KR20120082580A - 안전성이 향상된 스택/폴딩형 리튬 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 스택/폴딩형 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 스택/폴딩형 전극조립체의 폴딩 분리막 시트에 파단홈을 형성함으로써 전지의 활성화 공정시 기화된 전해액 또는 및 가스 등이 스택/폴딩형 전극조립체 내부에서 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 한 스택/폴딩형 전극조립체 이를 포함하는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 대한 것이다. 본 발명은 스택/폴딩형 리튬 이차전지의 폴딩 분리막 시트의 모서리에 파단홈을 형성함으로써, 전지의 활성화 공정시 전해액의 이동 통로를 마련하여 스택/폴딩형 리튬 이차전지의 전해액에 대한 함침성 및 함침속도를 현저히 개선하는 효과가 있다. 또한, 고온 및 과충전 등 이상 현상 발생시 기화된 전해액 및 가스 등이 전극조립체의 외부로 신속히 배출될 수 있도록 함으로서 전지의 안전성 및 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

안전성이 향상된 스택/폴딩형 리튬 이차전지 및 그 제조방법{Stack and Folding-Typed Electrode Assembly Having Improved Safety Property and Method for preparation of the same}
본 발명은 안전성이 향상된 스택/폴딩형 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 스택/폴딩형 전극조립체의 폴딩 분리막 시트에 파단홈을 형성함으로써 전지의 활성화 공정시 기화된 전해액 또는 및 가스 등이 스택/폴딩형 전극조립체 내부에서 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 한 스택/폴딩형 전극조립체 이를 포함하는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차 전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차 전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있으며, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류 되기도 하며, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
이러한 종래의 전극조립체중 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀질된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 되므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 되며, 상기 전극조립체의 변형으로 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협을 받게 되는 문제를 초래한다.
또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취하여야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 갖고 있다.
한편, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로 생산성이 낮다는 문제점을 갖고 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 젤리 롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full-cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
도 1 내지 도 4는 이러한 스택/폴딩형 전극조립체에서 단위셀로서 바람직하게 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀 셀 및 바이 셀들의 모식도를 개시하였다.
또한, 도 5에서는 이러한 스택/폴딩형 전극조립체 단면의 예시적인 구조를 모식적으로 도시하였다.
도 5를 참조하면, 단위셀로서 순차적으로 양극(120)/분리막(130)/음극(110)이 위치되는 풀 셀(140)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에서는 분리막 시트(150)가 개재되어 있다. 분리막 시트(150)는 풀셀을 감쌀 수 있는 단위길이를 갖고, 단위길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀 셀로부터 시작되어 최외각의 풀셀까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸는 구조로 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 또한 분리막 시트(150)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(60) 등을 붙여서 마무리 한다.
이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 상기와 같이 젤리-롤형 또는 스택형 전극조립체의 단점을 해소할 수 있으나, 상대적으로 내부의 풀셀 또는 단위셀이 전해액에 완전히 함침되는 전해액 함침성이 낮거나 함침 속도가 느린 단점이 있다. 또한, 고온 또는 과충전과 같은 비상시에 전해액이 기화되거나 전극조립체 내부에 가스가 발생하는 경우, 기화 전해액 또는 가스가 권취되어 여러 겹이 중첩된 분리막 시트로 인하여 외부로 용이하게 배출되기 어렵기 때문에 전지의 부풀음 현상이 상대적으로 높을 수 밖에 없다.
이 때, 분리막 시트로 막혀있지 않은 권취방향과 수직되는 방향(전극탭들이 돌출되는 방향)으로 상기 기화 전해액 또는 가스 등이 배출될 수도 있으나, 이러한 가스 등은 스택/폴딩형 전극조립체의 중앙부분에서 더욱 많이 발생하기 때문에 중앙에 발생된 가스 등이 전극탭들이 돌출된 양쪽 방향으로 배출되는 데에는 한계가 있다. 따라서 스택/폴딩형 전극조립체에 내부의 중앙 부분에 고여있는 가스 및 기화 전해액으로 인하여 전지가 부푸는 스웰링 현상이 발생할 가능성이 더욱 높아지며, 이에 따라 풀 셀 또는 바이 셀과 같은 단위셀의 양극 및 음극의 전극이 휘어지는 정도가 더 심하고, 또한 전지가 고온 또는 과충전 상태에 있게 되면 상기 단위셀에 개재된 분리막은 마모되거나 줄어드는 현상이 발생하기도 하는바, 전지가 고온 또는 과충전의 비상 상황에 있는 경우, 단위셀의 전극들은 휘어지게 되고 상기와 같은 분리막의 수축 또는 마모 현상이 동시에 발생될 수 있어 단위셀의 말단 모서리 부분에서 양극과 음극이 서로 맞닿아 단락이 일어나기도 한다.
