KR20150064594A - 가요성 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 제1 전극층, 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 세퍼레이터를 포함하는 전극 적층 조립체 및 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층을 고정하는 고정 부재를 포함하고, 상기 전극 적층 조립체는, 상기 고정 부재가 형성되는 영역인 고정 부재 형성 영역을 포함하며, 상기 고정 부재 형성 영역은 제1 방향에 따른 상기 전극 적층 조립체의 일단부와 타단부 사이에 위치하고, 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층은 상기 고정 부재의 양측에서 굽힘 가능한 가요성 이차전지를 개시한다.

Description

가요성 이차 전지{Flexible secondary battery}
본 발명의 실시예들은 가요성 이차 전지에 관한 것이다.
전자 분야의 기술 발달로 휴대폰, 게임기, PMP(portable multimedia player), MP3(mpeg audio layer-3) 플레이어뿐만 아니라, 스마트폰, 스마트 패드, 전자책 단말기, 가요성 태블릿 컴퓨터, 신체에 부착하는 이동용 의료 기기와 같은 각종 이동용 전자 기기에 대한 시장이 크게 성장하고 있다.
이와 같은 이동용 전자 기기 관련 시장이 성장함에 따라, 이동용 전자기기의 구동에 적합한 배터리에 대한 요구도 높아지고 있으며, 이들 이동용 전자 기기의 사용과 이동, 보관, 충격에 대한 내구성과 관련하여 기기 자체의 유연성에 대한 요구가 커져가고 있어 이를 구현하기 위해 배터리의 유연함에 대한 요구도 증대되어가고 있다.
본 발명의 실시예들은 반복적인 휨 운동 또는 굽힘 운동에서도 안정성을 유지할 수 있는 가요성을 갖는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 전극층, 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 세퍼레이터를 포함하는 전극 적층 조립체 및 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층을 고정하는 고정 부재를 포함하고, 상기 전극 적층 조립체는, 상기 고정 부재가 형성되는 영역인 고정 부재 형성 영역을 포함하며, 상기 고정 부재 형성 영역은 제1 방향에 따른 상기 전극 적층 조립체의 일단부와 타단부 사이에 위치하고, 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층은 상기 고정 부재의 양측에서 굽힘 가능한 가요성 이차전지를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 전극층은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부와 상기 제1 활물질이 미도포된 제1 무지부를 포함하고, 상기 제2 전극층은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부와 상기 제2 활물질이 미도포된 제2 무지부를 포함하며, 상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부는 상기 고정 부재 형성 영역 내에 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고정 부재 형성 영역은 상기 일단부와 상기 타단부의 중심영역일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 일단부 및 상기 타단부에서의 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층 간의 상대적인 위치 변위량이 서로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극 적층 조립체는 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결된 제1 연결탭과, 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결된 제2 연결탭을 포함하고, 상기 제1 연결탭과 상기 제2 연결탭은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 반대방향으로 연장될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극 적층 조립체를 밀봉하는 파우치를 더 포함하고, 상기 제1 연결탭과 연결된 제1 전극 단자와 상기 제2 연결탭과 연결된 제2 전극 단자는 상기 파우치를 관통하여 상기 파우치의 외부로 노출될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고정 부재는, 상기 제1 무지부와 상기 세퍼레이터 사이 및 상기 세퍼레이터와 상기 제2 무지부 사이의 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 무지부, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 무지부에는 각각 홀이 형성되고, 상기 고정 부재는, 상기 홀에 삽입된 리벳일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극 적층 조립체의 외부면에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 보호층의 휨강성은 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층의 평균 휨강성보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고정 부재 형성 영역은, 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 고정부재는 상기 제1 영역에 형성된 제1 고정 부재와 상기 제2 영역에 형성된 제2 고정 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 파우치, 상기 파우치 내부에 수용된 전극 적층 조립체 및 상기 전극 적층 조립체에 형성된 적어도 하나의 고정 부재를 포함하고, 상기 전극 적층 조립체는 제1 무지부를 구비한 제1 전극층, 제2 무지부를 구비한 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 