KR20090035984A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹층을 전극 조립체의 일부 영역에 형성하여 전지의 안정성을 확보할 수 있고, 세라믹층의 품질을 균일하게 유지하여 생산 효율을 증가시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일 면에 형성되는 양극 활물질층및 상기 양극 집전체의 양단에 상기 양극 활물질층이 형성되는 않는 양극 무지부를 구비하는 양극판, 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일 면에 형성되는 음극 활물질층및 상기 음극 집전체의 양단에 상기 음극 활물질층이 형성되는 않는 음극 무지부를 구비하는 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되어 두 전극의 단락을 방지하는 필름 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극 조립체에 있어서, 상기 양극 무지부 및 상기 양극 무지부와 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 영역 중 적어도 어느 하나 또는 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층 및 상기 음극 활물질층과 접하는 상기 필름 세퍼레이터 영역 중 적어도 어느 하나에 세라믹층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
세라믹층, 양극 무지부, 음극 활물질층, 필름 세퍼레이터

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND RECHARGEABLE BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹층을 전극 조립체의 일부 영역에 형성하여 전지의 안정성을 확보할 수 있고, 세라믹층의 품질을 균일하게 유지하여 생산 효율을 증가시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지는 일회용 전지와 달리 충전을 하면 반복해서 사용할 수 있는 전지로, 주로 통신용, 정보처리용, 오디오/비디오용 휴대기기의 주 전원으로 사용되고 있다. 최근에 이차 전지에 대한 관심이 집중되고 개발화가 급속히 이루어지고 있는 주된 이유는 이차 전지가 초경량, 고에너지밀도, 고출력전압, 낮은 자가방전율, 환경 친화적 배터리 및 긴 수명을 가진 전원이기 때문이다.
이차 전지는 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion)전지 등으로 나뉘며, 특히 리튬이온전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 또한, 전극조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형 등 다양 한 종류로 나눠진다.
리튬이온전지는 무게당 에너지 밀도가 일회용 전지에 비해 월등히 높아 초경량 배터리의 구현이 가능하고, 셀당 평균전압은 3.6V로 다른 이차전지인 니카드전지나 니켈수소전지의 평균전압의 3배에 해당하는 효과가 있다. 또한, 리튬이온전지는 자가방전율이 20℃에서 한달에 약 5%미만으로 니카드전지나 니켈수소전지보다 약 1/3수준이고, 카드뮴(Cd)이나 수은(Hg)같은 중금속을 사용하지 않음으로써 환경 친화적이며, 또한, 정상적인 상태에서 1000회 이상의 충방전을 할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이와 같은 장점을 바탕으로 최근의 정보통신기술의 발전과 더불어 그 개발이 급속히 이루어지고 있다.
종래의 이차 전지는 양극판과 음극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 상기 캔의 상단 개구부를 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 베어 셀을 형성한다. 상기 캔이 상기와 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
밀봉된 단위 베어 셀은 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient), 서멀 퓨즈(Thermal Fuse) 및 보호회로기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들과 연결된 상태로 별도의 하드 팩에 수납되거나, 핫 멜트 수지를 이용하여 몰드를 통해 완성된 외관을 형성하게 된다.
한편, 상기 전극 조립체의 세퍼레이터는 올레핀계 필름 세퍼레이터로 이루어 져 두 전극의 단락과 전지의 과열을 방지한다. 그러나, 전지의 온도가 외부 열전이 등의 이유로 갑자기 상승할 경우, 세퍼레이터의 미세 통공이 폐쇄됨에도 불구하고 전지의 온도 상승이 일정 시간 계속되어 세퍼레이터의 파손이 생기는 문제점이 있다.
또한, 고밀도 활물질층에 의해 전지가 고용량화되어 극판의 밀도가 높아지게 되면 극판에 전해액이 스며들지 않아 전지의 주액 속도가 느려지거나 필요한 전해액량 만큼 주액이 되지 못하는 문제점이 있다.
