KR20130055045A - 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지 - Google Patents

전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20130055045A
KR20130055045A KR1020110119202A KR20110119202A KR20130055045A KR 20130055045 A KR20130055045 A KR 20130055045A KR 1020110119202 A KR1020110119202 A KR 1020110119202A KR 20110119202 A KR20110119202 A KR 20110119202A KR 20130055045 A KR20130055045 A KR 20130055045A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
insulating film
electrically insulating
electrode assembly
separator
Prior art date
Application number
KR1020110119202A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101367975B1 (ko
Inventor
손태훈
Original Assignee
(주)오렌지파워
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)오렌지파워 filed Critical (주)오렌지파워
Priority to KR1020110119202A priority Critical patent/KR101367975B1/ko
Priority to PCT/KR2012/009673 priority patent/WO2013073867A1/ko
Publication of KR20130055045A publication Critical patent/KR20130055045A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101367975B1 publication Critical patent/KR101367975B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/538—Connection of several leads or tabs of wound or folded electrode stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 전극조립체, 이를 포함하는 전지, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 조립체는, 제 1 주면 및 이에 반대되는 제 2 주면을 갖는 가요성의 전기 절연성 필름, 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 주면 상에 적층된 제 1 극성의 제 1 전극, 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 2 주면 상에 적층되어 상기 제 1 전극과 반대 극성을 갖는 제 2 극성의 제 2 전극, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되어 권취축을 정의하도록 연장된 하나 이상의 도전성 롤코어, 및 상기 권취축을 따라 상기 전기 절연성 필름이 권취되면서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되어 전기 화학적 반응 영역을 형성하는 분리막을 포함한다.

Description

전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지{ELECTRODE ASSEMBLY, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND BATTERY HAVING THE SAME}
본 발명은 전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전극 조립체, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 전지에 관한 것이다.
전지 산업은 최근 반도체 제조 기술 및 통신 기술의 발달에 따른 휴대용 전자 장치에 관한 산업이 팽창하고, 환경 보존과 자원의 고갈로 인한 대체 에너지의 개발 요구에 따라 활발히 연구되고 있다.　 대표적인 전지로서, 리튬 일차 전지는, 종래의 수용액계 전지에 비해서 고전압이고 에너지 밀도가 높기 때문에 소형화 및 경량화에 용이하다.　 이러한 리튬 일차 전지는 휴대용 전자 장치의 주 전원이나 백업용 전원 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
이차 전지는 가역성이 우수한 전극 재료를 사용하여 충방전이 가능한 전지이다.　 상기 이차 전지는 외관상 원통형과 각형으로 구분되고 양극 및 음극 물질에 따라 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬(Li) 전지, 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 구분되고 있다.　 이러한 이차 전지는 휴대폰, 노트북형 PC, 이동형 디스플레이와 같은 소형 전지에서부터 전기 자동차용 배터리, 하이브리드 자동차에 사용되는 중?대형 전지에 이르기까지 그 적용분야가 점차로 확대되고 있다.　 이에 따라, 전지는 경량이고 에너지 밀도가 높으면서도, 우수한 충방전 속도, 충방전 효율 및 사이클 특성뿐만 아니라, 높은 안정성과 경제성을 요구한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 충방전 효율, 충방전 속도 및 사이클 특성이 우수하고, 나아가, 형상 변화와 용량 조절이 용이한 전지를 얻을 수 있고, 권취 공정과 배선 형성 과정이 용이한 전극 조립체를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 전극 조립체를 포함하는 전지를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 전극 조립체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 조립체는, 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 주면 상에 적층된 제 1 극성의 제 1 전극, 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 2 주면 상에 적층되어 기 제 1 전극과 반대 극성을 갖는 제 2 극성의 제 2 전극, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되어 권취축을 정의하도록 연장된 하나 이상의 도전성 롤코어, 및 상기 권취축을 따라 상기 전기 절연성 필름이 권취되면서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 전기 화학적 반응 영역을 형성하는 분리막을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 서로 대향하도록 권취된 롤 구조를 가질 수 있다.
상기 분리막은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 상기 도전성 롤코어와 전기적으로 연결되는 전극과 반대 극성을 갖는 전극 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전기 절연성 필름은 상기 제 1 주면 및 상기 제 2 주면 중 적어도 하나의 가장자리 상에 형성된 누설 방지 구조를 포함할 수 있다.
상기 누설 방지 구조는 상기 전기 절연성 필름의 가장자리에 형성될 수 있고, 상기 누설 방지 구조는, 격벽 구조, 트렌치 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 격벽 구조의 높이는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각의 두께와 동등하거나 더 클 수 있고, 상기 트렌치 구조의 깊이는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각의 두께와 동등하거나 더 클 수 있고, 이에 따라, 상기 전극 조립체의 권취 공정 동안 발생되는 권취된 층들 사이의 압력에 의해 상기 제1 및 제2 전극 들의 전기적 활물질층이 권취된 전극 조립체 밖으로 누설되는 것이 방지되거나, 감소될 수 있다.
상기 전기 절연성 필름은 가요성을 갖는 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료를 포함할 수 있다. 상기 가요성 수지계 재료는, 셀룰로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)와 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)와 같은 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리염화비닐수지, 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 황화 폴리페닐렌(PPS), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(Tri-acetyl cellulose), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 에틸렌-비닐알콜 공중합체(Ethylene-Vinylalcohol copolymer), 및 폴리아마이드(polyamide)계 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전기 절연성 필름의 두께는 1 ㎛ 내지100 ㎛일 수 있고, 이에 따라, 상기 전기 절연성 필름은 상기 제1 및 제2 전극들을 지지하면서 롤 구조로 가공되기에 적합한 강도를 가질 수 있다.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 전기 절연성 필름 상에 순차대로 적층되는 집전층 및 전기적 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 집전층의 두께는 0.01㎛ 내지 20㎛일 수 있고, 이 두께는 종래의 기술에 비해 집전층의 박막화로 얻어질 수 있다. 상기 집전층은 금속 또는 도전성 수지 조성물을 포함할 수 있다.
