KR102319238B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 기재는 이차 전지에 관한 것으로, 제1 전극, 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 제1 절곡부를 구비한 제1 전극 탭, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 제2 절곡부를 구비한 제2 전극 탭, 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재, 및 상기 외장재의 내부에 위치하며 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭 중 적어도 하나와 인접하게 위치하는 보강재를 포함한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 기재는 이차 전지에 관한 것이다.
최근 플렉서블 디스플레이, 웨어러블(wearable) 휴대폰 및 시계 등과 같이 플렉서블 전자기기의 개발 및 상용화에 관심이 집중되고 있다. 따라서, 이러한 플렉서블 전자기기에 대한 전원 공급 장치인 이차 전지에 대해서도 플렉서블 특성 구현에 대한 요구가 증가되고 있다.
일반적으로 이차 전지는, 형상에 따라 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 측면에서 파우치형 전지에 플렉서블 특성을 구현하고자 하는 다양한 시도가 있다.
실시예들은 반복적인 우수한 유연성 및 내구성을 갖는 이차 전지를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 기재는, 제1 전극, 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 제1 절곡부를 구비한 제1 전극 탭, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 제2 절곡부를 구비한 제2 전극 탭, 상기 전극 조립체를 수용하는 제1 외장재, 상기 제1 외장재를 밀봉하는 제2 외장재, 그리고 상기 제1 외장재의 내부에 위치하며 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭 중 적어도 하나와 인접하게 위치하는 보강재를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
실시예들에 따르면, 본 기재의 이차 전지는 우수한 벤딩 특성을 갖기 때문에 유연성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 기재의 이차 전지는 반복적인 벤딩 후에도 우수한 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 제2 외장재가 제거된 상태의 xy 평면에 대한 수평 단면도이다.
도 3은 도 1에 따른 이차 전지의 yz 평면에 대한 수직 단면도이다.
도 4는 도 1에 따른 이차 전지가 일 방향으로 벤딩되는 모습을 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 도 1에서 보강재의 위치에 대한 변형예를 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8은 각각 본 기재의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단면 일부를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에서 제2 외장재를 제거하고 제2 외장재에서 제1 외장재 방향으로 바라본 xy 평면에 대한 수평 단면도이다. 또한, 도 3은 도 1에 따른 이차 전지의 yz 평면에 대한 수직 단면도이고, 도 4는 도 1에 따른 이차 전지가 일 방향으로 벤딩되는 모습을 나타낸 것이다.
먼저, 도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(10) 및 전극 조립체(10)를 수용하는 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15)를 포함한다.
전극 조립체(10)는 전류를 충전 및 방전하는 것으로, 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)를 포함한다.
전극 조립체(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 사각 시트(sheet) 형상으로 이루어진 복수의 제1 전극(11) 및 복수의 제2 전극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
도시하지는 않았으나, 본 기재의 전극 조립체(10)는 띠 형상으로 이루어진 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재되어 권취된 후 가압하여 납작한 구조로 형성될 수도 있다.
본 기재에서, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 극성은 특별히 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 전극(11)이 양극이고, 제2 전극(12)이 음극일 수도 있고, 제1 전극(11)이 음극이고, 제2 전극(12)이 양극일 수도 있다. 이하에서는 편의상 제1 전극(11)이 양극이고, 제2 전극(12)이 음극인 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
제1 전극(11)은 제1 집전체(11a)의 적어도 일 면에 위치하는 제1 코팅부(11b) 및 제1 무지부(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 집전체(11a)는 전기 전도성을 갖는 금속 박판으로 이루어질 수 있으며, 활물질이 코팅된 제1 코팅부(11b)와 활물질이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함한다. 따라서, 제1 무지부는 제1 집전체(11a)가 노출되는 영역이다.
