KR20080023376A - 우수한 펄스 방전 특성의 전극조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 전극조립체로서, 상기 전극군들은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 그 중 적어도 하나 이상의 전극군들은 우수한 고율 방전 특성을 발휘할 수 있도록 전극 활물질의 에너지 밀도가 낮게 만들어진 구성의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 낮은 에너지 밀도의 전극군들을 일부 포함시킴으로써 용량의 저하없이 우수한 펄스 방전 특성을 발휘할 수 있으며, 이러한 전극조립체의 제조를 간단한 공정에 의해 달성할 수 있으므로 전지셀의 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

우수한 펄스 방전 특성의 전극조립체 {Electrode Assembly of High Pulse Discharging Property}

도 1 및 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 조립 전과 조립되는 과정을 나타낸 사시도들이다.

본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 우수한 펄스 방전 특성의 전극조립체로서, 더욱 상세하게는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있는 전극군들 중, 적어도 하나 이상의 전극군들이 우수한 고율 방전 특성을 발휘할 수 있도록 전극 활물질의 에너지 밀도가 낮게 만들어진 구성의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 디바이스에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너 지원으로 널리 사용되고 있다.

리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO₂ 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 다공성 고분자 분리막을 위치시키고, LiPF₆ 등의 리튬염을 함유한 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 충전시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소 층으로 삽입이 되고, 방전시에는 반대로 탄소 층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입이 되며, 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온이 이동하는 매질의 역할을 한다. 이러한 리튬 이차전지는 기본적으로 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충방전 효율이 높아야 하며, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 능력을 가져야 한다. 그러나, 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도에 비해 순간적인 고전류에 의한 충방전 성능이 떨어지는 단점이 있다.

한편, 모바일 디바이스의 다기능화, 고성능화, 소형화 등의 추세로 인해 소형이면서도 큰 용량을 가진 이차전지의 수요가 증가하고 있다. 따라서, 최근에는 기존의 리튬 이차전지(LIPB)에서 전극의 로딩량 증가 및 다공성도(porosity)의 감소를 통해 에너지 밀도를 높이는 연구 및 제품 개발이 진행되고 있다. 그러나, 높은 로딩량과 낮은 다공성도를 지닌 전극은 리튬 이온의 전극 내로의 확산, 즉, 키네틱스에 제한을 줄 수 밖에 없으며, 이로 인해 고율 충방전시 용량 감소가 큰 문제로 대두되고 있다. 특히, 펄스 방전인 경우 고전류를 단시간에 출력해야 되므로, 이로 인한 용량 감소가 심각하다.

예를 들어, 유럽 휴대폰 제조사들에서 많이 채용하고 있는 GSM(Global System for Mobile communication) 방식은 방전 사이클 중 짧은 시간 동안 높은 전류를 제공해야 하는데, 이러한 GSM 방식을 채용하게 되면 기존의 이차전지의 경우에는 고율 방전시 용량 퇴화가 심각한 것으로 알려져 있어서 이에 대한 보완이 시급한 실정이다.

따라서, 상기와 같이 우수한 고율 방전을 발휘할 수 있는 이차전지에 대한 기술의 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 전극조립체의 전극군들 중 일부 전극들에서 전극 활물질의 에너지 밀도를 낮게 한 후 기타 고에너지 밀도의 전극군들과 조합하여 전극조립체를 구성하면, 높은 용량을 유지하면서도 우수한 펄스 방전 특성이 발휘되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 전극조립체로서, 상기 전극군들은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 그 중 적어도 하나 이상의 전극군들은 우수한 고율 방전 특성을 발휘할 수 있도록 전극 활물질의 에너지 밀도가 낮게 만들어진 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 전극조립체는, 높은 에너지 밀도와 충방전 특성을 가지는 다수의 전극군들 사이에 상대적으로 고율의 방전 특성을 가지는 낮은 에너지 밀도의 전극군을 조합하여 양자간에 전지특성을 상호 보완할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

충방전이 가능한 전극조립체는, 예를 들어, 케이스에 내장되는 형태(외부 구조)에 따라 크게 원통형과 판상형으로 분류되며, 또한 전극조립체의 적층 형태(내부 구조)에 따라 젤리-롤형과 스택형으로 분류된다.

상기 젤리-롤형 전극조립체는, 긴 시트형의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 후, 둥글게 권취하여 단면상 원형 구조로 만들거나, 또는 그러한 원형 구조로 권취 후 일측 방향으로 압축하여 단면상으로 대략 판상형 구조로 만들 수 있다. 반면에, 상기 스택형 전극조립체는 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층함으로써 판상형의 구조로 만들 수 있다.

