KR20150029228A - 적층형 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자 - Google Patents

적층형 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 각각 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 제1 단위 셀의 양극이 제2 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 더 긴 상기의 제1 단위 셀과 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것이다. 이에 따른, 길이가 상이한 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 구조의 전극 조립체는 전극탭(집전체와 탭을 접합시킨 부분)에 가해지는 힘을 완화시키는 효과가 있어 고적층시에 발생할 수 있는 단선에 의한 용량 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체를 적용한 전기화학 소자는 소자 케이스와 전극 조립체 사이의 사공간을 줄일 수 있어 전지 용량을 극대화할 수 있다.

Description

적층형 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자{Stack-typed electrode assembly and electrochemical cell containing the same}
본 발명은 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것으로, 더 상세하게는 각각의 단위 셀이 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 제1 단위 셀의 양극이 제2 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 더 긴, 상기의 제1 단위 셀과 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이에 따라 고용량 전지의 요구가 커져가고 있어 고적층 전지의 필요가 급증하고 있다. 특히, 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 진행되고 있으며, 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 사용하여 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 조립체가 개발되었다.
일반적으로, 스택-폴딩형 전극조립체에서 용량을 증가시키기 위해서는 풀셀 또는 바이셀의 개수를 증가시킨다. 하지만, 풀셀 또는 바이셀의 개수가 증가될수록 폴딩하는 과정에서 많은 작업시간이 소요되며, 일부 셀에서 불량이 발생하였을 경우 전체 전극조립체의 불량이 초래되는 문제점을 가지고 있다.
특히, 스택-폴딩형 전극조립체에서 적층되는 셀의 개수가 증가할 수록 각 셀로부터 인출되는 탭에 피로도가 누적되어 약한 충격에도 상기 탭이 파단되어 전지 안정성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지의 용량을 증가시키면서도 전극탭(집전체와 탭을 접합시킨 부분)에 가해지는 피로도를 완화시킬 뿐만 아니라 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는, 다수의 단위 셀을 순차적으로 적층한 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 전극조립체를 포함하는 전기화학 소자를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극조립체에 있어서, 상기 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀은 각각 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 상기 제1 단위 셀의 양극은 상기 제2 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 더 긴 것을 특징으로 하는 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 전극 조립체를 포함하는 전기화학 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 길이가 상이한 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 구조의 전극 조립체는 전극탭(집전체와 탭을 접합시킨 부분)에 가해지는 힘을 완화시키는 효과가 있어 고적층시에 발생할 수 있는 단선에 의한 용량 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전지의 충격 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체를 적용한 전기화학 소자는 소자 케이스와 전극 조립체 사이의 사공간을 줄일 수 있어 전지 용량을 극대화할 수 있다.
도 1은, 음극형 바이셀 구조의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는, 양극형 바이셀 구조의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은, 여러 장의 바이셀이 중첩된 구조의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 바이셀 및 제2 바이셀이 순차적으로 적층된 전극 조립체의 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 a) 제2 바이셀 사이에 제1 바이셀이 적층된 전극 조립체 및 b) 제3 바이셀을 추가로 포함하는 전극 조립체의 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 a) 제1 바이셀 사이에 제2 바이셀이 적층된 전극 조립체 및 b) 제4 바이셀을 추가로 포함하는 전극 조립체의 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체는 상기 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 각각 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 상기 제1 단위 셀의 양극은 상기 제2 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 더 긴 것을 특징으로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀을 예시한 것으로서, 바이셀의 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 도 1 내지 도 3에 의하며 본 발명의 단위 셀을 더 상세히 설명한다.
본 발명의 상기 단위 셀은 바이셀 또는 풀셀일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀이 바이셀인 경우, 상기 바이셀(bicell)은 양쪽 단부의 전극들이 동일한 전극을 형성하도록 적층된 전극 조립체로서, 양극/분리막/음극/분리막/양극으로 이루어진 음극형 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극으로 이루어진 양극형 바이셀로 구분된다. 이러한 바이셀은 각각이 독립된 전기화학 소자로서 기능한다는 점에서, 단위 셀, 예컨대 바이셀이 적층된 구조의 본 발명의 전극 조립체는 단순히 전극이 적층된 구조의 전극 조립체와는 상이하다.
