KR102082467B1 - 집전체 중심 부위에 높은 활물질 로딩량을 가지는 전극을 포함하는 전극조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 상기 양극과 음극은 판상형 집전체의 일면 또는 양면에 활물질 코팅부를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 전극활물질이 코팅되지 않은 전극 탭이 형성되어 있으며, 상기 양극의 전극 탭과 음극의 전극 탭은 서로 대향하여 전극조립체의 양측 단부에 각각 형성되어 있고, 상기 양극과 음극은, 활물질 코팅부의 로딩량이 집전체의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체을 제공한다.

Description

집전체 중심 부위에 높은 활물질 로딩량을 가지는 전극을 포함하는 전극조립체 {Electrode Assembly Comprising Electrode Having High Loading Amount of Active Material at Middle of Current Collector}

본 발명은 양극과 음극은, 활물질 코팅부의 로딩량(loading amount)이 집전체의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체에 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 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(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.

이러한 이차전지는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 고출력을 요하는 동력원으로 주목 받고 있으며, 이러한 추세에 부응하여 전지의 규격이 확장되고 있다.

특히, 고출력을 요하는 중대형 이차전지의 경우, 전지가 장착되는 디바이스의 내부 공간을 고려하여 직사각형의 판상의 전지가 주로 사용되고 있으며, 이때 활물질의 로딩량을 증가시켜 두께가 두꺼워지고, 폭과 길이가 늘어난 판상형 전지셀들이 주로 사용된다.

도 1은 종래의 기술에 따른 판상형 전극조립체(100)의 모식도이다.

도 1을 참조하면, 양극(110)의 전극 탭(113)과 음극(120)의 전극 탭(123)은 서로 대향하여 전극조립체(100)의 양측 단부에 각각 형성되어 있다. 양극(110)은 판상형 집전체(111)의 양면에 양극활물질 코팅부(112)를 포함하고, 집전체(111)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(113)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(112)의 임의의 위치에서 양극 활물질의 로딩량이 동일하게 코팅되어 있다. 마찬가지로, 음극(120)은 판상형 집전체(121)의 양면에 음극활물질 코팅부(122)를 포함하고, 집전체(121)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(123)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(122)의 임의의 위치에서 음극 활물질의 로딩량이 동일하게 코팅되어 있다.

일반적으로 이러한 판상형 전지셀의 충방전시, 저항이 낮은 전극 탭 부위에서 활발한 전류의 이동이 일어나므로, 전극 탭에서부터 원거리에 있는 전극활물질에 비해 전극 탭 부근의 전극활물질이 더 많이 이용될 것으로 예상되나, 실제로 집전체의 길이 방향 중심 부위에서 전극활물질이 더 많이 사용되는 것이 본 발명의 실험을 통해서 확인되었다(참고로, 이 실험의 방법 및 결과는 후술되어 있다).

이러한 전극활물질의 편향된 사용은 전극의 국부적인 조기 퇴화를 유발하여 궁극적으로 전지셀의 수명을 단축시키고, 안정된 출력을 저해하는 요인으로 작용한다. 전지셀이 고용량화 되어 에너지 밀도가 증가할수록, 이는 더욱 심각한 문제로 대두되고 있다.

따라서, 상기의 문제점을 극복할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 집접체에 활물질 코팅부의 로딩량이 집전체의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조로 이루어진 전극조립체를 개발하게 되었고, 이러한 전극조립체를 사용하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은, 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 상기 양극과 음극은 판상형 집전체의 일면 또는 양면에 활물질 코팅부를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 전극활물질이 코팅되지 않은 전극 탭이 형성되어 있으며, 상기 양극의 전극 탭과 음극의 전극 탭은 서로 대향하여 전극조립체의 양측 단부에 각각 형성되어 있고, 상기 양극과 음극은, 활물질 코팅부의 로딩량이 집전체의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조로 이루어져 있다.

즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 활물질 코팅부의 로딩량이 집전체의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조로 이루어져 있는 바, 전극의 편향된 사용을 방지하고, 전극이 국부적으로 조기 퇴화되는 문제점을 최소화할 수 있다.