상기 도전성 롤코어는 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 도전성 롤코어의 단면은 원, 타원, 또는 다각형 형상을 가질 수 있다. 상기 도전성 롤코어의 양 단부 중 적어도 하나는 상기 전기 절연성 필름의 적어도 어느 한 쪽의 가장자리 밖으로 노출되도록 연장될 수 있다.
상기 분리막은 미세 다공막, 직포, 부직포, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고체 고분자 전해질막, 무기 세라믹 분말이 코팅된 미세 다공막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 분리막의 두께는 1㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 분리막의 길이는 상기 전기 절연성 필름의 길이보다 클 수 있고, 상기 분리막은 상기 롤 구조의 외각을 둘러싸도록 연장될 수 있고, 이에 따라, 상기 분리막에 의해 상기 제1 및 제2 전극들 간에 단락을 방지할 수 있다.
상술한 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체를 포함하는 전지는 상술한 전극 조립체를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 전지는 복수의 전극 조립체들을 포함하며, 상기 복수의 전극 조립체들 사이에 제공되는 상기 분리막은 상기 롤 구조의 상기 분리막으로부터 연장될 수 있다. 상기 전지는 일차 전지 또는 이차 전지용일 수 있다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 다음과 같다. 제 1 주면 및 이에 반대되는 제 2 주면을 갖는 가요성의 전기 절연성 필름; 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 주면 상에 적층된 제 1 전극; 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 2 주면 상에 적층되어 상기 제 1 전극과 반대 극성을 갖는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나의 상기 집전 영역에 전기적으로 연결되어 권취축을 정의하도록 연장된 하나 이상의 도전성 롤코어를 포함하는 전극 조립체를 형성하고, 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 어느 하나의 전극 상에 분리막을 적층하고, 그리고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 서로 대향함으로써 전기 화학적 반응 영역을 형성하도록 상기 권취축을 따라 상기 전극 조립체를 권취할 수 있다.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 전기 절연성 필름 상에 순차대로 적층되는 집전층 및 전기적 활물질층을 포함할 수 있고, 상기 집전층은, 기상 증착법, 무전해 도금법 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면,　전극 조립체가 전기 절연성 필름의 제 1 주면과 제 2 주면 상에 서로 다른 극성의 전극들을 포함하는 단일 구조체로서 제공되기 때문에, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 대향하도록 권취하는 것만으로도 전기 화학적 반응 영역을 형성할 수 있고, 도전성 롤코어는 전극 조립체의 권취축으로 기능하는 동시에 전지의 외부 전극 또는 외부 전극과 배선을 통하여 전기적으로 연결되는 리드로서의 기능을 할 수 있으므로, 권취 공정과 배선 형성 과정이 용이한 전극 조립체가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속과 달리 얇으면서도 가요성을 가진 전기 절연성 필름이 지지체가 될 수 있기 때문에, 두께가 증가될수록 가공성이 저하되는 금속 집전층을 박막화하여, 전극 조립체 전체의 부피가 감소되고, 그 결과 전지의 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 또한, 도전성 롤코어가 권취축으로 기능하기 때문에, 롤 구조의 전극 조립체 형성시 상기 도전성 롤코어에 의해 가공성이 향상될 수 있다.
또한, 롤 형태로 구현되는 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나에 상기 리드 탭을 복수 개로 형성함으로서 전자의 이동거리를 짧게 하여 전지의 내부저항을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 전지의 충방전 속도 및 효율, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 전극 조립체의 구조가 단순화되고, 얇으면서도 가요성을 가진 전기 절연성 필름이 지지체가 되어 금속 집전층을 박막화할 수 있고, 도전성 롤코어의 권취를 도와, 전지 패키징을 위한 권취 공정이 용이하고 형상과 용량 조절이 용이하며, 도전성 롤코어가 외부 전극 또는 외부 전극과 배선을 통하여 전기적으로 연결되는 리드로서 기능할 수 있어 배선 형성 과정이 용이한 전극 조립체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1a는 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 조립체를 도시하는 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 전극 조립체에서 도전성 롤코어에 의해 권취되는 전기 절연성 필름을 나타내는 평면도이다.
도 2a 내지 도 2c들은 본 발명의 다른 실시예들에 따라 도 1b의 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 절취한 부분을 나타내는 단면도들이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체와 분리막이 권취된 롤 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 II-II'을 따라 절취된 단면의 확대도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1a에 도시된 전극 조립체를 권취하여 그 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 5는 도 1a에 도시된 전극 조립체를 포함하는 전지의 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.　 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.　 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.　 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.　 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.　 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'이란 용어는 상기 분리막과 친화성이 작은 액체 전해질을 사용하는 액체 전해질 전지에서 일반적으로 통용되는 분리막을 포함한다.　 나아가, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'은, 전해질이 분리막에 강하게 속박되어 전해질과 분리막이 동일한 것으로 인식되는 진성 고체 폴리머 전해질, 및/또는 겔 고체 폴리머 전해질을 포함하는 개념이다.　 따라서, 상기 분리막은 본 명세서에서 정의하는 바에 따라 그 의미가 정의되어야 한다.