세퍼레이터를 포함하며, 상기 고정 부재는 제1 방향에 따른 상기 전극 적층 조립체의 일단부와 타단부 사이에 위치하고, 상기 고정 부재는 상기 제1 무지부, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 무지부를 서로 고정시키는 가요성 이차 전지를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 고정 부재는 상기 일단부와 상기 타단부의 중심영역에 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 일단부 및 상기 타단부에서의 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층 간의 상대적인 위치 변위량이 서로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 상기 고정부재는 서로 이격된 제1 고정부재와 제2 고정부재를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극 적층 조립체는, 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결된 제1 연결탭과, 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결된 제2 연결탭을 포함하고, 상기 제1 연결탭과 상기 제2 연결탭은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 반대방향으로 연장될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 연결탭과 연결된 제1 전극 단자와 상기 제2 연결탭과 연결된 제2 전극 단자는 상기 파우치를 관통하여 상기 파우치의 외부로 노출될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고정 부재는, 상기 제1 무지부와 상기 세퍼레이터 사이 및 상기 세퍼레이터와 상기 제2 무지부 사이의 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 무지부, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 무지부에는 각각 홀이 형성되고, 상기 고정 부재는, 상기 홀에 삽입된 리벳일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극 적층 조립체의 외부면에 보호층을 더 포함하고, 상기 보호층의 휨강성은 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층의 평균 휨강성보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예들에 관한 가요성 이차 전지는 반복적인 휨 운동 또는 굽힘 운동에서도 안정성을 유지할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차 전지를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전극 적층 조립체의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 전극 적층 조립체의 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 II-II 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 1의 전극 적층 조립체의 또 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 III-III 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 1의 전극 적층 조립체의 또 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 도 8의 IV-IV 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차 전지를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차 전지(10)는 전극 적층 조립체(100), 전극 적층 조립체(100) 에 형성된 고정 부재(200) 및 전극 적층 조립체(100)를 수용하여 이를 밀봉하는 파우치(300)를 포함할 수 있다.
전극 적층 조립체(100)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이의 세퍼레이터(130)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 의한 가요성 이차 전지(10)의 전극 적층 조립체(100)는, 다수의 제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 세퍼레이터(130)가 적층된 구조를 포함할 수 있다.
제1 전극층(110)은 양극 필름 또는 음극 필름 중 어느 하나일 수 있다. 제1 전극층(110)이 양극 필름인 경우, 제2 전극층(120)은 음극 필름일 수 있으며, 반대로, 제1 전극층(110)이 음극 필름인 경우, 제2 전극층(120)은 양극 필름일 수 있다.
제1 전극층(110)은 제1 금속 집전체(112)와 제1 금속 집전체(112) 표면에 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부(114) 및 제1 활물질이 미도포된 제1 무지부(115)를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 전극층(120)은 제2 금속 집전체(112)와 제2 금속 집전체(122) 표면에 제2 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질부(124) 및 제2 활물질이 미도포된 제2 무지부(125)를 포함할 수 있다.
제1 전극층(110)이 양극 필름인 경우, 제1 금속 집전체(112)는 양극 집전체이며, 제1 활물질부(114)는 양극 활물질부일 수 있다. 그리고, 제2 전극층(120)이 음극 필름인 경우, 제2 금속 집전체(122)는 음극 집전체이며, 제2 활물질부(124)는 음극 활물질부일 수 있다.
양극 집전체는 알루미늄, 스테인레스강, 티탄, 구리, 은 또는 이들로부터 선택된 물질의 조합으로 형성된 금속일 수 있다. 양극 활물질부는 양극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.
