KR102080253B1 - 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전극 조립체는 (a) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조나, 또는 (b) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라 배치된 구조를 가지는 단위체 스택부; 및 상기 단위체 스택부의 말단에 위치하는 말단 전극에 보조 단위체;를 포함하며, 상기 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않고, 상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고, 상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성되며,상기 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 전극, 분리막,전극, 보호테이프가 적층되어 형성된다.

Description

전극 조립체{ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 위한 기본 단위체에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 스택형 구조나 스택/폴딩형 구조와 구별되는 새로운 구조의 전극 조립체에 관한 것이다.
이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 또는 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다. 그런데 스택형 구조는 전극 조립체를 구성하는 전극 단위(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극 조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 전극 조립체를 생산하기 위해 매우 많은 공정이 요구된다는 단점이 있다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 일반적으로 2대의 라미네이션 장비와 1대의 폴딩 장비가 요구되기 때문에, 전극 조립체의 제조 공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 특히, 스택/폴딩형 구조는 폴딩을 통해 풀셀이나 바이셀을 적층하기 때문에 풀셀이나 바이셀을 정밀하게 정렬하기 어렵다는 단점도 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 스택형 구조나 스택/폴딩형 구조와 구별되는 새로운 구조를 통해 정밀한 정렬과 단순한 공정을 가능하게 하는 전극 조립체 및 이를 위한 기본 단위체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 적층 가능한 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 배치되어 일체로 결합된 4층 구조나, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 배치된 4층 구조가 반복적으로 배치되어 일체로 결합된 구조를 가지며, 상기 제1 분리막의 말단은 상기 제2 분리막의 말단과 접합되지 않는다.
또한 본 발명에 따른 전극 조립체는 본 발명에 따른 전극 조립체는 (a) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조나, 또는 (b) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라 배치된 구조를 가지는 단위체 스택부; 및 상기 단위체 스택부의 말단에 위치하는 말단 전극에 보조 단위체;를 포함하며, 상기 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않고, 상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고, 상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성되며,상기 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 전극, 분리막,전극, 보호테이프가 적층되어 형성된다.
본 발명에 따르면, 스택형 구조나 스택/폴딩형 구조와 구별되는 새로운 구조로 인해 정밀한 정렬과 단순한 공정을 가능하게 하며, 내구성도 우수한 전극 조립체 및 이를 위한 기본 단위체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기본 단위체의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 기본 단위체의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도이고,
도 3은 도 1의 기본 단위체의 적층으로 형성되는 단위체 스택부 및 보조 단위체를 포함하는 전극 조립체를 도시하고 있는 측면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 기본 단위체의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 기본 단위체의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도이고,
도 6은 도 5의 기본 단위체와 도 6의 기본 단위체 적층으로 형성되는 단위체 스택부에 보조 단위체가 적층되는 전극 조립체를 도시하고 있는 측면도이고,
도 7은 본 발명에 따른 기본 단위체를 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도이고,
도 8은 다른 크기를 가지는 기본 단위체가 적층되어 형성되는 단위체 스택부 및 보조 단위체를 포함하는 전극 조립체를 도시하고 있는 사시도이고,
도 9는 도 8의 전극 조립체를 도시하고 있는 측면도이고,
도 10는 다른 기하학적 형상을 가지는 기본 단위체가 적층되어 형성되는 단위체 스택부 및 보조 단위체를 포함하는 전극 조립체를 도시하고 있는 사시도이고,
도 11은 단위체 스택부 상에 적층되는 보조 단위체의 구조를 도시하고 있는 측면도이고,
도 12는 본 발명에 따른 보조 단위체를 제조하는 공정을 도시하고 있는 공저도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 단위체 스택부 및 보조 단위체를 포함하며, 단위체 스택부는 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조를 가지거나, 또는 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라, 예를 들어 교호적으로 배치된 구조를 가진다. 이에 이하에서 우선 기본 단위체에 대해 살펴본다.
