KR102186499B1 - 외주변 부위가 접착된 분리막을 포함하는 전극조립체 - Google Patents

외주변 부위가 접착된 분리막을 포함하는 전극조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질이 도포되어 있고, 적어도 일측 외주변으로부터 외향 돌출되어 있는 양극 단자를 포함하고 있는 하나 이상의 양극; 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 도포되어 있고, 적어도 일측 외주변으로부터 외향 돌출되어 있는 음극 단자를 포함하고 있는 하나 이상의 음극; 및 외주변의 적어도 일부가 상호 결합된 상태로 각각의 양극을 감싸고 있는 하나 이상의 분리막;을 포함하고 있고, 평면상으로 보았을 때 상기 음극의 크기는 분리막의 크기와 일치하거나 또는 분리막의 크기보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체을 제공한다.

Description

외주변 부위가 접착된 분리막을 포함하는 전극조립체 {Electrode Assembly Comprising Separator Having Sealed Edge Portion}
본 발명은 외주변 부위가 접착된 분리막을 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 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.
또한, 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.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
도 1에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(100)는 음극(103)이 양극(102)들 사이에 위치하고 양극(102)들과 음극(103)의 사이에는 분리막(101)이 개재되어 있는 구조의 단위셀들(120, 140, 160, 180)과 양극(102)이 음극(103)들 사이에 위치하고, 양극(102)과 음극(103)들 사이에는 분리막이 개재되어 있는 구조의 단위셀들(110, 130, 150, 170)의 조합으로 이루어진 구조로 이루어져 있다.
상기 전극조립체(100)의 각 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180)의 사이에 개재되어 있는 분리필름(190)은, 전극 단자가 형성되어 있지 않은 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180)의 각각의 측면을 감싸고 있으며, 상기 전극조립체(100)는 분리필름(190) 상에 각 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180)을 배열하고 분리필름(190)을 권취하여 제작된다.
그러나, 이러한 구조의 전극조립체는 분리필름이 각 단위셀들의 측면을 중첩하여 감싸고 있는 구조로 이루어져 있으므로, 상기 단위셀들의 측면을 통한 전해액의 함침성이 저하될 수 밖에 없으며, 이는 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀의 성능 저하를 유발하는 원인으로 작용할 수 있고, 이를 해결하기 위한 방법으로서, 전해액의 함침성을 향상시키기 위해, 전지셀의 숙성 기간을 증가시킬 경우, 전지셀의 제조에 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 상기 분리막 구조로 인해, 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀의 비정상적인 작동 상태 하에서, 상기 전지셀 내에서 발생한 가스가 외부로 신속하게 배출될 수 없어, 안전성을 저하시킬 수 있다.
더욱이, 이러한 구조의 전극조립체는 상대적으로 많은 분리막이 불필요한 부위에 위치하는 반면에, 상기 분리막의 높은 단가로 인해, 전극조립체의 제조 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기 전극조립체를 구성하는 각각의 단위셀들은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 일일이 정렬시킨 상태로 제작되어야 하므로, 그 제작과정이 번거롭고, 이로 인해 상기 전극조립체를 제작하기 위해 소요되는 인력 및 시간이 증가하게 되어, 결과적으로 전극조립체의 생산성이 저하되는 결과를 초래한다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 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, 외주변의 적어도 일부가 상호 결합된 상태로 각각의 양극을 감싸도록 구성된 하나 이상의 분리막을 포함함으로써, 분리막이 전극조립체의 측면에 중첩되지 않아, 전해액에 대한 함침성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 전해액의 함침성 저하에 따른 전지셀의 성능 저하를 예방하할 수 있으며, 내부의 가스를 신속하게 외부로 배출할 수 있으므로, 안전성을 향상시킬 수 있고, 상기 전해액의 함침에 소요되는 시간을 절약할 수 있으며, 상대적으로 적은 분리막을 사용함으로써, 전극조립체의 제조에 소요되는 비용을 절약하고, 각각의 단위셀들을 제작하는 과정에서, 양극, 음극 및 분리막의 정렬을 위해 소요되는 인력 및 시간을 절약할 수 있으므로, 결과적으로, 전극조립체의 전체적인 생산성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,
집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질이 도포되어 있고, 적어도 일측 외주변으로부터 외향 돌출되어 있는 양극 단자를 포함하고 있는 하나 이상의 양극;
집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 도포되어 있고, 적어도 일측 외주변으로부터 외향 돌출되어 있는 음극 단자를 포함하고 있는 하나 이상의 음극; 및
