KR20150006387A - 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전극 유닛의 적층에 의해 형성된 전극 조립체로서, 상기 전극 조립체는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들이 적층되어 형성된 2 이상의 단차를 포함하되, 가장 큰 면적을 갖는 전극 유닛들의 집합체가 상기 전극 조립체의 내부에 위치하며, 상기 면적이 상이한 전극 유닛들 간의 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 대향하는 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스에 관한 것이다.

Description

전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스{ELECTRODE ASSEMBLY, BATTERY AND DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들의 조합을 포함하고, 상기 면적이 상이한 전극 유닛들 간의 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 대향되도록 형성된 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고, 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 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.
전지 케이스에 수납되는 전극 조립체는 그 형태에 따라, 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 스택 앤 폴딩형(복합형)의 구조로 구분될 수 있다. 통상 젤리-롤형 전극 조립체는 전류 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질을 코팅하고, 프레싱한 후, 원하는 폭과 길이를 갖는 밴드 형태로 재단한 다음, 분리 필름을 이용해 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아서 제조되는 전극 조립체를 말하며, 스택형 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극을 수직으로 적층하는 방식으로 제조되는 전극 조립체를 말한다. 한편, 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.
그러나, 현재까지 알려진 종래의 전극 조립체들은 일반적으로 동일한 크기의 단위셀이나 개별 전극들을 적층하는 방식으로 제조되기 때문에 형상 자유도가 떨어져 디자인적인 제약이 많았다. 한편, 디자인을 변경하기 위해서는 개별 전극을 제조할 때나, 전극을 적층할 때 또는 전기적으로 연결할 때에 복잡하고 까다로운 공정이 요구되는 경우가 많고, 디자인 변경 시에는 동일한 부피 대비 전지 용량이 떨어지는 등의 문제점을 수반하는 경우가 있다.
따라서, 다양한 디자인을 구현하면서도, 안정성이 있고 대용량 특성을 발휘할 수 있는 전극 조립체 및 이를 이용한 전지의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 면적이 다른 세 종 이상의 전극 유닛들을 조합하여 사용함으로써, 종래에 비해 다양한 디자인을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 디자인적인 요소 때문에 발생하게는 불필요 공간을 최소화할 수 있어 공간 활용도가 우수하고, 면적이 최대인 전극 유닛을 전극 유닛들의 조합 내부에 포함하여 안정성이 우수한 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명은 복수의 전극 유닛의 적층에 의해 형성된 전극 조립체로서, 상기 전극 조립체는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들이 적층되어 형성된 2 이상의 단차를 포함하되, 가장 큰 면적을 갖는 전극 유닛들의 집합체가 상기 전극 조립체의 내부에 위치하며, 상기 면적이 상이한 전극 유닛들 간의 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 대향하는 전극 조립체를 제공한다.
상기 전극 유닛은 단일 전극; 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 단위셀은 젤리-롤 방식, 스택 방식, 스택 앤 폴딩 방식 또는 라미네이션 앤 스택 방식의 단위셀일 수 있다.
상기 각각의 전극 유닛은 전극면의 형상이 사각형이되, 적어도 하나의 모서리가 곡선이거나 또는 적어도 하나의 변이 곡선 형상을 갖는 것일 수 있다.
상기 전극 조립체는 세 종류 이상의 전극 유닛 중 적어도 하나가 상이한 전극면 형상을 갖는 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 전극 조립체를 전지 케이스에 내장하는 이차전지를 제공한다.
이때 상기 이차전지는 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지일 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 이차전지를 2 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.
한편, 본 발명은 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하며, 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 발명에 따르면 면적이 다른 세 종 이상의 전극 유닛들을 조합하여 사용함으로써, 종래에 비해 다양한 디자인을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 디자인적인 요소 때문에 발생하게는 불필요 공간을 최소화할 수 있어 공간 활용도가 우수하고, 면적이 최대인 전극 유닛을 전극 유닛들의 조합 내부에 포함하여 안정성이 우수한 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 측면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 전극 조립체에서의 전극 유닛들의 적층예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위가 첨부 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.
본 발명은 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들의 조합을 포함하고, 상기 전극 유닛들 간에 단차가 형성되도록 적층되되, 면적이 최대인 전극 유닛을 상기 전극 유닛들의 조합 내부에 포함하고, 상기 면적이 상이한 전극 유닛들 간의 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 대향되도록 형성된 전극 조립체에 관한 것이다.
