KR102019061B1 - 전극 연장부를 가진 전극조립체 및 전해액 저장 부재를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 본체의 일측에 전극탭들이 돌출되어 있고, 상기 본체의 일부로서 전극탭들이 위치한 변으로부터 외향 돌출된 전극 연장부가 형성되어 있는 구조의 전극조립체와 상기 전극조립체를 수납하고 있는 전지케이스, 및 상기 전지케이스의 내면과 전극조립체의 상단면에 접촉한 상태로 전지케이스 내에 장착되어 있으며, 외부로부터 전극 연장부가 받는 충격을 완화시키고 전해액을 함유할 수 있는 소재로 이루어진 내장 부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것이다.

Description

전극 연장부를 가진 전극조립체 및 전해액 저장 부재를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Comprising Electrode Assembly with Protrusion Portion and Storage Member for Electrolyte}

본 발명은 전극 연장부를 가진 전극조립체 및 전해액 저장 부재를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full-cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bi-cell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

한편, 휴대용 기기의 경박화 및 소형화 추세에 따라, 휴대용 기기 내부에서 이차전지의 에너지 밀도를 향상시키려는 노력이 있었다. 특히, 이차전지의 구조 상 필수적으로 포함되는 사공간(dead space)을 감소시키기 위하여 전극조립체의 구조를 변형시키려는 노력이 있었다.

다만, 이와 같이 변형된 전극조립체의 경우 에너지 밀도는 향상시킬 수 있었지만 내구성 및 안전성이 저하되는 문제가 발생하였다.

또 다른 한편, 일반적으로 리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO₂ 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 다공성 분리막을 개재하고, LiPF₆ 등의 리튬염을 가진 전해액을 함침시켜 제조된다.

충전 시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소 층으로 삽입되고, 방전 시에는 탄소 층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 한다.

다만, 이러한 전해액은 이차전지의 사용에 따라 음극에서의 부반응 및 양극에서의 산화 현상에 의해 지속적으로 소모된다. 이에 따라, 전해액의 함량이 너무 적어지면, 소망하는 전기화학적 성능을 발휘할 수 없을 뿐만 아니라, 이차전지의 수명이 급격하게 저하되는 문제가 있다.

따라서, 변형된 전극조립체를 사용하여 에너지 밀도를 향상시키면서도, 이차전지의 내구성 및 안전성을 유지할 수 있고, 전해액의 소모에 따른 이차전지의 성능 및 수명 저하를 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 외향 돌출된 전극 연장부가 형성되어 있는 구조의 전극조립체 및 외부로부터 전극 연장부가 받는 충격을 완화시키고 전해액을 함유할 수 있는 소재로 이루어진 내장 부재를 포함하는 경우, 이차전지의 에너지 밀도가 향상되고, 내구성 및 안전성이 유지되며, 사이클 특성이 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 본체의 일측에 전극탭들이 돌출되어 있고, 상기 본체의 일부로서 전극탭들이 위치한 변으로부터 외향 돌출된 전극 연장부가 형성되어 있는 구조의 전극조립체; 상기 전극조립체를 수납하고 있는 전지케이스; 및 상기 전지케이스의 내면과 전극조립체의 상단면에 접촉한 상태로 전지케이스 내에 장착되어 있으며, 외부로부터 전극 연장부가 받는 충격을 완화시키고 전해액을 함유할 수 있는 소재로 이루어진 내장 부재;를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

종래 기술에 따르면, 전극조립체에 포함되는 양극판 및 음극판의 형상이 정형화되어 있었고, 이에 따라 발생되는 사공간(dead space)을 감소시켜 에너지 밀도를 향상시키는데 한계가 있었다. 특히, 전극판의 일측에 돌출되어 있는 전극탭들 주변의 공간은 에너지 밀도 향상에 기여하지 못하는 사공간에 해당한다.

