KR20110135199A - 전극 어셈블리 및 이를 적용한 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 어셈블리는 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하는 제1 전극과, 제2 전극 집전체와 상기 제2 전극 집전체 상에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성된다.

Description

전극 어셈블리 및 이를 적용한 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND RECHARGEABLE BATTERY USING THEREOF}
본 발명은 전극 어셈블리 및 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집전체와 활물질층의 결합 구조를 개선한 전극 어셈블리 및 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원 및 전력 저장용 전지 등으로 널리 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 대용량 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 대용량 고출력 이차 전지는 전력 저장용이나 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 고출력의 전지 모듈로 구성된다.
또한, 이러한 이차 전지는 원통형과 각형, 파우치형 등으로 이루어질 수 있다.
이차 전지는 양극과 음극 및 양극과 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 바, 양극 및 음극은 금속 박막으로 이루어진 집전체와 집전체 상에 형성된 활물질층을 포함한다. 일반적으로 집전체 상에 활물질층이 코팅으로 부착되는 바, 활물질층이 집전체에 안정적으로 부착되지 못하여 활물질층이 집전체에서 이탈하거나 활물질층과 집전체 사이의 간격이 커지면 충전과 방전 효율이 저하된다. 특히 충전과 방전을 반복하는 동안 전극이 팽창하게 되는데, 이 과정에서 팽창율이 서로 다른 활물질층과 집전체가 분리되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 집전체와 활물질층을 안정적으로 결합시킬 수 있는 전극 어셈블리와 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 어셈블리는 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하는 제1 전극과, 제2 전극 집전체와 상기 제2 전극 집전체 상에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성된다.
상기 지지부는 상기 제1 전극 집전체의 가장자리를 따라 이어져 형성될 수 있으며, 상기 제1 전극 집전체는 제1 전극 활물질층이 부착된 부착영역과 제1 전극 활물질층이 부착되지 않은 미부착영역을 포함할 수 있다.
상기 지지부는 상기 부착영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 상기 지지부의 내측에는 상기 지지부가 형성되지 아니한 평탄부가 형성될 수 있으며, 상기 지지부는 상기 부착영역의 코너부에 형성될 수 있다.
상기 부착영역의 가장자리에는 복수 개의 지지부가 형성된 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 상기 테두리부 보다 더 작은 평균 표면단차를 갖는 평탄부가 형성될 수 있으며, 상기 테두리부의 평균 표면단차는 상기 평탄부의 표면 걸치기의 5배 내지 60배로 이루어질 수 있으며, 상기 평탄부의 평균 표면단차는 0.1㎛ ~ 1㎛이고, 상기 테두리부의 평균 표면단차는 5㎛ ~ 6㎛로 이루어질 수 있다.
상기 지지부는 홈으로 이루어지고 상기 결합부는 돌기로 이루어질 수 있으며, 상기 홈의 측면은 상기 홈의 바닥쪽으로 갈수록 상기 홈의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성되고, 상기 돌기의 측면은 상기 돌기의 돌출된 단부쪽으로 갈수록 상기 돌기의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성되고, 상기 돌기는 돌출된 단부인 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 지지부는 돌기로 이루어지고 상기 결합부는 홈으로 이루어질 수 있으며, 상기 돌기의 측면은 상기 돌기의 돌출된 단부쪽으로 갈수록 상기 돌기의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성되고, 상기 홈의 측면은 상기 홈의 바닥쪽으로 갈수록 상기 홈의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌기는 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성되고, 상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 어셈블리는 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하는 제1 전극과, 제2 전극 집전체와 상기 제2 전극 집전체 상에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 평탄부가 형성되며, 상기 테두리부는 상기 평탄부 보다 더 큰 평균 표면단차를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극과 상기 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리와 상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스, 및 상기 전극 어셈블리와 전기적으로 연결되며 상기 케이스의 외측으로 노출된 단자를 포함하며, 상기 제1 전극은 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성된다.
상기 지지부는 상기 제1 전극 집전체의 가장자리를 따라 이어져 형성될 수 있으며, 상기 제1 전극 집전체는 제1 전극 활물질층이 부착된 부착영역과 제1 전극 활물질층이 부착되지 않은 미부착영역을 포함할 수 있다.