도 1a는 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 조립체(400)를 도시하는 단면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 전극 조립체(400)에서 도전성 롤코어(300)에 의해 권취되는 전기 절연성 필름(100)을 나타내는 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 전지를 구성하는 전극 조립체(400)는, 제 1주면(100a) 및 제 2 주면(100b)을 갖는 전기 절연성 필름(100), 전기 절연성 필름(100)의 제 1 주면(100a) 상에 적층되는 제 1 전극(110), 제 2주면(100b) 상에 적층되어 제 1 전극(110)과 반대 극성을 갖는 제 2 전극(120), 및 제1 전극(110)에 전기적으로 연결되는 도전성 롤코어(300)를 포함할 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 분리막(200)은 도전성 롤코어(300)가 배치되는 제 1 전극(110)에 반대되는 제 2 전극(120)상에 배치될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 다른 실시예에서, 분리막(200)은 제 1 전극(110)상에 배치될 수도 있고, 상기 도전성 롤코어(300)는 제2 전극(120) 상에 배치될 수도 있다.
일부 실시예에서, 전기 절연성 필름(100)은 제 1 주면(100a) 및 제 2 주면(100b) 중 적어도 하나 상에 상기 제1 및 제2 전극들(110, 120) 내의 전기적 활물질의 누설을 방지하기 위한 누설 방지 구조(101)를 포함할 수 있다. 누설 방지 구조(101)는, 전기 절연성 필름(200)의 제 1 주면(110a) 및 제 2 주면(110b) 중 적어도 어느 하나의 가장자리 상에 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에 따른 누설 방지 구조는 격벽 구조, 트렌치 구조, 또는 이 들 구조를 조합하여 구현될 수 있다. 누설 방지 구조(101)에 관하여는, 도 2a 내지 도 2c 를 참조하여 후술하도록 한다.
전기 절연성 필름(100)은 롤 구조로 가공되기에 적합하면서도 충분한 기계적 강도를 갖는 가요성 소재를 포함할 수 있다. 상기 가요성 소재는, 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 가요성 수지계 재료는, 셀룰로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)와 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)과 같은 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 염화비닐수지, 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 황화 폴리페닐렌(PPS), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(Tri-acetyl cellulose), 폴리비닐알코올(polyvinyl alchol), 에틸렌-비닐알콜 공중합체(ethylene-vinyl alchhol copolymer), 및 폴리아마이드(polyamide)계 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있고, 상기 폴리아마이드계 수지는 나일론 6(nylon6), 나일론 66(nylon66), 나일론4(bylon4) 및 나일론 6-11(nylon6-11)일 수 있다. 그러나, 이들 재료들은 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니고, 다른 적합한 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료가 사용될 수 도 있다.
한편, 전기 절연성 필름(100)이 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120)을 지지하는 동시에 롤 구조로 가공되기에 적합한 강도를 갖도록 전기 절연성 필름(100)의 두께가 결정될 수 있다. 예를 들면, 전기 절연성 필름(100)의 두께는, 1㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 10㎛의 범위 내일 수 있고, 이 경우에, 전기 절연성 필름(100)은 100㎛ 이하의 얇은 두께를 가지면서도 우수한 기계적 강도와 가공성을 제공할 수 있기 때문에, 전극 조립체(400)의 전체 두께를 감소시키는데 기여할 수 있다. 이러한 전기 절연성 필름의 이점과 특징들은 하기 개시 사항으로부터 더욱 분명해 질 것이다.
전기 절연성 필름(100) 상에 배치되는 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120) 중 어느 하나는 양극이고 다른 하나는 음극일 수 있다. 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120) 중 적어도 하나는, 전기 절연성 필름(100) 상에 순차대로 적층되는 집전층 및 전기적 활물질층을 포함할 수 있다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 상기 제1 전극(110)은 제1 집전층(111) 및 제1 전기적 활물질층(112)을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극(120)은 제2 집전층(121) 및 제2 전기적 활물질층(122)을 포함할 수 있다.
양극용 집전층은, 스테인리스강, 티탄, 알루미늄 또는 이들 중 어느 하나의 합금과 같은 금속계 재료를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 알루미늄 또는 이의 합금이다. 음극용 집전층은, 구리, 스테인리스강, 니켈, 또는 이들 중 어느 하나의 합금과 같은 금속계 재료가 사용될 수 있으며, 바람직하게는, 구리 또는 구리의 합금이다.
상기 제1 및 제2 집전층들(111, 121)은 전술한 금속계 재료가 아닌 다른 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 집전층들(111, 121)은 도전성 수지 조성물로 형성될 수 있다. 상기 도전성 수지 조성물은 매트릭스를 형성하는 수지 및 상기 매트릭스 내에 분산된 금속 미립자 또는 탄소 미립자와 같은 도전성 미립자를 포함하는 복합 재료일 수 있다. 또는, 상기 도전성 수지 조성물은 전자 전도가 가능한 공지의 다른 수지계 재료일 수도 있다.
전기적 절연성 필름(100)이 제1 및 제2 집전층들(111, 121)을 지지하고, 롤 구조의 형성을 위한 기계적 강도를 제공할 수 있기 때문에, 제1 및 제2 집전층들(111, 121)은 박막화가 가능하다. 박막화된 제1 및 제2 집전층들(111, 121) 각각의 두께는, 예를 들면, 0.01㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 0.01㎛ 내지 10㎛ 내의 범위일 수 있다.
전술한 금속계 재료를 포함하는 제1 및 제2 집전층들(111, 121)은 박막화된 도전층 형성이 가능한 레이저 펄스 증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), RF 스퍼터링(Sputtering), RF 마그네트론(magnetron) 스퍼터링, DC 스퍼터링, DC마그네트론 스퍼터링, 유기금속 화학증착법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 및 분자선 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 또는 이들의 조합과 같은 기상 증착법을 사용하여 형성될 수 있다. 그러나 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 제1 및 제2 집전층들(111, 121)을 구성하는 해당 금속 이온과 환원제 사이의 수용액 반응에 의해 박막을 형성하는 무전해 도금법에 의해서도 제1 및 제2 집전층들(111, 121)의 형성이 가능하다.
