KR20120086048A - 이차전지용 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지 - Google Patents

이차전지용 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지 Download PDF

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KR20120086048A
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류덕현
구자훈
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 세퍼레이터의 적어도 일면에는 열수축 방지용 PET 양면테이프의 일면이 맞닿아 부착되어 있으며, 상기 PET 양면테이프의 다른 일면은 제1 전극판과의 접촉부에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체에 관한 것으로, 내열성이 우수한 PET 양면테이프를 사용하여 세퍼레이터의 열수축을 방지할 수 있으며, PET 양면테이프에 의해서 세퍼레이터와 전극이 접착되어 있으므로 열수축되려는 세퍼레이터를 상기 접착된 전극이 잡아주어 세퍼레이터의 수축을 방지할 수 있다.

Description

이차전지용 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지{Electrode assembly for secondary battery and secondary battery containing the same}
본 발명은 리튬 이차전지용 젤리-롤형 전극조립체에 관한 것으로, 더 자세하게는 세퍼레이터에 열수축 방지용 PET 테이프를 부착한 내열성이 향상된 리튬 이차전지용 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 대한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 촛점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 단위 셀이 적층 또는 권취된 구조로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 케이스에 내장되고, 그 내부에 전해액이 주입 또는 함침됨으로써 구성된다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 폴딩형 전극조립체 (젤리-롤)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체로 분류된다. 그 중, 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이러한 젤리-롤형 리튬 이온전지에 분리막으로 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 기재는 재료적 특성과 연신을 포함하는 제조공정 상의 특성으로 인하여 100도 이상의 온도에서 극심한 열 수축 거동을 보이게 된다. 특히 T/D 방향으로의 장력(tension)이 상대적으로 약한 코어부에서는 그 변형의 정도가 커서 가열시에 분리막이 양극의 무지부의 끝단에서 열수축이 과도하게 발생하고, 이로 인하여 양극의 엣지 테이프(edge tape)의 탈착 현상이 발생하게 되므로, 음극의 무지부와의 접촉되어 발화 가능성이 높아진다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 내열성이 향상된 젤리-롤형 전극조립체가 요구되고 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 용이하게 제조할 수 있는 내열성이 향상된 젤리-롤형 전극조립체의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 전극판과 제2 전극판 및 이들 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 세퍼레이터의 적어도 일면에는 열수축 방지용 PET 양면테이프의 일면이 맞닿아 부착되어 있으며, 상기 PET 양면테이프의 다른 일면은 제1 전극판과의 접촉부에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.
이러한 열수축 방지용 PET 양면테이프는 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 제1 전극판의 무지부에 대응하는 상기 세퍼레이터의 표면에 부착되어 있는 것이 바람직하며, 또한 이러한 열수축 방지용 PET 양면테이프의 다른 일면과 부착되어 있는 상기 접촉부는 제1 전극판의 무지부인 것이 바람직하다.
상기 열수축 방지용 PET 양면테이프는 10 내지 50 ㎛의 두께를 가지는 PET 양면테이프를 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 폴리올레핀계 다공성 기재를 포함하여 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 이러한 폴리올레핀계 다공성 기재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐 등을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 전극판은 양극판이며 제2 전극판은 음극판일 수 있으며, 또한 제1 전극판은 음극판이며 제2 전극판은 양극판일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 전해액을 구비하는 이차전지를 제공한다.
젤리-롤형 전극조립체의 중심부의 세퍼레이터에 PET 양면테이프를 부착하는 본 발명은 내열성이 우수한 PET 양면테이프를 사용하여 세퍼레이터의 열수축을 방지할 수 있다. 또한, PET 양면테이프에 의해서 세퍼레이터와 전극이 접착되어 있으므로 열수축되려는 세퍼레이터를 상기 접착된 전극이 잡아주어 세퍼레이터의 수축을 최소화하는 역할을 하게 된다. 따라서 본 발명은 세퍼레이터의 열수축 방지 효과의 극대화가 가능하여 젤리-롤형 전극조립체의 내열성을 향상 시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예에 따른 세퍼레이터에 PET 양면테이프를 부착하지 않은 젤리-롤형 전극조립체의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 세퍼레이터에 PET 양면테이프가 부착된 젤리-롤형 전극조립체의 단면도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1에는 일 실시예에 따른 세퍼레이터에 PET 양면테이프가 부착되지 아니한 젤리-롤형 전극조립체의 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 세퍼레이터에 PET 양면테이프가 부착된 젤리-롤형 전극조립체의 단면도가 도시되어 있다. 하지만, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