외주변의 적어도 일부가 상호 결합된 상태로 각각의 양극을 감싸고 있는 하나 이상의 분리막;
을 포함하고 있고,
평면상으로 보았을 때 상기 음극의 크기는 분리막의 크기와 일치하거나 또는 분리막의 크기보다 상대적으로 큰 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 분리막이 전극조립체의 측면에 중첩되지 않아, 전해액에 대한 함침성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 전해액의 함침성 저하에 따른 전지셀의 성능 저하를 예방하할 수 있으며, 내부의 가스를 신속하게 외부로 배출할 수 있으므로, 안전성을 향상시킬 수 있고, 상기 전해액의 함침에 소요되는 시간을 절약할 수 있으며, 상대적으로 적은 분리막을 사용함으로써, 전극조립체의 제조에 소요되는 비용을 절약하고, 각각의 단위셀들을 제작하는 과정에서, 양극, 음극 및 분리막의 정렬을 위해 소요되는 인력 및 시간을 절약할 수 있으므로, 결과적으로, 전극조립체의 전체적인 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 평면상으로 보았을 때 상기 음극의 크기는 분리막의 크기와 일치하거나 또는 분리막의 크기보다 상대적으로 큰 구조로서, 결과적으로 상기 음극은 양극에 비해 큰 구조로 이루어져 있어, 음극의 비가역 용량으로 인한 전극조립체의 작동 효율 저하를 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막은 열융착에 의해 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 있는 구조일 수 있다.
그러나, 상기 분리막이 상호 결합되는 방식은 전극조립체의 성능을 저하시키지 않는 동시에, 외주변의 상호 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 방법이라면, 그 결합 방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 전극조립체 및 전해의 화학적 변화를 유발하지 않는 소정의 접착제에 의해 상호 결합되어 있는 구조일 수도 있음은 물론이다.
이러한 경우에, 상기 분리막은 양극을 사이에 두고 양극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변들이 상호 결합되어 있는 구조일 수 있다.
일반적으로, 양극 단자를 비롯한 음극 단자는 외부 기기와의 전기적연결을 용이하게 구성할 수 있도록, 전극 리드에 결합되어, 전지케이스의 외부로 돌출된 상태로 제조된다.
이에 따라, 상기 분리막은 양극을 사이에 두고 양극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변들이 상호 결합된 구조로서, 더욱 구체적으로, 상기 양극 단자가 돌출된 외주변에 대응되는 일측이 개방된 구조로 이루어진 봉투 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 양극은 봉투 구조로 이루어진 분리막 사이에 수납된 상태에서, 음극과 함께 적층됨으로써, 보다 용이하게 전극조립체를 구성할 수 있으며, 이에 따라, 종래에 상기 양극, 음극 및 분리막을 일일이 정렬하기 위해 소요되었던 인력 및 시간을 절약할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막은 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트의 조합으로 이루어져 있고, 상기 제 1 분리 시트가 양극의 일면에 대면하고 상기 제 2 분리 시트가 양극의 타면에 대면한 상태에서, 상기 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트의 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 양극을 감싸고 있는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 분리막은 1개의 분리 시트로 이루어져 있고, 상기 제 1 분리 시트는 양극의 일면과 타면에 각각 대면하도록 양극의 일측 외주변에서 절곡된 상태로, 상기 분리 시트의 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 양극을 감싸고 있는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 상호 결합되어 있는 분리막은 각각 별도로 구성된 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트의 외주변이 상호 결합되거나, 상기 분리 시트의 외주변을 상호 결합하기 위한 열융착 공정을 감소시키는 동시에 상기 열융착 공정을 보다 용이하게 수행할 수 있도록, 1개의 분리 시트로 이루어진 제 1 분리 시트가 절곡된 상태에서, 상기 양극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변들이 상호 결합된 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 분리막의 외주변에는, 전해액에 대한 양극의 함침성을 향상시킬 수 있도록, 상호 이격된 둘 이상의 외주변 결합 부위들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 상호 결합된 분리막의 외주변은, 길이 방향으로 모든 부위가 결합된 구조가 아닌, 상호 이격된 부위에서 결합되어, 상호 이격된 둘 이상의 결합 부위들을 형성하고 있는 구조로서, 상기 구조를 통해, 양극이 봉투 구조로 이루어진 분리막에 의해 감싸지더라도, 전해액에 대한 상기 양극의 함침성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따른 성능 저하를 방지하는 동시에, 상기 전해액에 대한 함침성을 향상시키기 위해 소요되는 시간을 절약할 수 있다.