상기 지지부는 상기 부착영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 상기 홈의 내측에는 홈이 형성되지 아니한 평탄부가 형성될 수 있으며, 상기 지지부는 상기 미부착영역의 코너부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 부착영역의 가장자리에는 복수 개의 지지부가 형성된 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 상기 테두리부 보다 더 작은 평균 표면단차를 갖는 평탄부가 형성될 수 있으며, 상기 테두리부의 평균 표면단차는 상기 평탄부의 평균 표면단차의 5배 내지 60배로 이루어질 수 있으며, 상기 평탄부의 평균 표면단차는 0.1㎛ ~ 1㎛이고, 상기 테두리부의 평균 표면단차는 5㎛ ~ 6㎛일 수 있다.
상기 지지부는 홈으로 이루어지고 상기 결합부는 상기 홈에 삽입되는 돌기로 이루어질 수 있으며, 상기 홈의 측면은 상기 홈의 바닥쪽으로 갈수록 상기 홈의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성되고, 상기 돌기의 측면은 상기 돌기의 돌출된 단부쪽으로 갈수록 상기 돌기의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성되고, 상기 돌기는 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 지지부는 돌기로 이루어지고 상기 결합부는 홈으로 이루어질 수 있으며, 상기 돌기의 측면은 상기 돌기의 돌출된 단부쪽으로 갈수록 상기 돌기의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성되고, 상기 홈의 측면은 상기 홈의 바닥쪽으로 갈수록 상기 홈의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌기는 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성되고, 상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성될 수 있다
한편, 상기 제2 전극은 제2 전극 집전체와 상기 제2 전극 집전체 상에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제2 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극과 상기 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리와 상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스, 및 상기 전극 어셈블리와 전기적으로 연결되며 상기 케이스의 외측으로 노출된 단자를 포함하며, 상기 제1 전극은 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 평탄부가 형성되며, 상기 테두리부는 상기 평탄부 보다 더 큰 평균 표면단차를 갖는다.
본 발명의 실시예들에 의하면 활물질층과 집전체가 안정적으로 결합되어 활물질층과 집전체가 분리되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 전극 어셈블리와 이차 전지의 충전과 방전 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 전극을 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 제2 전극을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 분해 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 제1 전극의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 분해 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1, 및 도 2를 참조하여 설명하면, 이차 전지는 충전과 방전을 행하는 전극 어셈블리(10)와 전극 어셈블리(10)가 내장되는 케이스(25)를 포함한다.
케이스(25)는 이차 전지(101)의 전체적인 외관을 형성하며, 전극 어셈블리(10)를 내장하는 공간을 제공한다. 케이스(25)는 필름이 접합된 파우치형으로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 케이스는 원통형 또는 각형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
전극 어셈블리(10)에는 제1 단자(21)와 제2 단자(22)가 전기적으로 연결되고, 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 케이스(25)의 외측으로 돌출된다.
제1 단자(21)는 제1 전극 집전탭(23)을 통해서 양극 미부착영역(11a)에 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)는 제2 전극 집전탭(24)을 통해서 제2 전극 미부착영역(12a)에 전기적으로 연결된다. 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 케이스(25)의 외측으로 돌출되며 제1 단자(21) 및 제2 단자(22)와 케이스(25) 사이에는 절연 및 실링을 위한 절연층(28)이 설치된다. 본 실시예에 따른 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 케이스에서 동일한 방향으로 돌출되나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 단자(21)와 제2 단자(22)는 반대 방향으로 돌출될 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 어셈블리(10)는 제1 전극(11), 제2 전극(12), 및 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 배치된 세퍼레이터(13)를 포함한다. 전극 어셈블리(10)는 시트(sheet) 형상으로 이루어진 복수 개의 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에도 두고 교대로 적층된 구조로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 띠 형상으로 이루어진 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에도 두고 배치되어 권취된 구조로 이루어질 수도 있다.
