 물결 또는 그물 또는 직물 구조 형태를 갖는 만능 관절부가 포함된 전극 리드의 실시예로서, 만능 관절부가 포함된 전극 리드의 응력 완화 거동 이해를 돕기 위한 도이다.
도 18은 만능 관절부의 수축, 연신, 기울임, 굽힘 등 다양한 움직임이 가능하다는 것을 보여주는 실시예이다.
도 19는 전극 리드 연결용 탭과 물결 구조, 또는 그물 혹은 직물 구조, 또는 물결과 그물 혹은 직물의 복합 구조 형태를 갖는 만능 관절부가 포함된 전극 리드의 결합부인 탭-리드 결합부 주변의 구조적인 개요를 나타낸다.
도 20은 전극 리드 연결용 탭과 본 발명에 따른 만능 관절부가 포함된 전극 리드, 또는 일반 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부의 구조 비교를 위한 도이다.
도 21은 전극 리드 연결용 탭과 본 발명에 따른 만능 관절부가 포함된 탭-리드 결합부 및 만능 관절부가 없는 일반적인 탭-리드 결합부를 인장 또는 압축할 시 탭-리드 결합부의 주변에서 나타나는 응력완화 및 파단 메카니즘을 비교한 도이다.
도 22는 음극 집전체와 만능 관절부가 있는 음극용 전극 리드 사이, 또는 양극 집전체와 만능 관절부가 있는 양극용 전극 리드 사이에 있는 탭-리드 결합부 주변의 파단이 억제되는데 있어서, 만능 관절부가 파단을 억제하는 근거를 설명할 수 있는 실시예이다.
도 23은 비커스 경도가 높은 집전체 또는 비커스 경도가 높은 전극 리드를 용착 강화재를 사용하여 초음파 용착할 때, 용착 강도가 높아지는 구조적 근거를 설명하기 위한 개요도이다.
도 24는 초음파 용착의 용착 강도를 높이기 위한 용착 강화재의 사용 유/무에 따른 용착부의 구조적 세부사항과 측정된 용착 강도의 차이를 보여주는 도이다.
도 25는 일반 전극 조립체 및 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체가 채용된 전지의 인-시튜 충/방전 굽힘 시험을 진행하는 동안의 상기 두 전지의 성능차이를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플렉서블 전지 단자에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (A), (B) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플렉서블 전지의 구조 개요를 나타내는 도면이다. (A) 양극판과 음극판으로 구분된 전극판, 두 전극판 사이에서 이온 전달 매개체 역할을 하는 전해액, 두 전극판을 물리적으로 이격 시키지만, 전해액에 포함된 이온은 통과시키는 분리막, 전극판으로부터 돌출되어 전극 합재가 도포되지 않고, 용도에 따라 전극 병렬 연결용과 전극 리드 연결용으로 나뉘는 전극 탭, 탭-탭 결합부에 의해서 전기적으로 병렬 연결되는 동일극의 전극판, 탭-리드 결합부에 의해서 집전체와 전기적으로 연결되어 외장재 외부로 노출되어 있는 전극 리드, 전극 리드에 포함될 수 있는 다양한 움직임이 가능한 만능 관절부, 탭-리드 결합부의 유연한 특성을 향상시키기 위해 형성된 타공부, 이 모든 전지 요소가 하나 이상 조합되어 조립된 것을 기본으로 하여, 전극판이 총 3층 이상 적층된 플렉서블 전극 조립체, (B) 이러한 플렉서블 전극 조립체가 실링에 의해서 외장재로 잘 감싸진 형태인 플렉서블 전지 조립체, (C) 이러한 플렉서블 전지 조립체의 실링부는 플렉서블 전지 조립체의 두께 TB에 대해서 1/4 이상 3/4 이하의 범위에 위치하는 특징을 지닌다.
도 2는 플렉서블 전지 조립체가 반복적인 굽힘, 비틀림 또는 구겨짐 동작으로 인해, 조립체의 굽어지는 내측은 압축응력이, 굽어지는 외측은 인장응력이 발생되는 모습을 나타내는 도면이다. 이러한 동작으로 발생되는 응력으로 인해 일반적인 전지는 수분 침투, 집전체로부터의 전극 합재의 탈리, 전극 찢겨짐 등의 문제가 발생되어 결국 기능불량을 일으키지만, 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체가 포함된 전지는 상기 문제점이 대폭 개선되어 플렉서블 전지로서 사용할 수 있게 된다.
