KR20110082892A - 신규한 구조의 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 전극조립체로서, 상기 전극군들은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 과충전시 분리막이 수축되어 양극과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 양극은 내측으로 만입되어 있는 만입부가 적어도 하나 이상의 측변에 형성되어 있는 전극조립체를 제공한다.

Description

신규한 구조의 전극조립체 {Electrode Assembly of Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 전극조립체로서, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 다수의 전극군들로 구성된 전극조립체로서, 상기 전극군들은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 과충전시 분리막이 수축되어 양극과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 양극은 내측으로 만입되어 있는 만입부가 적어도 하나 이상의 측변에 형성되어 있는 전극조립체에 관한 것이다.
최근 이차전지의 사용량은 모바일 디바이스, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기저장 시스템 등의 분야에 적용되면서 증가하고 있다. 이러한 이차전지의 대표적인 예로서 리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 흑연 등의 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 삽입되고, 방전시에는 반대로 탄소 층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 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.
또한, 전지셀의 과충전시 열에 의해 분리막이 수축되므로, 양극과 음극이 서로 접촉하면서 쇼트가 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같이 분리막의 수축으로 인한 양극과 음극의 쇼트 문제를 해결할 수 있는 특정 구조의 전극조립체에 대한 기술이 매우 필요한 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 양극에 만입부를 적어도 하나 이상의 측변에 내측으로 만입되도록 형성하는 경우, 과충전시 분리막이 수축되어 양극과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 방지함을 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, 과충전시 분리막이 수축되어 양극과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 양극은 내측으로 만입되어 있는 만입부가 적어도 하나 이상의 측변에 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극군들을 구성하는 양극의 측변에 내측으로 만입되어 있는 만입부를 적어도 하나 이상 형성함으로써 과충전시 분리막이 수축되더라도 양극과 음극이 서로 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
바람직한 하나의 예로서, 상기 양극은 음극보다 작은 크기로 형성되어서, 리튬 이온의 석출을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 만입부는 바람직하게는 전극탭이 형성되어 있는 상단 변을 기준으로 그것의 양 측변에 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
본 출원의 발명자들이 실험한 결과에 의하면, 도 1에서 보는 바와 같이, 전지셀의 과충전시 전지셀의 가운데 부분이 가장 스웰링이 심하게 나타난다. 즉, 분리막에 열수축이 발생할 때 전지셀의 측면 가운데 부분이 가장 많이 수축되고, 이 때 전지셀의 양극과 음극이 서로 접하면서 쇼트가 발생하게 된다.
따라서, 상기와 같은 사실을 바탕으로, 만입부를 전지셀의 양 측변에 형성함으로써, 분리막의 수축이 발생하더라도 분리막이 양극보다 크게 되므로, 양극과 음극이 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 만입부의 크기는 측변의 길이에 대해 10 내지 50%의 폭과 1 내지 30%의 깊이(또는 높이)로 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 만입부의 크기가 측변의 길이에 대해 10%의 폭과 1%의 깊이보다 작은 크기로 이루어지면, 분리막의 수축에 의해 양극과 음극이 접촉되는 것을 방지하기 어렵고, 반대로, 측변의 길이에 대해 50%의 폭과 30%의 깊이보다 큰 크기로 이루어지면, 양극의 전지용량이 감소되므로 바람직하지 않다.
상기 만입부는 분리막의 수축에 따른 양극과 음극의 접촉을 방지할 수 있는 형상이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 삼각형, 사각형, 반원형, 또는 타원형으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
특히, 과충전시 분리막이 완만하게 타원형으로 수축되는 경향이 있으므로, 상기 만입부는 분리막의 수축 형상에 대응하는 타원형으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이 경우, 장착의 곡률 반경은 측변의 길이를 기준으로 40 내지 500% 크기의 범위일 수 있다.
상기 분리막의 크기는 정상적인 상태에서 양극과 음극의 접촉에 따른 쇼트를 방지할 수 있도록, 양극 및 음극의 크기보다 크게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 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. 이러한 젤리-롤형과 스택형의 복합형 구조로서, 스택형 방식에 의해 작은 단위의 유닛셀로서 바이셀 또는 풀셀을 만들고 이들을 긴 분리필름(분리막 시트) 상에 다수 개 위치시킨 후 순차적으로 권취하여 전체적으로 대략 판상형의 구조로 만든 스택/폴딩형 전극조립체도 존재한다.
