KR20130133687A - 전극 조립체, 전지셀, 전극 조립체의 제조방법 및 전지셀의 제조 방법 - Google Patents

전극 조립체, 전지셀, 전극 조립체의 제조방법 및 전지셀의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 음극; 적어도 하나의 양극; 및 적어도 하나의 분리 필름을 포함하는 전극 적층체를 마련하는 단계; 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되지 않는 영역에 위치하는 여분의 분리 필름들을 접합하여 분리 필름 접합체를 생성하는 단계; 및 상기 음극 및 양극의 형상에 대응하도록 상기 분리 필름 접합체를 절단하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전극 조립체에 관한 것이다.

Description

전극 조립체, 전지셀, 전극 조립체의 제조방법 및 전지셀의 제조 방법{LECTRODE ASSEMBLY, BATTERY CELL, MANUFACTURING MATHOD OF ELECTRODE ASSEMBLY AND MANUFACTURING MATHOD OF BATTERY CELL}
본 발명은 전극 조립체, 전지셀 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다양한 형상을 갖는 전극 조립체, 전지셀 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 전지 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되며, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
한편, 전지 케이스에 수납되는 전극 조립체는 그 형태에 따라, 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 스택 앤 폴딩형(복합형)의 구조로 구분될 수 있다. 이 중 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질을 코팅하고, 프레싱한 후, 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리막 필름을 이용해 음극 시트와 양극 시트를 격막한 후 나선형으로 감아서 제조된다. 이러한 젤리-롤형 전극 조립체는 나선형 중앙 부분의 작은 회전 반경에 의한 전극 굴곡면에서 과도한 응력이 발생하기 때문에, 이로 인해 전극 박리 현상이 일어나기 쉽다는 문제점이 있다. 이와 같은 전극 박리 현상은 전극의 충방전 시에 전극으로부터 리튬 금속 결정 석출을 쉽게 하기 때문에 전지 수명을 감소시키고, 전지의 안정성을 위협하는 요인이 되고 있다.
한편, 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하는 방식으로 제조되는 전극 조립체를 말하며, 스택 앤 폴딩형 전극 조립체는 단일 전극 또는 음극/분리막/양극으로 이루어진 전극 적층체들을 길이가 긴 시트형 분리 필름으로 말거나 접어서 제조되는 전극 조립체를 말한다.
최근 다양한 디자인의 모바일 기기에 대한 수요가 증가하면서, 전지셀의 형상도 다양할 것이 요구되고 있고, 이에 따라 종래의 사각 형태에서 벗어난 다양한 형태의 전지셀들, 예를 들면, 전지셀의 일부에 곡선 형태가 도입되어 있는 전지셀의 개발이 시도되고 있다. 그러나 이러한 다양한 전지셀을 양산하기 위해서는 몇 가지 기술적인 문제점이 해결되어야 하는데, 그 중 한 가지가 전극 사이에 개재되는 분리막이나 유닛셀을 감싸는 시트형 분리 필름의 처리에 관한 것이다. 일반적으로 음극이나 양극은 금속과 같은 단단한 재질의 전류 집전체에 전극 활물질을 코팅하여 제조되기 때문에, 금형 등을 이용하여 손쉽게 원하는 형상으로 절단될 수 있으나, 분리막이나 분리 필름은 그 두께가 10 ~ 30㎛ 정도로 매우 얇고 폴리에스테르와 같은 부드러운 재질로 되어 있기 때문에, 금형 등을 이용하여 절단할 경우 원하는 형상으로 정확하게 절단하기 어려울 뿐 아니라, 금형의 마모가 급속도로 발생하며, 생산성이 매우 떨어지고, 제조 비용이 높아진다는 문제점이 있다. 한편, 전극과 분리막 및/또는 분리필름의 형상이 일치하지 않아 전극이 존재하지 않는 부분에 분리막 및/또는 분리필름이 존재하게 될 경우, 전극 조립체를 전지 케이스에 삽입할 때, 분리막 및/또는 분리 필름이 수용될 수 있는 별도의 공간이 필요하게 되며, 그 결과 원하는 전지 디자인을 구현하는데 걸림돌로 작용하게 된다.