양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 니켈 코발트산 리튬, 니켈 코발트 알루미늄산 리튬, 니켈 코발트 망간산 리튬, 망간산 리튬 및 인산철 리튬과 같은 리튬 전이금속 산화물, 황화 니켈, 황화 구리, 황, 산화철 및 산화 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 비닐리덴플루오라이드/테트라플루로에틸린 코폴리머 등의 폴리비닐리덴플루오라이드계 바인더, 나트륨-카르복시메틸셀룰로오스, 리튬-카르복시메틸셀룰로오스 등의 카르복시메틸셀룰로오스계 바인더, 폴리아크릴산, 리튬-폴리아크릴산, 아크릴, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트 등의 아크릴레이트계 바인더, 폴리아미드이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤, 리튬-나피온 및 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
도전제는 카본블랙, 탄소섬유 및 흑연과 같은 탄소계 도전제, 금속섬유와 같은 도전성 섬유, 불화카본 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말과 같은 금속 분말, 산화아연 및 티탄산칼륨과 같은 도전성 휘스커, 산화티탄과 같은 도전성 금속 산화물 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
음극 집전체는 구리, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 및 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 음극 활물질부는 음극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함할 수 있다.
음극 활물질은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질은 금속, 탄소계 재료, 금속산화물 및 리튬금속질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
금속은 리튬, 규소, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 게르마늄, 주석, 납, 비소, 안티몬, 비스무트, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은, 구리, 철, 니켈, 코발트 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
탄소계 재료는 흑연, 흑연 탄소섬유, 코크스, 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 폴리아센, 피치계 탄소섬유 및 난흑연화성 탄소(hard carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
금속산화물은 리튬티탄산화물, 산화티탄, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화철, 산화텅스텐, 산화주석, 비정질 주석복합산화물, 실리콘 모노옥사이드, 산화코발트 및 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바인더 및 도전제는 각각 양극 활물질부에 포함된 바인더 및 도전제와 동일한 것을 사용할 수 있다.
양극 필름 또는 음극 필름은 금속 집전체 상에 활물질부를 다양한 방법에 의해 도포함으로써 형성할 수 있으며, 전극 활물질부의 도포 방법에는 제한이 없다.
세퍼레이터(130)는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)막과 같은 다공성 고분자막일 수 있으며, 고분자 섬유를 포함하는 직포 또는 부직포 형태일 수 있으며, 세라믹 입자를 포함할 수 있고, 고분자 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터(130)는 독립적인 필름으로 형성하거나 제1 전극층(110) 또는 제2 전극층(120) 상에 비전도성의 다공성 층을 형성하여 사용될 수 있다.
세퍼레이터(130)는 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120)을 서로 전기적으로 분리시키기 위해 형성한 것으로, 세퍼레이터(130)의 형상은 반드시 제1 전극층(110)이나 제2 전극층(120)의 형상과 동일하게 형성될 필요는 없다.
전극 적층 조립체(100)는 고정 부재 형성 영역(P)을 포함할 수 있다. 고정 부재 형성 영역(P)은 고정 부재(200)가 형성될 수 있는 영역으로, 제1 방향, 예를 들어, 전극 적층 조립체(100)의 길이 방향(x방향)에 따른 전극 적층 조립체(100)의 일단부(E1)와 타단부(E2) 사이에 위치할 수 있다.
고정 부재(200)는 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)을 고정시킬 수 있다. 구체적으로, 고정 부재(200)는 적층 조립체(100)의 일단부(E1)와 타단부(E2) 사이에서 제1 무지부(115), 세퍼레이터(130) 및 제2 무지부(125)를 서로 고정시킬 수 있다.
고정 부재(200)는 일 예로, 제1 무지부(115)와 세퍼레이터(130) 사이 및 세퍼레이터(130)와 제2 무지부(125) 사이의 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프일 수 있다. 고정 부재(200)는 제1 방향과 수직인 제2 방향, 예를 들어, 전극 적층 조립체(100)의 폭 방향(y방향)을 따라 연장되어 형성될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 고정 부재(200)가 고정 부재 형성 영역(P)에 형성되면, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)은 고정 부재(200)의 양측에서 슬립에 의한 반복적인 굽힘 운동((A)<->(B),(C))이 가능할 수 있으며, 반복적인 굽힘 운동을 하더라도 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)들은 상대적인 위치가 흐트러지지 않을 수 있다.
만일, 고정 부재(200)가 형성되지 않은 경우에는, 전극 적층 조립체(100)가 반복적으로 굽힘 운동을 하는 과정에서, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)들의 상대적인 위치가 변형되어 이들 간의 정렬이 흐트러질 수 있다. 이에 따라, 가역적 전기 화학 반응량이 감소할 수 있으며, 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이에 단락 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 고정 부재(200)가 형성됨으로써, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)은 반복적인 굽힘 운동시에도, 가역적인 전기 화학적 반응을 할 수 있는 정렬을 유지할 수 있다.