도 3은 정면도 또는 단면도로 나타낸 본 발명에 따른 1종 전극판의 각 부의 명칭을 정의하는 도면으로서, 양극 합재(112)가 양극 집전체(111)에 단면(110a) 또는 양면(110b)으로 도포되어 있는 양극판(110)에는 양극 병렬 연결용 탭(111a)과 양극 리드 연결용 탭(111b)이 독립적으로 분리되어 있고, 음극 합재(122)가 음극 집전체(121)에 단면(120a) 또는 양면(120b)으로 도포되어 있는 음극판(120)에는 음극 병렬 연결용 탭(121a)과 음극 리드 연결용 탭(121b)이 독립적으로 분리되어 있는 모습을 나타낸다.
도 4는 정면도 또는 단면도로 나타낸 본 발명에 따른 2종 전극판의 각 부의 명칭을 정의하는 도면으로서, 양극 합재(212)가 양극 집전체(211)에 단면(210a) 또는 양면(210b)으로 도포되어 있는 양극판(210)에는 양극 병렬 연결용 탭(211a)만 있고, 음극 합재(222)가 음극 집전체(221)에 단면(220a) 또는 양면(220b)으로 도포되어 있는 음극판(220)에는 음극 병렬 연결용 탭(221a)만 있는 모습을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 단면의 1종 양극판(110a) 및 양면의 2종 음극판(220b) 및 단면의 2종 양극판(210a)이 같이 사용되어 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정된 3층의 플렉서블 전극 조립체(300)를 조립하는 공정에 대한 실시예로서, 바닥층으로부터 첫 번째에 위치한 양극판(P_1)과 바닥으로부터 두 번째에 위치한 음극판(N_1), 그리고 바닥으로부터 세 번째 위치한 양극판(P_2)의 사이사이에 분리막(310) 삽입되어, 전극판이 3층 적층된 상태로, 분리막을 사용해 전극 조립체를 한 바퀴 이상 감싼 후(1. Stacking), 분리막 끝을 적층면에 중앙부에 오게 한 후, 접착제가 도포된 접착테이프(320)로 분리막 끝을 테이핑한 후(2. Taping), 양극용 전극 리드(330)와 양극 리드 연결용 탭을 용착하여 양극 탭-리드 결합부(340)를 형성 시키고, 음극용 전극 리드(350)와 음극 병렬 연결용 탭을 용착하여 예외적인 탭-리드 결합부(341)를 형성 시키고, 또한 양극 병렬 연결용 탭
을 용착하여 탭-탭 결합부(360)를 형성 시키는(3. Welding) 3층 구조의 플렉서블 전극 조립체의 조립 공정에 대한 일 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 단면의 1종 음극판(120a) 및 양면의 2종 양극판(210b) 및 단면의 2종 음극판(220a)이 같이 사용되어 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정된 3층의 플렉서블 전극 조립체(400)를 조립하는 공정에 대한 실시예로서, 바닥층으로부터 첫 번째에 위치한 음극판(N_1)과 바닥으로부터 두 번째에 위치한 양극판(P_1), 그리고 바닥으로부터 세 번째 위치한 음극판(N_2)의 사이사이에 분리막(410) 삽입되어, 전극판이 3층 적층된 상태로, 분리막을 사용해 전극 조립체를 한 바퀴 이상 감싼 후(1. Stacking), 분리막 끝을 적층면에 중앙부에 오게 한 후, 접착제가 도포된 접착테이프(420)로 분리막 끝을 테이핑한 후(2. Taping), 음극용 전극 리드(430)와 음극 리드 연결용 탭을 용착하여 음극 탭-리드 결합부(440)를 형성 시키고, 양극용 전극 리드(450)와 음극 병렬 연결용 탭을 용착하여 예외적인 탭-리드 결합부(441)를 형성 시키고, 또한 양극 병렬 연결용 탭을 용착하여 탭-탭 결합부(460)를 형성 시키는(3. Welding) 3층 구조의 플렉서블 전극 조립체의 조립 공정에 대한 일 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 1종 전극판(100) 및 2종 전극판(200)이 같이 사용되어 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정된 5층 이상의 플렉서블 전극 조립체(500)를 조립하는 공정에 대한 실시예로서, 바닥층으로부터 첫 번째에 위치한 양극판(P_1)과 