제1 코팅부(11b)는 제1 집전체(11a)의 일면에만 위치할 수도 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 집전체(11a)의 양면에 제1 코팅부(11b)가 위치하는 것이 보다 높은 용량을 갖는 이차 전지(100)를 구현할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
제1 집전체(11a)는, 예를 들면, 메쉬(mesh) 형태로 이루어질 수도 있고, 금속 포일(foil) 형태로 이루어질 수도 있다. 또한, 제1 집전체(11a)는, 예를 들면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
제1 코팅부(11b)는, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 포함하는 재료를 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활물질이 코팅되지 않은 제1 무지부에는 제1 전극 탭(51)이 연결되어 제1 전극(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 제1 전극 탭(51)은 제1 무지부가 연장되어 구성될 수 있다. 즉, 제1 전극 탭(51)은 제1 집전체(11a)에 일체로 연결되어 연장된 것일 수 있다.
또는, 제1 전극 탭(51)은 별도의 부재로 구성되며 용접 등의 방법으로 무지부에 연결될 수도 있다. 이때 제1 전극 탭(51)는 제1 집전체(11a)와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
제1 전극 탭(51)은, 예를 들면, 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 구성될 수 있으며, 적어도 하나의 제1 절곡부(51a)를 포함할 수 있다.
제1 절곡부(51a)는 이차 전지(100)가 벤딩되는 경우 굽힘 응력을 분산시키는 기능을 하는 것이다.
따라서, 제1 절곡부(51a)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 역브이(∧) 형상으로 절곡될 수 있으나, 굽힘 응력을 분산시키는 기능을 할 수 있다면 절곡 형상이 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 복수의 제1 전극(11)을 포함하는 경우 제1 절곡부(51a)도 복수 개 포함될 수 있다. 이 때, 각각의 제1 절곡부(51a)는 서로 분리된 상태로 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15) 내부에 위치한다. 즉, 복수의 제1 절곡부(51a)가 서로 부착되지 않은 상태로 위치하기 때문에 가요성이 우수한 이차 전지를 보다 쉽게 구현할 수 있다.
제2 전극(12)은 제2 집전체(12a)의 적어도 일 면에 위치하는 제2 코팅부(12b) 및 제2 무지부(미도시)를 포함할 수 있다.
제2 집전체(12a)는 전기 전도성을 갖는 금속 박판으로 이루어질 수 있으며, 활물질이 코팅된 제2 코팅부(12b)와 활물질이 코팅되지 않은 제2 무지부를 포함한다. 따라서, 제2 무지부는 제2 집전체(12a)가 노출되는 영역이다.
제2 코팅부(12b)는 제2 집전체(12a)의 일면에만 위치할 수도 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 집전체(12a)의 양면에 제2 코팅부(12b)가 위치하는 것이 보다 높은 용량을 갖는 이차 전지(100)를 구현할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
제2 집전체(12a)는, 예를 들면, 메쉬(mesh) 형태로 이루어질 수도 있고, 금속 포일(foil) 형태로 이루어질 수도 있다. 또한, 제2 집전체(12a)는, 예를 들면, 구리 또는 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다.
제1 코팅부(11b)는, 예를 들면, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 금속 산화물 및 리튬 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하는 재료를 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활물질이 코팅되지 않은 제2 무지부에는 제2 전극 탭(52)이 연결되어 제2 전극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 제2 전극 탭(52)은 제2 무지부가 연장되어 구성될 수 있다. 즉, 제2 전극 탭(52)은 제2 집전체(12a)에 일체로 연결되어 연장된 것일 수 있다.
또는, 제2 전극 탭(52)은 별도의 부재로 구성되며 용접 등의 방법으로 무지부에 연결될 수도 있다. 이때 제2 전극 탭(52)는 제2 집전체(12a)와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
제2 전극 탭(52)은, 예를 들면, 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 구성될 수 있으며, 적어도 하나의 제2 절곡부(52a)를 포함할 수 있다.
제2 절곡부(52a)는 이차 전지(100)가 벤딩되는 경우 굽힘 응력을 분산시키는 기능을 하는 것이다.
따라서, 제2 절곡부(52a)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 이등변을 갖는 산 모양으로 절곡될 수 있으나, 굽힘 응력을 분산시키는 기능을 할 수 있다면 절곡 형상이 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 복수의 제2 전극(12)을 포함하는 경우 제2 절곡부(52a)도 복수 개 포함될 수 있다. 이 때, 각각의 제2 절곡부(52a)는 서로 분리된 상태로 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15) 내부에 위치한다. 즉, 복수의 제2 절곡부(52a)가 서로 부착되지 않은 상태로 위치하기 때문에 가요성이 우수한 이차 전지를 보다 쉽게 구현할 수 있다.
