KR20140018136A - 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20140018136A
KR20140018136A KR1020130091486A KR20130091486A KR20140018136A KR 20140018136 A KR20140018136 A KR 20140018136A KR 1020130091486 A KR1020130091486 A KR 1020130091486A KR 20130091486 A KR20130091486 A KR 20130091486A KR 20140018136 A KR20140018136 A KR 20140018136A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current collector
positive electrode
negative electrode
electrode
active material
Prior art date
Application number
KR1020130091486A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101543076B1 (ko
Inventor
안경진
김민수
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Publication of KR20140018136A publication Critical patent/KR20140018136A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101543076B1 publication Critical patent/KR101543076B1/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
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • 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
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • 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)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본 발명은 이차전지에서 전극의 단락을 방지하기 위하여, 집전체 상에 각각의 활물질이 코팅되어 이루어진 양극 및 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 상기 i) 양극의 집전체 또는 ii) 양극 및 음극의 집전체의 노출된 말단부 일부에는 산화부를 포함하는 전극조립체를 제공한다.

Description

전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자{ELECTRODE ASSEMBLY AND ELECTROCHEMICAL CELL CONTAINING THE SAME}
본 발명은 전극의 단락을 방지하여 안정성이 향상된 전극조립체와 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬 이차전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 아울러 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 주목받고 있다.
리튬 이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지로 분류되며, 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다.
이 중, 파우치형은 금속층(호일)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 공간 부가 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.
먼저, 상기 전극조립체(10)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 상기 전극조립체(10)는 집전체 상에 양극활물질이 코팅된 양극과 집전체 상에 음극활물질이 코팅된 음극의 적층구조로 구현되며, 상기 양극과 음극 사이에는 양극과 음극의 물리적 단락을 방지하기 위해 분리막(separator)이 삽입되어 있다.
또한, 상기 전극 탭들(31, 32)은 전극조립체(10)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 상기 전극리드(51, 52)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(31, 32)과 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).
또한, 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.
한편, 종래 이차전지를 제조함에 있어서, 상기 전극조립체(10)의 양극과 음극의 물리적 단락 위험을 낮추기 위해서, 통상적으로 양극보다 음극을 크게 제작하고 있다. 하지만, 고온의 분위기에서 상기 분리막의 수축 등이 유발되면서, 양극과 음극의 물리적 단락이 빈번하게 발생하는 단점이 있다(도 2 참조).
이에, 고온 분위기 하에서도 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있는 신규한 구조의 전극조립체의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2001-0045056호 공보 한국공개특허 제2011-0082745호 공보
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 전극 집전체의 말단부(탭부)에 레이저를 조사하여 산화부를 형성함으로써, 고온의 분위기하에서 분리막의 수축 등이 유발될 때, 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있는 구조의 전극조립체와 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 집전체 상에 각각의 활물질이 코팅되어 이루어진 양극 및 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며,
상기 i) 양극 또는 ii) 양극 및 음극 집전체의 노출된 말단부 일부에는 산화부를 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