[기본 단위체의 구조]
본 발명에 따른 전극 조립체에서 기본 단위체는 전극과 분리막이 교대로 배치되어 형성된다. 이때 전극과 분리막은 같은 수만큼 배치된다. 예를 들어, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 단위체(110a)는 2개의 전극(111, 113)과 2개의 분리막(112, 114)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 양극과 음극은 당연히 분리막을 통해 서로 마주 볼 수 있다. 기본 단위체가 이와 같이 형성되면, 기본 단위체의 일측 말단에 전극(도 1 및 도 2에서 도면부호 111의 전극 참조)이 위치하게 되고, 기본 단위체의 타측 말단에 분리막(도 1 및 도 2에서 도면부호 114의 분리막 참조)이 위치하게 된다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 기본 단위체의 적층만으로 단위체 스택부(즉, 전극 조립체)를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 즉, 본 발명은 1종의 기본 단위체를 반복적으로 적층하여, 또는 2종 이상의 기본 단위체를 정해진 순서에 따라 적층하여 단위체 스택부를 형성할 수 있다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 특징을 구현하기 위해 기본 단위체는 이하와 같은 구조를 가질 수 있다.
첫째로, 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 기본 단위체(110a, 110b)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성되거나, 또는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 하측에서 상측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이와 같은 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제1 기본 단위체라 한다. 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 양극이면 제2 전극(113)은 음극이다.
이와 같이 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 기본 단위체가 형성되면, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 1종의 기본 단위체(110a)를 반복적으로 적층하는 것만으로도 단위체 스택부(100a)를 형성할 수 있다. 여기서 기본 단위체는 이와 같은 4층 구조 이외에도 8층 구조나 12층 구조를 가질 수 있다. 즉, 기본 단위체는 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 형성될 수도 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 전극 조립체는 단위체 스택부와 보조 단위체를 포함하며, 상술한 단위체 스택부(100a)의 상단, 즉, 최외곽 노출되는 말단 전극 상에는 보조 단위체(120)가 적층될 수 있다. 이러한 보조 단위체(120)의 구조에 대하여는 후술한다.
둘째로, 기본 단위체는, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극 및 제1 분리막이 차례로 적층되어 형성되거나, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 전자의 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제2 기본 단위체라 하고, 후자의 구조를 가지는 기본 단위체를 이하에서 제3 기본 단위체라 한다.
보다 구체적으로 제2 기본 단위체(110c)는 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111) 및 제1 분리막(112)이 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 또한 제3 기본 단위체(110d)는 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이와 반대로 하측에서 상측으로 차례로 적층되어 형성될 수도 있다.
제2 기본 단위체(110c)와 제3 기본 단위체(110d)를 하나씩만 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조가 형성된다. 따라서 제2 기본 단위체(110c)와 제3 기본 단위체(110d)를 하나씩 교대로 계속 적층하면, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 제2 및 제3 기본 단위체의 적층만으로도 단위체 스택부(100b)를 형성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전극 조립체는 제2 기본 단위체(110c)와 제3 기본 단위체(110d)로 이루어진 단위체 스택부(100b)의 상단, 즉, 최외곽 노출되는 말단 전극 상에 보조 단위체(120)가 적층되어 이루어진다.
이와 같이 본 발명에서 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 배치된 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가진다. 또한 본 발명에서 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 배치하면, 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성된다. 예를 들어, 전술한 제1 기본 단위체는 4층 구조를 가지고, 전술한 제2 기본 단위체와 제3 기본 단위체를 각각 1개씩 총 2개를 적층하면 4층 구조가 반복적으로 적층된 12층 구조가 형성된다.
따라서 본 발명에서 1종의 기본 단위체를 반복적으로 적층하거나, 또는 2종 이상의 기본 단위체를 정해진 순서에 따라 적층하고, 말단 전극에 보조 단위체를 적층하여 전극 조립체를 형성할 수 있다.
