KR20130087968A - 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체의 중심부에 위치하는 활물질의 밀도를 낮춤으로써, 안전성을 향상시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 제 1 전극판과 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 상기 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 서로 권취되어 형성되는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지에 있어서, 상기 제 1 전극판은 제 1 집전체와, 상기 제 1 집전체의 적어도 일면에 동일한 두께로 형성되며, 제 1 활물질, 바인더 및 도전제로 이루어진 제 1 활물질층을 포함하고, 상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 1 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 1 활물질의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지를 개시한다.

Description

전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지{Electrode assembly and secondary battery comprising the same}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 팩이 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이처럼 자동차에 적용되는 이차 전지는 고용량이 요구되며, 이에 따라 기존의 소형 전자기기용 이차 전지와 달리 사이즈가 커지는 경향이 있다. 또한, 각형 전지의 경우 전지 두께의 증가로 인해 셀 내/외부의 방열 차이가 발생하여 안전상 확보가 어려운 상황이다. 특히, 고용량 전기 자동차용 이차 전지의 경우, 셀의 전체 두께가 두꺼워지면서 중심부에 배치된 셀과 외곽부에 배치된 셀 간의 온도 차이가 매우 크게 나타난다. 또한, 관통 또는 내부 단락이 발생되는 경우, 중심부에 배치된 셀의 온도가 과도하게 높아지면서 발화 및 폭발을 일으킬 수 있는 열폭주 발생 가능성이 매우 높아지게 된다.
본 발명은 전극 조립체의 중심부에 위치하는 활물질의 밀도를 낮춤으로써, 안전성을 향상시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 제 1 전극판과 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 상기 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 서로 권취되어 형성되는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지에 있어서, 상기 제 1 전극판은 제 1 집전체와, 상기 제 1 집전체의 적어도 일면에 동일한 두께로 형성되며, 제 1 활물질, 바인더 및 도전제로 이루어진 제 1 활물질층을 포함하고, 상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 1 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 1 활물질의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 1 활물질의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 1 활물질의 함량보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 바인더 및 도전제의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 바인더 및 도전제의 함량보다 을 수 있다.
또한, 상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 기공의 양이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 기공의 양보다 높으며, 상기 기공은 기포제에 의해서 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기가 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 1 활물질층은 상기 제 1 전극판의 일단에 위치하며, 상기 전극 조립체의 중심부에 위치하는 선단과, 상기 제 1 전극판의 타단에 위치하며 상기 전극 조립체의 외곽부에 위치하는 종단을 포함하고, 상기 제 1 활물질층은 상기 선단에서 상기 종단으로 갈수록 제 1 활물질의 밀도가 높아질 수 있다.
또한, 상기 제 1 활물질층은 복수개의 구역으로 이루어지며, 상기 전극 조립체의 중심부로부터 차례대로 제 1 구역, 제 2 구역, 제 3 구역 및 제 4 구역을 포함하고, 상기 제 1 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도는 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮고, 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도는 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮고, 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도는 상기 제 4 구역에 포함된 제의 밀1도활물질의 밀도보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 1 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량은 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 작고, 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량은 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 작고, 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량은 상기 제 4 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제 1 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기는 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 크고, 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기는 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 크고, 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기는 상기 제 4 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극판은 제 2 집전체와, 상기 제 2 집전체의 적어도 일면에 동일한 두께로 형성되며, 제 2 활물질, 바인더 및 도전제로 이루어진 제 2 활물질층을 포함하고, 상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 2 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 2 활물질의 밀도보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 제 2 활물질의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 제 2 활물질의 함량보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 바인더 및 도전제의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 바인더 및 도전제의 함량보다 높을 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 기공의 양이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 기공의 양보다 높으며, 상기 기공은 기포제에 의해서 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 제 2 활물질 입자의 크기가 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 제 2 활물질 입자의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질층은 상기 제 2 전극판의 일단에 위치하며, 상기 전극 조립체의 중심부에 위치하는 선단과, 상기 제 2 전극판의 타단에 위치하며 상기 전극 조립체의 외곽부에 위치하는 종단을 포함하고, 상기 제 2 활물질층은 상기 선단에서 상기 종단으로 갈수록 제 2 활물질의 밀도가 높아질 수 있다.