바닥으로부터 두 번째에 위치한 음극판(N_1) 사이에 분리막(510) 삽입되는 방식을 따라, 전극판의 총합이 5층 이상 적층된 상태로, 분리막을 사용해 전극 조립체를 한 바퀴 이상 감싼 후(1. Stacking), 분리막 끝을 적층면에 중앙부에 오게 한 후, 접착제가 도포된 접착테이프(520)로 분리막 끝을 테이핑한 후(2. Taping), 전극 리드(530)와 전극 리드 연결용 탭을 용착하여 탭-리드 결합부(540)를 형성 시키고, 전극 병렬 연결용 탭을 용착하여 탭-탭 결합부(550)를 형성 시키는(3. Welding) 일련의 플렉서블 전극 조립체의 조립 공정에 대한 하나의 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 1종 전극판(100) 및 2종 전극판(200)이 같이 사용되어 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 음극판으로 한정된 5층 이상의 플렉서블 전극 조립체(600)를 조립하는 공정에 대한 실시예로서, 바닥층으로부터 첫 번째에 위치한 음극판(N_1)과 바닥으로부터 두 번째에 위치한 양극판(P_1) 사이에 분리막(610) 삽입되는 방식을 따라, 전극판의 총합이 5층 이상 적층된 상태로, 분리막을 사용해 전극 조립체를 한 바퀴 이상 감싼 후(1. Stacking), 분리막 끝을 적층면에 중앙부에 오게 한 후, 접착제가 도포된 접착테이프(620)로 분리막 끝을 테이핑한 후(2. Taping), 전극 리드(630)와 전극 리드 연결용 탭을 용착하여 탭-리드 결합부(640)를 형성 시키고, 전극 병렬 연결용 탭을 용착하여 탭-탭 결합부(650)를 형성 시키는(3. Welding) 일련의 플렉서블 전극 조립체의 조립 공정에 대한 하나의 실시예이다.
도 9는 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 양극판으로 한정되고, 1종 전극판(100) 및 2종 전극판(200)이 여러 가지로 조합된 5층 이상 플렉서블 전극 조립체(500)에 있어서, 양극의 경우, 바닥으로부터 P_1, P_2, …, P_(p-1), P_p로 각층의 명명을 일반화 할 수 있고, 음극의 경우도 마찬가지로, 바닥으로부터 N_1, N_2, …, N_(n-1), N_n으로 명명을 일반화 할 수 있다. 1종 양극판 한 장을 P_p층으로, 1종 음극판 한 장을 N_n층으로 하고, 나머지 전극판을 2종 전극판으로 총 전극판 수를 5층, 7층, 9층, 9층 이상인 한 실시예에 따르면, (A)와 같다. 그러나 이러한 조합에 한정하는 것은 아니다. 5층 적층구조의 플렉서블 전극 조립체의 예를 들면, 1종 양극판 및 1종 음극판이 각각 1장 이상 포함되고, 2종 양극판 및 2종 음극판이 각각 1장 이상 포함되고 이것들이 조합된 플렉서블 전극 조립체의 경우의 수는 (B)에서 보는 것과 같이 모두 7개 이다. 그러나, 이는 5층 적층 구조의 실시예 일뿐 7층 이상의 적층 구조에서는 이보다 전극 조합의 경우의 수가 더욱 증가 한다.
도 10는 최상단 및 최하단 즉, 최외각의 전극판이 단면의 음극판으로 한정되고, 1종 전극판(100) 및 2종 전극판(200)이 여러 가지로 조합된 5층 이상 플렉서블 전극 조립체(600)에 있어서, 음극의 경우, 바닥으로부터 N_1, N_2, …, N_(n-1), N_n으로 명명을 일반화 할 수 있고, 양극의 경우도 마찬가지로, 바닥으로부터 P_1, P_2, …, P_(p-1), P_p로 각층의 명명을 일반화 할 수 있다. 1종 음극판 한 장을 N_n층으로, 1종 양극판 한 장을 P_p층으로 하고, 나머지 전극판을 2종 전극판으로 총 전극판 수를 5층, 7층, 9층, 9층 이상인 한 실시예에 따르면, (A)와 같다. 그러나 이러한 조합에 한정하는 것은 아니다. 5층 적층구조의 플렉서블 전극 조립체의 예를 들면, 1종 음극판 및 1종 양극판이 각각 1장 이상 포함되고, 2종 음극판 및 2종 양극판이 각각 1장 이상 포함되고 이것들이 조합된 플렉서블 전극 조립체의 경우의 수는 (B)에서 보는 것과 같이 모두 7개 이다. 그러나, 이는 5층 적층 구조의 실시예 일뿐 7층 이상의 적층 구조에서는 이보다 전극 조합의 경우의 수가 더욱 증가 한다.