전극 조립체(10)에서 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)은 전극 조립체(10)의 일 단에 폭 방향(도 1의 x축 방향)의 양측으로 번갈아 배치될 수 있다. 즉, 도 1에서 제1 전극 탭(51)은 x축 방향의 일 측에 배치되고, 제2 전극 탭(52)은 제1 전극 탭(51)과 소정의 간격으로 두고 x축 방향의 타 측에 배치된다.
또한, 제1 전극 탭(51)의 일단 및 제2 전극 탭(52)의 일단은 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15)의 일 측 단부에서 외부로 인출되도록 형성된다.
본 기재에 따른 이차 전지(100)는 유연성을 갖는 것으로 플렉서블 전자 기기에 적용하기 위한 것이다. 그런데 종래의 파우치형 이차 전지는 반복적으로 벤딩하는 경우, 상대적으로 얇은 폭을 갖는 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭에 굽힘 응력이 집중되어 쉽게 파단되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 기재의 이차 전지(100)는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)에 적어도 하나의 제1 절곡부(51a) 및 적어도 하나의 제2 절곡부(52a)를 각각 구비하기 때문에 이차 전지(100)를 반복적으로 벤딩하는 경우에도 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)에 집중되는 응력을 쉽게 분산시킬 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)가 손상되는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 세퍼레이터(13)는 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 이차 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용 가능하다. 즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항을 가지면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.　
세퍼레이터(13)로는, 예를 들면, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.　 또한, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 조성물을 이용하여 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
본 기재의 이차 전지(100)는 유연성을 갖는 것으로 일 방향으로 벤딩(bending)될 수 있다. 여기서, 일 방향이란 도 1의 xy 평면 상에서 이차 전지(100)의 어떠한 방향도 될 수 있으며, 특정한 방향으로 한정되지 않는다.
일례로, 이차 전지(100)는 평면적으로 직사각형 형태를 가질 수 있으며, 이 경우, 이차 전지(100)의 벤딩되는 일 방향은 이차 전지(100)의 장변 방향일 수도 있고, 단변 방향일 수도 있다. 도 4에는 이차 전지(100)가 장변 방향으로 벤딩된 경우를 예시적으로 나타내었다.
도 4를 참조하면, 이차 전지(100)가 벤딩되는 정도는 곡률 반경(R)으로 나타낼 수 있으며, 곡률 반경(R)이 클수록 이차 전지(100)가 덜 구부러지는 것을 나타낸다.
전극 조립체(10)는 가요성을 갖는 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15)에 수용된다.
보다 구체적으로, 제1 외장재(25)는 내부에 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 내부 공간을 구비할 수 있다. 또한, 제2 외장재(15)는 제1 외장재(25)와 마주보고 배치되며, 제1 외장재(24)제1 외장재(25)의 테두리에 위치하는 밀봉영역에 접합되어 밀폐한다.
도 3을 참고하면, 제1 외장재(25)는 전극 조립체(10)의 삽입을 위하여 일 측에 개구가 형성되어 있으며, 수용부(125) 및 마진부(225)를 포함한다.
수용부(125)는 전극 조립체(10)가 삽입되어 배치되는 영역이고, 마진부(225) 전극 조립체(10)의 길이 변화를 수용할 수 있는 영역이다.
구체적으로, 마진부(225)는 제1 외장재(25)의 길이 방향(y축 방향)의 일 측에 위치하며, 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 인출되는 측의 반대 측에 위치한다. 마진부(225)의 수직 단면(도 1의 yz 평면) 또는 수평 단면(도 1의 xy 평면)은 사각 형상일 수 있다.
본 기재와 같이 제1 외장재(25)의 길이 방향 일 측에 마진부(225)가 포함되면, 이차 전지(100)가 벤딩되면서 전극 조립체(10)의 길이 방향으로 길이가 증감할 때 이를 수용할 수 있다.