또한, 고정 부재(200)가 전극 적층 조립체(100)의 일단부(E1)와 타단부(E2) 사이에 위치함으로써, 굽힘 운동시 전극 적층 조립체(100)의 일단부(E1)와 타단부(E2)에서의 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 상대적인 위치 변위량이 감소하여, 전극 적층 조립체(100) 등에 발생하는 응력을 감소시킬 수 있다.
만일, 고정 부재(200)가 전극 적층 조립체(100)의 일단부(E1) 또는 타단부(E2)에만 형성된 경우는, 전극 적층 조립체(100)가 동일한 곡률을 가지고 휘어질 때, 반대측의 타단부(E2) 또는 일단부(E1)에서의 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 상대적인 위치 변위량이 보다 커지게 된다. 그 결과, 전극 적층 조립체(100)의 굽힘 운동시 발생하는 응력이 증가하고, 반복적인 굽힘 운동시 증가된 응력의 축적에 의해 전극 적층 조립체(100) 및 파우치(300)에 변형 등이 발생할 수 있다.
따라서, 고정 부재(200)가 전극 적층 조립체(100)의 일단부(E1)와 타단부(E2) 사이에 위치함으로써, 전극 적층 조립체(100)의 굽힘 운동시 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 상대적인 위치 변위량이 감소되어, 전극 적층 조립체(100) 및 파우치(300)에 발생하는 응력이 감소될 수 있으며, 이에 따라 반복적인 휨 운동 또는 굽힘 운동에서도 가요성 이차 전지(10)의 안전성을 유지할 수 있다.
한편, 일 예로, 고정 부재 형성 영역(P)은 일단부(E1)와 타단부(E2)의 중심영역일 수 있으며, 이 때의 일단부(E1) 및 타단부(E2)에서의 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 상대적인 위치 변위량은, 고정 부재(200)가 전극 적층 조립체(100)의 일단부(E1) 또는 타단부(E2)에만 형성된 경우의 타단부(E2) 또는 일단부(E1)에서의 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 상대적인 위치 변위량의 절반으로 감소할 수 있다.
또한, 고정 부재 형성 영역(P)이 일단부(E1)와 타단부(E2)의 중심영역인 경우는, 일단부(E1)와 타단부(E2)에서의 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 상대적인 위치 변위량이 서로 동일할 수 있으므로, 굽힘 운동시 발생하는 응력이 전극 적층 조립체(100) 전체로 균일하게 분산될 수 있다.
한편, 전극 적층 조립체(100)는 제1 무지부(115)와 전기적으로 연결된 제1 연결탭(113)과 제2 무지부(125)와 전기적으로 연결된 제2 연결탭(123)을 포함할 수 있다. 제1 연결탭(113)은 제1 금속 집전체(112)가 연장되어 형성될 수 있으며, 제2 연결탭(123)은 제2 금속 집전체(122)가 연장되어 형성될 수 있다.
본 실시예에 의한 가요성 이차 전지(10)는 다수의 제1 전극층(110)과 다수의 제2 전극층(120)을 포함할 수 있고, 이때의 제1 전극층(110)들에 각각 포함된 제1 연결탭(113)들은 제1 전극 단자(미도시)와 연결되며, 제2 전극층(120)들에 각각 포함된 제2 연결탭(123)들은 제2 전극 단자(미도시)와 연결된다.
즉, 제1 연결탭(113)들은 서로 연결되어 고정되어 있고, 제2 연결탭(123)들도 서로 연결되어 고정되어 있으므로, 제1 연결탭(113)들과 제2 연결탭(123)들은 실질적으로 제1 전극층(110)들과 제2 전극층(120)들을 각각 고정하는 고정수단으로 작용할 수 있다.