본 발명에서 단위체 스택부는 기본 단위체가 기본 단위체 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 먼저 기본 단위체를 제작한 다음에 이를 반복적으로 또는 정해진 순서에 따라 적층하여 단위체 스택부를 제작한다. 이와 같이 본 발명은 기본 단위체의 적층만으로 단위체 스택부를 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 기본 단위체를 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다. 기본 단위체가 정밀하게 정렬되면 전극과 분리막도 단위체 스택부에서 정밀하게 정렬될 수 있다. 또한 본 발명은 단위체 스택부(전극 조립체)의 생산성을 매우 향상시킬 수 있다. 공정이 매우 단순해지기 때문이다.
[기본 단위체의 제조]
도 7을 참조하여 대표적으로 제1 기본 단위체를 제조하는 공정에 대해 살펴본다. 먼저 제1 전극 재료(131), 제1 분리막 재료(132), 제2 전극 재료(133) 및 제2 분리막 재료(134)를 준비한다. 여기서 제1 분리막 재료(132)와 제2 분리막 재료(134)는 서로 동일한 재료일 수 있다. 그런 다음 제1 전극 재료(121)를 커터(C1)를 통해 소정 크기로 절단하고, 제2 전극 재료(133)도 커터(C2)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 제1 전극 재료(131)를 제1 분리막 재료(132)에 적층하고, 제2 전극 재료(133)를 제2 분리막 재료(134)에 적층한다.
그런 다음 라미네이터(L1, L2)에서 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 접착으로 전극과 분리막이 일체로 결합된 기본 단위체가 제조될 수 있다. 결합의 방법은 다양할 수 있다. 라미네이터(L1, L2)는 접착을 위해 재료에 압력을 가하거나 압력과 열을 가한다. 이와 같은 접착은 단위체 스택부를 제조할 때 기본 단위체의 적층을 보다 용이하게 한다. 또한 이와 같은 접착은 기본 단위체의 정렬에도 유리하다. 이와 같은 접착 후에 제1 분리막 재료(122)와 제2 분리막 재료(124)를 커터(C3)를 통해 소정 크기로 절단하면, 기본 단위체(110a)가 제조될 수 있다. 이와 같은 과정 중에 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않는다.
이와 같이 기본 단위체에서 전극은 인접한 분리막에 접착될 수 있다. 또는 분리막이 전극에 접착된다고 볼 수도 있다. 이때 전극은 분리막을 바라보는 면에서 전체적으로 분리막에 접착되는 것이 바람직하다. 이와 같으면 전극이 안정적으로 분리막에 고정될 수 있기 때문이다. 통상적으로 전극은 분리막보다 작다.
이를 위해 접착제를 분리막에 도포할 수 있다. 그러나 이와 같이 접착제를 이용하려면 접착제를 접착면에 걸쳐 매시(mesh) 형태나 도트(dot) 형태로 도포할 필요가 있다. 접착제를 접착면의 전체에 빈틈없이 도포한다면, 리튬 이온과 같은 반응 이온이 분리막을 통과할 수 없기 때문이다. 따라서 접착제를 이용하면, 전극을 전체적으로 (즉, 접착면의 전체에 걸쳐서) 분리막에 접착시킬 수는 있다 하더라도 전체적으로 빈틈없이 접착시키기는 어렵다.
또는 접착력을 가지는 코팅층을 구비하는 분리막을 통해 전체적으로 전극을 분리막에 접착시킬 수 있다. 보다 상술한다. 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재와 같은 다공성의 분리막 기재, 및 분리막 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함할 수 있다. 이때 코팅층은 무기물 입자들과 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성될 수 있다.
여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 또한 바인더 고분자는 전극을 분리막에 접착시킬 수 있다. 바인더 고분자는 코팅층에 전체적으로 분포하므로, 전술한 접착제와 다르게 접착면의 전체에서 빈틈없이 접착이 일어날 수 있다. 따라서 이와 같은 분리막을 이용하면 전극을 보다 안정적으로 분리막에 고정 시킬 수 있다. 이와 같은 접착을 강화하기 위해 전술한 라미네이터를 이용할 수 있다.