예를 들어, 이차 전지(100)가 도 4a 및 도 4b와 같은 형상으로 벤딩되는 경우, 전극 조립체(10)는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15)의 일 단에 고정된 상태에서 구부러질 수 있다. 이때, 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)은 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 포함하기 때문에 이차 전지의 길이 방향으로 길이의 증감이 발생될 수 있다. 따라서, 제1 외장재(25)의 길이 방향으로 마진부(225)를 포함하는 경우 이차 전지가 벤딩될 때 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)의 길이 변화를 수용할 수 있다. 이에 따라 전극 조립체(10) 및 이차 전지(100)가 원활하게 휘어질 수 있다.
제1 외장재(25)는 최외곽으로부터 순서대로 적층되는 제1 수지층(25a), 투습 방지층(25b) 및 제2 수지층(25c)을 포함한다.
제1 수지층(25a)은 보호층으로 기능하며 이차 전지(100)의 최외곽에 위치한다.
제1 수지층(25a)은, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트 및 나일론필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 수지층(25a)의 전극 조립체(10)가 위치하는 측의 일면에는 투습 방지층(25b)이 위치한다. 투습 방지층(25b)은 전해액이 누액되거나 수분 등이 침투하는 것을 방지할 수 있는 배리어층으로 작용하는 중간층이다. 투습 방지층(25b)은 박형의 판형 부재로 형성될 수 있다.
투습 방지층(25b)은, 예를 들면, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다.
제2 수지층(25c)은 투습 방지층(25b)의 일 면에 위치하며, 제1 수지층(25a)이 위치하는 면의 반대 면에 위치한다. 또한, 제2 수지층(25c)은 절연 및 열 융착 기능을 가질 수 있다.
제2 수지층(25c)은, 예를 들면, 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체로 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP)으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 외장재(25)의 제2 수지층(25c)과 마주보는 면에는 제1 외장재(25)의 테두리를 따라 접합되는 제2 외장재(15)가 위치한다.
제2 외장재(15)는 제1 외장재(25)와 동일한 적층 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 외장재(15)는 최외곽으로부터 순서대로 적층되는 제1 수지층(15a), 투습 방지층(15b) 및 제2 수지층(15c)을 포함한다. 이들 각각의 특성은 전술한 제1 외장재(25)의 제1 수지층(25a), 투습 방지층(25b) 및 제2 수지층(25c)과 동일한 바 여기서는 생략하기로 한다.
제1 외장재(25)는 수용부(125)에 전극 조립체(10)를 위치시킨 후 테두리에 가스켓을 개재시켜 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15)의 테두리를 밀봉할 수도 있고, 별도의 가스켓을 구비하지 않고 제2 수지층들(25c, 15c)을 상호 융착시켜 밀봉할 수도 있다.
다음으로, 제1 외장재(25)의 내부에는 보강재(60)가 위치한다. 이와 같이 보강재(60)가 포함되면, 이차 전지(100)가 벤딩되면서 전극 조립체(10)의 두께 방향으로 길이가 증감할 때 이를 수용할 수 있다.
따라서, 보강재(60)는 적어도 전극 조립체(10)의 높이보다는 큰 높이를 갖도록 구성된다. 보강재(60)는 제1 외장재(25)의 내부에 위치하므로 결과적으로 수용부(125)는 보강재(60)와 동일한 높이를 갖거나 보강재(60) 보다 큰 높이를 갖도록 구성된다.
보강재(60)는 절연성 재료로 구성될 수 있으며, 이차 전지(100)의 전지 기능에 영항을 주지 않는다면 그 재질이 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 기재와 같이 전극 조립체(10)가 내장되는 수용부(125)에 전극 조립체(10) 보다 큰 높이를 갖는 보강재(60)를 포함하는 경우, 이차 전지(100)의 두께 방향(도 1의 y축 방향)으로 마진을 확보할 수 있다.
예를 들어, 이차 전지(100)가 도 4와 같은 형상으로 벤딩되는 경우, 전극 조립체(10)는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 제1 외장재(25) 및 제2 외장재(15)의 일 단에 고정된 상태에서 구부러질 수 있다.
그런데 제1 외장재(25)에서 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 위치하는 측에는 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)가 함께 위치하기 때문에 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 위치하지 않는 반대편, 즉, 마진부(225)가 위치하는 측과 비교할 때 전극 조립체(10)가 자유롭게 변형될 수 있는 정도, 즉, 자유도가 다소 떨어지게 된다.
