KR20150049849A - 길이방향으로 연장된 전극 조립체를 포함하는 케이블형 이차전지 및 파우치형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부, 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 및 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징; 및 상기 열수축 패키징의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징;을 포함하는 케이블형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징에 의해 전극 조립체의 유연성을 확보할 수 있고, 상기 열수축 패키징의 외부면에 형성된 튜브형 금속박 패키징에 의해 수분 차단성을 동시에 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징에 의해 전극 조립체의 유연성을 확보할 수 있고, 상기 열수축 패키징의 외부면에 형성된 튜브형 금속박 패키징에 의해 수분 차단성을 동시에 확보할 수 있다.
Description
본 발명은 변형이 자유로운 길이방향으로 연장된 전극 조립체를 포함하는 케이블형 이차전지 및 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전극 조립체의 유연성 및 수분 차단성을 향상시키는 패키징을 포함하며, 길이방향으로 연장된 전극 조립체를 포함하는 케이블형 이차전지 및 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
최근 이차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다. 이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
이차 전지는 현재 낮은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 최근 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 대중화를 주도하고 있으며, 종래의 많은 종류의 장치들을 무선화하는 경향도 있어, 이차전지에 대한 수요가 폭발하고 있다. 또한, 환경오염 등의 방지 측면에서 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 실용화되고 있는데, 이들 차세대 자동차들은 이차전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.
일반적으로 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치형의 전지가 대부분이며, 상기 전지를 구성하는 전극 조립체는, 이러한 전지의 형상에 부합하는 형상으로 제작되는 것이 일반적이다. 이러한 이차전지는 음극, 양극 및 분리막으로 구성된 전극 조립체를 원통형 또는 각형의 금속캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극 조립체에 전해질을 주입시켜 제조하기 때문이다. 따라서, 이차전지 장착을 위한 일정한 공간이 필수적으로 요구되므로, 이러한 전극 조립체의 원통형, 각형 또는 파우치형의 형태는 다양한 형태의 휴대용 장치의 개발에 대한 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있다. 이에, 형태의 변형이 용이한 신규한 형태의 전극 조립체가 요구되고 있다.
이러한 요구에 대하여, 단면적 직경에 대해 길이의 비가 매우 큰 전극 조립체를 포함하는 케이블형 이차전지가 제안되었다. 다만, 이러한 케이블형 이차전지를 보호하는 패키징에 대해서는 구체적으로 개시된 바가 없다. 특히 일반적인 고분자 재질의 튜브 패키징을 사용하게 될 경우, 고분자의 미세기공을 통해 수분 또는 공기의 침투가 가능하게 되어, 전지 내부에 있는 전해질을 오염시킴으로써, 전지 성능의 열화가 발생할 수 있는 문제점이 있고, 금속 재질의 튜브 패키징을 사용하게 될 경우, 전지가 굽혀질 때 발생되는 패키징의 구겨짐에 의해 내부의 전극 조립체에 스트레스가 발생하게 되고, 이러한 스트레스가 쌓이게 되면, 전지 내부에 단락(micro short circuit)이 발생하게 되어 전지 유연성 측면에서 취약하게 되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 케이블형 전극 조립체의 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지함으로써 전지 성능의 열화를 방지할 수 있고, 전극 조립체의 유연성 확보가 가능한 길이방향으로 연장된 전극 조립체를 포함하는 케이블형 이차전지 및 파우치형 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부, 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 및 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 열수축 패키징; 및 상기 열수축 패키징의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징;을 포함하는 케이블형 이차전지가 제공된다.
여기서, 상기 열수축 패키징은, 폴리올레핀수지, 폴리에스테르수지, 폴리아미드수지 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것일 수 있다.
그리고, 상기 열수축 패키징은, 소수성 무기물 입자를 더 포함할 수 있으며, 이때, 상기 소수성 무기물 입자는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경이 1nm 내지 5㎛일 수 있다.
한편, 상기 금속박 패키징은, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 그 등가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 합금일 수 있다.