바람직하게는, 복합형 구조(스택/폴딩형 구조)로서, 스택형 방식으로 작은 단위의 유닛셀로서 바이셀 또는 풀셀을 만들고 이들을 긴 분리필름(분리막 시트) 상에 다수 개 위치시킨 후 순차적으로 권취하여 전체적으로 대략 판상형의 구조로 만들 수 있다.

상기 '풀 셀(full cell)'은, 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 단위 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀 셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀 셀을 사용하여 이차전지 등의 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀 셀들을 적층하여야 한다.

상기 '바이셀(bicell)'은, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 단위 셀이다. 이러한 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.

스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 더욱 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원들은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에 따른 상기 전극조립체에서, 특정 전극군의 에너지 밀도가 낮다는 것은 기타 다른 전극군들에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 낮다는 것을 의미한다. 여기서 '에너지 밀도'는 단위 부피당 저장되는 에너지의 양을 의미한다.

에너지 밀도가 낮은 전극군은 기타 전극군들의 에너지 밀도의 20 내지 90% 정도가 바람직하다. 에너지 밀도가 너무 낮으면 전지의 용량이 현저히 감소되고, 에너지 밀도가 너무 크면 고율의 방전 특성을 발휘하기 어려울 수 있다.

특정한 전극군의 에너지 밀도를 낮게 만드는 방법은 다양할 수 있으며, 바람직하게는, 특정한 전극군에서 집전체에 대한 전극 활물질의 로딩량을 기타 전극군들보다 상대적으로 적게 하는 형태일 수 있다. 로딩량을 적게 하는 방법은, 예를 들어, 집전체에 대한 전극 활물질의 코팅 높이를 낮게 만들거나, 동일한 코팅 높이라도 다공성도(porosity)를 크게 만드는 방법을 고려할 수 있다.

즉, 전극 활물질의 코팅 두께를 낮추면, 전극 활물질에 대한 친화성이 낮은 전해액이 전극 활물질층의 내부로 함침되는 비율이 높아지고, 리튬이온의 확산이동거리가 줄어들어 레이트 특성의 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 다공성도를 크게 하기 위하여 기공을 많이 포함시키면, 전극 활물질층의 비표면적이 넓어지고 기공의 연결도가 높아지므로, 결과적으로 전해액의 함침 비율이 높아져 역시 빠른 충방전 특성을 나타낼 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전극군에서 전극 활물질의 로딩량은 기타 전극군들을 기준으로 30 내지 80%의 높이 및/또는 120 내지 300%의 기공률로 행해질 수 있다.

본 명세서에서 '기공률'은 다공질 재료에서 비어있는 부분이 그 전체 부피에서 차지하는 비율을 의미하며, 달리 기공도 또는 공극도 등으로 표현하기도 한다. 본 발명에서 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형의 구조로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 전극군으로서 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 유닛셀들 중 적어도 하나 이상은 낮은 에너지 밀도를 가지는 유닛셀로 구성하고, 긴 분리막 시트 상에 다수의 유닛셀들을 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 전극조립체를 제조할 수 있다. 그러한 적층 구조에서, 제조공정을 용이하게 하고 충방전 과정에서 다른 유닛셀들과의 간섭 현상을 최소화하기 위하여, 최상단 유닛셀과 최하단의 유닛셀을 각각 낮은 에너지 밀도의 유닛셀로 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 전극조립체에서, 낮은 에너지 밀도의 유닛셀(들)과 나머지 높은 에너지 밀도의 유닛셀들은 에너지 밀도만을 제외하고 기타 셀 구성에 있어서 특별히 차이를 가질 필요는 없다. 또한, 본 발명에 따른 전극조립체는 그것의 사용되는 용도에 따라 다양한 전극 활물질 구성으로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 상기 전극조립체에서 낮은 에너지 밀도의 유닛셀(들)과 나머지 높은 에너지 밀도의 유닛셀들은 전극 활물질로서 카본계 물질을 포함하는 캐패시터형 유닛셀들일 수 있다.

또 다른 예에서, 낮은 에너지 밀도의 유닛셀(들)과 나머지 높은 에너지 밀도의 유닛셀들은 양극 활물질로서 전이금속 산화물과 음극 활물질로서 카본계 물질을 포함하는 이차전지형 유닛셀들일 수 있다. 이러한 구체적인 예로서, 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 호일을 각각 양극판 및 음극판으로 사용하고 이들의 표면에 활물질로서 LiCoO₂와 흑연을 각각 도포하는 구조의 유닛셀을 고려할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀을 제공하는 바, 이러한 전기화학 셀의 대표적인 예로는 이차전지와 캐패시터를 들 수 있다.