구체적으로, 도 1은 양극(120)/분리막(130)/음극(110)/분리막(130)/양극(120')으로 이루어진 음극형 바이셀(100)을 나타내고, 도 2는 음극(210)/분리막(230)/양극(220)/분리막(230)/음극(210')으로 이루어진 양극형 바이셀(200) 그리고 도 3은 더 많은 전극이 적층된 양극(320)/분리막(330)/음극(310)/분리막(330)/양극(320')/분리막(330)/음극(310')/분리막(330)/양극(320'') 구조의 바이셀(300)을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 의한 양극(120, 120',220, 320, 320', 320'')은, 예컨대 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬 동 산화물(Li2CuO2); 바나듐 산화물; 니켈 사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 리튬 망간 복합 산화물, 디설파이드 화합물 또는 이들 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하는 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등일 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태일 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유 등일 수 있다.
상기 결착제는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 블소 고무 등일 수 있다.
또한, 음극(110, 210, 210', 310, 310')은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라서는, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 수리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것일 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.
상기 음극 활물질은, 예컨대, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소, 할로겐, 리튬 금속, 리튬 합금, 규소계 합금, 주석계 합금, 폴리아세틸렌 등일 수 있다.
또한, 도 1을 참고하면, 본 발명의 기본 단위 셀(100)은 제1 전극(120), 제1 분리막(130), 제2 전극(110), 제2 분리막(130') 및 제1 전극(120')이 순차적으로 적층되어 형성된다. 이와 같이 기본 단위 셀은 기본적으로 5층 구조를 가진다. 구체적으로, 기본 단위 셀은 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막 및 제1 전극이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극과 제2 전극은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어 제1 전극이 양극이면 제2 전극은 음극이다. 물론 이 반대일 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체의 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(400)는 제1 단위 셀(410) 및 제2 단위 셀(420)이 각각 양극(412, 412', 422, 422'), 음극(411, 421) 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막(413, 413', 423, 423')을 포함하고, 상기 제1 단위 셀(410)의 양극(412, 412')은 상기 제2 단위 셀(420)의 양극(422, 422')에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 더 긴 것을 특징으로 한다.
상기 단위 셀(410, 420)은 복수개의 양극(412, 412', 422, 422') 또는 음극(411, 421)을 포함하고, 동일한 단위 셀 내에서의 상기 복수개의 양극(412, 412', 422, 422') 또는 음극(411, 421)은 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 서로 동일한 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예컨대, 제1 단위 셀(410)에 포함되는 두 양극(412 및 412')의 길이는 서로 동일할 수 있으며, 음극(411)은 상기 양극(412, 412')의 길이와 동일하거나 상이할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀에 포함된 양극 또는 음극은 각각 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 서로 동일한 것이 바람직하다. 예컨대, 하나의 단위 셀에 복수개의 양극이 포함되는 경우, 복수개의 양극은 그 크기가 서로 동일할 수 있고, 따라서 각각의 양극은 양극탭이 인출되는 방향의 길이가 동일할 수 있다.
한편, 하나의 단위 셀 내에 포함된 양극과 음극의 크기, 예를 들어 양극과 음극의 길이는 동일할 수 있지만, 서로 상이할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 단위 셀 내에 포함된 음극의 크기는 양극의 크기에 비례하여, 커지거나 작아질 수 있다. 예컨대, 제2 단위 셀에 포함된 양극의 크기가 제1 단위 셀에 포함된 양극의 크기보다 작아질 경우, 제2 단위 셀에 포함된 음극의 크기도 상기 제2 단위 셀에 포함된 양극의 크기에 비례하여 제1 단위 셀에 포함된 음극의 크기보다 작아질 수 있다. 이는, 양극과 음극에 포함된 활물질의 전기적 용량에 따라 결정되는 것으로서, 활물질의 용량에 따라 적절히 조절될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 단위 셀이 양극/분리막/음극/분리막/양극으로 이루어진 음극형 바이셀인 경우에는 바이셀 내에 상기 복수의 양극의 길이는 서로 동일할 수 있으며, 상기 양극과 음극의 길이는 상이하거나 동일할 수 있다. 이와 반대로, 본 발명의 단위 셀이 음극/분리막/양극/분리막/음극으로 이루어진 양극형 바이셀인 경우에는 바이셀 내에 상기 복수의 음극의 길이는 서로 동일할 수 있고, 상기 양극의 길이는 상기 음극과 동일하거나 상이할 수 있다.