이러한 전극간 단락은 많은 열을 발생시키므로 전지의 발화 내지 폭발이 발생할 수 있어 이차 전지의 안전성을 크게 저하시키는 문제가 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 스택/폴딩형 전그조립체에 있어서, 전극조립체 내부에서 발생된 기화 전해액 또는 가스가 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 폴딩 분리막 시트의 일정한 부분에 파단홈을 형성한 스택/폴딩형 전극조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 전극조립체를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전극조립체를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체로서, 상기 중첩된 전기화학 셀들을 권취하여 감싼 폴딩 분리막 시트의 일정 부위에 다수의 파단홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
이 때, 상기 일정 부위는 전극탭이 돌출되는 상단변을 기준으로 폴딩 분리막 시트의 양쪽 측면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파단홈은 반원형 또는 타원형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적층형 단위셀은 풀셀(full cell) 또는 바이셀(Bi-cell)인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 적층형 단위셀의 양극 또는 음극은, 상기 폴딩 분리막 시트상에 파단홈 형성되는 위치와 대응되는 위치에 내측으로 만입된 만입부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 만입부의 크기는 상기 파단홈의 깊이보다 0.5 내지 2mm깊게 내측으로 만입되며, 최외측 파단홈과 0.5 내지 2mm 이격될 수 있는 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 만입부는 삼각형, 사각형, 반원형 또는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 리튬 이온 이차전지인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈을 제공한다.
한편, 본 발명은 상기 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 양극 집전체와 음극 집전체를 분리막이 개재된 상태로 적층하고, 소정 크기로 절단하여 복수개의 풀셀 또는 바이셀을 제조하는 단계;
(b) 긴 길이의 폴딩 분리막 시트의 첫번째 단에 상기 (a) 단계에서 제조된 단위셀(중앙 단위셀)을 위치시키고 소정의 간격으로 상기 단위셀들을 상호 동일한 전극 배향 방식으로 연속하여 위치시키는 단계;
(c) 상기 중앙 단위셀을 상기 긴 길이의 폴딩 분리막 시트로 1회 권취한 후, 인접하는 단위셀이 위치하는 외측으로 폴딩 분리막 시트를 접어서 각각의 단위셀들을 중첩하여 폴딩하는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계에 의해 폴딩 분리막 시트의 폴딩이 완료된 후, 전극탭이 돌출되는 방향을 기준으로 상기 분리막 시트의 양쪽 측면에 파단홈을 형성하는 단계; 를 포함하는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법을 제공한다.
이 때, 상기 양극집전체 또는 음극집전체는, 상기 분리막 시트상에 파단홈이 형성되는 위치와 대응되는 위치에 내측으로 만입된 만입부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 만입부는 삼각형, 사각형, 반원형 또는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파단홈은 소정 크기의 직경을 가진 침상체로 분리막 시트의 해당 부분을 부분적으로 파단하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 스택/폴딩형 리튬 이차전지의 폴딩 분리막 시트의 모서리에 파단홈을 형성함으로써, 전지의 활성화 공정시 전해액의 이동 통로를 마련하여 스택/폴딩형 리튬 이차전지의 전해액에 대한 함침성 및 함침속도를 현저히 개선하는 효과가 있다. 또한, 고온 및 과충전 등 이상 현상 발생시 기화된 전해액 및 가스 등이 전극조립체의 외부로 신속히 배출될 수 있도록 함으로서 전지의 안전성 및 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1 내지 도 4는 스택/폴딩형 전극조립체의 단위셀로서 바람직하게 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀셀 및 바이셀들의 모식도이다.