이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 특히 전지케이스의 기계적 강성이 작아 낙하 또는 외부 충격의 인가시 변형이 쉽게 일어날 수 있는 판상형의 전지케이스를 사용하는 이차전지에 본 발명에 따른 전극조립체가 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 이차전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지가 바람직하며, 그 중에서도 전해액의 누액 가능성이 적고, 중량 및 제조비용이 적으며, 다양한 형태로의 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 이차전지가 더욱 바람직하다. 리튬 이차전지의 기타 구성요소들 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있는 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명에 따른 이차전지는 펄스 방전 방식으로 방전이 행해지는 디바이스에 바람직하게 사용될 수 있으며, 특히 GSM 방전 방식을 사용하는 디바이스에 더욱 효과적으로 사용될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, GSM 방식은 짧은 시간내에 고전류에 의한 방전이 이루어지게 되므로, 종래의 리튬이온 또는 리튬이온 폴리머 전지의 경우에는 용량 퇴화의 원인이 되지만, 본 발명의 이차전지는 캐패시터를 함께 사용하여 고전류를 단시간에 방전할 때 사용되는 출력 에너지를 보완하므로 펄스 방전시에 전지의 용량 퇴화를 방지할 수 있다.

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 1 및 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 조립 전과 조립 과정을 나타낸 사시도가 각각 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 우선, 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 적층 구조를 가진 다수의 바이셀들(10)을 긴 길이의 연속적인 분리필름(30) 상에 위치시킨다. 바이셀들(10)은 권취 시 이들의 적층 계면에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 양극 바이셀과 음극 바이셀들을 권취 과정에서 적절하게 배열한다. 이 때, 권취 방향을 기준으로 권취 단부의 두 개의 유닛셀을 낮은 에너지 밀도의 유닛셀(21, 22)로 구성한다.

도 2에는 권취 과정이 거의 마무리된 상태의 전극조립체가 도시되어 있는 바, 권취된 상태에서 양극 단자(11)와 음극 단자(12)는 각각 동일한 일측 방향으로 적층된다. 한편, 도 1에서와 같이 권취 방향을 기준으로 권취 단부에 위치한 두 개의 낮은 에너지 밀도의 유닛셀들(21, 22)은, 권취 마지막 과정에서 전극조립체의 최상단과 최하단에 각각 위치하게 된다. 따라서, 전극조립체의 조립 공정 자체가 용이해지고, 충방전 과정에서 나머지 높은 에너지 밀도의 유닛셀들에 대한 간섭 현상을 최소화할 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 예를 들어 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 낮은 에너지 밀도의 전극군들을 일부 포함시킴으로써 용량의 저하없이 펄스 방전 특성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 전극조립체의 제조를 간단한 공정에 의해 달성할 수 있으므로 전지셀의 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 전극조립체로서, 상기 전극군들은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 그 중 적어도 하나 이상의 전극군들은 우수한 고율 방전 특성을 발휘할 수 있도록 전극 활물질의 에너지 밀도가 낮게 만들어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 낮은 에너지 밀도의 상기 전극군은 기타 전극군들의 에너지 밀도의 20 내지 80% 수준인 것을 특징으로 하는 전극조립체..
3. 제 2 항에 있어서, 낮은 에너지 밀도의 상기 전극군은 집전체에 대한 전극 활물질의 로딩량이 기타 전극군들보다 상대적으로 적은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
4. 제 3 항에 있어서, 낮은 에너지 밀도의 상기 전극군에서 전극 활물질의 로딩은 기타 전극군들을 기준으로 30 내지 80%의 높이 및/또는 120 내지 300%의 기공률로 행해지는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극군으로서 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 유닛셀 중 적어도 하나 이상은 낮은 에너지 밀도의 유닛셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 전극조립체는 긴 분리막 시트 상에 다수의 유닛셀들을 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 적층시킨 구조로 이루어져 있으며, 그러한 적층 구조에서 최상단 유닛셀과 최하단의 유닛셀은 각각 낮은 에너지 밀도의 유닛셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 유닛셀들은 전극 활물질로서 카본계 물질을 포함하는 캐패시터형 유닛셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 유닛셀들은 양극 활물질로서 전이금속 산화물과 음극 활물질로서 카본계 물질을 포함하는 이차전지용 유닛셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지는 펄스 방전 방식으로 방전이 행해지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.

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