또한, 상기 제 2 활물질층은 복수개의 구역으로 이루어지며, 상기 전극 조립체의 중심부로부터 차례대로 제 1 구역, 제 2 구역, 제 3 구역 및 제 4 구역을 포함하고, 상기 제 1 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도는 상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도보다 낮고, 상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도는 상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도보다 낮고, 상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도가 상기 제 4 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 1 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기는 상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기보다 크고, 상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기는 상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기보다 크고, 상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기는 상기 제 4 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지는 중심부에 위치하는 활물질의 밀도를 외곽부에 위치하는 활물질의 밀도보다 낮게 형성함으로써, 관통 또는 내부 단락이 발생되더라도 발화 및 폭발의 위험성을 낮추며 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취된 형태를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 형태를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 시작하는 부분을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 제 1 전극판을 도시한 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 전극판을 도시한 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지의 분해 사시도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취된 형태를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 형태를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 제 1 전극판(110), 제 2 전극판(120) 및 세퍼레이터(130)를 포함한다. 상기 전극 조립체(100)는 상기 제 1 전극판(110)과 세퍼레이터(130) 및 제 2 전극판(120)의 적층제를 권취하여 형성한다. 여기서, 제 1 전극판(110)은 양극으로서 작용할 수 있으며, 제 2 전극판(120)은 음극으로서 작용할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하나, 이하에서는 상기 제 1 전극판(110)이 양극으로 작용하고 제 2 전극판(120)이 음극으로 작용하는 것을 가정하여 설명하기로 한다.
상기 제 1 전극판(110)은 제 1 집전체(111), 제 1 활물질층(112), 제 1 무지부(113), 제 1 전극탭(114) 및 제 1 절연부재(115)를 포함한다.
상기 제 1 집전체(111)는 대략 평평한 제1면(111a)과 상기 제1면(111a)의 반대면으로 대략 평평한 제2면(111b)을 갖는다. 상기 제 1 집전체(111)는 제 1 활물질층(112)으로부터 전자를 모아서 외부로 이동시킬 수 있도록 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어질 수 있다. 상기 제 1 집전체(111)의 제1면(111a) 및 제2면(111b)에는 제 1 활물질층(112)이 형성될 수 있으며, 상기 제 1 집전체(111)에서 상기 제 1 활물질층(112)이 형성되지 않은 부분을 제 1 무지부(113)라고 한다.
상기 제 1 활물질층(112)은 상기 제 1 집전체(111)의 제1면(111a) 및 제2면(111b)에 동일한 두께로 코팅되어 형성된다. 또한, 상기 제 1 활물질층(112)은 상기 제 1 집전체(111)의 일정영역에 동일한 두께로 형성된다. 즉, 상기 제 1 활물질층(112)은 제 1 전극탭(114)이 부착되는 제 1 무지부(113)를 제외한 영역에 형성된다. 상기 제 1 활물질층(112)은 제 1 활물질에 카본 블랙(carbon black)이나 흑연 분말과 같은 도전재와 상기 제 1 활물질의 고정을 위한 바인더가 혼합되어 제조된다. 여기서, 상기 제 1 활물질은 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용될 수 있으나, 본 발명에 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 활물질층(112)은 상기 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체(100)의 외곽부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도보다 낮게 형성된다. 따라서, 상기 제 1 활물질층(112)은 전극 조립체(100)의 중심부에서 제 1 활물질에 의한 발열을 최소화할 수 있다. 상기 제 1 활물질층(112)의 밀도에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
상기 제 1 무지부(113)는 상기 제 1 집전체(111)에서 제 1 활물질층(112)이 형성되지 않은 부분을 말하며, 상기 제 1 집전체(111)의 양 끝단에 형성될 수 있다. 상기 제 1 무지부(113)는 상기 제 1 전극판(110)과 외부 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 상기 제 1 무지부(113)에는 제 1 전극탭(114)이 형성된다.
상기 제 1 전극탭(114)은 상기 제 1 무지부(113)에 형성된다. 상기 제 1 전극탭(114)의 일단은 상기 제 1 무지부(113)에 전기적으로 연결되며, 타단은 외부로 돌출된다. 여기서, 상기 제 1 전극탭(114)은 상기 제 1 무지부(133)에 용접될 수 있다. 또한, 상기 제 1 전극탭(114)에는 제 1 절연 부재(115)가 부착될 수 있다.
상기 제 1 절연 부재(115)는 상기 제 1 전극탭(114)에 부착되어, 상기 제 1 전극판(110)이 권취될 때, 상기 제 1 전극탭(114)이 다른 극성을 갖는 제 2 전극판(120)과 쇼트되는 것을 방지한다.