도 5는 종래 기술에 따라 단위셀의 중앙으로부터 분리시트로 폴딩된 스택/폴딩형 이차전지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 사시도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전극집전체의 다양한 실시예이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법에 대한 도면이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극조립체는, 풀셀(full cell) 또는 바이셀(bi-cell)로 이루어지는 소정의 단위셀들을 기본 단위체로 하는 복수개의 전기화학 셀들이 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 스택/폴딩형 전극조립체로서,
상기 중첩된 전기화학 셀들을 권취하여 감싼 폴딩 분리막 시트에는 파단홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기의 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법 및 상기 스택/폴딩형의 전극조립체를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 도면은 본 발명의 설명을 돕기 위한 하나의 실시예에 불과할 뿐이며, 본 발명의 권리범위가 상기 도면에 한정되지 아니하고, 본 발명이 속하는 분야의 당업자에 의하여 적절히 변형 또는 적용할 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 평면도를 도시한 모식도이다.
도 6을 참조하면 본 발명에 따른 스택/폴딩형의 전극조립체는 풀셀 또는 단위셀을 긴 시트형의 폴딩 분리막 시트에 다수개 개재한 후, 이를 권취하여 형성된 스택/폴딩형 전극조립체로서 전극조립체를 감싸고 있는 폴딩 분리막 시트 상에 파단홈을 형성하는데 특징이 있다.
상기 파단홈의 크기는 특별히 한정하지는 아니하나, 파단홈의 크기가 너무 크게 형성되면, 폴딩 분리막 시트의 기능이 저하되거나 폴딩 분리막 시트의 훼손을 촉진하여 전지의 성능이나 수명을 오히려 나쁘게 할 수 있으며, 반대로 파단홈의 크기가 너무 작은 경우에는 본 발명에서 예상하는 전해액 함침성의 개선이나 가스의 용이한 배출과 같은 효과가 충분히 발현되기 어렵다.
따라서 파단홈의 크기는 상기와 같은 목적을 발현하기 위하여 당업자에 의하여 적절한 크기로 조절될 수 있으며, 보다 구체적으로는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 0.1 내지 2mm의 크기로 형성될 수 있다.
한편 폴딩 분리막 시트 상에 파단홈이 형성되는 위치는 특별히 한정되지 아니하나, 본 출원의 발명자들이 실험한 결과에 의하면, 전지셀의 과충전시 전지셀의 가운데 부분이 가장 스웰링 현상이 심하게 일어나며, 이는 일반적으로 고온 또는 과충전과 같은 비상시에 기화된 전해액이나 가스가 잘 고이는 부분은 전극조립체의 중앙 부분이고, 전극 탭 등이 돌출되는 방향으로는 가스 또는 기화 전해액이 배출되기 용이하며 전해액이 함침되기에도 상대적으로 쉬운 편이기 때문이다. 따라서 상기 파단홈은 전극조립체의 중앙부분에, 또한, 전극조립체의 대면적 부분보다는 그 양 옆의 측면쪽에 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다.
전극조립체의 중앙 부분은 발생된 가스가 배출되고 전해액이 함침되기 어렵고 나아가 도 5에서 A면 보다는 B면 쪽에 가스 등이 고여 있을 확률이 더 높기 때문이다.
또한, 스택/폴딩형의 전극조립체의 폴딩 분리막 시트상에 형성되는 파단홈의 개수 등도 특별히 제한되지 아니하며, 이차전지의 용도나 크기 형상에 따라 형성되는 파단홈의 개수가 달라질 수 있음은 물론이다. 이때, 파단홈의 개수는 파단홈의 크기와 관련되며, 파단홈의 크기가 작은 경우에는 다수의 파단홈을 전극조립체 중앙부분에서부터 형성할 수 있으며, 파단홈의 크기가 상대적으로 큰 경우에는 형성되는 파단홈의 수를 줄여 가스의 배출양과 속도 방향 등을 조절할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 파단홈의 개수는 B 방향의 모서리당 약 5 ~ 40개 정도가 형성될 수 있다. 이 경우, 형성되는 파단홈의 간격도 이차전지의 크기, 용도에 따라 조절될 수 있으며, 바람직하게는 되도록 등 간격을 유지하도록 한다.