상기 활물질 로딩량은 코팅의 두께 및 밀도 등에 의해서 다양하게 조절될 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 활물질 코팅부의 임의의 위치에서 코팅의 밀도가 동일하며, 로딩량에 따라 코팅 두께가 다르게 형성될 수 있다. 이러한 구조에서, 상기 코팅 두께는 집전체의 중심 부위를 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체의 폭방향으로 동일하고, 양측 길이방향으로 감소하도록 형성될 수 있다.

이때, 상기 집전체의 중심 부위에서 코팅 두께는, 전지의 출력, 전지셀의 작동시, 집전체의 중심 부위에 전류의 흐름에 의해 발생하는 저항, 및 전지의 부피 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 양측 단부 부위의 코팅 두께에 대해 101% 내지 250%, 상세하게는 110% 내지 150% 범위일 수 있다.

상기 범위를 벗어나서 그 두께가 101% 미만인 경우, 전지의 작동시, 집전체의 중심 부위에서부터 원거리에 있는 전극활물질에 비해 집전체의 중심 부위에서 전극활물질이 더 많이 이용되어 전극의 조기 퇴화를 유발할 수 있고, 250%를 초과하는 경우, 과도한 두께 차이에 의한 전극조립체의 형상이 비대칭화되고 제조공정이 용이하지 않을 수 있으므로 바람직하지 않다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 활물질 코팅부의 임의의 위치에서 코팅 두께가 동일하며, 로딩량에 따라 코팅 밀도가 다르도록 형성될 수 있고, 구체적으로 코팅 밀도는 양측 길이 방향으로 감소하도록 형성될 수 있다.

이때, 상기 집전체의 중심 부위에서 코팅 밀도는, 전지의 출력, 전지셀의 작동시 집전체 중심 부위에 전자의 흐름에 의해 발생하는 저항, 및 전지의 부피 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 양측 단부 부위의 코팅 밀도에 대해 101% 내지 300%, 상세하게는 110% 내지 250% 범위일 수 있다.

상기 범위를 벗어나서, 그 밀도가 101% 미만인 경우, 전지셀의 작동시 집전체 중심 부위에서부터 원거리의 있는 전극활물질에 비해 집전체 중심 부위에서 전극활물질이 더 많이 이용되어 전극의 조기 퇴화를 유발할 수 있고, 250%를 초과하는 경우, 전지셀의 작동시 과도한 밀도 차이에 의해 집전체의 중심 부위에 발생하는 과도한 전자의 흐름에 의해 높은 저항이 발생하여 발화의 위험성이 있으며, 활물질을 고밀도로 압축하는 추가적인 공정 및 비용이 발생하는 바 바람직하지 않다.

또 다른 구체적인 예에서, 전극조립체는, 집전체의 중심 부위를 기준으로, 상기 중심 부위로부터 동일한 이격 거리에서 로딩량은 동일하게 형성될 수 있다. 하나의 예에서, 상기 로딩량에 따른 코팅 두께 또는 코팅 밀도는 중심 부위를 기준으로 방사형 등고선 구조로 형성되어 증감될 수 있다. 고출력 전지의 경우, 상술한 것과 같이, 판상형 전지의 규격이 확대됨으로써, 판상형 전지의 길이 방향으로 발생하는 전극의 편향된 사용에 의한 부분적 조기 퇴화 현상이, 폭 방향으로도 일어나고, 이러한 문제점을 최소화하기 위해, 코팅 두께 또는 코팅 밀도가 집전체의 중심 부위를 기준으로 방사형 등고선 구조로 변화할 수 있다.

본 발명에 따른 전극조립체의 또 다른 구체적인 예에서, 상기 양극과 음극은 각각 활물질 코팅부의 로딩량이 집전체의 중심 부위 쪽으로 증가하는 구조로 이루어져 있고, 임의의 위치에서 음극 활물질 코팅부의 로딩량은 양극 활물질 코팅부의 로딩량과 동일하거나 그보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 음극에서의 리튬 석출에 의한 단락 가능성을 최소할 수 있다.