도 11은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 1종 전극판(100) 및 2종 전극판(200)으로부터 돌출되어 전극 합재가 도포되지 않은 복수의 전극 병렬 연결용 탭(111a, 121a, 211a, 221a)이 서로 연결된, 탭-탭 결합부(360, 460, 550, 650)의 절곡 형태 및 그 위치에 대해 도시한 실시예로서, (A)에서 정면도 및 사시도에서 보는 것과 같이 노출된 양극 탭-탭 결합부와, 음극 탭-탭 결합부는 그 위치와 절곡 형태가 각각 다르다. (A)의 사시도를 보면, 탭-탭 결합부에 쓰여있는 M은 중간 범위(Middle range), T는 최상단(Topmost), B는 최하단(Bottommost)을 의미하고 총 9 종류의 조합이 있다. (B)에서처럼, 탭-탭 결합부의 중간 범위는 플렉서블 전극 조립체의 측면 평행선((B)의 점선)을 기준으로 0° 이상, 70° 이하 범위의 예각을 이루며 위치하는 것을 특징으로 하거나, (C)에서처럼, 플렉서블 전극 조립체의 측면 평행선((C)의 점선)을 기준으로 160° 이상, 200° 이하 범위의 각도를 이루며, 플렉서블 전극 조립체 두께 TE에 대해서 1/4 TE이상 3/4 TE이하의 범위의 굽힘 반경으로 굴절된 상태로 플렉서블 전극 조립체의 최상단 또는 최하단에 접하여 위치하거나, 1/4 TE 두께 이내로 이격하여 위치하는 것을 특징으로 한다.
도 12는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 단수의 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드가 연결되어 탭-리드 결합부(340, 440, 540, 640), 또는 예외적인 경우에 한정되어 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드가 연결되어 예외적인 탭-리드 결합부(341, 441)를 형성하며, 이러한 연결부는 대면방식으로 차곡차곡 적층된 상기 모든 전극판과 전극판 사이에 평행한 상태로 삽입되기 위해서, 전극 합재가 도포된 면적이 2종 전극판(200)의 탭을 제외한 전극 합재가 도포된 면적보다 1% 이상, 20% 이하의 범위의 면적만큼 (W x L) 감소한 1종 전극판이 포함된 (A)와 같은 형태의 삽입된 탭-리드 결합부거나, 단수 혹은 복수의 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드가 연결되어, 탭-리드 결합부, 또는 예외적인 경우에 한정되어 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드가 연결되어 예외적인 탭-리드 결합부를 형성하며, 이러한 연결부를 그대로 노출 시킨 (B)와 같은 형태의 노출된 탭-리드 결합부거나, 이러한 연결부를 플렉서블 전극 조립체의 측면 평행선((C)의 삽도의 점선)을 기준으로 160° 이상, 200° 이하 범위의 각도를 이루며, 플렉서블 전극 조립체 두께 TE에 대해서 1/4 TE 이상, 3/4 TE 이하의 범위의 굽힘 반경으로 굴절된 상태로 플렉서블 전극 조립체의 최상단 또는 최하단에 접하여 위치하거나, 1/4 TE 두께 이내로 이격하여 위치하는, (C)와 같은 굴절되어 적층된 탭-리드 결합부 인 것을 특징으로 한다.
도 13은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체에 있어서, 필연적으로 존재하는 (A)분리막 끝단의 위치는, 플렉서블 전극 조립체의 폭인 WE에 대해서 1/4 WE 이상, 3/4 WE 이하의 범위에 존재하며, 그 분리막 끝단을 고정하기 위해서 사용되는 (B)고정부재는 접착제 또는 접착제가 단면이나 양면에 도포된 접착 테이프로서, 접착제가 도포되는 길이인 LA는 분리막의 폭인 WS에 대해서 2% 이상, 100% 이하의 범위이고, 접착 테이프가 적용되는 길이인 LT는 분리막의 폭인 WS에 대해서 2% 이상, 80% 이하의 범위이다. (C)는 상기 고정부재가 도포되거나 적용되는 패턴에 대한 실시예이다.