따라서, 다양한 형상의 전지셀을 구현하기 위해서는, 전극 조립체의 형상에 부합하게 분리필름 및/또는 분리막을 처리하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분리막 및/또는 분리 필름을 전극의 형상에 부합되도록 처리하여 다양한 형상을 갖는 전극 조립체 및 전지셀을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 본 발명은, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극,및 적어도 하나의 분리 필름을 포함하는 전극 적층체를 마련하는 단계; 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되지 않는 영역에 위치하는 여분의 분리 필름들을 접합하여 분리 필름 접합체를 생성하는 단계; 및 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되도록 상기 분리 필름 접합체를 절단하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법을 제공한다.
이때, 상기 분리 필름 접합체를 생성하는 단계는 상기 분리 필름들을 융착시켜 수행될 수 있으며, 상기 융착은 상기 분리 필름의 유리전이온도를 Tg라 할 때, (Tg-20)℃ 내지 (Tg+20)℃에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 분리 필름 접합체를 절단하는 단계는, 칼, 금형, 가위, 또는 레이저를 이용하여 수행될 수 있다.
한편, 상기 전극 적층체는, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 다수의 제1분리 필름으로 이루어지며, 상기 제1분리 필름은 상기 음극 및 양극과 상이한 형상을 갖는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어진 다수의 유닛셀, 및 상기 유닛셀 간의 계면에 개재되는 적어도 하나의 제2분리 필름을 포함하며, 상기 제1분리 필름 및 제2분리 필름 중 적어도 하나가 상기 음극 및 양극과 상이한 형상을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어진 다수의 유닛셀, 및 상기 유닛셀들을 감싸는 길이가 긴 시트형의 제3분리 필름을 포함하며, 상기 제1분리 필름 및 제3분리 필름 중 적어도 하나가 상기 음극 및 양극과 상이한 형상을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극을 감싸는 길이가 긴 시트형의 제4분리 필름을 포함하는 것일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 본 발명은, 상기와 같은 방법에 의해 제조된 전극 조립체를 전지 케이스로 포장하는 단계를 포함하는 전지셀 제조방법을 제공한다. 본 발명의 전지셀 제조 방법은, 필요에 따라, 상기 전지 케이스를 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명은, 상기 본 발명의 제조방법에 의해 제조되며, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극, 및 적어도 하나의 분리 필름을 포함하는 전극 조립체이며, 상기 적어도 하나의 분리 필름들은 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되는 형상으로 절단된 절단부를 포함하고, 상기 절단부는 상기 양극 및 음극 사이에 개재(介在)된 영역에 위치하는 분리 필름에 비해 작은 기공도(porosity)를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체를 제공한다.
이때, 상기 절단부는 상기 양극 및 음극 사이에 개재(介在)된 영역에 위치하는 분리 필름의 기공도 대비 20% 내지 50% 정도 감소된 기공도를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 음극 및 양극은 적어도 하나 이상의 모서리부 또는 적어도 하나 이상의 면이 곡선 형상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 음극 및 양극은 적어도 하나 이상의 모서리부가 곡선 형상일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명은, 상기한 본 발명의 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 전지셀을 제공하며, 이때 상기 전지 케이스는 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명의 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하며, 이때, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치일 수 있다.
본 발명의 전극 조립체의 제조 방법은 전극의 형상에 대응되지 않는 영역에 존재하는 여분의 분리 필름들을 접합하여 비교적 단단한 분리 필름 접합체로 생성하는 단계를 거침으로써, 분리 필름들이 원하는 형상으로 절단될 수 있도록 하였다.
또한, 본 발명의 방법에 따르면, 전극 조립체에 삽입되는 다수의 분리 필름들을 한번의 공정으로 모두 절단할 수 있기 때문에 공정이 매우 단순화되는 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 다양한 형상을 갖는 전지셀을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전극 적층체를 마련하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 분리 필름들의 접합체를 생성하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 분리 필름 접합체가 절단된 상태의 전극 조립체의 일 구현예를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 전극 조립체의 평면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전지셀 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 전지셀을 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 8의 전지셀의 평면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기 도면은 본 발명의 이해를 원활하게 하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위가 도면에 기재된 범위로 한정되는 것은 아니다. 또한 하기 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 발명의 원활한 이해를 위해 일부 구성요소가 과장, 축소 또는 생략되어 표현될 수 있다.