더불어, 전지의 고용량화에 따라 이차 전지에서 단시간에 많은 전류가 흐르는 경우, 세퍼레이터의 미세 통공이 폐쇄되어도 전류 차단에 의해 전지의 온도가 낮아지기 보다는 이미 발생된 열에 의해 세퍼레이터의 용융이 계속되어 세퍼레이터의 파손에 의한 내부 단락이 발생할 가능성이 커지는 문제점이 있다.
따라서, 전극 사이의 내부 단락을 높은 온도에서도 안정적으로 방지하는 것이 요청됨에 따라, 세퍼레이터는 세라믹 필러의 입자가 내열성 바인더와 결합되어 이루어지는 다공막을 가지는 세라믹층으로 구성된다.
즉, 상기 세라믹층은 상기와 같이, 내부 단락에 대한 안전성이 높고, 극판 상에 코팅되어 접착되므로 내부 단락시 수축되거나 녹는 문제가 없다. 또한, 높은 공극율의 세라믹 분말을 사용함으로써 양호한 고율충방전 특성을 가지며, 전해액을 빨리 함습하므로 전해액의 주액 속도를 향상시킨다.
상기 세라믹층을 적용한 종래의 전극 조립체는 양극 집전체의 소정영역에 양극 활물질층이 형성된 양극판과, 음극 집전체의 소정영역에 음극 활물질층이 형성 된 음극판 및 상기 양극판 또는 음극판 상에 전체적으로 도포되어 상기 양극판과 음극판의 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만을 가능하게 하는 세라믹층이 적층된다.
상기와 같이, 상기 세라믹층은 양극판과 음극판이 대향하는 두 면 중 적어도 어느 한 면의 전극 집전체와 전극 활물질층에 전체적으로 형성된다. 따라서, 종래에는 세라믹층은 양극판과 음극판에서 활물질층이 형성되지 않은 시작단과 끝단의 무지부를 제외한 모든 면에 전체적으로 적층함으로써 균일한 두께를 확보하기 어려워 품질관리가 어려우며, 재료비 증가에 따른 생산 효율이 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로 세라믹층을 전극 조립체의 일부 영역에 형성하여 전지의 안정성을 확보할 수 있고, 세라믹층의 품질을 균일하게 유지하여 생산 효율을 증가시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전극조립체는 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일 면에 형성되는 양극 활물질층및 상기 양극 집전체의 양단에 상기 양극 활물질층이 형성되는 않는 양극 무지부를 구비하는 양극판, 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일 면에 형성되는 음극 활물질층및 상기 음극 집전체의 양단에 상기 음극 활물질층이 형성되는 않는 음극 무지부를 구비하는 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되어 두 전극의 단락을 방지하는 필름 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극 조립체에 있어서, 상기 양극 무지부 및 상기 양극 무지부와 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 영역 중 적어도 어느 하나 또는 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층 및 상기 음극 활물질층과 접하는 상기 필름 세퍼레이터 영역 중 적어도 어느 하나에 세라믹층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한,본 발명에서 상기 세라믹층은 상기 필름 세퍼레이터가 접하는 상기 양극 무지부를 포함하는 영역에 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 세라믹층은 상기 필름 세퍼레이터가 접하는 상기 양극 무지부와 상기 양극판의 반대 면에 위치하는 양극 무지부에 더 적층되어 형성될 수 있다. 상기 세라믹층은 상기 양극 무지부를 포함하여 상기 양극판 길이의 2/3 이하로 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층의 일 면에 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층과 상기 음극판의 반대 면의 음극 활물질층에 더 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 세라믹층은 상기 양극 집전체가 접하는 상기 음극 활물질층을 포함하여 상기 음극판 길이의 2/3 이하로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 또한, 본 발명에서 상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 일 면에 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극판의 음극 활물질층이 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 타 면에 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 세라믹층은 상기 양극 무지부가 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 일 면과, 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극판의 음극 활물질층이 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 타 면에 각각 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지는 상기의 구성에 따른 전극조립에와 상기 전극 조립체를 내부에 수용하는 캔 및 상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 조립체가 포함되어 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 세라믹층을 양극 집전체와 음극 활물질층이 접할 수 있는 면 중 적어도 어느 한 면의 일부 영역에 코팅하여 적층함으로써 전지의 안정성을 확보할 수 있고, 재료비 감소에 따른 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 첨부된 예시 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 권취되기 전의 종단면도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 도 1을 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되어 양극판(110)과 음극판(120)의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동만을 가능하게 하는 필 름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 양극판(110)의 일부 영역에 형성되는 세라믹층(130)을 포함한다. 또한, 상기 전극 조립체(100)는 양극판(110)과 음극판(120) 및 필름 세퍼레이터(140)가 권취되어 형성된다. 특히, 상기 세라믹층(130)은 양극판(110)에서 양극 집전체(111)의 양단에 형성되는 양극 무지부(113)를 포함하는 영역에 형성된다.