상기 제 2 전극판(120)은 제 2 집전체(121), 제 2 활물질층(122), 제 2 무지부(123), 제 2 전극탭(124) 및 제 2 절연부재(125)를 포함한다.
상기 제 2 집전체(121)는 대략 평평한 제1면(121a)과 상기 제1면(121a)의 반대면으로 대략 평평한 제2면(121b)을 갖는다. 상기 제 2 집전체(121)는 제 2 활물질층(122)으로부터 전자를 모아서 외부로 이동시킬 수 있도록 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어질 수 있다. 상기 제 2 집전체(121)의 제1면(121a) 및 제2면(121b)에는 제 2 활물질층(122)이 형성될 수 있으며, 상기 제 2 집전체(121)에서 상기 제 2 활물질층(122)이 형성되지 않은 부분을 제 2 무지부(123)라고 한다.
상기 제 2 활물질층(122)은 상기 제 2 집전체(121)의 제1면(121a) 및 제2면(121b)에 동일한 두께로 코팅되어 형성된다. 또한, 상기 제 2 활물질층(122)은 상기 제 2 집전체(121)의 일정영역에 동일한 두께로 형성된다. 즉, 상기 제 2 활물질층(122)은 제 2 전극탭(124)이 부착되는 제 2 무지부(123)를 제외한 영역에 형성된다. 상기 제 2 활물질층(122)은 제 2 활물질에 카본 블랙(carbon black)이나 흑연 분말과 같은 도전재와 상기 제 2 활물질의 고정을 위한 바인더가 혼합되어 제조된다. 여기서, 상기 제 2 활물질은 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트 라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제 2 활물질층(122)은 상기 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 2 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체(100)의 외곽부에 위치하는 제 2 활물질의 밀도보다 낮게 형성된다. 따라서, 상기 제 2 활물질층(122)은 전극 조립체(100)의 중심부에서 제 2 활물질에 의한 발열을 최소화할 수 있다. 상기 제 2 활물질층(122)은 상기 제 1 활물질층(112)과 비교하여 활물질의 종류만 다르고 동일하게 형성되므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제 2 무지부(123)는 상기 제 2 집전체(121)에서 제 2 활물질층(122)이 형성되지 않은 부분을 말하며, 상기 제 2 집전체(121)의 양 끝단에 형성될 수 있다. 상기 제 2 무지부(123)는 상기 제 2 전극판(120)과 외부 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 상기 제 2 무지부(123)에는 제 2 전극탭(124)이 형성된다.
상기 제 2 전극탭(124)은 상기 제 2 무지부(123)에 형성된다. 상기 제 2 전극탭(124)의 일단은 상기 제 2 무지부(123)에 전기적으로 연결되며, 타단은 외부로 돌출된다. 여기서, 상기 제 2 전극탭(124)은 상기 제 2 무지부(123)에 용접될 수 있다. 또한, 상기 제 2 전극탭(124)에는 제 2 절연 부재(125)가 부착될 수 있다.
상기 제 2 절연 부재(125)는 상기 제 2 전극탭(124)에 부착되어, 상기 제 2 전극판(120)이 권취될 때, 상기 제 2 전극탭(124)이 다른 극성을 갖는 제 1 전극판(110)과 쇼트되는 것을 방지한다.