또한, 상기 상호 이격된 부위를 통해, 내부에서 발생한 가스가 보다 용이하게 배출될 수 있어, 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 길이 방향은 상기 상호 결합된 외주변의 양측 단부에 평행한 직선 방향을 의미한다.
한편, 상기 양극 단자 및 음극 단자는 서로 대향하는 위치에서 일측 외주변과 타측 외주변으로 각각 외향 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 양극 단자 및 음극 단자는 상호간의 직접적인 접촉에 의한 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
그러나, 상기 양극 단자와 음극 단자의 돌출 구조는 상호간의 직접적인 접촉에 의한 내부 단락을 방지할 수 있는 구조라면, 그 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 동일한 일측 외주변의 서로 상이한 부위에서, 외향 돌출되어 있는 구조일 수도 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극은 양극 단자에 대응하는 외주변의 부위가 내향 만입된 구조로 이루어질 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 양극 단자는 외주변으로부터 외향 돌출된 구조로 이루어질 수 있는 반면에, 상기 음극은 양극을 감싸고 있는 분리막에 비해, 상대적으로 큰 크기를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 양극 단자는 분리막에 비해 상대적으로 큰 크기를 가짐으로써, 상기 분리막의 외주변에 비해 돌출되어 있는 음극의 외주변 부위에 직접 접촉될 수 있고, 이로 인해, 내부 단락이 발생하는 등의 안전성 저하의 문제점이 발생할 수 있다.
반면에, 본원발명의 전극조립체를 구성하는 음극은 양극 단자에 대응하는 외주변의 부위가 내향 만입된 구조로서, 상기 양극 단자에 대응하는 음극의 외주변 부위가 분리막의 외주변에 비해 상대적으로 내측에 위치함으로써, 양극 단자와의 직접적인 접촉에 의한 내부 단락의 발생을 효과적으로 예방할 수 있다.
이때, 상기 내향 만입된 깊이는 내향 만입 방향에 평행한 음극 외주변의 길이에 대해 1% 내지 10%의 크기일 수 있으며, 상기 내향 만입된 부위의 폭은 이에 대응하는 양극 단자의 폭에 대해 101% 내지 120%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 내향 만입된 깊이가 내향 만입 방향에 평행한 음극 외주변의 길이에 대해 1% 미만이거나, 상기 내향 만입된 부위의 폭이 이에 대응하는 양극 단자의 폭에 대해 101% 미만의 크기일 경우에는, 상기 내향 만입된 구조에도 불구하고, 상기 양극을 감싸고 있는 분리막과 음극의 정렬 과정에서 발생하는 오차로 인해, 양극 단자와 음극의 직접적인 접촉이 발생할 수 있다.
이와 반대로, 상기 내향 만입된 깊이가 내향 만입 방향에 평행한 음극 외주변의 길이에 대해 10%를 초과하거나, 상기 내향 만입된 부위의 폭이 이에 대응하는 양극 단자의 폭에 대해 120%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 음극의 전체적인 크기, 보다 상세하게는 평면상으로 보았을 때의 면적이 지나치게 작아질 수 있으며, 이로 인해, 전극조립체의 용량이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 양극의 크기는 평면상으로 보았을 때 음극의 90% 내지 99% 면적에 대응하는 크기일 수 있다.