한편, 파단홈의 모양은 되도록 각이 지지 않는 원형 또는 타원형의 곡선형태로 형성되도록 한다. 파단홈이 이러한 곡선형태로 형성되지 않고 모가 나거나 각이 진 형태로 형성되는 경우에는 상기 각이 진 부분에 응력이 집중될 수 있고 이로 인하여 폴딩 분리막 시트가 쉽게 손상되거나 기능이 저하될 수 있기 때문이다.
상기 폴딩 분리막 시트 또는 분리막은 미세 기공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 재질을 이용하여 제조된 단층 또는 이중층 이상의 다층으로 이루어진 폴딩 분리막 시트 또는 분리막일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서 상기 폴딩 분리막 시트는 전지화학셀을 감쌀 수 있는 단위길이를 가지며, 단위길이마다 내측으로 꺾여서 중앙 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀에서 최외곽의 단위셀까지 연속하여 감싸는 구조일 수 있다.
일반적으로 전지의 충방전을 거듭함에 따라 전극과 폴딩 분리막 시트 사이의 계면 접촉이 유지되지 못하면, 전지의 용량 및 성능이 급격히 저하되는바 그 계면을 안정적으로 압착시켜 접촉을 계속적으로 유지하기 위한 압력이 필요하다.
따라서 상기와 같은 구조의 전극조립체는 단위셀들이 적층되면서 분리막 시트가 개재됨으로써 단위셀들 사이의 전극들을 효율적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 분리막 시트에 의한 권취시 발생하는 인장력은 모든 셀들에서 형성되는 전극과 분리막 시트 사이의 계면을 압착시킬 수 있으므로 전지 성능 및 용량 측면에서 매우 우수하게 된다.
기본 단위체인 상기 풀셀 또는 바이셀의 구조는 특별히 제한되니 않으며 공지의 풀셀 또는 단위셀들을 사용할 수 있고, 바람직하게는 도 1 내지 도4에 나타난 (a) 양극/분리막/음극 적층구조, 또는 (b) 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 적층 구조 등을 가질 수 있다.
상기 폴딩 분리막 상에 위치된 상태로 권취되는 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀들의 수는 각 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀의 구조와 최종 제조되는 전지의 소망하는 용량 등 다양한 요소들에 의하여 결정될 수 있으며, 바람직하게는 6 내지 30개 일 수 있다.
상기 폴딩 분리막 시트는 권취 후 전극 조립체를 한차례 감싸는 연장된 길이를 가질 수 있고, 폴딩 분리막 시트의 최외곽 말단은 열융착되거나 테이프가 붙여져 고정될 수 있다. 예를 들어, 열용접기 또는 열판 등을 마무리 되는 폴딩 분리막 시트에 접촉시켜 폴딩 분리막 시트 자체가 열에 의해 용융되어 접착 고정되도록 할 수 있고, 이에 따라 압력이 계속 유지되므로 전극과 폴딩 분리막 사이의 안정적인 계면 접촉을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 파단홈은 단위셀들을 폴딩 분리막 시트에 의하여 권취하고 폴딩 분리막 시트의 최외곽 말단을 열융착 또는 접착 테이프 등으로 고정하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조한 후에, 전극탭에 돌출된 방향을 기준으로 스택/폴딩형 전극조립체의 양 측면에 형성함이 바람직하다.
이 경우, 상기 파단홈의 형성 방법은 특별히 제한하지 아니하나, 바람직한 일 실시예에 의하면, 소정 크기의 직경을 가진 침상체로 폴딩 분리막 시트의 해당 부분을 부분적으로 파단하여 파단홈을 형성할 수 있다.
한편 본 발명의 스택/폴딩형 전극조립체를 형성하는 상기 양극 및 음극의 전극군들을 구성하는 양극 또는 음극의 측변에 내측으로 만입되는 만입부를 적어도 하나 이상 형성될 수 있으며, 이에 의해 폴딩 분리막 시트에 상기 파단홈을 형성하는 과정에서 손상될 수 있는 위험을 방지할 수 있도록 한다. 폴딩 분리막 시트에 파단홈을 형성하는 공정에 의하여 양극 또는 음극 등이 손상되는 경우에는 전지의 성능 또는 수명을 개선하고자 하는 효과가 발현되기 어렵기 때문이다.
