KR20140004015A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 유닛셀이 적어도 1개 적층되어 형성되는 전극 스택부, 및 전극 스택부를 감싸서 고정하는 전극 고정부를 포함한다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능하다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자{ELECTRODE ASSEMBLY AND ELECTROCHEMICAL CELL CONTAINING THE SAME}

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로서 보다 자세하게는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.

이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 또는 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다. 스택형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다. 이때 분리막은 양극과 음극의 사이마다 배치된다. 권취형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극, 분리막을 시트 형상으로 형성한 다음에 이들을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 스택/폴딩형 구조의 경우 우선 풀셀 또는 바이셀을 형성한 다음에 이들을 분리막 시트를 통해 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하면, 풀셀 또는 바이셀이 형성될 수 있다. (풀셀 또는 바이셀은 각각 1개 이상의 양극, 분리막, 음극을 포함한다.) 스택/폴딩형 구조에 대해서는 특허문헌 1과 2에 보다 자세히 기재되어 있다.

그런데 스택형 구조는 전극 조립체를 구성하는 전극 단위(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극 조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 전극 조립체를 생산하기 위해 매우 많은 공정이 요구된다는 단점이 있다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 일반적으로 2대의 라미네이션 장비와 1대의 폴딩 장비가 요구되기 때문에, 전극 조립체의 제조공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 특히, 스택/폴딩형 구조는 폴딩을 통해 풀셀이나 바이셀을 적층하기 때문에 풀셀이나 바이셀을 정밀하게 정렬하기 어렵다는 단점도 있다.

한국공개특허 제2001-0082059호 한국공개특허 제2001-0082060호

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 유닛셀이 적어도 1개 적층되어 형성되는 전극 스택부, 및 전극 스택부를 감싸서 고정하는 전극 고정부를 포함한다. 이때 기본 유닛셀은 4층 구조가 반복되어 8층 구조를 형성할 수도 있다.

보다 구체적으로 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 제1 전극 중의 어느 하나로부터 순차적으로 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함할 수 있다.

또는 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 제1 전극 중의 어느 하나에 적층되는 분리막과, 2개의 제1 전극 중의 다른 하나로부터 순차적으로 분리막 및 제2 전극이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전극 조립체는, 기본 유닛셀을 반복적으로 적층하여 전극 스택부를 형성하기 때문에, 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 전극 조립체를 생산할 수 있으며, 이의 결과로 전극 조립체의 생산성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 전극 조립체는, 기본 유닛셀을 반복적으로 적층할 때 기본 유닛셀들을 기본 유닛셀 단위로 정렬시키는 것만으로 전극 조립체를 전체적으로 정렬시킬 수 있기 때문에, 정밀한 정렬이 가능하다는 효과가 있다.

더욱이 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 스택부를 전극 고정부를 통해 감싸서 고정하기 때문에, 안정적인 고정이 가능하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전극 스택부를 예시하고 있는 측면도
도 2는 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도
도 3은 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도
도 4는 도 2의 기본 유닛셀을 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도
도 5는 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도
도 6은 도 5의 기본 유닛셀을 도시하고 있는 분해 사시도
도 7은 도 5의 기본 유닛셀을 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도
도 8은 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도
도 9는 도 8의 기본 유닛셀을 도시하고 있는 분해 사시도
도 10은 도 8의 기본 유닛셀을 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도
도 11은 본 발명에 따른 전극 고정부의 제1 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 12는 본 발명에 따른 전극 고정부의 제2 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 13은 본 발명에 따른 전극 고정부의 제3 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 14는 본 발명에 따른 전극 고정부의 제4 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 15는 본 발명에 따른 전극 고정부의 제5 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 16은 본 발명에 따른 전극 고정부의 제6 실시예를 도시하고 있는 사시도