일반적으로 원통형 전지 등에 사용되는 젤리-롤형 전극조립체는 양극과 음극판 및 세퍼레이터를 적층하고 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하게 된다. 이러한 전극조립체는 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고하면, 제1 전극판과 제2 전극판 및 이들 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극조립체(100)는 제1 전극판(30)과 세퍼레이터(10)가 돌돌말린 중심부(core)를 구비하고 있다. 이러한 젤리-롤형 전극조립체(100)는 충전 또는 사용과정 중에서 열이 발생하게는 되는 경우에는, 일반적으로 연신하여 제조하게 되는 상기 세퍼레이터(10)는 열수축이 일어나게 되며, 제1 전극판(30)은 제2 전극판과 접촉될 수 있어 단락에 따른 화재 등의 위험이 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 전극판과 제2 전극판 및 이들 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극조립체(200)는 상기 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 세퍼레이터(10)의 적어도 일면에는 열수축 방지용 PET 양면테이프(11)의 일면이 맞닿아 부착되어 있으며, 상기 PET 양면테이프(11)의 다른 일면은 제1 전극판(30)과의 접촉부에 부착되어 있다.
테이프의 안팎에 접착제가 칠해져 있는 본 발명의 열수축 방지용 PET 양면테이프는 PET수지를 포함하여 이루어지는 데, PET(polyethylen terephthalate) 수지는 에틸렌글리콜과 테레프탈레이트산에서 합성된 가장 대표적인 폴리에스테르의 하나이고 녹는점이 250℃?260℃로 상당히 높고 내열성 및 절연성이 우수한 재료이다. 본 발명에 사용되는 PET 양면테이프는 상용화된 다양한 PET 양면테이프를 사용할 수 있으며, 본 발명에 적합한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
일반적으로 젤리-롤형 전극조립체의 T/D 방향으로의 장력(tension)이 상대적으로 약한 중심부에서는 세퍼레이터의 변형의 정도가 커서 가열시에 열수축이 과도하게 발생하게 된다. 그러므로, 본 발명은 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 세퍼레이터(10)에 이러한 PET 양면테이프(11)를 부착하여 열수축을 방지하게 된다.
또한, 본 발명의 권취된 젤리-롤형 전극조립체(200)는 상기 세퍼레이터(10)의 일면에 부착된 PET 양면테이프(11)의 다른 일면은 제1 전극판(30)과의 접촉부에 부착되어 있는데, 이는 PET 양면테이프에 의해서 세퍼레이터(10)와 제1 전극판(30)이 접착되어 있으므로, 가열시에 열수축되려는 세퍼레이터(10)를 상기 접착된 제1 전극판(30)이 잡아주어 세퍼레이터의 수축을 최소화하는 역할을 하게 된다. 상기 접촉부는 적층된 전극조립체의 권취과정에서 필연적으로 상기 세퍼레이터와 접촉하게 되는 상기 제1 전극판의 면을 의미한다.
본 발명의 세퍼레이터의 열수축을 방지하려는 이유는 전극들의 활물질이 형성되지 않은 무지부 간의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위함이므로, 이러한 열수축 방지용 PET 양면테이프는 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 제1 전극판의 무지부에 대응하는 상기 세퍼레이터의 표면에 부착되어 있는 것이 바람직하며, 또한 이러한 열수축 방지용 PET 양면테이프의 다른 일면과 부착되어 있는 상기 접촉부는 제1 전극판의 무지부인 것이 바람직하다.
상기 열수축 방지용 PET 테이프는 10 내지 50 ㎛의 두께를 가지는 PET 테이프를 사용할 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터는 폴리올레핀계 다공성 기재를 포함하여 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 이러한 폴리올레핀계 다공성 기재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐 등을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 전극판은 양극판이며 제2 전극판은 음극판일 수 있으며, 또한 제1 전극판은 음극판이며 제2 전극판은 양극판일 수 있다.
본 발명의 젤리-롤형 전극조립체는 적어도 일면에 PET 양면테이프를 부착한 세퍼레이터를 준비하고, 양극판과 음극판, 및 이들 전극판 사이에 상기 세퍼레이터를 개재하고 적층하여 권취하여 젤리-롤형 전극조립체을 제조하게 되며, 상기 세퍼레이터에 부착되지 아니한 PET 양면테이프의 다른 일면은 권취과정에서 음극판 또는 양극판과의 접촉부에 자연스럽게 부착되게 된다.
또한, 본 발명은 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 전해액을 구비하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 양극판과 음극판의 양 전극판으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. 양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
본 발명의 전극조립체에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명의 전극조립체에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
10 : 세퍼레이터 11 : 열수축 방지용 PET 양면테이프
20 : 세퍼레이터 30 : 제1 전극판
100 : 젤리-롤형 전극조립체 200 : 젤리-롤형 전극조립체

Claims (9)

  1. 제1 전극판과 제2 전극판 및 이들 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서,
    상기 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 세퍼레이터의 적어도 일면에는 열수축 방지용 PET 양면테이프의 일면이 맞닿아 부착되어 있으며, 상기 PET 양면테이프의 다른 일면은 제1 전극판과의 접촉부에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열수축 방지용 PET 양면테이프는 권취된 젤리-롤형 전극조립체 중심부의 상기 제1 전극판의 무지부에 대응하는 상기 세퍼레이터의 표면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열수축 방지용 PET 양면테이프의 다른 일면과 부착되어 있는 상기 접촉부는 제1 전극판의 무지부인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열수축 방지용 PET 양면테이프는 10 내지 50 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 폴리올레핀계 다공성 기재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판은 양극판이고, 제2 전극판은 음극판인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판은 음극판이고, 제2 전극판은 양극판인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  9. 상기 제1항 내지 제8항 중에서 선택된 어느 한 항의 젤리-롤형 전극조립체 및 전해액을 구비하는 이차전지.
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