그리고, 상기 내부전극은, 상기 내부전극 활물질층이 상기 와이어형 내부집전체의 전 표면에 형성된 구조; 또는 상기 내부전극 활물질층이 권선된 와이어형 내부집전체의 외부면을 둘러싸며 형성된 구조;인 것일 수 있다.
그리고, 상기 와이어형 내부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것일 수 있다.
이때, 상기 도전재는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 전도성 고분자는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
한편, 상기 외부전극은, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체와 상기 시트형 외부집전체의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체를 구비하거나, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체와 상기 시트형 외부집전체의 외면을 둘러싸며 상기 분리층과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나, 또는 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 상기 분리층의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체를 구비하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 외부전극은, 상기 외부전극 활물질층과 상기 시트형 외부집전체가 접합되어 형성된 시트형 접합체가 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선된 것일 수 있다.
그리고, 상기 외부집전체는, 메쉬형 집전체일 수 있고, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 전도성 고분자; Ni, Al, Au, Ag, Pd/Ag, Cr, Ta, Cu, Ba 또는 ITO인 금속분말을 포함하는 금속 페이스트; 또는 흑연, 카본블랙 또는 탄소나노튜브인 탄소분말을 포함하는 탄소 페이스트;로 제조된 것일 수 있다.
한편, 상기 전해질은, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐렌카보네이트(VC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸포르메이트(MF), 감마-부티로락톤(γ-BL;butyrolactone), 설포레인(sulfolane), 메틸아세테이트(MA; methylacetate), 또는 메틸프로피오네이트(MP; methylpropionate)를 사용한 비수전해액; PEO(poly(ethylene oxide), PVdF(poly(vinylidene fluoride), PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), PMMA(poly(methyl methacrylte)), PAN(polyacrylonitrile) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO(poly(ethylene oxide)), PPO(poly(propylene oxide)), PEI(poly(ethylene imine)), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 전해질은, 리튬염을 더 포함할 수 있으며, 이때, 상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
한편, 상기 내부전극이 음극이고, 상기 외부전극이 양극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고, 상기 외부전극 활물질층은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 = x < 0.5, 0 = y < 0.5, 0 = z < 0.5, x+y+z = 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고, 상기 외부전극 활물질층은, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
한편, 상기 분리층은, 전해질층 또는 세퍼레이터일 수 있다.
이때, 상기 전해질층은, PEO(poly(ethylene oxide), PVdF(poly(vinylidene fluoride), PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), PMMA(poly(methyl methacrylte)), PAN(polyacrylonitrile) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO(poly(ethylene oxide)), PPO(poly(propylene oxide)), PEI(poly(ethylene imine)), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 전해질층은, 리튬염을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
그리고, 상기 세퍼레이터는, 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재; 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부, 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극, 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 및 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 열수축 패키징; 및 상기 열수축 패키징의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징;을 포함하는 케이블형 이차전지가 제공된다.
그리고, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부, 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극, 및 상기 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 열수축 패키징을 포함하되, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되고, 일단에는 내부전극이 외부로 노출되고, 타단에는 외부전극이 외부로 노출되며, 적어도 하나 이상의 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체; 및 상기 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체를 감싸며 밀착되어 형성되는 파우치형 금속박 패키징;을 포함하는 파우치형 이차전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징에 의해 전극 조립체의 유연성을 확보할 수 있고, 상기 열수축 패키징의 외부면에 형성된 튜브형 금속박 패키징에 의해 수분 차단성을 동시에 확보할 수 있다.
