KR20080072112A - 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20080072112A
KR20080072112A KR1020070010371A KR20070010371A KR20080072112A KR 20080072112 A KR20080072112 A KR 20080072112A KR 1020070010371 A KR1020070010371 A KR 1020070010371A KR 20070010371 A KR20070010371 A KR 20070010371A KR 20080072112 A KR20080072112 A KR 20080072112A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
electrode assembly
unit cell
capacitor
secondary battery
Prior art date
Application number
KR1020070010371A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101035284B1 (ko
Inventor
김보현
이한호
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020070010371A priority Critical patent/KR101035284B1/ko
Publication of KR20080072112A publication Critical patent/KR20080072112A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101035284B1 publication Critical patent/KR101035284B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10—Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • H01G11/12—Stacked hybrid or EDL capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0583—Construction or manufacture of accumulators with folded construction elements except wound ones, i.e. folded positive or negative electrodes or separators, e.g. with "Z"-shaped electrodes or separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565—Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4264—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing with capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

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 캐패시터형 전극군으로 이루어져 있으며, 캐패시터형 전극군의 음극 전극이 이차전지용 유닛셀과 대면하는 구조의 복합형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 복합형 전극조립체는 간단한 조립공정으로 캐패시터와 이차전지의 결합시스템을 하나의 셀 내에서 구현하는 것이 가능하며, 전지셀의 제조 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 용량의 퇴화 없이 출력 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode Assembly of Improved Power Property and Secondary Battery Comprising the Same}
도 1 및 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 조립 전과 조립 과정을 나타낸 사시도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캐패시터형 유닛셀의 분해 사시도이다;
도 4 및 5는 각각 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 부분 단면도들이다.
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 캐패시터형 전극군으로 이루어져 있으며, 캐패시터형 전극군의 음극 전극이 이차전지용 유닛셀과 대면하는 구조의 복합 형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그러나, 이차전지는 높은 에너지 밀도에 비해 순간적인 고전류에 의한 충방전 성능이 떨어지는 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해서 최근에는 기존의 리튬이온 폴리머 전지(LIPB)에 전기이중층 캐패시터(EDLC)를 시스템적으로 결합하는 기술에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
일반적으로 캐패시터는 전압의 인가시 전하를 축적하는 장치로서 고출력 특성을 나타내며, 대표적인 전기화학 캐패시터(electrochemical capacitors)는 전기이중층 캐패시터(EDLC: electric double-layer capacitors)와 유사 캐패시터(pseudo-capacitors)로 구분할 수 있다. 전기이중층 캐패시터는 전극과 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층(electric double-layer)에 전해질 상에는 이온들을, 전극 상에는 전자를 충전시켜 전하를 저장하는 장치이고, 유사 캐패시터는 패러데이 반응을 이용하여 전극재료의 표면 근처에 전자를 저장하는 장치이다.