그런데 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성할 수 있다. 이때 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 코팅층에는 기공 구조가 형성될 수 있다. 이러한 기공 구조로 인해 분리막에 코팅층이 형성되어 있더라도 리튬 이온이 분리막을 양호하게 통과할 수 있다. 참고로 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨은 위치에 따라 바인더 고분자에 의해 막혀 있을 수도 있다.
여기서 충전 구조는 유리병에 자갈이 담겨 있는 것과 같은 구조로 설명될 수 있다. 따라서 무기물 입자들이 충전 구조를 이루면, 코팅층에서 국부적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨이 형성되는 것이 아니라, 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨이 형성된다. 이에 따라 무기물 입자의 크기가 증가하면 인터스티셜 볼륨에 의한 기공의 크기도 함께 증가한다. 이와 같은 충전 구조로 인해 분리막의 전체면에서 리튬 이온이 원활하게 분리막을 통과할 수 있다.
한편, 단위체 스택부에서 기본 단위체도 기본 단위체끼리 서로 접착될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 제2 분리막(114)의 하면에 접착제가 도포된다거나 전술한 코팅층이 코팅된다면, 제2 분리막(114)의 하면에 다른 기본 단위체가 접착될 수 있다.
이때 기본 단위체에서 전극과 분리막간의 접착력은 단위체 스택부에서 기본 단위체간의 접착력보다 클 수 있다. 물론 기본 단위체간의 접착력은 없을 수도 있다. 이와 같으면 전극 조립체(단위체 스택부)를 분리할 때 접착력의 차이로 인해 기본 단위체 단위로 분리될 가능성이 높다. 참고로, 접착력은 박리력으로 표현할 수도 있다. 예를 들어, 전극과 분리막간의 접착력은 전극과 분리막을 서로 떼어낼 때 필요한 힘으로 표현할 수도 있다. 이와 같이 단위체 스택부 내에서 기본 단위체는 인접한 기본 단위체와 결합되지 않거나, 또는 기본 단위체 내에서 전극과 분리막이 서로 결합된 결합력과 다른 결합력으로 인접한 기본 단위체와 결합될 수 있다.
참고로, 분리막이 전술한 코팅층을 포함할 경우 분리막에 대한 초음파 융착은 바람직하지 않다. 분리막은 통상적으로 전극보다 크다. 이에 따라 제1 분리막(112)의 말단과 제2 분리막(114)의 말단을 초음파 융착으로 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 초음파 융착은 혼으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 혼으로 분리막의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅층으로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다.
[기본 단위체의 변형]
지금까지 서로 같은 크기를 가지는 기본 단위체만을 설명했다. 그러나 기본 단위체는 서로 다른 크기를 가질 수도 있다. 서로 다른 크기를 가지는 기본 단위체를 적층하면 단위체 스택부를 다양한 형상으로 제조할 수 있다. 여기서 기본 단위체의 크기는 분리막의 크기를 기준으로 설명한다. 통상적으로 분리막이 전극보다 크기 때문이다.
도 8과 도 9을 참조하여 보다 상술하면, 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 크기를 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다(도 9의 도면부호 1101a, 1102a, 1103a 참조). 이와 같은 기본 단위체들을 크기에 따라 적층하면, 복수 단의 구조를 가지는 단위체 스택부(100c)가 형성될 수 있으며, 단위체 스택부(110c)의 말단 전극에는 기본단위체(120)가 적층될 수 있다.
도 8과 도 9는 3개의 그룹으로 나뉘는 기본 단위체들(1101a, 1102a, 1103a)이 서로 같은 크기의 기본 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성한 예를 도시하고 있다. 참고로, 한 개의 그룹에 속하는 기본 단위체들이 2개 이상의 단을 형성해도 무방하다.