다른 실시예에서, 제1 및 제2 집전층들(111, 121)이 전술한 도전성 수지 조성물을 포함하는 경우, 해당 고분자 수지와 금속분말 및 탄소 미립자와 같은 도전재가 혼합된 고상 도전성 필름을 라미네이팅하거나, 액상 도전성 조성물을 도포하고 이를 건조시키는 것에 의해 제1 및 제2 집전층들(111, 121)을 형성할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극들(110, 120) 각각은 순차적으로 적층된 집전층 및 전기적 활물질층을 포함하나, 이는 예시적이며, 본 발명의 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 카본 및 탄소 나노튜브와 같이 금속 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalstion)가 가능하면서도 우수한 도전성을 갖는 재료는 집전체와 전기적 활물질층으로서의 기능을 동시에 수행할 수 있으므로, 이들 재료를 이용하여 전극을 구성하는 경우, 제1 전기적 활물질층(112)의 하부에 배치되는 제1 집전층(111) 및 제2 전기적 활물질층(122) 위에 배치되는 제2 집전층(112)은 상기 전극 조립체(400)에서 생략될 수 있어 제1 및 제2 전극들(110, 120)의 두께들이 더욱 감소될 수 있다.
전기 절연성 필름(100)의 제1 주면(100a) 상에 제1 집전층(111)을 형성하고, 제2 주면(100b) 상에 제2 집전층(121)을 형성한 후에, 제1 집전층(111) 상에 제1 전기적 활물질층(112)와 제2 집전층(121) 상에 제2 전기적 활물질층(122)을 형성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전기적 활물질층들(112, 122) 각각은 하기의 재료들을 페이스트, 슬러리, 인쇄 공정, 스프레이 공정 또는 건식 코팅 방법으로 전기 절연성 필름(100) 상에 형성될 수 있다. 필요에 따라, 자연 건조 또는 가열 공정을 수반하는 건조 공정이 더 수행될 수 있다.
제1 및 제2 전기적 활물질층들(112, 122)은 일차 전지 또는 이차 전지용인지의 여부 및 극성에 따라 아래의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일차 전지의 경우, 양극 활물질층은 망간 산화물, EMD(electrolytic manganese dioxide), 니켈 산화물, 산화납, 이산화납, 은산화물, 황화철, 또는 전도성 고분자 입자를 포함할 수 있으며. 음극 활물질층은 아연, 알루미늄, 철, 납 또는 마그네슘 입자들을 포함할 수 있다.　
이차 전지의 경우, 양극 활물질층은 Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, Ce 중 적어도 하나 이상의 금속과 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 Li 화합물을 포함할 수 있다.　 예를 들면, 양극 활물질층은 [화학식] LiaA1 - bBbD2을 가지며, 상기 화학식에서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5인 화합물일 수 있다.
이차 전지의 음극 활물질층은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 저결정 탄소 또는 고결정성 탄소와 같은 탄소계 재료를 포함할 수 있다.　 상기 저결정성 탄소는 연화 탄소(soft carbon) 또는 경화 탄소(hard carbon)일 수 있다.　 상기 고결정성 탄소는 천연 흑연, 키시 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소 섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소 구체(meso-carbon microbeads), 액정 피치(Mesophase pitches), 석유 또는 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes)와 같은 고온 소성 탄소일 수 있다.　 음극 활물질층은 결합재를 포함할 수 있으며, 상기 결합재는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate)와 같은 고분자 재료가 사용될 수 있다.　 다른 실시예에서는, 고용량의 2 차 전지를 제공하기 위하여, 음극 활물질층은 S, Si 또는 Sn을 포함하는 금속계 또는 금속간 화합물(intermetallic compounds)을 포함할 수도 있다.　
전술한 전기적 활물질은 0.01㎛ 내지 100 ㎛의 크기를 갖는 입자들일 수 있다. 바람직하게는, 전기적 활물질은 0.1㎛ 내지 15 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 전지의 요구 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 전기적 활물질이, 흑연 입자와 같은 탄소 계열의 물질이 아닌 경우, 제1 및 제2 활물질층들(111, 121)은 도전재를 더 포함할 수도 있다. 상기 도전재는 상기 전기적 활물질과의 혼합 총량에 대하여 약 2 내지 15 % 의 중량비로 첨가될 수 있다. 상기 도전재는 예를 들면, 카본 블랙 및 초미세 그라파이트 입자, 아세틸렌 블랙과 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트, 또는 ITO(indium tin oxide) 페이스트일 수도 있다.
상기 제1 및 제2 전극들(110, 120) 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되는 도전성 롤코어(300)는 권취축을 정의하도록 연장된 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 도전성 롤코어(300)는 금속계 재료를 포함할 수 있고, 예컨대, 상기 도전성 롤코어(300)는 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
도전성 롤코어(300)의 단면은 원, 타원, 또는 다각형 형상을 가질 수 있다. 도전성 롤코어(300)의 양 단부 중 적어도 하나는 상기 전기 절연성 필름의 적어도 어느 한 쪽의 가장자리 밖으로 노출되도록 연장되어 권취 공정을 용이하게 할 수 있다.
분리막(200)은, 예를 들면, 미세 다공막, 직포, 부직포, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고체 고분자 전해질막, 무기 세라믹 분말이 코팅된 미세 다공막, 또는 이 들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 진성 고체 고분자 전해질막은, 직쇄 폴리머 재료, 또는 가교 폴리머 재료를 포함할 수 있다.　상기 겔 고분자 전해질막은, 염을 포함하는 가소제 함유 폴리머, 필러 함유 폴리머 또는 순 폴리머 중 어느 하나 이들의 조합일 수 있다.　
