KR102036590B1 - 접힘 방식으로 형태 변형이 가능한 구조의 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 전도성의 집전체 일면 또는 양면에, 전극 합제가 집전체의 표면에 도포되어 있고, 상기 집전체의 적어도 하나의 단부에 하나 이상의 전극 탭이 형성되어 있으며, 상기 전극의 상면 및 하면 중의 적어도 하나에는 도포된 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 하나 이상의 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부가 절곡되어 형상이 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극과 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

접힘 방식으로 형태 변형이 가능한 구조의 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode for Secondary Battery with Transformable Structure Based upon Folding Manner and Secondary Battery Having the Same}
본 발명은 접힘 방식으로 형태 변형이 가능한 구조의 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기 또는 신체에 착용하는 웨어러블 전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
한편, 리튬 이차전지는 이를 동력원으로 사용하는 디바이스의 크기 및 형상을 고려하여 제조되고 있고, 최근에는 리튬 이차전지가 사용되는 제품이 다양해지고, 곡선 또는 곡면을 가지는 다양한 디바이스에 적용 가능하도록, 장방형의 구조에서 벗어나, 기하학 구조의 다양한 디자인으로 제조되고 있다.
특히, 최근 슬림한 타입, 곡면 타입 또는 다양한 디자인의 추세 변화(trend change)로 인하여 새로운 형태의 이차전지가 요구되고 있다.
이차전지는 양극, 음극 및 분리막으로 구성되어 있는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 구조로 이루어져 있다.
이차전지는 전반적으로 동일한 크기의 전극조립체를 포함하는 것으로 구성되어 있으므로, 이차전지가 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 신규한 구조로 만들기 위해서는, 전극조립체를 구성하는 양극과 음극의 크기를 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 할 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 다수의 전극들을 디바이스의 소망하는 형상에 대응하도록 결합시켜 전극조립체를 제조해야 한다.
그러나, 이러한 디자인 변경 과정에서 전극의 전극 용량이 감소될 수 있을 뿐만 아니라, 전극들의 전기적 연결 방식이 복잡해질 수 있다. 이와 같이 전극의 디자인 변경이 용이하지 않으므로, 현재로서는 소망하는 조건을 만족하는 전극조립체와 이를 포함하는 이차전지의 제작이 상당히 까다롭다.
따라서, 다양한 디바이스의 형상에 대응하여 적용할 수 있는 이차전지와 이를 구성하는 전극에 대한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 다양한 디바이스의 형상 및 공간에 장착될 수 있는 구조로 설계하여 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화하고, 일반적인 장방형의 구조를 가지는 디바이스의 외형 구조에서 벗어나 다양한 외형을 가지는 디바이스에서도 효율적으로 장착이 가능한 이차전지와 이를 구성하는 전극을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극은,
이차전지용 전극으로서,
전기 전도성의 집전체 일면 또는 양면에, 전극 합제가 집전체의 표면에 도포되어 있고, 상기 집전체의 적어도 하나의 단부에 하나 이상의 전극 탭이 형성되어 있으며,
상기 전극의 상면 및 하면 중의 적어도 하나에는 도포된 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 하나 이상의 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부가 절곡되어 형상이 변형될 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전극은, 전극 합제가 도포되지 않아 상대적으로 유연성을 가지는 전극의 무지부를 통해, 절곡 되기 용이한 구조로 이루어져 있고, 이와 같은 구조에 기반하여, 일반적인 장방형 구조에서 각진 구조 또는 곡면 구조 등의 비정형 구조로 형상을 변형할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극은 집전체의 일면에만 전극 합제가 도포될 수 있고, 상기 일면에 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 무지부가 형성된 구조일 수 있다.
이와 같이, 집전체의 일면에만 전극 합제가 도포된 전극은 '단면 전극'으로 지칭할 수 있고, 이러한 단면 전극은 전극 합제가 도포되지 않은 면이 전극조립체의 외측을 향하도록 전극조립체의 최외곽 부위에 배치될 수 있으며, 경우에 따라서는 전극 합제가 도포되지 않은 면에 연신율이 높은 분리막이 부가될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극은 집전체의 양면에 전극 합제가 도포되어 있고, 상기 집전체의 각 면에는 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 한 쌍의 면 무지부들이 형성된 구조일 수 있다.
이와 같이, 집전체의 양면에 전극 합제가 도포된 전극은 '양면 전극'으로 지칭할 수 있고, 이러한 양면 전극은, 전극 합제의 도포 면적이 넓어 전극 용량을 결정하는 전극활물질이 상대적으로 다량 함유될 수 있으며, 그에 따라, 고 용량의 전극의 구현을 가능하게 한다.
여기서, 상기 한 쌍의 면 무지부들은 집전체를 기준으로 상호 대칭되도록, 각 면의 동일한 위치에서 동일한 형상과 크기로, 집전체의 양면에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 구조의 전극은, 면 무지부들은 동일한 위치에서 함께 절곡 되면서 형상이 변형될 수 있다.
이하에서는 무지부의 형상 및 형성되는 위치에 대해 구체적으로 설명한다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 전극 합제가 양면에 도포된 양면 전극의 경우에는, 양면의 동일한 위치에 형성된 한 쌍의 면 무지부들을 하나의 무지부로 통합시킨 개념을 기준으로 설명한다.
상기 전극에는 n개(n≥1)의 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부는 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지 하나 이상의 직선 또는 곡선의 형태로 형성될 수 있다.