먼저, 본 발명의 전극 조립체의 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 전극 조립체의 제조 방법은 적어도 하나의 음극; 적어도 하나의 양극; 및 적어도 하나의 분리 필름을 포함하는 전극 적층체를 마련하는 단계; 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되지 않는 영역에 위치하는 여분의 분리 필름들을 접합하여 분리 필름 접합체를 생성하는 단계; 및 상기 음극 및 양극의 형상에 대응하도록 상기 분리 필름 접합체를 절단하는 단계를 포함한다.
상기 전극 적층체를 마련하는 단계는 단일 전극이나 유닛셀들을 분리 필름을 개재하여 적층하는 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 ‘전극 적층체’는, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리 필름 및 적어도 하나의 양극을 포함하는 구조체이기만 하면 되며, 특별히 한정되지는 않는다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 전극 적층체는, 단일 전극인 음극과 양극이 분리 필름을 개재한 상태로 교대로 적층되어 있는 형태 또는 다수의 유닛셀들이 분리 필름이 개재된 상태로 적층되어 있는 형태의 전극 적층체(즉, 스택형 전극 적층체)일 수도 있고, 단일 전극이나 유닛셀들이 길이가 긴 시트형 분리 필름에 의해 감싸져 있는 구조(즉, 스택 앤 폴딩형 전극 적층체)일 수도 있다.
이때, 상기 유닛셀은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 하나의 단위 전지 구조를 의미하는 것으로, 적어도 하나 이상의 양극, 적어도 하나 이상의 음극 및 적어도 하나 이상의 분리막을 포함하면 되고, 하나의 유닛셀을 구성하는 양극, 음극, 분리막의 개수나 배열 등은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 유닛셀은 양극/분리필름/음극/분리필름/양극 또는 음극/분리필름/양극/분리필름/음극 등과 같이 유닛셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 동일한 극성을 갖는 것일 수도 있고, 양극/분리필름/음극 또는 양극/분리필름/음극/분리필름/양극/분리필름/음극과 같이 유닛셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 반대의 극성을 갖는 것일 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 스택형 전극 적층체는, 양극, 분리막, 음극을 하나씩 순차적으로 적층하는 전통적인 방식으로 제조되는 것뿐 아니라, 음극/분리막/양극/분리막 또는 양극/분리막/음극/분리막과 같은 순차적 적층 구조를 갖는 기본 단위체를 제조한 후, 이 기본 단위체들을 분리막을 개재하여 적층하는 방식(통상 '라미네이션 앤 스택 방식'으로 지칭됨)으로 제조된 전극 적층체를 포함한다. 이때, 상기 기본 단위체들은 양극과 음극을 2개 이상 포함할 수 있으며, 기본 단위체의 최외각면 중 일면은 분리막으로 구성되고, 타면은 전극으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체의 경우, 상기에서 설명한 기본 단위체들만으로 이루어져야 하는 것은 아니며, 상기에서 설명한 기본 단위체에 다른 구조의 전극 구조체 및/또는 분리막을 혼합하여 사용할 수도 있다. 예를 들면, 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체는, 최상층부 또는 최하층부에 분리막/양극/분리막 또는 분리막/음극/분리막으로 이루어진 전극 구조체 또는 분리막을 사용하고, 나머지 부분에는 상기한 기본 단위체들을 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체의 경우, 전극 적층체 전체에 포함되는 양극과 음극의 개수의 합과 분리막의 개수가 동일하게 구성될 수도 있고, 전극 적층체의 최외각에 분리막 등을 추가하여, 분리막의 개수가 양극과 음극의 개수의 합보다 1개 더 많게 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 '스택 앤 폴딩'이라는 용어는, 길이가 긴 시트형 분리 필름 상에 단일 전극 및/또는 적어도 하나 이상의 양극, 분리막, 음극들이 적층된 전극 적층체들을 배치한 다음 폴딩하는 방식을 통칭하는 것으로, 폴딩 방식은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 폴딩 방식, 예를 들면, 시트형 분리 필름을 지그재그 형태로 접는 방식(Z-폴딩형 또는 병풍형으로 지칭됨), 시트형 분리 필름의 일면에 적어도 하나 이상의 음극과 양극을 분리막을 개재하여 적층시킨 전극 적층체들을 배치한 다음 감아서 마는 방식, 또는 시트형 분리 필름의 양면에 단일 전극들을 교대로 배치한 다음 시트형 분리 필름을 감아서 마는 방식 등과 같은 다양한 폴딩 방식들을 모두 포괄하는 개념으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 ‘분리 필름’이라는 용어는 소정의 크기로 재단된 매엽형(枚葉型) 분리 필름과 길이가 긴 시트형 분리 필름을 모두 포괄하는 용어로 사용된다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명의 제1실시예에 있어서, 상기 제1분리필름은 매엽형 분리 필름일 수 있으나, 이로써 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어진 다수의 유닛셀, 및 상기 유닛셀 간의 계면에 개재되는 적어도 하나의 제2분리 필름을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어진 다수의 유닛셀, 및 상기 유닛셀들을 감싸는 길이가 긴 시트형의 제3분리 필름을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명의 제3실시예에 있어서, 상기 제1분리필름은 매엽형 분리 필름일 수 있다.