상기 세퍼레이터(130)는 상기 제 1 전극판(110)과 제 2 전극판(120) 사이에 개재되어, 제 1 전극판(110)과 제 2 전극판(120) 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다. 상기 세퍼레이터(130)는 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
일반적으로 전극 조립체는 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 젤리롤 형태로 권취되어 형성된다. 이처럼, 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체는 중심부가 외곽부보다 열 전달 효율이 떨어진다. 따라서, 전극 조립체는 관통 또는 내부 단락에 의해 열이 발생하게 되면, 중심부의 온도가 외곽부의 온도보다 상대적으로 더 높아지게 되고, 그로 인해 발화 및 폭발을 일으킬 수 있는 열폭주 발생 가능성이 매우 높아지게 된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 중심부에 위치하는 활물질의 밀도가 외곽부에 위치하는 활물질의 밀도보다 낮게 형성되므로, 상기 전극 조립체(100)의 중심부는 활물질에 의한 발열이 작아지게 된다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 상대적으로 열 전달 효율이 낮은 중심부의 온도 상승 폭을 줄일 수 있고, 관통 또는 내부 단락에 의한 열 발생시 전극 조립체(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
다음은 상기 제 1 활물질층(112)의 밀도에 대해서 설명하기로 한다. 본 발명에서 제 1 활물질층(112)과 제 2 활물질층(122)은 그 안에 포함된 활물질의 성분만 다르고 두께 및 밀도가 동일하게 형성되므로, 이하에서는 제 1 활물질층(112)에 대해서만 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 시작하는 부분을 도시한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 제 1 전극판을 도시한 평면도이다. 도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 전극 조립체(100)는 먼저 멘드렐(mandrel, 10)에 세퍼레이터(130)의 일부가 먼저 권취된다. 그리고 나서, 상기 세퍼레이터(130) 사이에 제 1 전극판(110)과 제 2 전극판(120)이 배치되어, 세퍼레이터(130)와 함께 권취된다. 이때, 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120)은 제 1 전극탭(114) 및 제 2 전극탭(124)이 부착된 무지부(113,123)쪽이 먼저 권취된다. 물론, 상기 제 1 활물질층(112) 및 제 2 활물질층(122)도 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120)이 권취될 때 함께 권취된다. 여기서, 상기 제 1 활물질층(112)의 양 끝단 중 먼저 권취되는 끝단을 선단(112a)이라 정의하고, 가장 나중에 권취되는 끝단을 종단(112b)이라 정의한다. 상기 제 1 활물질층(112)의 선단(112a)은 상기 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하게 되고, 상기 제 1 활물질층(112)의 종단(112b)은 상기 전극 조립체(100)의 외곽부에 위치하게 된다.
도 4 내지 도 5b를 참조하면, 상기 제 1 활물질층(112)은 상기 선단(112a)에서 종단(112b)에 이르는 두께가 동일하게 형성된다(d1=d2). 상기 제 1 활물질층(112)은 제 1 활물질, 도전재 및 바인더를 포함한다. 도면에서는, 제 1 활물질층(112)의 단면을 도시할 때, 제 1 활물질의 입자(Pa,Pb)를 도시하였으며 도전재 및 바인더는 상기 제 1 활물질 사이에 채워진 것으로 도시하였다. 또한, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단 측과 종단 측의 제 1 활물질의 밀도가 다르게 형성된다. 즉, 상기 제 1 활물질층(112)은 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도가 전극 조립체(100)의 외곽부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도보다 낮게 형성된다. 다시 말해, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단(112a)에서 종단(112b)으로 갈수록 제 1 활물질의 밀도가 높아진다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단 측에 포함된 제 1 활물질의 밀도가 종단 측에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮다.
먼저, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단 측에 포함된 제 1 활물질의 함량을 종단 측에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 적게 하여, 상기 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질 밀도를 낮게 할 수 있다. 이때, 상기 선단 측에 포함된 제 1 활물질 입자(Pa)의 크기와 종단 측에 포함된 제 1 활물질 입자(Pb)의 크기는 동일하다(Pa=Pb). 또한, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단 측에 포함된 도전재 및 바인더의 함량을 종단 측에 포함된 도전재 및 바인더의 함량보다 많게 하여, 상기 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도를 낮게 할 수 있다. 예를 들어, 선단 측의 제 1 활물질층(112)은 90%의 제 1 활물질과 5%의 도전재와 5%의 바인더를 포함할 수 있으며, 종단 측의 제 1 활물질층(112)은 96%의 제 1 활물질과 2%의 도전재와 2%의 바인더를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 활물질층(112)은 제 1 활물질의 함량을 줄이면 상대적으로 도전재 및 바인더의 함량이 늘어나게 되므로, 선단 측에서 제 1 활물질의 함량을 줄이거나 도전재 및 바인더의 함량을 늘리는 것은 동일한 의미로 해석될 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 활물질층(112)은 기포제를 포함할 수 있으며, 선단 측에 포함된 기포제의 함량이 종단 측에 포함된 기포제의 함량보다 많을 수 있다. 상기 기포제는 상기 제 1 활물질층(112)에 기공을 형성하는 것으로, 상기 선단 측에는 종단 측보다 기공이 더 많이 형성되어 있다. 따라서, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단 측에 포함된 기공의 양을 종단 측에 포함된 기공의 양보다 많게 하여, 상기 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도를 낮게 할 수 있다.