상기 양극판(110)은 금속 포일로 이루어지는 양극 집전체(111)와 상기 양극 집전체(111)의 적어도 일 면에 양극 활물질 슬러리가 도포되어 형성되는 양극 활물질층(112) 및 상기 양극 집전체(111)의 양단에 상기 양극 활물질층(112)이 형성되는 않는 양극 무지부(113)를 구비하여 형성된다. 상기 양극 무지부(113)에는 양극탭(도면에 도시하지 않음)이 용접되어 설치된다.
상기 양극 집전체(111)는 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 포일(foil)로 이루어진다.
또한, 상기 양극 활물질층(112)은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 접착제로 이루어지며, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용된다. 상기 양극 활물질은 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
상기 음극판(120)은 음극 집전체(121)와 상기 음극 집전체(121)의 적어도 일 면에 형성되는 음극 활물질층(122) 및 상기 음극 집전체(121)의 양단에 상기 음극 활물질층(122)이 형성되는 않는 음극 무지부(123)를 구비하여 형성된다. 상기 음극 무지부(123)에는 음극탭(도면에 도시하지 않음)이 형성된다.
상기 음극 집전체(121)는 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일로 이루어진다.
또한, 상기 음극 활물질층(122)은 음극 활물질, 도전제, 바인더 및 접착제로 이루어지며, 상기 음극 활물질로는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 상기 음극 활물질층(122)은 일반적으로 양극 활물질층(112)의 길이보다 긴 길이로 형성된다. 따라서, 상기 음극 활물질층(122)는 전극 조립체(100)로 권취될때 양단의 일부 영역이 양극 무지부(113)와 대향하게 된다.
상기 양극 활물질층(112) 및 상기 음극 활물질층(122)에 사용되는 바인더는 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)용매에 녹아 있는 아크릴레이트계 바인더로 이루어진다.
상기 세라믹층(130)은 세라믹 필러에 바인더와 용매를 혼합하여 제조한 세라믹 페이스트가 양극판(110)의 양극 무지부(113)을 포함하는 영역에 코팅되어 형성된다. 상기에서 설명한 바와 같이 양극 활물질층(112)의 길이는 음극 활물질층(122)의 길이보다 상대적으로 작게 된다. 따라서, 상기 세라믹층(130)은 양극 무지부(113)와 음극 활물질층(122)의 접촉을 방지하기 위하여 양극 무지부(113) 및 양극 무지부(113)와 인접하는 양극 활물질층(112)을 포함하는 영역에 형성될 수 있다.
상기 세라믹층(130)을 구성하는 세라믹 필러(filler)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 티타늄 산화물(BaTiO3, TiO2) 중 적어도 하나가 사용되며, 이때, 상기 세라믹 필러는 구형이나, 아령형이나, 타원형 또는 무정형으로 형성될 수 있고, 그 입자크기는 0.1㎛ 내지 0.7㎛로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 세라믹층의 두께는 1㎛ 내지 40㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 30㎛로, 그 기공크기는 40㎚ 내지 200㎚로 이루어질 수 있다.