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 전극 조립체는 기본적으로 전극 스택부와 전극 고정부를 포함한다. 이하에서 우선 전극 스택부에 대해 살펴본다. 전극 스택부(도 1의 도면부호 100a 등 참조)는 적어도 1개의 기본 유닛셀(도 2의 110a 등 참조)를 포함한다. 즉, 전극 스택부(100)는 1개의 기본 유닛셀(110)로 형성되거나, 또는 적어도 2개의 기본 유닛셀(110)로 형성된다. 그리고 전극 스택부(100)는 기본 유닛셀(110)이 적층되어 형성된다. 예를 들어, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 1개의 기본 유닛셀(110a) 위에 다른 1개의 기본 유닛셀이 적층되어 전극 스택부(100a)가 형성될 수 있다. 이와 같이 전극 스택부(100)는 기본 유닛셀(110)이 기본 유닛셀 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 기본 유닛셀(110)을 미리 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 전극 스택부(100)를 형성한다.

이와 같이 본 실시예에 따른 전극 스택부(100)는 기본 유닛셀(110)이 반복적으로 적층되어 형성된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 방식으로 전극 스택부(100)를 형성하면, 기본 유닛셀(110)을 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다는 장점과, 생산성을 향상시킬 수 있다(예를 들어, 스택/폴딩형 구조에 적용되던 폴딩 공정을 생략할 수 있다)는 장점을 가질 수 있다.

기본 유닛셀(110)은 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 적층되어 형성된다. 이와 같이 기본 유닛셀(110)은 기본적으로 4층 구조를 가진다. 보다 구체적으로 기본 유닛셀(110)은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층되어 형성되거나, 또는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 음극이면 제2 전극(113)은 양극이다. 물론 이의 반대일 수도 있다.

참고로, 기본 유닛셀이 반복적으로 적층되어 전극 스택부가 형성되면, 전극 스택부의 가장 위쪽, 또는 가장 아래쪽에 제1 전극이 위치하게 된다. 이 경우, 제1 전극이 파우치와 같은 케이스에 직접 접촉되지 않도록, 최외곽에 위치하여 외부로 노출되는 제1 전극(예를 들어, 도 1을 기준으로 가장 상측에 위치한 제1 전극)을 케이스와 전기적으로 절연하기 위해, 최외곽에 위치한 제1 전극에 분리막을 추가로 적층할 수 있다. 이는 분리막 시트를 통해 구현될 수도 있다. 예를 들어, 전극 스택부를 분리막 시트로 감싸서 최외곽에 위치한 제1 전극이 분리막 시트를 통해 케이스와 절연되도록 할 수도 있다. 또는 후술할 전극 고정부를 통해 최외곽에 위치한 제1 전극이 케이스와 절연되도록 할 수도 있다.

기본 유닛셀(110a)은 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 4 참조). 먼저 제1 전극 재료(121), 분리막 재료(122), 제2 전극 재료(123) 및 분리막 재료(124)를 준비한다. 여기서 전극 재료(121, 123)는 이하에서 자세히 살펴볼 바와 같이 소정 크기로 절단되어 전극(111, 113)을 형성한다. 이는 분리막 재료(122, 124)도 동일하다. 공정의 자동화를 위해 전극 재료와 분리막 재료는 롤에 권취되어 있는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 재료들을 준비한 다음에 제1 전극 재료(121)를 커터(C₁)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그리고 제2 전극 재료(123)도 커터(C₂)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 소정 크기의 제1 전극 재료(121)를 분리막 재료(122) 위로 공급한다. 그리고 소정 크기의 제2 전극 재료(123)도 분리막 재료(124) 위로 공급한다. 그런 다음 재료들을 모두 함께 라미네이터(L₁, L₂)로 공급한다.

전극 스택부(100)는 앞서 살펴본 바와 같이, 기본 유닛셀(110)이 반복적으로 적층되어 형성된다. 그런데 기본 유닛셀(110)을 구성하는 전극과 분리막이 서로 분리된다면, 기본 유닛셀(110)을 반복적으로 적층하는 것이 어려워질 것이다. 따라서 기본 유닛셀(110)을 형성할 때, 전극과 분리막을 서로 접착하는 것이 바람직하다. 라미네이터(L₁, L₂)는 이와 같이 전극과 분리막을 서로 접착하기 위해 사용된다. 즉, 라미네이터(L₁, L₂)는 재료들에 압력을 가하거나, 또는 열과 압력을 가하여 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착한다. 이와 같이 전극 재료와 분리막 재료는 라미네이터(L₁, L₂)에서 서로 접착된다. 이와 같은 접착으로 기본 유닛셀(110)은 보다 안정적으로 자신의 형상을 유지할 수 있다.