세퍼레이터(13)는 다공성 시트로 이루어지는데, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 절연하며, 전자가 이동하는 통로를 제공한다. 세퍼레이터(13)는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계의 단일 또는 복합 필름, 마닐라 페이퍼 등으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(11)은 제1 전극 집전체(112)와 제1 전극 집전체(112)의 양면에 부착된 제1 전극 활물질층(113)을 포함한다. 제1 전극 활물질층(113)은 제1 전극 집전체(112) 상에 코팅되거나, 라미네이팅되어 부착된다.
제1 전극 집전체(112)는 사각 시트 형상으로 형성되며, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 소재로 이루어진다.
제1 전극 활물질층(113)은 LiCoO2, LiMnO2, LiFePO4, LiNiO2, LiMn2O4, 또는 탄소계 활물질, 3원계 활물질 등과 도전제, 바인더 등으로 이루어진다. 제1 전극 집전체(112)의 상단에는 제1 전극 활물질층(113)이 형성되지 아니하고 제1 전극 집전체(112)가 노출된 제1 전극 미부착영역(11a)가 형성된다. 이 제1 전극 미부착영역(11a)에는 제1 단자(21)가 용접 등으로 부착된다.
본 실시예에서는 제1 전극(11)이 양극이고, 제2 전극(12)이 음극인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 전극(11)이 음극이 되고, 제2 전극(12)이 양극이 될 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제2 전극(12)은 제2 전극 집전체(122)와 제2 전극 집전체(122)의 양면에 부착된 제2 전극 활물질층(123)을 포함한다.
제2 전극 집전체(122)는 구리, 또는 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 등의 소재로 이루어지며, 제2 전극 활물질층(123)은 Li4Ti5O12 또는 탄소계 활물질, 도전제, 바인더 등으로 이루어진다. 제2 전극(12)의 상단에는 제2 전극 활물질층(123)이 형성되지 아니하고 제2 전극 집전체(122)가 노출된 제1 전극 미부착영역(12a)이 형성된다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 전극을 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 제1 전극 집전체(112)에는 제1 전극 활물질층(113)이 부착되는 부착영역(11b)과 제1 전극 활물질층(113)이 부착되지 않는 미부착영역(11a)이 형성된다. 부착영역(11b)은 사각형상으로 이루어지며, 미부착영역(11a)은 부착영역의 상단에서 돌출 형성된다.
제1 전극 집전체(112)의 가장자리에는 홈(112b)으로 이루어진 지지부가 형성되는 바, 홈(112b)은 제1 전극 집전체(112)의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 홈(112b)의 내측에는 홈(112b)이 형성되지 아니한 평탄부(112a)가 형성된다. 홈(112b)은 제1 전극 집전체(112) 중에서도 부착영역(11b)의 가장자리에 형성된다. 평탄부(112a)는 평평한 표면을 갖는 사각 형상의 영역으로 이루어지며, 홈(112b)은 평탄부(112a)의 둘레를 감싸는 사각 고리 형상으로 이루어진다. 평탄부(112a)와 홈(112b)은 제1 전극 집전체(112)의 양면에 각각 형성된다.
제1 전극 활물질층(113)은 제1 전극 집전체(112)의 양면에 각각 부착되는 바, 제1 전극 활물질층(113)에는 홈(112b)에 끼움 결합되는 돌기(113a)로 이루어진 결합부가 형성된다. 돌기는 제1 전극 활물질층(113)의 가장자리를 따라 이어져 형성되어 홈(112b)에 삽입된다.