만일, 제1 연결탭(113)들이 일단부(E1), 타단부(E2) 또는 고정 부재 형성 영역 (P)과 상이한 위치에서 서로 연결되어 고정된 경우는, 전극 적층 조립체(100)의 굽힘 운동시, 서로 연결되어 고정된 제1 연결탭(113)들과 고정 부재(200) 사이에서 제1 전극층(110)들의 내부적인 휨 현상이 발생할 수 있고, 제1 전극층(110)과 세퍼레이터(130) 사이의 박리, 탈락, 밀착성 저하 등의 현상이 발생하거나 고정 부재(200)의 일부가 파괴되어 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120) 간의 정렬이 유지되기 어려울 수 있다.
따라서, 제1 연결탭(113)은 고정 부재 형성 영역(P) 내에 위치하는 것이 바람직하며, 마찬가지로 제2 연결탭(123)도 고정 부재 형성 영역(P) 내에 위치하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1 무지부(115)와 제2 무지부(125)는 고정 부재 형성 영역(P)에 위치할 수 있다. 즉, 제1 전극층(110)은 제1 무지부(115)의 양측에 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부(114)를 포함하고, 제2 전극층(120)은 제2 무지부(125)의 양측에 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부(124)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 연결탭(113)과 제2 연결탭(123)은 제1 방향과 수직인 제2 방향, 예를 들어, 전극 적층 조립체(100)의 폭 방향(y방향)을 따라 서로 반대방향으로 연장될 수 있다. 따라서, 제1 연결탭(113)과 제2 연결탭(123)이 서로 단락되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
제1 연결탭(113)은 제1 전극 단자(미도시)와 연결되고, 제2 연결탭(123)은 제2 전극 단자(미도시)와 연결될 수 있다. 제1 전극 단자(미도시)와 제2 전극 단자(미도시)는 파우치(300)를 관통하여 파우치(300)의 외부로 노출될 수 있으며, 제1 전극 단자(미도시)와 제2 전극 단자(미도시)를 통해 가요성 이차 전지(10)는 충전 또는 방전될 수 있다.
파우치(300)는 내부에 전극 적층 조립체(100)와 함께 전해질을 수용하고, 이들을 밀봉할 수 있다. 파우치(300)는 플렉서블한 성질을 가지며, 외부의 수분 또는 산소 등이 가요성 이차 전지(10)의 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 파우치(300)는 일 예로, 절연층, 금속층 및 절연층의 3층 구조로 이루어질 수 있다. 금속층은 알루미늄, 스틸, 스텐레스 스틸 등으로 형성될 수 있으며, 절연층은 변성 폴리프로필렌(CPP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 1의 전극 적층 조립체의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 전극 적층 조립체(100B)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이의 세퍼레이터(130)를 포함할 수 있다. 또한, 적층 조립체(100)의 고정 부재 형성 영역(P)에는 고정 부재(200)가 형성되어 제1 무지부(115), 세퍼레이터(130) 및 제2 무지부(125)를 서로 고정시킬 수 있다.
제1 전극층(110), 제2 전극층(120), 세퍼레이터(130) 및 고정 부재(200)는 도 1 및 도 2에서 도시하고 설명한 바와 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
전극 적층 조립체(100B)의 외부면에는 보호층(140)이 더 형성될 수 있다. 보호층(140)은 전극 적층 조립체(100B)가 요곡된 경우, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 또는 제2 전극층(120)에 주름 등이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
즉, 전극 적층 조립체(100B)가 요곡되면, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)은 주름을 발생시켜 압축 스트레스를 완화하려는 경향을 가지는데, 보호층(140)은 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 또는 제2 전극층(120)에 주름과 같이 곡률반경이 작은 변형이 일어나려 할 때, 이를 눌러서 더 큰 변형이 일어나는 것을 방지하고, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)이 받는 스트레스를 완화시킬 수 있다.
이와 같이, 보호층(140)이 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 또는 제2 전극층(120)에 주름 등이 발생하는 현상을 방지하기 위해서, 보호층(140)의 휨강성(bending stiffness)은 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)의 평균 휨강성보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들어 보호층(140)의 휨강성은 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)의 평균 휨강성의 약 1.5배 이상의 값을 가질 수 있다.
