KR101933950B1 - 지그재그형 전극조립체 및 이를 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 양극들, 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 음극들, 및 양극 및 음극 사이에 개재되는 1 단위의 시트형 분리막을 포함하고 있고; 상기 시트형 분리막은 지그재그 형태로 절곡되어 있으며; 상기 양극과 음극 중의 적어도 한 종류의 전극은, 시트형 분리막의 절곡 부위에 대응하여, 전극의 중앙부가 절곡된 상태로, 분리막을 사이에 두고 반대 극성의 전극에 대면하면서 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

지그재그형 전극조립체 및 이를 포함하고 있는 전지셀 {Zigzag Type Electrode Assembly and Battery Cell Comprising the Same}

본 발명은 지그재그형 전극조립체 및 이를 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.

최근 사용량이 증가하고 있는 이차전지는, 전지의 형상 면에서 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다.

그러나, 이러한 종래의 전극조립체는 몇가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 젤리-롤 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 된다. 상기 전극조립체의 변형으로, 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다. 또한, 양극의 단위 면적당 활물질 로딩(loading) 양이 많거나, 재료의 특성에 의해 시트형의 양극과 음극을 권취할 경우에, 접히는 부분에 균열이 발생하거나 끊어지는 경우가 발생하고, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 있다.

둘째, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로, 단위체의 제조를 위한 극판의 준비 공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 생산성이 낮다는 문제점이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호, 제2001-0082060호 등에 개시되어 있다.

도 1 및 도 2에는 이러한 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조 및 제조 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 단위 셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 적층된 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 분리필름(20)이 개재되어 있다. 분리필름(20)은 풀셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀셀(10)로부터 시작되어 최외각의 풀셀(14)까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸서 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 분리필름(20)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(25) 등을 붙여서 마무리한다.

이러한 스택/폴딩형 전극조립체는, 예를 들어, 긴 길이의 분리필름(20) 상에 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)을 배열하고 분리필름(20)의 일 단부(21)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다.

이 때, 단위 셀인 풀셀들의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(10)의 외면이 분리필름(20)로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(10)의 하단면 전극이 제 2 풀셀(11)의 상단면 전극에 접하게 된다.

제 2 풀셀 이후의 풀셀들(11, 12, 13, 14 …)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름(20)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.

또한, 이러한 풀셀들의 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 3 풀셀(12)은 상단면 전극이 음극인 풀셀이며, 제 4 풀셀(13)은 상단면 전극이 양극인 풀셀이고, 제 5 풀셀(14)은 상단면 전극이 음극인 풀셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 풀셀(10)을 제외하면 상단면 전극이 양극인 풀셀과 상단면 전극이 음극인 풀셀이 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다. 한편, 도시되어 있지 않지만, 단위 셀이 바이셀인 경우에는 바이셀이 2개의 단위로 교번되는 배열로 탑재되게 된다.

따라서, 이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 기본적으로 바이셀 또는 풀셀들을 제작하고 다시 분리필름상에 배열 해야 하므로 제조 공정이 복잡하고, 단위 셀들 간의 접촉 계면에서 서로 반대 전극이 되도록 적층되기 위해서는 분리필름에 단위 셀인 바이셀 또는 풀셀을 유형(type) 별로 구별하여 소정의 규칙으로 탑재하여야 하는 바, 제조 공정이 번잡해지게 되어 생산성이 저하되는 문제가 있다.

더욱이, 단위 셀을 유형 별로 구별하는 것이 매우 까다로우므로, 분리필름 상에 탑재하는 과정에서 작업 상의 부주의나 오류 등의 다양한 원인으로 인해, 단위 셀들 중 어느 하나가 누락되거나 잘못 위치되는 경우, 동일한 극성을 갖는 전극이 계면에서 접촉하게 됨으로써 전지의 성능 저하를 일으킬 염려가 있다.

이상을 종합할 때, 전지의 작동 성능 및 안전성 측면에서는 스택/폴딩형 전극조립체가 바람직하지만, 생산성의 측면에서 상기와 같은 문제점들이 존재하는 바, 이러한 단점들을 보완하면서 더욱 우수한 생산성 및 작동 성능 등을 제공할 수 있는 전극조립체에 대한 필요성이 높아지고 있다.