또한, 상기 전극탭은 단위 셀의 양쪽 말단에서 인출되거나, 또는 한쪽 말단에서만 인출될 수 있다.
즉, 본 발명의 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체는 양쪽 방향으로 단위 셀의 길이가 점점 작아지는 피라미드형일 수 있으며, 양쪽 방향으로 단위 셀의 길이가 점점 커지는 역피라미드형일 수 있다.
한편, 상기 제2 단위 셀(420)의 양극(422, 422')의 길이는 상기 제1 단위 셀(410)의 양극(412, 412')의 길이의 80% 내지 99%인 것이 바람직하다.
본 발명의 전극 조립체는 상기의 제1 단위 셀과 제2 단위 셀에 각각 포함되는 양극의 길이를 상이하게 조절하여 각 단위 셀을 적층함으로써, 각 단위 셀로부터 인출되는 전극탭(집전체와 탭을 접합시킨 부분)이 받는 힘을 분산시켜 피로도를 완화시킬 수 있어 전극탭이 파단되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 전지 용량을 향상시키기 위한, 통상적인 고적층 전지는 크기가 동일한 다수의 전극이 적층되어 있는 구조로, 주로 알루미늄이나 구리를 집전체로 사용하고 있으며 집전체와 탭을 레이저 또는 초음파 융착 등의 방식으로 접합시킨다.
이때, 고적층일수록 적층의 상단면에 전극탭에 가해지는 힘이 증가하게 되고, 이에 따라 힘이 집중되는 상단면의 전극탭이 파단되어 단선에 의한 전지 용량 저하 등의 문제를 유발한다.
반면, 본 발명의 전극 조립체는 제1 단위 셀과 제2 단위 셀에 각각 포함되는 양극의 길이를 상이하게 조절하여, 크기가 차이 나도록 적층함으로써 상단면의 전극탭에 가해지는 힘을 분산시켜 전극탭이 파단되는 것을 방지할 수 있다. 이에, 단선으로 발생하는 전지 용량 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기의 충격 안정성도 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 추가의 일 실시예에 의한 전극 조립체를 도 5에 나타내었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 도 4에서 나타낸 전극 조립체가 제2 단위 셀을 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(500a)는 제1 단위 셀(510a)과 2개의 제2 단위 셀(520a, 520a')을 포함할 수 있으며, 상기 제1 단위 셀(510a)은 상기 2개의 제2 단위 셀(520a, 520a') 사이에 개재된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 도 4에서 나타낸 전극 조립체가 제2 단위 셀 및 제3 단위 셀을 더 포함하는 것일 수 있다. 즉 도 5b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(500b)는 제1 단위 셀(510b)과 2개의 제2 단위 셀(520b, 520b')을 포함할 수 있으며, 상기 제1 단위 셀(510b)은 상기 2개의 제2 단위 셀(520b, 520b') 사이에 개재된 것일 수 있고, 상기 2개의 제2 단위 셀(520b, 520b') 상에 상기 제2 단위 셀(520b, 520b')의 양극(522b, 522b')에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 작은 양극(532b, 532b')을 갖는 제3 단위 셀(530b, 530b')을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 추가의 일 실시예에 의한 전극 조립체를 도 6에 나타내었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 도 4에서 나타낸 전극 조립체가 제1 단위 셀을 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(600a)는 제2 단위 셀(620a)과 2개의 제1 단위 셀(610, 610a')을 포함할 수 있으며, 상기 제2 단위 셀(620a)은 상기 2개의 제1 단위 셀(610a, 610a') 사이에 개재된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 도 4에서 나타낸 전극 조립체가 제1 단위 셀 및 제4 단위 셀을 더 포함하는 것일 수 있다. 즉 도 6b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(600b)는 제2 단위 셀(520b)과 2개의 제1 단위 셀(510b, 510b')을 포함할 수 있으며, 상기 제2 단위 셀(620b)은 상기 2개의 제1 단위 셀(610b, 610b') 사이에 개재된 것일 수 있고, 상기 2개의 제1 단위 셀(610b, 610b') 상에 상기 제1 단위 셀(610b, 610b')의 양극(612b, 612b')에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 작은 양극(642b, 642b')을 갖는 제4 단위 셀(640b, 640b')을 추가로 포함할 수 있다.