이와 같은 보호층(140)은 전극 적층 조립체(100B)의 휨에 큰 영향을 주지 않도록 일정한 강성과 함께 어느 정도의 유연성을 지닌 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층(140)은 고분자 필름, 라미네이트된 고분자 필름층을 포함하는 필름, 금속 포일, 탄소를 포함하는 복합재 필름으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 일 예로, 보호층(140)은 약 15마이크로미터 내지 1밀리미터의 두께를 가질 수 있고, 보호층(140)의 인장 탄성율(tensile modulus of elasticity)은 0.5 내지 300 GPa일 수 있다.
도 4는 도 1의 전극 적층 조립체의 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 II-II 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 전극 적층 조립체(100C)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이의 세퍼레이터(130)를 포함할 수 있다. 또한, 전극 적층 조립체(100C)는 제1 전극층(110)와 전기적으로 연결된 제1 연결탭(113)과 제2 전극층(120)와 전기적으로 연결된 제2 연결탭(123)을 포함할 수 있다.
제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 세퍼레이터(130)는 도 1 및 도 2에서 도시하고 설명한 바와 동일하므로 이하에서는 이들의 자세한 설명은 생략한다.
전극 적층 조립체(100C)의 고정 부재 형성 영역(P)에는 고정 부재(210)가 형성되어 제1 무지부(115), 세퍼레이터(130) 및 제2 무지부(125)를 서로 고정시킬 수 있다.
고정 부재(210)는 예를 들어, 제1 무지부(115), 세퍼레이터(130) 및 제2 무지부(125)에 각각 형성된 홀에 삽입된 리벳일 수 있다. 리벳은 절연성 물질로 형성될 수 있고, 미리 홀이 형성된 제1 무지부(115), 세퍼레이터(130) 및 제2 무지부(125)를 정렬시켜 적층한 다음, 폴리머 기둥으로 리베팅하여 형성할 수 있다. 리벳은 제2 방향, 예를 들어, 전극 적층 조립체(100C)의 폭 방향(y방향)을 따라 복수개가 형성될 수 있다.
이와 같이, 리벳을 이용하여 제1 무지부(115), 세퍼레이터(130) 및 제2 무지부(125)를 서로 고정하는 경우는, 전극 적층 조립체(100C)의 제조 공정이 단순화될 수 있다.
도 6은 도 1의 전극 적층 조립체의 또 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 III-III 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전극 적층 조립체(100D)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이의 세퍼레이터(130)를 포함할 수 있다. 또한, 전극 적층 조립체(100D)는 고정 부재(200)가 형성되는 영역인 고정 부재 형성 영역(P)을 포함할 수 있다.
제1 전극층(110), 제2 전극층(120), 세퍼레이터(130) 및 고정 부재(200)는 도 1 및 도 2에서 도시하고 설명한 바와 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 고정 부재 형성 영역(P)은 전극 적층 조립체(100D)의 일단부(E1)와 타단부(E2) 사이에 위치하되, 일단부(E1) 또는 타단부(E2) 중 어느 한 측으로 치우쳐서 형성될 수 있다.
전극 적층 구조체(100D)는 고정 부재(200)의 양측에서 굽힘 운동을 할 수 있는데, 경우에 따라서는 고정 부재(200)의 양측에서 서로 다른 곡률을 가지도록 요곡 될 수 있다. 이와 같은 경우는 곡률이 더 큰 측에 더 큰 응력이 발생하는바, 고정 부재(200)를 전극 적층 구조체(100D)의 중심부에서 곡률이 상대적으로 작은 쪽으로 이동시킴으로써, 전극 적층 구조체(100D)의 응력을 균일하게 조절할 수 있다.
예를 들어, 고정 부재(200)의 타측의 전극 적층 구조체(S2)가 더 큰 곡률을 가지도록 요곡 될 때, 고정 부재(200)를 전극 적층 조립체(100D)의 일단부(E1) 쪽으로 치우치도록 형성하면, 고정 부재(200)의 타측에 위치한 전극 적층 구조체(S2)는 그 길이가 제2 길이(L2)로 증가할 수 있다. 따라서, 전극 적층 조립체(100D)가 동일한 형상을 가지도록 벤딩 되더라도, 고정 부재(200)의 타측의 전극 적층 구조체(S2)는 단위 길이당 휘어지는 정도가 감소하므로, 발생하는 응력을 완화시킬 수 있다.