본 실시예와 같이 제1 전극 집전체(112)의 가장자리에 홈(112b)으로 이루어진 지지부가 형성되고, 제1 전극 활물질층(113)에는 지지부에 삽입되며 돌기(113a)로 이루어진 결합부가 형성되면 홈(112b)과 돌기(113a)의 결합에 의하여 제1 전극 활물질층(113)이 제1 전극 집전체(112)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 충전과 방전을 반복하면서 제1 전극 집전체(112)와 제1 전극 활물질층(113)이 팽창하는 경우에도 제1 전극 활물질층(113)이 홈(112b)에 삽입되어 함께 팽창하므로 제1 전극 활물질층(113)이 제1 전극 집전체(112)에 더욱 안정적으로 부착된다. 특히, 제1 전극 집전체(112)의 가장자리에 홈(112b)이 형성되므로 가장지리에서 제1 전극 활물질층(113)이 이탈하는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 제2 전극을 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 제2 전극(12)을 살펴보면 제2 전극 집전체(122) 상에 홈(122b)으로 이루어진 지지부가 형성되고, 제2 전극 활물질층(123)에는 홈(122b)에 삽입되는 돌기(123a)로 이루어진 체결부가 형성된다. 또한, 홈(112b)의 내측에는 홈(112b)이 형성되지 아니한 평탄부(112a)가 형성되며, 홈(112b)은 평탄부(112a)의 외측을 따라 이어져 형성된다. 제2 전극(12)은 제1 전극(11)과 동일한 구조로 이루어지므로 제2 전극(12)에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극(31)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 전극(31)은 제1 전극 집전체(312)와 제1 전극 집전체(312) 상에 부착된 제1 전극 활물질층(313)을 포함하며, 제1 전극 집전체(312)의 가장자리에는 돌기(312b)로 이루어진 지지부가 형성된다. 돌기(312b)는 제1 전극 집전체(312)에서 제1 전극 활물질층(313)이 부착된 영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되고 돌기(312b)의 내측에는 돌기(312b)가 형성되지 아니한 평탄부(312a)가 형성된다.
한편, 제1 전극 활물질층(313)에는 돌기(312b)가 삽입되는 홈(313a)으로 이루어진 결합부가 형성되는 바, 돌기(312b)가 홈(313a)에 삽입되어 제1 전극 집전체(312)와 제1 전극 활물질층(313)이 끼움 결합된다. 본 실시예와 같이 제1 전극 집전체(312)에 형성된 돌기(312b)가 제1 전극 활물질층(313)에 형성된 홈(313a)에 끼워지면 제1 전극 활물질층(313)이 제1 전극 집전체(312)에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극(41)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 전극(41)은 제1 전극 집전체(412)와 제1 전극 집전체(412) 상에 부착된 제1 전극 활물질층(413)을 포함하며, 제1 전극 집전체(412)의 가장자리에는 홈(412b)이 형성된다. 홈(412b)은 제1 전극 집전체(412)에서 제1 전극 활물질층(413)이 부착된 영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 홈(412b)의 내측에는 홈(412b)가 형성되지 아니한 평탄부(412a)가 형성된다. 홈(412b)은 홈(412b)의 상부에 형성된 입구와 입구와 대향하는 하부에 형성된 바닥을 갖는 바, 홈(412b)의 입구 측의 면적은 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성된다.
한편, 제1 전극 활물질층(413)에는 홈(412b)에 삽입되는 돌기(413a)가 형성되는 바, 돌기(413a)는 상단의 면적이 하단보다 크게 형성된다. 또한, 돌기(413a)와 홈(412b)은 끼움 결합되는 바, 돌기(413a)의 상단 면적은 홈(412b)의 입구 측의 면적보다 더 크게 형성된다.
본 실시예와 같이 홈(412b)의 입구 측 면적이 바닥 측 면적보다 더 작게 형성되고, 이에 삽입되는 돌기(413a)도 상단의 면적이 하단의 면적보다 크게 형성되면 돌기(413a)가 홈(412b)에서 쉽게 이탈되지 못하므로 제1 전극 활물질층(413)이 제1 전극 집전체(412)에 더욱 안정적으로 고정된다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극()의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 전극(51)은 제1 전극 집전체(512)와 제1 전극 집전체(512) 상에 부착된 제1 전극 활물질층(513)을 포함하며, 제1 전극 집전체(512)의 가장자리에는 돌기(512b)가 형성된다. 돌기(512b)는 제1 전극 집전체(512)에서 제1 전극 활물질층(513)이 부착된 영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되며, 돌기(512b)의 내측에는 돌기(512b)가 형성되지 아니한 평탄부(512a)가 형성된다. 돌기(512b)의 측면은 경사지게 형성되는 바, 돌기의 측면은 돌기(512b)의 돌출된 단부쪽으로 갈수록 돌기(512b)의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성된다. 이에 따라 돌기(512b)의 상단의 면적은 제1 전극 집전체(512)의 상면과 이어진 하단의 면적 보다 더 크게 형성된다.