도 14는 일반 전극 조립체 및 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체의 구조적인 차이로부터 야기되는 인-시튜 충/방전 굽힘 시험 결과에 대한 실시예이다. (A)와 같은 일반 전극 조립체는 탭-리드 결합부와 탭-탭 결합부가 하나의 단일체로 합쳐져 있다. 이러한 구조를 갖는 일반 전극 조립체는 충/방전 하면서 1,000회만 굽힘 시험을 동시에 진행(in-situ 시험)해도 모든 전극 집전체가 끊기게 되며, 심지어 음극 표면에 리튬 금속이 석출되게 된다. 음극판의 리튬 금속 석출은 안정성에 큰 문제를 야기하므로 이러한 문제는 절대로 발생해서는 않된다. 그러나, (B)와 같은 플렉서블 전극 조립체는 기본적으로, 탭-리드 결합부와 탭-탭 결합부가 독립적으로 분리되어 있다. 이러한 구조를 갖는 플렉서블 전극 조립체는 충/방전 하면서 20,000회 굽힘 시험을 동시에 진행해도 단 하나의 전극 집전체에도 파손이 없고, 음극에서 리튬 금속 석출도 일어나지 않아 안전성에도 문제가 되지 않게 된다.
도 15는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체의 탭-리드 결합부에 있어서, 탭 또는 전극 리드 또는 탭-리드 결합부에 포함될 수 있는 타공부의 형태 및 그 패턴에 대한 실시예이다. (A)와 같이, 상기 타공부는 하나 이상의 다각형 또는 원 또는 타원 형태이며, 직경이 0.1 mm 이상, 4 mm 이하 범위의 길이다. (B)와 같이, 상기 타공부가 패턴을 갖으며 구성된다.
도 16은 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체의 전극 리드에 있어서, 전극 리드에 포함될 수 있는 만능 관절부의 구조 실시예이다. 만능 관절부의 구조의 실시예는 (A)와 같이, 나사산(Screw thread)과 같은 볼록부와 오목부가 있고, 볼록부와 볼록부 사이의 거리인 피치(Pitch)가 규칙 또는 불규칙적인, 물결 구조(Wavy structure)이거나, (B)와 같이 2차원 또는 3차원의 그물 구조(Mesh structure)이거나, 직물 구조(Woven structure)이다.
도 17은 물결 또는 그물 또는 직물 구조의 만능 관절부가 포함된 전극 리드의 압축과 인장에 대한 일 실시예로서, (A)와 같이 만능 관절부가 물결 구조인 경우, 압축응력을 받게 되면, 물결 구조가 수축되어 압축응력을 상쇄시키고, 인장응력을 받게 되면, 물결 구조가 늘어나게 되어 인장응력을 상쇄시킨다. 또한, (B)와 같이 만능 관절부가 그물 또는 직물 구조인 경우, 압축응력 또는 인장응력을 받게 되면, 그물 또는 직물에 형성되어 있는 기공(Pore)의 형태 또는 면적이 변함으로서 압축응력과 인장응력을 상쇄시킨다.
도 18은 만능 관절부의 다양한 움직임을 보여주는 실시예로서, 이러한 다양한 움직임은 결국 압축응력과 인장응력을 상쇄시키기 위한 물결의 피치 또는 기공의 형태 또는 면적이 변함으로서 가능한 일이다. 그러한 것을 보여주기 위해서, (A) 물결 구조에서는 수축, 연신, 기울임, 굽힘 네 가지에 대한 각각의 실시예를 보여주었고, (B) 그물 또는 직물 구조도 압축응력과 인장응력을 상쇄시킬 수 있다. 따라서 그물 또는 직물 구조 역시 수축, 연신, 기울임, 굽힘, 비틀림 등 다양한 움직임이 가능하다.
도 19는 전극 리드 연결용 탭과 물결 구조, 또는 그물 혹은 직물 구조, 또는 물결과 그물 혹은 직물의 복합 구조 형태를 갖는 만능 관절부가 포함된 전극 리드의 결합부인 탭-리드 결합부 주변의 정면도와 단면도를 통한 구조적인 개요를 도시한다. 전극 리드에 있어서, 만능 관절부의 적절한 위치는 전극 리드의 실링 테잎을 기준으로, 전극 리드 연결용 탭을 향하여 전극 리드가 (A) 물결 구조, 또는 (B) 그물 혹은 직물 구조, 또는 (C) 물결과 그물 혹은 직물의 복합 구조를 갖는 것이 바람직하고, 공통적인 탭-리드 결합부는 전극 리드 연결용 탭과 편평하게 결합되는 것이 바람직하다.