이때, 상기 임의의 위치에서 음극 활물질 코팅부의 로딩량은, 전지의 출력, 전지셀의 작동시, 집전체의 중심 부위에 전류의 흐름에 의해 발생하는 저항, 및 전지의 부피 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 양극 활물질 코팅부의 100% 내지 120% 범위일 수 있다.

그 밖의 본 발명의 전지셀에 포함되는 기타 성분에 대해서는 이하에서 설명한다.

상기 양극은 양극용 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극용 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극용 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 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 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 = 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; LiNi_xMn_2-xO₄ (여기서, 0≤x<1)로 표현되는 스피넬 구조의 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 상기 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.

상기 음극용 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극용 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.

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 ㎛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.

상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 수용되는 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있는 리튬염 함유 비수 전해액일 수 있고, 이때, 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 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 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, (CF_3SO2)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 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.

예를 들어, 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 전해액을 제조할 수 있다.

본 발명은 또한, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제공한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 원통형 케이스이고, 양극단자는 원통형 케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에 직접 접속되어 있으며, 음극단자는 원통형 케이스의 내면에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 각형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 원통형 케이스의 개방 상단에 장착되는 탑 플레이트의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 전지케이스가 파우치형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 파우치형 케이스의 외부에 장착되는 보호회로 부재의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다. 특히, 상기 파우치형 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있고, 상세하게는 금속층이 Al인 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 포함하는 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.

이러한 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장 장치(Energy Storage System)일 수 있다.

상기 디바이스의 제조방법은 당업계에 공지되어 있는 바, 본 명세서에서는 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 동일 전극 내에서의 활물질 이용의 불균형을 해소하여 전극의 편향된 사용을 방지함으로써 안정된 출력을 구현할 뿐만 아니라, 전지의 수명을 연장할 수 있음을 확인할 수 있었다

도 1은 종래의 기술에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양극의 모식도이다;
도 6은 도 1의 전극조립체의 음극에 내부 저항을 측정하기 위해 제 3 전극이 설치된 전지셀의 평면도 및 단면도들이다;
도 7은 도 6의 음극에서 측정된 충전도에 따른 내부저항의 변화를 나타낸 그래프이다.

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 2은 본 발명의 하나의 실시예 따른 전극조립체(200)의 모식도이다

도 2를 참조하면, 양극(210)의 전극 탭(213)과 음극(220)의 전극 탭(223)은 서로 대향하여 전극조립체(200)의 양측 단부에 각각 형성되어 있다. 양극(210)은 판상형 집전체(211)의 양면에 양극활물질 코팅부(212)를 포함하고, 집전체(211)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(213)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(212)의 임의의 위치에서 코팅 밀도가 동일하며, 코팅 두께는 집전체(211)의 중심 부위을 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체(211)의 폭방향(도 1을 볼 때, 도면의 전면과 후면을 상호 연결하는 방향)으로 동일하고, 코팅 두께는 집전체(211)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다. 따라서, 양극 활물질 코팅부(212)의 로딩량이 집전체(211)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다.

마찬가지로, 음극(220)은 판상형 집전체(221)의 양면에 음극활물질 코팅부(222)를 포함하고, 집전체(221)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(223)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(222)의 임의의 위치에서 코팅 밀도가 동일하며, 코팅 두께는 집전체(221)의 중심 부위을 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체(221)의 폭방향으로 동일하고, 코팅 두께는 집전체(221)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다. 따라서, 음극 활물질 코팅부(222)의 로딩량이 전체적으로 집전체(221)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다.

또한, 집전체(211, 221)의 중심 부위에서 코팅의 두께는 양측 단부의 코팅의 두께에 대해 101% 내지 250% 범위에 있다.

도 3는 본 발명의 또다른 실시예 따른 전극조립체(300)의 모식도이다.