한편, 제1 전극 활물질층(513)에는 돌기(512b)가 삽입되는 홈(513a)이 형성되는 바, 홈(513a)의 측면은 홈(513a)의 바닥쪽으로 갈수록 홈(513a)의 중심에서 멀어지도록 경사지게 형성된다. 이에 따라 홈(513a)의 바닥 측 면적이 입구 측 면적보다 더 크게 형성된다. 또한, 돌기(512b)와 홈(513a)은 끼움 결합되는 바, 돌기(512b)의 상단 면적은 홈(513a)의 입구 측의 면적보다 더 크게 형성된다.
본 실시예와 같이 돌기(512b)도 상단의 면적이 하단의 면적보다 크게 형성되고, 이에 끼움 결합되는 홈(513a)의 입구 측 면적이 바닥 측 면적보다 더 작게 형성되면 돌기가 홈에서 쉽게 이탈되지 못하므로 제1 전극 활물질층이 제1 전극 집전체에 더욱 안정적으로 고정된다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 분해 사시도이고, 도 11은 도 10에 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 제1 전극의 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극(61)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 전극(61)은 제1 전극 집전체(612)와 제1 전극 집전체(612) 상에 부착된 제1 전극 활물질층(613)을 포함한다.
제1 전극 집전체(612)에는 제1 전극 활물질층(613)이 부착되는 부착영역(61b)과 제1 전극 활물질층(613)이 부착되지 않는 미부착영역(61a)이 형성된다. 부착영역(61b)은 사각형상으로 이루어지며, 미부착영역(61a)은 부착영역의 상단에서 돌출 형성된다.
제1 전극 집전체(612)의 가장자리에는 복수 개의 홈이 형성된 테두리부(612b)가 형성된다. 홈은 이어져 형성될 수 있으며, 복수 개의 홈이 이격 형성될 수도 있다.
테두리부(612b)는 제1 전극 집전체(612)의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 테두리부(612b)의 내측에는 테두리부(612b) 보다 더 작은 표면단차를 갖는 평탄부(612a)가 형성된다. 테두리부(612b)의 평균 표면단차(Er)는 평탄부의 평균 표면단차(Fr)의 5배 내지 60배가 된다. 테두리부(612b)의 평균 표면단차(Er)는 5㎛ 내지 6㎛이며, 평탄부(612a)의 평균 표면단차(Fr)는 0.1㎛ 내지 1㎛로 이루어질 수 있다. 여기서 평균 표면단차라 함은 표면에 형성된 요철의 높이의 평균을 의미한다.
테두리부(612b)는 제1 전극 집전체(612) 중에서도 부착영역의 가장자리에 형성된다. 평탄부(612a)는 평평한 표면을 갖는 사각 형상의 영역으로 이루어지며, 테두리부(612b)는 평탄부의 둘레를 감싸는 사각 고리 형상으로 이루어진다. 테두리부(612b)와 맞닿는 제1 전극 활물질층(613)에는 테두리부(612b)와 맞닿는 돌기들(613a)이 형성되어 있다.
본 실시예와 같이 제1 전극 집전체(612)에 평탄부(612a)보다 더 큰 표면단차를 갖는 테두리부(612b)를 형성하면 테두리부(612b)에서 제1 전극 활물질층(613)을 지지하여 제1 전극 활물질층(613)이 제1 전극 집전체(612)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 제1 전극 집전체(612)의 가장자리에만 테두리부(612b)를 형성함으로써 제1 전극 집전체(612) 전체에 울퉁불퉁한 요철이 형성되어 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
1회 2회 3회
비교예 4.090*10-6Ω 4.078*10-6Ω 4.086*10-6Ω
실시예 2.739*10-6Ω 2.809*10-6Ω 2.734*10-6Ω
상기한 [표 1]은 알루미늄 박판의 표면에 스크래치를 형성한 후, 비저항을 측정한 것이다. 알루미늄 박판은 가로 및 세로가 8mm이고, 두께가 30㎛인 것을 사용하였다.