반면에, 본 발명에 따르면, 상기 전극탭들이 위치한 변으로부터 외향 돌출된 전극 연장부를 형성함으로써, 전극탭들 주변의 사공간을 감소시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 전극 연장부는 전극조립체의 상단에 돌출된 구조를 형성하여 외력이 작용 시 전지케이스 내부의 실런트층이나 코팅층 등을 손상시킬 수 있고, 응력이 집중되어 전지케이스가 변형된 경우, 전극 손상 및 내부쇼트를 발생시킬 수 있다.

다만, 상기 내장 부재는 충격을 완화시키는 소재로 이루어져 있으며, 전극 탭이 위치하는 전극조립체의 상단면에 접촉한 상태로 전지케이스 내에 장착되어 있어, 상기 전극 연장부에 의한 전지케이스의 손상을 방지할 수 있다.

더욱이, 상기 내장 부재는 전해액을 함유할 수 있는 소재로 이루어져 있으므로, 이차전지 내에 잉여 전해액을 저장할 수 있고, 이차전지의 사용 중에 전해액이 소모되는 경우 이를 보충하여, 전해액의 소모에 따른 이차전지의 성능 및 수명 저하를 방지할 수 있다.

상기 전극 연장부는 다양한 구조적 변형을 통해서 사공간을 더욱 감소시키고, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 전극 탭의 일측 또는 양측에 하나 이상의 전극 연장부를 가진 구조일 수 있다.

또한, 상기 전극 연장부는 전극 탭을 기준으로 상호 대칭 또는 비대칭 형상을 이룰 수 있다.

더욱이, 상기 전극 연장부는 평면상으로 다각형, 원형, 또는 적어도 하나의 변이 곡선을 이루는 다각형 중의 하나일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 연장부의 면적은 전극판 하나의 면적을 기준으로 1% 내지 20%, 상세하게는 3% 내지 10%의 범위일 수 있다. 상기 전극 연장부의 면적이 1% 미만인 경우에는 에너지 밀도 향상의 효과가 크지 않고, 20% 초과인 경우에는 전극조립체의 구조적 변형으로 인한 내구성 및 안전성이 크게 감소되므로 바람직하지 않다.

또한, 상기 음극판은 양극판보다 넓은 면적을 가질 수 있고, 이러한 구조를 통해 이차전지의 사이클 특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 음극판 및 양극판은, 전극 연장부의 형상에 적합하도록 레이저 가공 또는 프레스 가공에 의해 노칭될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 종래의 전극조립체와 전반적으로 유사한 공정으로 제조되기 때문에, 기존의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제조할 수 있는 장점이 있다.

상기 전극조립체를 수납하고 있는 전지케이스는, 전극조립체의 형태에 맞추어 적절하게 수납할 수 있도록, 파우치형 또는 각형일 수 있고, 상세하게는 파우치형이 적절할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 내장 부재는, 전극 연장부에 대한 완충 작용과 전해액 함유에 적합하도록, 적어도 일부가 다공성 탄성체로 이루어질 수 있고, 상세하게는, 상기 다공성 탄성체는 발포 고무 또는 발포 합성수지일 수 있다.

상기 발포 고무는, 완충 작용에 적합하도록 일정한 고무 탄성을 가지고, 전해액을 함유할 수 있는 소재이면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 천연 고무 또는 합성 고무로 이루어질 수 있고, 상세하게는, 상기 합성 고무는 예를 들어, 스티렌부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

상기 발포 합성수지는, 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리플루오린화비닐리덴, 폴리에틸렌 테레프타레이트, 폴리염화비닐, 폴리아크릴로나이트릴, 나일론, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아크릴레이트, 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 내장 부재는 전극 연장부로 인하여 충격 및 손상에 취약해진 전지케이스를 이중으로 보호하고, 외관 형상의 미감을 높일 수 있도록, 전지케이스의 내면에 접하는 부위와 전극조립체의 상단면에 접하는 부위가 상이한 소재로 이루어질 수 있다.