도 20은 전극 리드 연결용 탭과 도 19 (A)에서 언급한 본 발명에 따른 (A) 만능 관절부가 포함된 전극 리드, 또는 (B) 만능 관절부가 없는 일반 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부의 실물 정면도와 사시도를 통해 구조적으로 비교한 일 실시예이다.
도 21은 전극 리드 연결용 탭과 본 발명에 따른 만능 관절부가 포함된 탭-리드 결합부 및 만능 관절부가 없는 일반 탭-리드 결합부에 응력을 가할 때의 실시예로서, (A) 만능 관절부가 포함된 탭-리드 결합부는 좌우로 잡아당기면, 가장 손쉽게 변형되는 만능 관절부가 먼저 신장되고, 더 이상 만능 관절부가 신장되기 어려울 때, 그 다음으로 약한 탭-리드 결합부가 파단이 된다. 그러나 이에 반해, (B) 만능 관절부가 없는 일반 탭-리드 결합부는 곧바로 탭-리드 결합부의 주변이 파단 된다.
도 22는 음극 집전체와 만능 관절부가 있는 음극용 전극 리드 사이, 또는 양극 집전체와 만능 관절부가 있는 양극용 전극 리드 사이에 있는 탭-리드 결합부 주변의 파단이 억제되는데 있어서, 만능 관절부가 파단을 억제하는 이유를 설명하는 실시예로서, 본 실시예에서 사용된 (A) 음극 집전체가 파단시까지 신장률은 5.16 %로, (B) 같은 신장률에서 음극 집전체에 비해 일반 음극용 전극 리드의 인장응력은 약 2.3배 더 강한 것에 반해, 만능 관절부가 포함된 음극용 전극 리드의 인장응력은 약 3배가 더 약하다. 이는 만능 관절부가 포함될 경우 음극 집전체가 파단되기 전에 만능 관절부가 변형된다는 것을 의미하고, 이러한 내용은 (C) 그래프에서 볼 수 있듯, 음극 집전체는 2 kgf 이상의 힘에서 파단되고, 일반 음극용 전극 리드는 8 kgf 이상에서 파단되는 반면, 만능 관절이 포함된 음극용 전극 리드를 인장할 때, 0 % 내지 20%의 인장에서 2 kgf 이하인 것을 확인할 수 있고 이는 음극 탭-리드 결합부 주변이 보호된다는 것을 의미한다. 이와 마찬가지로, (D) 양극 집전체가 파단시까지 신장률은 1.38 %로, (E) 같은 신장률에서 양극 집전체에 비해 일반 양극용 전극 리드의 인장응력은 약 1.1배 더 강한 것에 반해, 만능 관절부가 포함된 양극용 전극 리드의 인장응력은 약 7.6배가 더 약하다. 이는 만능 관절부가 포함될 경우 양극 집전체가 파단되기 전에 만능 관절부가 변형된다는 것을 의미하고, 이러한 내용은 (F) 그래프에서 볼 수 있듯, 양극 집전체는 0.75 kgf 이상의 힘에서 파단되고, 일반 음극용 전극 리드는 1.25 kgf 이상에서 파단되는 반면, 만능 관절이 포함된 양극용 전극 리드를 인장할 때, 0 % 내지 20%의 인장에서 0.5 kgf 이하인 것을 확인할 수 있고 이는 양극 탭-리드 결합부 주변이 보호된다는 것을 의미한다.
도 23은 비커스 경도가 높은 재질로 교체된 집전체 또는 비커스 경도가 높은 재질로 교체된 전극 리드가 포함된 탭-탭 결합부 또는 탭-리드 결합부 또는 예외적인 탭-리드 결합부를 초음파 용착할 때, (A) 용착 강화재(910)가 없는 경우, 초음파 용착이 점 용착(Point welding)되어 용착 강도가 낮아지는 반면, (B) 용착 강화재가 있는 경우, 초음파 용착이 면 용착(Face welding)되어 용착 강도가 매우 높아지게 된다. 이렇듯 용착 강도가 높아지는 구조적 근거를 설명하기 위한 개요도이다.
