KR102445805B1 - Energy storage device - Google Patents

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고현석
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엘에스머트리얼즈 주식회사
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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 내부에 코팅된 내부 양극 활물질과 외부에 코팅된 외부 양극 활물질을 구비한 양극; 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 코팅된 음극 활물질을 구비한 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질의 코팅 면적보다 외부 양극 활물질의 코팅면적이 작은 에너지 저장 장치가 제공되며, 전극의 최외곽면에 있어 활성 물질이 제거되도록 하여 성능이 향상되도록 한다.The present invention relates to an energy storage device, comprising: a positive electrode having a positive electrode current collector, an internal positive active material coated on the inside of the positive electrode current collector, and an external positive active material coated on the outside; a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material coated on the negative electrode current collector; and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the outermost surface of the positive electrode is provided with an energy storage device in which the coating area of the external positive active material is smaller than the coating area of the internal positive active material, and on the outermost surface of the electrode Allow the active substance to be removed to improve performance.

Description

에너지 저장 장치{Energy storage device}energy storage device

본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전극의 최외곽면에 있어 활성 물질이 제거되도록 하여 성능이 향상되도록 한 에너지 저장 장치 에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage device. In particular, the present invention relates to an energy storage device in which the performance is improved by allowing the active material to be removed from the outermost surface of the electrode.

일반적으로 전기에너지를 저장하는 소자로는 전지(battery)와 커패시터(capacitor)가 대표적이다. In general, as a device for storing electrical energy, a battery and a capacitor are representative.

이러한 커패시터 중, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)라고도 불리며, 전해콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로서 높은 효율성과 반영구적인 수명특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체가 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.Among these capacitors, an ultra capacitor, also called a super capacitor, is an energy storage device having intermediate characteristics between an electrolytic capacitor and a secondary battery. It is a next-generation energy storage device that can be replaced.

이처럼 울트라 커패시터는 높은 효율과 반영구적인 수명 특성을 가질 뿐만 아니라 빠른 충방전 특성을 갖기 때문에, 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원뿐만 아니라, 고용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하며, 이와 같은 용도로 많이 이용되고 있다.As such, ultracapacitors have high efficiency and semi-permanent lifespan characteristics as well as fast charging and discharging characteristics. It is very suitable as the main power or auxiliary power of UPS (Uninterrupted Power Supply), etc., and is widely used for this purpose.

이와 같은 울트라 커패시터의 경우에, 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터(Separator) 및 음극이 적층된 것으로서, 젤리-롤(Jelly-Roll) 형태의 권취 구조 또는 스택 구조를 갖는다. In the case of such an ultracapacitor, the electrode assembly is a stack of a positive electrode, a separator, and a negative electrode, and has a jelly-roll-type winding structure or stack structure.

상기 양극과 음극은 각각 양극 집전체 및 음극 집전체와, 상기 양극 집전체와 음극 집전체에 각각 도포된 양극 활물질 및 음극 활물질을 구비한다.The positive electrode and the negative electrode include a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, respectively, and a positive electrode active material and a negative electrode active material respectively applied to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector.

양극 활물질 및 음극 활물질은 양극 집전체와 음극 집전체를 이루는 금속 박막의 양면에 활물질 슬러리를 코팅 및 건조하는 공정에 의해 형성된다. The positive electrode active material and the negative electrode active material are formed by a process of coating and drying an active material slurry on both sides of a metal thin film constituting a positive electrode current collector and a negative electrode current collector.

양극 집전체와 음극 집전체에 코팅되는 활물질은 그 두께가 얇을수록 극판 면적이 증가하여 전기에너지 저장장치의 출력이 증가하지만, 활물질 슬러리의 코팅 두께를 낮추는 데에는 기술적인 한계가 있다.As the thickness of the active material coated on the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is thinner, the electrode plate area increases to increase the output of the electrical energy storage device, but there is a technical limit in lowering the coating thickness of the active material slurry.