그 중, 전기이중층 캐패시터는 이중층 캐패시턴스(double-layer capacitance)와 등가직렬저항(ESR; equivalent series resistance)이 직렬로 연결된 등가회로(equivalent circuit)로 구성되며, 이때, 이중층 캐패시턴스는 전극의 표면적에 비례하며, ESR은 전극의 저항, 전해질 용액의 저항 및 전극 기공내 전해 질의 저항의 합이다. 이중층 캐패시터는 순간적인 고출력 특성은 뛰어나지만, 이에 반해 에너지 밀도 및 저장 특성은 기존의 이차전지에 비해 떨어지는 단점이 있다.
상기와 같은 캐패시터의 특성을 이용하여 이차전지와 결합시킨 복합형 전지는 순간 출력을 높일 수 있고 에너지 밀도도 높다는 장점이 있다. 그러나, 현재까지 알려진 복합형 전지는 이차전지와 캐패시터의 각각 독립적인 구조들을 상호 연결하여 관련 장치를 제조하고 있으므로, 제조공정이 복잡하고 설치공간의 증가로 인해 전지의 소형화 추세에 역행하는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전기이중층 캐패시터의 전극재료로는 흔히 탄소재료가 이용되고 있는데, 탄소재료가 우수한 전기이중층 캐패시터 특성을 보이기 위해서는, (i) 기공을 많이 포함함으로써 넓은 비표면적을 가져야 하고, (ii) 전도성이 우수하여 전극을 제작하였을 때 전극저항이 적어야 하며, (iii) 기공의 크기가 충분히 크고 또한 기공들의 연결성이 우수하여 전해질 용액이 쉽게 기공표면을 적셔서 넓은 전기이중층을 형성하고, 전해질 이온의 이동이 용이하여 충전과 방전이 빨리 진행될 수 있어야 한다.
이러한 조건들을 만족시키기 위하여, 기존의 캐패시터는 전극재료로서 활성탄을 사용하고 있다. 그러나, 활성탄은 상대적으로 고가이기 때문에 제조단가의 상승을 가져와, 실제 양산에 적용하기에는 어려움이 있다.
따라서, 상기와 같은 다수의 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 캐패시터와 이차전지의 결합 시스템을 단일 셀 내에서 구현함으로써 간단한 제조공정으로 보다 콤팩트한 구조의 복합형 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 캐패시터에 사용가능한 전극재료의 범위를 확장하여 제조단가를 낮추면서도 소망하는 수준의 전지 특성을 보유하는 복합형 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은 상기 복합형 전극조립체를 포함하여 소망하는 수준의 고출력과 높은 에너지 밀도, 연속적인 충방전 특성을 갖는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합형 전극조립체는, 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 전극조립체로서, 상기 전극군들은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 그 중 적어도 하나 이상의 전극군들은 캐패시터형 전극군으로 이루어져 있으며, 캐패시터형 전극군의 음극이 이차전지용 유닛셀과 대면하는 것으로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 복합형 전극조립체는, 높은 에너지 밀도와 충방전 특성을 가지는 다수의 전극군들 사이에 상대적으로 고율의 방전 특성을 가지는 캐패시터형 전극군을 결합시켜 양자간에 전지특성을 상호 보완할 수 있도록 하였다. 또한, 캐패시터형 전극군에서, 이차전지용 유닛셀들과 대면하는 캐패시터 전극을 음극으로 구성함으로써, 리튬 이온 등과 같은 이온이 하나의 전지셀 내에서 전해액을 공유하고 있는 이차전지용 유닛셀의 음극과 캐패시터의 음극에 함께 흡장 및/또는 방출되도록 함으로써, 양자간 전지 특성의 상호 보완 관계를 더욱 향상시켰다. 특히, 캐패시터형 전극군에 대면하는 이차전지용 유닛셀의 전극이 양극인 경우, 캐패시터형 전극군의 음극과 높은 상호 작용을 나타낼 수 있으므로, 더욱 바람직하다.
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, 단면상 원형으로 권취하여 원통형 구조로 만들거나, 또는 그러한 원통형 구조로 권취한 후 일측 방향으로 압축하여 단면상으로 대략 판상형인 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 발명의 전극조립체는, 바람직하게는, 전극군으로서 상기에서 설명한 바와 같은 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 이러한 스택/폴딩형 구조의 전극조립체는, 풀셀, 바이셀 등과 같이, 캐패시터 형 전극군을 하나의 유닛셀로서 사용하므로, 조립 과정에서의 취급이 용이하고 제조된 전극조립체의 구조적 안정성이 우수하다는 특별한 장점을 가진다.
따라서, 전극조립체의 유닛셀들(전극군들) 중 적어도 하나 이상의 유닛셀을 캐패시터형 유닛셀(전극군)로 구성함으로써 캐패시터와 이차전지의 결합 시스템을 단일 셀 내에서 구현할 수 있다.
이러한 캐패시터형 유닛셀은 금속 시트 상에 각각 카본계 물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 구성 여하에 따라, 캐패시터형 유닛셀은 바이셀의 구조를 가질 수도 있고, 풀셀의 구조를 가질 수도 있다.
상기 캐패시터형 유닛셀의 대표적인 예로는 전기이중층 캐패시터 구조의 유닛셀이 사용될 수 있다. 한 쌍의 고체전극을 전해질 이온 용액중에 넣어서 직류전압을 걸어주면 (+)로 분극된 전극에는 (-)이온이, (-)로 분극된 전극에는 (+)이온이 정전기적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기이중층이 형성되게 된다. 이와 같이 저장된 전하는 하기 식 1에 의해 그 용량이 계산된다.
Figure 112007009737591-PAT00001
(1)
상기 식 1에서, ε: 유전율, σ: 전해질이온반경, S: 비표면적이다.