따라서, 본 기재에서는 수용부(125)의 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 위치하는 측에 전극 조립체(10) 보다 높은 두께를 갖는 보강재(60)를 제 위치시킴으로써 이차 전지(100)의 두께 방향 변화에 대한 자유도를 증가 시켜 이차 전지(100)가 보다 원활하게 휘어지게 할 수 있다.
구체적으로 본 기재에 따른 이차 전지(100)는 하기 [식 1]을 만족하는 것일 수 있다.
[식 1]
Figure 112016108580913-pat00001
여기서, n은 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 개수, ML은 이차 전지의 길이 방향에서의 마진부 길이, H는 보강재의 높이를 의미한다.
도 3을 참고하면, 보강재(60)의 높이(H)는 이차 전지(100)의 길이 방향에서의 마진부(225)의 길이(ML)와 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a) 중 적어도 하나의 개수를 곱한 값의 절반 보다 작거나 같다.
상기 [식 1]은 하기 [식 1-1] 및 [식 1-2]로부터 도출할 수 있다.
[식 1-1]
Figure 112016108580913-pat00002
[식 1-2]
Figure 112016108580913-pat00003
여기서, a는 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 한 변의 길이를 의미한다.
즉, 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a)가 이등변을 갖는 역브이(∧) 형상으로 절곡될 때, [식 1-1] 및 [식 1-2]에서 a는 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a)의 한 변의 길이를 나타낸다. 이차 전지가 복수의 제1 절곡부(51a) 또는 복수의 제2 절곡부(52a)를 포함하고, 각 절곡부(51a, 52a)를 이루는 한 변의 길이가 다를 경우, a는 장변의 길이를 의미한다.
다시 도 3를 참조하여 설명하면, [식 1-1]에 나타낸 바와 같이, 본 기재에서 이차 전지의 길이 방향에 대한 마진부(225)의 길이(ML)는 제1 전극 탭(51) 또는 제2 전극 탭(52)의 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a)가 완전히 펼쳐지는 경우의 길이와 같을 수 있다.
또한, 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a)가 압축되어 수직 형상(⊥)을 갖는 경우를 가정하면, 이차 전지(100)가 벤딩되는 과정에서 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a)가 가질 수 있는 최대 높이는 한 변의 길이인 a 값과 동일함을 알 수 있다.
따라서, 보강재(60)의 높이는 적어도 a값과 같거나 a값 보다는 크게 형성되어야 이차 전지(100)가 벤딩되는 경우 전극 조립체(10)와 제1 전극 탭(51) 또는 제2 전극 탭(52)이 두께 방향으로의 자유도를 확보할 수 있게 된다.
한편, 본 기재의 이차 전지(100)는 벤딩시 하기 [식 2] 및 [식 3]을 만족하는 것일 수 있다.
[식 2]
Figure 112016108580913-pat00004
여기서, R은 이차 전지의 벤딩시 곡률 반경, L은 이차 전지의 장변의 길이, n은 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 개수를 의미한다.
[식 3]
Figure 112016108580913-pat00005
여기서, ht는 전극 조립체의 높이, h2는 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 높이, h1은 제1 전극의 높이, H는 보강재의 높이를 의미한다.
이차 전지가 복수의 제1 절곡부(51a) 또는 복수의 제2 절곡부(52a)를 포함하고, 각 절곡부(51a, 52a)의 높이가 다를 경우, h2은 각 절곡부(51a, 52a)의 높이 중 가장 높은 값을 의미한다.
상기 [식 2]는 하기 [식 2-1] 및 [식 2-2]로부터 도출될 수 있다.
[식 2-1]
Figure 112016108580913-pat00006
즉, [식 2-1]은, 전술한 바와 같이, 이차 전지(100)가 벤딩될 때 두께 방향으로의 자유도를 갖기 위해서는 보강재(60)의 높이(H)가 전극 조립체(10)의 높이(ht)와 같거나 전극 조립체(10)의 높이 보다는 높게 형성되어야 하는 것을 나타낸다.