이때, 상기 산화부는 집전체 표면에 레이저를 조사하여 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공한다.
본 발명은 전극조립체의 구조에서 전극 집전체의 말단부(탭부) 일부에 레이저를 조사하여 산화부를 형성함으로써, 고온의 분위기에서 분리막의 수축 등이 유발되어도 양극과 음극의 물리적 단락을 방지할 수 있는 절연구조의 탭부를 구비한 전극조립체를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 별도의 절연물질 등의 추가적인 원재료를 투입하지 않고서도, 원가 절감 및 공정 간소화를 구현하여 공정효율을 극대화할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제조할 수 있다.
도 1은 이차전지의 구조를 도시한 분리 사시도이다.
도 2는 종래 전극조립체 구조의 단점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 일 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 도시한 것이다.
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 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 도시한 단면 개념도이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체는 분리막(130)을 사이에 두고 양극 및 음극 집전체(110, 150) 상에 각각의 양극 활물질(120) 및 음극 활물질(140)을 코팅하여 이루어진 양극 및 음극을 포함하며, 이때 상기 양극 집전체의 노출된 말단부(T1) 일부(T3)에 산화부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 산화부(160)는 스테인레스 스틸 산화막, 알루미늄, 니켈, 티탄, 탄소 및 은 중 어느 하나의 금속 산화막을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 산화부(160)는 상기 양극집전체(110)와 분리막(130) 사이에 배치되며, 상기 음극의 활물질(140) 도포 영역과 일부가 오버랩(overlap)되고, 상기 양극 진접체 상에 코팅된 양극활물질의 일단과 접촉된 형태로 연결되도록 형성하여 배치될 수 있다. 또한, 상기 산화부(160)는 상기 집전체의 일단이 노출되는 노출부(T2)가 형성되도록 구현함이 바람직하다. 즉, 음극(활물질)의 크기가 양극보다 크게 형성되는바, 상기 음극과 양극 사이에는 상호 겹쳐지지 않는 부분의 영역(T3)이 존재한다. 일반적으로 이 영역(T3)에 의해 전극의 단락이 이루어지게 되는바, 상기 영역(T3)에 산화부(160)를 형성하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 산화부(160)의 폭(T3)은 셀의 설계 인자와 연계하여 유동적으로 변경 가능한데, 바람직하게는 양극과 음극 전극 간의 크기 차이 (size gap) 보다 커야 하고, 리드부가 용접되는 영역에 맞닿지 않을 만큼 작아야 한다.
즉, 산화부 영역을 형성하는 이유는 양극의 탭 부분의 호일(foil)과 음극 활물질의 접촉을 예방하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 양극 탭이 있는 위치의 양극/음극 간의 크기 차이 부분 보다 크게 산화부를 형성해야 한다. 예컨대, 상기 양극과 음극 간의 크기 차이가 2mm인 경우, 상기 산화부의 폭은 2mm 이상이 되어야 한다.
본 발명에서 상기 산화부(160)의 폭(T3)은 구체적으로 1mm 내지 20mm의 범위에서 형성됨이 바람직하며, 이 경우 상기 노출부(T2)와 산화부(160)의 형성영역(T3 영역)의 총 길이(T1)은 통상 20mm 내지 30mm 정도로 구현될 수 있다. 만약, 상기 산화부의 폭이 20mm 이상이 되어, 리드가 용접되는 부분까지 형성되는 경우, 산화막 층에 의해 용접 부위의 용접 강도가 약해질 수 있다.
상기 산화부(160)는 상기 양극 집전체의 노출된 말단부 일부 표면에 레이저를 조사하여 형성할 수 있다. 상기 산화부를 형성하기 위한 레이저 조사 공정은 용접을 위한 통상적인 레이저 조사 공정에 의해 실시할 수 있으며, 구체적으로 50 내지 95w의 조건 하에서 실시할 수 있다. 만약, 상기 조건 보다 낮은 조건하에서 산화를 진행하는 경우 산화가 충분히 진행되지 않아, 본 발명의 효과를 확보하기 어렵다. 또한, 상기 조건 보다 높은 조건 하에서 진행되는 경우, 산화층이 너무 많이 형성되어, 리드가 용접되는 부분까지 형성되기 때문에 용접 부위의 기계적 용접 강도가 약해질 수 있다. 이는 이후 용접 공정에서 해당 부위의 단선으로 이어질 가능성이 높다. 또한, 호일이 완전히 뚫어져 레이저 커팅이 유발될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도 3의 구조에서와 같이 양극집전체(110)의 표면을 레이저로 산화처리하여 상기 산화부(160)를 형성할 수도 있고, 도 4와 같이, 양극 집전체뿐만 아니라, 음극 집전체(150)의 노출된 말단부 일부분에도 레이저를 조사하여 산화부(170)을 형성할 수도 있다. 즉, 양극집전체(110) 및 음극집전체(150) 양쪽 모두에 산화부(160, 170)를 형성하는 것도 가능하다.
이때, 상기 음극 집전체 상에 형성된 산화부(170)는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 및 은 중 어느 하나의 금속 산화막을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체 상에 형성된 산화부(170)는 음극 집전체의 노출된 말단부의 전체 영역(T4)보다 작으면 특별히 제한하지 않으며, 상기 집전체의 일단이 노출되는 노출부(T5)가 형성되도록 구현함이 바람직하다. 또한, 상기 산화부(170)는 음극 집전체 상에 코팅된 음극활물질의 일단과 접촉된 상태로 연결되도록 형성할 수 있는데, 바람직하게 음극 집전체 상에 형성되는 상기 산화부(170)의 폭(T6 영역)은 양극 집전체 상에 형성되는 산화부의 폭과 동일하게 설정할 수 있다. 이때, 음극의 산화부는 양극의 호일이 드러나는 경우, 양극 호일과 음극 활물질의 접촉을 예방하는 것으로 이 역시 양극과 닿을 수 있는 영역에만 산화부가 형성되면 된다.