상세하게는, 외부로부터 받는 충격을 케이스와 함께 보호하고, 외관의 형상을 개선하기 위하여, 상기 내장 부재에서, 전지케이스의 내면에 접하는 부위는 고밀도 폴리에틸렌계 화합물, 폴리프로필렌계 화합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트계 화합물, 폴리우레탄계 화합물, 폴리카보네이트계 화합물 및 에폭시계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 소재가 사용될 수 있다.

또한, 상기 내장 부재에서, 전극조립체의 상단면에 접하는 부위에는, 전지케이스에 접하는 내장 부재가 먼저 흡수한 충격을 분산시키면서 전극조립체에 대한 충격을 완화시키고, 전해액 함유에도 적합하도록, 발포 고무 또는 발포 합성수지의 다공성 탄성체가 사용될 수 있다.

상기 전지케이스의 내면에 접하는 부위와 전극조립체의 상단면에 접하는 부위가 상이한 소재로 이루어진 내장 부재는, 종래에 이차전지에서 비어있던 전극 탭의 좌우 공간을 내장 부재로 채우는 한편, 상대적으로 강도가 높은 화합물을 사용하여 이차전지의 외관을 더욱 개선시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 전해액 함침공정의 속도를 높이고, 전지 내에서의 잉여 전해액 함유량을 더욱 증가시키기 위해, 적어도 일부가 상기 다공성 탄성체로 이루어진 내장 부재는 전해액 친화성 물질로 코팅되어 있을 수 있다.

상세하게는, 상기 내장 부재는, 에틸카보네이트계 화합물, 에틸메틸카보네이트계 화합물, 프로필렌카보네이트계 화합물, 디메틸카보네이트계 화합물, 디에틸카보네이트계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 전해액 친화성 물질로 코팅될 수 있다.

상기 내장 부재 코팅과정을 통해서, 잉여 전해액을 더 많이 확보할 수 있고, 전해액 감소 기전에도 불구하고 전지의 용량이 감소되는 것을 막을 수 있어, 전지의 성능을 장기간 유지할 수 있다.

또 다른 하나의 구체적인 예에서, 외부로부터 전극조립체에 가해지는 충격을 안정적으로 완화시키기 위하여, 상기 내장 부재는 전지케이스에 부착되어 있을 수 있다.

상기 전극조립체는, 스택형 전극조립체 또는 스택/폴딩형 전극조립체로 이루어질 수 있다.

이하, 상기 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.

상기 전극판, 양극판, 및 음극판은 이하에서, 각각 전극, 양극, 및 음극으로 지칭한다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 300 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 양극 활물질은, 예를 들어, 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, LiV₃O₄, 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 양극 합제 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-부타디엔 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.

반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.

상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

본 발명에서 음극 집전체의 두께는 3 내지 300 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.

상기 음극 활물질은, 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 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 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.

상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 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 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 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 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수 전해질에는 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiN(SO₂CF₃)₂ 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.

이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극 연장부 및 내장부재를 포함하여, 전극 연장부를 충격으로부터 보호하며, 전지케이스의 외장을 개선시키고, 이차전지의 에너지 밀도를 현저하게 향상시키며, 이차전지의 수명 특성을 개선시킬 수 있다.

또한, 기존의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제조할 수 있다.

도 1은 일반적인 이차전지의 전극조립체와 전지케이스를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 3은 도 1의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 5는 도 4의 전극조립체에 내장 부재를 결합하는 과정을 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 6은 도 5의 내장 부재를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 7은 도 4의 전극조립체와 도 6의 내장 부재를 결합한 구조의 이차전지를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내장 부재를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내장 부재를 모식적으로 나타낸 사시도이다.

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 1에는 일반적인 이차전지의 전극조립체와 전지케이스의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전극조립체(10)은 본체부(11), 전극 탭들(12, 13), 및 전극 리드(16, 17)를 포함하고 있고, 전지케이스(20)은 전극조립체 수납부(21), 라미네이트 시트의 외부 피복층(22), 내부 실란트층(23), 및 커버부(24)를 포함하고 있다.