이때, 상기 '면적'은 전극 유닛들의 적층 방향에 대하여 수직하는 방향(이하, '평면 방향'이라 함)의 표면 면적을 의미하는 것으로서, 동일한 형상을 가지며 표면 면적이 동일한 것을 의미한다.
또한, 상기 '전극 유닛'은 전극 조립체를 구성하는 기본단위로서, 본 발명에 있어서 음극 또는 양극과 같은 각각의 단일 전극일 수 있으며, 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 단위셀일 수 있다. 이때, 상기 단위셀은 하나의 음극과 하나의 양극이 분리막을 경계로 적층된 것일 수 있음은 물론, 2 이상의 음극과 2 이상의 양극이 분리막을 경계로 적층되어 형성된 것일 수 있다. 나아가, 상기 단위셀과 단일 전극의 조합으로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 '단위셀'이라는 용어는 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층되어 전지 반응을 일으킬 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 상기 단위셀이 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체에 있어서 하나의 층을 형성할 수 있으며, 또한, 단차를 갖는 2 이상의 층의 조합일 수 있다.
이때, 상기 단위셀은 시트형 음극 및 시트형 양극 사이에 시트형 분리막을 개재한 후, 이들을 감아서 제조되는 젤리-롤 방식으로 제조된 전극 적층체일 수 있다. 또, 2 이상의 전극이 적층되되, 상기 전극은 음극과 양극이 교대로 순차 적층되며, 각 전극 사이에 별개의 분리막이 삽입되어 있는 스택 방식의 전극 적층체일 수 있다. 또한, 2 이상의 전극을 길이가 긴 시트형 분리막 상에 소정의 순서로 배열한 후에 상기 시트형 분리막을 그 위에 배열된 상기 전극단위로 폴딩함으로써 연속된 시트형 분리막을 경계로 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 교대로 적층된 스택 앤 폴딩 방식의 전극 적층체일 수 있다.
나아가, 분리막을 경계로 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 교대로 적층되어 소정의 접착력으로 서로 라미네이션된 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체일 수 있다. 이때, 상기 라미네이션 앤 스택 방식의 단위셀은 서로 다른 극성의 2 이상의 전극이 교대로 적층되되 상기 전극 간에 분리막이 삽입되고, 또 단위셀의 최외각 일면에 분리막이 적층되어 라미네이션된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 전극/분리막/전극/분리막의 최소 단위구조, 또는 상기 최소 단위구조에 적어도 하나의 전극과 적어도 하나의 분리막이 추가로 라미네이션된 전극적층체일 수 있다. 또한, 상기 라미네이션 앤 스택 방식의 단위셀은 서로 다른 극성의 2 이상의 전극이 교대로 적층되되 상기 전극 간에 분리막이 삽입되고, 또 단위셀의 최외각 양면에 분리막이 적층되어 라미네이션된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 분리막/전극/분리막/전극/분리막의 최소 단위구조, 또는 상기 최소 단위구조에 적어도 하나의 전극과 적어도 하나의 분리막이 추가로 라미네이션된 전극적층체일 수 있다. 물론, 전극/분리막/전극의 형태로 라미네이션된 최소 단위구조의 전극적층체가 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 단위셀들은 분리막을 경계로 교대로 적층되는 전극의 배열이 양극/음극/양극 또는 음극/양극/음극 등과 같이, 단위셀을 구성하는 전극적층체의 양면에 동일한 극성을 갖는 전극이 위치하도록 배치될 수 있으며, 양극/음극 또는 양극/음극/양극/음극과 같이, 단위셀을 구성하는 전극적층체의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 전극이 위치하도록 배치될 수도 있다.
본 발명의 전극 조립체는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들의 조합에 의해 3 이상의 층을 포함하는 2 이상의 단차를 갖는 전극 조립체를 제공한다. 따라서, 본 발명의 전극 조립체는 예를 들어, 동일한 면적의 전극유닛들을 적층하여 전극적층체를 형성하고, 각각 형성된 전극적층체를 서로 적층함으로써 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 적층체의 적층에 의한 2 이상의 단차를 갖는 전극 조립체가 제공될 수 있다. 이때, 상기 전극 조립체는 상기와 같이 각각의 적층 적층체를 서로 적층함으로써 형성될 수 있음은 물론, 시트형 분리막 상에 각각의 전극적층체를 배열하고, 시트형 분리막을 권취함으로써 형성될 수도 있는 등, 스택 형태, 스택앤 폴딩 형태 또는 이들의 조합 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.