그런 다음 분리막 재료(122)와 분리막 재료(124)를 함께 커터(C₃)를 통해 소정 크기로 절단한다. 이와 같은 절단으로 기본 유닛셀(110a)이 형성될 수 있다. 추가적으로 필요에 따라 기본 유닛셀(110a)에 대한 각종 검사를 수행할 수도 있다. 예를 들어, 두께 검사, 비전 검사, 쇼트 검사와 같은 검사를 추가적으로 수행할 수도 있다.

한편, 분리막(분리막 재료)은 접착력을 가지는 코팅 물질로 표면이 코팅될 수 있다. 이때 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물일 수 있다. (이와 같은 코팅 물질에 의한 코팅을 SRS 코팅이라고 한다.) 여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시킬 수 있다. 이로 인해 무기물 입자는 소정의 기공 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 기공 구조로 인해, 무기물 입자가 분리막에 코팅되어 있더라도 양극으로부터 음극으로 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 또한 바인더 고분자는 무기물 입자를 분리막에 안정적으로 유지시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 더욱이 바인더 고분자는 분리막을 전극에 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다. 참고로, 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재로 형성될 수 있다.

그런데 도 2와 도 3에서 자세히 도시하고 있는 것과 같이, 분리막(112)은 양면에 전극(111, 113)이 위치하는데 반해, 분리막(112)은 일면에만 전극(113)이 위치한다. 따라서 분리막(112)은 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 분리막(112)은 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 즉, 분리막(112)은 제1 전극(111)과 제2 전극(113)을 바라보는 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 분리막(112)은 제2 전극(113)을 바라보는 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다.

이와 같이 코팅 물질에 의한 접착은 기본 유닛셀 내에서 이루어지는 것으로 충분하다. 따라서 앞서 살펴본 바와 같이 분리막(112)은 일면에만 코팅이 이루어져도 무방하다. 다만, 기본 유닛셀끼리도 heat press 등의 방법으로 서로 접착될 수 있으므로, 필요에 따라 분리막(112)도 양면에 코팅이 이루어질 수 있다. 즉, 분리막(112)도 필요에 따라 제2 전극(113)을 바라보는 일면과 그 반대면에 코팅 물질이 코팅될 수 있다.

참고로, 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 것은 바람직하지 않다. 분리막은 통상적으로 전극보다 외측으로 길게 연장된다. 따라서 분리막(112)의 말단과 분리막(112)의 말단을 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 예를 들어, 분리막(112)의 말단과 분리막(112)의 말단을 초음파 융착으로 서로 융착시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 이와 같은 초음파 융착은 혼(horn)으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 이와 같이 혼으로 분리막의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅 물질로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다. 따라서 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 공정을 적용하는 것은 바람직하지 않다.

추가적으로, 기본 유닛셀(110)이 반드시 4층 구조를 가져야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 기본 유닛셀(110)은 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113), 분리막(112), 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 순차적으로 적층되어 형성되는 8층 구조를 가질 수도 있다. 즉, 기본 유닛셀(110)은 4층 구조가 반복되어 8층 구조를 형성할 수도 있다.

보다 구체적으로 설명한다. 도 5와 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 유닛셀(110c)은 바이셀(116)과 추가셀(117)을 포함하여 8층 구조를 형성할 수 있다. 여기서 바이셀(116)은 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113), 분리막(112) 및 제1 전극(111)이 순차적으로 상측에서 하측으로 (또는 하측에서 상측으로) 적층되어 형성된다. 일반적으로 제1 전극이 양극이면 이와 같은 구조를 A형 바이셀이라 칭하고, 제1 전극이 음극이면 이와 같은 구조를 C형 바이셀이라 칭한다.