또한, 본 발명의 제4실시예에 따르면, 상기 전극 적층체는 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극을 감싸는 길이가 긴 시트형의 제4분리 필름을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제3실시예 및 제4실시예와 같이, 길이가 긴 시트형 분리 필름에 의해 단일 전극이나 유닛셀들이 감싸져 있는 구조에 있어서, 시트형 분리 필름에 의해 단일 전극이나 유닛셀들이 감싸지는 방식은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 잘 알려진 시트형 분리 필름을 이용한 다양한 폴딩 방식, 예를 들면, 시트형 분리 필름을 지그재그 형태로 접는 방식(Z-폴딩형 또는 병풍형으로 지칭됨), 시트형 분리 필름의 일면에 적어도 하나 이상의 음극과 양극을 분리막을 개재하여 적층시킨 전극 적층체들을 배치한 다음, 감아서 마는 방식, 또는 시트형 분리 필름의 양면에 단일 전극들을 교대로 배치한 다음 시트형 분리 필름을 감아서 마는 방식 등과 같은 다양한 방식들을 모두 포괄한다.
한편, 본 발명의 상기 전극 조립체에 포함되는 양극, 음극 및 분리 필름의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극, 음극 및 분리 필름들을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 음극 전류 집전체에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들 중 적어도 1종 이상을 포함하는 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 양극은, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 양극 전류 집전체에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다. 이때, 하나의 유닛셀을 구성하는 양극과 음극에서 전극 활물질이 코팅되는 면적은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 또한, 상기 전극 활물질들은 전류 집전체의 양면에 코팅될 수도 있고, 무지부 등의 형성을 위해 전류 집전체의 일면에만 전극 활물질을 코팅할 수도 있다.
한편, 상기 분리 필름은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
도 1에는 상기 전극 적층체를 마련하는 단계를 설명하기 위한 일 구현예가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전극 적층체는 적어도 하나의 음극(120)과 적어도 하나의 양극(110) 및 적어도 하나의 분리 필름(130, 140)을 포함한다. 도 1에는 양극(110)과 음극(120)이 분리 필름(130)이 개재된 상태로 적층된 3개의 유닛셀(200)들이 분리필름(140)을 개재한 형태로 적층된 전극 적층체가 개시되어 있으나, 이는 본 발명의 전극 적층체의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 전극 적층체는 도 3에 도시된 바와 같이, 양극(110)과 음극(120)이 하나의 길이가 긴 시트형 분리 필름(130’)에 감싸져 있는 형태로 적층된 전극 적층체 또는 매엽형 분리 필름을 포함하는 유닛셀들이 하나의 길이가 긴 시트형 분리 필름에 감싸져 있는 형태로 적층된 전극 적층체(미도시) 등과 같이 다양한 형태의 전극 적층체를 모두 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 전극 적층체 형성 단계에 있어서, 상기 전극 적층체에 포함되는 분리 필름들(130, 140)의 일부 또는 전부는 양극 및 음극과 상이한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전극 적층체는, 단일 전극 및/또는 유닛셀로 종래에 사용되던 일반적인 직사각형이 아닌 다양한 형상, 예를 들면, 적어도 하나의 모서리부 및/또는 적어도 하나의 면이 곡선 형태를 갖는 등의 형상을 갖는 단일 전극 및/또는 유닛셀을 사용하고, 상기 단일 전극 및/또는 유닛셀 사이에 개재되는 분리 필름으로는 시판되는 사각 형상의 분리 필름을 사용할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 음극(120) 및 양극(110)은 일 모서리부가 곡선 형태인 형상을 가지며, 분리 필름(130, 140)들은 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 전극과 분리 필름의 형상이 상이하기 때문에, 곡선 형태로 형성된 모서리부에서 분리 필름(130, 140)이 전극에 의해 커버(cover)되지 않고 외부로 노출되는 영역(170)이 발생하게 된다. 