참고로, 상기 실시예에서 상기 전극이 양면 전극이라면, 집전체의 양면에 형성된 한 쌍의 면 무지부들은 n개의 무지부 중, 1개의 전극 무지부로 볼 수 있고, 전극이 단면 전극이라도, 집전체의 일면에 형성된 무지부 또한 1개의 전극 무지부로 볼 수 있다. 즉, 이하 설명하는 무지부의 개념은 집전체의 각 면의 무지부로 설명하는 것이 아니라, 하나의 전극에서 전극 합제를 구획하는 전극의 무지부 개념이다.
상기 무지부의 폭은 전극 합제부의 도포 량과 절곡으로 전극이 파손되지 않는 범위에서 설계될 수 있으며, 상세하게는 전극의 총 폭 대비 2% 내지 30%의 폭을 가질 수 있다.
무지부의 폭이 상기 범위 미만인 경우에는 전극 합제부과 무지부의 절곡 부위 사이가 매우 근접하게 위치되므로, 절곡 시, 무지부에 인접한 전극 합제부가 집전체로부터 분리될 수 있다. 또한, 무지부에서 절곡 가용 범위가 크게 감소되어 소망하는 형상으로 절곡하기 어렵다.
반면에, 무지부의 폭이 상기 범위를 초과하여 매우 큰 폭을 가지는 경우에는, 절곡 가용 범위는 증가하지만 무지부의 면적 만큼 전극 합제부의 도포 량이 감소될 수 있고, 결과적으로 전극 용량이 감소되므로 바람직하지 않다.
또한, 경우에 따라서, 상기 무지부의 표면에 연신율이 높고, 충격과 변형으로 집전체에 가해지는 외력을 일부 완화시킬 수 있도록, 별도의 완충 부재가 부가될 수 있다.
상기 완충 부재는 무지부의 절곡 시, 함께 절곡 되면서 연신될 수 있고, 변형력의 일부를 완화시켜 집전체가 파단되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 완충 부재는 무지부가 변형된 상태에서도, 외력을 완충하여 변형된 부위가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 완충 부재의 소재는 연신율과 탄성 복원이 높고, 전기절연이 가능한 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 유/무기 복합 다공성 분리막(Safety-Reinforcing Separators)일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 n이 1이고, 상기 전극에서 전극 합제는 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부로 구획될 수 있다.
상기 구획이란, 집전체 상에서 전극 합제가 둘 또는 그 이상으로 분리 및 이격된 형상을 의미하며, 각 전극 합제부들은 무지부를 중심으로 수평으로 구획될 수 있다.
상기 무지부는 전극의 중심부를 통과하면서, 제 2 전극 합제부가 대칭적으로 일측 단부 및 타측 단부에 대해 각각 수직으로 형성되어 있으며, 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 구획될 수 있다.
이러한 구조는 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 무지부를 중심으로 대칭적으로 위치게 되고, 전극이 무지부를 중심으로 절곡 되더라도, 대칭적으로 변형된다.
이와는 달리, , 상기 무지부는 전극의 중심부를 지나는 대각선 형태로 형성되어 있으며, 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 대칭적으로 구획될 수 있다.
상기 구조의 전극은 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 무지부를 중심으로 대칭적으로 위치하지만 전극이 무지부를 중심으로 절곡 되면 비대칭적으로 변형될 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 무지부는 제 1 전극 합제부의 면적이 제 2 전극 합제부의 면적 대비 30% 내지 70%가 되도록 형성되어 있고, 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 비대칭적으로 구획될 수 있다.
즉, 상기 무지부는 전극들의 중심부로부터 일정 거리만큼 이격된 부위를 통과하면서 전극들의 일측 단부로부터 타측 단부까지 형성되어, 전극 합제부들을 서로 비대칭적으로 구획할 수 있다.
상기 구조는 전극 합제부들이 무지부를 기준으로 비대칭적으로 형성되어 있으므로, 무지부를 중심으로 변형된 전극은 비대칭 형상을 가질 수 있다.
한편, 또 다른 구체적인 예에서, 상기 n이 2이고, 상기 전극에서 전극 합제는, 무지부들 각각을 중심으로, n+1개의 전극 합제부들로 구획될 수 있다.
여기서, 무지부들은, 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지, 상기 단부들에 대해 수직으로 형성될 수 있다.
상기 무지부들은 또한, 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성될 수 있다.
이와는 달리, 무지부들은 수직선과 대각선이 혼합된 구조로 전극 상에 형성될 수도 있으며, 상세하게는 상기 무지부들 중 적어도 하나는 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성되어 있고, 나머지 무지부들은 상기 단부들에 대해 수직으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 무지부들은 이들 무지부 각각과 인접한 전극 합제부들을 대칭적으로 구획할 수 있다.
이와는 반대로 상기 무지부들은 이들 무지부 각각과 인접한 전극 합제부들을 비대칭적으로 구획할 수도 있다.
반면에, 상기 무지부들은 둘 이상의 전극 합제부들을 대칭적으로 구획하고, 나머지 전극 합제부들을 비대칭적으로 구획할 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 구체적으로,
(a) 집전체용 금속 시트 상에 전극 활물질을 함유하는 전극 합제를 도포하고, 건조 및 압연하여, 전극 시트를 제조하는 과정;
(b) 상기 건조 및 압연된 전극 시트에서 단부 부위를 전극 탭 형상으로 노칭(notching)하여 전극 시트 상에 하나 이상의 전극 탭을 형성하는 과정;
(d) 노칭된 전극 시트를 복수의 전극들로 슬릿팅(slitting) 하는 과정; 및
(c) 상기 슬릿팅된 전극들 각각에서, 전극 합제의 일부를 제거하여 전극 상에 하나 이상의 무지부를 형성하는 과정;
을 포함하고,
상기 무지부가 형성된 전극들은 무지부의 절곡에 의해 형상이 변형될 수 있다.
상기 과정(c)은 레이저 어블레이션(laser ablation)의 레이저 빔으로 전극 합제의 일부를 집전체로부터 제거하여 무지부를 형성하는 과정일 수 있다.