상기 세라믹층(130)에 사용되는 바인더는 주로 고분자 수지로 200℃ 이상의 열에도 견딜 수 있는 아크릴레이트 고무계열인 아크릴레이트나 메타아크릴레이트의 중합체 또는 이들의 공중합체로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 바인더는 다공막 형성용 슬러리 내에 소량 사용되는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 상기 다공막에서 세라믹 필러와 바인더는 질량 기준으로 98:2 내지 85:15의 비율로 혼합될 수 있다. 상기 세라믹 필러는 상기 비율에서 바인더에 의해 완전히 덮이는 것이 방지될 수 있다. 즉, 바인더가 세라믹 필러를 덮어 세라믹 필러 내로 이온 전도가 제한되는 문제를 피할 수 있다.
상기 세라믹층(130)은 세라믹 분말의 분해 온도가 500℃ 이상이고, 또한, 바인더의 분해 온도가 250℃ 이상이므로 내부 단락에 대해서 안전성이 높다. 또한, 상기 세라믹 페이스트는 극판이나 필름 세퍼레이터에 코팅되어 접착되는 형식이므 로 고온에서 수축하거나 녹을 염려가 없다. 따라서, 내부 단락이 일어난 부분에만 작은 손상이 있을 뿐 주변의 세라믹층이 수축하거나 녹는 문제가 없기 때문에 단락 부위가 넓어지지 않는다. 또한, 과충전시 미세 단락(SOFT SHORT)을 일으켜 과충전 전류를 계속 소비함으로써 5V 내지 6V 사이의 일정 전압과 100℃ 이하의 온도를 유지하여 과충전 안전성도 향상된다.
더불어, 세라믹 분말의 특성상 공극률이 높으므로 전해액 함습이 빨라 전해액의 주액속도를 향상시키고 전해액 보액성이 우수하여 전지 수명 및 고율방전 특성을 향상시킨다.
일반적으로, 전지의 온도가 외부 열전이 등의 이유로 갑자기 상승하거나, 전지의 고용량화에 따라 이차 전지에서 단시간에 많은 전류가 흐르는 경우, 필름 세퍼레이터가 파손되어 내부 단락이 발생할 가능성이 커진다.
전지 발화는 충전된 전지의 내부 단락을 원인으로 발생하게 되는데, 하기의 [표 1]은 내부 단락의 종류별 발화 여부를 나타낸 표이다.
양극판
양극활물질층 양극무지부
음극판 음극활물질층 반응없음(미세발열) 발화
음극무지부 반응없음(미세발열) 스파크 발생
상기 양극판(110)의 양극 활물질층(112)이 음극판(120)의 음극 활물질층(122)과 접촉되거나 또는 음극판(120)의 음극 무지부(123)와 접촉되는 경우, 저항이 1 kΩ 이상으로 증가하여 전류의 흐름이 적어짐에 따라 이차전지는 반응이 없거나, 미세한 열이 발생한다.
또한, 양극판(110)의 양극 무지부(113)가 음극판(120)의 음극 무지부(123)와 접촉되는 경우, 저항이 1 kΩ으로 이루어지며 이에 따라 이차전지는 간헐적으로 스파크(spark)가 발생하지만 발화되지는 않는다.
더불어, 양극판(110)의 양극 무지부(113)가 음극판(120)의 음극 활물질층(122)과 접촉되는 경우, 저항이 1 Ω수준으로 이루어지며 이에 따라 이차전지는 큰 발열량을 가지며 발화된다. 즉, 이차전지에서 치명적인 발화는 양극 무지부(113)와 음극 활물질층(122)이 접촉될 때 일어난다. 상기에서 설명한 바와 같이 양극 활물질층(112)의 길이는 음극 활물질층(122)의 길이보다 상대적으로 작게 된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)은 음극 활물질층(122)와 일부 대향하게 되며, 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에 음극 활물질층(122)과 접촉될 가능성이 있게 된다. 따라서, 상기 세라믹층(130)은 양극 무지부(113)에만 형성되어도 대전류가 흐르는 내부 단락을 방지할 수 있다.