도 3을 참조하면, 양극(310)의 전극 탭(313)과 음극(320)의 전극 탭(323)은 서로 대향하여 전극조립체(300)의 양측 단부에 각각 형성되어 있다. 양극(310)은 판상형 집전체(311)의 양면에 양극활물질 코팅부(312)를 포함하고, 집전체(311)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(313)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(312)의 임의의 위치에서 코팅 두께가 동일하며, 코팅 밀도는 집전체(311)의 중심 부위를 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체(311)의 폭방향으로 동일하면서 집전체(311)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다. 따라서, 양극 활물질 코팅부(312)의 로딩량이 집전체(311)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조이다.

마찬가지로, 음극(320)은 판상형 집전체(321)의 양면에 음극활물질 코팅부(322)를 포함하고, 집전체(321)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(323)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(322)의 임의의 위치에서 코팅 두께가 동일하며, 코팅 밀도는 집전체(321)의 중심 부위를 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체(321)의 폭방향으로 동일하면서 집전체(321)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다. 따라서, 음극 활물질 코팅부(322)의 로딩량이 집전체(321)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다.

또한, 집전체(311, 321) 중심 부위에서 코팅의 밀도는 양측 단부 부위의 코팅의 밀도에 대해 101% 내지 300% 범위에 있다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다.

도 4를 참조하면, 양극(410)의 전극 탭(413)과 음극(420)의 전극 탭(423)은 서로 대향하여 전극조립체(400)의 양측 단부에 각각 형성되어 있다. 양극(410)은 판상형 집전체(411)의 양면에 양극활물질 코팅부(412)를 포함하고, 집전체(411)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(413)이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부(412)의 임의의 위치에서 코팅 밀도가 동일하며, 코팅 두께는 집전체(411)의 중심 부위를 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체(411)의 폭방향으로 동일하고, 코팅 두께는 집전체(411)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다. 따라서, 양극 활물질 코팅부(412)의 로딩량이 집전체(411)의 중심 부위에서 양측 길이 방향으로 감소한다.

마찬가지로, 음극(420)은 판상형 집전체(421)의 양면에 음극활물질 코팅부(422)를 포함하고, 집전체(421)의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(423)이 형성되어 있다. 또한, 음극 활물질 코팅부(422)의 임의의 위치에서 코팅 밀도가 동일하며, 코팅 두께는 집전체(421)의 중심 부위을 기준으로 한 임의의 위치에서 집전체(421)의 폭방향으로 동일하고, 코팅 두께는 집전체(421)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소한다. 따라서, 음극 활물질 코팅부(422)의 로딩량이 집전체(421)의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하는 구조이다.

또한, 집전체(411, 421)의 중심 부위에서 코팅의 두께는 양측 단부 부위의 코팅 두께에 대해 101% 내지 250% 범위에 있고, 임의의 위치에서 음극 활물질 코팅부(422)의 로딩량은 양극 활물질 코팅부(412)의 로딩량 보다 크다.

이처럼, 임의의 위치에서 음극 활물질 코팅부의 로딩량이 양극 활물질 코팅부의 로딩량과 동일하거나 그보다 큰 구성은 도 3에 나타난 실시예에도 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양극의 모식도이다.

도 5를 참조하면, 양극(510)은 판상형 집전체의 양면에 양극 활물질 코팅부(512)를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭(513)이 형성되어 있다. 또한, 집전체 중심 부위를 기준으로, 중심 부위로부터 동일한 이격 거리에서 로딩량은 동일하고, 로딩량에 따른 코팅 두께 또는 코팅 밀도는 집전체 중심 부위를 기준으로 방사형 등고선(520, 521, 522, 523, 524) 구조를 이루며, 집전체 중심 부위쪽으로 완만한 구배로 증가한다. 또한, 집전체 중심 부위의 로딩량은 최외각 등고선(520) 부위의 로딩량에 대해 101% 내지 250% 범위에 해당한다.

이처럼, 로딩량에 따른 코팅 두께 또는 코팅 밀도가 집전체 중심 부위을 기준으로 방사형 등고선 구조를 이루며 집전체 중심 부위쪽으로 완만한 구배를 이루며 증가하는 구조는 음극에도 적용된다(도시하지 않음).