특히, 최근 많은 관심을 모으고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 사용되는 대형 전지모듈은, 그것의 제조를 위해 많은 수의 전지셀(단위전지)들이 필요하고 또한 긴 수명 특성이 요구되므로, 상기 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 구조의 전극조립체에 관한 기술이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 목적은 적어도 한 종류의 전극이 중앙부가 절곡된 상태로 분리막을 사이에 두고 반대 극성과 대면하면서 적층되는 구조로서, 시트형 분리막에 상기 전극들이 지그재그 형태로 절곡되는 구조로 전극조립체를 구성함으로써, 종래의 전극조립체 제조 공정에 비해 풀셀 또는 바이셀의 생산 공정이 필요하지 않아 공정의 간편화를 통해 쉽게 제조될 수 있으며, 종래의 전극조립체에 비해 얇은 구조로 설계 가능하여 전지셀 설계의 자유도가 높은 전극조립체를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 양극들, 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 음극들, 및 양극 및 음극 사이에 개재되는 1 단위의 시트형 분리막을 포함하고 있고;

상기 시트형 분리막은 지그재그 형태로 절곡되어 있으며;

상기 양극과 음극 중의 적어도 한 종류의 전극은, 시트형 분리막의 절곡 부위에 대응하여, 전극의 중앙부가 절곡된 상태로, 분리막을 사이에 두고 반대 극성의 전극에 대면하면서 적층되어 있는 구조로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 적어도 한 종류의 전극이 중앙부가 절곡된 상태로 분리막을 사이에 두고 반대 극성과 대면하면서 적층되는 구조로서, 시트형 분리막에 상기 전극들이 지그재그 형태로 절곡되는 구조로 전극조립체를 구성함으로써, 종래의 전극조립체 제조 공정에 비해 풀셀 또는 바이셀의 생산 공정이 필요하지 않아 공정의 간편화를 통해 쉽게 제조될 수 있으며, 종래의 전극조립체에 비해 얇은 구조로 설계 가능하여 전지셀 설계의 자유도가 높은 전극조립체를 제공할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 양극과 음극 중의 하나의 전극에서 중앙부가 절곡되어 있고, 양극과 음극의 폭이 서로 상이한 구조로 구성될 수 있다.

이러한 구조는 예를 들어, 양극의 중앙부가 절곡되어 있고, 양극의 폭이 음극의 폭을 기준으로 200% 내지 220% 크기로 구성될 수 있고, 반대로, 음극의 중앙부가 절곡되어 있고, 음극의 폭이 양극의 폭을 기준으로 200% 내지 220% 크기로 구성될 수 있다.

상기 전극의 절곡된 중아부는 전극의 폭을 1/2로 분할하는 중심선에 위치할 수 있으며, 상기 양극과 음극은, 시트형 분리막의 양면에 대향 배치된 상태에서, 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 양극 및 음극은, 상대적으로 폭이 넓은 전극과 상대적으로 폭이 좁은 전극이 일측 부위에서 시트형 분리막이 개재된 상태로 대면하도록 배열되고, 상대적으로 폭이 넓은 전극들 사이에 상대적으로 폭이 좁은 전극이 추가적으로 위치하도록 시트형 분리막 상에 배열된 후에 지그재그 형태로 절곡되는 구조일 수 있다.

또한, 상기 일측 부위에서 시트형 분리막이 개재된 상태로 대면하도록 배열되어 있는 두 전극들은, 일측 단부들이 일치하는 위치로 배열되어 있는 구조로 구성될 수 있는 바, 이러한 구조는 시트형 분리막이 지그재그 형태로 절곡된 이후 적층되어 적극조립체가 완성된 상태에서 양극 또는 음극이 폭 방향으로 돌출되지 않는 형상으로 제조하기 위함이다.

상기 구조에서 시트형 분리막 상의 전극의 배치는, 지그재그 형태로 절곡되기 이전에 배열되는 구조, 즉, 상기 양극 및 음극이 시트형 분리막 상에 접착되어 배치되는 구조일 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 양극과 음극 각각에서 중앙부가 절곡되어 있고, 양극과 음극은 폭이 서로 동일한 구조로 구성될 수 있다.

이러한 구조는 예를 들어, 양극과 음극의 일부가 중첩되도록 시트형 분리막 상에 배열된 후에 각각의 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 구조로 구성될 수 있다.