상기 필름 세퍼레이터(140)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 수지로 형성되거나, 일반적인 절연테이프로 이루어질 수 있다. 상기 필름 세퍼레이터의 길이는 양극판(110) 및 음극판(120)의 길이에 비해 더 길게 형성됨으로써 양극판(110) 및 음극판(120) 간의 단락을 방지할 수 있다. 또한, 상기 필름 세퍼레이터의 폭은 양극판(110) 및 음극판(120)의 폭에 비해 더 넓게 형성됨으로써 양극판(110) 및 음극판(120) 간의 단락을 방지할 수 있다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 대하여 설명한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 권취 전의 종단면도를 나타낸다.
이하에서 설명하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체는 도 1에 따른 전극 조립체(100)와 세라믹층이 형성되는 위치를 제외하고는 동일 또는 유사하게 형성된다. 따라서, 이하의 설명에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 세라믹층을 중심으로 설명한다. 또한, 상기 전극조립체의 다른 구성요소는 도 1의 전극 조립체(100)의 도면 부호와 동일한 부호를 사용하여 여기서 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 도 2를 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되는 필름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 음극판(120)의 일부 영역(122a)에 형성되는 세라믹층(230)을 포함한다.
상기 세라믹층(230)은 상기 양극 무지부(113)와 대향하는 음극판(120)의 음극 활물질층(122a)을 포함하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에도 음극 활물질층(122)과 직접 접촉되지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(300)는, 도 3을 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되는 필름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 필름 세퍼레이터(140)의 일부 영역(140a)에 형성되는 세라믹층(330)을 포함한다.
상기 세라믹층(330)은 상기 양극 무지부(113)와 접하는 필름 세퍼레이터의 영역(140a)을 포함하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에도 음극 활물질층(122)과 직접 접촉되지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(400)는, 도 4를 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되는 필름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 필름 세퍼레이터(140)의 일부 영역(140b)에 형성되는 세라믹층(430)을 포함한다.
상기 세라믹층(430)은 상기 양극 무지부(113)와 접하는 필름 세퍼레이터의 반대면에서 양극 무지부(113)에 대향하는 영역(140b)을 포함하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에도 음극 활물질층(122)과 직접 접촉되지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(500)는, 도 5를 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되는 필름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 양극판(110)의 일부 영역(113a, 113b)에 형성되는 세라믹층(530)을 포함한다.
상기 세라믹층(530)은 상기 양극판(110)의 양단에서 양면에 형성되는 양극 무지부(113a, 113b)를 포함하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에도 음극 활물질층(122)과 직접 접촉되지 않게 된다. 또한, 상기 양극 무지부(113a, 113b)는 서로 대향하는 또 다른 음극판(도면에 도시하지 않음)의 음극 활물질층과 직접 접촉되지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(600)는, 도 6을 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되는 필름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 음극판(120)의 일부 영역(122a, 122b)에 형성되는 세라믹층(630)을 포함한다.
상기 세라믹층(630)은 상기 음극판(120)의 양면에 형성되는 음극 활물질층(122)에서 양극 무지부(113)와 대향하는 영역(122a, 123b)를 포함하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에도 음극 활물질층(122)과 직접 접촉되지 않게 된다. 또한, 상기 음극 활물질층(122)은 서로 대향하는 또 다른 양극 무지부(도면에 도시하지 않음)와 직접 접촉되지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(700)는, 도 7을 참조하면, 양극판(110)과, 음극판(120)과, 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 개재되는 필름 세퍼레이터(140)를 포함하며, 상기 필름 세퍼레이터(140)의 일부 영역(140a, 140b)에 형성되는 세라믹층(730)을 포함한다.