상기 기재한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 도 5b에 나타낸 바와 같이, 제1 단위 셀(510b), 제2 단위 셀(520b, 520b') 및 제3 단위 셀(530b, 530b')의 길이가 양쪽 방향으로 점점 작아지는 피라미드형이거나, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 제1 단위 셀(610b, 610b'), 제2 단위 셀(620b) 및 제4 단위 셀(640b, 640b')의 길이가 양쪽 방향으로 점점 길어지는 역피라미드형일 수 있으며, 상기 피라미드형과 역피라미드형이 동시에 형성된 다이아몬드형일 수도 있다.
한편, 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 크기가 다른 2개 또는 3개의 단위 셀을 사용하여 적층한 전극 조립체만 개시하였으나, 이에 한정되지 않고 다수의 단위 셀을 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 단위 셀의 개수는 특별히 제한하지 않는다.
이하, 도 4를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 단위 셀(410) 및 제2 단위 셀(420)이 적층된 전극 조립체(400)의 적층방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 전극 조립체(400)는 적어도 2개의 크기가 다른 기본 단위 셀(410, 420)을 포함하고, 상기 단위 셀이 적층되어 형성된다. 예컨대, 제1 단위 셀(410) 상부에 제2 단위 셀(420)이 적층되어 전극 조립체(400)가 형성될 수 있다. 이와 같이, 전극 조립체는 기본 단위 셀이 기본 단위 셀 단 상부로 적층되어 형성된다. 즉, 크기가 다른 기본 단위 셀을 미리 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다.
이와 같이 본 발명에 따른 전극 조립체(400)는 크기가 다른 기본 단위 셀(410, 420)이 반복적으로 적층되어 형성된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이에 따른 방식으로 전극 조립체를 형성하면, 기본 단위 셀을 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다는 장점과, 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
본 발명의 기본 단위 셀(410)은 제1 전극(412), 제1 분리막(413), 제2 전극(411), 제2 분리막(413') 및 제1 전극(412')이 순차적으로 적층되어 형성된다. 이와 같이 기본 단위 셀은 기본적으로 5층 구조를 가진다. 구체적으로, 기본 단위 셀은 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막 및 제1 전극이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층되어 형성되거나, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막 및 제1 전극이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극과 제2 전극은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어 제1 전극이 양극이면 제2 전극은 음극이다. 물론 이 반대일 수도 있다.
상기 기본 단위 셀은 하기와 같은 공정에 의하여 형성될 수 있다. 먼저, 제1 전극 재료, 제1 분리막 재료, 제2 전극 재료, 제2 분리막 재료 및 제1 전극 재료를 준비한다. 여기서 전극 재료 및 분리막 재료는 소정 크기로 절단되어 전극을 형성할 수 있다. 절단된 제1 전극 재료를 제1 분리막 재료 상부로 공급하고, 제2 전극 재료를 제2 분리막 재료 상부로 공급한다. 그리고 모두 함께 라미네이터로 공급한다.
전극 조립체는 앞서 살펴본 바와 같이, 기본 단윌 셀이 반복적으로 적층되어 형성된다. 그런데 기본 단위 셀을 구성하는 전극과 분리막이 서로 분리된다면, 기본 단위 셀을 반복적으로 적층하는 것이 매우 어려워질 것이다. 따라서, 기본 단위 셀을 형성할 때, 전극과 분리막을 서로 접착하는 것이 바람직하다. 상기 라미네이터는 이와 같은 전극과 분리막을 서로 접착하기 위해 사용된다. 즉, 라미네이터는 재료들에 압력을 가하거나, 또는 열과 압력을 가하여 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착한다. 이와 같이 전극 재료와 분리막 재료는 라미네이터에서 서로 접착된다. 이와 같은 접착으로 기본 단위 셀은 보다 안정적으로 자신의 형상을 유지할 수 있다.