그런데 이처럼 복수 단을 형성하는 경우, 기본 단위체는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 기본 단위체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 기본 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 크기가 다르더라도 1종의 기본 단위체에 속하는 것으로 본다.)
이에 대해 상술하면, 1개의 단에서 양극과 음극은 서로 같은 수만큼 적층되는 것이 바람직하다. 그리고 단과 단의 사이에서 서로 반대되는 전극이 분리막을 통해 서로 대향하는 것이 바람직하다. 그런데 예를 들어 제2 및 제3 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 기본 단위체가 필요하게 된다.
그러나 도 11에 도시되어 있는 것과 같이 제1 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 기본 단위체만 필요하게 된다. 따라서 기본 단위체가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성하더라도 기본 단위체의 가짓수를 줄일 수 있다.
또한 예를 들어 제2 및 제3 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 2종의 기본 단위체를 적어도 1개씩 적층할 필요가 있으므로, 1개의 단은 최소 12층의 구조를 가지게 된다. 그러나 제1 기본 단위체의 경우 위와 같이 1개의 단을 형성하기 위해 1종의 기본 단위체만 적층하면 되므로, 1개의 단은 최소 4층의 구조를 가지게 된다. 따라서 기본 단위체가 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지면, 복수 단을 형성할 때 각 단의 두께를 매우 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 기본 단위체는 서로 다른 크기를 가질 수도 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 110서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 단위체들은 크기뿐만 아니라, 모서리 형상에 있어 차이가 있을 수 있고, 천공 유무에 있어 차이가 있을 수 있다. 보다 구체적으로 3개의 그룹으로 나뉘는 기본 단위체들이 서로 같은 기하학적 형상의 기본 단위체끼리 적층되어 3개의 단을 형성할 수도 있다. 이를 위해 기본 단위체는 적어도 2개의 그룹(각 그룹은 서로 다른 기하학적 형상을 가짐)으로 나뉠 수 있다. 이때도 동일하게 기본 단위체는 전술한 4층 구조나 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조, 즉 제1 기본 단위체의 구조를 가지는 것이 가장 바람직하다. (본 명세서에서 기본 단위체들이 서로 적층 구조가 동일하면 서로 기하학적 형상이 다르더라도 1종의 기본 단위체에 속하는 것으로 본다.)
[보조 단위체]
이하에서는, 보조 단위체(120)에 대해 보다 상세히 살펴본다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서의 기본 단위체라 함은 일측 말단에는 전극이 위치하고 타측 말단에는 분리막이 위치하는 구조물을 의미한다. 따라서 기본 단위체를 순차적으로 적층하면, 단위체 스택부의 가장 위쪽이나 가장 아래쪽에 전극('말단 전극'이라 함)이 위치하여 외부에 노출된다. 보조 단위체는 이와 같은 말단 전극에 추가적으로 적층되는 전극 단위체이다.
보다 구체적으로, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 말단 전극이 양극이면 보조 단위체(120)는 말단 전극으로부터 차례로, 즉 말단 전극으로부터 외측으로 분리막(124), 음극(123), 분리막(122), 양극(121) 및 보호테이프(125)가 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
이때, 단위체 스택부(100a)는 보조 단위체(120)를 통해 말단 전극 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다.
도 11은 단위체 스택부 상에 적층되는 보조 단위체의 측면도이며, 도 11을 참조하여, 보조 단위체(120)에 대하여 보다 상세히 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 보조 단위체(120)는 분리막(124), 음극(123), 분리막(122), 양극(121), 보호테이프(125)가 순서대로 적층되는 구조를 갖는다.
분리막(124, 124)는 앞서 설명한 기본 단위체와 동일한 것이므로 중복 설명은 생략한다. 또한, 보조 단위체(120)의 음극(123)는 음극 집전체(123a)의 양면에 활물질층(123b)가 코팅됨으로써 형성된다.