나아가, 최외면에 튜브형 열수축 패키징을 포함하되, 적어도 하나 이상의 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체가 파우치형 금속박 패키징의 내부에 내장됨으로써, 케이블형 전극 조립체를 평면형의 파우치형 이차전지의 구조로 확장하여 적용할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 이상의 내부전극을 구비한 케이블형 이차전지의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징을 포함하는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패키징을 포함하는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 이상의 내부전극을 구비한 케이블형 이차전지의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징을 포함하는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패키징을 포함하는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패키징을 포함하는 케이블형 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 케이블형 이차전지(100, 200, 300)는, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부(110, 210, 310), 상기 리튬이온 공급 코어부(110, 210, 310)의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체(120, 220, 320)와 내부전극 활물질층(130, 230, 330)을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층(140, 240, 340), 및 상기 분리층(140, 240, 340)의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체(150, 250, 350)와 외부전극 활물질층(160, 260, 360)을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징(170, 270, 370); 및 상기 열수축 패키징(170, 270, 370)의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징(180, 280, 380);을 포함한다.
여기서, 소정의 형상이라 함은 특별히 형상을 제한하지 않는다는 것으로, 본 발명의 본질을 훼손하지 않는 어떠한 형상도 가능하다는 의미이다. 본 발명의 케이블형 이차전지는 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 수평 단면에 대한 길이방향으로 길게 늘어진 선형구조를 갖고, 가요성을 가지므로 변형이 자유롭다.
상기 케이블형 이차전지(100, 200, 300)의 패키징으로서, 일반적인 고분자 재질의 튜브 패키징을 사용하게 될 경우, 고분자의 미세기공을 통해 수분 또는 공기의 침투가 가능하게 되어, 전지 내부에 존재하는 전해질을 오염시킴으로써, 전지 성능의 열화가 발생할 수 있는 문제점이 있고, 금속 재질의 튜브 패키징을 사용하게 될 경우, 전지가 굽혀질 때 발생되는 패키징의 구겨짐에 의해 내부의 전극 조립체에 스트레스가 발생하게 되며, 이러한 스트레스가 쌓이게 되면, 전지 내부에 단락(micro short circuit)이 발생하게 되어 전지 유연성 측면에서 취약하게 될 수 있다.
하지만, 본 발명의 패키징 구조에 따르면, 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징(170, 270, 370)에 의해 전극 조립체의 유연성을 확보할 수 있음과 동시에, 상기 열수축 패키징(170, 270, 370)의 외부면에 형성된 튜브형 금속박 패키징(180, 280, 380)에 의해 수분 또는 공기의 침투를 차단할 수 있다. 이로써 전지 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지하고, 전지 성능의 열화를 방지할 수 있으며, 케이블형 이차전지의 유연성 및 기계적인 강도를 유지할 수 있게 된다.
이때, 상기 튜브형 열수축 패키징(170, 270 ,370)은, 가열하면 수축하는 튜브로, 단자(端子) 또는 형태나 크기가 다른 물질을 빈틈없이 꽉 싸는데, 대개는 고분자 수지로 만들어지며 절연(絶緣)이나 그 밖의 용도로 사용된다. 이러한 열수축 튜브는 다양한 재질 및 형태를 갖는 열수축 튜브가 상용화 되어 있으므로, 본 발명의 목적에 적합한 것을 용이하게 입수하여 사용할 수 있다. 열수축 튜브는, 자동 피복 가공기를 이용해서 리튬 이온 전지에 열수축 튜브를 삽입하여, 열수축시키는 작업을 행하기 때문에, 열수축 튜브가 입구가 열린 상태로 자립(supporting itself)할 만큼의 강성을 가지고 있는 것이 필요하다. 또한, 이차전지에 열적 손상을 주지 않도록, 수축 가공의 온도를 저온으로 하는 것이 필요하며, 일반적으로는 70℃ 내지 200℃ 또는 70℃ 내지 120℃ 의 온도로 수축이 완료되는 것이 요구된다. 이러한 열수축 튜브층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르수지 및 폴리비닐리덴풀루오라이드, 폴리아미드수지, 폴리테트라풀루오로에틸렌 등의 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
나아가, 상기 열수축 패키징(170, 270, 370)은, 소수성 무기물 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 소수성 무기물 입자의 구체적인 예로는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO 등이 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다. 그리고, 상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경은 1 nm 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 소수성 무기물 입자를 더 포함함으로써 전지 내부에서의 절연효과를 더욱 향상시킬 수 있고, 수분이 전지 내로 침투하는 것을 더욱 억제하여 전지 내부의 전해질 성분이 오염되는 것을 최소할 수 있기 때문에, 전지 성능 열화를 방지할 수 있다.