전기이중층 캐패시터에서 용량을 결정짓는 요인을 살펴보면, 상기 식 1에서 보는 바와 같이, 비표면적이 클수록, 전해질의 유전율이 클수록, 그리고 이중층 형성시의 이온의 반경이 작을수록 큰 용량을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그 외에 전극의 내부저항(ESR), 전극의 세공분포와 전해질 이온간의 관계, 내전압 등에 의해 용량이 결정된다.
상기 전기이중층 캐패시터는 전극, 분리막, 전해질, 집전체 등으로 구성된다. 그 중에서 캐패시터의 핵심이 되는 부분은 전극에 사용되는 재료의 선택이라고 할 수 있다. 전극 재료는 전기전도성이 크고 비표면적이 높아야 하며, 전기화학적으로 안정하여야 하고, 가격이 저렴해야 한다. 따라서, 상기 캐패시터형 유닛셀은 금속 시트 상에 각각 카본계 물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조로 이루어진 것일 수 있다.
바람직하게는, 캐패시터형 유닛셀에서, 캐패시터 양극 또는 음극의 표면에 도포되는 카본계 물질은 흑연 및/또는 활성탄인 구조로 이루어진 것일 수 있다.
상기 카본계 물질로는 일반적으로 활성탄을 사용할 수 있으며, 나아가 흑연(graphite)도 사용 가능하다. 활성탄의 경우, 수많은 세공이 분포되어 있어서 높은 전하 용량의 전기이중층이 형성된다. 또한, 흑연은 상대적으로 작은 비표면적으로 인한 낮은 전하 용량이 문제점으로 지적되기도 하나, 저렴한 가격으로 인해 캐패시터의 제조 단가를 낮출 수 있는 바람직한 전극 재료의 하나로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 하나의 바람직한 예로서, 양극에는 활성탄을 음극에는 흑연을 도포함으로써, 낮은 제조 단가에도 불구하고 상대적으로 높은 전하 용량을 가진 캐패시터형 유닛셀을 구현할 수 있다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체의 유닛셀들 중 캐패시터형 유닛셀을 제외한 나머지 유닛셀들(이차전지용 유닛셀들)은, 양극 활물질로서 전이금속 산화물과 음극 활물질로서 카본계 물질을 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 이에 대한 바람직한 예로서 알루미늄(Al)과 구리(Cu) 호일을 각각 양극판 및 음극판으로 사용하고 이들의 표면에 활물질로서 LiCoO2와 흑연을 각각 도포하는 구조를 들 수 있다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체는 긴 분리필름 상에 다수의 유닛셀들을 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 적층시킨 구조로 이루어져 있다. 따라서, 이러한 적층 구조에서 상대적으로 높은 내관통성을 나타내는 유닛셀을 최외각에 위치시키면, 침상관통체에 의해 전지가 단락되는 현상을 어느 정도 억제할 수 있는 효과도 있다. 본 출원의 발명자들이 행한 실험에 따르면, 일반적인 리튬 이차전지에서 양극 활물질을 구성하는 리튬 전이금속 산화물에 비해 음극 활물질을 구성하는 카본계 물질은 상대적으로 높은 내관통성을 나타내는 것으로 확인되었다. 이러한 점을 고려할 때, 양극과 음극이 모두 카본계 물질로 이루어진 캐패시터형 유닛셀은 상대적으로 우수한 내관통성을 발휘할 수 있다.
따라서, 하나의 바람직한 예에서, 최상단 유닛셀과 최하단 유닛셀이 각각 캐패시터형 유닛셀로 이루어진 구조로 이루어져 있다.
본 발명은 또한 상기 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.
이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 특히 전지케이스의 기계적 강성이 작아 낙하 또는 외부 충격의 인가시 변형이 쉽게 일어날 수 있는 판상형의 전지케이스를 사용하는 이차전지에 본 발명에 따른 전극조립체가 바람직하게 사용될 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 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 다수 개 연결하여 구성되는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 단위전지들을 조합하여 제조될 수 있으며, 한정된 장착공간을 가지며 높은 출력 특성을 요구하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있으며, 특히, 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 바람직하게 사용될 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 조 립 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 캐패시터형 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 캐패시터형 유닛셀들(21, 22)은, 권취 마지막 과정에서 전극조립체의 최상단과 최하단에 각각 위치하게 된다. 따라서, 전극조립체의 성능 향상과 함께 침상관통에 대한 내구성을 높여 주게 된다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캐패시터형 유닛셀의 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 캐패시터형 유닛셀(100)은 소정 크기로 절단된 양극(130)/분리막(140)/음극(150)/분리막(140)/양극(130)판을 순서대로 적층하는 구조로 이루어져 있다. 양극판(130)과 음극판(150)의 일측에는 각각 전극탭(110, 120)이 돌출된 상태로 부착되어 있고, 분리막(140)이 개재되어 있는 구조이다. 양극판(130)은 알루미늄(Al) 호일에 활성탄이 활물질로서 도포되어 있고, 음극판(150)은 구리(Cu) 호일을 사용하며 흑연(graphite)이 활물질로서 도포되어 있다.