이와 같은 영역을 편의상 ‘음극 및 양극의 형상에 대응되지 않는 영역’이라고 지칭하기로 한다. 한편, 도면에 도시되어 있지는 않으나, 본 발명의 전극 적층체로 제3실시예 또는 제4실시예와 같이 길이가 긴 시트형 분리 필름을 사용하는 경우에도, 전극이 존재하지 않는 부분, 즉 단일 전극 및/또는 유닛셀의 형상에 대응하지 않는 영역에 여분의 분리 필름이 존재하게 된다. 이와 같이, 음극 및 양극의 형상에 대응되지 않는 영역에 위치하는 여분의 분리 필름들(170)이 존재할 경우, 전지 케이스에 삽입될 때, 분리 필름이 수용될 여분의 공간이 요구될 뿐 아니라, 디자인적인 관점에서도 바람직하지 못하다.
한편, 도 1에는 음극 및 양극의 일 모서리부가 곡선 형태를 갖는 전극 적층체가 개시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 원하는 전극 조립체의 형태에 따라 다양하게 변형된 형상의 전극들을 사용할 수 있음은 물론이다. 또한, 음극 및 양극의 형상에 따라, 여분의 분리 필름이 존재하는 영역의 형상 및 개수가 달라질 수 있다. 이러한 변형예들은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 도 1에는 전극 적층체에 포함되는 모든 분리 필름들이 전극과 상이한 형상을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 있어서, 전극 적층체에 포함되는 분리 필름 중 일부는 전극과 동일한 형상을 갖고, 일부는 상이한 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 다수의 유닛셀이 적층되어 있는 전극 적층체의 경우, 유닛셀 내에 포함되는 분리 필름은 유닛셀 제조 공정에서 전극과 동일한 형상으로 가공되어 있을 수 있으며, 이 경우에는 유닛셀과 유닛셀의 경계면에 삽입되는 분리필름이나 유닛셀들을 감싸는 시트형 분리 필름만 전극과 상이한 형상을 가질 수도 있다.
다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하여 분리 필름 접합체를 생성하는 단계에 대해 설명한다. 도 2는 다수의 매엽형 분리 필름을 사용한 전극 적층체에서의 분리 필름 접합체를 형성한 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 하나의 시트형 분리 필름을 사용한 전극 적층체에서 분리 필름 접합체를 형성한 상태를 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 음극 및 양극 외부로 돌출된 여분의 분리 필름들(170, 170’)을 접합하여 분리 필름 접합체(180)를 생성한다. 이때, 상기 접합은 이로써 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 온도 및/또는 압력을 가하여 분리 필름들을 융착하는 방법 등으로 수행될 수 있다. 한편, 상기 분리 필름들의 접합 온도는, 이로써 한정되는 것은 아니나, 분리 필름들의 접합성을 고려할 때, 분리 필름들의 유리전이온도를 Tg라 할 때, (Tg-20)℃ 내지 (Tg+20)℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 이로써 한정되는 것은 아니나, 절단이 용이하도록 하기 위해서는, 상기 분리 필름 접합체(180)는 그 접합부의 두께가 30 ㎛ 내지 700 ㎛ 정도, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 700 ㎛, 더욱 바람직하게는 100 ㎛ 내지 700 ㎛ 정도인 것이 좋다.
상기와 같은 과정을 통해 분리 필름 접합체가 형성한 다음, 상기 분리 필름 접합체를 양극 및 음극의 형상에 대응되는 형상으로 절단한다. 상술한 바와 같이, 1장의 분리 필름은 그 두께가 매우 얇고 재질이 부드러워 절단이 쉽지 않으나, 본 발명과 같이 여러 장의 분리 필름을 접합시키면, 상대적으로 단단해지면서 절단이 용이해진다. 분리 필름이 고분자 재질이므로 일정한 온도와 압력에서 재질이 연해져 접합되기 때문이다. 또한, 분리 필름이 한 곳으로 접합된 다음에 절단되기 때문에 한번의 절단으로 분리 필름 전부를 유사한 형상으로 절단할 수 있다. 이때 상기 절단은, 이로써 한정되는 것은 아니나, 칼, 금형, 가위 또는 레이저와 같은 수단을 통해 이루어질 수 있다.