더욱 구체적으로, 평면상으로 보았을 때 상기 음극의 크기는 분리막의 크기와 일치하거나 또는 분리막의 크기보다 상대적으로 큰 구조로서, 분리막 외주변의 상호 결합에 의해 감싸지는 양극은 분리막에 비해 상대적으로 작은 크기로 이루어지므로, 상기 양극의 크기는 평면상으로 보았을 때 음극의 면적에 비해 작은 크기일 수 밖에 없다.
이때, 상기 양극의 크기가 평면상으로 보았을 때 음극의 90% 면적 미만일 경우에는, 상기 음극에 비해 상극의 크기가 지나치게 작아져, 전극조립체의 전체적인 용량이 감소할 수 있으며, 이와 반대로, 상기 양극의 크기가 평면상으로 보았을 때 음극의 99% 면적을 초과할 경우에는, 열융착에 의해 결합되는 분리막의 외주변 넓이가 지나치게 좁아, 상기 외주변 상호간에 충분한 결합력을 발휘할 수 없다.
한편, 상기 음극의 크기는 평면상으로 보았을 때 분리막의 100% 내지 110% 면적에 대응하는 크기일 수 있다.
만일, 상기 음극의 크기가 평면상으로 보았을 때 상기 범위를 벗어나, 분리막의 100% 면적 미만이거나, 110% 면적을 초과하는 경우에는, 상기 분리막 또는 음극의 크기가 불필요하게 커지게 되는 경우로서, 이에 따라, 전극조립체의 제조에 소요되는 비용이 증가하게 된다.
여기서, 상기 음극의 크기가 평면상으로 보았을 때 분리막의 100% 면적에 대응하는 크기인 경우, 다시 말해, 상기 음극의 평면상 면적이 분리막의 면적과 동일한 크기인 경우, 상기 음극은 결과적으로 양극에 비해 면적이 큰 구조로 이루어짐으로써, 음극의 비가역 용량으로 인한 전극조립체의 작동 효율 저하를 방지하는 동시에, 분리막이 음극 단자가 형성되어 있지 않은 상기 음극의 외주변 부위를 감싸지 않으므로, 종래의 전극조립체에 비해 상기 분리막이 적게 소요되므로, 전극조립체의 제조에 소요되는 비용을 절약할 수 있고, 전극조립체를 구성하는 구성 요소들을 불필요하게 크게 구성하지 않으므로, 전체적은 크기를 최소화시키거나, 동일한 크기의 종래 전극조립체에 비해 높은 용량을 발휘할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극의 크기는 평면상으로 보았을 때 분리막의 크기보다 상대적으로 크고, 양극 단자 또는 음극 단자의 돌출 방향을 중심으로 음극의 양측 외주변 단부가 분리막의 외주변 단부에 비해 외향 돌출된 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 음극은, 양극 단자 또는 음극 단자의 돌출 방향 및 이에 대향하는 방향의 외주변을 제외한 양측 외주변 단부가 분리막의 외주변 단부에 비해 외향 돌출된 구조일 수 있다.
이때, 상기 전극조립체는 둘 이상의 음극들을 포함하고 있고,
상기 음극들은, 음극 단자를 통한 전기적 신호의 이동 경로를 분산시킬 수 있도록, 분리막의 외주변 단부에 비해 돌출된 양측 외주변 단부의 적어도 일부 부위가 용접에 의해 상호 결합되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 음극들은 전지셀의 운용간 음극 단자 부위에서 전기적 신호의 이동이 집중됨으로써 발생할 수 있는 저항을 감소시켜, 전체적인 추력을 향상시킬 수 있고, 상기 전기적 신호의 집중으로 인한 음극 단자 부위에서의 온도 상승 및 이로 인한 열화와 같은 부작용을 효과적으로 예방할 수 있으며, 상기 음극들 사이에 위치한 양극 및 분리막들을 안정적으로 고정 및 유지할 수 있으므로, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 음극들의 양극 외주변의 단부 각각에는 외주변 길이에 대응하는 하나의 용접 결합부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 본원발명에 따른 전극조립체는 보다 높은 구조적 안정성을 발휘할 수 있다.
그러나, 상기 용접 결합부의 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 상기 음극들의 양극 외주변의 단부 각각에는 상호 이격된 둘 이상의 용접 결합부들이 형성되어 있는 구조일 수도 있다.