국내 등록번호 제10-1159652호Domestic Registration No. 10-1159652 국내 공개특허번호 제10-2015-0107438호Domestic Patent Publication No. 10-2015-0107438

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전극의 최외곽면에 있어 활성 물질이 제거되도록 하여 성능이 향상되도록 한 에너지 저장 장치를 제공하는 데 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an energy storage device in which an active material is removed from the outermost surface of an electrode to improve performance.

본 발명의 일측면은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 내부에 코팅된 내부 양극 활물질과 외부에 코팅된 외부 양극 활물질을 구비한 양극; 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 코팅된 음극 활물질을 구비한 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질의 코팅 면적보다 외부 양극 활물질의 코팅면적이 작다.One aspect of the present invention is a positive electrode having a positive electrode current collector and an internal positive electrode active material coated on the inside of the positive electrode current collector and an external positive electrode active material coated on the outside; a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material coated on the negative electrode current collector; and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the outermost surface of the positive electrode has a smaller coating area of the external positive active material than that of the internal positive active material.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질만 코팅되어 있다.In addition, only the inner positive electrode active material is coated on the outermost surface of the positive electrode of one aspect of the present invention.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질이 전체에 코팅되어 있고, 상기 외부 양극 활물질이 일부 코팅되어 있다.In addition, on the outermost surface of the positive electrode of one aspect of the present invention, the entire inner positive active material is coated, and the outer positive active material is partially coated.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 외부 양극 활물질은 양극 집전체의 전체에 형성한 후에 일부 제거하여 형성한다.In addition, the external positive electrode active material of one aspect of the present invention is formed by removing a part after it is formed on the entire positive electrode current collector.

또한, 본 발명의 일측면의 상기 외부 양극 활물질은 양극 집전체에 코팅하여 형성할 때에 최외곽면에 대응되는 부분을 제외하고 코팅하여 형성한다.In addition, the external positive active material of one aspect of the present invention is formed by coating except for a portion corresponding to the outermost surface when formed by coating the positive electrode current collector.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전극 소자의 최외곽면을 최적화하여 구성하여 이전의 제품에 대비 초기 용량과 저항은 동등 수준으로, 그리고 2.8V와 65도 1500hr 제품 수명 신뢰성 시험 진행시 용량 80%이상이 향상되고 저장은 20%가 감소된 성능을 유지하도록 한다. 이는 종래 제품에 비해 10~30% 향상된 것이다.According to the present invention as described above, by optimizing the outermost surface of the electrode element, the initial capacity and resistance are at the same level compared to the previous product, and 80% or more of the capacity during the product life reliability test at 2.8V and 65 degrees 1500hr This improved storage allows 20% reduced performance to be maintained. This is an improvement of 10-30% compared to the conventional product.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체가 이용된 에너지 저장 장치의 구성도이다.1 is a cross-sectional view illustrating an electrode assembly of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of an energy storage device using the electrode assembly of FIG. 1 .

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can apply various transformations and can have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail based on the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one element from other elements. used

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 에너지 저장 장치의 전극 조립체의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an electrode assembly of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 에너지 저장장치의 전극 조립체는 양극(100), 세퍼레이터(110) 및 음극(120)이 차례대로 적층되어 있다.Referring to FIG. 1 , in an electrode assembly of an energy storage device according to an embodiment of the present invention, a positive electrode 100 , a separator 110 , and a negative electrode 120 are sequentially stacked.

상기 전극 조립체는 권취형 또는 스택형으로 가공되어 전해질과 함께 소정의 케이스 내부에 수용된다.The electrode assembly is processed into a winding type or a stack type and accommodated in a predetermined case together with an electrolyte.

양극(100)은 예컨대, 알루미늄 박막으로 이루어진 양극 집전체(101)와, 양극 집전체(101)의 내부에 도포된 내부 양극 활물질(102a)과 양극 집전체(101)의 외부에 도포된 외부 양극 활물질(102b)을 구비한다. The positive electrode 100 includes, for example, a positive electrode current collector 101 made of an aluminum thin film, an internal positive active material 102a applied to the inside of the positive electrode current collector 101, and an external positive electrode applied to the outside of the positive electrode current collector 101 . An active material 102b is provided.