한편, 상기 금속박 패키징(180, 280, 380)은, 상기 열수축 패키징(170, 270, 370)의 외부면을 빈틈없이 꽉 쌀 수 있으며, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 그 등가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 합금일 수 있다. 이때, 상기 금속박 패키징(180, 280, 380)은 외부로부터 내부로의 수분 또는 공기가 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 예시된 군에만 한정되는 것은 아니나, 상기 금속박 패키징(180, 280, 380)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 통상적으로는, 알루미늄 금속 호일이 사용될 수 있다.
한편, 상기 내부전극은, 상기 내부전극 활물질층이 상기 와이어형 내부집전체의 전 표면에 형성된 구조; 또는 상기 내부전극 활물질층이 권선된 와이어형 내부집전체의 외부면을 둘러싸며 형성된 구조; 등이 가능하다.
그 중, 상기 내부전극 활물질층이 상기 와이어형 내부집전체의 전 표면에 형성된 구조와 관련하여, 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 와이어형 내부집전체(120)가 리튬이온 공급 코어부(110)의 외면에 권선되기 전에, 미리 와이어형 내부집전체(120)의 표면에 내부전극 활물질층(130)이 형성될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 내부전극 활물질층(230)이 표면에 형성된 둘 이상의 와이어형 내부집전체(220)가 교차하며 권선될 수도 있다. 이와 같이 둘 이상의 와이어형 내부집전체(220)가 함께 권선될 경우, 전지의 레이트 특성의 향상에 유리하다.
그리고, 상기 내부전극 활물질층이 권선된 와이어형 내부집전체의 외부면을 둘러싸며 형성된 구조와 관련하여, 리튬이온 공급 코어부의 외면에 와이어형 내부집전체를 권선한 후, 상기 권선된 와이어형 내부집전체의 외부면을 내부전극 활물질층이 둘러싸도록 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 와이어형 내부집전체(120, 220, 320)로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다.
집전체는 활물질의 전기화학 반응에 의해 생성된 전자를 모으거나 전기화학반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 하는 것으로, 일반적으로 구리나 알루미늄 등의 금속을 사용한다. 특히, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자 또는 전도성 고분자로 이루어진 고분자 전도체를 사용하는 경우에는 구리나 알루미늄과 같은 금속을 사용한 경우보다 상대적으로 가요성이 우수하다. 또한, 금속 집전체를 대체하여 고분자 집전체를 사용하여 전지의 경량성을 달성할 수 있다.
이러한 도전재로는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈 등이 가능하며, 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 등이 사용 가능하다. 다만, 집전체에 사용되는 비전도성 고분자는 특별히 종류를 한정하지는 않는다.
한편, 상기 외부전극은, 도 1 및 도 2에서와 같이 상기 분리층(140, 240)의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체(150, 250)와 상기 시트형 외부집전체(150, 250)의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층(160, 260)을 구비하는 구조일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층과 외부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체를 구비하는 구조, 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체와 시트형 외부집전체의 외면을 둘러싸며 분리층과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하는 구조, 또는 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 분리층의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체를 구비하는 구조 등이 가능하다.
나아가, 시트형 외부집전체가 분리층의 외면에 권선되기 전에, 시트형 외부집전체의 적어도 일면에 외부전극 활물질층을 형성하여 시트형의 접합체를 제작한 후, 상기 시트형의 접합체를 상기 분리층의 외면에 권선하여 외부전극을 형성할 수도 있다. 즉, 도 3에서와 같이 상기 외부전극은, 상기 외부전극 활물질층(360)과 상기 시트형 외부집전체(350)가 접합되어 형성된 시트형 접합체(350, 360)가 상기 분리층(340)의 외면을 둘러싸며 권선된 것일 수 있다.