따라서, 상기 용접 결합부들 사이의 상호 이격된 부위를 통해, 음극들 사이에 위치한 양극에 대한 전해액 함침성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 양극과 전해액의 반응에 의해 발생하는 기체가 상기 용접 결합부들 사이의 상호 이격된 부위를 통해, 외부로 보다 용이하게 배출될 수 있다.
이때, 상기 용접 결합부 각각의 길이는 외주변 단부의 길이를 기준으로 30% 이상일 수 있다.
만일, 상기 용접 결합부 각각의 길이가 외주변 단부의 길이를 기준으로 30% 미만일 경우에는, 상기 용접 결합부의 길이가 지나치게 짧아, 음극 단자를 통한 전기적 신호의 이동 경로를 효과적으로 분산시키지 못하거나, 상기 음극들 사이의 안정적인 결합 구조를 유지하지 못할 수 있다.
또한, 상기 음극들은 용접에 의해 상호 결합되는 외주변 단부가 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 활물질 미도포부로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 상기 음극들의 외주변 단부를 용접에 의해 보다 용이하게 결합할 수 있는 동시에, 상기 음극 활물질에 의해 발생할 수 있는 결합력의 저하 및 저항의 증가를 예방할 수 있고, 상기 외주변 단부의 용접 결합부를 통해 이동하는 전기적 신호와 음극 활물질의 전기적 반응에 의한 내부 단락 내지 화재와 같은 성능 및 안전 상의 문제점을 방지할 수 있다.
한편, 상기 전극조립체는 외주변의 적어도 일부가 상호 결합된 분리막들에 의해 감싸진 양극들과 음극들 다수가 교대로 적층되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 일정한 수량의 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 구조의 단위셀들이 다수 적층될 수 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 단위셀들은 두 개의 양극들, 상기 양극들을 감싸는 분리막들 및 상기 양극들 사이에서 분리막을 사이에 두고 음극이 개재된 구조이거나 두 개의 음극들, 상기 음극들 사이에 개재된 하나의 양극 및 상기 양극을 감싸는 구조로서, 양극과 음극들 사이에 위치한 분리막들을 포함하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 단위셀들은 각각 하나의 양극과 하나의 음극 및 상기 하나의 양극을 감싸는 구조로 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 있는 두 개의 분리막을 포함하는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
그러나, 상기 단위셀들의 적층 구조 및 상기 단위셀들을 구성하는 양극, 음극 및 분리막의 수량이 이에 한정되는 것은 아니며, 본원발명의 효과를 안정적으로 발휘할 수 있는 구조라면, 그 구조 및 구체적인 구성 요소들의 수량이 크게 제한되는 것은 아니다.
한편, 본원발명은 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀을 제공하는 바, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 포함하는 디바이스를 제공하는 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.
상기 전지셀 및 디바이스의 구체적인 구성 내지 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 외주변의 적어도 일부가 상호 결합된 상태로 각각의 양극을 감싸도록 구성된 하나 이상의 분리막을 포함함으로써, 분리막이 전극조립체의 측면에 중첩되지 않아, 전해액에 대한 함침성을 향상시킬 수 있는 동시에, 상기 전해액의 함침성 저하에 따른 전지셀의 성능 저하를 예방하할 수 있으며, 내부의 가스를 신속하게 외부로 배출할 수 있으므로, 안전성을 향상시킬 수 있고, 상기 전해액의 함침에 소요되는 시간을 절약할 수 있으며, 상대적으로 적은 분리막을 사용함으로써, 전극조립체의 제조에 소요되는 비용을 절약하고, 각각의 단위셀들을 제작하는 과정에서, 양극, 음극 및 분리막의 정렬을 위해 소요되는 인력 및 시간을 절약할 수 있으므로, 결과적으로, 전극조립체의 전체적인 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 3은 도 2의 양극과 분리막의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 5는 도 4의 양극과 분리막의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6 및 도 7은 도 4의 음극들의 용접 결합부의 다양한 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 9는 도 8의 양극과 분리막의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(200)는 하나의 양극(210), 두 개의 음극들(220, 230) 및 분리막을 구성하는 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)를 포함하고 있다.
