KR20140059737A - 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극 전류 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질 코팅층을 포함하는 음극, 양극 전류 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 활물질 코팅층을 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 권취하여 형성되는 젤리롤 타입의 전극 조립체로서, 상기 양극 및 음극은 음극 활물질 및 양극 활물질이 코팅되지 않는 무지부를 포함하고, 상기 무지부는 권취되어 적층된 각 음극 및 양극의 무지부가 상호 겹쳐지도록 형성되어 젤리롤의 전면 및 후면에서 거울상을 형성하고, 상기 무지부에서 휘어지는 젤리롤 타입의 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 포함하는 파우치형 2차 전지, 전지팩 및 디바이스를 제공한다.
본 발명의 휘어지는 젤리롤 타입 전극 조립체를 사용함으로써, 집전체 표면의 전극 활물질이 탈리되는 문제를 야기하지 않으면서, 가역적으로 휘어질 수 있는 플렉서블한 젤리롤 타입의 2차 전지를 얻을 수 있다.

Description

플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지{Flexible jelly roll type secondary battery}
본 발명은 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지에 관한 것이다.
2차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 그 사용범위는 휴대가 가능한 소형 전자기기에서 하이브리드 자동차 등의 대형기기의 전원에서 이르기까지 매우 광범위하다.
상기 2차 전지는 양극 및 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재한 전극조립체를 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 구성된다. 상기 양극 및 음극은 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지며, 상기 양극 및 음극의 무지부에는 각각 양극 및 음극에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 전극 탭(tap)이 각기 부착되고, 이 전극 탭은 전극조립체에 용접 등으로 부착되어 각기 양극 및 음극에 발생된 전류를 양극 및 음극 단자로 유도하게 된다.
최근에는 디바이스의 디자인이 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소가 됨에 따라 인체공학적인 설계를 위해 다양한 디자인으로 설계되고 있으며, 그에 따라 다양한 형태의 전지가 요구되고 있다. 특히, 외면에 곡면의 형태를 가지는 디자인의 디바이스에 안정적으로 장착될 수 있고, 불필요한 공간 낭비를 줄일 수 있는 휘어진 형상의 전지에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.
그러나, 활물질이 코팅된 부분을 휘는 경우 비가역적으로 변형되며, 집전체 표면의 전극 활물질의 탈리되어 전극의 단락이 발생하는 등 전지의 안정성이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명의 한 측면은 가역적으로 휘어질 수 있으며, 집전체 표면의 전극 활물질이 탈리되지 않는 플렉서블한 젤리롤 타입의 2차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 구현예에 따르면, 음극 전류 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질 코팅층 및 전극탭을 포함하는 음극, 양극 전류 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 활물질 코팅층 및 전극탭을 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 권취하여 형성되는 젤리롤 타입의 전극 조립체로서, 상기 양극 및 음극은 음극 활물질 및 양극 활물질이 코팅되지 않는 무지부를 포함하고, 상기 무지부는 권취되어 적층된 전극 조립체의 각 음극 및 양극에 대하여 상호 겹쳐지며 젤리롤의 권취 중심면을 기준으로 전면 및 후면에서 거울상을 형성하고, 상기 무지부에서 휘어지는 젤리롤 타입의 전극 조립체가 제공된다.
상기 음극 및 양극은 권취 방향에 대하여 수평 방향으로 형성된 하나 또는 복수개의 무지부를 가질 수 있다.
상기 음극 및 양극은 권취 방향에 대하여 수직 방향으로 형성된 하나 또는 복수개의 무지부를 가질 수 있다.
상기 무지부는 원, 타원, 대각선, 문자, 호 또는 도형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.
상기 무지부의 면적은 전극의 전체 면적에 대하여 1% 내지 95%일 수 있다.
상기 전극탭은 음극 활물질 코팅층 및 양극 활물질 코팅층이 형성된 영역에 위치할 수 있다.
상기 전극탭은 무지부에 위치할 수 있다.
본 발명의 제2 구현예에 따르면, 상기 젤리롤 타입의 전극 조립체, 상기 젤리롤 타입의 전극 조립체가 수납된 파우치형 외장재 및 상기 파우치형 외장재에 주입된 전해액을 포함하는 파우치형 2차 전지가 제공된다.
본 발명의 제3 구현예에 따르면, 상기 파우치형 2차 전지를 2 이상 포함하는 전지팩이 제공된다.
본 발명의 제4 구현예에 따르면, 상기 파우치형 2차 전지를 하나 이상 포함하는 디바이스가 제공된다.