상기 전극집전체에 형성되는 만입부의 모양이나 위치, 크기 등은 특별히 한정되지 아니하나 폴딩 분리막 시트상에 파단홈이 형성되는 위치 및 파단홈의 크기, 개수 등을 미리 고려하여 전극집전체의 만입부를 형성함이 바람직하다.
도 7 내지 도 10에는 이러한 만입부(312)가 다양한 모양으로 형성된 음극 또는 양극 집전체(310)의 바람직한 실시예에 대해 모식적으로 도시하였다.
상기 도면에서 보는 바와 같이 전극집전체의 만입부는 각형, 원형, 타원형, 삼각형의 모양으로 만입될 수 있으며, 상기한 바와 같이 전극조립체의 중앙부분에 상기 파단홈이 형성되는 것이 바람직하므로, 상기 전극집전체의 만입부 또한 파단홈이 형성되는 위치와 대응되도록 전극집전체의 양 측면 모서리 중앙 부분에 형성되는 것이 바람직하다고 할 것이다.
이때, 상기 만입부의 형성 길이와 만입된 깊이 등에 대해서는 특별히 제한하지 아니하며 파단홈의 예상 형성 위치 및 크기, 개수 등에 따라 달라질 수 있으며, 파단홈 형성공정에 의해 전극집전체가 훼손되지 않도록 적절히 변경할 수 있음은 물론이다.
다만, 바람직한 일 실시예에서 상기 만입부의 크기는 상기 파단홈의 깊이보다 적어도 0.5 ~ 2mm정도 더 깊이 만입되도록 형성할 수 있으며, 최외측 파단홈과 적어도 0.5 ~ 2mm 이상 이격될 수 있도록 하는 길이로 만입부를 형성할 수 있다.
상기 전극집전체는 상기와 같이 만입부가 형성될 수 있다는 점을 제외하고는 공지된 다른 전극들과 같이 일반적으로 3 ~ 500㎛의 두께로 제조된 것일 수 있다. 상기 양극은 양극 집전체의 양면에 양극물질이 코팅된 전극이고, 상기 음극은 음극 집전체의 양면에 음극 물질이 코팅된 전극인 것이 바람직한 바, 상기 풀셀은 상기 양극 및 음극의 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다.
양극은, 예를 들어, 미리 설정된 크기의 만입부를 미리 형성한 양극 집전체의 양면에 양극 활물질, 도전재, 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.
한편 상기 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극활물질은 리튬이차전지인 경우, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 산화물이나, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4(여기서 x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 -xMxO2(여기서, M=Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x= 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn, 또는 Ta이고, x=0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서 M = Co, Ni, Fe, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물, 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 상기 음극집전체는 일반적으로 3 ~ 500㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한 양극집전체와 마찬가지로 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 -xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me':Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물, 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 특징을 갖는 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하는 이차전지를 포함한다. 또한 상기 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지 모듈을 제공한다.
이하, 상기 스택/폴딩형의 전극조립체를 제조하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 스택/폴딩형의 전극조립체를 제조하는 방법은 먼저,
(a) 양극 집전체와 음극 집전체를 분리막이 개재된 상태로 적층하고, 소정 크기로 절단하여 복수개의 풀셀 또는 바이셀의 단위셀들을 제조하는 단계를 거친다. 이와 같은 단위셀의 제조방법은 특별한 제한이 없으며 공지의 제조방법을 이용하여 제조할 수 있다.
이 경우, 상기 양극 또는 음극 집전체는 상기한 바와 같은 만입부가 형성된 음극 및 양극 집전체 일 수 있으며, 이 경우, 만입부의 형성공정은 당해 전극조립체에 형성될 파단홈의 개수, 크기, 위치 등에 따라 미리 정해진 만입부의 크기와 형상에 따란 양극 또는 음극 집전체를 절취한 후, 이를 이용하여 상기 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀에 포함시킬 수 있다.
(b) 이 후, 긴 길이의 폴딩 분리막 시트의 첫번째 단에 상기 방법에 의해 제조된 풀셀 또는 바이셀의 단위셀들을 위치시키고 소정의 간격으로 상기 단위셀들을 상호 동일한 전극배향 방식으로 연속하여 위치시키도록 한다.