이러한 레이저 어블레이션을 통한 합제 제거 방법은, 특정 형상이나 면적으로 집전체상에 전극 합제부를 도포하여 무지부를 형성하는 방식보다 전극의 전반적인 제조 공정성이 우수하다.
또한, 레이저에 의한 제거는 보다 정밀한 무지부 형성이 가능하고, 결과적으로 소망하는 형태로 전극 합제부들을 구획할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극이 둘 이상이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
상기 전극조립체는 각각 동일한 위치에 무지부가 형성되어 있는 전극들이 적층된 구조로서, 전극 들의 무지부가 지면에 대한 하나의 수직 축 상에 함께 위치한 상태로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체는 변형 시, 각 전극들의 무지부가 동일한 위치에서 함께 절곡될 수 있다.
본 발명은 또한, 전극조립체가 전해액과 함께 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장된 상태로 전지케이스가 밀봉된 구조의 이차전지로서,
상기 전지케이스에서 전극조립체 최외곽 전극들의 무지부에 대응하는 부위가 열융착되어 무지부와 전지케이스 내면이 밀착된 구조의 가변형 부를 포함하고, 상기 가변형 부를 중심으로 이차전지의 일측 부위를 회전시키면 가변형 부가 절곡되면서 이차전지의 형상이 변형되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에서 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-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 LiNi1-xMxO2 (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 LiMn2-xMxO2 (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 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (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 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 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 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 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, 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, 비수 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 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 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 전지팩과 이 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극은, 전극 합제가 도포되지 않아 상대적으로 유연성을 가지는 전극의 무지부를 통해, 절곡 되기 용이한 구조로 이루어져 있고, 이와 같은 구조에 기반하여, 일반적인 장방형 구조에서 각진 구조 또는 곡면 구조 등의 비정형 구조로 형상을 변형할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지는, 가변형 부를 중심으로 이차전지의 일측 부위를 회전시켜 그것의 형상을 변형할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 평면 모식도이다;
도 2는 도 1의 전극의 측면 모식도이다;
도 3는 또 다른 실시예에 따른 전극의 측면 모식도이다;
도 4는 도 1 및 도 2의 전극의 변형 과정을 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 1 및 도 2의 전극을 복수 개 포함하는 전극조립체의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다;
도 7은 도 6의 이차전지가 변형된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 9는 도 8의 전극이 변형된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 11는 도 10의 전극이 변형된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 13은 도 12의 전극을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다;
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 15는 도 14의 전극이 변형된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 16는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 17는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 모식도이다;
도 18은 도 17의 전극을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 19는 도 18의 전극조립체를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다;
도 20은 도 19의 전지셀이 변형된 형태를 나타낸 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 1에는 본 발명에 따른 전극의 평면 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전극의 측면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극(10)은 전극활물질을 함유하는 전극 합체(11a, 11b, 12a, 12b), 전기전도성의 금속 집전체(1) 및 전극 합제(11a, 11b, 12a, 12b)를 구획하는 무지부(15)를 포함한다.
전극(10)은 집전체(1)의 양면에 전극 합제(11a, 11b, 12a, 12b)가 도포되어 있으며, 집전체(1)의 각 면에 도포된 전극 합제(11a, 11b, 12a, 12b)를 둘 이상의 전극 합제부들(11, 12)로 구획하는 면 무지부들(15a, 15b)이 형성되어 있다.
구체적으로, 집전체(1)의 상면에 도포된 전극 합제(11a, 12a)는 면 무지부(15a)를 중심으로 일측의 합제부(11a)와 타측의 전극 합제부(12a)로 구획되어 있으며, 집전체(1)의 하면에 도포된 전극 합제(11b, 12b)는 면 무지부(15b)를 중심으로 일측의 합제부(11b)와 타측의 전극 합제부(12b)로 구획되어 있다.
여기서 집전체(1) 상면과 하면에 형성된 한 쌍의 면 무지부들(15a, 15b)은 집전체(1)를 기준으로 상호 대칭되도록, 각 면의 동일한 위치에서 동일한 형상과 크기로, 집전체(1)의 상면과 하면에 각각 형성되어 있다. 따라서, 집전체(1) 양면의 무지부들(15a, 15b)은 동일한 위치에서 함께 절곡 될 수 있다.
이상과 같이, 집전체(1)의 상면과 하면의 무지부들(15a, 15b)은 각 면에서 동일한 형태로 전극 합제(11a, 11b, 12a, 12b)를 구획하므로, 본 발명에서는 이들을 통합하여, 전극(10)의 무지부(15)라 지칭한다. 따라서, 도 1 및 도 2의 전극(10)은 실질적으로 하나의 무지부(15)를 포함한다.
이와 관련하여, 전극의 무지부(15)를 중심 구획되어 있는 일측의 합제부들(11a, 11a)이 전극(10)의 제 1 전극 합제부(11)이고, 타측의 합제부들(12a, 12b)은 전극(10)의 제 2 전극 합제부(12)이다.
이와는 달리, 도 3에는 집전체(1)의 일면에만 전극 합제(11c, 11d)가 도포된 전극(10b) 구조가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 집전체(1)의 하면에 도포된 전극 합제는 면 무지부(15c)를 중심으로 일측의 합제부(11c)와 타측의 전극 합제부(12c)로 구획되어 있다.
이러한 구조의 전극(10b)은 면 무지부(15c)가 집전체(1)의 일면에서만 전극 합제(11c, 11d)를 구획하므로, 본 발명에서는 전극 합제(11c, 11d)를 구획하는 도 3의 면 무지부(15c)를 전극(10b)의 무지부(15d)라 지칭하며, 이 무지부(15d)의 개념은 도 1과 도 2에 도시된 전극(10)의 무지부(15)와 동일한 개념이고, 도 3의 전극(10)은 실질적으로 하나의 무지부(15)를 포함한다.