이때, 본 발명에 의해 제공되는 전극 조립체는 면적이 상이한 3 종류 이상의 전극 유닛 들 중에서 면적이 가장 큰 전극 유닛이 전극 조립체의 내부에 위치하도록 적층되는 것이 바람직하다. 면적이 최대인 전극 유닛을 전극 유닛들의 조합 내부에 포함함으로써, 전극 조립체의 무게 중심이 전극 유닛들의 조합 내부에 위치하여, 전극 조립체의 안정성을 높일 수 있다. 나아가, 종래에 제공되는 단차를 갖는 전극 조립체는 천편일률적인 형상으로서, 예를 들어, 전극 적층방향으로 진행할수록 전극의 크기가 작아지거나 커지는 형상의 전극조립체만 제공되었을 뿐이었다. 이로 인해 이차전지의 형상 자유도가 현저히 저해되었으며, 나아가, 이러한 이차전지를 사용하는 디바이스의 부품 설계 역시 이차전지의 형상을 고려해야 하는 등 제약이 많았다. 그러나, 본 발명에 의해 제공되는 전극조립체에 의해, 전지의 형상자유도를 향상시킬 수 있음은 물론, 전극조립체의 형상에 따른 제한 없이 디바이스의 설계를 보다 다양하게 형성할 수 있어 바람직하다.
본 명세서에서 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛이란, 면적이 상이한 전극 유닛이 3층 이상 적층된 조합을 의미하며, 이때 상기 각각의 전극 유닛은 동종 혹은 이종의 전극 유닛일 수 있다. 또한 본 발명에 있어서, 상기 전극 유닛들의 면적의 차이는, 전극 유닛들이 적층되었을 때, 단차를 형성할 수 있는 정도이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니며, 원하는 전지의 디자인 등을 고려하여 자유롭게 조절될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 3종류 이상의 전극유닛은 전극 유닛의 전극 면의 면적이 상이한 것으로서, 이들의 적층에 의해 단차를 형성할 수 있는 것이라면 그 면적 차이는 특별히 한정하지 않는다. 나아가, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 각각의 전극 유닛의 두께는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛이 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛보다 얇은 두께를 가질 수도 있고, 두꺼운 두께를 가질 수도 있다. 나아가, 상기 전극 유닛 또는 이들의 조합에 의해 형성된 전극 적층체 역시 두께가 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 전극 조립체는 동일한 면적을 갖는 전극 또는 전극유닛들의 적층시에 서로 다른 극성의 전극이 분리막을 경계로 대향하도록 배치됨은 물론, 면적이 상이한 전극적층체 간의 적층에 의해 단차를 형성하는 경우에 있어서도 그 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 분리막을 경계로 대향되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 의해 단차가 형성되는 경계면에서도 전지 반응을 도모할 수 있어, 전기 용량을 증대시킬 수 있다. 이때, 상기 '대향'이라 함은 서로 마주 보도록 배치되어 있는 것을 의미하는 것으로, 특별한 기재가 없는 한, 대향되는 두 전극 사이에는 분리막이 개재되는 것을 포함한다.
보다 바람직하게는, 본 발명의 전극 조립체는 상기 면적이 상이한 전극 유닛의 적층에 의하여 단차가 형성되는 경계면에서 서로 상이한 극성의 전극이 대향하는 경우, 면적이 큰 전극이 음극으로, 또, 면적이 작은 전극이 양극으로 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 대향함으로써 리튬 금속의 석출로 인한 전지의 단락을 억제할 수 있어, 전지 수명이 단축되거나, 전지의 안정성이 저하되는 문제를 해소할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 전극 조립체에 포함되는 전극 유닛들은 다양한 조합으로 형성될 수 있다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 전극 유닛의 구성을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 조립체에 있어서 전극 유닛들의 적층 형태를 보여주는 전극 조립체의 측면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는 면적이 상이한 3종의 전극 유닛들(110, 120, 130)로 이루어질 수 있으며, 면적이 최대인 전극 유닛(120)의 조합에 의한 전극 적층체가 전극 조립체의 내부에 배치된다. 면적이 최대인 전극 유닛(120)을 전극 유닛들의 조합 내부에 포함함으로써, 전극 조립체의 무게 중심이 전극 유닛들의 조합 내부에 위치하여, 전극 조립체의 안정성을 높일 수 있다.