전술한 분리막(200)에 관하여 열거한 재료들은 예시적이며, 분리막(200)으로서 형상 변화가 용이하고, 기계적 강도가 우수하여 전극 조립체(400)의 변형에도 찢어지거나 균열되지 않는 임의의 적합한 전자 절연성 재료가 사용될 수 있으며, 전자 절연성 재료로서 적합한 이온 전도성을 가질 수도 있다.　 분리막(200)은 단층막 또는 다층막일 수 있으며, 상기 다층막은 동일 단층막의 적층체이거나 다른 재료로 형성된 단층막의 적층체일 수 있다.　
분리막(200)의 두께는 내구성, 셧다운 기능, 전지의 안전성을 고려하면, 10 ㎛ 내지 300 ㎛이고, 바람직하게는, 10 ㎛ 내지 40㎛이며, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 25 ㎛이다. 분리막(200)의 길이는 전기 절연성 필름(100)의 길이보다 더 길도록 분리막(200)의 어느 일단부(200a, 200b)가 전기 절연성 필름(100)의 밖으로 더 연장될 수도 있다. 도 1a에서는, 분리막(200)의 양 단부들(200a, 200b) 중 일 단부(200b)가 전기 절연성 필름(100) 밖으로 더 연장된 것이 도시된다. 이와 같이, 전기 절연성 필름(100)의 밖으로 더 연장된 여분의 분리막(200)은 전지 화학 반응 동안 발생할 수 있는 전극 조립체(400)의 수축 변형에 의해 발생될 수 있는 제1 및 제2 전극들(110, 120) 간의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 전지를 고용량화 하기 위해 하나의 전지를 복수의 전극 조립체(400)로 구현하는 경우에, 상기 여분의 분리막(200)은 상기 복수의 전극 조립체(400) 사이에 배치되어 상기 복수의 전극 조립체(400)를 상호 간에 절연시킬 수 있다.
전술한 실시예의 전극 조립체(400)에 따르면, 서로 다른 극성의 전극들이 분리되어 2개의 독립된 구조체로서 제공되는 종래의 전극 조립체에 비해 음극과 양극이 단일 구조체로 제공될 수 있으므로 구조가 단순해 질 수 있으며, 전지 형성 공정에서 2장의 분리된 전극을 정렬하는 종래의 제조 공정이 생략되어 제조 과정이 단순화될 수 있다.
한편, 종래 기술에 따른 전극 조립체에서는 각 금속 집전체가 해당 전극의 지지 구조로서 기능하기 때문에, 음극 및 양극에 해당되는 금속 집전체들의 두께는 통상적으로 적어도 20㎛이상의 크기로 설계된다. 따라서, 일반적으로 양극 및 음극에 해당되는 전기적 활물질층들의 두께가 40㎛ 내지 100㎛임을 고려할 때, 종래의 전극 조립체의 전체 두께(t1)는 60㎛ 내지 120㎛에 이른다. 결과적으로, 종래 기술에 따른 전극 조립체에 있어서, 전극 조립체의 전체 두께에 대한 제1 및 제2 집전층들(111, 121)의 두께 비는 1/3 내지 1/6일 수 있다.
그러나, 전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2집전층(111, 121)이 아닌 전기 절연성 필름(100)이 기계적 지지 구조로서 역할을 하기 때문에 제1 및 제2 집전층들(111, 121)의 두께를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 각 전기적 활물질층의 두께가 종래 전극 조립체와 동일한 정도인 20㎛ 내지 50㎛이고, 제1 및 제2 집전층들(111, 121) 각각의 두께가 0.01㎛이고, 절연성 필름(100)의 두께가 1㎛인 경우에, 전극 조립체(400)의 전체 두께는 41㎛ 내지 101㎛가 될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(400)의 전체 두께(t1)에 대한 각 집전체(t2)의 두께 비(t2/t1)는, 1/41 내지 1/101로 감소될 수 있다. 결과적으로, 전극 조립체(400)의 감소된 부피로 인하여 권취된 전극 조립체의 부피 또한 작아지므로, 종래의 전극 조립체에 비해 동일 부피에서 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 얇으면서도 가요성을 가진 전기 절연성 필름(100)이 전극 조립체(400)의 지지체가 될 수 있으므로, 제1 및 제2 집전층들(111, 121)을 박막화할 수 있어 이 들의 두께를 감소시킬 수 있다. 따라서, 전극 조립체의 제조 공정에 있어서, 상기 제1 및 제2 집전층들(111, 121)을 패키징 하는 권취 공정을 용이하게 할 수 있다.
한편, 도전성 롤코어(300)는 외부로 노출된 제1 집전층(111)의 표면 상에 접촉 또는 본딩되어 제1 전극(110)에 전기적으로 접속될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 도전성 롤코어(300)는 솔더링 방법 또는 공융 반응과 같은 공지의 접속 방법을 이용하여 제1 집전층(111)에 본딩될 수 있고, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 다른 실시예에서 제 1 전극(110)이 전기적 도전성이면서 전기적 활물질 특성을 겸하는 탄소계 전극인 경우에는, 제1 전극(110) 상에 직접 도전성 롤코어(300)가 접촉 또는 본딩되어 제1 전극(110)과 전기적으로 접속될 수도 있다.
도전성 롤코어(300)는 권취 공정을 이용하여 전극 조립체(400)를 롤 구조로 제조하기 위한 권취축으로서 역할을 할 수 있다. 전극 조립체(400)의 귄취 공정의 권취 방향은 귄취축에 수직한 방향으로 정의될 수 있다.