[식 2-2]
Figure 112016108580913-pat00007
전술한 바와 같이, 마진부(225)는 이차 전지(100)가 벤딩될 때 전극 조립체(10)의 길이가 증감하는 것을 수용한다.
이를 위해 이차 전지(100)가 원형으로 벤딩되는 경우를 가정할 때, 이차 전지(100)의 길이 방향을 기준으로 한 마진부(225)의 길이(ML)은, [식 2-1]에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(10)의 높이(ht)에 이차 전지(100)의 장변의 길이(L)을 곡률 반경(R)의 두 배의 값으로 나누어 곱한 값과 동일하게 형성할 수 있다.
한편, [식 2-1]에 [식 1]을 적용하면 하기와 같은 [식 2-3]이 성립할 수 있고, [식 2-3]에 [식 2-2]를 적용하면 [식 2]를 도출할 수 있다.
[식 2-3]
Figure 112016108580913-pat00008
결과적으로 보강재(60)의 높이(H)는, [식 3]에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(10)의 높이(ht)에 제1 절곡부(51a) 또는 제2 절곡부(52a)의 높이를 더한 값에서 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)의 높이를 반으로 나눈 값을 뺀 값과 동일하거나, 이보다 크게 형성되면 된다.
본 기재에 따른 이차 전지(100)에서 보강재(60)의 높이가 [식 1] 및 [식 3]을 만족하는 경우, 이차 전지(100)의 유연성을 보다 향상시켜 반복적인 벤딩에도 이차 전지(100)가 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 보강재(60)는 전극 조립체(10)가 수용되는 수용부(125)에 전극 조립체(10)와 이격되어 위치할 수 있으며, 전극 조립체(10)의 두께 방향(z축 방향)으로 길이가 변화하는 것을 수용할 수 있다.
보다 구체적으로, 보강재(60)는 제1 외장재(25)의 수용부(125)에서 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 인출되는 일 측 단부의 빈 공간에 고정될 수 있다. 즉, 보강재(60)는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52) 중 적어도 하나와 인접하게 위치할 수 있으며, 이차 전지(100)의 두께 방향(z축 방향) 마진을 확보하는 기능을 수행할 수 있다면 보강재(60)의 부착 면이 특별히 한정되는 것은 아니다.
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도 2를 참고하면, 본 실시예에서 보강재(60)는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52) 사이에 위치하는 제1 보강재(61)를 포함할 수 있다.
도 2에는 제1 보강재(61)가 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52) 사이에 위치함과 동시에 수용부(125)의 일 측면과 접촉하며 위치하는 경우를 도시하였다. 이때, 도시하지는 않았으나 제1 보강재(61)가 수용부(125)의 일 측면과 소정의 간격을 두고 위치할 수 있음은 물론이다.
도 5 및 도 6에는 도 1에서 보강재의 위치에 대한 변형예를 나타내었다.
제1 외장재(25)는, 예를 들면, 한 쌍의 장변 및 한 쌍의 단변을 갖는 직사각 형상일 수 있다. 한 쌍의 장변 중 도 5를 기준으로 제1 전극 탭(51)의 좌측에 위치하는 제1 외장재(25)의 장변을 제1 장변(251)이라 하고, 제2 전극 탭(52)의 우측에 위치하는 제1 외장재(25)의 장변을 제2 장변(252)이라 지칭하기로 한다.
도 5를 참고하면, 보강재(60)는, 제1 보강재(61), 제2 보강재(62) 및 제3 보강재(63)를 포함할 수 있다.
제1 보강재(61)는, 이차 전지(100)의 수평 단면(xy평면)에서 볼 때, 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 제2 보강재(62)는, 제1 전극 탭(51) 및 제1 외장재(25)의 제1 장변(251) 사이에 위치할 수 있다. 제3 보강재(63)는, 제2 전극 탭(52) 및 제1 외장재의 제2 장변(252) 사이에 위치하는 제3 보강재(63)를 포함할 수 있다.
도 5에는 편의상 제1 보강재(61), 제2 보강재(62), 제3 보강재(63)가 모두 수용부(125)의 적어도 일 측면과 접촉하며 위치하는 경우를 도시하였으나, 제1 보강재(61), 제2 보강재(62), 제3 보강재(63)의 전부 또는 일부가 수용부(125)의 측면들과 접촉하지 않고 위치할 수 있음은 물론이다.