상기 양극과 음극은, 하나의 전극의 일측 단부가 다른 전극의 중앙부에 위치하면서 중첩되도록, 시트형 분리막 상에 배열되어 있는 구조로 구성될 수 있는 바, 상기 구조에서는 양극 및 음극의 중앙부가 각각 절곡되어 양극 및 음극의 폭을 1/2로 분할하는 폭을 가지는 전극조립체를 완성할 수 있다.

또한, 상기 구조에서 시트형 분리막 상의 전극의 배치는, 지그재그 형태로 절곡되기 이전에 배열되는 구조, 즉, 상기 양극 및 음극이 시트형 분리막 상에 접착되어 배치되는 구조일 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전극조립체를 전지케이스 내부에 밀봉하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공할 수 있다.

참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있으며, 상기 전지셀은 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 전지셀을 단위전지로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공할 수 있다.

또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 적어도 한 종류의 전극이 중앙부가 절곡된 상태로 분리막을 사이에 두고 반대 극성과 대면하면서 적층되는 구조로서, 시트형 분리막에 상기 전극들이 지그재그 형태로 절곡되는 구조로 전극조립체를 구성함으로써, 종래의 전극조립체 제조 공정에 비해 풀셀 또는 바이셀의 생산 공정이 필요하지 않아 공정의 간편화를 통해 쉽게 제조될 수 있으며, 종래의 전극조립체에 비해 얇은 구조로 설계 가능하여 전지셀 설계의 자유도가 높은 전극조립체를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조에 대한 모식도이다;
도 2는 도 1의 스택/폴딩형 전극조립체의 제조 공정에서 단위 셀들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도이다;
도 4는 도 3의 전극조립체의 제조 공정에서 전극들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 단면도이다;
도 6은 도 5의 전극조립체의 제조 공정에서 전극들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전극조립체의 제조 공정에서 전극들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체(100)는 집전체의 양면에 양극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 양극들(111, 112, 113, 114), 집전체의 양면에 음극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 음극들(121, 122), 및 양극들(111, 112, 113, 114) 및 음극들(121, 122) 사이에 개재되는 1 단위의 시트형 분리막(130)을 포함하고 있다.

시트형 분리막(130)은 양극들(111, 112, 113, 114) 및 음극들(121, 122) 사이에 개재된 상태에서 지그재그 형태로 절곡되어 있는 구조로 구성되어 있으며, 음극들(121, 122)에는 시트형 분리막(130)의 절곡 부위에 대응하여, 음극들(121, 122)의 중앙부가 절곡된 상태로, 시트형 분리막을 사이에 두고 양극들(111, 112, 113, 114)에 대면하면서 적층되는 구조로 구성된다.

이때, 음극들(121, 122) 각각의 폭은 양극들(111, 112, 113, 114) 각각의 폭에 대해서 대략 220% 크기를 가지며, 음극들(121, 122)을 1/2로 분할하는 중심선에 양극들(111, 112, 113, 114)이 삽입되는 형태로서, 양극들(111, 112, 113, 114) 및 음극들(21, 122)이 시트형 분리막(130)의 양면에 대향 배치된 상태에서, 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 구조로 구성된다.

구체적으로, 이러한 배열 구조는 상대적으로 폭이 넓은 음극(121)과 상대적으로 폭이 좁은 양극(111)이 일측 부위에서 시트형 분리막(130)이 개재된 상태로 대면하도록 배열되고, 상대적으로 폭이 넓은 음극들(121, 122) 사이에 상대적으로 폭이 좁은 양극(112)이 추가적으로 위치하도록 시트형 분리막(130) 상에 배열된 후에 지그재그 형태로 절곡되는 구조로 전극조립체를 완성한다.

또한, 일측 부위에서 시트형 분리막(130)이 개재된 상태로 대면하도록 배열되어 있는 양극(111) 및 음극(121)은, 일측 단부들이 일치하는 위치로 배열되며, 이러한 양극들(111, 112, 113, 114) 및 음극들(121, 122)의 배열은 시트형 분리막(130) 상에 접착 또는 열융착에 의해 부착되는 형태로 배치된다.