이와 관련하여, 전극(10b)의 무지부(15d)를 중심으로 구획되어 있는 일측의 합제부(11c)가 이 전극(10b)의 제 1 전극 합제부(11')이고, 타측의 합제부(12c)는 전극(10b)의 제 2 전극 합제부(12')이다.
또한, 도 1 내지 도 3에 특별히 도시하지는 않았지만, 무지부(15, 15d)의 표면에 연신율이 높고, 충격과 변형으로 집전체에 가해지는 외력을 일부 완화시킬 수 있도록, 별도의 완충 부재(도 4의 19)가 부가될 수 있다.
이러한 완충 부재는 도 4에서와 같이, 무지부(15, 15d)가 절곡 될 때, 함께 절곡 되면서 연신될 수 있고, 변형력의 일부를 완화시켜 집전체가 파단되는 것을 방지한다. 또한, 무지부가 변형된 상태에서도, 외력을 완충하여 변형된 부위가 파손되는 것을 방지한다.
이와 관련하여, 도 4에는 도 1 및 도 2 또는 도 3의 전극의 변형 과정이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 전극(10)은 기본 형태(a)에서 무지부(15)를 중심으로 제 2 전극 합제부(12)를 제 1 전극 합제부(11) 방향으로 회전시키면, 무지부(15)의 절곡으로, 제 1 전극 합제부(11)와 제 2 전극 합제부(12)가 서로 직각을 이루는 구조(b)로 변형될 수 있고, 구조(b)에서와 같이, 무지부(15)가 더 절곡 되는 경우, 구조(c)에 도시된 것처럼, 제 1 전극 합제부(11)의 상면과 제 2 전극 합제부(12)의 상면이 서로 대면하는 형태로 변형될 수 있다.
구조(c)에서는 완충 부재(19)에 의해 무지부(15)의 외면을 감싸진다. 따라서, 외력의 인가 시, 완충 부재(19)가 이를 완화하여 무지부(15)의 절곡 부위가 소망하지 않는 형상으로 변형되거나, 파손되는 것을 방지할 수 있다.
전극(10)은 또한, 상기 구조(a)로부터 상기 구조(c)까지의 무지부(15)의 절곡이 가능한 각도 내에서라면 어떤 각도로든 절곡되어 전극(10)의 형태를 변형시킬 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 전극은 상대적으로 유연성이 높은 무지부를 절곡 하여 그것의 형상을 변형할 수 있으며, 이러한 변형은 궁극적으로 상기 전극을 복수 포함하는 이차전지의 변형을 가능하게 한다.
이와 관련하여, 도 5에는 도 1과 도 2에 도시된 전극과 동일한 구조의 전극들을 복수 개 포함하는 전극조립체의 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지가 도시되어 있고, 도 7에는 가변형부를 통해 형태가 변형된 이차전지의 모식도가 도시되어 있다.
먼저 도 5를 참조하면, 전극조립체(110)는 도 1과 도 2에 도시된 전극(10, 이하 '제 1 전극'이라 함)과 이 전극(10)과 동일한 구조의 전극들(10a)이 분리막들(도시하지 않음)을 사이에 두고 적층된 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(110)를 구성하는 제 1 전극(10)과 다른 전극들(10b)은 각각 동일한 위치에 무지부(150)들이 형성되어 있고, 무지부(150)들의 크기 또한 각 전극(10, 10b)에서 동일하다.
여기서, 동일한 위치란, 전극들(10, 10b)의 무지부가 지면에 대한 하나의 수직 축(A-A') 상에 함께 위치한 상태로 적층된 것으로, 전극조립체(100)를 상부 또는 하부에서 바라볼 때, 각 전극들(10, 10a)에 포함된 무지부(150)들이 상호 중첩되도록 적층된 구조를 의미한다.
이와 같이 전극조립체(110)에 포함된 모든 무지부(150)들은 동일한 위치에서 이차전지(도 6의 100)의 가변형부(도 6의 130)에 위치된다.
따라서, 가변형부(130)의 변형 시, 전극조립체(110)에 포함된 각 전극들(10, 10b)의 무지부(150)가 동일한 위치에서 함께 절곡 될 수 있다.
여기서, 전지케이스(120)는 그것의 내면이 전극조립체(110)의 최외곽에 위치한 전극들의 무지부(160, 162)들에 밀착되도록, 열융착되며, 열융착된 전지케이스와 전극조립체(110)의 각 전극들에 형성된 무지부(150)들이 이차전지의 가변형부(130)를 형성한다.
구체적으로 도 6과 도7을 함께 참조하면, 이차전지(100)는 전극조립체(110)가 전지케이스(120)에 전해액과 함께 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(110)는 각 전극으로부터 연장된 전극 탭들을 포함하며, 전극 탭들이 전극 리드들(112, 114)과 용접에 의해 결합되어 있고, 전극 리드들(112, 114)은 전지케이스(120)의 일 단부로부터 이차전지(100) 외측으로 돌출되어 있다.
이차전지(100)는 가변형부(130)를 중심으로 구획되어 있는 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)을 포함한다. 또한, 제 1 구획셀(100a)에는 각 전극들(10, 10a)의 제 1 전극 합제부(도 1, 도 2의 11)가 위치하고, 제 2 구획셀(100b)에는 각 전극들(10, 10a)의 제 2 전극 합제부(도 1, 도 2의 12)가 위치한다.
이들 구획셀(100a, 100b)은 동일한 전극조립체(110)로 이루어져 있지만, 가변형부(130)에 의해 구획된 셀로서 서로 전기적 연결을 공유한다.
