KR20150050435A - 양극 집전체에 간헐적 무지부가 형성된 젤리 롤 형태 전극 조립체를 가진 이차전지 - Google Patents

양극 집전체에 간헐적 무지부가 형성된 젤리 롤 형태 전극 조립체를 가진 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극 집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극 집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 사이에 두고 대향하도록 젤리 롤 구조로 권취시킨 전극 조립체; 및 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체에 각각 전기적으로 접속되어 상기 전극 조립체의 외부로 돌출된 양극 탭 및 음극 탭;를 포함하고, 상기 양극 집전체는, 권취되었을 때 굴곡면에 해당하는 부분 중 일부에 양극활물질 코팅부가 없는 간헐적 무지부가 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지를 개시한다.

Description

양극 집전체에 간헐적 무지부가 형성된 젤리 롤 형태 전극 조립체를 가진 이차전지{SECONDARY BATTERY HAVING JELLY ROLL TYPE ELECTRODE ASSEMBLY WITH INTERMITTENT NON-COATED POSITIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 집전체의 일부에 무지부가 구비된 젤리 롤 형태의 전극 조립체를 가진 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이차전지에 포함되는 전극 조립체는 양극판, 분리막 및 음극판이 모여있는 형태에 따라서 다양하게 분류가 되며, 그 중 하나가 젤리 롤 형태의 전극 조립체이다. 젤리 롤 형태의 전극 조립체에 대해서는 본 출원인이 기출원한 대한민국 공개특허공보 10-2008-0047165, 10-2009-0129621, 10-2010-0071941, 10-2010-0109842 및 10-2013-0052410 등에 자세히 개시되어 있다.
도 1은 일반적인 젤리 롤 형태 전극 조립체(10)의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 젤리 롤 형태 전극 조립체(10)는 양극 집전체의 단면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극 집전체의 단면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 사이에 두고 권취되어 제조된다. 이러한, 젤리 롤 형태 전극 조립체(10)는 전지의 충전시 리튬 이온의 이동에 따라 부피가 팽창하고, 방전시 다시 원래의 위치로 돌아간다. 즉, 전지는 충방전 시 전체 부피의 수% 이내에서 팽창 및 수축을 반복한다.
팽창과 수축에 의한 젤리 롤 형태 전극 조립체(10)의 부피 변화는 젤리 롤 형태 전극 조립체(10)의 내외곽에 응력(tension)을 전달하게 된다. 특히, 젤리 롤 형태 전극 조립체의 굴곡면(11)에서 발생하는 응력은 다른 부분과 상이한 양상을 보이는데, 이로 인해서 전극 조립체(10)의 뒤틀림 현상 등이 발생하여 이차전지의 수명이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 굴곡면에서 양극활물질의 분리 또는 탈리 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 구조를 가진 젤리 롤 형태 전극 조립체를 구비한 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 양극 집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극 집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 사이에 두고 대향하도록 젤리 롤 구조로 권취시킨 전극 조립체; 및 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체에 각각 전기적으로 접속되어 상기 전극 조립체의 외부로 돌출된 양극 탭 및 음극 탭;를 포함하는 이차전지로서, 상기 양극 집전체에는, 권취되었을때 굴곡면에 해당하는 부분 중 일부에 양극활물질 코팅부가 없는 간헐적 무지부가 형성된 것이 특징이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 간헐적 무지부는 전극 조립체가 권취되었을 때 상기 전극 조립체의 안쪽으로부터 전극 조립체 두께의 30% 이내의 굴곡면에 대응하는 부분에 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 간헐적 무지부는 전극 조립체가 권취되었을 때 중심에 가까운 굴곡면보다 중심에서 먼 굴곡면에 대응하는 무지부의 면적이 더 넓다. 