도 3의 전극조립체에서는 음극들의 폭이 넓게 구성되고, 양극들이 상기 음극들 사이에 삽입되는 형태로 구성되어 있으나, 반대로, 양극들의 폭을 넓게 구성하고, 음극들이 동일한 형태로 배열되는 구조 또한 가능하다.

도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 전극조립체의 제조 공정에서 전극들의 배열 조합을 예시적으로 도시한 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체(200)는 집전체의 양면에 양극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 양극들(211, 212), 집전체의 양면에 음극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 음극들(221, 222), 및 양극들(211, 212) 및 음극들(221, 222) 사이에 개재되는 1 단위의 시트형 분리막(230)을 포함하고 있다.

시트형 분리막(230)은 양극들(211, 212) 및 음극들(221, 222) 사이에 개재된 상태에서 지그재그 형태로 절곡되어 있는 구조로 구성되어 있으며, 양극들(211, 212) 및 음극들(221, 222) 각각에는 시트형 분리막(230)의 절곡 부위에 대응하여, 양극들(211, 212) 및 음극들(221, 222)의 중앙부가 절곡된 상태로, 시트형 분리막(230)을 사이에 두고 반대 극성에 대면하면서 적층되는 구조로 구성된다.

이때, 음극들(221, 222) 각각의 폭은 양극들(211, 212) 각각의 폭과 동일한 크기를 가지며, 양극(211) 및 음극(221)은 일부가 중첩되도록 시트형 분리막(230) 상에 배열된 후에 각각의 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 구조로 구성된다.

구체적으로, 이러한 배열 구조는 하나의 양극(211)의 일측 단부가 음극(221)의 중앙부에 위치하면서 중첩되도록, 시트형 분리막(140) 상에 배열되어 있는 구조로 구성되고, 양극들(211, 212) 및 음극들(221, 222) 각각의 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 구조로 전극조립체를 완성한다.

또한, 이러한 양극들(211, 212) 및 음극들(221, 222)의 배열은 시트형 분리막(230) 상에 접착 또는 열융착에 의해 부착되는 형태로 배치된다.

본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

1. 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 양극들, 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어진 복수의 음극들, 및 양극 및 음극 사이에 개재되는 1 단위의 시트형 분리막을 포함하고 있고;
   상기 시트형 분리막은 지그재그 형태로 절곡되어 있으며;
   상기 양극과 음극 중의 적어도 한 종류의 전극은, 시트형 분리막의 절곡 부위에 대응하여, 전극의 중앙부가 절곡된 상태로, 분리막을 사이에 두고 반대 극성의 전극에 대면하면서 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극 중의 하나의 전극에서 중앙부가 절곡되어 있고, 양극과 음극은 폭이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 양극의 중앙부가 절곡되어 있고, 양극의 폭은 음극의 폭을 기준으로 200% 내지 220% 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 음극의 중앙부가 절곡되어 있고, 음극의 폭은 양극의 폭을 기준으로 200% 내지 220% 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡된 중앙부는 전극의 폭을 1/2로 분할하는 중심선에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 양극과 음극은, 시트형 분리막의 양면에 대향 배치된 상태에서, 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은, 상대적으로 폭이 넓은 전극과 상대적으로 폭이 좁은 전극이 일측 부위에서 시트형 분리막이 개재된 상태로 대면하도록 배열되고, 상대적으로 폭이 넓은 전극들 사이에 상대적으로 폭이 좁은 전극이 추가적으로 위치하도록 시트형 분리막 상에 배열된 후에 지그재그 형태로 절곡되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 일측 부위에서 시트형 분리막이 개재된 상태로 대면하도록 배열되어 있는 두 전극들은, 일측 단부들이 일치하는 위치로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 시트형 분리막 상에 접착되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극 각각에서 중앙부가 절곡되어 있고, 양극과 음극은 폭이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 양극과 음극은 일부가 중첩되도록 시트형 분리막 상에 배열된 후에 각각의 중앙부가 절곡되어 지그재그 형태로 적층되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 양극과 음극은, 하나의 전극의 일측 단부가 다른 전극의 중앙부에 위치하면서 중첩되도록, 시트형 분리막 상에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 시트형 분리막 상에 접착되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 전지케이스 내부에 밀봉하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
15. 제 14 항에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
16. 제 15 항에 따른 전지팩을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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