KR20150043055A - 플렉서블 전극조립체 - Google Patents

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KR20150043055A
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Abstract

본 발명은 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 대응하여 절곡 또는 굴곡될 수 있는 전극조립체로서, 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하고 있고, 상기 양극과 음극 중 적어도 하나는, 절곡 또는 굴곡이 가능할 수 있도록 집전체의 일부가 절취되어 있는 하나 이상의 집전체 절취부 및 상기 집전체 절취부의 중심을 가로지는 중심선에 의해 분할되어 있고, 전기적으로 상호 연결되어 있는 둘 이상의 단위전극들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

플렉서블 전극조립체 {Flexible Electrode Assembly}
본 발명은 플렉서블 전극조립체에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
상기한 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1 및 도 2에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 2에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1 및 도 2는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1 및 도 2는, 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 휘어질 수 있는 형상일 수도 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있고, 플렉서블 디스플레이 같은 경우에는 휘거나 굽힐 수 있으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다.
이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스 또는 휘어질 수 있는 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩을 디바이스 내부의 공간에 내장하는 것에 한계가 있다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,
전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 대응하여 절곡 또는 굴곡될 수 있는 전극조립체로서,
양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하고 있고, 상기 양극과 음극 중 적어도 하나는,
절곡 또는 굴곡이 가능할 수 있도록 집전체의 일부가 절취되어 있는 하나 이상의 집전체 절취부; 및
상기 집전체 절취부의 중심을 가로지는 중심선에 의해 분할되어 있고, 전기적으로 상호 연결되어 있는 둘 이상의 단위전극들;
로 구성되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 상기와 같은 특정한 구조에 기반하여 휘거나 굽힐 수 있고, 그에 따라 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 양극과 음극 중 적어도 하나는 둘 이상의 집전체 절취부와 셋 이상의 단위전극들로 구성되어 있을 수 있다. 상기 집전체 절취부와 단위전극들의 수가 증가할수록, 보다 플렉서블한 전극조립체를 구성할 수 있다. 즉, 절곡 또는 굴곡이 가능한 집전체 절취부의 수가 증가함으로써, 다양한 형상의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있다.
구체적으로, 상기 단위전극들의 형상은 평면상으로 다각형, 원형, 타원형일 수 있으며, 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 대응하여, 다양한 형상의 단위전극들로 구성될 수 있다.
또한, 상기 집전체 절취부는 평면상으로 다각형, 원형, 타원형, 또는 슬릿 형상일 수 있다. 이와 같이, 상기 집전체 절취부는 집전체의 일부를 다각형, 원형, 타원형으로 절취한 형상일 수 있을 뿐만 아니라, 슬릿 형상으로 형성하여 절곡 또는 굴곡이 가능하도록 할 수 있다.
상기 단위 전극들은 집전체의 절취되지 않은 부위인 하나 이상의 집전체 브릿지에 연결되어 있을 수 있다. 즉, 상기 집전체 브릿지는, 집전체의 일부를 절취하여 형성한 집전체 절취부를 제외한, 절취 방향에서의 집전체의 나머지 부분일 수 있다. 상기 절취 방향은 전극조립체의 일변에 수직하는 방향일 수 있다.
상기 집전체 브릿지의 일면 또는 양면에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않을 수 있다. 상기 집전체 브릿지에 활물질이 도포되는 경우, 집전체 브릿지를 절곡 또는 굴곡하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 더욱이, 집전체 브릿지에 도포된 활물질은, 절곡 또는 굴곡이 반복되는 과정에서, 집전체 브릿지로부터 활물질이 떨어져나갈 수 있다. 따라서, 집전체 브릿지의 절곡 또는 굴곡을 용이하게 함과 동시에, 집전체 브릿지에 활물질을 도포하는 제조 소요를 경감시킬 수 있도록, 집전체 브릿지의 일면 또는 양면에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 집전체 브릿지의 폭은 집전체 절취부의 폭을 기준으로 30 내지 400 %의 크기일 수 있다. 상기 집전체 브릿지의 폭이 집전체 절취부의 폭을 기준으로 30 % 미만일 경우에는, 집전체 브릿지의 반복되는 절곡 또는 굴곡에 의해 집전체 브릿지가 파단될 수 있다. 반면에, 상기 집전체 브릿지의 폭이 집전체 절취부의 폭을 기준으로 400 % 를 초과하는 경우에는, 집전체 브릿지를 절곡 또는 굴곡하는 것이 용이하지 않을 수 있다.