그리고 추가셀(117)은 바이셀(116)의 제1 전극(111)으로부터 순차적으로, 즉 바이셀(116)의 제1 전극(111)으로부터 외측으로 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 차례로 적층되어 형성된다. 이때 바이셀(116)의 제1 전극(111)은 바이셀(116)의 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)이거나, 또는 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)일 수 있다. (도 5는 바이셀의 가장 하측에 위치한 제1 전극에 추가셀이 적층된 예를 도시하고 있다.)

이와 같이 8층 구조를 가지는 기본 유닛셀(110c)을 기본 유닛셀 단위로 반복적으로 적층하면 전극 스택부(100)를 형성할 수 있다. (물론 1개의 기본 유닛셀만으로 전극 스택부를 형성할 수도 있다.) 그리고 이와 같이 기본 유닛셀(110c)을 형성하면, 스택/폴딩형 구조에 적용되던 A형 바이셀 또는 C형 바이셀 중의 어느 하나를 그대로 활용하면서도 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 전극 스택부(100)를 형성할 수 있다.

이와 같은 8층 구조의 기본 유닛셀(110c)은 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 7 참조). 먼저 제1 전극 재료, 분리막 재료, 제2 전극 재료, 분리막 재료 및 제1 전극 재료를 준비한다. 그런 다음 이들을 차례로 적층하여 제1 라미네이터(L₁, L₂)로 공급한다. 제1 라미네이터(L₁, L₂)에서 재료들은 바이셀(116)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다. (이와 같은 라미네이팅 공정은 종래의 라미네이팅 공정과 동일하다.) 그런 다음 이에 연속하여 분리막 재료, 제2 전극 재료 및 분리막 재료를 추가로 제2 라미네이터(L₃, L₄)로 공급한다. 제2 라미네이터(L₃, L₄)에서 재료들은 기본 유닛셀(110c)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다.

이와 같은 공정으로 기본 유닛셀(110c)을 형성하면, 종래의 공정을 그대로 활용할 수 있기 때문에, 폴딩 공정 없이 전극 조립체를 형성할 수 있는 새로운 공정을 도입하면서도 설비 투자에 소요되는 비용을 현저하게 절감할 수 있다는 장점이 있다. 또한 하나의 연속적인 라미네이팅 공정으로 기본 유닛셀(110c)을 형성할 수 있기 때문에, 공정을 단순화시킬 수 있다는 장점도 있다. 특히, 두 번째 라미네이팅 공정은 첫 번째 라미네이팅 공정에 비해 낮은 온도와 낮은 압력에서 수행될 수 있기 때문에, 비용을 절감할 수 있다는 장점도 있다. 더욱이, 두 번째 라미네이팅 공정은 바이셀(116)의 일측에 추가셀(117)을 라미네이팅 하면 되기 때문에, 제2 라미네이터의 상부(L₃)와 하부(L₄)를 서로 다른 온도에서 작동시킬 수 있으며, 이에 따라 제2 라미네이터가 소비하는 전력도 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한 기본 유닛셀(110d)은 도 8과 도 9에서 도시하고 있는 것과 같이 8층 구조를 형성할 수도 있다. 즉, 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 유닛셀(110d)은, 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113), 분리막(112) 및 제1 전극(111)이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀(116)과, 2개의 제1 전극(111) 중의 어느 하나에 적층되는 분리막(112)과, 2개의 제1 전극(111) 중의 다른 하나로부터 순차적으로 분리막(112) 및 제2 전극(113)이 적층되어 형성되는 추가셀(118)을 포함하여 8층 구조를 형성할 수도 있다. 도 8은 바이셀(116)의 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)에 분리막(112)이 적층되고, 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)에 추가셀(118)이 적층된 예를 도시하고 있다. 그러나 이와 반대로 적층되어도 무방하다.