도 6을 참고하면, 보강재(60)는, 제2 보강재(62) 및 제3 보강재(63)를 포함할 수 있다.
제2 보강재(62)는, 제1 전극 탭(51) 및 제1 외장재(25)의 제1 장변(251) 사이에 위치할 수 있다. 제3 보강재(63)는, 제2 전극 탭(52) 및 제1 외장재의 제2 장변(252) 사이에 위치하는 제3 보강재(63)를 포함할 수 있다.
도 6에는 편의상 제2 보강재(62) 및 제3 보강재(63)가 모두 수용부(125)의 적어도 일 측면과 접촉하며 위치하는 경우를 도시하였으나, 제2 보강재(62) 및 제3 보강재(63)의 전부 또는 일부가 수용부(125)의 측면들과 접촉하지 않고 위치할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 복수의 보강재(60)를 포함하는 경우 이차 전지(100)가 벤딩될 때 두께 방향의 길이 변화를 보다 안정적으로 수용할 수 있는 전지를 구현할 수 있다.
도 7에는 본 기재의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단면도 일부를 나타내었다.
도 7을 참고하면, 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)은 각각 적어도 둘 이상의 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 포함할 수 있다.
도 7에는 편의상 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 각각 두 개의 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 각각 포함하는 경우를 도시하였다. 그러나, 절곡부의 개수는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 제1 전극 탭(51)은 하나의 제1 절곡부(51a)를 포함하고, 제2 전극 탭(52)은 둘 이상의 제2 절곡부(52a)를 포함할 수도 있고, 반대로 제1 전극 탭(51)은 둘 이상의 제1 절곡부(51a)를 포함하고, 제2 전극 탭(52)은 하나의 제2 절곡부(52a)를 포함할 수도 있다. 또는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52) 모두 셋 이상의 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 포함할 수도 있다.
다만, 이차 전지(100)의 벤딩이 균형있게 이루어질 수 있다는 측면에서 제1 전극 탭(51)에 포함되는 제1 절곡부(51a)의 개수와 제2 전극 탭(52)에 포함되는 제2 절곡부(52a)의 개수는 동일한 것이 바람직하다.
제1 절곡부(51a) 및/또는 제2 절곡부(52a)가 복수 개 포함되는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 이들은 소정의 간격을 두고 연결되어 위치할 수 있다.
이 경우 이차 전지의 길이 방향으로 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)의 길이가 변형되는 것을 수용할 수 있는 공간이 보다 더 확보되므로 반복적인 벤딩에도 이차 전지의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 탭(51) 및/또는 제2 전극 탭(52)에 각각 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)가 복수 개 포함될 수 있다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 6을 참조한 일 실시예에 따른 이차 전지(100)와 동일하다. 따라서, 제1 절곡부(51a) 및/또는 제2 절곡부(52a)가 복수 개 포함될 수 있다는 점을 제외한 다른 특징에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8에는 본 기재의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단면도 일부를 나타내었다.
도 8을 참조하면, 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)은 각각 적어도 둘 이상의 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 포함할 수 있다.
도 8에는 편의상 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52)이 모두 두 개의 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 각각 포함하는 경우를 도시하였다. 그러나, 절곡부의 개수는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 제1 전극 탭(51)은 하나의 제1 절곡부(51a)를 포함하고, 제2 전극 탭(52)은 둘 이상의 제2 절곡부(52a)를 포함할 수도 있고, 반대로 제1 전극 탭(51)은 둘 이상의 제1 절곡부(51a)를 포함하고, 제2 전극 탭(52)은 하나의 제2 절곡부(52a)를 포함할 수도 있다. 또는 제1 전극 탭(51) 및 제2 전극 탭(52) 모두 셋 이상의 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)를 포함할 수도 있다.
다만, 이차 전지(100)의 벤딩이 균형있게 이루어질 수 있다는 측면에서 제1 전극 탭(51)에 포함되는 제1 절곡부(51a)의 개수와 제2 전극 탭(52)에 포함되는 제2 절곡부(52a)의 개수는 동일한 것이 바람직하다.
