KR20150070761A - 전해액 젖음성이 향상된 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고 있고, 양극과 음극을 구성하는 전극들 중의 적어도 하나에는 전해액이 통과할 수 있는 하나 이상의 전해액 관통구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

전해액 젖음성이 향상된 전극조립체 {Electrode of Improved Electrolyte Wetting Properties}
본 발명은 전해액 젖음성이 향상된 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 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)과 스택/폴딩형으로 구분된다.
일반적으로 전극조립체는 그것의 외면이 분리필름으로 감싸여 있고, 일부 풀셀 또는 바이셀의 측면에서 분리필름이 다층으로 존재하므로, 전지의 제조과정에서 전해액의 함침시 젖음성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 더욱이, 대면적의 전극조립체인 경우, 전극조립체의 중간 부위까지 전해액이 도달하는 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 그에 따라, 전해액은 전지의 작동에 필수적인 구성요소이므로, 전해액의 낮은 젖음성은 전지의 성능저하 및 수명단축 등을 초래한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 이차전지 조립 공정 중 에이징 과정에서 전해액 젖음성을 향상시킬 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,
하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고 있고,
양극과 음극을 구성하는 전극들 중의 적어도 하나에는 전해액이 통과할 수 있는 하나 이상의 전해액 관통구가 천공되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 양극과 음극을 구성하는 전극들 중의 적어도 하나에는 전해액이 통과할 수 있는 하나 이상의 전해액 관통구가 천공되어 있음으로써, 에이징 과정에서 전극조립체의 전해액 젖음성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 전해액 젖음성이란, 전극조립체를 전지케이스에 수납하고 전해액을 주입하여 전극조립체에 전해액이 스며들 수 있도록 하는 에이징(aging) 과정에서, 전해액이 전극조립체의 최내측까지 완전히 스며드는데 걸리는 시간의 비율로 정의할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전해액 관통구들은 중심축이 불일치하도록 각각의 전극들에 천공되어 있을 수 있다.
전해액은 전해액 관통구를 통과하면서 전해액 관통구와 인접한 부위부터 점진적으로 스며들게 된다. 만약, 전해액 관통구들이 중심축이 일치하도록 천공되어 있다면, 전극조립체의 수직 단면 상 하나의 중심축과 인접한 부위에만 전해액 젖음성이 향상되는 결과를 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전해액 관통구들이 중심축이 불일치하도록 각각의 전극들에 천공되어 있는 구조는, 전해액 관통구들이 중심축이 일치하도록 천공되어 있는 구조에 비해서, 전해액이 전극조립체 전반에 균일하게 젖어 들도록 할 수 있다.
예를 들어, 양극에는 일측 부위에 전해액 관통구가 천공되어 있을 수 있고, 음극에는 상기 양극의 전해액 관통구에 대향하는 타측 부위에 전해액 관통구가 천공되어 있을 수 있다. 이와 같은 구조는, 양극과 음극이 공히 일측 부위에 전해액 관통구가 천공되어 있는 구조에 반해, 양극과 음극 각각의 양단에 전해액 관통구가 천공되어 있으므로, 전극조립체의 양측 부위에 전해액이 균일하게 젖어들게끔 할 수 있다.
또 다른 예로서, 두 개의 양극은 일측 부위에 전해액 관통구들의 중심축이 일치하도록 전해액 관통구가 천공되어 있을 수 있고, 두 개의 음극은 타측 부위에 전해액 관통구들의 중심축이 일치하도록 전해액 관통구가 천공되어 있을 수 있다. 즉, 인접하는 양극 및 음극에 형성되어 있는 전해액 관통구들의 중심축은 불일치 할 수 있고, 동일한 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구들의 중심축은 일치할 수 있다.
반면에, 각각의 양극 및 음극의 전해액 관통구들의 중심축이 모두 불일치하는 구조도 가능함은 물론이다.
상기 전해액 관통구의 형상은, 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿 형상일 수 있다.
구체적으로, 상기 전해액 관통구의 형상은 원형이고 직경이 0.5 mm 내지 2 mm 일 수 있다. 상기 전해액 관통구의 직경이 0.5 mm 미만일 경우에는, 소망하는 정도의 전해액 젖음성을 담보할 수 없고, 전해액 관통구의 직경이 2 mm 를 초과하는 경우에는, 전지의 용량 손실이 커질 수 있다. 더욱 구체적으로, 전해액 젖음성을 충분히 향상시킴과 동시에, 전지의 용량 손실을 최소화할 수 있는, 전해액 관통구의 적정한 직경은 1 mm 내지 1.5 mm 일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전해액 관통구는 양극에만 천공되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 전해액 관통구는 음극에만 천공되어 있을 수 있다.