도 3에서와 같이, 양측이 각각 양극인 유닛셀을 캐패시터형 양극 유닛셀로 칭할 수 있고, 도 3과는 반대로, 양측이 각각 음극인 유닛셀을 캐패시터형 음극 유닛셀로 칭할 수 있다. 이러한 캐패시터형 양극 유닛셀과 캐패시터형 음극 유닛셀은 도 1에서와 같은 방식으로 스택/폴딩형 전극조립체를 구성할 때, 일반 이차전지용 양극 바이셀 및 음극 바이셀과 마찬가지로 사용될 수 있다.
도 4 및 5에는 각각 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 부분 단면도들이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 캐패시터형 유닛셀(200)/분리막(300)/이차전지용 유닛셀(400)의 적층 구조를 이루고 있으며, 그 중 캐패시터형 유닛셀(200)은 다시 양극(210)/분리막(220)/음극(230) 구조로 적층되어 있다. 캐패시터형 유닛셀(200)의 음극(230)은 이차전지용 유닛셀(400)과 분리막(300)을 사이에 두고 대면하는 구조이며, 그 중에서 이차전지용 유닛셀(400)의 양극(410)과 대면하는 구조이다.
또한, 캐패시터형 유닛셀(200)의 양극(210)은 알루미늄 금속판의 앞뒤 양면에 활성탄(211)이 도포되어 있고, 음극(230)은 구리 금속판에 흑연(231)이 도포되어 있으며, 양극(210)과 음극(230) 사이에는 분리막(220)이 개재되어 있는 구조이다.
도 5를 참조하면, 캐패시터형 유닛셀(200)과 대면하고 있는 이차전지용 유닛셀(400)의 전극이 음극(420)이라는 점을 제외하고는, 도 4의 전극조립체와 동일한 구조이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1-1. 이차전지용 유닛셀의 제조
양극 시트는, 양극 활물질로서 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 알루미늄 호일의 일면에 각각 코팅, 건조, 및 압착하여 제조하였다.
음극 시트는, 음극 활물질로서 인조흑연 93 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 4.5 중량%를 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다.
분리막으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막인 셀가드TM를 사용하였다.
1-2. 캐패시터용 유닛 셀의 제조
양극 시트는 활성탄을 사용하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후 알루미늄 호일에 도포하여 제조하였으며, 음극시트는 인조흑연을 사용하여 음극 혼합물 슬러 리를 제조한 후 구리 호일에 도포하여 제조하였다. 또한, 분리막은 상기 실시예 1-1의 이차전지용 유닛셀의 분리막과 동일한 제품을 사용하였다.
1-3. 복합형 전극조립체의 조립
양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 적층 구조를 가진 다수의 바이셀들을 긴 길이의 연속적인 분리필름 상에 위치시켰으며, 바이셀들은 권취 시 이들의 적층 계면에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 양극 바이셀과 음극 바이셀들을 배열하였다. 이 때, 권취 방향을 기준으로 권취 단부에 두 개의 캐패시터형 유닛셀들을 위치시켰다.
권취 방향을 기준으로, 권취 단부에 두 개의 캐패시터형 유닛셀들을 위치시켜, 권취 마지막 과정에서 전극조립체의 최상단과 최하단에 각각 위치하도록 전극조립체를 권취하였으며, 권취된 전극조립체의 외면 일측에 실 테이프를 부착하여 조립을 완성하였다.
[비교예 1]
캐패시터형 유닛셀을 사용하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극조립체를 제조하였다.
[비교예 2]
캐패시터형 유닛셀 제조시, 이차전지용 유닛셀과 대면하는 방향의 일면에는 활물질을 도포하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극조립체를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 전극조립체의 충방전 특성을 확인하기 위하여, -30℃ 및 상온에서 각각의 전극조립체들의 출력값을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112007009737591-PAT00002
상기 표 1을 살펴보면, 실시예 1의 전극조립체는 영하 30℃와 상온에서 모두 상대적으로 뛰어난 출력 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 캐패시터형 유닛셀을 사용하지 않은 비교예 1의 전극조립체에 비해서 상승된 전지 특성, 특히 출력 특성이 현저하게 상승되었음을 알 수 있다.
또한, 캐패서터형 유닛셀을 사용하는 경우라 하더라도, 비교예 2와 같이 이차전지용 유닛셀과 대면하는 면에 활물질을 도포하지 않은 경우에는 출력 특성의 상승이 상대적으로 크지 않음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 캐패시터형 유닛셀의 이차전지용 유닛셀과 대면하는 면에도 활물질을 도포함으로써, 충방전시 양자 간의 상호 작용이 더욱 활발해져 전지셀의 전체적인 출력 특성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합형 전극조립체는 간단한 조립공정으로 캐패시터와 이차전지의 결합시스템을 하나의 셀 내에서 구현하는 것이 가능하며, 전지셀의 제조 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 용량의 퇴화 없이 출력 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