이와 같은 8층 구조의 기본 유닛셀(110d)은 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 10 참조). 우선, 제1 전극 재료, 분리막 재료, 제2 전극 재료, 분리막 재료 및 제1 전극 재료를 준비한다. 그런 다음 이들을 차례로 적층하여 제1 라미네이터(L₁, L₂)로 공급한다. 제1 라미네이터(L₁, L₂)에서 재료들은 바이셀(116)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다. (이와 같은 라미네이팅 공정은 종래의 라미네이팅 공정과 동일하다.) 그런 다음 이에 연속하여, 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)에 분리막(112)이 적층되도록, 그리고 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)으로부터 외측으로 분리막(112)과 제2 전극(113)이 차례로 적층되도록, 재료들을 제2 라미네이터(L₃, L₄)로 공급한다. 제2 라미네이터(L₃, L₄)에서 재료들은 기본 유닛셀(110d)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다. 참고로, 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)에 분리막(112)을 라미네이팅 하는 공정과, 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)으로부터 외측으로 분리막(112)과 제2 전극(113)을 차례로 라미네이팅 하는 공정을 별도의 라미네이터에서 진행할 수도 있다.

전극 스택부(100)에 이어 전극 고정부(200)에 대해 살펴본다. 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 전극 스택부(100)를 형성한다는 점에 기본적인 특징이 있다. 즉, 본 발명에 따르면 라미네이팅 공정으로 기본 유닛셀(110)을 형성한 다음에, 이를 1개 이상 적층하여 전극 스택부(100)를 형성한다. 그런데 이와 같은 전극 스택부(100)를 보다 안정적으로 고정하기 위해, 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 스택부(100)를 감싸서 고정하는 전극 고정부(200)를 포함한다. 이와 같은 전극 고정부(200)는 이하에서 자세히 살펴볼 바와 같이 다양하게 구현될 수 있다.

우선 전극 고정부(200)는 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극 스택부(100)의 상부에 구비되는 상부 고정부재(211)와, 전극 스택부(100)의 하부에 구비되는 하부 고정부재(212)를 포함할 수 있다. 여기서 하부 고정부재(212)는 상부 고정부재(211)에 접합되어 상부 고정부재(211)와 함께 전극 스택부(100)에 밀착될 수 있다. 이와 같은 밀착으로 전극 고정부(200a)는 전극 스택부(100)를 고정시킬 수 있다. 즉, 상부 고정부재(211)와 하부 고정부재(212)의 사이에 전극 스택부(100)를 위치시킨 다음에, 상부 고정부재(211)와 하부 고정부재(212)를 서로 접합시키면, 전극 고정부(200a)에 의해 전극 스택부(100)가 고정될 수 있다.

이때 하부 고정부재(212)는 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 상부 고정부재(211)에 접합될 수 있다. 이와 같은 접합으로 상부 고정부재(211)와 하부 고정부재(212)의 접합부에 마감부(216)가 형성될 수 있다. 이와 같은 마감부(216)는 양측에 형성될 수 있다. 여기서 마감부(216)는 1~5mm의 폭(d)을 가질 수 있다. 그리고 초음파 융착을 사용할 경우, 융착 강도는 30~100gf일 수 있다. 또한 가열 접착을 사용할 경우, 실링 온도는 120~180℃, 실링 두께는 원단의 50~80%, 그리고 실링 강도는 30~100gf일 수 있다.

또는 전극 고정부(200b)가 도 12에서 도시하고 있는 것과 같이, 시트 형상의 고정 시트(221)가 전극 스택부(100)를 감싸서 형성될 수도 있다. 이때 고정 시트(221)는 일단과 말단이 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 서로 접착되어 전극 스택부(100)를 감쌀 수 있다. 즉, 고정 시트(221)로 전극 스택부(100)를 한 바퀴 감싼 다음에 서로 맞닿은 고정 시트(221)의 일단과 말단을 서로 접합하면, 전극 고정부(200b)에 의해 전극 스택부(100)가 고정될 수 있다.

참고로, 전극 고정부(200)는 분리막(112)과 서로 다른 재료, 예를 들어 부직포, PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 전극 고정부(200)는 공극 사이즈(pore size)가 1um 이상인 부직포로 형성될 수 있다. 또는 전극 고정부(200)는 두께가 20~100um인 PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

또한 전극 고정부(200c)는 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 개구(231), 제1 개구(231)에 대향하는 제2 개구, 및 제1 개구(231)에서 제2 개구까지 연장되어 전극 스택부(100)를 수용하는 내부 공간을 마련한 튜브 형상을 가질 수도 있다. 이와 같은 전극 고정부(200c)는 열에 의한 수축으로 전극 스택부(100)에 밀착될 수 있다. 즉, 전극 고정부(200c)의 내부 공간에 전극 스택부(100)를 수납한 다음에 전극 고정부(200c)에 열을 가하면, 전극 고정부(200c)가 수축되면서 전극 스택부(100)에 밀착될 수 있으며, 이와 같은 밀착으로 전극 고정부(200c)가 전극 스택부(100)를 고정할 수 있다.

전극 고정부(200d)는 도 14에서 도시하고 있는 것과 같이, 다공성의 절연 테이프로 형성될 수도 있다. 즉, 다공성의 절연 테이프로 전극 스택부(100)를 감싸는 것으로 전극 스택부(100)를 고정할 수도 있다.

마지막으로 전극 고정부(200e)는 도 15에서 도시하고 있는 것과 같이 전극 스택부(100)의 상면으로부터 전극 스택부(100)의 측면을 따라 전극 스택부(100)의 하면까지 연장되어 전극 스택부(100)를 고정할 수도 있다. 예를 들어, 전극 스택부(100)의 상면에 고분자 테이프의 일단을 고정한 다음에, 고분자 테이프의 타단을 전극 스택부(100)의 측면을 따라 잡아당겨 전극 스택부(100)의 하면에 고정하면, 고분자 테이프를 통해 전극 스택부(100)를 고정할 수 있다. 이때 고분자 테이프는 열 융착으로 전극 스택부(100)에 고정될 수 있다. 또는 전극 고정부(200f)는 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극 스택부(100)를 적어도 한 바퀴 감쌀 수도 있다. 이와 같이 전극 고정부는 전극 스택부를 전면적으로 감싸지 않아도 무방하다.

이하에서 본 발명에 따른 전극 조립체에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

양극 구조

기본 단위체(기본 유닛셀)는 기본적으로 양극과 음극을 구비한다. 그리고 기본 단위체는 양극과 음극의 사이에 분리막을 구비한다. 여기서 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물(슬러리)을 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 이때 혼합물은 필요에 따라 충진제를 더 포함할 수도 있다. 양극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.

[양극 집전체]

양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조된다. 양극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 높은 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것이 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것이다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 양극 집전체는 양극 활물질의 접착력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.

[양극 활물질]

양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_{1 + x}Mn_{2 - x}O₄ (여기서, x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄,V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_{1 - x}M_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_{2 - x}M_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등일 수 있다. 다만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 도전재는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것이 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이다.

바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합 등에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 이와 같은 바인더는 대표적으로 폴리불화비닐리덴, 폴리 비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등일 수 있다.

충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용된다. 그리고 화학적 변화를 유발하지 않고 섬유상 재료라면 일반적으로 충진제로 사용될 수 있다. 충진제는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질일 수 있다.

음극 구조

음극은 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 필요에 따라 음극 활물질에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등을 포함시킬 수 있다. 음극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.

[음극 집전체]

음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조된다. 음극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것인 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 구리 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금 등이다. 또한 음극 집전체는 음극 활물질의 결합력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.

[음극 활물질]

음극 활물질은 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0=x=1), Li_xWO₂(0=x=1), Sn_xMe_{1 - x}Me'_yO_z (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, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등일 수 있다.

분리막 구조

분리막(분리막 시트)은 라미네이터에서 압력에 의해, 또는 열과 압력에 의해 용융되어 양극이나 음극에 접착될 수 있다. 라미네이터에서 압력이 가해지면 전극과 분리막(분리막 시트)이 서로 안정적으로 계면 접촉할 수 있다. (이에 더해서 또는 이와는 별도로 전술한 SRS 코팅을 통해 접착이 이루어질 수 있다.)