일부 실시예에서, 도전성 롤코어(300)의 단부들(300a, 300b) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 1 단부(300a)는 전기 절연성 필름(100)의 가장자리 밖으로 더 연장될 수도 있다. 제1 단부(300a)는 전지의 외부 전극으로 기능하거나, 배선을 통하여 전지의 외부 전극과 전기적으로 연결되는 리드로서 기능할 수도 있다.
일부 실시예에서는, 제1 및 제2 전기적 활물질층들(112, 122)이 외부로 누설되는 것을 방지하기 위하여 전기 절연성 필름(100) 상에 누설 방지 구조(101)가 제공될 수도 있다. 예를 들면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 전기 절연성 필름(100)이 평면상에서 장방형의 형상을 갖는 경우에, 누설 방지 구조(101)는 상기 전기 절연성 필름(100)의 4 개의 가장자리 전체 또는 가장자리의 일부에 선택적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 누설 방지 구조(101)는 전기 절연성 필름(100)의 도전성 롤코어(300)가 형성된 전기 절연성 필름(100)의 가장자리를 제외한 나머지 3 개의 가장자리 상에 형성될 수 있고, 상기 누설 방지 구조(101)는 도전성 롤코어(300)에 의해 정의되는 권취축에 수직한 전기 절연성 필름(100)의 2 개의 가장자리 상에 선택적으로 형성될 수도 있다.
상기 누설 방지 구조(101)는 전기 절연성 필름(100)의 가장 자리에서 트렌치 또는 격벽을 제공하므로, 전극 조립체(400)의 권취 공정 시 인가되는 압력에 의해 제1 및 제2 전기적 활물질층들(112, 122)이 전극 조립체(400)의 외부로 누설되는 것이 방지될 수 있다. 상술한 누설 방지 구조(101)에 대한 보다 상세한 설명은 도 2a 내지 도 2c들을 참조하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2c들은 본 발명의 다른 실시예들에 따라 도 1b의 I-I'을 따라 절취한 부분을 나타내는 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 누설 방지 구조(101)는 전기 절연성 필름(100)의 가장자리에 대응하여 제1 주면(100a) 및 제2 주면(100b) 각각으로부터 돌출된 격벽 구조로 구현될 수 있다. 상기 누설 방지 구조(101)가 전기 절연성 필름(100)으로부터 돌출된 높이는 상기 제1 전극(110) 의 제1 전기적 활물질층(도 1a의 112)의 두께 또는 상기 제2 전극(120)의 제2 전기적 활물질층(도 1a의 122)의 두께와 동등하거나 더 클 수 있다.
도 2b를 참조하면, 누설 방지 구조(102)는 전기 절연성 필름(100)의 가장자리에 대응하여 제1 주면(100a) 및 제2 주면(100b)에 형성된 트렌치 구조로 구현될 수 있다. 트렌치 구조로 구현된 누설 방지 구조(102)의 깊이는 제1 전극(110)의 제1 전기적 활물질층(도 1a의 112)의 두께 또는 제2 전극(120)의 제2 전기적 활물질층(도 1의 122)의 두께와 동등하거나 더 클 수 있다.
도 2c를 참조하면, 누설 방지 구조들(101, 102)은 앞서 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 격벽 구조 및 트렌치 구조가 조합되어 구현된다.
따라서, 도 2a 내지 도 2c들을 참조하여 설명한 누설 방지 구조에 의해, 전극 조립체(400)가 권취 되는 동안 권취된 층들 사이의 압력에 의해 제1 및 제2 전극들(110, 120)의 제1 및 제2 전기적 활물질층들(도 1의 112, 122)이 상기 전극 조립체(400)의 외부로 누설되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(400)와 분리막(200)의 권취된 롤 구조를 도시하는 단면도이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 II-II'을 따라 절취된 단면의 확대도이다.
도 3a및 도 3b를 참조하면, 도전성 롤코어(300)를 권취축으로 하여 전극 조립체(400)가 권취되어 롤 구조(600)가 구현된다. 그 결과, 롤 구조(600)에 있어서, 전기 절연성 필름(100)의 제 1 주면(도 1a의 100a) 상에 배치된 제 1 전극(110)과 제 2 주면(도 1a의 100b) 상에 배치된 제 2 전극(120)이 분리막(200)을 사이에 두고 서로 대향한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(400)가 권취되는 방향은 롤 구조(600)에서 분리막(200)이 최 외곽으로 배치되도록 정의될 수 있다. 하지만, 상술한 전극 조립체(400)의 권취 방향은 예시적인 것으로, 상기 전극 조립체(400)는 상기 권취 방향의 반대 방향으로 권취 될 수도 있고, 이 경우에, 롤 구조(600)에서 제1 전극(110)이 최 외곽에 배치된다. 하지만, 상술한 두 가지의 권취 방향들 어느 경우에서라도, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 분리막(200)이 개재되어 롤 구조(600) 내부에서 분리막(200)을 사이에 두고 제1 및 제2 전극들(110, 120)이 서로 대향하고, 이에 따라 롤 구조(600) 내부에서 전기 화학적 반응 영역(RA1, RA2)이 형성될 수 있다.
한편, 롤 구조(600)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 그 단면이 원형이 되도록 권취될 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 앞서 상술한 바와 같이 가요성이 우수한 전기 절연성 필름(100), 박막화된 제1 및 제2 집전층들(111, 121)이 제공되므로 권취 공정이 용이하므로, 롤 구조(600)의 형상이 다양해질 수 있다. 예를 들면, 상기 롤 구조(600)의 단면은 타원, 및 삼각형과 사각형과 같은 다각형 형상을 가질 수 있다. 따라서, 원형 전지 및 각형 전지와 같이 다양한 형상의 전지에 대응하도록 상기 롤 구조(600)의 형상을 적절하게 제어할 수 있다.