상기 세라믹층(730)은 상기 양극 무지부(113)와 접하는 필름 세퍼레이터(140)의 영역(140a) 및 상기 필름 세퍼레이터(140)의 반대면에서 양극 무지부(113)에 대향하는 영역(140b)을 포함하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 양극 무지부(113)는 필름 세퍼레이터(140)가 손상되는 경우에도 음극 활물질층(122)과 직접 접촉되지 않게 된다. 더욱이, 상기 세라믹층(730)은 필름 세퍼레이터(140)의 양면에 형성되므로 양극 무지부(113)가 음극 활물질층(122)과 접촉되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 세라믹층(130, 530)은, 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 양극 무지부(113)를 포함하여 양극판(110) 길이의 2/3 이하로 형성될 수 있다. 상기 세라믹층(130, 530)은 필름 세퍼레이터(140)가 손상되었을 때 양극 무지부(113)와 음극 활물질층(122)이 의 직접 접촉되는 것을 방지하게 되므로 양극판(110)에 전체적으로 형성될 필요가 없게 된다. 상기 세라믹층(130, 530)은 양극판(110) 길이의 2/3이하로 형성되면, 양극판(110)이 음극판(120) 및 필름 세퍼레이터(140)와 함께 권취되었을 때, 양극 무지부(113)와 음극 활물질층(122)이 직접 접촉되는 것을 방지하는데 충분하게 된다. 또한, 상기 세라믹층(230, 360)은, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 양극 무지부(113)와 대향하는 상기 음극판(120)의 음극 활물질층(122)의 영역(122a, 122b)을 포함하여 음극판(120) 길이의 2/3 이하로 적층될 수 있다.
다음에는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체가 구비된 이차 전지에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 도 1에 따른 전극 조립체를 포함하는 경우를 중심으로 설명한다. 다만, 상기 이차전지는 도 2 내지 도 7에 따른 전극 조립체가 포함되어 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 이차전지는 각형 이차전지를 중심으로 설명하며, 원통형 이차전지에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(100)와, 상기 전극 조립체가 수용되는 캔(20)과, 상기 캔(20)의 개방된 상부를 밀봉하는 캡 조립체(30)가 포함되어 형성된다.
상기 전극 조립체(100)는 상기에서 설명하였으므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 캔(20)은 대략 직육면체에서 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기로 형성된다. 상기 캔(20)은 경량의 전도성 금속이면서 부식에 대처가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된다. 상기 캔(20)은 양극판(110), 필름 세퍼레이터(140), 음극판(120)으로 이루어진 전극 조립체(100)와 전해액을 수용하는 용기가 된다. 상기 캔(20)은 전극 조립체(100)를 개방된 상단, 즉, 상단 개구부를 통해 수용하게 되며, 캔(20)의 상단 개구부는 캡조립체(30)에 의해 밀봉된다.
상기 캡조립체(30)는 캔(20)의 상단 개구부에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡플레이트(31)가 구비된다.
상기 캡플레이트(31)는 캔(20)과의 결합을 위한 용접성 향상을 위해 캔(20)과 동일한 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 캡플레이트(31)의 중앙부에는 음극 단자(32)가 통과할 수 있도록 단자통공이 형성된다. 상기 음극 단자(32) 외측에는 음극 단자(32)와 캡플레이트(31)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(33)이 설치된다. 상기 캡플레이트(31)의 단자통공 근방에는 절연판(34)이 배치되어 있다. 절연판(34)의 아랫면에는 터미널 플레이트(35)가 설치되어 있다.
상기 캡조립체(30)는 캔(20) 상단과 용접되어 결합되며, 캡플레이트(31)의 전해액주입구(36)를 통해 전해액이 투입된다. 상기 전해액주입구(36)는 볼이 압입되어 이루어진 마개(37)로 밀봉된다.