또한, 상기 음극 집전체에 대한 레이저 조사 공정 조건은 상기 양극 집전체에 대한 레이저 조사 공정 조건과 동일한 조건 하에서 진행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 종래 집전체의 표면에 별도의 절연층을 형성하는 방식과는 달리, 집전체의 표면 자체에 레이저를 조사하여 산화막을 형성하는 매우 간단한 방법으로, 별도의 공정 설비 없이도, 원가 절감 및 공정 간소화를 구현하여 공정 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 집전체의 표면에 산화부를 형성시킨 전극조립체를 구성하는 개별 구성요소의 구체적인 재료 및 구성상의 특징을 하기에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
양극
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, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 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 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 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 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 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x는 0 내지 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, M는 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x는 0.01 내지 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M는 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x는 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M는 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 양극 활물질을 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, 서머 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 브티렌 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
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 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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 무관히 단순 적층공정으로 기본 단위체를 형성하여 단순 적층을 구현하게 된다. 특히, 라미네이터에서 분리막과 양극, 음극의 접착은 라미네이터 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 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 내지 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 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 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.
이하에서는 이러한 본 발명에 따른 산화부를 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 1)
먼저, 통상적인 파우치형 이차전지의 제조 방법에 의해 양극 집전체(Al) 상에 양극 활물질을 코팅하여 형성한 양극과, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 코팅하여 형성한 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 다공성 분리막으로 이루어진 전극조립체를 제조하였다.
그 다음으로, 상기 양극 집전체의 노출된 말단부 일부 표면에 레이저를 조사하여 Al2O3 로 구성된 산화부를 형성하였다. 이때, 상기 산화부의 폭은 10mm, 두께는 10㎛였다.
그 다음으로, 파우치형 전지 케이스의 수납부에 상기 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 케이스에 실링부를 형성하여 파우치형 이차전지를 제조하였다.
(실시예 2)
먼저, 통상적인 파우치형 이차전지의 제조 방법에 의해 양극 집전체(Al) 상에 양극 활물질을 코팅하여 형성한 양극과, 음극 집전체(Cu) 상에 음극 활물질을 코팅하여 형성한 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 다공성 분리막으로 이루어진 전극조립체를 제조하였다. 그 다음으로, 상기 양극 집전체의 노출된 말단부 일부 표면에 레이저를 조사하여 Al2O3 로 구성된 산화부를 형성하였다. 이때, 상기 산화부의 폭은 10mm, 두께는 10㎛였다.
이어서, 음극 집전체(Cu)의 노출된 말단부 일부 표면에 레이저를 조사하여 Cu2O로 구성된 산화부를 형성하였다. 이때, 상기 산화부의 폭은 10mm, 두께는 10㎛였다.
그 다음으로, 파우치형 전지 케이스의 수납부에 상기 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 케이스에 실링부를 형성하여 파우치형 이차전지를 제조하였다.
(비교예)
상기 실시예와 같은 방법으로 파우치형 이차 전지를 제작하였으나, 산화부를 형성하지 않았다.
(실험예)
상기 실시예 1 및 2와, 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 물리 단락 발생 개수
실시예 1 0
실시예 2 0
비교예 16
상기 실험에서 절연층을 형성한 본 발명의 실시예 1의 이차전지 및 실시예 2의 이차전지는 100개 전지 모두에서 물리적 단락이 유발되지 않았다. 그러나 일반적인 비교예에서는 약 16%의 불량이 발생함을 알 수 있다.
10: 전극조립체
20: 전지 케이스(파우치)
31, 32: 전극탭
41, 42: V-포밍
50: 전극 리드
110, 150: 집전체
120: 양극
130: 분리막
140: 음극
160, 170: 산화부