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 휘어지는 젤리롤 타입 전극 조립체를 사용함으로써, 집전체 표면의 전극 활물질이 탈리되는 문제를 야기하지 않으면서, 가역적으로 휘어질 수 있는 플렉서블한 젤리롤 타입의 2차 전지를 얻을 수 있다.
도 1은 음극 및 양극이 권취 방향에 대하여 수직 방향으로 형성된 2개의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 음극 및 양극이 권취 방향에 대하여 수평 방향으로 형성된 하나의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 음극 및 양극이 권취 방향에 대하여 수직 및 수평 방향으로 형성된 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4은 음극 및 양극이 사각형 형상의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 음극 및 양극이 삼각형 형상의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 음극 및 양극이 타원 형상의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 음극 및 양극이 대각선 형상의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 음극 및 양극이 호 형상의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지의 사용 예를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 가역적으로 휘어질 수 있는 플렉서블 젤리롤 타입의 2차 전지에 관한 것으로서, 통상적으로 젤리롤 타입의 2차 전지는 음극, 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막이 적층되어 젤리롤 형태로 권취함으로써 형성된다. 상기 음극 및 양극에는 활물질이 코팅되지 않은 무지부(11)를 포함할 수 있는데, 상기 무지부(11)에서 휘어지게 됨으로써 전지의 단락이 발생하지 않으면서 가역적으로 휘어질 수 있는 젤리롤 타입의 2차 전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 제1 구현예에 따르면, 음극 전류 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질 코팅층(10a) 및 전극탭(12a)을 포함하는 음극, 양극 전류 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 활물질 코팅층(10b) 및 전극탭(12b)을 포함하는 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막(13)을 포함하며, 권취하여 형성되는 젤리롤 타입의 전극 조립체로서, 상기 양극 및 음극은 음극 활물질 및 양극 활물질이 코팅되지 않는 무지부(11)를 포함하고, 상기 무지부(11)는 권취되어 적층된 전극 조립체의 각 음극 및 양극에 대하여 상호 겹쳐지며 젤리롤의 권취 중심면을 기준으로 전면 및 후면에서 거울상을 형성하고, 상기 무지부에서 휘어지는 젤리롤 타입의 전극 조립체가 제공된다.
본 발명의 플렉서블 전지를 얻기 위해, 상기 음극 전류 집전체 및 양극 전류 집전체의 일부 영역에서 활물질 코팅층(10a, 10b)이 단절되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 각 전극의 일부 영역에 전극 활물질이 코팅되지 않은 무지부(11)를 형성함으로써 각 전극의 전류 집전체를 노출시킨다. 이때, 상기 무지부(11)는 음극 및 양극에 있어서 상호 대응되는 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 전극 활물질 코팅층(10a, 10b)을 갖지 않는 무지부(11)를 각 전극에 형성함으로써 전지를 굴곡시키는 경우 전극 활물질이 코팅되지 않은 상기 무지부(11)에서 휘어지게 되며, 이로 인해 전극 활물질의 탈리를 원천적으로 방지할 수 있어 전지 내부의 단락을 방지할 수 있다. 또한 상기 무지부(11)는 가역성을 가지므로 플렉서블한 전지를 얻을 수 있다.
상기 무지부(11)는 원하는 바에 따라 전지를 굴곡시키고자 하는 영역에 형성할 수 있으며, 이와 같은 무지부(11)는 2 이상 형성될 수 있다. 다만, 이와 같은 무지부(11)가 지나치게 많은 경우에는 전지 용량 감소를 초래할 수 있고, 이를 보상하기 위해 보다 많은 조립 전지를 적층할 필요가 있다. 따라서, 상기 무지부(11)의 면적은 전극의 전체 면적에 대하여 1% 내지 95%의 범위인 것이 바람직하다. 상기 무지부(11)가 복수개 형성되는 경우에는 무지부(11)의 폭은 상대적으로 좁게 형성되는 것이 바람직하며, 그 폭은 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
나아가, 상기 무지부(11)는 권취되어 적층된 전극 조립체의 각 음극 및 양극에 대하여 상호 겹쳐질 것이 요구된다. 이때, 상기 무지부(11)는 젤리롤의 귄취 중심면을 기준으로 전면 및 후면에서 거울상을 형성하여야 한다.
상기 무지부(11)는 전지의 굴곡을 형성하고자 하는 바에 따라 다양하게 형성될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않으나, 도 1과 같이 권취 방향에 대하여 수직 방향으로 2개의 무지부(11)가 형성될 수 있으며, 도 2와 같이 권취 방향에 대하여 수평 방향으로 무지부(11)가 형성될 수도 있다. 나아가, 도 3과 같이 권취 방향에 대하여 수직 및 수평 방향으로 무지부(11)를 형성할 수 있다. 이와 같이 방향 및 숫자에 특별한 제한 없이 무지부(11)를 형성할 수 있다.