구체적으로, 전극 탭들과 전극 리드들(112, 114)이 제 1 구획셀(100a)에만 형성되어 있고, 제 1 구획셀(100a)이 전극 리드(112, 114)를 통해 전기적으로 연결되면, 제 1 구획셀(100a)에 의해, 제 2 구획셀(100b)도 전기적으로 연결될 수 있다.
가변형부(130)는 전지케이스(120)의 내면이 전극조립체(110)의 최상단과 최하단 전극에 형성된 무지부들(도 6의 160, 162)에 밀착되도록 전지케이스(120) 표면이 열융착된 구조로 이루어져 있다. 또한, 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b) 사이에 위치한 가변형부(130)는 이들 구획셀(100a, 100b) 보다 상대적으로 얇은 두께를 가지는데, 이는 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)과 달리 가변형부(130)를 구성하는 무지부(도 4의 15)에 전극 합제 (도 1의 11, 12)가 존재하지 않기 때문이다.
따라서, 가변형부(130)는 구획셀들(100,a 100b)과 비교하여 두께가 상대적으로 얇고, 전극 합제로 인한 변형 부하가 낮아 절곡이 용이하다. 여기서 변형 부하란, 절곡 등의 변형에 저항으로 작용하는 힘을 의미하며, 전극 합제가 높은 밀도의 코팅층이므로 변형 시 상당히 큰 저항으로 작용할 수 있으며, 본 발명의 이차전지(100)에서 가변형부(130)는 전극 합제가 존재하지 않는 무지부만을 포함하고 있으므로, 절곡이 용이한 구조로 이루어져 있다.
이러한 이차전지는 도 7에서와 같이 가변형부가 절곡 되면서 형상이 변형될 수 있다.
구체적으로, 변형된 이차전지는 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)이 서로에 대해 수평을 이루며, 제 1 구획셀(100a)의 상면과 제 2 구획셀(100b)의 상면이 서로 대면하도록 적층된 구조로 이루어져 있고, 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)은 절곡된 가변형부(130)에 의해 일측에서 상호 연결되어 있다.
이와 같이, 본 발명의 이차전지(100)는 폭이 넓은 이차전지(도6의 100)의 형상에서 폭은 감소되고 두께가 증가된 형태(도 7의 100)로 변형될 수 있다. 또한, 변형된 상태에서도, 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)은 서로 전기적 연결을 공유하는 점에 주목해야 한다.
즉, 둘 이상의 이차전지를 상하 적층 하고 전기적으로 연결한 구조와 비교하여, 본 발명에 따른 이차전지(100)는 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)을 상호 연결하기 위한 전기 연결 부재가 필요 없고, 도 1에서와 같이, 폭이 넓은 구조로 사용할 수도 있고, 경우에 따라서는 도 3에서와 같이 가변형부(130)를 절곡시켜, 제 1 구획셀(100a)과 제 2 구획셀(100b)이 적층된 구조, 즉, 이차전지의 두께가 두꺼운 구조로도 변형하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이 변형은 가역적이기 때문에, 본 발명의 이차전지(100)는 소망하는 형태에 따라 가변적으로 사용될 수 있다
한편, 도 8 내지 도 20에는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극과 이를 포함하는 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 8 및 도 9를 참조하면, 전극(20)은 제 1 전극 합제부(21), 제 2 전극 합제부(22) 및 무지부(25)를 포함한다.
여기서, 제 1 전극 합제부(21) 및 제 2 전극 합제부(22)는 무지부(25)를 중심으로 구획되어 있으며, 제 1 전극 합제부(21)의 면적과 제 2 전극 합제부(22)의 면적은 대략 동일하도록 구획되어 있다.
제 1 전극 합제부(21)는 이차전지의 제 1 구획셀 상에 위치되며, 제 2 전극합제부는 제 2 구획셀에 위치되고, 무지부(25)는 이차전지의 가변형부에 위치된다.
무지부(25)는 전극(20)의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성되어 있다. 또한, 무지부(25)는 전극(20)의 중심부(C)를 지나는 대각선 형태로 형성되어 있다.
따라서, 제 1 전극 합제부(21)와 제 2 전극 합제부(22)가 무지부(25)를 중심으로 대칭적으로 위치하지만, 도 8에서와 같이, 무지부(25)가 절곡 되면 전극(20)은 비대칭적으로 변형된다.
나아가, 도면에 도시하지는 않았지만, 이 전극(20)과 동일한 구조의 전극들을 복수 개 포함하며, 도 5의 전극조립체 구조를 포함하는 이차전지 또한, 제 1 구획셀과 제 2 구획셀이 가변형부를 중심으로 비대칭적으로 변형될 수 있다.
도 10 및 도 11에는 또 다른 실시예에 따른 전극이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극(30)은 제 1 전극 합제부(31), 제 1 무지부(35), 제 2 전극 합제부(32), 제 2 무지부(36) 및 제 3 전극 합제부(33)를 포함한다.
전극 합제부들(31, 32, 33)은 제 1 무지부(35)를 중심으로 제 1 전극 합제부(31)와 제 2 전극 합제부(32)로 구획되어 있고, 제 2 무지부(36)를 중심으로 제 2 전극 합제부(32)와 제 3 전극 합제부(33)로 구획되어 있다.
제 1 무지부(35)와 제 2 무지부(36)는 전극(30)의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성되어 있다.
이러한 전극은 제 1 전극 합제부(31), 제 2 전극 합제부(32) 및 제 3 전극 합제부(33)가 제 1 무지부(35)와 제 2 무지부(36)를 중심으로 각각 비대칭적으로 위치하므로 도 11에서와 같이, 제 1 무지부(55)와 제 2 무지부(36)가 절곡 되면 전극(20)은 비대칭적으로 변형된다.