이와 같은 양극(100)은 세퍼레이터(110)를 사이에 두고 음극(120)과 대향한다.Such a positive electrode 100 faces the negative electrode 120 with the separator 110 interposed therebetween.

음극(120)은 예컨대, 알루미늄 박막으로 이루어진 음극 집전체(121)와, 음극 집전체(121)에 도포된 내부 음극 활물질(122a)과 외부 음극 활물질(122b)를 구비한다.The negative electrode 120 includes, for example, a negative electrode current collector 121 made of an aluminum thin film, and an internal negative active material 122a and an external negative active material 122b coated on the negative electrode current collector 121 .

이와 같은 구조에서, 양극(100)의 최외곽면(101out)에 있어서 내부 양극 활물질(102a)은 있으나, 외부 양극 활물질(102b)은 없도록 구성한다.In this structure, the inner cathode active material 102a is present on the outermost surface 101out of the cathode 100, but the outer cathode active material 102b is not.

즉, 상기 양극(100)의 최외곽면은 내부 양극 활물질(101a)의 코팅 면적보다 외부 양극 활물질(101b)의 코팅 면적이 작도록 형성된다.That is, the outermost surface of the positive electrode 100 is formed such that the coating area of the external positive active material 101b is smaller than the coating area of the internal positive active material 101a.

이때, 외부 양극 활물질(102b)은 최외곽면(101out)의 모든 부분에 없도록 하거나 일부에만 없도록 구성할 수 있다.At this time, the external positive electrode active material 102b may be configured to be absent from all or only a portion of the outermost surface 101out.

여기에서, 최외곽면(101out)이란 내부에는 음극(120)이 존재하고 있으나, 외부에는 음극이 없는 양극(100)의 면을 의미한다.Here, the outermost surface 101out refers to the surface of the anode 100 in which the cathode 120 is present but does not have a cathode outside.

즉, 양극(100), 세퍼레이터(110) 및 음극(120)을 차례로 적층하여 권취한 권취소자에 있어서, 최외곽에 위치하여 바깥쪽으로 대향하는 면이 없는 면을 의미한다.That is, in the winding retractor in which the positive electrode 100 , the separator 110 , and the negative electrode 120 are sequentially stacked and wound, it means a surface that is located at the outermost side and has no surface facing outward.

따라서, 세퍼레이터(110)-음극(120)-세퍼레이터(110)-양극(100)을 차례로 적층하여 양극(100)이 최외곽이 되도록 권취하는 경우를 가정하면, 권취를 시작하는 부분의 양극(100)이 세퍼레이터(110)측으로 말려 들어가게 되어 그 양극(100)의 바깥쪽으로는 세퍼레이터(110)-음극(120) 및 아직 권취되지 않은 양극(100)이 위치하게 되어, 최종적으로 권취가 완료된 후 최외곽에 위치하게 되는 양극(100)의 최외곽면을 의미한다.Therefore, assuming that the separator 110 - the negative electrode 120 - the separator 110 - the positive electrode 100 are sequentially stacked and wound so that the positive electrode 100 is the outermost, the positive electrode 100 of the part where the winding starts ) is rolled into the separator 110 side, and the separator 110-negative electrode 120 and the unwound positive electrode 100 are positioned outside the positive electrode 100, and finally, after winding is completed, the outermost It means the outermost surface of the anode 100 to be positioned at.

이처럼, 원통형의 전극 소자의 최외곽면(101out)을 최적화하여 구성하였을 경우에 이전의 제품에 대비 초기 용량과 저항은 동등 수준이며, 2.8V와 65도 1500hr 제품 수명 신뢰성 시험 진행시 용량 80%이상이 향상되고 저장은 20%가 감소된 성능을 유지한다. 이는 종래 제품에 비해 10~30% 향상된 것이다.In this way, when the outermost surface (101out) of the cylindrical electrode element is optimized and configured, the initial capacity and resistance are equal to those of the previous product, and the capacity is 80% or more during the 1500hr product life reliability test at 2.8V and 65 degrees This improves storage and maintains performance reduced by 20%. This is an improvement of 10-30% compared to the conventional product.