또한, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 활물질층(112)은 선단 측에 포함된 제 1 활물질 입자(Pa)의 크기를 종단 측에 포함된 제 1 활물질 입자(Pb)의 크기보다 크게 형성(Pa>Pb)함으로써, 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도를 낮게 할 수 있다. 상기 선단 측에 포함된 제 1 활물질 입자(Pa)의 크기가 종단 측에 포함된 제 1 활물질 입자(Pb)의 크기보다 크면, 선단 측은 상대적으로 공극이 커지게 되어 밀도가 작아진다.
다음은 제 1 전극판의 다른 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 전극판을 도시한 평면도이다. 도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제 1 전극판(210)은 상기 제 1 집전체(211), 제 1 활물질층(212), 제 1 무지부(213), 제 1 전극탭(214) 및 제 1 절연부재(215)를 포함한다. 여기서, 상기 제 1 집전체(211), 제 1 무지부(213), 제 1 전극탭(214) 및 제 1 절연부재(215)는 도 4에 도시된 제 1 집전체(111), 제 1 무지부(113), 제 1 전극탭(114) 및 제 1 절연부재(115)와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 상기 제 1 활물질층(212)은 상기에서 설명한 바와 같이 먼저 권취되는 끝단을 선단(212a)이라 정의하고, 가장 나중에 권취되는 끝단을 종단(212b)이라 정의한다. 상기 제 1 활물질층(212)은 복수개의 구역으로 나누어진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 활물질층(212)은 선단에서부터 제 1 구역(A1), 제 2 구역(A2), 제 3 구역(A3) 및 제 4 구역(A4)으로 나누어진다. 본 발명에서는 상기 제 1 활물질층(212)을 4개의 구역으로 나누었지만, 상기 제 1 활물질층(212)은 이에 한정되지 않고, 이보다 적거나 많게 나누어질 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 제 1 활물질층(212)은 선단(212a)에서 종단(212b)에 이르는 두께가 동일하게 형성된다(d1=d2). 즉, 제 1 구역 내지 제 4 구역의 두께가 모두 균일하게 형성된다. 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 활물질, 도전재 및 바인더를 포함한다. 또한, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역 내지 제 4 구역의 제 1 활물질의 밀도가 다르게 형성되며, 제 1 구역에서 제 4 구역으로 갈수록 제 1 활물질의 밀도가 점점 커진다. 즉, 상기 제 1 활물질층(212)은 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 구역(A1)의 제 1 활물질의 밀도가 제일 낮고, 전극 조립체(100)의 외곽부에 위치하는 제 4 구역(A4)의 제 1 활물질의 밀도가 제일 높게 형성된다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역(A1)에 포함된 제 1 활물질의 밀도가 제 2 구역(A2)에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮고, 제 2 구역(A2)에 포함된 제 1 활물질의 밀도가 제 3 구역(A3)에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮고, 제 3 구역(A3)에 포함된 제 1 활물질의 밀도가 제 4 구역(A4)에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮다.
먼저, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역(A1)에 포함된 제 1 활물질의 함량을 제 2 구역(A2)에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 적게 하고, 제 2 구역(A2)에 포함된 제 1 활물질의 함량을 제 3 구역(A3)에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 적게 하고, 제 3 구역(A3)에 포함된 제 1 활물질의 함량을 제 4 구역(A4)에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 적게 하여, 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 구역(A1)의 제 1 활물질의 밀도를 낮게 할 수 있다. 다시 말해, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역(A1)에서 제 4 구역(A4)으로 갈수록 제 1 활물질의 함량을 점점 늘려서 전극 조립체(100)의 중심부에서 외곽부로 갈수록 제 1 활물질의 밀도를 점점 크게 할 수 있다. 이때, 제 1 구역(A1), 제 2 구역(A2), 제 3 구역(A3) 및 제 4 구역(A4)의 제 1 활물질 입자의 크기는 모두 동일하다(P1=P2=P3=P4). 또한, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 4 구역(A4)에 제 1 구역(A1)으로 갈수록 도전재 및 바인더의 함량을 늘림으로써, 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 활물질의 밀도를 낮게 할 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 활물질층(212) 기포제를 포함할 수 있으며, 제 1 구역(A1)에 포함된 기포제의 함량이 제 4 구역(A4)에 포함된 기포제의 함량보다 많을 수 있다. 여기서, 기포제는 상기 제 1 활물질층(212)에 기공을 형성하는 것으로 제 1 구역(A1)에는 제 4 구역(A4)보다 기공이 더 많이 형성되어 있다. 즉, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역(A1)에서 제 4 구역(A4)에 걸쳐서 전체적으로 기포제를 포함하고, 상기 기포제의 함량을 조절하여 각 구역의 제 1 활물질의 밀도를 조절할 수 있다. 다시 말해, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역(A1)에서 제 4 구역(A4)으로 갈수록 기포제의 함량을 줄임으로써, 제 1 구역(A1)에 포함된 제 1 활물질의 밀도를 제일 낮게 할 수 있다.