양극(210), 음극들(220, 230), 제 1 분리 시트(240) 및 제 2 분리 시트(250)는 평면상으로 직사각형 구조로 이루어져 있다.
양극(210)은 음극들(220, 230) 사이에 위치해 있으며, 양극(210)과 음극들(220, 230) 사이에는 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)가 각각 개재되어 있다.
양극(210)은 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)에 비해 평면상 면적이 작은 구조로서, 폭(W1) 및 길이(L1)가 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)의 폭(W3) 및 길이(L3)에 비해 작은 구조로 이루어져 있다.
제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)는 각각 양극(210)의 일면 및 타면에 대면한 상태에서, 외주변(260)이 상호 결합(201)되어 양극(210)을 감싸는 구조로 이루어진다.
따라서, 양극(210)은 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250) 사이에 안정적으로 위치된 상태에서 고정 및 유지될 수 있다.
음극들(220, 230)은 제 1 분리 시트(240) 및 제 2 분리 시트(250)와 평면상 면적이 동일한 구조로서, 폭(W2) 및 길이(L2)가 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)의 폭(W3) 및 길이(L3)와 동일한 크기를 갖는 구조로 이루어져 있으며, 결과적으로, 음극들(220, 230)은 양극(210)에 비해 평면상 면적이 큰 구조로 이루어져 있다.
따라서, 음극들(220, 230)의 비가역 용량으로 인한 전극조립체(200)의 작동 효율 저하를 방지할 수 있으며, 긴 분리필름이 음극들(220, 230)을 감싸는 구조로 이루어지는 종래의 전극조립체에 비해 분리막이 적게 소요되므로, 전극조립체(200)를 제조하는데 소요되는 비용을 절약할 수 있다.
양극 단자(211)와 음극 단자(221)는 각각 서로 대향하는 외주변 방향으로 외향 돌출되어 있어으며, 음극들(220, 230)은 양극 단자(211)에 대응하는 외주변의 부위들(222, 232)이 내향 만입된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 양극(210)과 음극들(220, 230)의 직접적인 접촉에 의한 내부 단락을 방지해, 안전성을 유지할 수 있다.
도 3에는 도 2의 양극과 분리막의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)는 양극(210)을 감싸는 구조로, 양극 단자(211)가 돌출된 부위에 대응하는 외주변(261)을 제외한 나머지 외주변들(262, 263, 264)이 열융착에 의해 상호 결합되어 있다.
따라서, 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250)는 양극 단자(211)가 돌출된 부위에 대응하는 외주변(261)이 개방된 봉투 구조로 형성되며, 양극(210)은 보다 용이하게 제 1 분리 시트(240)와 제 2 분리 시트(250) 사이에 개재되어 위치가 정렬될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전극조립체(400)는 하나의 양극(410), 두 개의 음극들(420, 430) 및 분리막을 구성하는 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)를 포함하고 있다.
양극(410), 음극들(420, 430), 제 3 분리 시트(440) 및 제 4 분리 시트(450)는 평면상으로 직사각형 구조로 이루어져 있다.
양극(410)은 음극들(420, 230) 사이에 위치해 있으며, 양극(410)과 음극들(420, 430) 사이에는 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)가 각각 개재되어 있다.
양극(410)은 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)에 비해 평면상 면적이 작은 구조로서, 폭(W4) 및 길이(L4)가 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)의 폭(W6) 및 길이(L6)에 비해 작은 구조로 이루어져 있다.
제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)는 각각 양극(410)의 일면 및 타면에 대면한 상태에서, 외주변(460)이 상호 결합(401)되어 양극(410)을 감싸는 구조로 이루어진다.
따라서, 양극(410)은 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450) 사이에 안정적으로 위치된 상태에서 고정 및 유지될 수 있다.
음극들(420, 430)은 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)에 비해 평면상 면적이 큰 구조로서, 길이(L5)는 제 3 분리 시트(240)와 제 4 분리 시트(450)의 길이(L6)와 동일한 크기를 갖는 구조로 이루어져 있으나, 음극들(420, 430)은 외주변(470) 단부가 제 3 분리 시트(440) 및 제 4 분리 시트(450)의 외주변(460) 단부에 비해 돌출되어, 용접에 의해 상호 결합된 용접 결합부를 형성할 수 있도록, 폭(W5)이 제 3 분리 시트(240)와 제 4 분리 시트(450)의 폭(W6)에 비해 큰 구조로 이루어져 있다.