이때 상기 전극 유닛들은 양극(10) 및 음극(20)이 교대로 적층되되, 상기 양극(10)과 음극(20) 사이에 분리막(30)이 개재되어 적층된 스택형 단위셀들을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 각각의 전극 유닛들은 그 자체로 하나의 층을 형성할 수도 있고, 2 이상의 전극 유닛들이 서로 적층된 전극 적층체가 하나의 층을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하나의 음극과 하나의 양극이 분리막을 경계로 적층되어 형성된 단위셀(105)의 전극 유닛이 가장 아래의 전극 적층체(130)을 형성하고, 양측에 음극이 배치되고, 두 음극 사이에 양극이 배치되되, 각 전극 사이에 분리막이 개재된 단위셀(101, 103)과 양측에 양극이 배치되고, 두 양극 사이에 음극이 배치되되, 각 전극 사이에 분리막이 개재된 단위셀(102, 104)의 조합에 의해 형성된 전극 적층체(110, 120)가 적층되어 전극 조립체를 형성할 수 있다.
도 1에는 전극 적층체를 구성하는 단위셀이 모두 스택형 단위셀인 경우가 예시되어 있으나, 본 발명의 전극 유닛은 스택형 단위셀 이외에도 젤리롤형 단위셀, 스택 앤 폴딩형 단위셀로 구성되거나 이들 단위셀과 단일 전극의 조합으로 이루어질 수 있고, 서로 다른 종류의 단위셀의 조합으로 이루어질 수도 있다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 전극조립체는 각각의 전극 적층체(110, 120, 130)를 적층하여 형성된 스택형의 전극조립체일 수 있으나, 스택앤 폴딩형 전극 조립체일 수 있으며, 이들의 조합일 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
한편, 본 발명의 상기 전극 조립체에 포함되는 양극, 음극 및 분리막의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극, 음극 및 분리막들을 제한 없이 사용할 수 있다. 이에 한정하는 것은 아니나, 상기 양극은 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 형성될 수 있다.
또한, 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 이들의 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성될 수 있다.
나아가, 상기 분리막은, 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.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 유닛들은 적어도 하나 이상의 전극탭을 구비한다. 이때, 상기 전극탭들의 면적이나 배열 위치 등은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 각각의 전극 유닛에 구비되는 전극탭들은 그 면적이 서로 동일하거나, 상이할 수 있다. 종래에는 전극 조립체에 면적이 동일하고, 또 동일한 형상을 갖는 전극탭을 사용하고, 이들을 서로 일렬로 정렬하여 적층하는 것이 일반적이었다. 그러나, 본 발명은 전극탭의 면적을 상이하게 경우, 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛을 포함하므로, 전극 유닛마다 최적화된 전극탭의 크기가 다를 수 있다. 따라서, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 전극 유닛의 면적에 따라 각기 다른 면적을 갖는 전극탭을 선택하는 것이 전기 용량을 최대화하는데 보다 유리할 수 있다.
또한, 상기 전극탭들은 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 예를 들면, 동일한 극성의 전극탭들의 일부 또는 전부가 중첩되도록 배치될 수 있다. 종래의 전극 조립체들의 경우, 전지 케이스 삽입 후 전극 탭들의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해서는, 동일한 극성의 전극탭들이 전부 중첩되도록 배치하는 것이 일반적이었다. 다만 이 경우, 전극 적층수가 많아질 경우 전극탭의 두께가 두꺼워지면서 전극탭간의 접합성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 전극탭들의 전부 중첩되게 배치하지 않고 일부만 중첩되게 배치할 경우, 상기와 같은 문제점을 상당 부분 감소시킬 수 있을 것이다.