또한, 제 7b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 활물질층(212)은 제 1 구역(A1)에 포함된 제 1 활물질 입자(P1)의 크기를 제 2 구역(A2)에 포함된 제 1 활물질 입자(P2)의 크기보다 크게 형성하고, 제 2 구역(A2)에 포함된 제 1 활물질 입자(P2)의 크기를 제 3 구역(A3)에 포함된 제 1 활물질 입자(P3)의 크기보다 크게 형성하고, 제 3 구역(A3)에 포함된 제 1 활물질 입자(P3)의 크기를 제 4 구역(A4)에 포함된 제 1 활물질 입자(P4)의 크기보다 크게 형성함으로써, 전극 조립체(100)의 중심부에 위치하는 제 1 구역(A1)의 제 1 활물질의 밀도를 낮게 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 중심부에 위치하는 활물질의 밀도를 외곽부에 위치하는 활물질의 밀도보다 낮게 형성함으로써, 전극 조립체(100)에서 상대적으로 열 전달 효율이 낮은 중심부의 온도 상승 폭을 줄일 수 있으며 관통 또는 내부 단락에 의한 열 발생시 전극 조립체(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
다음은 상기와 같은 구성을 갖는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(400)는 전극 조립체(100), 케이스(200) 및 캡 조립체(300)를 포함한다. 여기서, 상기 전극 조립체(100)는 상기에서 설명한 바와 같으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 케이스(200)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성된다. 상기 케이스(200)는 상기 전극 조립체(100)가 삽입 및 안착될 수 있도록 상단에 개구부가 형성되어 있으며, 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 케이스(200)의 내면은 절연 처리되어, 상기 전극 조립체(100)와 절연된다. 여기서, 케이스(200)는 하나의 극성, 예를 들어 양극으로서 작용할 수 있다. 더불어, 상기 케이스(200)는 상기에서 설명한 것에 한정되지 않고, 파우치형, 각형, 원통형 등 다양하게 형성할 수 있다.
상기 캡 조립체(300)는 상기 전극 조립체(100)의 상부에 위치하며, 상기 케이스(200)의 개구부에 결합되어 상기 케이스(200)를 밀봉한다. 상기 캡 조립체(300)는 전극 단자(310), 가스켓(320), 캡 플레이트(330), 절연 플레이트(340), 터미널 플레이트(350) 및 절연 케이스(360)를 포함한다. 상기 전극 단자(310)와 캡 플레이트(330) 사이에는 가스켓(320)이 삽입되며, 상기 전극 단자(310)와 터미널 플레이트(350)는 서로 전기적으로 연결된다. 상기 절연 플레이트(340)는 캡 플레이트(330)와 터미널 플레이트(350)를 절연시키게 된다. 상기 캡 플레이트(330)의 일측에는 전해액 주입구(331)가 형성되어 있다. 상기 전해액 주입구(331)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입구(331)을 밀폐시키기 위하여 마개(미도시)가 설치된다. 또한, 상기 캡 플레이트(330)의 타측에는 안전벤트(332)가 형성되어 있다. 상기 안전벤트(332)는 상기 캡 플레이트(330)보다 얇게 형성된다. 상기 안전벤트(332)는 케이스(200)의 내압이 상기 안전벤트(332)의 작동 압력 이상이 되면 개방되어 가스를 방출한다. 상기 절연 케이스(360)는 상기 케이스(200)의 개구부에 형성되어, 상기 케이스(200)를 밀봉한다. 상기 절연 케이스(360)는 절연성을 가지는 고분자 수지이며, 폴리프로필렌(polypropylene)으로 형성될 수 있다. 상기 절연 케이스(360)에는 제 1 전극탭(114) 및 제 2 전극탭(124)이 통과할 수 있도록 홀(361,362)이 형성되어 있다. 또한, 상기 절연 케이스(360)에는 상기 전해액 주입구(331)와 대응되는 위치에 전해액 통과공(363)이 형성되어 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(400)는 중심부에 위치하는 활물질의 밀도가 외곽부에 위치하는 활물질의 밀도보다 낮게 형성된 전극 조립체(100)를 구비함으로써, 관통 또는 내부 단락에 의한 열 발생시 이차 전지(400)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 전극 조립체 110: 제 1 전극판
111: 제 1 집전체 112: 제 1 활물질층
112a: 선단 112b: 종단
113: 제 1 무지부 114: 제 1 전극탭
115: 제 1 절연 부재 120: 제 2 전극판
121: 제 2 집전체 122: 제 2 활물질층
123: 제 2 무지부 124: 제 2 전극탭
125: 제 2 절연 부재 130: 세러페이터
200: 케이스 300: 캡 조립체
400: 이차 전지

Claims (17)

  1. 제 1 전극판과 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 상기 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 서로 권취되어 형성되는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지에 있어서,
    상기 제 1 전극판은 제 1 집전체와, 상기 제 1 집전체에 형성되며 제 1 활물질, 바인더 및 도전제로 이루어진 제 1 활물질층을 포함하고,
    상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 1 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 1 활물질의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 1 활물질의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 1 활물질의 함량보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 바인더 및 도전제의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 바인더 및 도전제의 함량보다 높은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 기공의 양이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 기공의 양보다 높으며,