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 캐패시터형 전극군으로 이루어져 있으며, 캐패시터형 전극군의 음극이 이차전지용 유닛셀과 대면하는 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 캐패시터형 전극군에 대면하는 이차전지용 유닛셀의 전극은 양극인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극군으로서 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유닛셀 중 적어도 하나 이상은 캐패시터형 유닛셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 캐패시터형 유닛셀은 금속 시트 상에 각각 카본계 물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 카본계 물질은 흑연 및/또는 활성탄인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 전극조립체는 긴 분리필름 상에 다수의 유닛셀들을 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 적층시킨 구조로 이루어져 있으며, 그러한 적층 구조에서 최상단 유닛셀과 최하단위 유닛셀은 각각 캐패시터형 유닛셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 유닛셀들 중 캐패시터형 유닛셀을 제외한 나머지 이차전지용 유닛셀들은, 양극 활물질로서 전이금속 산화물과 음극 활물질로서 카본계 물질을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 10 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하는 중대형 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
KR1020070010371A 2007-02-01 2007-02-01 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 KR101035284B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070010371A KR101035284B1 (ko) 2007-02-01 2007-02-01 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070010371A KR101035284B1 (ko) 2007-02-01 2007-02-01 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110019212A Division KR101152649B1 (ko) 2011-03-04 2011-03-04 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080072112A true KR20080072112A (ko) 2008-08-06
KR101035284B1 KR101035284B1 (ko) 2011-05-18