그리고, 상기 시트형 외부집전체(150, 250, 350)는 표면적을 더욱 증가시키기 위해 메쉬형 집전체일 수도 있다.
이러한 외부집전체(150, 250, 350)로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 전도성 고분자; Ni, Al, Au, Ag, Pd/Ag, Cr, Ta, Cu, Ba 또는 ITO인 금속분말을 포함하는 금속 페이스트; 또는 흑연, 카본블랙 또는 탄소나노튜브인 탄소분말을 포함하는 탄소 페이스트;로 제조된 것을 사용할 수 있다.
한편, 상기 리튬이온 공급 코어부(110, 210, 310)는, 전해질을 포함하는데, 이러한 전해질로는 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니지만 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐렌카보네이트(VC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸포르메이트(MF), 감마-부티로락톤(γ-BL;butyrolactone), 설포레인(sulfolane), 메틸아세테이트(MA; methylacetate), 또는 메틸프로피오네이트(MP; methylpropionate)를 사용한 비수전해액; PEO(poly(ethylene oxide), PVdF(poly(vinylidene fluoride), PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), PMMA(poly(methyl methacrylte)), PAN(polyacrylonitrile) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO(poly(ethylene oxide)), PPO(poly(propylene oxide)), PEI(poly(ethylene imine)), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 등을 사용할 수 있다. 그리고, 이러한 전해질은, 리튬염을 더 포함할 수 있는데, 이러한 리튬염으로는 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 등을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 이러한 리튬 이온 공급 코어부(110, 210, 310)는 전해질로만 구성될 수 있으며, 액상의 전해액의 경우에는 다공질의 담체를 사용하여 구성될 수도 있다.
상기 내부전극은, 음극 또는 양극일 수 있으며, 상기 외부전극은, 상기 내부전극과 상응하는 양극 또는 음극일 수 있다.
본 발명의 전극 활물질층은 집전체를 통해서 이온을 이동시키는 작용을 하고, 이들 이온의 이동은 전해질층으로부터의 이온의 흡장 및 전해질층으로의 이온의 방출을 통한 상호작용에 의한다.
이러한 전극 활물질층은 음극 활물질층과 양극 활물질층으로 구분할 수 있다.
구체적으로, 상기 내부전극이 음극이고, 상기 외부전극이 양극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은 음극 활물질로서, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 외부전극 활물질층은 양극 활물질로서, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우에는 내부전극 활물질층은 양극 활물질층이 되고, 외부전극 활물질층은 음극 활물질층이 될 수 있다.
전극 활물질층은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하며 집전체와 결합하여 전극을 구성한다. 전극이 외부의 힘에 의해서 접히거나 심하게 구부러지는 등의 변형이 일어나는 경우에는, 전극 활물질의 탈리가 발생하게 된다. 이러한 전극 활물질의 탈리로 인하여 전지의 성능 및 전지 용량의 저하가 발생하게 된다. 하지만, 권선된 시트형 외부집전체가 탄성을 가지므로 외부의 힘에 따른 변형시에 힘을 분산하는 역할을 하므로 전극 활물질층에 대한 변형이 적게 일어나고 따라서 활물질의 탈리를 예방할 수 있다.
본 발명의 분리층(140, 240, 340)은 전해질층 또는 세퍼레이터를 사용할 수 있다.