예를 들어, 양극 집전체와 음극 집전체의 두께를 각각 10㎛, 활물질 최소 코팅 두께를 60㎛로 했을 때, 본 발명에 따르면 양극 두께가 130㎛, 음극 두께가 130㎛, 분리막 두께가 2×25㎛이고, 기본 셀 단위(양극/분리막/음극/분리막 적층구조)의 두께가 약 310㎛인 에너지 저장장치의 제조가 가능한데, 특히 최외곽면의 경우에 양극 집전체의 일측에만 내부 양극 활물질(102a)를 코팅함에 따라 두께를 60㎛를 줄일 수 있다.For example, when the thickness of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is 10 μm, and the minimum active material coating thickness is 60 μm, according to the present invention, the thickness of the positive electrode is 130 μm, the thickness of the negative electrode is 130 μm, and the thickness of the separator is 2 × It is possible to manufacture an energy storage device with a thickness of 25 μm and a basic cell unit (anode/separator/negative electrode/separator stack structure) of about 310 μm. In particular, in the case of the outermost surface, the internal positive active material ( By coating 102a), the thickness can be reduced by 60 μm.

이와 같은 양극(100)의 최외과면에 내부 양극 활물질(102b)만 존재하도록 하기 위해서는 다음의 두가지 방법이 가능하다.In order to ensure that only the inner positive active material 102b exists on the outermost surface of the positive electrode 100, the following two methods are possible.

방법 1) 양극(100)의 최외곽면에 일단 외부 양극 활물질(102b)이 코팅되어 형성되도록 한 후에 이를 스트리핑 장비, 또는 다른 기구를 사용하여 제거하여 형성할 수 있다.Method 1) Once the external positive electrode active material 102b is coated on the outermost surface of the positive electrode 100 to be formed, it may be formed by removing it using a stripping device or other device.

방법 2) 양극(100)의 제조 공정에서 특정길이 또는 면적에 대하여 부분적으로 또는 전체적으로 양극 활물질을 미코팅하여 형성할 수 있다.Method 2) In the manufacturing process of the positive electrode 100 , the positive electrode active material may be partially or entirely uncoated for a specific length or area.

도 2는 도 1의 전극 조립체가 이용된 에너지 저장 장치의 구성도이다.FIG. 2 is a configuration diagram of an energy storage device using the electrode assembly of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 에너지 저장 장치는 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해질로 구성된 전극 조립체(1000)와, 전극조립체(1000)를 수용하는 금속 케이스(4000)와, 금속 케이스(4000)의 내부에 마련되어 각각 전극 조립체의 음극과 양극에 연결되는 제1 터미널(2000) 및 제2 터미널(3000)과, 금속 케이스(4000)의 양단부에 노출된 외부 터미널(4500,5100)을 포함한다.Referring to FIG. 2 , the energy storage device includes an electrode assembly 1000 composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte, a metal case 4000 accommodating the electrode assembly 1000 , and the metal case 4000 . It includes a first terminal 2000 and a second terminal 3000 connected to the negative electrode and the positive electrode of the electrode assembly, respectively, and external terminals 4500 and 5100 exposed at both ends of the metal case 4000 .

상기 에너지 저장 장치에 있어서, 제1 터미널(2000)은 절연부재(6000)에 의해 금속 케이스(4000)에 대하여 절연되는 동시에 상판(5000)에 마련된 음극측 외부 터미널(5100)에 전기적으로 연결되고, 제2 터미널(3000)은 금속 케이스(4000)와 직접적으로 접촉함으로써 금속 케이스(4000)의 하단에 마련된 양극측 외부 터미널(4500)과 전기적으로 연결된다.In the energy storage device, the first terminal 2000 is electrically connected to the negative electrode side external terminal 5100 provided on the upper plate 5000 while being insulated from the metal case 4000 by the insulating member 6000, The second terminal 3000 is electrically connected to the anode-side external terminal 4500 provided at the lower end of the metal case 4000 by making direct contact with the metal case 4000 .