한편, 롤 구조(600)가 한쪽 방향으로 권취되는 방식과 달리, 전극 조립체(400)를 다른 방식으로 권취하여 다른 형상의 롤 구조가 제공될 수도 있다. 이에 대해서는, 도 4a 내지 도 4c들을 참조하여 설명된다.
도 4a 내지 도 4c는 다양한 방식으로 도 1a에 도시된 전극 조립체(400)를 권취하여 그 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 4a내지 도 4c를 참조하면, 전극 조립체(도 1a의 400)가 다양한 방식으로 권취된 롤 구조들이 개시된다. 예를 들면, 도 4a에서는 두 개의 도전성 롤코어들(300)에 의해 두 개의 롤 구조들이 서로 마주보는 제1 말림 구조(700A)가 개시되고, 도 4b에서는 두 개의 도전성 롤코어들(300)에 의해 두 개의 롤 구조들이 서로 등을 지도록 권취된 제2 말림 구조(700B)가 개시되고, 도 4c에서는 하나의 도전송 롤코어(300)를 이용하여 제1 롤 구조(710)를 제2 롤 구조(720)가 외부에서 감싸는 이중 롤 구조(700C)가 개시된다. 전술한 롤 구조들에서는 전극 조립체들과 함께 전기 화학적 반응 영역을 형성하도록 서로 다른 극성의 전극들을 분리하는 적어도 하나 이상의 분리막(200)이 제공된다.
전술한 다양한 실시예들에 따른 롤 구조들에 따르면, 1 개 또는 2 이상의 복수의 롤 구조가 하나의 전지 셀을 구성하도록 패키징화될 수 있고, 이 경우에, 서로 이웃한 롤 구조들 사이에 분리막이 더 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 이웃한 롤 구조들 사이에 배치되는 분리막은 도 1a를 참조하여 전술한 바와 같이, 분리막(200)의 일 단부를 더 연장시켜 남는 여분의 분리막일 수 있다.
도 5는 도 1a에 도시된 전극 조립체(400)를 포함하는 전지(1000)의 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 전지(1000)는 일반적인 원통형 전지일 수 있지만, 앞서 상술한 바와 같이 전극 조립체(400)는 그 단면이 다양한 형태가 되도록 권취가 가능하므로 각형 전지와 같은 다른 패키징 형태를 가질 수도 있다.
도전성 롤코어(300)는 전극 구조체(400)의 제1 및 제2 전극들(110, 120) 중 제1 전극(110)과 전기적으로 연결되고, 권취축을 정의하도록 연장된 하나 이상의 도전성 롤코어(300)의 일 단부에는 전지 외부의 단자들과의 전기적 연결을 위한 리드 선(301)이 결합될 수 있다.
또한, 다수의 리드 탭들(302)은 제2 전극(120)과 전기적으로 연결된다. 이 경우에, 롤 형상으로 권취된 전극 조립체(400) 내의 제2 전극(120) 상에 서로 이격되도록 상기 리드 탭들(302)을 배치함으로서 전자의 이동거리를 짧게하여 전기저항을 줄여줌으로써, 전지(1000)의 충방전속도와 효율, 및 사이클특성이 개선될 수 있다.
한편, 하우징(820) 내에서는 수산화칼륨(KOH), 브롬화칼륨(KBr), 염화칼륨(KCl), 염화아연(ZnCl2) 및 황산(H2SO4)과 같은 염을 포함하는 적합한 수계 전해액이 롤 구조에 흡습되어, 전지(1000)가 활성화될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 전지(1000) 사용 중의 안정성 및/또는 전력 공급 특성을 제어하기 위한 적합한 전지 운영 시스템(battery managing system)이 추가적으로 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전지는, 향상된 에너지 밀도와 가공성 때문에 컴퓨터, 디스플레이 장치, 휴대폰과 같은 소형 전자 장치의 소형 전지로서 응용되거나, 부피를 증가시킴으로써 고용량화하여 자동차의 동력원 또는 전력 저장을 위한 중대형 전지로서 응용될 수 있을 것이다. 이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 전기 절연성 필름 111: 제1 집전층
112: 제1 전기적 활물질 110: 제1 전극
101: 누설 방지 구조 121: 제2 집전층
122: 제2 전기적 활물질 120: 제2 전극
200: 분리막 300: 도전성 롤코어
1000: 전지

Claims (24)

  1. 제 1 주면 및 이에 반대되는 제 2 주면을 갖는 가요성의 전기 절연성 필름;
    상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 주면 상에 적층된 제 1 극성의 제 1 전극;
    상기 전기 절연성 필름의 상기 제 2 주면 상에 적층되고, 상기 제 1 전극과 반대 극성을 갖는 제 2 극성의 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되고, 권취축을 정의하도록 연장된 하나 이상의 도전성 롤코어; 및
    상기 권취축을 따라 상기 전기 절연성 필름이 권취되면서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되어 전기 화학적 반응 영역을 형성하는 분리막을 포함하는 전극 조립체.