상기 구조에 따라, 음극들(420, 430)은 양극(410)에 비해 평면상 면적이 큰 구조로 이루어져 있어, 음극들(420, 430)의 비가역 용량으로 인한 전극조립체(400)의 작동 효율 저하를 방지할 수 있으며, 긴 분리필름이 음극들(420, 430)을 감싸는 구조로 이루어지는 종래의 전극조립체에 비해 분리막이 적게 소요되므로, 전극조립체(400)를 제조하는데 소요되는 비용을 절약할 수 있다.
양극 단자(411)와 음극 단자(421)는 각각 서로 대향하는 외주변 방향으로 외향 돌출되어 있어으며, 음극들(420, 430)은 양극 단자(411)에 대응하는 외주변의 부위들(422, 432)이 내향 만입된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 양극(410)과 음극들(420, 430)의 직접적인 접촉에 의한 내부 단락을 방지해, 안전성을 유지할 수 있다.
도 5에는 도 4의 양극과 분리막의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)는 양극(410)을 감싸는 구조로, 양극 단자(411)가 돌출된 부위에 대응하는 외주변(461)을 제외한 나머지 외주변들(462, 463, 464)이 열융착에 의해 상호 결합되어 있다.
따라서, 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)는 양극 단자(411)가 돌출된 부위에 대응하는 외주변(461)이 개방된 봉투 구조로 형성되며, 양극(410)은 보다 용이하게 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450) 사이에 개재되어 위치가 정렬될 수 있다.
이때, 제 3 분리 시트(440)와 제 4 분리 시트(450)의 외주변들(462, 463, 464)에는 복수의 외주변 결합 부위(465)가 상호 이격된 상태로 형성되어 있다.
따라서, 외주변 결합 부위(465) 사이의 상호 이격된 부위(466)를 통해, 전해액에 대한 양극(410)의 함침성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따른 성능 저하를 방지하는 동시에, 상기 전해액에 대한 함침성을 향상시키기 위해 소요되는 시간을 절약할 수 있다.
또한, 외주변 결합 부위(465) 사이의 상호 이격된 부위(466)를 통해, 내부에서 발생한 가스가 보다 용이하게 배출될 수 있어, 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 6 및 도 7에는 도 4의 음극들의 용접 결합부의 다양한 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
우선, 도 6을 도 4 및 5와 함께 참조하면, 음극들(420, 430)은 음극 단자(421)를 기준으로 양측 외주변들(471, 472)의 단부가 제 3 분리 시트(440) 및 제 4 분리 시트(450)의 양측 외주변들(462, 464)의 단부에 비해 외향 돌출된 구조로서, 모든 부위가 용접에 의해 결합됨으로써, 하나의 용접 결합부(481)가 형성되어 있다.
따라서, 음극들(420, 430) 사이에 위치하는 양극, 제 3 분리 시트(440) 및 제 4 분리 시트(450)를 고정해, 보다 높은 구조적 안정성을 발휘할 수 있다.
도 7을 도 4 및 5와 함께 참조하면, 음극들(420, 430)은 제 3 분리 시트(440) 및 제 4 분리 시트(450)의 양측 외주변들(462, 464)의 단부에 비해 외향 돌출된 양측 외주변들(471, 472)의 단부가 부분적으로 용접에 의해 결합됨으로써, 일측 외주변(472)을 기준으로 각각 3개의 용접 결합부들(482, 483, 484)이 형성되어 있다.
따라서, 용접 결합부들(482, 483, 484) 사이의 상호 이격된 부위를 통해, 음극들(420, 430) 사이에 위치한 양극(410)에 대한 전해액 함침성을 향상시킬 수 있는 동시에, 양극(410)과 전해액의 반응에 의해 발생하는 기체가 용접 결합부들(482, 483, 484) 사이의 상호 이격된 부위를 통해, 외부로 보다 용이하게 배출될 수 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도가 도시되어 있으며, 도 9에는 도 8의 양극과 분리막의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 8 및 9를 함께 참조하면, 전극조립체(800)는 분리막이 1개의 제 5 분리 시트(840)로 이루어져 있다.