이때, 가장 외측에 위치하는 양극(121)은 양극 집전체(121a)의 양면 중에 기본 단위체를 바라보는 일면(도 3을 기준으로 아래쪽을 바라보는 일면, 도 4에서 보호 테이프가 부착되는 면의 반대면)에만 활물질층(121b)이 코팅되어 단면양극을 형성한다.
양극 집전체(121a)의 일면에만 활물질층(121b)이 코팅되면, 말단 전극 측의 가장 외측에 활물질층(121b)이 위치하지 않게 되므로, 활물질층(121b)이 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 참고로, 양극(121)은 (예를 들어) 리튬 이온을 방출하는 구성이므로 가장 외측에 양극을 위치시키면 전지 용량에 있어 유리하다.
또한, 보조 단위체(120)의 양극(121)의 활물질층(121b)이 코팅되지 않는 면에는 보호테이프(125)가 부착된다. 본 실시예에서 보호테이프(125)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 테이프가 사용된다. 보조 단위체(120)를 이루는 양극(121)과 음극(123)은 서로 다른 소재로 구성되고, 이로 인하여 서로 다른 팽창 특성을 갖는다.
즉 양극(121)과 음극(123)은 이들을 이루는 소재의 팽창율 차이로 인하여 적층 후에 벤딩되어 굽어지는 불량을 일으킬 가능성이 있으나, 앞서 설명한 바와 같이, 강성이 우수한 소재로 마련되는 보호테이프(125)가 보조 단위체(120)의 단부에 부착됨으로써 상술한 벤딩현상을 방지한다. 또한 추후 파우치 내에 보조 단위체(120)를 포함하는 전극 조립체가 삽입되는 경우에 보호테이프(125)가 절연 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 보조 단위체(120)에 부착되는 보조테이프는 양극의 면적보다는 크게 마련되는 것이 바람직하다.
[보조 단위체의 제조]
도 12를 참조하여 대표적으로 보조 단위체를 제조하는 공정에 대해 살펴본다. 먼저 제1 전극 재료(131), 제1 분리막 재료(132), 제2 전극 재료(133), 제2 분리막 재료(134) 및 보호 테이프 재료(135)를 준비한다. 여기서 제1 분리막 재료(132)와 제2 분리막 재료(134)는 서로 동일한 재료일 수 있다. 그런 다음 제1 전극 재료(131)를 커터(C1)를 통해 소정 크기로 절단하고, 제2 전극 재료(133)도 커터(C2)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 제1 전극 재료(131)를 제1 분리막 재료(132)에 적층하고, 제2 전극 재료(133)를 제2 분리막 재료(134)에 적층한다.
그런 다음 라미네이터(L1, L2)에서 전극 재료, 분리막 재료 및 보호 테이프 재료를 서로 접착시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 접착 후에 제1 분리막 재료(132), 제2 분리막 재료(134), 보호 테이프 재료(135)를 커터(C3)를 통해 소정 크기로 절단하면, 보조 단위체(120)가 제조될 수 있다. 이와 같은 과정 중에 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않는다.
이때, 제2 전극 재료(133)는 집전체의 양면 모두에 활물질층이 코팅되는 양면전극이나, 앞서 설명한 바와 같이, 보호 테이프 재료(134)와 직접적으로 접착되는 제1 전극 재료(131)는 집전체의 일면에만 활물질층이 코팅되는 단면전극으로 구성된다.
한편, 제2 분리막 재료(134)의 하부에도 보호 테이프 재료(135)가 제공되는데 하부의 보호 테이프 재료(135)는 제2 분리막 재료(134)와 접합하지 않고, 커터(C3)를 통과하기 전에 공정에서 이탈된다.