구체적으로, 전극조립체(10)은 양극판과 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조가 둘 이상 반복적으로 적층되어 있는 판상형의 적층부(11)를 포함하고 있으며, 양극판과 음극판에 형성되어 있는 전극 탭들(12, 13)이 전극조립체(10)의 상대적으로 좁은면에 돌출되어 있다.

동일한 극성의 전극 탭들(12, 13)이 각각 군집을 이루고 있으며, 각각의 전극 탭들(12, 13)은 전극 리드(16, 17)와 전기적으로 연결되어 있다.

전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스로, 라미네이트 시트의 외부에는 내후성 고분자로 이루어진 피복층(22), 내부에는 열융착성 고분자로 이루어진 실란트층(23)이 형성되어 있으며, 외부 피복층(22)과 내부 실란트층(23)의 사이에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 베리어층이 형성되어 있다.

전지케이스(20)에는 전극조립체(10)와 전해액을 함께 수납할 수 있도록, 전극조립체 수납부(21)가 형성되어 있고, 전극조립체(10)와 전해액을 수납한 채로, 커버부(24)로 전극조립체 수납부(21)를 덮은 다음, 내부 실란트층(23)을 열융착하여 밀봉하면, 하나의 독립된 이차전지를 제조할 수 있다.

도 2에는 도 1의 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위의 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 1의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전극조립체(10)은 음극판(18)과 양극판(19) 사이에 분리막(도시하지 않음)이 개재되어 있는 본체부(11), 전극 탭들(12, 13), 및 전극 리드(16, 17)를 포함하고 있다.

음극 탭들(12)은 각각의 음극판(18)으로부터 연장되어 있고, 음극 리드(16)와 전기적으로 연결되어 있다.

양극 탭들(13)은 각각의 양극판(19)으로부터 연장되어 있고, 양극 리드(17)과 전기적으로 연결되어 있다.

도 3을 참조하면, 이차전지(30)는 음극판들(18), 음극 탭들(12), 음극 리드(16) 및 전지케이스(20)를 포함하고 있다.

음극판들(18) 및 음극판들(18)로부터 우측으로 연장되어 있는 음극 탭들(12)은 전지케이스(20)의 내부에 위치하고 있고, 음극탭들(12)과 전기적으로 연결되어 있는 음극 리드(16)는 우측 단부가 전지케이스(20)의 외부로 노출되어 있다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 전극 탭들 및 전극 리드가 위치한 부위의 평면도가 모식적으로 도식되어 있다.

도 2와 비교하여 도 4를 참조하면, 전극조립체(310)은 본체부(311), 전극 연장부(330, 331, 332), 전극 탭들(312, 313), 및 전극 리드(316, 317)를 포함하고 있다.

구체적으로, 본체부(311)는 음극판(318)과 양극판(319) 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조이며, 음극판(318)은 양극판(319)에 비해 면적이 넓으며, 음극과 양극의 대항비(N/P ratio)를 1보다 크게 유지하여, 이차전지의 안전성 및 수명 특성을 확보할 수 있다.

음극 탭들(312)은 각각의 음극판(318)으로부터 연장되어 있고, 음극 리드(316)와 전기적으로 연결되어 있다.

양극 탭들(313)은 각각의 양극판(319)으로부터 연장되어 있고, 양극 리드(317)와 전기적으로 연결되어 있다.

전극 연장부(330, 331, 332)는 본체부(311)의 일부로서 전극 탭들(312, 313)이 위치한 상변으로부터 외향 돌출되어 있다. 전극 연장부(330, 331, 332)는 전극 탭들(312, 313)이 위치한 공간을 활용하여, 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

전극 연장부(330, 331,332)는 전극 탭(312, 313)을 기준으로, 상세하게는, 전극 탭(312, 313)이 위치한 상변의 수직 이등분선을 기준으로 상호 대칭 적인 형상을 이루고 있다. 또한, 각각의 전극 연장부(330, 331, 332)는 전체적으로 사다리꼴 형상으로 측변에 곡선을 포함하는 다각형을 이루고 있다.