도 24는 도 23에서 설명한 비커스 경도가 높은 재질을 초음파 용착을 통해 용착한 일 실시예로서, (A)는 용착 강화재(910)가 없는 경우이고, (B)는 용착 강화재가 있는 경우이다. 초음파 용착 후, (A)와 (B)의 용착면 앞/뒤를 확대해서 살펴보면 (A)의 경우 용착면이 고르지 않은 반면, (B)의 경우 용착면이 매우 고르게 된 것을 알 수 있을 뿐만 아니라, 이 용착부를 떼어 내보면, (A)의 경우 실제로 점 용착(Point welding)인 것을 알 수 있고, (B)의 경우 실제로 면 용착(Face welding)인 것을 알 수 있다. 용착 강도를 알아보기 위해서 만능 재료시험기(Universal testing machine)를 사용해 용착 강화재가 있는 경우와 없는 경우에 대해서 (C)용착부를 떼어내는 인장 거리에 대한 힘을 측정해보면, 용착 강도를 높이기 위해서 용착 강화재를 사용하는 경우, 사용하지 않는 경우에 비해서 최대 용착 강도가 무려 14배나 향상된 것을 측정할 수 있다.
도 25는 일반 전극 조립체를 채용한 일반 전지와 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체를 채용한 플렉서블 전지를 충/방전 하면서 굽힘 시험을 동시에 진행하는 동안의 배터리 성능을 측정한 것으로서, (A)는 굽힘 시험을 하면서 1C-rate로 충/방전 할 때, 굽힘 시험 횟수가 0 회에서 22,000 회까지의 전압 변화를 측정한 그래프이고, (B)는 (A)의 그래프에서 굽힘 시험 횟수가 0 회에서 600 회까지의 범위를 확대해서 보여주는 도이다. (A) 와 (B)를 보면, 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체는 22,000 회까지 굽힘 시험을 하는 동시에 충/방전을 하여도 전지 성능에 이상이 없는 반면, 일반 전극 조립체는 약 200 회에서 전극의 파손이 발생하여 전압이 흔들리는 노이즈가 발생했고, 단일체로 합쳐진 탭-리드 결합부와 탭-탭 결합부가 약 400 회에서 파손되어 굽힘 시험과 충/방전을 동시에 진행하는 도중 전압이 뚝 떨어져 더 이상 진행할 수 없게 되었다. 굽힘 시험을 더욱 진행하여 1,000회가 되었을 때, 굽힘 시험을 진행하지 않고 충/방전을 해보면, (C)에서 볼 수 있듯이, 플렉서블 전지는 용량이 약 110 mAh가 유지되는 반면, 일반 전지는 용량이 약 40 mAh가 겨우 유지되어, (D)에서와 같이 플렉서블 전지의 용량이 일반 전지에 비해서 약 3배나 더 큰 것으로 측정된다. 플렉서블 전극 조립체를 채용한 플렉서블 전지를 좀 더 자세히 살펴보기 위해서, (E) 굽힘 시험 전의 새 전지의 전지 용량을 평가하고, 굽힘 시험 중에 전지 용량을 평가하고, 굽힘 시험을 20,000 회 반복한 후 전지 용량을 평가해 본 결과 각각 약 117 mAh, 76 mAh, 104 mAh으로 측정 되었다. 이는 플렉서블 전지가 20,000 회 굽힘 시험을 반복하면서 충/방전을 동시에 하여도 전지 용량이 단지 10%만 감소하는 것을 의미한다. 이에 반해, 굽힘 시험과 충/방전을 동시에 진행 할 경우, 용량이 35%나 감소하는 것은 동시에 진행하는 인-시튜 충/방전 굽힘 시험은 굉장히 가혹한 시험 조건이라는 것을 간접적으로 의미한다. 그럼에도 불구하고 상기 인-시튜 충/방전 굽힘 시험을 견뎌내는 본 발명에 따른 플렉서블 전극 조립체는 구조적, 전기 화학적으로 굽힘 시험에 매우 뛰어나다고 볼 수 있다.