이러한 이온의 통로가 되는 전해질층으로는 PEO(poly(ethylene oxide), PVdF(poly(vinylidene fluoride), PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), PMMA(poly(methyl methacrylte)), PAN(polyacrylonitrile) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO(poly(ethylene oxide)), PPO(poly(propylene oxide)), PEI(poly(ethylene imine)), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 등을 사용한다. 고체 전해질의 매트릭스(matrix)는 고분자 또는 세라믹 글라스를 기본골격으로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 고분자 전해질의 경우에는 이온전도도가 충족되더라도 반응속도적 측면에서 이온이 매우 느리게 이동할 수 있으므로, 고체인 경우보다 이온의 이동이 용이한 겔형 고분자의 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 겔형 고분자 전해질은 기계적 특성이 우수하지 않으므로 이를 보완하기 위해서 기공구조 지지체 또는 가교 고분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 전해질층은 분리막의 역할이 가능하므로 별도의 분리막을 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 전해질층은, 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염은 이온 전도도 및 반응속도를 향상시킬 수 있는데, 이들의 비제한적인 예로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 등을 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터로는 그 종류를 한정하는 것은 아니지만 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재; 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재 등을 사용할 수 있다. 특히, 리튬이온 공급 코어부의 리튬이온이 외부전극에도 쉽게 전달되기 위해서는 상기 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이트 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재에 해당하는 부직포 재질의 세퍼레이터를 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지의 제조방법을 도 3을 참조하여 간략하게 살펴본다.
먼저, 내부전극 활물질층(330)이 표면에 형성된 와이어형 내부집전체(320)를 권선하여 중심부에 빈 공간이 형성된 내부전극을 준비한다.
상기 와이어형 내부집전체(320)의 표면에 내부전극 활물질층(330)을 형성하는 방법으로는 일반적인 코팅방법이 적용될 수 있으며, 구체적으로는 전기도금(electroplating) 또는 양극산화처리(anodic oxidation process) 방법이 사용 가능하지만, 활물질을 포함하는 전극슬러리를 콤마코터기(comma coater) 또는 슬롯다이코터기(slot die coater)를 이용하여 코팅하는 방법을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 활물질을 포함하는 전극슬러리인 경우에는 딥코팅(dip coating) 또는 압출기를 사용하여 압출코팅하는 방법을 사용하여 제조하는 것도 가능하다.
이어서, 전극의 단락을 방지하는 분리층(340)을 상기 내부전극의 외면을 둘러싸도록 형성시킨다.
그 후, 시트형 외부집전체(350)의 일면에 외부전극 활물질층(360)을 형성하여 시트형의 접합체(350, 360)를 제작한 후, 이어서 상기 시트형의 접합체(350, 360)를 상기 분리층(340)의 외면에 권선하여 외부전극을 형성함으로써 전극 조립체를 제작한다.
이어서, 튜브형 열수축 패키징(370) 및 튜브형 금속박 패키징(380)을 상기 전극 조립체의 외면을 둘러싸도록 형성시킨다. 이때, 상기 튜브형 열수축 패키징(370) 및 튜브형 금속박 패키징(380)은 상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 형성되며, 추후 상기 전극 조립체의 일단은 내부전극용 금속탭과 접합하게 되며, 타단은 외부전극용 금속탭과 접합하게 됨으로써 전지로서의 역할을 수행할 수 있게 된다. 상기 금속탭들은, 일반적인 전지에서와 같은 방식으로 형성될 수 있으며, 절연성을 향상시키기 위해 국부적으로 실란트층이 형성될 수 있다.
이어서, 상기 내부전극의 중심부에 형성된 빈 공간에 전해질을 주입하여 리튬이온 공급 코어부(310)를 형성한다.
이와 같이, 상기 리튬이온 공급 코어부(310)는, 전극조립체의 외면에 금속박 패키징(380)까지 형성된 후에 전해액이 주입됨으로써 형성될 수도 있지만, 권선된 와이어형 내부전극을 형성하기 전에, 고분자 전해질을 압출기 등을 사용하여 와이어 형태로 미리 형성하거나, 스폰지 재질의 와이어 형태의 담체를 준비한 후에 이에 비수전해액을 주입함으로써 미리 형성할 수도 있고, 또는, 내부전극을 준비한 후에, 내부전극 중심부의 빈 공간에 비수전해액을 주입함으로써 리튬이온 공급 코어부(310)를 형성할 수도 있다.
이어서, 전해액 주입부를 완전히 밀봉하여 케이블형 이차전지를 제조한다.
이하에서는, 또 다른 가능한 실시예를 도 4를 참고하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 케이블형 이차전지(400)는, 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부(410), 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부(410)의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체(420)와 내부전극 활물질층(430)을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극, 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층(440), 및 상기 분리층(440)의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체(450)와 외부전극 활물질층(460)을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징(470); 및 상기 열수축 패키징(470)의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징(480);을 포함한다.