바람직하게, 상기 간헐적 무지부는 권취된 전극 조립체의 각 굴곡면 중심점에서 동일한 중심각을 가진 부채꼴 모양이 되도록 형성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 젤리 롤 형태 전극 조립체의 굴곡면에 양극활물질이 코팅되지 않아서, 양극활물질의 분리 또는 탈리 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 충전 중 음극활물질의 부피 팽창에 대비한 예비 공간이 형성되어 전극 조립체의 뒤틀림을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전지의 충방전 중 발생하는 가스의 이통 통로가 확보되어 전극 조립체 내부 압력을 낮출 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차전지의 관통 등에 의해 단락 사고가 발생하였을 때 단락 전류에 의한 발열을 분산시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 젤리 롤 형태 전극 조립체의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지에 구비되는 전극 조립체의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지에 구비되는 전극 조립체의 구성을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지에 구비되는 전극 조립체(100)의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전극 조립체(100)는 양극 집전체(110), 분리막(120) 및 음극 집전체(130)를 포함하는 단위 셀로 이루어져 있다.
양극 집전체(110)의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극 집전체(110)는 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차전지의 화학적 변화를 야기시키지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극 집전체(110)로 사용하는데 제한이 없다.
양극 집전체(110)의 일부 영역에는 양극 탭(140)이 구비되는데 양극 탭(140)은 상기 양극 집전체(110)가 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 상기 양극 탭(140)은 전극 조립체의 외부로 돌출된 형태를 가진다. 대안으로, 양극 탭(140)은 양극 집전체(110)의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합되는 것도 가능하다. 또한, 양극 탭(140)은 양극 재료를 상기 양극 집전체(110)의 일부 영역에 도포 및 건조하는 공정에 의해 제공될 수도 있다.
상기 양극 집전체(110)에 대응되는 음극 집전체(130)는 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극 집전체(130)는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
음극 집전체(130) 또한 일부 영역에 음극 탭(150)이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭(140)과 같이 상기 음극 집전체(130)에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극 집전체(130) 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극 집전체 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다. 상기 음극 탭(150)은 전극 조립체의 외부로 돌출된 형태를 가진다.
상기 양극 집전체(110)에 구비된 양극 탭(140)에는 양극 리드(미도시)가, 상기 음극 집전체(130)에 구비된 음극 탭(150)에는 음극 리드(미도시)가 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 양극 탭(140) 및 복수의 음극 탭(150)과 접합될 수 있다.
상기 양극 집전체(110)의 일면 또는 양면에는 양극활물질(160)이 코팅되어 있다(이하 '양극활물질 코팅부'). 그리고 상기 음극 집전체(130)의 일면 또는 양면에는 음극활물질(170)이 코팅되어 있다(이하 '음극활물질 코팅부'). 일 예로, 상기 양극활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤Z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 상기 음극활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극활물질과 음극활물질의 종류와 화학적 조성은 이차 전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
분리막(120)은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리막(120)은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드로, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막(120)의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.
상기 무기 입자는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자가 바람직하며, 10 이상의 유전율 상수를 가지며 밀도가 낮은 무기물 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내에서 이동하는 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1 -xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