Claims (13)

  1. 상하로 적층되는 복수의 전극판; 및
    상기 복수의 전극판 사이에 배치되는 복수의 분리막;을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 복수의 전극판들은 각각 그 일 측면에 형성되는 전극 병렬 연결용 탭을 포함하고,
    상기 복수의 전극판들 중 어느 하나 이상의 전극판은, 상기 전극 병렬 연결용 탭이 형성되는 일 측면과 다른 측면에 형성되는 전극 리드 연결용 탭을 포함하며,
    상기 전극 병렬 연결용 탭은 동일한 극성끼리 서로 병렬 연결되고,
    상기 전극 리드 연결용 탭의 적어도 일부는 전극 리드의 적어도 일부를 덮도록 상기 전극 리드와 결합되는 탭-리드 결합부를 형성하고,
    상기 전극 리드 연결용 탭 및 전극 리드 중 적어도 하나에는 유연성을 증가시키기 위한 타공부가 형성되는 것을 특징으로 하는,
    플렉서블 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 병렬 연결용 탭과 상기 전극 리드 연결용 탭은 상기 전극판의 양 측면에 각각 형성되는,
    플렉서블 전극 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 전극판들은 양극판 및 음극판을 포함하고,
    상기 양극판 및 음극판은 상하방향을 따라 교대로 적층되는,
    플렉서블 전극 조립체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전극판은, 전극 합재가 단면 또는 양면에 도포되는 전극 집전체를 포함하고,
    상기 전극 병렬 연결용 탭 및 전극 리드 연결용 탭은, 상기 전극 합재가 미도포되어 전극 집전체가 노출되도록 이루어져 상기 전극판으로부터 돌출되게 형성되는,
    플렉서블 전극 조립체.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 복수의 전극판을 이루는 상기 양극판과 상기 음극판 사이에는 그보다 넓은 분리막이 삽입되며, 대면 방식으로 적층된 구조인,
    플렉서블 전극 조립체.
  6. 삭제
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 플렉서블 전극 조립체의 최상단 및 최하단에는 양극 합재 또는 음극 합재가 단면에 도포된 양극판 또는 음극판 중 어느 한 종류의 전극판이 배치되는,
    플렉서블 전극 조립체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 동일한 극성의 전극판에 형성된 전극 병렬 연결용 탭이 서로 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 상기 플렉서블 전극 조립체의 측면 평행선과 0° ~ 70° 범위의 예각을 이루는,
    플렉서블 전극 조립체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 동일한 극성의 전극판에 형성된 전극 병렬 연결용 탭이 서로 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 상기 플렉서블 전극 조립체의 측면 평행선과 160°~ 200° 범위의 각을 이루고,
    상기 플렉서블 전극 조립체의 전체 두께 TE에대해서 1/4 TE이상 3/4 TE이하의 범위의 굽힘 반경으로 굴절된 상태로, 상기 탭-탭 결합부는 상기 플렉서블 전극 조립체의 최상단 또는 최하단을 이루는 최외각 전극판의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 위치하는,
    플렉서블 전극 조립체.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 탭-탭 결합부는 상기 플렉서블 전극 조립체의 외면을 감싸고 있는 분리막에 접하여 있거나, 상기 플렉서블 전극 조립체의 전체 두께 TE에 대해서 1/4 TE두께이내로 외면을 감싸고 있는 분리막으로부터 이격하여 위치하는,
    플렉서블 전극 조립체.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 타공부는 원, 타원 및 다각형을 포함한 패턴 그룹 중 어느 하나 이상의 패턴 그룹으로 이루어지는,
    플렉서블 전극 조립체.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 동일한 극성의 전극판에 형성된 전극 병렬 연결용 탭이 서로 병렬 연결된 탭-탭 결합부 및 상기 전극 리드 연결용 탭과 상기 전극 리드가 서로 연결된 탭-리드 결합부는 초음파 또는 스팟 용접으로 전기적 연결되는,
    플렉서블 전극 조립체.
  13. 상하로 적층되는 복수의 전극판; 및
    상기 복수의 전극판 사이에 배치되는 복수의 분리막;을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 복수의 전극판들은 각각 그 일 측면에 형성되는 전극 병렬 연결용 탭을 포함하고,
    상기 복수의 전극판들 중 어느 하나 이상의 전극판은, 상기 전극 병렬 연결용 탭이 형성되는 일 측면과 다른 측면에 형성되는 전극 리드 연결용 탭을 포함하며,
    상기 전극 병렬 연결용 탭은 동일한 극성끼리 서로 병렬 연결되고,
    상기 전극 리드 연결용 탭의 적어도 일부는 전극 리드의 적어도 일부를 덮도록 상기 전극 리드와 결합되는 탭-리드 결합부를 형성하고,
    상기 전극 리드는, 그물 형상 또는 금속사를 직조한 직물 형상으로 이루어지는 관절부를 포함하는,
    플렉서블 전극 조립체.
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