한편, 고정 부재(200)의 일측에 위치한 전극 적층 구조체(S1)는 그 길이가 제1 길이(L1)로 감소하므로, 응력이 증가되는 현상이 나타날 수 있는데, 이는 고정 부재(200)의 타측의 전극 적층 구조체(S2)에서 감소된 응력이 분산된 것으로 볼 수 있다. 따라서, 전극 적층 구조체(100D)가 고정 부재(200)의 양측에서 서로 다른 곡률을 가지도록 요곡될 때, 고정 부재(200)의 위치를 조절함으로써, 전극 적층 구조체(100D)에 응력이 균일하게 분산되도록 할 수 있다.
도 8은 도 1의 전극 적층 조립체의 또 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 도 8의 IV-IV 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 전극 적층 조립체(100E)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120) 및 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이의 세퍼레이터(130)를 포함할 수 있다. 또한, 전극 적층 조립체(100E)는 제1 전극층(110)와 전기적으로 연결된 제1 연결탭(113)과 제2 전극층(120)와 전기적으로 연결된 제2 연결탭(123)을 포함할 수 있다.
전극 전층 조립체(100E)는 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)을 포함하고, 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)에는 각각 제1 고정 부재(200A)와 제2 고정 부재(200B)가 형성될 수 있다. 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)은 도 1 및 도 2에서 도시하고 설명한 고정 부재 형성 영역(P)과 동일하고, 제1 고정 부재(200A)와 제2 고정 부재(200B)는 도 1 및 도 2에서 도시하고 설명한 고정 부재(200)와 동일할 수 있다.
제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)은 제1 방향 즉, 전극 적층 조립체(100E)의 길이 방향을 따라 서로 이격될 수 있으며, 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2) 사이에는 반복적인 휨 운동 또는 굽힘 운동이 발생하지 않는 고정 영역(F)이 형성될 수 있다.
제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)에는 각각 제1 고정 부재(200A)와 제2 고정 부재(200B)가 형성되므로, 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)들이 더욱 효과적으로 서로 고정될 수 있다.
한편, 전극 적층 조립체(100E)의 굽힘 운동시 고정 영역(F)도 함께 요곡되면, 고정 영역(F) 내에 위치하는 제1 전극층(110), 세퍼레이터(130) 및 제2 전극층(120)에 내부적인 휨 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 고정 영역(F)은 전극 적층 조립체(100E)의 굽힘 운동시 벤딩되지 않는 것이 바람직하며, 고정 영역(F)을 포함하여 전극 조립체(100E)가 곡률을 가지도록 형성되는 경우는, 고정 영역(F)에 필요한 곡률을 먼저 형성하고, 제1 고정 부재(200A)와 제2 고정 부재(200B)를 형성할 수 있다.
한편, 제1 연결탭(113)과 제2 연결탭(123)은 제1 방향과 수직인 제2 방향, 예를 들어, 전극 적층 조립체(100)의 폭 방향(y방향)을 따라 서로 반대방향으로 연장될 수 있으며, 제1 연결탭(113)과 제2 연결탭(123)은 각각 제1 영역(P1) 또는 제2 영역(P2)에 위치할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 가요성 이차 전지
100, 100B, 100C, 100D, 100E: 전극 적층 조립체
110: 제1 전극층 112: 제1 금속 집전체
113: 제1 연결탭 123: 제2 연결탭
114: 제1 활물질부 115: 제1 무지부
120: 제2 전극층 122: 제2 금속 집전체
124: 제2 활물질부 125: 제2 무지부
130: 세퍼레이터 140: 보호층
200, 210: 고정 부재 300: 파우치

Claims (20)

  1. 제1 전극층, 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 세퍼레이터를 포함하는 전극 적층 조립체; 및
    상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층을 고정하는 고정 부재;를 포함하고,
    상기 전극 적층 조립체는, 상기 고정 부재가 형성되는 영역인 고정 부재 형성 영역을 포함하며,
    상기 고정 부재 형성 영역은 제1 방향에 따른 상기 전극 적층 조립체의 일단부와 타단부 사이에 위치하고,
    상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층은 상기 고정 부재의 양측에서 굽힘 가능한 가요성 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부와 상기 제1 활물질이 미도포된 제1 무지부를 포함하고,
    상기 제2 전극층은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부와 상기 제2 활물질이 미도포된 제2 무지부를 포함하며,
    상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부는 상기 고정 부재 형성 영역 내에 위치하는 가요성 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정 부재 형성 영역은 상기 일단부와 상기 타단부의 중심영역인 가요성 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 일단부 및 상기 타단부에서의 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층 간의 상대적인 위치 변위량이 서로 동일한 가요성 이차 전지.