상기 전극 조립체(100)의 양극판(110)은 양극탭(26)을 통하여 캡조립체(30)의 캡플레이트(31)에 전기적으로 연결되며, 음극판(120)은 음극탭(27)을 통하여 캡플레이트(31)의 음극단자(32)에 전기적으로 연결된다. 따라서 캔(20)은 음극단자(32)와 전기적으로 절연되어 양극단자의 역할을 하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지의 작용을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 제조하기 위해 먼저, 전극 집전체에 활물질 슬러리를 도포하여 상기 전극 집전체 상에 전극 활물질층을 형성한다. 상기 전극 활물질층은 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)용매에 녹아 있는 아크릴레이트계 바인더로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 전극 집전체는 그 시작단과 끝단에 상기 전극 활물질층이 형성되지 않은 무지부가 형성되는데, 상기 무지부의 일 부분에 양극탭과 음극탭을 각각 부착시켜 양극판 및 음극판을 제조한다.
이후, 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 양극판(110)과 상기 음극판 (120)사이에 두 전극의 단락을 방지하는 필름 세퍼레이터(140)를 개재하고, 세라믹층(130)을 상기 필름 세퍼레이터(140)가 접하는 상기 양극 무지부(113)에 적층하거나, 상기 양극 무지부(113)와 대향하는 상기 음극판(120)의 음극 활물질층(122)의 일부 영역에 적층하거나, 상기 양극 무지부(113)가 접하는 상기 필름 세퍼레이터(40)의 일부 영역에 면에 적층하거나, 상기 양극 무지부(113)와 대향하는 상기 음극판(120)의 음극 활물질층(122)이 접하는 상기 필름 세퍼레이터(140)의 일부 영역에 적층할 수 있다.
종래의 세라믹층이 양극판과 음극판이 접할 수 있는 어느 일 면 또는 두 극판의 모든 면에 전체적으로 형성되는 방식과 달리, 이차전지의 치명적인 발화를 유발하는 양극 무지부와 음극 활물질층이 접할 수 있는 면 중 적어도 어느 한 면에 상기 세라믹층이 적층됨으로써 보다 간편하게 전지의 안정성을 확보할 수 있으므로 재료비 감소에 따른 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 종단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 - 전극 조립체
110 - 양극판 111 - 양극 집전체
112 - 양극 활물질층 113 - 양극 무지부
120 - 음극판 121 - 음극 집전체
122 - 음극 활물질층 123 - 음극 무지부
130, 230, 330, 430, 530, 630, 730 - 세라믹층
140 - 필름 세퍼레이터

Claims (11)

  1. 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일 면에 형성되는 양극 활물질층및 상기 양극 집전체의 양단에 상기 양극 활물질층이 형성되는 않는 양극 무지부를 구비하는 양극판, 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일 면에 형성되는 음극 활물질층및 상기 음극 집전체의 양단에 상기 음극 활물질층이 형성되는 않는 음극 무지부를 구비하는 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되어 두 전극의 단락을 방지하는 필름 세퍼레이터가 권취되어 형성되는 전극 조립체에 있어서,
    상기 양극 무지부 및 상기 양극 무지부와 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 영역 중 적어도 어느 하나 또는 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층 및 상기 음극 활물질층과 접하는 상기 필름 세퍼레이터 영역 중 적어도 어느 하나에 세라믹층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 필름 세퍼레이터가 접하는 상기 양극 무지부를 포함하는 영역에 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 필름 세퍼레이터가 접하는 상기 양극 무지부와 상기 양극판의 반대 면에 위치하는 양극 무지부에 더 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 무지부를 포함하여 상기 양극판 길이의 2/3 이하로 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층의 일 면에 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극 활물질층과 상기 음극판의 반대 면의 음극 활물질층에 더 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 집전체가 접하는 상기 음극 활물질층을 포함하여 상기 음극판 길이의 2/3 이하로 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 일 면에 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극판의 음극 활물질층이 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 타 면에 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹층은 상기 양극 무지부가 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 일 면과, 상기 양극 무지부와 대향하는 상기 음극판의 음극 활물질층이 접하는 상기 필름 세퍼레이터의 타 면에 각각 적층되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 1항에 따른 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 내부에 수용하는 캔; 및
    상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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