전지 용량을 최대한으로 확보하기 위하여 전극 탭들(312, 313)과 전극 연장부(330, 331, 332) 사이에 이격 공간 없이 구성될 수도 있다. 다만, 이 경우 쇼트로 인한 접촉불량이 발생할 가능성이 높고, 본 발명에 따른 내장 부재를 삽입하기에 적절하지 않다. 따라서, 전극조립체(310)은 전극 탭들(312, 313)과 전극 연장부(330, 331, 332) 사이에 이격 공간(335)이 위치하도록 구성되어 있다.

전극조립체(310)은 종래의 전극조립체(10)와 전반적으로 유사한 구조를 유지하고 있으므로, 기존의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제조할 수 있다.

도 5에는 도 4의 전극조립체에 내장 부재를 결합하는 과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 내장 부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 전극조립체(310)는 전극 연장부(330, 331, 332)를 포함하고 있고, 각각의 전극 연장부(330, 331, 332)에 대응되는 3개의 내장 부재(340, 341, 342)가 결합되고 있다.

구체적으로, 본체부(311)로부터 위쪽으로 외향 돌출 되어 있는 전극 연장부(330)에 대응되는 내장 부재(340)은, 전극 조립체의 위쪽으로부터 아래쪽으로 전극 연장부(330)를 감싸도록 결합된다. 전극 연장부(331, 332)에 각각 대응되는 내장 부재(341, 342)도 동일한 방식으로 결합된다.

도 6을 참조하면, 내장 부재(340)은 평면부(345), 연장부(346, 347) 및 만입부(348)로 이루어져 있다.

내장 부재(340)는 전체적으로 사각기둥의 일면이 만입되어 만입부(348)를 형성하는 기둥형상이다.

구체적으로, 평면 형상의 평면부(345)가 수직 방향으로 위치하고 있고, 연장부(346)는 평면부(345)의 위쪽으로부터 좌측으로 절곡되어 연장되어 있고, 연장부(347)은 평면부(345)의 아래쪽으로부터 좌측으로 절곡되어 연장되어 있다. 평면부(345) 및 연장부(346, 347)에 의해 상측, 하측 및 우측이 둘러싸여 있고, 좌측은 개방되어 만입된 구조로 역 C자형의 만입부(348)가 형성되어 있다.

내장 부재(340)의 연장부(346, 347)의 두께는 전극조립체의 두께를 기준으로 0.5% ~ 5% 이내인 구조이며, 이 경우, 전지의 두께를 과도하게 증가시키지 않으면서도 전극조립체와의 결속력을 향상시키는 효과가 있다.

도 7에는 도 4의 전극조립체와 도 6의 내장 부재를 결합한 구조의 이차전지의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4, 도 6 및 도 7을 참조하면, 이차전지(400)은 전지케이스(20)의 내부에 전극조립체(310) 및 내장 부재(340)을 포함하고 있다.

내장 부재(340)은 전극조립체(310)의 전극 연장부(330)에 접촉한 상태로 전지케이스(20) 내에 장착되어 있으며, 외부로부터 전극 연장부(330)가 받는 충격을 완화시키고 전해액을 함유할 수 있는 소재로 이루어져 있다.

내장 부재(340)의 만입부(348)는 전극 연장부(330)의 돌출된 외면 형상에 대응되는 형상을 이루고 있다. 연장부(346, 347)의 길이는 전극 연장부(330)의 돌출된 길이보다 길게 구성되어, 만입부(348)에 전극 연장부(330)를 삽입하고도, 본체부(311)의 일부까지 덮을 수 있도록 구성되어 있어, 전극조립체(310)와 내장 부재(340)를 더욱 안정적으로 결합할 수 있고, 이차전지의 사용중에 내장 부재(340)가 정위치를 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내장 부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6과 비교하여 도 8을 참조하면, 내장 부재(340a) 전체적인 형상에 있어서는 내장 부재(340)와 동일한 구조를 이루고 있다.

구체적으로, 내장 부재(340a)는 전체적으로 사각기둥의 일면이 만입되어 만입부(348a)를 형성하는 기둥형상이다.