  5. 제2항에 있어서,상기 전극 적층 조립체는 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결된 제1 연결탭과, 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결된 제2 연결탭을 포함하고,
    상기 제1 연결탭과 상기 제2 연결탭은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 반대방향으로 연장된 가요성 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극 적층 조립체를 밀봉하는 파우치를 더 포함하고,
    상기 제1 연결탭과 연결된 제1 전극 단자와 상기 제2 연결탭과 연결된 제2 전극 단자는 상기 파우치를 관통하여 상기 파우치의 외부로 노출된 가요성 이차 전지.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 고정 부재는, 상기 제1 무지부와 상기 세퍼레이터 사이 및 상기 세퍼레이터와 상기 제2 무지부 사이의 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프인 가요성 이차 전지.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 무지부, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 무지부에는 각각 홀이 형성되고,
    상기 고정 부재는, 상기 홀에 삽입된 리벳인 가요성 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극 적층 조립체의 외부면에 형성된 보호층을 더 포함하는 가요성 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보호층의 휨강성은 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층의 평균 휨강성보다 큰 가요성 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정 부재 형성 영역은, 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 영역과 제2 영역을 포함하고,
    상기 고정부재는 상기 제1 영역에 형성된 제1 고정 부재와 상기 제2 영역에 형성된 제2 고정 부재를 포함하는 가요성 이차 전지.
  12. 파우치;
    상기 파우치 내부에 수용된 전극 적층 조립체; 및
    상기 전극 적층 조립체에 형성된 적어도 하나의 고정 부재;를 포함하고,
    상기 전극 적층 조립체는 제1 무지부를 구비한 제1 전극층, 제2 무지부를 구비한 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 고정 부재는 제1 방향에 따른 상기 전극 적층 조립체의 일단부와 타단부 사이에 위치하고, 상기 고정 부재는 상기 제1 무지부, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 무지부를 서로 고정시키는 가요성 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 일단부와 상기 타단부의 중심영역에 위치하는 가요성 이차 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 일단부 및 상기 타단부에서의 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층 간의 상대적인 위치 변위량이 서로 동일한 가요성 이차 전지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 고정부재는 서로 이격된 제1 고정부재와 제2 고정부재를 포함하는 가요성 이차 전지.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전극 적층 조립체는, 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결된 제1 연결탭과, 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결된 제2 연결탭을 포함하고,
    상기 제1 연결탭과 상기 제2 연결탭은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 반대방향으로 연장된 가요성 이차 전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 연결탭과 연결된 제1 전극 단자와 상기 제2 연결탭과 연결된 제2 전극 단자는 상기 파우치를 관통하여 상기 파우치의 외부로 노출된 가요성 이차 전지.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 고정 부재는, 상기 제1 무지부와 상기 세퍼레이터 사이 및 상기 세퍼레이터와 상기 제2 무지부 사이의 접착제 또는 접착제가 도포된 테이프인 가요성 이차 전지.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 제1 무지부, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 무지부에는 각각 홀이 형성되고,
    상기 고정 부재는, 상기 홀에 삽입된 리벳인 가요성 이차 전지.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 전극 적층 조립체의 외부면에 보호층을 더 포함하고,
    상기 보호층의 휨강성은 상기 제1 전극층, 상기 세퍼레이터 및 상기 제2 전극층의 평균 휨강성보다 큰 가요성 이차 전지.
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