실시예는 알루미늄 박판의 양면 테두리에만 스크래치를 형성한 것이며, 비교예는 알루미늄 박판의 양면 전체에 스크래치를 형성한 것이다. 알루미늄 박판을 1회 에서 3회까지 스크래칭한 후, 각각의 비저항을 측정하였다. [표 1]에 나타난 바와 같이 실시예의 비저항은 비교예의 비저항의 70%보다 더 작은 것을 알 수 있으며, 스크래치의 횟수에 따라서 비저항이 크게 변하지 않았다. 이와 같이 비저항이 차이가 나는 이유는 스크래치로 인하여 알루미늄 박막의 표면적이 확대되고 전류의 이동거리가 길어졌기 때문이다.
매우 작은 크기의 알루미늄 박판을 샘플로 하여 비저항이 상대적으로 작게 측정되었으나, 크기가 큰 알루미늄 박판의 경우에는 비저항이 상대적으로 크게 나타나게 된다. 이와 같이 비저항이 증가하면 충전과 방전 효율이 저하될 뿐만 아니라 열이 많이 발생하여 이차 전지의 수명이 감소하는 문제가 발생한다. 그러나 본 실시예와 같이 테두리 부분에만 스크래치를 형성하면 비저항이 거의 증가하지 않고도 제1 전극 활물질층을 제1 전극 집전체에 안정적으로 고정할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 이차 전지의 제1 전극을 도시한 분해 사시도이다.
도 12를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극(71)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 전극 집전체(712)에는 제1 전극 활물질층(713)이 부착되는 부착영역(71b)과 제1 전극 활물질층(713)이 부착되지 않는 미부착영역(71a)이 형성된다. 부착영역(71b)은 사각형상으로 이루어지며, 미부착영역(71a)은 부착영역의 상단에서 돌출 형성된다.
제1 전극 집전체(712)의 가장자리에는 홈(712b)이 형성되는 바, 홈(712b)은 제1 전극 집전체(712)의 모서리 부분에 형성된다. 제1 전극 집전체(712)는 대략 사각 시트 형상으로 이루어지는 바, 홈(712b)은 제1 전극 집전체(712)의 4곳의 모서리에 각각 형성된다. 홈(712b)의 내측에는 홈(712b)이 형성되지 아니한 평탄부(712a)가 형성된다.
홈(712b)은 제1 전극 집전체(712) 중에서도 부착영역(71b)의 모서리 부분에 형성되며 홈(712b)은 대략 L자 형태로 이루어진다. 평탄부(712a)는 평평한 표면을 갖는 사각 형상의 영역으로 이루어지며, 홈(712b)과 평탄부(712a)는 제1 전극 집전체(712)의 양면에 각각 형성된다.
제1 전극 활물질층(713)은 제1 전극 집전체()의 양면에 각각 부착되는 바, 제1 전극 활물질층(713)에는 홈(712b)에 삽입되는 돌기(713a)가 형성된다. 돌기(713a)는 L자 형태로 이루어지며 제1 전극 활물질층(713)의 모서리 부분에 형성되어 홈(712b)에 끼움 결합된다.