제1 절곡부(51a) 및/또는 제2 절곡부(52a)가 복수 개 포함되는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 이들은 연속적으로 연결되어 위치할 수 있다.
이 경우, 이차 전지 내부에 위치하는 전극 조립체를 길이 방향으로 보다 길게 형성할 수 있기 때문에 유연성을 확보하면서도 용량 특성이 우수한 이차 전지를 구현할 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 탭(51) 및/또는 제2 전극 탭(52)에 각각 제1 절곡부(51a) 및 제2 절곡부(52a)가 복수 개 포함될 수 있다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 6을 참조한 일 실시예에 따른 이차 전지(100)와 동일하다. 따라서, 제1 절곡부(51a) 및/또는 제2 절곡부(52a)가 복수 개 포함될 수 있다는 점을 제외한 다른 특징에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 이차 전지
11: 제1 전극
12: 제2 전극
13: 세퍼레이터
51: 제1 전극 탭
52: 제2 전극 탭
25: 제1 외장재
15: 제2 외장재
60: 보강재

Claims (13)

  1. 제1 전극, 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 제1 절곡부를 구비한 제1 전극 탭;
    상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 제2 절곡부를 구비한 제2 전극 탭;
    상기 전극 조립체를 수용하는 제1 외장재;
    상기 제1 외장재를 밀봉하는 제2 외장재; 그리고
    상기 제1 외장재의 내부에 위치하며 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭 중 적어도 하나와 인접하게 위치하는 보강재;
    를 포함하고,
    상기 보강재는 상기 제1 전극 탭, 상기 제2 전극 탭 및 상기 전극 조립체로부터 이격된 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 외장재는,
    상기 전극 조립체가 내장되는 수용부 및 상기 전극 조립체의 길이 방향으로 상기 수용부와 인접하게 위치하는 마진부를 포함하는 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이차 전지는 하기 [식 1]을 만족하는 것인 이차 전지.
    [식 1]
    Figure 112016108580913-pat00009

    (여기서, n은 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 개수, ML은 이차 전지의 길이 방향에서의 마진부의 길이, H는 보강재의 높이임)
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이차 전지는 벤딩시 하기 [식 2] 및 [식 3]을 만족하는 것인 이차 전지.
    [식 2]
    Figure 112016108580913-pat00010

    (여기서, R은 이차 전지의 벤딩시 곡률 반경, L은 이차 전지의 장변의 길이, n은 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 개수임)
    [식 3]
    Figure 112016108580913-pat00011

    (여기서, ht는 전극 조립체의 높이, h2는 제1 절곡부 또는 제2 절곡부의 높이, h1은 제1 전극의 높이, H는 보강재의 높이임)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보강재는, 상기 제1 전극 탭 및 상기 제2 전극 탭 사이에 위치하는 제1 보강재를 포함하는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 외장재는 마주보는 한 쌍의 제1 장변 및 제2 장변을 포함하고,
    상기 보강재는,
    상기 제1 전극 탭 및 상기 제1 외장재의 제1 장변 사이에 위치하는 제2 보강재,
    상기 제2 전극 탭 및 상기 제1 외장재의 제2 장변 사이에 위치하는 제3 보강재
    를 더 포함하는 이차 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 보강재는,
    상기 제1 전극 탭 및 상기 제1 외장재의 장변 사이에 위치하는 제2 보강재,
    상기 제2 전극 탭 및 상기 제1 외장재의 장변 사이에 위치하는 제3 보강재
    를 포함하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절곡부는 적어도 둘 이상이 연속적으로 연결되어 위치하는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절곡부는 적어도 둘 이상이 소정의 간격을 두고 연결되어 위치하는 이차 전지.
  10. 제1 항에 있어서,
    제2 절곡부는 적어도 둘 이상이 연속적으로 연결되어 위치하는 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 절곡부는 적어도 둘 이상이 소정의 간격을 두고 연결되어 위치하는 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 집전체를 포함하고, 상기 제1 전극 탭은 상기 제1 집전체에 일체로 연결되어 연장된 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 제2 집전체를 포함하고, 상기 제2 전극 탭은 상기 제2 집전체에 일체로 연결되어 연장된 이차 전지.
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