Family

ID=39882501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070010371A KR101035284B1 (ko) 2007-02-01 2007-02-01 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101035284B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013137575A1 (ko) * 2012-03-14 2013-09-19 주식회사 엘지화학 신규한 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀
KR20150128096A (ko) * 2014-05-08 2015-11-18 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
US11870079B2 (en) 2017-03-09 2024-01-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Electrode assembly and lithium battery comprising same

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2565972B1 (en) * 2011-06-09 2019-07-31 LG Chem, Ltd. Electrode assembly and lithium secondary battery comprising same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6790556B1 (en) 1999-12-06 2004-09-14 E.C.R. - Electro Chemical Research, Ltd. Electrochemical energy storage device having improved enclosure arrangement
JP4825344B2 (ja) * 2000-06-07 2011-11-30 Ｆｄｋ株式会社 電池・キャパシタ複合素子
KR20020067304A (ko) * 2001-02-16 2002-08-22 주식회사 네스캡 전기에너지 저장장치
KR100912788B1 (ko) 2006-09-11 2009-08-18 주식회사 엘지화학 우수한 펄스 방전 특성의 전극조립체

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013137575A1 (ko) * 2012-03-14 2013-09-19 주식회사 엘지화학 신규한 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀
US10199690B2 (en) 2012-03-14 2019-02-05 Lg Chem, Ltd. Electrode assembly of novel structure and battery cell comprising the same
US11177510B2 (en) 2012-03-14 2021-11-16 Lg Chem, Ltd. Electrode assembly of novel structure and battery cell comprising the same
KR20150128096A (ko) * 2014-05-08 2015-11-18 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
US11870079B2 (en) 2017-03-09 2024-01-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Electrode assembly and lithium battery comprising same

Also Published As

Publication number Publication date
KR101035284B1 (ko) 2011-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100921345B1 (ko) 캐패시터-이차전지 구조의 하이브리드형 전극조립체
US11569525B2 (en) Hybrid cell design of alternately stacked or wound lithium ion battery and capacitor electrodes
KR101168740B1 (ko) 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101123059B1 (ko) 혼합형 스택 및 폴딩형 전극조립체와 이를 포함하고 있는이차전지
JP7461877B2 (ja) 多層電極膜のための組成物および方法
KR20130118762A (ko) 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스
KR101385732B1 (ko) 전장의 길이가 동일하고 전폭의 길이가 상이한 전극 유닛들로 이루어진 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스
US11171365B2 (en) Capacitor-assisted solid-state battery with quasi-solid-state electrolyte
KR20080081297A (ko) 리튬이온 커패시터
KR100912788B1 (ko) 우수한 펄스 방전 특성의 전극조립체
JP2013016515A (ja) 電池用電極
JP5308646B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
US20090180238A1 (en) Energy storage devices
KR101035284B1 (ko) 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR100871345B1 (ko) 안전성 및 용량을 향상시킨 이차전지
KR20130093805A (ko) 전극, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 슈퍼 캐패시터
KR20170125229A (ko) 복합 전극 구조를 갖는 에너지 저장 커패시터
JP2015502626A (ja) リチウム蓄電池
KR101152649B1 (ko) 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101760671B1 (ko) 하이브리드 커패시터
WO2005076296A1 (ja) 電気化学デバイスおよび電極体
KR101368226B1 (ko) 리튬 2차전지용 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지
KR101211667B1 (ko) 파우치형 슈퍼 커패시터 및 이의 제작 방법
KR100912787B1 (ko) 하이브리드형 전극조립체
KR20230063663A (ko) 용량 및 출력 특성이 향상된 고출력 리튬 이온 커패시터

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
A107 Divisional application of patent
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140318

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150416

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170328

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180418

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190401

Year of fee payment: 9