한편, 상기 절단은 분리 필름의 윤곽 및 크기가 양극 및 음극의 윤곽 및 크기와 유사한 정도로 수행되면 되고, 분리 필름의 윤곽 및 크기가 양극 및 음극의 윤곽 및 크기와 일치되도록 수행되어야 하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 대응되는 형상이란, 양극 및 음극 형상과 완전히 일치하는 형상을 의미하는 것은 아니며, 양극 및 음극과 크기 및/또는 윤곽이 다소 상이한 경우를 포괄하는 개념으로 이해되어야 할 것이다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 상기 절단은 약간의 여분의 분리 필름이 전극 외부로 노출되도록 수행될 수 있으며, 전지의 안정성을 고려할 때, 분리막이 양극 및 음극에 비해 약간 큰 형상을 갖도록 수행되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 절단 시에 절단이 수행되는 위치는 접합에 의해 발생된 접합선(182)의 근방 부근이면 되고, 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 상기 절단은, 도 2에 도시된 바와 같이, 접합선(182)의 안쪽에서 수행될 수도 있고(190a), 접합선(182)이 포함되도록 수행될 수도 있으며(190b), 또는 접합선(182)의 바깥쪽에서 수행될 수도 있다(190c). 접합선(182)의 안쪽에서 절단을 수행할 경우(190a)에는 절단 후에 분리 필름들이 분리되기 때문에 전극 조립체에 분리 필름 접합체가 남아 있지 않지만, 접합선(182)을 포함(190b)하거나, 접합선(182)의 바깥쪽을 절단(190c)한 경우에는 전극 조립체에 분리 필름들이 접합된 형태로 남아있을 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제조방법에 따르면, 단순한 공정을 통해 분리 필름을 전극에 대응되는 형상으로 형성할 수 있기 때문에, 디자인 자유도가 높고, 생산성이 우수한 전지 조립체를 제조할 수 있다.
도 4 및 도 5에는 상기와 같은 방법을 통해 제조된 본 발명의 전극 조립체의 일 구현예가 도시되어 있다. 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 조립체의 사시도이고, 도 5는 도 4의 전극 조립체의 평면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는 적어도 하나의 음극(120), 적어도 하나의 양극(110), 및 적어도 하나의 분리 필름(130, 140)을 포함하며, 이때, 상기 분리 필름들은 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되는 형상으로 절단된 절단부(190)를 포함한다.
이때, 상기 분리 필름의 절단부(190)는 상기 양극(110) 및 음극(120) 사이에 개재(介在)된 영역에 위치하는 분리 필름에 비해 작은 기공도(porosity)를 갖는다. 상기한 바와 같이, 본 발명은 분리 필름의 절단을 용이하게 하기 위해서, 전극 조립체 제조 시에 열 및/또는 압력을 가하여 분리 필름 접합체를 형성한 다음, 절단하는 방법을 한다. 그런데 이와 같이 분리 필름이 접합될 때 열 및/또는 압력이 가해지기 때문에, 접합 부위 근처에서 분리 필름의 기공도가 열 및/또는 압력이 가해지지 않은 부분에 비해 상대적으로 낮아지게 된다. 한편, 절단은 접합선(182) 근방에서 수행되므로, 절단에 의해 형성된 절단부(190)은 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리 필름에 비해 상대적으로 낮은 기공도를 갖게 된다.
예를 들면, 상기 절단부(190)는 상기 양극(110) 및 음극(120) 사이에 개재(介在)된 영역에 위치하는 분리 필름의 기공도 대비 20% 내지 50% 정도 감소된 기공도를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 절단부의 기공도 변화율은 접합 방식이나 접합 온도, 압력, 분리 필름의 종류에 따라 달라질 수 있다.