이러한 케이블형 이차전지(400)는 복수의 전극으로 이루어진 내부전극을 구비하므로, 내부전극의 개수를 조절함으로써 전극 활물질층의 로딩량 및 전지 용량의 조정이 용이하고, 다수의 전극을 구비하므로 단선의 가능성을 방지할 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 패키징을 포함하는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 본 발명의 파우치형 이차전지(500, 600)는, 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부, 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극, 및 상기 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징을 포함하되, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되고, 일단에는 내부전극이 외부로 노출되고, 타단에는 외부전극이 외부로 노출되며, 적어도 하나 이상의 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체(501, 601); 및 상기 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체(501, 601)를 감싸며 밀착되어 형성되는 파우치형 금속박 패키징(502, 602);을 포함한다.
여기서, 상기 리튬이온 공급 코어부, 상기 내부전극, 상기 분리층, 상기 외부전극 및 상기 튜브형 열수축 패키징은, 전술한 케이블형 이차전지에서 사용된 것들과 각각 동일한 구성들이 사용될 수 있다.
그리고 이러한 구성을 모두 포함하는 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체(501, 601)는 적어도 하나 이상의 굽힘부를 포함하게 되며, 그로 인해, `U`, `N`(도 6 참조) 또는 `M`(도 5 참조)자의 전극 조립체형일 수 있으나, 그에만 한정되는 것은 아니다.
상기 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체(501, 601)는, 파우치형 금속박 패키징(502, 602)의 내부에 내장됨으로써, 그 유연성이 유지됨과 동시에, 전지 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지하고, 전지 성능의 열화를 방지할 수 있으며, 선형의 전극 조립체를 평면의 파우치형 이차전지의 구조로 확장하여 적용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400: 케이블형 이차전지
110, 210, 310, 410: 리튬이온 공급 코어부
120, 220, 320, 420: 와이어형 내부집전체
130, 230, 330, 430: 내부전극 활물질층
140, 240, 340, 440: 분리층
150, 250, 350, 450: 시트형 외부집전체
160, 260, 360, 460: 외부전극 활물질층
170, 270, 370, 470: 열수축 패키징
180, 280, 380, 480: 튜브형 금속박 패키징
500, 600: 파우치형 이차전지
501, 601: 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체
502, 602: 파우치형 금속박 패키징
110, 210, 310, 410: 리튬이온 공급 코어부
120, 220, 320, 420: 와이어형 내부집전체
130, 230, 330, 430: 내부전극 활물질층
140, 240, 340, 440: 분리층
150, 250, 350, 450: 시트형 외부집전체
160, 260, 360, 460: 외부전극 활물질층
170, 270, 370, 470: 열수축 패키징
180, 280, 380, 480: 튜브형 금속박 패키징
500, 600: 파우치형 이차전지
501, 601: 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체
502, 602: 파우치형 금속박 패키징
Claims (26)
- 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부, 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 및 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징; 및
상기 열수축 패키징의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징;을 포함하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 열수축 패키징은, 폴리올레핀수지, 폴리에스테르수지, 폴리아미드수지 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 열수축 패키징은, 소수성 무기물 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제3항에 있어서,
상기 소수성 무기물 입자는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제3항에 있어서,
상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경이 1nm 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속박 패키징은, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 그 등가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 내부전극은, 상기 내부전극 활물질층이 상기 와이어형 내부집전체의 전 표면에 형성된 구조; 또는 상기 내부전극 활물질층이 권선된 와이어형 내부집전체의 외부면을 둘러싸며 형성된 구조;인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 와이어형 내부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제8항에 있어서,
상기 도전재는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 은, 팔라듐 및 니켈 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제8항에 있어서,
상기 전도성 고분자는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 외부전극은, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체와 상기 시트형 외부집전체의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나,
상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체를 구비하거나,
상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체와 상기 시트형 외부집전체의 외면을 둘러싸며 상기 분리층과 접촉하도록 형성된 외부전극 활물질층을 구비하거나, 또는