도 6은 도 1의 전극조립체의 음극에 내부 저항을 측정하기 위해 제 3 전극이 설치된 전지셀의 평면도 및 단면도들이고, 도 7은 도 6의 음극에서 측정된 충전도에 따른 내부저항을 나타낸 그래프이다.

도 6 및 도 7을 함께 참조하면, 양극의 전극 리드과 음극의 전극 리드는 서로 대향하여 전극조립체의 양측 단부에 각각 형성되어 있다. 양극은 판상형 집전체의 양면에 양극 활물질 코팅부을 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부의 임의의 위치에서 양극 활물질의 로딩량이 동일하게 코팅되어 있다. 마찬가지로, 음극은 판상형 집전체의 양면에 음극활물질 코팅부을 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 전극 탭이 형성되어 있다. 또한, 활물질 코팅부의 임의의 위치에서 음극 활물질의 로딩량이 동일하게 코팅되어 있다. 여기서, W는 전극 리드가 형성되어 있지 않은 전지셀의 양측면 실링부의 단면 형상을 나타내고 있다. 위치에 따른 음극의 내부 저항을 측정하기 위해, 제 3 전극을 양극 부위, 음극 부위, 및 길이 방향 중심 부위에 각각 설치하고, 충전도에 따른 음극의 위치별 내부 저항을 측정하였다.

도 7의 그래프는 충전도에 따른 음극의 위치별 내부 저항의 변화를 나타내고 있다. 실험 결과, 전지셀의 충전시, 음극의 길이 방향 중심 부위에서 내부 저항이 가장 낮은 것으로 확인되었다.

본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

1. 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서,
   상기 양극과 음극은 판상형 집전체의 일면 또는 양면에 활물질 코팅부를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 전극활물질이 코팅되지 않은 전극 탭이 형성되어 있으며;
   상기 양극의 전극 탭과 음극의 전극 탭은 서로 대향하여 전극조립체의 양측 단부에 각각 형성되어 있고;
   상기 양극과 음극은, 활물질 코팅부의 로딩량(loading amount)이 집전체의 중심 부위에서 양측 길이방향으로 감소하며,
   상기 집전체의 중심 부위를 기준으로, 상기 중심 부위로부터 동일한 이격 거리에서 로딩량은 동일하고, 로딩량에 따른 코팅 두께 또는 코팅 밀도는 집전체 중심 부위를 기준으로 방사형 등고선 구조를 이루며, 집전체 중심 부위쪽으로 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 활물질 코팅부의 임의의 위치에서 코팅 밀도가 동일하며, 로딩량에 따라 코팅 두께가 다른 것을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서, 상기 집전체의 중심 부위에서 코팅 두께는 양측 단부 부위의 코팅 두께에 대해 101% 내지 250% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 집전체의 중심 부위에서 코팅 두께는 양측 단부 부위의 코팅 두께에 대해 110% 내지 150% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 활물질 코팅부의 임의의 위치에서 코팅 두께가 동일하며, 로딩량에 따라 코팅 밀도가 다른 것을 특징으로 하는 전극조립체.
8. 삭제
9. 제 7 항에 있어서, 상기 중심 부위에서 코팅 밀도는 양측 단부 부위의 코팅 밀도에 대해 101% 내지 300% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 중심 부위에서 코팅 밀도는 양측 단부 부위의 코팅 밀도에 대해 110% 내지 250% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각 활물질 코팅부의 로딩량이 중심 부위 쪽으로 증가하는 구조로 이루어져 있고;
    임의의 위치에서 음극 활물질 코팅부의 로딩량은 양극 활물질 코팅부의 로딩량과 동일하거나 그보다 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 임의의 위치에서 음극 활물질 코팅부의 로딩량은 양극 활물질 코팅부의 로딩량의 100% 내지 120% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
15. 제 1 항 또는 제 13 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
16. 제 15 항에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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