본 실시예와 같이 제1 전극 집전체(712)의 가장자리에 홈(712b)을 형성하고, 제1 전극 활물질층(713)에 돌기(713a)를 형성하면 홈(712b)과 돌기(713a)의 끼움 결합에 의하여 제1 전극 활물질층(713)이 제1 전극 집전체(712)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
100: 이차 전지 10: 전극 어셈블리
11, 31, 41, 51, 61, 71: 제1 전극 11a, 61a, 71a: 미부착영역
11b, 61b, 71b: 부착영역
112, 312, 412, 512, 612, 712: 제1 전극 집전체
112a, 312a, 412a, 512a, 612a, 712a: 평탄부
112b, 313a, 412b, 513a, 712b: 홈
113, 313, 413, 513, 613, 713: 제1 전극 활물질층
113a, 312b, 413a, 512b, 613a, 713a: 돌기
12: 제2 전극 12a: 미부착영역
122: 제2 전극 집전체 122b: 홈
123: 제2 전극 활물질층 123a: 돌기
13: 세퍼레이터 21: 제1 단자
22: 제2 단자 23: 제1 전극 집전탭
24: 제2 전극 집전탭 25: 케이스
28: 절연층 612b: 테두리부

Claims (24)

  1. 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하는 제1 전극;
    제2 전극 집전체와 상기 제2 전극 집전체 상에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터;
    를 포함하고,
    상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성된 전극 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 집전체는 제1 전극 활물질층이 부착된 부착영역과 제1 전극 활물질층이 부착되지 않은 미부착영역을 포함하는 전극 어셈블리.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 부착영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 상기 지지부의 내측에는 상기 지지부가 형성되지 아니한 평탄부가 형성된 전극 어셈블리.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 부착영역의 코너부에 형성된 전극 어셈블리.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 부착영역의 가장자리에는 복수 개의 지지부가 형성된 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 상기 테두리부 보다 더 작은 평균 표면단차를 갖는 평탄부가 형성된 전극 어셈블리.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 테두리부의 평균 표면단차는 상기 평탄부의 평균 표면단차의 5배 내지 60배인 전극 어셈블리.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 평탄부의 평균 표면단차는 0.1㎛ ~ 1㎛이고, 상기 테두리부의 평균 표면단차는 5㎛ ~ 6㎛인 전극 어셈블리.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 지지부는 홈으로 이루어지고 상기 결합부는 돌기로 이루어진 전극 어셈블리.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성되고, 상기 돌기는 돌출된 단부인 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성된 전극 어셈블리.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 지지부는 돌기로 이루어지고 상기 결합부는 홈으로 이루어진 전극 어셈블리.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 돌기는 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성되고, 상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성된 전극 어셈블리.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제2 전극 활물질층에는 상기 제2 전극 집전체의 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성된 전극 어셈블리.
  13. 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하는 제1 전극;
    제2 전극 집전체와 상기 제2 전극 집전체 상에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터;
    를 포함하고,
    상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 평탄부가 형성되며, 상기 테두리부는 상기 평탄부 보다 더 큰 평균 표면단차를 갖는 전극 어셈블리.
  14. 제1 전극과 상기 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리;
    상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스; 및
    상기 전극 어셈블리와 전기적으로 연결되며 상기 케이스의 외측으로 노출된 단자;
    를 포함하며,
    상기 제1 전극은 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 홈 또는 돌기로 이루어진 지지부가 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층에는 상기 지지부에 끼움 결합된 결합부가 형성된 이차 전지.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 전극 집전체는 제1 전극 활물질층이 부착된 부착영역과 제1 전극 활물질층이 부착되지 않은 미부착영역을 포함하는 이차 전지.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 부착영역의 가장자리를 따라 이어져 형성되고, 상기 홈의 내측에는 홈이 형성되지 아니한 평탄부가 형성된 이차 전지.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 미부착영역의 코너부에 형성된 이차 전지.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 부착영역의 가장자리에는 복수 개의 지지부가 형성된 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 상기 테두리부 보다 더 작은 평균 표면단차를 갖는 평탄부가 형성된 이차 전지.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 테두리부의 평균 표면단차는 상기 평탄부의 평균 표면단차의 5배 내지 60배인 이차 전지.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 지지부는 홈으로 이루어지고 상기 결합부는 돌기로 이루어진 이차 전지.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성되고, 상기 돌기는 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성된 이차 전지.
  22. 제14 항에 있어서,
    상기 지지부는 돌기로 이루어지고 상기 결합부는 홈으로 이루어진 이차 전지.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 돌기는 상단의 면적이 하단의 면적보다 더 크게 형성되고, 상기 홈은 입구 측의 면적이 바닥 측의 면적보다 더 작게 형성된 이차 전지.
  24. 제1 전극과 상기 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리;
    상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스; 및
    상기 전극 어셈블리와 전기적으로 연결되며 상기 케이스의 외측으로 노출된 단자;
    를 포함하며,
    상기 제1 전극은 제1 전극 집전체와 상기 제1 전극 집전체 상에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극 집전체의 가장자리에는 테두리부가 형성되고, 상기 테두리부의 내측에는 평탄부가 형성되며, 상기 테두리부는 상기 평탄부 보다 더 큰 평균 표면단차를 갖는 이차 전지.
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