Claims (12)

  1. 집전체 상에 각각의 활물질이 코팅되어 이루어진 양극 및 음극; 및
    상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며,
    상기 i) 양극의 집전체 또는 ii) 양극 및 음극의 집전체의 노출된 말단부 일부에는 산화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체 표면에 형성된 산화부는 스테인레스 스틸 산화막, 알루미늄, 니켈, 티탄, 탄소 및 은 중 어느 하나의 금속 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체의 산화부는
    상기 양극의 집전체와 분리막 사이에 배치되고,
    상기 음극의 활물질 도포 영역의 말단과 일부 오버랩(overlap)되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체의 산화부는 양극 진접체 상에 코팅된 양극활물질의 일단과 접촉되어 연결된 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체의 산화부는 양극 및 음극 집전체의 노출된 표면 일부에 레이저 조사를 실시하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전극조립체
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체의 산화부의 폭은 1mm 내지 20mm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 집전체 표면에 형성된 산화부는 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 및 은 중 어느 하나의 금속 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 집전체의 산화부는 음극 진접체 상에 코팅된 음극활물질의 일단과 접촉되어 연결된 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 집전체의 산화부는 양극 및 음극 집전체의 노출된 표면 일부에 레이저 조사를 실시하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    양극 집전체 상에 코팅되는 양극 활물질은 Li2MnO3 및 LiMO2 (이때, M은 전이금속원소임)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 전극조립체를 1 이상 포함하는 전기화학소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전기화학소자는 이차전지, 다수의 이차전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지의 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전기화학소자.
KR1020130091486A 2012-08-01 2013-08-01 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 KR101543076B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120084481 2012-08-01
KR1020120084481 2012-08-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140018136A true KR20140018136A (ko) 2014-02-12
KR101543076B1 KR101543076B1 (ko) 2015-08-10

Family

ID=50266418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130091486A KR101543076B1 (ko) 2012-08-01 2013-08-01 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101543076B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190124396A (ko) * 2018-04-26 2019-11-05 현대자동차주식회사 리튬 이차전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190124396A (ko) * 2018-04-26 2019-11-05 현대자동차주식회사 리튬 이차전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR101543076B1 (ko) 2015-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101543065B1 (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR101510518B1 (ko) 전극조립체의 제조방법
KR101567674B1 (ko) 전극조립체의 제조방법
US9350006B2 (en) Electrode assembly and electrochemical device including the same
KR101528027B1 (ko) 전극조립체의 제조공정
KR101523427B1 (ko) 전극조립체의 제조공정
KR20140009037A (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자
JP6587157B2 (ja) 電極組立体及びこれを含む電気化学素子
KR20140012601A (ko) 이차전지 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR101487092B1 (ko) 이차전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차전지
KR101484369B1 (ko) 이차전지 및 이를 포함하는 전기화학소자
CN108335915B (zh) 电极组件的制造方法及包括该电极组件的电化学电池
KR20140022531A (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 및 그 제조방법
KR20140018135A (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR101543076B1 (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR20140034340A (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자, 전지모듈
KR20140048622A (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 및 그 제조방법
TWI513081B (zh) 電極組及含有該電極組之電化學裝置
KR20140029677A (ko) 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 포함하는 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180619

Year of fee payment: 4