(c) 상기 단위셀을 폴딩 분리막 시트로 1회 권취한 후, 인접하는 단위셀이 위치하는 외측으로 폴딩 분리막 시트를 접어서 각각의 단위셀을 중첩하여 폴딩하도록 한다.
(d) 상기와 같은 방법으로 스택/폴딩형의 전극조립체를 형성한 후에는 상기 스택/폴딩형 전극조립체의 전극탭이 돌출되는 방향을 기준으로 폴딩 분리막 시트의 양 측면에 파단홈을 형성하는 파단홈 형성단계를 포함한다.
폴딩 분리막 시트상에 파단홈을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 아니하나, 바람직하게는 소정 크기의 직경을 가진 침상체로 폴딩 분리막 시트의 해당 부분을 부분적으로 파단하여 형성하는 방법을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 제조된 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하는 이차전지 및 중대형 전지 모듈을 제공하며, 이들의 제조방법은 특별히 한정되지 아니하고 공지의 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
본 발명의 스택/폴딩형 이차전지는 상기와 같은 방법으로 형성된 전극조립체를 포함하는 것으로, 비상시 발생될 수 있는 가스나 기화 전해액이 전지 내부에서 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 함으로서 전지의 수명이나 안전성을 크게 높일 수 있다.
100: 스택/폴딩형 전극조립체,
110: 음극, 120: 양극, 130: 분리막, 140: 단위셀, 150: 폴딩 분리막 시트,
200a: 스택/폴딩형 전극조립체, 210, 210a: 양극, 220, 220a: 음극,
230, 230a: 폴딩 분리막 시트, 240a: 파단홈, 10, 300, 300a ~ 300c: 단위셀,
310: 전극집전체,
312, 312a ~ 312c: 만입부,
320: 전극탭, 330: 분리막.

Claims (14)

  1. 다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체로서,
    상기 중첩된 전기화학 셀들을 권취하여 감싼 폴딩 분리막 시트의 일정 부위에 다수의 파단홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일정 부위는 전극탭이 돌출되는 상단변을 기준으로 폴딩 분리막 시트의 양쪽 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 파단홈은 반원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적층형 단위셀은 풀셀(full cell) 또는 바이셀(Bi-cell)인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적층형 단위셀의 양극 또는 음극은, 상기 폴딩 분리막 시트상에 파단홈 형성되는 위치와 대응되는 위치에 내측으로 만입된 만입부가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 만입부의 크기는 상기 파단홈의 깊이보다 0.5 내지 2mm깊게 내측으로 만입되며, 최외측 파단홈과 0.5 내지 2mm 이격될 수 있는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 만입부는 삼각형, 사각형, 반원형 또는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제1항에 따른 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제8항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  11. 제1항에 따른 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 양극 집전체와 음극 집전체를 분리막이 개재된 상태로 적층하고, 소정 크기로 절단하여 복수개의 풀셀 또는 바이셀을 제조하는 단계;
    (b) 긴 길이의 폴딩 분리막 시트의 첫번째 단에 상기 (a) 단계에서 제조된 단위셀(중앙 단위셀)을 위치시키고 소정의 간격으로 상기 단위셀들을 상호 동일한 전극 배향 방식으로 연속하여 위치시키는 단계;
    (c) 상기 중앙 단위셀을 상기 긴 길이의 폴딩 분리막 시트로 1회 권취한 후, 인접하는 단위셀이 위치하는 외측으로 폴딩 분리막 시트를 접어서 각각의 단위셀들을 중첩하여 폴딩하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에 의해 폴딩 분리막 시트의 폴딩이 완료된 후, 전극탭이 돌출되는 방향을 기준으로 상기 분리막 시트의 양쪽 측면에 파단홈을 형성하는 단계;
    를 포함하는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 양극집전체 또는 음극집전체는, 상기 분리막 시트상에 파단홈이 형성되는 위치와 대응되는 위치에 내측으로 만입된 만입부가 형성되는 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 만입부는 삼각형, 사각형, 반원형 또는 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 파단홈은 소정 크기의 직경을 가진 침상체로 분리막 시트의 해당 부분을 부분적으로 파단하여 형성하는 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법.
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