제 5 분리 시트(840)는 양극(810)의 일면과 타면에 각각 대면하도록, 양극 단자(811)의 돌출 방향에 대향하는 일측 외주변(863)에서 절곡된 상태에서, 양극 단자(811)를 중심으로 양측 외주변들(862, 862)이 열융착에 의해 상호 결합된다.
따라서, 제 5 분리 시트(840)는 외주변들(862, 862)을 결합하기 위한 열융착 과정을 최소화하면서, 양극 단자(811)가 돌출된 부위에 대응하는 외주변(861)이 개방된 봉투 구조로 형성되므로, 양극(810)은 보다 용이하게 제 5 분리 시트(840) 내에 개재되어 위치가 정렬될 수 있다.
이때, 제 5 분리 시트(840)의 양측 외주변들(862, 862)에 대해 이루어지는 열융착에 의한 상호 결합은 도 5의 제 3 분리막 시트 및 제 4 분리막 시트와 마찬가지로, 소정의 간격을 두고 상호 이격된 상태로 이루질 수도 있음은 물론이다.
상기 구조를 제외한 나머지 구조는 도 2 및 도 3의 전극조립체와 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질이 도포되어 있고, 적어도 일측 외주변으로부터 외향 돌출되어 있는 양극 단자를 포함하고 있는 하나 이상의 양극;
    집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질이 도포되어 있고, 적어도 일측 외주변으로부터 외향 돌출되어 있는 음극 단자를 포함하고 있는 하나 이상의 음극; 및
    외주변의 적어도 일부가 상호 결합된 상태로 각각의 양극을 감싸고 있는 하나 이상의 분리막;
    평면상으로 보았을 때 상기 음극의 크기는 분리막의 크기보다 상대적으로 크고, 양극 단자 또는 음극 단자의 돌출 방향을 중심으로 음극의 양측 외주변 단부가 분리막의 외주변 단부에 비해 외향 돌출된 구조로 이루어지며,
    둘 이상의 음극들을 포함하고 있고,
    상기 음극들은, 음극 단자를 통한 전기적 신호의 이동 경로를 분산시킬 수 있도록, 분리막의 외주변 단부에 비해 돌출된 상기 음극들의 양측 외주변 단부의 적어도 일부 부위에서, 상기 음극들 간의 용접에 의해 상호 결합된 용접 결합부가 형성되며,
    상기 음극은 양극 단자에 대응하는 외주변 부위가 내향 만입된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 열융착에 의해 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 분리막은 양극을 사이에 두고 양극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변들이 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 분리막은 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트의 조합으로 이루어져 있고, 상기 제 1 분리 시트가 양극의 일면에 대면하고 상기 제 2 분리 시트가 양극의 타면에 대면한 상태에서, 상기 제 1 분리 시트와 제 2 분리 시트의 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 양극을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 분리막은 1개의 분리 시트로 이루어져 있고, 상기 제 1 분리 시트는 양극의 일면과 타면에 각각 대면하도록 양극의 일측 외주변에서 절곡된 상태로, 상기 분리 시트의 외주변의 적어도 일부가 상호 결합되어 양극을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 외주변에는, 전해액에 대한 양극의 함침성을 향상시킬 수 있도록, 상호 이격된 둘 이상의 외주변 결합 부위들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 단자 및 음극 단자는 서로 대향하는 위치에서 일측 외주변과 타측 외주변으로 각각 외향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내향 만입된 깊이는 내향 만입 방향에 평행한 음극 외주변의 길이에 대해 1% 내지 10%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 양극의 크기는 평면상으로 보았을 때 음극의 90% 내지 99% 면적에 대응하는 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 음극들의 양극 외주변의 단부 각각에는 외주변 길이에 대응하는 하나의 용접 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 음극들의 양극 외주변의 단부 각각에는 상호 이격된 둘 이상의 용접 결합부들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 용접 결합부 각각의 길이는 외주변 단부의 길이를 기준으로 30% 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 음극들은 용접에 의해 상호 결합되는 외주변 단부가 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 활물질 미도포부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제 1 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
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