  2. 상기 분리막은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 상기 도전성 롤코어와 전기적으로 연결되는 전극과 상이한 극성을 갖는 전극 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 필름은 상기 제 1 주면 및 상기 제 2 주면 중 적어도 하나의 가장자리부에 형성된 누설 방지 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 누설 방지 구조는, 격벽 구조, 트렌치 구조, 또는 이들의 조합을 포함하는 전극 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 격벽 구조의 높이는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 각각의 두께와 동등하거나 더 크고, 상기 트렌치 구조의 깊이는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 각각의 두께와 동등하거나 더 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 필름은 가요성을 갖는 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가요성 수지계 재료는, 셀룰로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)와 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)와 같은 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리염화비닐수지, 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 황화 폴리페닐렌(PPS), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(Tri-acetyl cellulose), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 에틸렌-비닐알콜 공중합체(Ethylene-Vinylalcohol copolymer), 및 폴리아마이드(polyamide)계 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 필름의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 전기 절연성 필름 상에 순차대로 적층되는 집전층 및 전기적 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 집전층의 두께는 0.01 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 집전층은 금속 또는 도전성 수지 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 롤코어는 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 롤코어의 단면은 원, 타원, 또는 다각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 롤코어의 양 단부 중 적어도 하나는 상기 전기 절연성 필름의 적어도 어느 한 쪽의 가장자리 밖으로 노출되도록 연장되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막은 미세 다공막, 직포, 부직포, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고체 고분자 전해질막 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리막의 길이는 상기 전기 절연성 필름의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 롤코어는 상기 분리막이 외부로 노출되도록 상기 전기 절연성 필름을 일 방향으로 권취하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 롤코어는 상기 분리막이 외부로 노출되지 않도록 상기 전기 절연성 필름을 일 방향으로 권취하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제 1 항 기재의 상기 전극 조립체를 적어도 하나 이상 포함하는 전지.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 전지는 일차 전지 또는 이차전지용인 것을 특징으로 하는 전지.
  22. 제 1 주면 및 이에 반대되는 제 2 주면을 갖는 가요성의 전기 절연성 필름; 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 주면 상에 적층된 제 1 전극; 상기 전기 절연성 필름의 상기 제 2 주면 상에 적층되어 상기 제 1 전극과 반대 극성을 갖는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나와 전기적으로 연결되고, 권취축을 정의하도록 연장된 하나 이상의 도전성 롤코어를 포함하는 전극 조립체를 형성하는 단계;
    상기 전기 절연성 필름의 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 어느 하나의 전극 상에 분리막을 적층하는 단계; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 서로 대향함으로써 전기 화학적 반응 영역을 형성하도록 상기 권취축을 따라 상기 전극 조립체를 권취하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 전기 절연성 필름 상에 순차대로 적층되는 집전층 및 전기적 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 집전층은, 기상 증착법, 무전해 도금법 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
KR1020110119202A 2011-11-15 2011-11-15 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지 KR101367975B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110119202A KR101367975B1 (ko) 2011-11-15 2011-11-15 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지
PCT/KR2012/009673 WO2013073867A1 (ko) 2011-11-15 2012-11-15 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110119202A KR101367975B1 (ko) 2011-11-15 2011-11-15 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130055045A true KR20130055045A (ko) 2013-05-28
KR101367975B1 KR101367975B1 (ko) 2014-03-14

Family

ID=48429869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110119202A KR101367975B1 (ko) 2011-11-15 2011-11-15 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101367975B1 (ko)
WO (1) WO2013073867A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021118150A1 (ko) * 2019-12-13 2021-06-17 주식회사 아모그린텍 폴더블 배터리

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101752373B1 (ko) 2014-10-31 2017-06-29 주식회사 엘지화학 전극 복합체, 그를 포함하는 이차전지 및 케이블형 전지 이차전지

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10255818A (ja) * 1997-03-14 1998-09-25 Nitto Denko Corp 捲回型電池
KR100358224B1 (ko) * 1999-07-31 2002-10-25 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지
KR20040042373A (ko) * 2002-11-14 2004-05-20 삼성에스디아이 주식회사 원통형 이차전지
KR100614390B1 (ko) 2004-09-06 2006-08-21 삼성에스디아이 주식회사 권취형 전극 조립체와 이를 구비하는 리튬 이온 이차 전지및 이의 제조 방법
KR100624935B1 (ko) * 2004-10-28 2006-09-15 삼성에스디아이 주식회사 원통형 리튬 이차 전지
KR101254884B1 (ko) * 2006-03-28 2013-04-15 삼성에스디아이 주식회사 젤리롤형 전극 조립체 및 이를 가지는 이차 전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021118150A1 (ko) * 2019-12-13 2021-06-17 주식회사 아모그린텍 폴더블 배터리

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013073867A1 (ko) 2013-05-23
KR101367975B1 (ko) 2014-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101315672B1 (ko) 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 이의 제조 방법
EP2605314B1 (en) Electrode assembly having fiber-shaped structures, and battery including same
JP5779828B2 (ja) 段差を有する電極組立体、それを含む電池セル、電池パック及びデバイス
US9142811B2 (en) Current collector having built-in sealing means, and bipolar battery including such a collector
JP5543269B2 (ja) 二次電池
US9997787B2 (en) Electrode assembly comprising fiber-shaped structures
EP3721490A1 (en) Sandwich electrodes and methods of making the same
WO2012153866A1 (ja) 非水系二次電池の積層構造、および非水系二次電池の積層方法
KR101664244B1 (ko) 전극의 표면에 패턴을 형성하는 방법, 이 방법을 이용해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지
JPWO2011092990A1 (ja) 電力貯蔵デバイスセルとその製造方法および蓄電デバイス
WO2020256023A1 (ja) 二次電池
JP7037015B2 (ja) 電極組立体及びこれを含むリチウム二次電池
JP2020135974A (ja) 全固体電池
KR20130069473A (ko) 전기 디바이스
CN114665101A (zh) 电化学装置以及电子装置
CN113922002A (zh) 一种电池
KR20170095072A (ko) 이차 전지 및 이차 전지 제조방법
KR101367975B1 (ko) 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지
JP2010015852A (ja) 二次電池
JP6926910B2 (ja) 二次電池
KR20140034340A (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자, 전지모듈
CN219759653U (zh) 卷绕式电芯、电池和车辆
WO2022208625A1 (ja) 蓄電デバイス用電極およびリチウムイオン二次電池
WO2021006161A1 (ja) 二次電池
WO2023074845A1 (ja) リチウム二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee