KR20140009037A - 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

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KR20140009037A
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이향목
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 이차전지에서 전극의 단락을 방지하기 위한 기술에 대한 것으로, 특히 분리막을 사이에 두고 집전체 상에 활물질이 코팅되는 양극 및 음극과 상기 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막 및 상기 양극을 구성하는 양극집전체의 탭부에 형성되는 절연층을 포함하는 전극조립체를 제공할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 전극조립체의 구조에서 양극의 탭으로 사용되는 집전체의 말단부(탭부)에 절연층을 형성함으로써, 양극/분리막/음극의 순차 적층구조에서 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자{ELECTRODE ASSEMBLY AND ELECTROCHEMICAL CELL CONTAINING THE SAME}
본 발명은 이차전지에서 전극의 단락을 방지하기 위한 기술에 대한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬이차전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬이차전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지로 분류되며, 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다.
이 중, 파우치형은 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있다.
이러한 파우치 외장재는 직방형 외장재를 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 형성된 상부 외장재와 하부 외장재로 이루어지는데, 하부 외장재에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극조립체를 수용하기 위한 공간부가 형성된다. 하부 외장재의 공간부에는 주로 판형의 양극, 분리막 및 음극이 적층된 구조의 다양한 전극조립체가 수용된다. 그 다음 전해액을 주입하게 되고 상기 하부 외장재 공간부 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 상부 외장재의 가장자리를 밀착시키고 밀착된 부분을 열융착 하면 밀봉된 형태의 파우치형 이차전지가 형성된다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(1)는, 전극조립체(10), 전극조립체(10)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(31, 32), 전극 탭들(31, 32)에 용접되어 있는 전극 리드(51, 52), 및 전극조립체(1)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(10)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(31, 32)은 전극조립체(10)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(51, 52)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(31, 32)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 리드(51, 52)의 상하면 일부에는 전지 케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(53)이 부착되어 있다.
또한, 다수의 양극, 음극 탭들(31, 32)이 일체로 결합되어 용착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(10)의 상단 면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 용착부의 탭들(31, 32)은 대략 V자 형상으로 절곡되어 있다(전극 탭들과 전극 리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming; 41, 42) 부위로 칭하기도 한다). 전지 케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(10)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 이차전지는, 전지 케이스(20)의 수납부에 전극조립체(10)를 내장하고 전해액(도시하지 않음)을 주입한 후, 전지 케이스(20)의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트가 접하는 외주 면을 열융착시키는 과정을 통해 제조된다.
도 2는 상술한 전극조립체의 구조의 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 전극조립체(10)는 양극과 음극의 적층구조로 구현되며, 양극 및 음극을 구성하는 집전체와 연결되는 전극 탭(31, 32)을 구비하고 있다. 이때 도 2에서 알루미늄 호일(Al foil, 31)로 표시된 부분이 양극 탭(31)이고, 구리 호일(Cu foil, 32)로 표시된 부분이 음극 탭(32)이다. 특히, 상기 전극조립체는 집전체 상에 양극활물질이 코팅되는 양극(cathode)과 집전체 상의 음극활물질이 코팅되는 음극(Anode)이 적층되며, 양극과 음극의 물리적 단락을 방지하기 위해 분리막(separator)이 삽입된다. 이 경우, 통상 전극조립체의 양극과 음극의 물리적 단락 위험을 낮추기 위해서 양극보다 음극을 크게 제작하게 되나, 고온의 분위기에서 분리막의 수축 등의 문제로 양극과 음극의 물리적 단락은 빈번하게 발생하게 되는 문제가 발생한다.
한국공개특허 제2001-0045056호 한국공개특허 제2011-0082745호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극조립체의 구조에서 양극의 탭으로 사용되는 양극집전체의 말단부(탭부)에 절연층을 형성함으로써, 양극/분리막/음극의 순차 적층구조에서 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있도록 하는 이차전지를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 분리막을 사이에 두고 양극집전체 및 음극집전체 상에 각각 양극활물질 및 음극활물질이 코팅되는 양극 및 음극과, 상기 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막으로 이루어지는 전극조립체로서, 상기 양극을 구성하는 양극집전체의 탭부에 절연층이 형성되어 있는 전극조립체를 제공하여, 양극/분리막/음극의 순차 적층구조에서 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 전극조립체의 구조에서 양극의 탭으로 사용되는 양극집전체의 말단부(탭부)에 절연층을 형성함으로써, 양극/분리막/음극의 순차 적층구조에서 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 이차전지의 구조를 도시한 분리 사시도이다.
도 2는 이차전지 구조의 문제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본원 발명에서 양극집전체 탭부 상에 절연층을 형성하는 방법을 도시한 평면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체의 구조를 도시한 단면도이며, 도 4는 양극집전체 탭부 상에 절연층을 형성하는 방법을 도시한 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체는 분리막(130)을 사이에 두고 양극집전체(110) 상에 양극활물질(120)이 코팅되는 양극(122) 및 음극집전체(150) 상에 음극활물질(140)이 코팅되는 음극(142)과, 상기 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막(130) 및 상기 양극(122)을 구성하는 양극집전체(110)의 탭부에 형성되는 절연층(160)을 포함하여 구성될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 상기 절연층(160)은 상기 양극집전체(110)와 분리막(130) 사이에 배치되며, 상기 음극활물질(140) 도포 영역과 일부가 오버랩(overlap)되도록 배치될 수 있다. 즉, 음극의 크기가 양극보다 크게 형성되는바, 상기 음극과 양극 사이에는 상호 겹쳐지지 않는 부분의 영역(T3)가 존재하며, 일반적으로 이 영역에 의해 전극의 단락이 이루어지게 되는바, 상기 영역(T3)에 절연층(160)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 절연층(160)은 상기 음극활물질(140) 도포 영역과 일부가 오버랩되도록 배치되며, 통상 상기 절연층은 상기 양극활물질(120) 도포 영역의 말단과 연결되도록 형성할 수 있다. 또한, 상기 절연층(160)은 상기 탭부의 일단이 노출되는 노출부(T2)가 형성되도록 구현함이 바람직하다. 아울러, 상기 절연층의 폭(T3 영역)은 1mm~20mm의 범위에서 형성됨이 바람직하며, 이 경우 절연층 자체의 두께는 1㎛~100㎛로 형성함이 바람직하다. 상기 노출부(T2)와 절연층의 형성영역(T3 영역)의 총 길이(T1)은 통상 20mm~30mm 정도로 구현된다.
도 4는 도 3에서 양극집전체(110) 상에 양극활물질(120)이 코팅된 상태의 양극(122)의 평면도를 도시한 것이다.
상기 절연층(160)의 형성 방식은 도 3에 도시된 것과 같이, 양극 집전체(110)의 양극활물질(120)의 도포영역의 말단부에, 절연물질을 집전체의 폭 방향으로 코팅하는 방식으로 구현될 수 있다.
도 4에서와 같이 상기 절연층(160)을 구현하는 방식은, 적어도 1 이상의 세라믹물질을 함유한 절연물질을 도포하여 구현할 수 있다. 이를 테면, 상기 절연층은, 이산화티타늄, 칼슘카보네이트, 황산바륨 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합한 물질을 적용하거나, 또는 이산화티타늄, 칼슘카보네이트, 황산바륨을 10~90% 중량비로 함유한 수용액 또는 도료를 도포하여 구현할 수 있다.
나아가, 상기 절연층은, 중량 평균 분자량 20만 이하의 고분자 필름 또는 에멀젼을 상기 탭부 상에 합착 및 도포하여 구현할 수 있다. 이 경우 상기 고분자 필름은, 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 선택되는 하나 이상의 물질로 구현할 수 있으며, SBR계 중합체를 이용하여 구현될 수도 있다.
즉, 본 발명에 따른 상기 절연층(160)은 상술한 절연물질을 전기 방사하거나, 프린팅, 스프레이코팅, 테이핑 등의 다양한 방식을 통해 구현할 수 있다.
이하에서는 이러한 본 발명에 따른 전극리드를 구비한 이차전지를 통해 접촉불량의 발생 여부를 확인하는 실험예를 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 상기 전극조립체는, 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조 중 어느 하나로 이루어지는 구조로 이차전지를 구성할 수 있다. 이하, 본 발명을 실시예를 들어 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 한다.
{실시예}
양극집전체의 탭부에 있어서, 양극활물질의 말단부로부터 폭 10mm, 두께 10㎛로 절연층을 형성한 것을 제외하고는 당업계에 알려진 재료 및 방법으로 전극조립체를 제조하였다.
본 실시예에서, 상기 절연층은 SBR계 중합체를 변성시킨 폴리머로서 부틸 아크릴레이트, 스티렌을 주요 구성으로 하고, 아크릴산, 아크릴로니트릴 및 에틸헥실 아크릴레이트 중에서 선택되는 하나 이상의 단량체를 소량 포함하는 중합체를 포함하는 수용액을 이용하거나, 이산화티타늄을 메틸알코올 또는 물에 분산시킨 용액을 이용하였으며, 이러한 절연층을 이용하여 100개의 전극 조립체를 제조하였다.전지 케이스의 수납부에 상기에서 제조한 각각의 전극조립체를 내장하고, 전극조립체의 집전체로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들과 리드부를 용접하여 V-포밍부를 형성한 후, 전해액을 주입하고, 전지 케이스의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트가 접하는 외주 면을 열융착시켜 전지 케이스를 실링함으로써 총 100개의 파우치형 이차전지를 제조하였다.
{비교예}
절연층을 형성하지 않을 것을 제외하고는 상기 실시예와 같은 방법으로 파우치형 이차전지를 제작하였다.
{실험예}
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 전지를 대상으로 100℃, 150℃, 200℃에 노출시키는 테스트 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
본 실험에서는 각각 100 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 음극부위에 단락 여부를 측정하였다.
음극의 물리적 단락 발생 개수
실시예 0
비교예 13
상기 실험에서 절연층을 형성한 본 발명의 양극 구조를 적용한 이차전지는 100개 전지 모두에서 물리적 단락이 유발되지 않았다. 그러나 일반적인 비교예에서는 약 13%의 불량이 발생됨을 알 수 있다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 절연층을 형성시킨 전극조립체를 구성하는 개별 구성요소의 구체적인 재료 및 구성상의 특징을 설명하기로 한다.
양극구조
본 발명에서 상기 기본단위체에 형성되는 전극은 양극 또는 음극으로 구별되고, 상기 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 양극은 예를 들어, 양극집전체 상에 양극활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진재를 더 첨가하기도 한다. 이러한 구조는 시트 형으로 구현되어 로딩 롤에 장착되는 형태로 공정에 적용될 수 있게 된다.
[양극집전체]
상기 양극집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 상술한 본 발명에 따른 실시예에서 전극탭의 경우, 상기 양극집전체의 재질과 동일한 재질을 가지도록 형성될 수 있다.
[양극활물질]
상기 양극활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (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 LiNi1 - xMxO2 (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 LiMn2 - xMxO2 (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 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물;Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
음극 구조
음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 이러한 구조는 시트 형으로 구현되어 로딩 롤에 장착되는 형태로 공정에 적용될 수 있게 된다.
[음극 집전체]
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상술한 본 발명에 따른 실시예에서 전극탭의 경우, 상기 음극집전체의 재질과 동일한 재질을 가지도록 형성될 수 있다.
[음극활물질]
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0=x=1), LixWO2(0=x=1), SnxMe1 - xMe'yOz (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-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
[분리막]
본 발명에 따른 분리막은 폴딩공정이나 롤(roll) 공정과는 무관하게 단순 적층공정으로 기본 단위체를 형성하여 단순 적층을 구현하게 된다. 특히, 라미네이트에서 분리막과 양극, 음극의 접착은 라미네이트 내부에서 분리막 시트 자체가 열에 의해 용융되어 접착 고정되도록 하는 것이다. 이에 따라, 압력이 계속 유지되게 하는바 전극과 분리막 시트 사이의 안정적인 계면 접촉을 가능케 한다.
상기 분리막 시트 또는 셀의 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 분리막과 분리막 시트는 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 분리막 또는 분리막 시트는, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리막 또는 분리막 시트의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 또는 분리막 시트로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
상기 분리막은 기본 단위셀을 구성하기 위해서 열융착에 의한 접착 기능을 가지고 있는 것이 바람직하고, 상기 분리막 시트는 반드시 그러한 기능을 가질 필요는 없으나 접착 기능을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 전극조립체는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등을 들 수 있고, 그 중에서 이차전지가 특히 바람직하다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 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 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 전극조립체
20: 전지 케이스(파우치)
31, 32: 전극탭
41, 42: V-포밍
50: 전극 리드
110: 양극집전체
120: 양극활물질
122: 양극
130: 분리막
140: 음극활물질
142: 음극
150: 음극활물질
160: 절연층

Claims (14)

  1. 분리막을 사이에 두고 양극집전체 및 음극집전체 상에 각각 양극활물질 및 음극활물질이 코팅되는 양극 및 음극; 및
    상기 양극 및 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 전극조립체로서,
    상기 양극을 구성하는 양극집전체의 탭부에 절연층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은 상기 양극집전체와 분리막 사이에 배치되며,
    상기 음극활물질 도포 영역과 일부가 오버랩(overlap)되도록 배치되는 전극조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 절연층은 상기 양극활물질 도포 영역의 말단과 연결되도록 배치되는 전극조립체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 절연층은 상기 탭부의 일단이 노출되는 노출부가 형성되도록 구현되는 전극조립체.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 절연층의 폭은 1mm~20mm 인 전극조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 1㎛~100㎛ 인 전극조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은 적어도 1 이상의 세라믹물질을 함유한 절연물질을 도포하여 구현되는 전극조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 절연층은 이산화티타늄, 칼슘카보네이트 및 황산바륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합한 물질로 구현되는 전극조립체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 절연층은 이산화티타늄, 칼슘카보네이트 및 황산바륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상을 혼합한 물질을 10~90% 중량비로 함유한 수용액 또는 도료를 도포하여 건조하여 구현되는 전극조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은 중량 평균 분자량 20만 이하의 고분자 필름 또는 에멀젼을 상기 탭부 상에 합착 및 도포하여 구현되는 전극조립체.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 고분자 필름은 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 형성되는 전극조립체.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 절연층은 SBR계 중합체인 전극조립체.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항의 전극조립체를 1 이상 포함하는 전기화학소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전기화학소자는 이차전지, 다수의 이차전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지의 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전기화학소자.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016060521A1 (ko) * 2014-10-16 2016-04-21 주식회사 엘지화학 전기절연층이 코팅되어 있는 전극탭 및 이를 포함하는 이차전지
KR101654715B1 (ko) * 2015-10-29 2016-09-07 라이프코어인스트루먼트 주식회사 고효율 용존 수소수의 제조 장치 및 방법
KR20180058370A (ko) * 2016-11-24 2018-06-01 주식회사 엘지화학 전극판의 경계 부위에 절연 보강부가 형성된 분리막을 포함하는 전극조립체
CN108886130A (zh) * 2016-03-24 2018-11-23 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池
CN113381131A (zh) * 2021-05-27 2021-09-10 万向一二三股份公司 一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法
WO2021261754A1 (ko) * 2020-06-25 2021-12-30 주식회사 엘지에너지솔루션 저항층이 형성된 전극의 제조방법
WO2022005119A1 (ko) * 2020-06-30 2022-01-06 삼성에스디아이(주) 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지
WO2022051915A1 (zh) * 2020-09-08 2022-03-17 东莞新能安科技有限公司 电极组件、电化学装置及电子装置
WO2022149921A1 (ko) * 2021-01-08 2022-07-14 주식회사 엘지에너지솔루션 절연성 코팅층이 형성된 분리막을 포함하는 이차전지용 유닛셀, 및 이의 제조방법
WO2023033398A1 (ko) * 2021-09-01 2023-03-09 삼성전자주식회사 전극 조립체를 포함하는 배터리 및 이를 포함하는 전자 장치

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016060521A1 (ko) * 2014-10-16 2016-04-21 주식회사 엘지화학 전기절연층이 코팅되어 있는 전극탭 및 이를 포함하는 이차전지
KR20160045033A (ko) * 2014-10-16 2016-04-26 주식회사 엘지화학 전기절연층이 코팅되어 있는 전극탭 및 이를 포함하는 이차전지
EP3073552A4 (en) * 2014-10-16 2017-08-16 LG Chem, Ltd. Electrode tab having electrical insulation layer coated thereon and secondary battery comprising same
US10454090B2 (en) 2014-10-16 2019-10-22 Lg Chem, Ltd. Electrode tab coated with electrical insulating layer and secondary battery comprising the same
KR101654715B1 (ko) * 2015-10-29 2016-09-07 라이프코어인스트루먼트 주식회사 고효율 용존 수소수의 제조 장치 및 방법
CN108886130A (zh) * 2016-03-24 2018-11-23 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池
KR20180058370A (ko) * 2016-11-24 2018-06-01 주식회사 엘지화학 전극판의 경계 부위에 절연 보강부가 형성된 분리막을 포함하는 전극조립체
US11462772B2 (en) 2016-11-24 2022-10-04 Lg Energy Solution, Ltd. Electrode assembly comprising separator having insulation-enhancing part formed on edge portion of electrode
WO2021261754A1 (ko) * 2020-06-25 2021-12-30 주식회사 엘지에너지솔루션 저항층이 형성된 전극의 제조방법
WO2022005119A1 (ko) * 2020-06-30 2022-01-06 삼성에스디아이(주) 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지
KR20220001677A (ko) * 2020-06-30 2022-01-06 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지
WO2022051915A1 (zh) * 2020-09-08 2022-03-17 东莞新能安科技有限公司 电极组件、电化学装置及电子装置
WO2022149921A1 (ko) * 2021-01-08 2022-07-14 주식회사 엘지에너지솔루션 절연성 코팅층이 형성된 분리막을 포함하는 이차전지용 유닛셀, 및 이의 제조방법
CN113381131B (zh) * 2021-05-27 2022-09-02 万向一二三股份公司 一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法
CN113381131A (zh) * 2021-05-27 2021-09-10 万向一二三股份公司 一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法
WO2023033398A1 (ko) * 2021-09-01 2023-03-09 삼성전자주식회사 전극 조립체를 포함하는 배터리 및 이를 포함하는 전자 장치

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