분리막(분리막 시트)은 절연성을 가진다. 또한 분리막은 이온의 이동을 위해 다공성 구조를 가진다. 분리막은 일반적으로 기공의 직경이 0.01 ~ 10 ㎛일 수 있다. 그리고 분리막은 두께가 일반적으로 5 ~ 300 ㎛일 수 있다. 이와 같은 분리막은 이온 투과도와 기계적 강도가 높고 절연성을 가지는 얇은 박막으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 분리막(분리막 시트)은 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등일 수 있다.

전해질로서 폴리머와 같은 고체 전해질이 사용되는 경우 고체 전해질이 분리막을 겸할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름 또는 이들 필름의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드 (polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리 아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.

이하에서 본 발명에 따른 전극 조립체가 적용될 수 있는 전기화학소자에 대하여 보다 상술한다.

본 발명에 따른 전극 조립체는 양극과 음극 사이의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있다. 전기화학셀의 대표적인 예는 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 이차전지, 연료전지, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등이다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 특히 이차전지(예를 들어, 리튬 이차전지)에 적용되는 것이 바람직하다.

리튬 이차전지는 최근에 소형 디바이스뿐만 아니라, 중대형 디바이스에도 전원으로 사용되고 있다. 그런데 중대형 디바이스에 전원으로 사용되려면, 본 발명에 따른 이차전지를 하나의 단위 전지로 하여 전지 모듈을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지 팩은, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등에 전원으로 사용될 수 있다.

100(100a): 전극 스택부
110(110a, 110b, 110c, 100d): 기본 유닛셀
111: 제1 전극 112: 분리막
113: 제2 전극 116: 바이셀
117: 추가셀 118: 추가셀
200(200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f): 전극 고정부

Claims (21)

1. 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 유닛셀이 적어도 1개 적층되어 형성되는 전극 스택부, 및 상기 전극 스택부를 감싸서 고정하는 전극 고정부를 포함하는 전극 조립체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 기본 유닛셀은 상기 4층 구조가 반복되어 8층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 상기 제1 전극 중의 어느 하나로부터 순차적으로 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 상기 제1 전극 중의 어느 하나에 적층되는 분리막과, 2개의 상기 제1 전극 중의 다른 하나로부터 순차적으로 분리막 및 제2 전극이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 기본 유닛셀은 상기 전극과 상기 분리막이 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 전극과 상기 분리막의 접착은, 상기 전극과 상기 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 분리막은 접착력을 가지는 코팅 물질이 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극 고정부는 상기 전극 스택부의 상부에 구비되는 상부 고정부재, 및 상기 전극 스택부의 하부에 구비되되, 상기 상부 고정부재에 접합되어 상기 상부 고정부재와 함께 상기 전극 스택부에 밀착되는 하부 고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하부 고정부재는 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 상기 상부 고정부재에 접합되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 시트 형상의 고정 시트가 상기 전극 스택부를 감싸서 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 고정 시트는 일단과 말단이 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 서로 접착되어 상기 전극 스택부를 감싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 제1 개구, 상기 제1 개구에 대향하는 제2 개구, 및 상기 제1 개구에서 상기 제2 개구까지 연장되어 상기 전극 스택부를 수용하는 내부 공간을 마련하는 튜브 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전극 고정부는 열에 의한 수축으로 상기 전극 스택부에 밀착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 상기 전극 스택부의 상면으로부터 상기 전극 스택부의 측면을 따라 상기 전극 스택부의 하면까지 연장되어 상기 전극 스택부를 고정하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 전극 고정부는 상기 전극 스택부를 적어도 한 바퀴 감싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 부직포, PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극 고정부는 공극 사이즈(pore size)가 1um 이상인 부직포로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
19. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극 고정부는 두께가 20~100um인 PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
20. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 스택부는 최외곽에 위치하여 외부로 노출되는 제1 전극에 적층되는 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
21. 청구항 1 내지 20 중 어느 하나의 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.

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