마지막으로 제1 분리막 재료와 제2 분리막 재료를 함께 소정 크기로 절단한다. 이와 같은 절단으로 기본 단위 셀이 형성될 수 있다. 추가적으로 필요에 따라 기본 단위 셀에 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 결착제 고분자의 혼합물일 수 있다. 여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 결착제 고분자는 무기물 입자를 고정시킬 수 있다. 이와 같은 무기물 입자들로 인해 분리막 표면에 형성되는 코팅층에는 소정의 기공 구조가 형성될 수 있다. 이와 같은 기공 구조로 인해 무기물 입자가 분리막에 코팅되어 있더라도 양극으로부터 음극으로 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 또한 결착제 고분자는 무기물 입자를 분리막에 안정적으로 유지시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 더욱이 결착제 고분자는 분리막을 전극에 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다(이와 같은 코팅을 SRS 코팅이라 한다). 참고로, 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학 소자는 상기의 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전기화학 소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 상기 전기화학 소자는, 모든 종류의 1차, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등일 수 있다. 특히, 리튬 이차전지가 바람직하며, 예컨대 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 소자가 이차전지인 경우, 음극, 양극, 전해액은 특별한 제한이 없으며, 종래 전기화학 소자에 사용될 수 있는 통상적인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 전기화학 소자는 바람직하게는 상기 전극 구조에 리튬염 함유 비수계 전해질이 포함되어 있는 리튬 이차전지이다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해액, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수 있으며, 상기 전해질의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액으로는, 예컨대 N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 에테르, 피로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예컨대 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에트세르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
100: 음극형 바이셀 200: 양극형 바이셀 300: 여러단의 중첩 바이셀
110, 210, 210', 310, 310': 음극
120, 120', 220, 320, 320', 320': 양극
130, 230, 330: 분리막
400, 500a, 500b, 600a, 600b: 전극 조립체
410, 510a, 510b, 610a, 610a', 610b: 제1 단위 셀
420, 520a, 520a', 520b, 520b', 620a, 620b: 제2 단위 셀
530b, 530b': 제3 단위 셀
640b, 640b': 제4 단위 셀
411, 511a, 511b, 611a, 611a, 611b: 제1 단위 셀의 음극
412, 412', 512a, 512a', 512b, 512b', 612a, 612a', 612b, 612b': 제1 단위 셀의 양극
421, 421', 521a, 521b, 621a, 621b: 제2 단위 셀의 음극
422, 422', 522a, 522a', 522b, 522b', 622a, 622a', 622b, 622b': 제2 단위 셀의 양극
531b: 제3 단위 셀의 음극
532b, 532b': 제3 단위 셀의 양극
641b: 제4 단위 셀의 음극
642b, 642b': 제4 단위 셀의 양극
413, 413', 513a, 513a', 513b, 513b', 613a, 613a', 613b, 613b': 제1 단위 셀의 분리막
423, 423', 523a, 523a', 523b, 523b', 623a, 623a', 623b, 623b': 제2 단위 셀의 분리막
533b, 533b': 제3 단위 셀의 분리막
643b, 643b': 제4 단위 셀의 분리막

Claims (11)

  1. 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀이 적층된 전극조립체에 있어서,
    상기 제1 단위 셀 및 제2 단위 셀은 각각 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고,
    상기 제1 단위 셀의 양극은 상기 제2 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 더 긴 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 바이셀인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 복수개의 양극 또는 음극을 포함하고,
    상기 복수개의 양극 또는 음극은 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단위 셀의 양극의 길이는 상기 제1 단위 셀의 양극의 길이의 80% 내지 99%인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭은 단위 셀의 양쪽 말단에서 인출되거나, 또는 한쪽 말단에서 인출되는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제2 단위 셀을 추가로 포함하고,
    상기 제1 단위 셀은 상기 제2 단위 셀 사이에 개재된 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 단위 셀 상에 상기 제2 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 작은 양극을 포함하는 제3 단위 셀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제1 단위 셀을 추가로 포함하고,
    상기 제2 단위 셀은 상기 제1 단위 셀 사이에 개재된 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단위 셀의 상부에 상기 제1 단위 셀의 양극에 비하여 전극탭이 인출되는 방향의 길이가 긴 제4 단위 셀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극 조립체를 포함하는 전기화학 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는, 전기화학 소자.
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