여기에서, 도 2에 도시된 에너지 저장 장치는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체를 적용할 수 있는 하나의 실시예를 보인 것이며, 이외에도 다양한 에너지 저장 장치에 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체를 이용할 수 있다.Here, the energy storage device shown in FIG. 2 shows one embodiment to which the electrode assembly according to an embodiment of the present invention can be applied, and in addition, the electrode according to an embodiment of the present invention is applied to various energy storage devices. assembly may be used.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.In the above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below with the technical idea of the present invention by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It goes without saying that various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims.

100: 양극 101: 양극 집전체
102a: 내부 양극 활물질 102b : 외부 양극 활물질
110: 세퍼레이터 120: 음극
121: 음극 집전체 122a: 내부 음극 활물질
122b: 외부 음극 활물질 1000: 전극조립체
2000: 제1 터미널 3000: 제2 터미널
4000: 금속 케이스 4500, 5100: 전극 단자
5000: 상판 6000: 절연부재100: positive electrode 101: positive electrode current collector
102a: internal positive active material 102b: external positive active material
110: separator 120: negative electrode
121: negative electrode current collector 122a: internal negative active material
122b: external negative active material 1000: electrode assembly
2000: first terminal 3000: second terminal
4000: metal case 4500, 5100: electrode terminal
5000: upper plate 6000: insulating member

Claims (5)

권취형 전극 조립체를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서,
상기 권취형 전극 조립체는:
양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 내부에 코팅된 내부 양극 활물질과 외부에 코팅된 외부 양극 활물질을 구비한 양극;
음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 코팅된 음극 활물질을 구비한 음극; 및
상기 양극 및 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
상기 양극은 상기 권취형 전극 조립체의 최외곽에 위치하여 바깥쪽으로 대향하는 면이 없는 최외곽면을 구비하고,
상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질의 코팅 면적보다 외부 양극 활물질의 코팅 면적이 작은 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.An energy storage device comprising a wound electrode assembly, comprising:
The wound electrode assembly comprises:
a positive electrode having a positive electrode current collector and an internal positive electrode active material coated on the inside of the positive electrode current collector and an external positive electrode active material coated on the outside;
a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material coated on the negative electrode current collector; and
a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode;
The positive electrode is positioned on the outermost side of the wound-type electrode assembly and has an outermost surface without an outwardly facing surface,
The energy storage device, characterized in that the outermost surface of the positive electrode has a coating area of the external positive active material smaller than that of the internal positive active material. 청구항 1항에 있어서,
상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질만 코팅되어 있는 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
An energy storage device in which only the inner positive active material is coated on the outermost surface of the positive electrode. 청구항 1항에 있어서,
상기 양극의 최외곽면은 내부 양극 활물질이 전체에 코팅되어 있고, 상기 외부 양극 활물질이 일부 코팅되어 있는 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
An energy storage device in which the outermost surface of the positive electrode is coated entirely with an internal positive active material, and the external positive active material is partially coated. 청구항 1항에 있어서,
상기 외부 양극 활물질은 양극 집전체의 전체에 형성한 후에 일부 제거하여 형성하는 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
An energy storage device in which the external positive active material is formed on the entire positive electrode current collector and then partially removed. 청구항 1항에 있어서,
상기 외부 양극 활물질은 양극 집전체에 코팅하여 형성할 때에 최외곽면에 대응되는 부분을 제외하고 코팅하여 형성하는 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
An energy storage device formed by coating the external positive active material except for a portion corresponding to the outermost surface when formed by coating the positive electrode current collector.
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