    상기 기공은 기포제에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기가 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 상기 제 1 전극판의 일단에 위치하며, 상기 전극 조립체의 중심부에 위치하는 선단과, 상기 제 1 전극판의 타단에 위치하며 상기 전극 조립체의 외곽부에 위치하는 종단을 포함하고,
    상기 제 1 활물질층은 상기 선단에서 상기 종단으로 갈수록 제 1 활물질의 밀도가 높아지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층은 복수개의 구역으로 이루어지며, 상기 전극 조립체의 중심부로부터 차례대로 제 1 구역, 제 2 구역, 제 3 구역 및 제 4 구역을 포함하고,
    상기 제 1 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도는 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮고,
    상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도는 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도보다 낮고,
    상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 밀도는 상기 제 4 구역에 포함된 제의 밀1도활물질의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량은 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 작고,
    상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량은 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 작고,
    상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량은 상기 제 4 구역에 포함된 제 1 활물질의 함량보다 작은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기는 상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 크고,
    상기 제 2 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기는 상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 크고,
    상기 제 3 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기는 상기 제 4 구역에 포함된 제 1 활물질 입자의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극판은 제 2 집전체와, 상기 제 2 집전체의 적어도 일면에 동일한 두께로 형성되며, 제 2 활물질, 바인더 및 도전제로 이루어진 제 2 활물질층을 포함하고,
    상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 제 2 활물질의 밀도가 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 제 2 활물질의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 제 2 활물질의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 제 2 활물질의 함량보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 바인더 및 도전제의 함량이 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 바인더 및 도전제의 함량보다 높은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에서의 기공의 양이 상기 전극 조립체의 외곽부에서의 기공의 양보다 높으며,
    상기 기공은 기포제에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 활물질층은 상기 전극 조립체의 중심부에 포함된 제 2 활물질 입자의 크기가 상기 전극 조립체의 외곽부에 포함된 제 2 활물질 입자의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 활물질층은 상기 제 2 전극판의 일단에 위치하며, 상기 전극 조립체의 중심부에 위치하는 선단과, 상기 제 2 전극판의 타단에 위치하며 상기 전극 조립체의 외곽부에 위치하는 종단을 포함하고,
    상기 제 2 활물질층은 상기 선단에서 상기 종단으로 갈수록 제 2 활물질의 밀도가 높아지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 활물질층은 복수개의 구역으로 이루어지며, 상기 전극 조립체의 중심부로부터 차례대로 제 1 구역, 제 2 구역, 제 3 구역 및 제 4 구역을 포함하고,
    상기 제 1 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도는 상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도보다 낮고,
    상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도는 상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도보다 낮고,
    상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도가 상기 제 4 구역에 포함된 제 2 활물질의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기는 상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기보다 크고,
    상기 제 2 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기는 상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기보다 크고,
    상기 제 3 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기는 상기 제 4 구역에 포함된 제 2 활물질의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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