또한, 권취된 젤리롤에는 도 4 내지 도 8과 같이 전극의 가로 또는 세로 방향 중심선을 기준으로 대칭되게 사각형, 삼각형, 타원과 같은 다양한 형태의 다각형, 대각선이나 호 형상의 도형, 거울상의 문자 등의 형태로 무지부(11)가 형성됨으로써 대칭을 이룰 수 있음은 물론, 전극에 대한 가로 및 세로 방향의 중심선이 만나는 지점을 중심으로 하는 원, 타원, 또는 여러 형태의 도형이 위치하여 대칭을 형성할 수 있다.
한편, 음극 및 양극은 전극탭(12a, 12b)을 포함하는데, 이때 상기 전극 탭(12a, 12b)은 음극 활물질 코팅층(10a) 및 양극 활물질 코팅층(10b)이 형성된 영역에 위치하거나, 무지부(11)에 위치할 수 있다. 필요에 따라 상기 전극탭은 각 전극의 동일 단부에 형성될 수 있음은 물론, 마주보는 단부에 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, 음극 탭(12a)은 전극의 상단부에 형성되고, 양극 탭(12b)은 전극의 하단부에 형성될 수 있으며, 반대로 형성될 수 있다.
본 발명에 의해 얻어진 젤리 롤 타입의 전극 조립체를 사용하여 플렉서블한 파우치 2차 전지를 얻을 수 있다. 상기 파우치형 2차 전지는 상기 전극조립체를 파우치 외장재에 수납하고, 밀폐한 후, 파우치 외장재 내에 전해액을 주입하여 전극을 함침함으로써 얻어질 수 있다. 나아가, 상기 파우치형 2차 전지를 2 이상 포함하는 전지 팩을 얻을 수 있다.
한편, 상기 파우치형 2차 전지를 포함하는 디바이스를 제공한다. 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 젤리 롤 타입의 전극 조립체는 다양한 형태로 휘어지거나 접힐 수 있기 때문에, 이를 이용하여 다양한 형태의 2차 전지를 제조할 수 있다. 특별히 한정하지 않으나, 하기 도 9와 같이 내부에 빈 공간이 형성된 4각 기둥 형태의 플렉서블 2차 전지를 제조하는 경우, 전자제품의 외곽에 2차 전지가 위치하고 내부에 부품이 위치하도록 제품을 구성할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 플렉서블 2차 전지를 사용함으로써 공간을 보다 다양하게 활용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10a(10b): 음극(양극) 활물질 코팅층
11: 무지부
12a(12b): 전극 탭
13: 분리막

Claims (11)

  1. 음극 전류 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질 코팅층 및 전극탭을 포함하는 음극,
    양극 전류 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 양극 활물질 코팅층 및 전극탭을 포함하는 양극 및
    상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 권취하여 형성되는 젤리롤 타입의 전극 조립체로서,
    상기 양극 및 음극은 음극 활물질 및 양극 활물질이 코팅되지 않는 무지부를 포함하고, 상기 무지부는 권취되어 적층된 전극 조립체의 각 음극 및 양극에 대하여 상호 겹쳐지며 젤리롤의 권취 중심면을 기준으로 전면 및 후면에서 거울상을 형성하고, 상기 무지부에서 휘어지는 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 음극 및 양극은 권취 방향에 대하여 수평 방향으로 형성된 하나 또는 복수개의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 음극 및 양극은 권취 방향에 대하여 수직 방향으로 형성된 하나 또는 복수개의 무지부를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 무지부는 원, 타원, 대각선, 문자, 호 또는 도형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 형상을 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 무지부의 면적은 전극의 전체 면적에 대하여 1% 내지 95%인 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 전극탭은 음극 활물질 코팅층 및 양극 활물질 코팅층이 형성된 영역에 위치하는 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 전극탭은 무지부에 위치하는 젤리롤 타입의 전극 조립체.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항의 젤리롤 타입의 전극 조립체, 상기 젤리롤 타입의 전극 조립체가 수납된 파우치형 외장재 및 상기 파우치형 외장재에 주입된 전해액을 포함하는 파우치형 2차 전지.
  9. 제8 항의 파우치형 2차 전지를 2 이상 포함하는 전지팩.
  10. 제8 항의 파우치형 2차 전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
  11. 제10 항에 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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