구체적으로, 평면 형상의 평면부(345a)가 수직 방향으로 위치하고 있고, 연장부(346a)는 평면부(345a)의 위쪽으로부터 좌측으로 절곡되어 연장되어 있고, 연장부(347a)은 평면부(345a)의 아래쪽으로부터 좌측으로 절곡되어 연장되어 있다. 평면부(345a) 및 연장부(346a, 347a)에 의해 상측, 하측 및 우측이 둘러싸여 있고, 좌측은 개방되어 만입된 구조로 역 C자형의 만입부(348a)가 형성되어 있다.

한편, 내장 부재(340a)는 전지케이스의 외관을 더욱 개선하고 외부로부터 받는 충격을 더욱 완화시킬 수 있도록, 전지케이스의 내면에 접하는 부위와 전극조립체의 상단면에 접하는 부위가 상이한 소재로 이루어져 있는 점에서 내장 부재(340)과 차이가 있다.

도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내장 부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 8과 비교하여 도 9를 참조하면, 내장 부재(340b)는 내장 부재(340a)와 달리, 연장부(346a, 347a) 및 만입부(348a)가 존재하지 않는 사각기둥의 형상을 이루고 있다.

내장 부재(340a)의 연장부(346a, 347a)가 전극조립체의 상면과 하면을 일부 감쌈으로써 이차전지의 두께를 일부 증가시키는 반면, 내장부재(340b)는 이차전지의 두께를 증가시키지 않으므로, 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

1. 양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 본체의 일측에 전극탭들이 돌출되어 있고, 상기 본체의 일부로서 전극탭들이 위치한 변으로부터 외향 돌출된 전극 연장부가 형성되어 있는 구조의 전극조립체;
   상기 전극조립체를 수납하고 있는 전지케이스; 및
   상기 전지케이스의 내면과 전극조립체의 상단면에 접촉한 상태로 전지케이스 내에 장착되어 있으며, 외부로부터 전극 연장부가 받는 충격을 완화시키고 전해액을 함유할 수 있는 소재로 이루어진 내장 부재;
   를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극 탭의 일측 또는 양측에 하나 이상의 전극 연장부를 가진 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 연장부는 전극 탭을 기준으로 상호 대칭 또는 비대칭 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 연장부는 평면상으로 다각형, 원형, 또는 적어도 하나의 변이 곡선을 이루는 다각형 중의 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 연장부의 면적의 합은 전극판 하나의 면적을 기준으로 1% 내지 20%의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 음극판 및 양극판은 레이저 가공 또는 프레스 가공에 의해 노칭된 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 파우치형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 내장 부재는 적어도 일부가 다공성 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 다공성 탄성체는 발포 고무 또는 발포 합성수지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 발포 고무는 천연 고무 또는 합성 고무로 이루어져 있고, 상기 합성 고무는 스티렌부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 발포 합성수지는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리플루오린화비닐리덴, 폴리에틸렌 테레프타레이트, 폴리염화비닐, 폴리아크릴로나이트릴, 나일론, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아크릴레이트, 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 내장 부재는 전지케이스의 내면에 접하는 부위와 전극조립체의 상단면에 접하는 부위가 상이한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 내장 부재는 전지케이스의 내면에 접하는 부위가 고밀도 폴리에틸렌계 화합물, 폴리프로필렌계 화합물, 폴리에틸렌 테레프탈레이트계 화합물, 폴리우레탄계 화합물, 폴리카보네이트계 화합물 및 에폭시계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 내장 부재는 전극조립체의 상단면에 접하는 부위가 발포 고무 또는 발포 합성수지의 다공성 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 내장 부재는 전해액 친화성 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 이차전지.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 전해액 친화성 물질은 에틸카보네이트계 화합물, 에틸메틸카보네이트계 화합물, 프로필렌카보네이트계 화합물, 디메틸카보네이트계 화합물, 디에틸카보네이트계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 내장 부재는 전지케이스에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 스택형 전극조립체 또는 스택/폴딩형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 이차전지.
19. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
20. 제 19 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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