한편 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명의 전극 조립체 형상은 본 발명의 일 구현예일뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 4에는 절단 후 분리 필름들이 분리되어 있는 형태로 도시되어 있으나, 상술한 바와 같이, 분리 필름 접합체를 절단할 때, 절단을 수행하는 위치에 따라 분리 필름들이 분리되지 않고, 접합된 상태로 존재할 수도 있다.
또한, 도면에는 양극 및 음극으로 일 모서리가 곡선 형태로 형성된 전극이 사용되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 양극 및 음극은 종래에 사용되던 일반적인 사각형이 아닌 다양한 형상들로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 적어도 하나의 모서리부 및/또는 적어도 하나의 면이 곡선 형태를 갖는 등의 형상을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는 전기적 연결을 위한 전극탭(150, 160)을 포함할 수 있다. 상기 전극탭들은 전지 케이스에 삽입된 후, 전극 리드에 결합된다. 본 발명에 있어서, 상기 전극탭들은 동일한 극성의 전극탭들끼리 전기적으로 연결될 수 있으면 되고, 그 면적이나 배열 위치 등은 특별히 한정되지 않는다.
다음으로, 본 발명의 전지셀 제조방법에 대해 설명한다. 본 발명의 전지셀의 제조 방법은 상기와 같은 방법에 의해 제조된 본 발명의 전지 조립체를 전지 케이스로 포장하는 단계를 포함한다.
도 6 및 7은 본 발명의 전지셀 제조방법을 설명하기 위한 것으로, 도 6은 전극 조립체(210)를 전지 케이스(300)에 올려놓은 상태를 도시한 평면도이고, 도 7은 전지 케이스를 접은 후의 상태를 도시한 평면도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전지셀은 전극 조립체(210)보다 넓은 면적을 갖는 전지 케이스(300) 상에 본 발명의 방법으로 제조된 전극 조립체(210)를 올려놓은 다음, 전극 조립체(210)가 놓여지지 않은 부분의 전지 케이스(300)를 접어, 전극 조립체(210)를 덮은 다음, 전지 케이스의 말단을 밀봉하는 방식으로 제조될 수 있다. 다만, 이러한 방법은 전극 조립체를 전지 케이스로 포장하는 방법의 일례에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기한 방법 이외에 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 전극 조립체 포장 방법들이 제한없이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체(210)는 직사각형이 아닌 다양하게 변형된 형태를 가질 수 있으며, 이와 같은 전극 조립체(210)를 사각 형태의 전지 케이스(300)로 포장할 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 전지 케이스에 전극 조립체가 존재하지 않는 영역(240)이 존재하게 된다. 따라서, 본 발명의 전지셀 제조 방법은 필요에 따라, 상기 전지 케이스를 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 가공은 전지 케이스를 전극 조립체의 형상에 대응되게 절단 또는 절삭하거나, 프레스하는 등의 방법을 통해 수행될 수 있다. 이때, 전지 케이스의 형상 및 크기가 전극 조립체의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다.
한편, 상기 전지 케이스는, 이에 한정되는 것은 아니나, 파우치형 케이스일 수 있으며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 전지 케이스가 사용될 수 있다. 또한, 상기 파우치형 케이스는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전지 케이스는 전극 조립체의 전극탭들을 전기적으로 연결하기 위한 음극 전극 리드(250)와 양극 전극 리드(260)를 포함하며, 상기 전극 리드들은 외부로 노출된 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 도시되지는 않았으나, 상기 전극 리드의 상하면에는 전극 리드를 보호하기 위한 절연 필름이 부착될 수 있다.
도 8 및 9에는 본 발명의 방법으로 제조된 전지셀의 일 구현예가 도시되어 있다. 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 제조된 전지셀(400)은 전지 케이스 내부에 다양한 형태의 전극 조립체가 내장되어 있고, 전극 조립체의 형상에 대응되는 형상으로 제조될 수 있어 다양한 디자인을 구현하는데 유리하다.