본 발명에 구비되는 전극 조립체(100)는 양극 집전체(110)와 음극 집전체(130)가 분리막(120)을 사이에 두고 대향하도록 젤리 롤 구조로 권취시킨 전극 조립체이다. 특히, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)의 양극 집전체(110)는 권취되었을 때 굴곡면에 해당하는 부분 중 일부에 양극활물질 코팅부(160)가 없는 간헐적 무지부(160-1)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지에 구비되는 전극 조립체(100)의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 전극 조립체(100)가 권취되었을 때 전극 조립체(100)의 양편에 형성되는 굴곡면에 해당하는 부분에는 양극활물질 코팅부(160)가 없는 부분이 존재함을 확인할 수 있다. 널리 알려져 있다시피, 기존의 젤리 롤 형태 전극 조립체는 굴곡면에서 접힘에 의해 양극활물질 코팅부가 양극 집전체에서 쉽게 분리 또는 탈리된다. 또한, 충전시 굴곡면을 따라 양극활물질 코팅부와 대향하는 음극활물질 코팅부의 부피 팽창에 의해 젤리 롤 형태 전극 조립체에 뒤틀림이 발생하기도 한다. 따라서, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 전극 조립체(100)가 권취되었을 때 굴곡면에 해당하는 부분의 양극활물질 코팅부(160)가 존재하지 않는 간헐적 무지부(160-1)를 형성하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 간헐적 무지부(160-1)는 전극 조립체(100)가 권취되었을 때 전극 조립체(100)의 안쪽으로부터 전극 조립체(100) 두께(T)의 30% 두께(TC) 이내의 굴곡면에 대응하는 부분에 형성된다. 귄취의 중심에 가까울수록 회전반경이 작기 때문에 굴곡된 정도도 크고 이에 따라, 굴곡면(11)에서 발생하는 응력도 매우 커지게 되므로 중심에 가까운 굴곡면에 대응하는 간헐적 무지부(160-1)가 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 점을 고려할 때, 간헐적 무지부(160-1)는 전극 조립체(100)의 안쪽을 기준으로 두께(T)의 30%에 해당하는 두께(TC) 이내의 범위에 위치하는 것이 가장 효과적이다. 또한, 간헐적 무지부(160-1)가 상기 범위를 벗어날 경우에는 전지의 에너지 밀도가 현저히 저하되어 필요한 전지 용량을 확보하기가 곤란한 문제가 발생한다.
상기 간헐적 무지부(160-1)는 전극 조립체(100)가 권취되었을 때 중심에 가까운 굴곡면보다 중심에서 먼 굴곡면에 대응하는 무지부의 면적이 더 넓다. 바람직하게, 도 3에 도시된 실시예처럼, 상기 간헐적 무지부(160-1)는 권취된 전극 조립체(100)의 각 굴곡면 중심점(180, 190)에서 동일한 중심각을 가진 부채꼴 모양(A, B)이 되도록 형성될 수 있다. 상기 중심각의 크기는 상기 간헐적 무지부(160-1)의 넓이를 달리하여 다양하게 설정될 수 있음은 자명하다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지는, 젤리 롤 형태 전극 조립체의 굴곡면에 마련된 간헐적 무지부(160-1)에 의해 굴곡면에서 발생하는 양극활물질의 분리 또는 탈리 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 충전 중 음극활물질의 부피 팽창에 대비한 예비 공간이 형성되어 전극 조립체의 뒤틀림을 방지할 수 있다. 또한, 전지의 충방전 중 발생하는 가스의 이통 통로가 확보되어 전극 조립체 내부 압력을 낮출 수 있다. 나아가, 이차전지의 관통 등에 의해 단락 사고가 발생하였을 때 단락 전류에 의한 발열을 분산시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 전극 조립체 110 : 양극 집전체
120 : 분리막 130 : 음극 집전체
140 : 양극 탭 150 : 음극 탭
160 : 양극활물질 코팅부 170 : 음극활물질 코팅부

Claims (4)

  1. 양극 집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극 집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 사이에 두고 대향하도록 젤리 롤 구조로 권취시킨 전극 조립체; 및
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체에 각각 전기적으로 접속되어 상기 전극 조립체의 외부로 돌출된 양극 탭 및 음극 탭;를 포함하고,
    상기 양극 집전체는, 권취되었을 때 굴곡면에 해당하는 부분 중 일부에 양극활물질 코팅부가 없는 간헐적 무지부가 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간헐적 무지부는, 전극 조립체가 권취되었을 때 상기 전극 조립체의 안쪽으로부터 전극 조립체 두께의 30% 이내의 굴곡면에 대응하는 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간헐적 무지부는, 전극 조립체가 권취되었을 때 중심에 가까운 굴곡면보다 중심에서 먼 굴곡면에 대응하는 무지부의 면적이 더 넓은 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 간헐적 무지부는, 권취된 전극 조립체의 각 굴곡면 중심점에서 동일한 중심각을 가진 부채꼴 모양이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
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