특히, 본 발명의 전극 조립체와 같이 다양한 면적을 갖는 전극 유닛을 사용하여 복수의 단차를 갖는 전극 조립체를 형성하는 경우에는 사용되는 전극 유닛의 면적에 따라 면적이 상이한 전극탭을 사용하고, 이들 전극탭들이 일부만 중첩되도록 적층할 수 있다. 전극탭을 이와 같이 배열함으로써 전지 용량을 극대화할 수 있으며, 나아가, 전극탭의 접합성도 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들을 다양한 배열로 적층될 수 있다. 전극 유닛의 적층 방법은 특별히 한정되는 것은 아니나, 상기 전극 유닛들은, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 적층되는 전극 적층체들이 적어도 하나의 모서리가 일치하도록 적층할 수 있으며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 대면적 전극 적층체의 면 내에 포함되도록 적층할 수 있다. 이때, 각 전극 적층체의 무게 중심이 일치하도록 적층할 수 있고, 불일치하도록 적층할 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서 서로 상이한 전극 적층체를 형성하는 전극 유닛들은 형상이 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전극 유닛들은 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 마름모꼴 등과 같은 사각 형상으로 형성될 수도 있고, 하나 이상의 모서리가 곡선으로 이루어진 사각 형상일 수도 있으며, 하나 이상의 변이 곡선으로 이루어진 형상일 수도 있다. 이외에도 다양한 형태의 전극 유닛들이 존재할 수 있으며, 이러한 변형예들은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
예를 들면, 본 발명의 전극 조립체는, 도 5에 도시한 바와 같이 적어도 하나의 전극 적층체의 전극 표면 형상이 나머지 전극 적층체의 전극 형상과 상이한 전극 적층체가 적층된 전극 조립체일 수 있으며, 도 6에 나타낸 바와 같이, 각 전극 적층체의 전극 표면 형상이 서로 동일하고 면적이 상이한 3 이상의 전극 적층체가 적층된 전극 조립체일 수 있다. 이와 같이 전극 유닛의 형상을 다양하게 형성함으로써, 다양한 형태의 배터리 디자인을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 배터리 수용공간의 변화에 따라 전극 조립체 형상을 변화시킬 수 있어 공간 활용도를 향상시킬 수 있으며, 이로 인한 전지 용량 증대를 도모할 수 있다.
한편, 본 발명은 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 이차전지를 제공한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이차전지(200)는 전지 케이스(220) 내부에 본 발명의 전극 조립체(100)가 내장됨으로써 형성된다. 이때, 상기 전지 케이스(220)는, 이에 한정하는 것은 아니지만, 파우치형 케이스일 수 있다. 상기 파우치형 케이스는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있다.
상기 전지 케이스는, 전극 조립체의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다. 다만, 상기 전지 케이스의 형상 및 크기가 전극 조립체의 형상 및 크기와 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체의 밀림 현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다.
한편, 본 발명에서 제공하는 전극 조립체를 사용함으로써 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 2 이상 포함하는 전지팩을 얻을 수 있으며, 또한, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 얻을 수 있다. 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 이차전지가 상기 디바이스에 장착될 경우, 본 발명의 이차전지의 구조로 인해 형성된 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하도록 할 수 있다. 본 발명의 이차전지는 전극 조립체 자체가 단차가 있는 형태로 형성되며, 전지 케이스를 전극 형상에 맞춰 형성하고, 이를 디바이스 장착할 경우, 종래의 각형 또는 타원형 전지셀 또는 전지팩에는 없었던 잉여의 공간이 발생하게 된다. 이러한 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.
10: 양극
20: 음극
30: 분리막
100: 전극 조립체
101, 102, 103, 104, 105: 단위셀
110, 120, 130: 전극 유닛
200: 전지
210: 전극 리드
220: 전지 케이스

Claims (10)

  1. 복수의 전극 유닛의 적층에 의해 형성된 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체는 면적이 상이한 세 종류 이상의 전극 유닛들이 적층되어 형성된 2 이상의 단차를 포함하되,
    가장 큰 면적을 갖는 전극 유닛들의 집합체가 상기 전극 조립체의 내부에 위치하며,
    상기 면적이 상이한 전극 유닛들 간의 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 대향하는 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전극 유닛은 단일 전극; 분리막을 경계로 양극과 음극이 교대로 적층된 단위셀; 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것인 전극 조립체.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 단위셀은 젤리-롤 방식, 스택 방식, 스택 앤 폴딩 방식 또는 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 조립체.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 전극 유닛은 전극면의 형상이 사각형이되, 적어도 하나의 모서리가 곡선이거나 또는 적어도 하나의 변이 곡선인 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 세 종류 이상의 전극 유닛 중 적어도 하나가 상이한 전극면 형상을 갖는 것인 전극 조립체.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 전극 조립체가 전지 케이스에 내장되어 있는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지인 이차전지.
  8. 제 6항의 이차전지를 2 이상 포함하는 전지팩.
  9. 제6항의 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
  10. 제9항에 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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