상기 집전체 절취부는 중심선에 대해 양측의 단위 전극들이 대칭을 이루도록 형성되어 있을 수 있다. 상기 중심선은 전극조립체의 일변에 수직하는 방향으로 정의될 수 있다.
상기 집전체 절취부는 중심선을 따라 둘 이상 형성되어 있을 수 있다. 즉, 집전체 브릿지의 양측에 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 전극조립체는 상기 전극조립체를 횡방향으로 분할하는 하나 이상의 횡방향 집전체 절취부와 종방향으로 분할하는 하나 이상의 종방향 집전체 절취부를 포함하고 있을 수 있다. 따라서, 상기 전극조립체는 횡방향 및/또는 종방향으로 절곡 또는 굴곡이 가능한 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 횡방향 집전체 절취부의 중심선과 종방향 집전체 절취부의 중심선의 교차 각도는 내각이 30 내지 90 도 일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 횡방향 집전체 절취부의 중심선과 종방향 집전체 절취부의 중심선의 교차 각도는 90 도 일 수 있다. 상기 횡방향 집전체 절취부의 중심선과 종방향 집전체 절취부의 중심선의 교차 각도가 90도 미만일 경우에는, 상기 전극조립체는 사선방향으로 절곡 또는 굴곡이 가능할 수도 있다.
구체적으로, 평면상으로 상기 집전체 절취부의 총 면적은 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 3 내지 40 % 일 수 있다. 더욱 구체적으로, 5 내지 30 % 일 수 있다. 상기 집전체 절취부의 총 면적이 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 3 % 미만일 경우에는, 소망하는 정도로 전극조립체를 절곡 또는 굴곡하지 못할 수 있다. 반면에, 상기 집전체 절취부의 총 면적이 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 40 % 를 초과하는 경우에는, 집전체 브릿지가 차지하는 면적이 줄어들어, 반복되는 절곡 또는 굴곡에 의해 집전체 브릿지가 파단될 수 있다.
상기 양극과 음극은 각각 집전체 절취부 및 단위전극들로 구성되어 있을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 양극의 집전체 절취부와 음극의 집전체 절취부는 서로 어긋나게 배열되어 있을 수 있다. 상기 양극의 집전체 절취부와 음극의 집전체 절취부가 동일하게 형성되어 있는 경우, 상기 집전체 브릿지들의 위치 또한 동일하게 형성되어, 집전체 브릿지들이 형성된 부위의 두께를 증가시키고, 이는 전극조립체의 절곡 또는 굴곡을 어렵게 만들 수 있다.
상기 분리막은 집전체 절취부에 대응하는 위치에 집전체 절취부와 동일한 형상의 개구가 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전극조립체는 둘 이상의 집전체 절취부들을 포함하고 있고, 상기 집전체 절취부들의 중심선들이 일직선 상에 위치하도록 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 전극조립체는 둘 이상의 집전체 절취부들을 포함하고 있고, 상기 집전체 절취부들의 중심선들이 곡선 상에 위치하도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 전극조립체는 상기 단위전극들 중의 하나에 전극단자가 돌출되어 형성되어 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전지케이스 내에 내장되어 있는 전지셀을 제공한다.
상기 전지 케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지 케이스일 수 있고, 상기 라미네이트 시트는 상기 전극조립체의 형상에 대응하여 절곡 또는 굴곡될 수 있다.
상기 전지케이스의 내면에는 집전체 절취부의 형상에 대응하는 구조의 돌기가 형성되어 있을 수 있고, 상기 돌기는 전지케이스의 수지층으로 이루어져 있을 수 있다. 상기 돌기는 전지케이스 내부에서 집전체 절취부에 의해 발생한 빈 공간으로 단위전극들이 이동하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 둘 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 상기와 같은 특정한 구조에 기반하여 휘거나 굽힐 수 있고, 그에 따라 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 평면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전극조립체(100)는 양극(110), 음극(120) 및 양극(110)과 음극(120) 사이에 개재되어 있는 분리막(도시하지 않음)으로 이루어져 있다.