상기 분리층의 외면을 둘러싸며 형성된 외부전극 활물질층, 및 상기 외부전극 활물질층 내에 피복되어 있고, 상기 분리층의 외면을 이격된 상태로 둘러싸며 권선되어 형성된 시트형 외부집전체를 구비하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 외부전극은, 상기 외부전극 활물질층과 상기 시트형 외부집전체가 접합되어 형성된 시트형 접합체가 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 외부집전체는, 메쉬형 집전체인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 외부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 전도성 고분자; Ni, Al, Au, Ag, Pd/Ag, Cr, Ta, Cu, Ba 또는 ITO인 금속분말을 포함하는 금속 페이스트; 또는 흑연, 카본블랙 또는 탄소나노튜브인 탄소분말을 포함하는 탄소 페이스트;로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해질은, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 비닐렌카보네이트(VC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸포르메이트(MF), 감마-부티로락톤(γ-BL;butyrolactone), 설포레인(sulfolane), 메틸아세테이트(MA; methylacetate), 또는 메틸프로피오네이트(MP; methylpropionate)를 사용한 비수전해액; PEO(poly(ethylene oxide), PVdF(poly(vinylidene fluoride), PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), PMMA(poly(methyl methacrylte)), PAN(polyacrylonitrile) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO(poly(ethylene oxide)), PPO(poly(propylene oxide)), PEI(poly(ethylene imine)), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해질은, 리튬염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제16항에 있어서,
상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 내부전극이 음극이고, 상기 외부전극이 양극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고,
상기 외부전극 활물질층은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 내부전극이 양극이고, 상기 외부전극이 음극인 경우, 상기 내부전극 활물질층은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 = x < 0.5, 0 = y < 0.5, 0 = z < 0.5, x+y+z = 1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하고,
상기 외부전극 활물질층은, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 분리층은, 전해질층 또는 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제20항에 있어서,
상기 전해질층은, PEO(poly(ethylene oxide), PVdF(poly(vinylidene fluoride), PVdF-HFP(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)), PMMA(poly(methyl methacrylte)), PAN(polyacrylonitrile) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는
PEO(poly(ethylene oxide)), PPO(poly(propylene oxide)), PEI(poly(ethylene imine)), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제20항에 있어서,
상기 전해질층은, 리튬염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제22항에 있어서,
상기 리튬염은, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 제20항에 있어서,
상기 세퍼레이터는, 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 기재; 또는 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지. - 전해질을 포함하는 2 이상의 리튬이온 공급 코어부, 각각의 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 서로 평행하게 배치된 2 이상의 내부전극, 상기 내부전극들의 외면을 함께 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 및 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극을 구비하는 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 양 끝단이 외부에 노출되도록 상기 전극 조립체의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징; 및
상기 열수축 패키징의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 금속박 패키징;을 포함하는 케이블형 이차전지. - 전해질을 포함하는 리튬이온 공급 코어부, 상기 리튬이온 공급 코어부의 외면을 둘러싸며 권선된 하나 이상의 와이어형 내부집전체와 내부전극 활물질층을 구비하는 내부전극, 상기 내부전극의 외면을 둘러싸며 형성된 전극의 단락을 방지하는 분리층, 상기 분리층의 외면을 둘러싸며 권선되는 시트형 외부집전체와 외부전극 활물질층을 포함하는 외부전극, 및 상기 외부전극의 외부면을 감싸며 밀착되어 형성되는 튜브형 열수축 패키징을 포함하되, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되고, 일단에는 내부전극이 외부로 노출되고, 타단에는 외부전극이 외부로 노출되며, 적어도 하나 이상의 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체; 및
상기 굽힘부를 갖는 선형의 전극 조립체를 감싸며 밀착되어 형성되는 파우치형 금속박 패키징;을 포함하는 파우치형 이차전지.
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