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 발명에서 상기 전극조립체는 바람직하게는 스택형 또는 스택/폴딩형의 구조로 이루어져 있으며, 더욱 바람직하게는 전극군으로서 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전극조립체는 긴 분리막 시트 상에 다수의 바이셀들을 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 적층시킨 구조로 이루어질 수 있다.
상기 구조에서, 분리막은 바이셀들의 권취방향으로 수축이 발생하는 구조일 수 있다.
구체적으로는, 과충전시 분리막이 MD(Moving Direction) 방향으로 수축(shrinkage)이 발생하여 안전성이 저하되는 바, 쇼트에 취약한 양극의 사각형 형상을 특정 구조로 변경함으로써 쇼트의 가능성을 줄여 안전성을 향상시킬 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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극조립체의 전극군들 중 양극에 만입부를 적어도 하나 이상의 측변에 내측으로 만입되도록 형성함으로써, 과충전시 분리막이 수축되어 양극과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 효과적으로 방지하여, 결과적으로 전극조립체의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 전지셀의 과충전 상태를 나타내는 사진이다;
도 2 내지 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극조립체의 부분 모식도들이다;
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 조립 전과 조립되는 과정을 나타낸 사시도들이다.
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 2 내지 도 5에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극조립체의 부분 모식도들이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극군들은 분리막(130)이 개재된 상태에서 양극(110)과 음극(도시하지 않음)이 대면하는 구조로 이루어져 있고, 양극(110)은 내측으로 만입되어 있는 만입부(112)가 양 측변에 형성되어 있어서, 과충전시 분리막(130)이 수축되어 양극(110)과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 방지하게 된다. 도시하지 않은 음극은 상기와 같은 만입부를 포함하고 있지 않거나 적어도 양극(110)의 만입부(112)보다 작은 크기의 만입부를 포함함으로써, 분리막의 수축에 의한 쇼트를 방지한다.
만입부(112)는 전극탭(120)이 형성되어 있는 상단 변을 기준으로 그것의 양 측변에 형성되어 있고, 사각형의 형상으로 이루어져 있다.
또한, 만입부(112)의 크기는 측변의 길이(L)에 대해 40%의 폭(w)과 10%의 깊이(h)로 이루어져 있고, 분리막(130)의 크기는 양극(110) 및 음극의 크기보다 크게 형성되어 있다.
도 3의 전극조립체(100a)는 만입부(112a)가 삼각형 형상이고, 도 4의 전극조립체(100b)는 만입부(112a)가 반원형 형상으로 이루어져 있다.
도 5의 전극조립체(100c)는 만입부(112c)가 전반적으로 타원형 형상으로 이루어져 있고, 전반적으로 도 5의 만입부(112a) 보다 큰 곡률반경을 형성하고 있다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 조립 전과 조립되는 과정을 나타낸 사시도가 각각 도시되어 있다.
도 6을 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 단부에는 높은 레이트 특성을 가지는 바이셀(21, 22)로 구성한다.
도 7에는 권취 과정이 거의 마무리된 상태의 전극조립체가 도시되어 있는 바, 권취된 상태에서 양극 단자(11)와 음극 단자(12)는 각각 동일한 일측 방향으로 적층된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 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, 과충전시 분리막이 수축되어 양극과 음극의 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 양극은 내측으로 만입되어 있는 만입부가 적어도 하나 이상의 측변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 음극보다 작은 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부는 전극탭이 형성되어 있는 상단 변을 기준으로 그것의 양 측변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부의 크기는 측변의 길이에 대해 10 내지 50%의 폭과 1 내지 30%의 깊이(또는 높이)인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부는 삼각형, 사각형, 반원형, 또는 타원형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 타원형은 장축의 곡률 반경이 측변의 길이를 기준으로 40 내지 500% 크기의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 크기는 양극 및 음극의 크기보다 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극군으로서 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 긴 분리막 시트 상에 다수의 바이셀들을 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취하여 적층시킨 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 분리막은 바이셀들의 권취방향으로 수축이 발생하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
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