나아가, 도면에 도시하지는 않았지만, 이 전극(20)과 동일한 구조의 전극들을 복수 개 포함하는 이차전지 또한, 제 1 구획셀과 제 2 구획셀 및 제 3 구획셀이 가변형부를 중심으로 비대칭적으로 변형될 수 있다.
도 12에는 제 1 전극 합제부(41)의 면적과 제 2 전극 합제부(42)의 면적이 무지부(45)를 중심으로 서로 비대칭적으로 형성되어 있는 전극(40)의 구조가 도시되어 있다.
여기서, 무지부(45)는 전극(40)의 일측 단부로부터 타측 단부까지 단부들에 대해 수직으로 형성되어 있다.
이때, 이 전극(40)과 동일한 구조의 전극들을 복수 개 포함하며, 도 5의 전극조립체 구조로 이루어진 이차전지(200)의 구조가 도 13에 도시되어 있다. 도 13를 참조하면, 이차전지(200)는 제 1 구획셀(200a)과 제 2 구획셀(200b)이 서로에 대해 수평을 이루며, 제 1 구획셀(200a)의 상면과 제 2 구획셀(200b)의 상면이 서로 대면하도록 적층된 구조로 이루어져 있고, 제 1 구획셀(200a)과 제 2 구획셀(200b)은 절곡된 가변형부(230)에 의해 일측에서 상호 연결되어 있다.
그러나, 이차전지(200)는 도 6 및 도 7의 이차전지(100)와 달리, 제 1 전극 합제부(41)의 면적과 제 2 전극 합제부(42)의 면적이 무지부(45)를 중심으로 비대칭으로 이루어져 있어, 제 1 전극 합제부(41)를 포함하는 제 1 구획셀(200a)은 제 2 구획셀(200b)에 대비 상대적으로 작은 폭(Wd)을 가지게 되고, 결과적으로 제 1 구획셀(200a)과 제 2 구획셀(200b)이 가변형부(230)를 중심으로 비대칭적으로 적층되어 있다.
이와 같이 비대칭적으로 변형된 이차전지(200)는 제 1 구획셀(200a)과 제 2 구획셀(200b)의 크기 차이에서 유래되는 단차(202)가 제 1 구획셀(200a)의 단부와 제 2 구획셀(200b)의 상면에서 형성되어 있다.
도 14에는 제 1 무지부(55)는 전극(50)의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성되어 있고, 제 2 무지부(56)는 상기 단부들에 대해 수직으로 형성된 구조의 전극(50)이 도시되어 있다.
또한, 도 14의 전극(50)에서, 제 1 전극 합제부(51), 제 2 전극 합제부(52) 및 제 3 전극 합제부(53)는 제 1 무지부(55)와 제 2 무지부(56)를 중심으로 각각 비대칭적으로 구획되어 있다.
이러한 전극(50)은 제 1 전극 합제부(51), 제 2 전극 합제부(52) 및 제 3 전극 합제부(53)가 제 1 무지부(55)와 제 2 무지부(56)를 중심으로 각각 비대칭적으로 위치하므로, 도 15에서와 같이, 무지부(55, 56)가 절곡 되면 전극(50)은 비대칭적으로 변형된다.
나아가, 도면에 도시하지는 않았지만, 이 전극(50)과 동일한 구조의 전극들을 복수 개 포함하는 이차전지 또한, 제 1 구획셀과 제 2 구획셀 및 제 3 구획셀이 가변형부를 중심으로 비대칭적으로 변형될 수 있다.
도 16에는 3 개의 무지부를 포함하는 전극이 모식적으로 도시되어 있다.
도 16를 참조하면, 전극은 제 1 무지부(65), 제 2 무지부(65) 및 제 3 무지부(65)를 포함하고, 이들 무지부에 의해 구획되어 있는 제 1 전극 합제부(65), 제 2 전극 합제부(65), 제 3 전극 합제부(65) 및 제 4 전극 합제부(65)를 포함한다.
여기서, 제 1 무지부(65)는 이에 인접한 제 1 전극 합제부(65)와 제 2 전극 합제부(65)를 대칭적으로 구획하며, 따라서, 제 1 전극 합제부(65)와 제 2 전극 합제부(65)는 대략 동일한 면적으로 구획되어 있다. 제 2 무지부(65)는 이에 인접한 제 2 전극 합제부(65)와 제 3 전극 합제부(65)를 대칭적으로 구획하며, 따라서, 제 2 전극 합제부(65)와 제 3 전극 합제부(65)는 대략 동일한 면적으로 구획되어 있다. 제 3 무지부(65)는 이에 인접한 제 3 전극 합제부(65)와 제 4 전극 합제부(65)를 대칭적으로 구획하며, 따라서, 제 3 전극 합제부(65)와 제 4 전극 합제부(65)는 대략 동일한 면적으로 구획되어 있다.
따라서, 이러한 전극(65)은 제 1 전극 합제부(65), 제 2 전극 합제부(65), 제 3 전극 합제부(65) 및 제 4 전극 합제부(64)가 무지부들(65, 66, 67)을 중심으로 각각 대칭적으로 위치하고, 전극 합제부들(61, 62, 63, 64)의 형상 또한 모두 동일하므로, 무지부들(65, 66, 67)이 절곡 되면 전극(20)은 각 전극 합제부들(61, 62, 63, 64)이 대칭을 이루는 형태로 변형될 수 있다.
도 17에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극이 모식적으로 도시되어 있고, 도 18에는 도 17의 전극들을 복수 개 포함하는 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 19 및 도 20에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극(70)은 제 1 전극 합제부(71), 제 1 무지부(75), 제 2 전극 합제부(72), 제 2 무지부(76) 및 제 3 전극 합제부(73)를 포함한다.