100a ~ 100c: 단위체 스택부 110a ~ 110d: 기본 단위체
111: 제1 전극 112: 제1 분리막
113: 제2 전극 114: 제2 분리막
120: 보조 단위체 131: 제1 전극 재료
132: 제1 분리막 재료 133: 제2 전극 재료
134: 제2 분리막 재료

Claims (15)

  1. (a) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 1종의 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조나, 또는 (b) 서로 동일한 개수의 전극과 분리막이 교대로 배치되어 일체로 결합된 2종 이상의 기본 단위체가 정해진 순서에 따라 배치된 구조를 가지는 단위체 스택부; 및
    상기 단위체 스택부의 말단에 위치하는 말단 전극에 적층되는 보조 단위체;를 포함하며,
    상기 분리막의 말단은 인접한 분리막의 말단과 접합되지 않고,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지고,
    상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체를 각각 1개씩 정해진 순서에 따라 적층하면, 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조가 형성되며,
    상기 보조 단위체는 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 전극, 분리막,전극, 보호테이프가 적층되어 형성되고,
    상기 보조 단위체는,
    상기 말단 전극이 양극일 때 상기 말단 전극으로부터 차례로 분리막, 음극, 분리막, 양극, 보호테이프 순서로 적층되어 제조되고 제조가 완료된 상태로 단위체 스택부에 적층되며,
    상기 보조 단위체의 양극은, 집전체; 상기 분리막과 대향되는 상기 집전체의 면에만 코팅되는 활물질을 포함하고, 상기 보호테이프는 상기 보조 단위체의 양극 활물질이 도포되지 않은 면에 부착되며,
    상기 보호테이프는 상기 보조 단위체의 단부에 부착되어 양극을 이루는 소재와 음극을 이루는 소재 사이의 팽창율 차이로 인해 발생하는 벤딩을 방지하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호 테이프는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 테이프인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체는 인접한 기본 단위체와 결합되지 않거나, 또는 상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 분리막이 서로 결합된 결합력과 다른 결합력으로 인접한 기본 단위체와 결합되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 상기 4층 구조나 상기 4층 구조가 반복적으로 배치된 구조를 가지는 제1 기본 단위체를 포함하며,
    상기 단위체 스택부는 상기 제1 기본 단위체가 반복적으로 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b)의 2종 이상의 기본 단위체는,
    제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극 및 제1 분리막이 차례로 배치되어 일체로 결합된 제2 기본 단위체와,
    제2 전극, 제2 분리막, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 차례로 배치되어 일체로 결합된 제3 기본 단위체를 포함하며,
    상기 단위체 스택부는 상기 제2 기본 단위체와 상기 제3 기본 단위체가 교호적으로 배치된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 크기를 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉘며,
    상기 단위체 스택부는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 크기에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a)의 1종의 기본 단위체는 복수 개로 마련되어 서로 다른 기하학적 형상을 가지는 적어도 2개의 그룹으로 나뉘며,
    상기 단위체 스택부는 상기 (a)의 1종의 기본 단위체들이 기하학적 형상에 따라 적층되어 복수 단을 형성한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극은 각각의 기본 단위체 내에서 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극은 상기 인접한 분리막을 바라보는 면에서 전체적으로 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막간의 접착은, 상기 전극과 상기 인접한 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 인접한 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 기본 단위체 내에서 상기 전극과 상기 인접한 분리막간의 접착력은 상기 단위체 스택부 내에서 상기 기본 단위체간의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 분리막은 다공성의 분리막 기재, 및 상기 분리막 기재의 일면 또는 양면에 전체적으로 코팅되는 다공성의 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층은 무기물 입자들과 상기 무기물 입자들을 서로 연결 및 고정하는 바인더 고분자의 혼합물로 형성되며,
    상기 전극은 상기 코팅층에 의해 상기 인접한 분리막에 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 무기물 입자들은 충전 구조(densely packed structure)를 이루어 상기 코팅층에서 전체적으로 무기물 입자들간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volumes)을 형성하고, 상기 무기물 입자들이 한정하는 인터스티셜 볼륨에 의해 상기 코팅층에 기공 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
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