한편, 상기 전지셀은 바람직하게는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
상기와 같은 본 발명의 전지셀은 단독으로 사용될 수도 있고, 전지셀을 적어도 하나 이상 포함하는 전지팩의 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 본 발명의 전지셀 및/또는 전지팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩이 상기와 같은 디바이스에 장착될 경우, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩의 구조로 인해 형성된 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하도록 할 수 있다. 본 발명의 전지셀 또는 전지팩은 다양한 형태, 예를 들면, 일 모서리 등에 곡선부를 포함하고 있는 형태로 형성되기 때문에, 이를 디바이스 장착할 경우, 종래의 전지셀 또는 전지팩에는 없었던 잉여의 공간이 발생하게 된다. 이와 같은 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품을 장착할 경우, 디바이스의 시스템 부품과 전지셀 또는 전지팩을 유연하게 배치할 수 있으므로 공간 활용도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 전제 디바이스의 두께나 부피를 감소시켜 슬림한 디자인을 구현할 수 있다.
110: 양극
120: 음극
130, 130’, 140: 분리 필름
150: 음극 전극탭
160: 양극 전극탭
170: 여분의 분리 필름 영역
180: 분리 필름 접합체
190: 절단부
200: 유닛셀
210: 전극 조립체
240: 전극 조립체 외부로 노출된 전지 케이스 부분
250: 음극 전극 리드
260: 양극 전극 리드
300: 전지 케이스
400: 전지셀

Claims (19)

  1. 적어도 하나의 음극; 적어도 하나의 양극; 및 적어도 하나의 분리 필름을 포함하는 전극 적층체를 마련하는 단계;
    상기 음극 및 양극의 형상에 대응되지 않는 영역에 위치하는 여분의 분리 필름들을 접합하여 분리 필름 접합체를 생성하는 단계; 및
    상기 음극 및 양극의 형상에 대응하도록 상기 분리 필름 접합체를 절단하는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층체는,
    적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 다수의 제1분리 필름으로 이루어지며,
    상기 제1분리 필름은 상기 음극 및 양극과 상이한 형상을 갖는 것인 전극 조립체의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층체는,
    적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어진 다수의 유닛셀, 및
    상기 유닛셀 간의 계면에 개재되는 적어도 하나의 제2분리 필름을 포함하며,
    상기 제1분리 필름 및 제2분리 필름 중 적어도 하나가 상기 음극 및 양극과 상이한 형상을 갖는 것인 전극 조립체의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 적층체는,
    적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극 사이에 개재되는 적어도 하나의 제1분리 필름으로 이루어진 다수의 유닛셀, 및
    상기 유닛셀들을 감싸는 길이가 긴 시트형의 제3분리 필름을 포함하며,
    상기 제1분리 필름 및 제3분리 필름 중 적어도 하나가 상기 음극 및 양극과 상이한 형상을 갖는 것인 전극 조립체의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 적층체는,
    적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 상기 음극 및 양극을 감싸는 길이가 긴 시트형의 제4분리 필름을 포함하는 것인 전극 조립체의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 분리 필름 접합체를 생성하는 단계는, 상기 분리 필름들을 융착시켜 수행되는 것인 전극 조립체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리 필름 접합체를 생성하는 단계는, 상기 분리 필름의 유리전이온도를 Tg라 할 때, (Tg-20)℃ 내지 (Tg+20)℃에서 수행되는 것인 전극 조립체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리 필름 접합체를 절단하는 단계는, 칼, 금형, 가위 또는 레이저를 이용하여 수행되는 전극 조립체 제조방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 전극 조립체를 전지 케이스로 포장하는 단계를 포함하는 전지셀 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전지 케이스를 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 가공하는 단계를 더 포함하는 전지셀 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되며, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극, 및 적어도 하나의 분리 필름을 포함하는 전극 조립체이며,
    상기 적어도 하나의 분리 필름들은 상기 음극 및 양극의 형상에 대응되는 형상으로 절단된 절단부를 포함하고,
    상기 절단부는 상기 양극 및 음극 사이에 개재(介在)된 영역에 위치하는 분리 필름에 비해 작은 기공도(porosity)를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절단부는 상기 양극 및 음극 사이에 개재(介在)된 영역에 위치하는 분리 필름의 기공도 대비 20% 내지 50% 정도 감소된 기공도를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 음극 및 양극은 적어도 하나 이상의 모서리부 또는 적어도 하나 이상의 면이 곡선 형상인 전극 조립체.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 음극 및 양극은 적어도 하나 이상의 모서리부가 곡선 형상인 전극 조립체.
  15. 청구항 11의 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 전지셀.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전지 케이스는 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 이루어진 전지셀.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지인 전지셀.
  18. 청구항 15의 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 디바이스.
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