전극(110, 120)은 집전체(111, 121)에 전극 활물질이 도포되어 이루어져 있다. 전극조립체(100)는 전극(110, 120)의 집전체(111, 121)의 일부가 절취되어 형성되는 집전체 절취부(130) 및 집전체 절취부(130)의 중심을 가로지르는 중심선(A)에 의해 분할되어 있고, 전기적으로 상호 연결되어 있는 다수의 단위전극들(112, 122)로 구성되어 있다.
집전체 절취부(130)의 형상은 평면상으로 사각형으로 이루어져 있지만, 원형, 타원형, 또는 슬릿 형상 또한 가능하다.
단위전극들(112, 122)은 집전체의 절취되지 않은 부위인 집전체 브릿지(140)에 연결되어 있고, 집전체 브릿지(140)의 양면에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않다.
집전체 브릿지(140)의 폭(W1)은 집전체 절취부(130)의 폭(W2)을 기준으로 30 %의 크기로 이루어져 있다.
집전체 절취부(130)는 전극조립체(100)를 횡방향으로 분할하는 횡방향 집전체 절취부(131)와 종방향으로 분할하는 종방향 집전체 절취부(132)를 포함하고 있다.
횡방향 집전체 절취부(131)의 중심선(B)과 종방향 집전체 절취부(132)의 중심선(A)의 교차 각도는 90 도이다.
평면상으로 집전체 절취부(130)의 총 면적은 전극조립체(100)의 전체 면적을 기준으로 40 % 의 크기이다.
양극(110)의 집전체 절취부(130)와 음극(120)의 집전체 절취부(130)는 어긋나게 배열되어 있다.
최외곽의 단위전극들(112, 122)에는 전극단자(113, 123)가 돌출되어 형성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (25)

  1. 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 대응하여 절곡 또는 굴곡될 수 있는 전극조립체로서,
    양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하고 있고, 상기 양극과 음극 중 적어도 하나는,
    절곡 또는 굴곡이 가능할 수 있도록 집전체의 일부가 절취되어 있는 하나 이상의 집전체 절취부; 및
    상기 집전체 절취부의 중심을 가로지는 중심선에 의해 분할되어 있고, 전기적으로 상호 연결되어 있는 둘 이상의 단위전극들;
    로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극 중 적어도 하나는 둘 이상의 집전체 절취부과 셋 이상의 단위전극들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 절취부는 평면상으로 다각형, 원형, 타원형, 또는 슬릿 형상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전극들은 집전체의 절취되지 않은 부위인 하나 이상의 집전체 브릿지에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 집전체 브릿지의 일면 또는 양면에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 집전체 브릿지의 폭은 집전체 절취부의 폭을 기준으로 30 내지 400 %의 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 절취부는 중심선에 대해 양측의 단위전극들이 대칭을 이루도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 집전체 절취부는 중심선을 따라 둘 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체를 횡방향으로 분할하는 하나 이상의 횡방향 집전체 절취부와 종방향으로 분할하는 하나 이상의 종방향 집전체 절취부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 횡방향 집전체 절취부의 중심선과 종방향 집전체 절취부의 중심선의 교차 각도는 내각이 30 내지 90 도 인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 횡방향 집전체 절취부의 중심선과 종방향 집전체 절취부의 중심선의 교차 각도는 90 도 인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 평면상으로 상기 집전체 절취부의 총 면적은 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 3 내지 40 % 인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 12 항에 있어서, 평면상으로 상기 집전체 절취부의 총 면적은 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 5 내지 30 % 인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각 집전체 절취부 및 단위전극들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 양극의 집전체 절취부와 음극의 집전체 절취부는 어긋나게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 집전체 절취부에 대응하는 위치에 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 집전체 절취부들을 포함하고 있고, 상기 집전체 절취부들의 중심선들이 일직선 상에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 집전체 절취부들을 포함하고 있고, 상기 집전체 절취부들의 중심선들이 곡선 상에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전극들 중의 하나에 전극단자가 돌출되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체가 전지케이스 내에 내장되어 있는 전지셀.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 전지케이스의 내면에는 집전체 절취부의 형상에 대응하는 구조의 돌기가 형성되어 있고, 상기 돌기는 전지케이스의 수지층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  23. 제 20 항에 따른 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  24. 제 23 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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