전극 합제부들은 제 1 무지부(75)를 중심으로 제 1 전극 합제부(71)과 제 2 전극 합제부(72)로 구획되어 있고, 제 2 무지부(76)를 중심으로 제 2 전극 합제부(72)과 제 3 전극 합제부(73)로 구획되어 있다.
제 2 전극 합제부(72)의 폭과 제 3 전극 합제부(73)의 폭은 대략 동일하도록 구획되어 있으며, 제 1 전극 합제부(71)는 나머지 전극 합제부 보다 상대적으로 작은 폭으로 구획되어 있다.
즉, 제 2 전극 합제부(72)과 제 3 전극 합제부(73)는 제 2 무지부(76)를 중심으로 대칭적으로 형성되어 있으나, 제 1 전극 합제부(71)는 제 1 무지부(75)를 중심으로 제 2 전극 합제부(72)과 비대칭적으로 형성되어 있다.
도 18에는 도 17의 전극이 복수 개 적층된 구조의 전극조립체(310)가 도시되어 있다.
도 18을 참조하면, 전극조립체(310)는 도 10의 전극(70)과 동일한 전극들(70a)을 복수 개 포함하며, 이 전극들 사이에 분리막(도시하지 않음)이 개재된 상태로 적층된 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(310)를 구성하는 전극들(70, 70a)은 각각 동일한 위치에 제 1 무지부(75) 및 제 2 무지부(76)가 형성된 전극들을 포함하고, 제 1 무지부(75)들의 크기 및 제 2 무지부(76)의 크기 또한 각 전극에서 동일하다.
또한, 전극조립체(310)는 전극들의 제 1 무지부(75)들이 지면에 대한 제 1 수직 축(D-D') 상에 함께 위치한 상태이고, 제 2 무지부(76)들이 지면에 대한 제 2 수직 축(E-E') 상에 함께 위치한 상태로 적층된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 전극조립체(310)는 모든 전극들(70, 70a)의 제 1 무지부(75)와 제 2 무지부(76)가 동일한 위치, 즉, 전극조립체(310)를 상부 또는 하부에서 바라볼 때, 각 전극들의 제 1 무지부(75) 및 제 1 무지부(76)가 상호 중첩되도록 전극들이 적층된 구조로 이루어져 있다.
도 18의 전극조립체(310)가 전지케이스(320)에 내장된 구조의 이차전지(300)가 도 19에 도시되어 있다. 도 19를 참조하면, 이차전지(300)는 전극조립체(310)가 전지케이스(320)에 전해액과 함께 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(310)는 각 전극으로부터 연장된 전극 탭들을 포함하며, 전극 탭들이 전극 리드들(312, 314)과 용접에 의해 결합되어 있고, 전극 리드(312, 314)는 전지케이스(320)의 일 단부로부터 이차전지(300) 외측으로 돌출되어 있다.
여기서 이차전지(300)는 전극조립체(310)의 제 1 무지부(75)들이 전지케이스(320)의 내면과 밀착된 부위에 제 1 가변형부(330)가 형성되어 있고, 전극조립체(310)의 제 2 무지부(76)들이 전지케이스(320) 내면과 밀착된 부위에 제 2 가변형부(332)가 형성되어 있다.
이차전지(300)는 또한, 제 1 가변형부(330)를 중심으로 제 1 구획셀(300a)과 제 2 구획셀(300b)로 구획되어 있고, 제 2 가변형부(332)를 중심으로 제 2 구획셀(300b)과 제 3 구획셀(300c)로 구획되어 있다. 이들 구획셀(300a, 300b, 300c)은 동일한 전극조립체(310)로 이루어져 있지만, 가변형부들(330, 332)에 의해 구획된 셀로서 서로 전기적 연결을 공유한다.
구체적으로, 전극 탭들과 전극 리드가 제 3 구획셀(300c)에만 형성되어 있고, 제 3 구획셀(300c)이 전극 리드(312, 314)를 통해 전기적으로 연결되면, 제 3 구획셀(300c)에 의해 제 2 구획셀(300b) 및 제 3 구획셀(300c)도 전기적으로 연결된다.
제 1 가변형부(330)와 제 2 가변형부(332)는 전지케이스(320)의 내면이 전극조립체(310) 최상단과 최하단의 전극에 형성된 제 1 무지부(75)와 제 2 무지부(76)에 각각 밀착되도록 전지케이스(320) 표면이 열융착된 구조로 이루어져 있다.
도 19에 도시된 이차전지(300)는 도 6 및 도 7의 이차전지(300)와 동일하게 제 1 가변형부(330)와 제 2 가변형부(332)를 절곡 시켜, 이차전지(300)의 형상을 도 13과 같이 변형할 수 있다.
도 20을 참조하면, 제 3 구획셀(300c)과 제 2 구획셀(300b)이 서로에 대해 수평을 이루며, 제 3 구획셀(300a)의 상면과 제 2 구획셀(300b)의 하면이 서로 대면하도록 적층된 구조로 이루어져 있고, 제 3 구획셀(300c)과 제 2 구획셀(300b)은 절곡된 제 2 가변형부(332)에 의해 일측에서 상호 연결되어 있으며, 제 1 구획셀(300a)과 제 2 구획셀(300b)이 서로에 대해 수평을 이루며, 제 1 구획셀(300a)의 하면과 제 2 구획셀(300b)의 상면이 서로 대면하도록 적층된 구조로 이루어져 있고, 제 1 구획셀(300a)과 제 2 구획셀(300b)은 절곡된 제 1 가변형부(330)에 의해 일측에서 상호 연결되어 있다.
여기서, 이차전지(300)는 제 2 전극 합제부(72)의 면적과 제 3 전극합제부(73)의 면적이 제 2 무지부(76)를 기준으로 대략 동일하기 때문에, 제 2 전극 합제부(42)이 포함된 제 2 구획셀(300b)과 제 3 전극 합제부(73)를 포함하는 제 3 구획셀(300c)은 제 2 가변형부(332)를 중심으로 대칭적인 폭을 가진다. 그러나, 제 1 전극 합제부(71)의 면적과 제 2 전극 합제부(72) 및 제 3 전극 합제부(73)의 면적이 제 1 무지부(75)를 중심으로 비대칭으로 이루어져 있어, 제 1 전극 합제부(71)를 포함하는 제 1 구획셀(300a)은 제 2 구획셀(300b)과 제 3 구획셀(300c) 대비 상대적으로 작은 폭을 가진다.
따라서, 제 2 구획셀(300b)과 제 3 구획셀(300c)은 제 2 가변형부(332)의 절곡 후, 대칭적으로 적층되어 있으나, 제 1 구획셀(300a)과 제 2 구획셀(300b)은 제 1 가변형부(330)의 절곡 후, 비대칭적으로 적층되어 있다.
이와 같이 제 1 구획셀(300a)과 제 2 구획셀(300b)이 비대칭적으로 적층된 이차전지(300)는 제 1 구획셀(300a)과 제 2 구획셀(300b)의 크기 차이에서 유래되는 단차(302)가 제 1 구획셀(300a)의 단부와 제 2 구획셀(300b)의 상면에서 형성되어 있다.
이상 도 17 내지 도 20을 참조하여 대칭과 비대칭으로 적층된 구획셀들과 이로 구성된 이차전지(300)의 구조를 설명하였으나, 제 1 구획셀(300a)로부터 제 3 구획셀(300c) 까지 비대칭적으로 적층되도록 이차전지(300)을 구성할 수 있고, 경우에 따라서는 제 1 구획셀(300a)로부터 제 3 구획셀(300c) 까지 대칭적으로 적층되도록 이차전지(300)을 구성할 수 있음은 물론이다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. (a) 집전체용 금속 시트 상에 전극 활물질을 함유하는 전극 합제를 도포하고, 건조 및 압연하여, 전극 시트를 제조하는 과정;
    (b) 상기 건조 및 압연된 전극 시트에서 단부 부위를 전극 탭 형상으로 노칭(notching)하여 전극 시트 상에 하나 이상의 전극 탭을 형성하는 과정;
    (d) 노칭된 전극 시트를 복수의 전극들로 슬릿팅(slitting) 하는 과정; 및
    (c) 상기 슬릿팅된 전극들 각각에서, 전극 합제의 일부를 제거하여 전극 상에 하나 이상의 무지부를 형성하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 무지부가 형성된 전극들은 무지부의 절곡에 의해 형상이 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 이차전지용 전극은
    전기 전도성의 집전체 일면 또는 양면에, 전극 합제가 집전체의 표면에 도포되어 있고, 상기 집전체의 적어도 하나의 단부에 하나 이상의 전극 탭이 형성되어 있으며,
    상기 전극의 상면 및 하면 중의 적어도 하나에는 도포된 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 하나 이상의 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부가 절곡되어 형상이 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 집전체의 일면에만 전극 합제가 도포되어 있고, 상기 일면에 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 무지부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 집전체의 양면에 전극 합제가 도포되어 있고, 상기 집전체의 각 면에는 전극 합제를 둘 이상의 전극 합제부들로 구획하는 한 쌍의 무지부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 한 쌍의 무지부는 집전체를 기준으로 상호 대칭되도록, 각 면의 동일한 위치에서 동일한 형상과 크기로, 집전체의 양면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극에는 n개(n≥1)의 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부는 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지 하나 이상의 직선 또는 곡선의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 n이 1이고, 상기 전극에서 전극 합제는 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 무지부는 전극의 중심부를 통과하면서, 일측 단부 및 타측 단부에 대해 각각 수직으로 형성되어 있으며, 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 대칭적으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 무지부는 전극의 중심부를 지나는 대각선 형태로 형성되어 있으며, 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 대칭적으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 무지부는 제 1 전극 합제부의 면적이 제 2 전극 합제부의 면적 대비 30% 내지 70%가 되도록 형성되어 있고, 무지부를 중심으로 제 1 전극 합제부와 제 2 전극 합제부가 비대칭적으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 n이 2이고, 상기 전극에서 전극 합제는, 무지부들 각각을 중심으로, n+1개의 전극 합제부들로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 무지부들은, 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지, 상기 단부들에 대해 수직으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 무지부들은 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 무지부들 중 적어도 하나는 전극의 일측 단부로부터 타측 단부까지 대각선 형태로 형성되어 있고, 나머지 무지부들은 상기 단부들에 대해 수직으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 무지부들은 이들 무지부 각각과 인접한 전극 합제부들을 대칭적으로 구획하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 무지부들은 이들 무지부 각각과 인접한 전극 합제부들을 비대칭적으로 구획하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 무지부들은 둘 이상의 전극 합제부들을 대칭적으로 구획하고, 나머지 전극 합제부들을 비대칭적으로 구획하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  17. 제 5 항에 있어서, 상기 무지부의 폭은 전극의 전체 폭 대비 2% 내지 30%의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 양극활물질을 함유하는 양극 합제가 포함된 양극, 또는 음극활물질을 함유하는 음극합제가 포함된 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과정(c)은 레이저 어블레이션(laser ablation)의 레이저 빔으로 전극 합제의 일부를 집전체로부터 제거하여 무지부를 형성하는 과정인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 삭제
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