상기 양극 및/또는 음극뿐만 아니라, 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막에도 상기 전해액 관통구가 천공되어 있을 수 있음은 물론이다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전해액 관통구는 양극과 음극에 각각 천공되어 있고, 양극의 전해액 관통구의 크기는 음극의 전해액 관통구의 크기의 30 % 내지 99 % 범위일 수 있다. 양극의 전해액 관통구의 크기가 음극의 전해액 관통구의 크기의 30 % 미만일 경우에는, 소망하는 정도의 전해액 젖음성을 담보할 수 없고, 반대로, 양극의 전해액 관통구의 크기가 음극의 전해액 관통구의 크기의 99 % 를 초과하는 경우에는, 전해액 관통구로 인해 양극과 음극의 크기의 차가 줄어들어, 양극으로부터 음극으로 리튬 이온이 완전히 이동하지 못하고, 음극의 표면에 석출될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전극조립체는 둘 이상의 전극들에 전해액 관통구들이 각각 천공되어 있고, 상기 전해액 관통구들은 동일한 크기와 형상으로 천공되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 전극조립체는 둘 이상의 전극들에 전해액 관통구들이 각각 천공되어 있고, 상기 전해액 관통구들은 크기와 형상 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
구체적으로, 에이징 과정에서 상기 전극조립체는, 상대적으로 내측에 위치한 전극이 외측에 위치한 전극에 비해 전해액 젖음성이 낮을 수 있다. 따라서, 전해액이 전극조립체의 내측으로 젖어들수록 젖음성이 저하되는 것을 방지할 수 있도록, 내측에 위치하는 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구는, 외측에 위치하는 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구 보다 클 수 있다. 더욱 구체적으로, 내측의 전해액 관통구의 크기는 외측의 전해액 관통구의 크기의 105 % 내지 110 % 의 크기일 수 있다.
상기 전해액 관통구의 위치는 특별히 한정되지 않으며, 하나의 구체적인 예로서, 상기 전해액 관통구는 전극을 2등분하는 수직선 또는 수평선 상에 위치할 수 있거나, 전극의 정중앙에 위치할 수 있으며, 그에 따라, 전극조립체 전반에 전해액이 균일하게 젖어 들도록 할 수 있다.
또한, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 n개의 전해액 관통구들을 포함하고, 상기 n개의 전해액 관통구들은 전극을 평면 상으로 1/n 분할하는 각 분할 면적의 정중앙에 각각 위치하고 있을 수 있고, 상기 n 개의 전해액 관통구들은 상호 동일한 거리로 이격되어 위치할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극들이 4개의 전해액 관통구들을 포함하는 경우, 4개의 전해액 관통구들은 전극을 평면 상으로 1/4 로 분할하는 각 사각형의 정중앙에 위치할 수 있고, 4개의 전해액 관통구들은 서로 동일한 거리로 이격되어 있을 수 있다.
경우에 따라서, 상기 전극조립체는 상기 전극의 크기가 n 배 증가하는 것에 비례하여, 상기 전해액 관통구의 수가 n-1 개 추가로 형성되어 있을 수 있다. 즉, 상기 전극조립체의 면적이 커질수록 전해액 젖음성이 저하되므로, 전극의 크기에 비례하여 전해액 관통구를 추가로 천공함으로써, 소망하는 정도의 전해액 젖음성을 담보할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극의 크기가 3배 증가하는 경우, 추가로 2 개의 전해액 관통구를 천공할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 전극 시트에 활물질을 도포하는 과정;
(b) 상기 전극 시트를 이송하여 다이 상에 위치 고정하는 과정;
(c) 상기 전극 시트에 전극 탭 및 전해액 관통구를 타발하는 과정;
(d) 상기 전극 시트를 단위 전극의 폭에 대응하는 간격으로 커팅하는 과정; 및
(e) 단위 전극들 사이에 분리막을 개재하여 적층하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 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 양극과 음극을 구성하는 전극들 중의 적어도 하나에는 전해액이 통과할 수 있는 하나 이상의 전해액 관통구를 형성함으로써, 에이징 과정에서 전극조립체의 전해액 젖음성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 평면도이다;
도 2는 도 1의 수직 단면도이다.
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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 평면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1 의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극조립체(100)는 양극(110), 음극(120), 및 양극(110)과 음극(120) 사이에 개재되어 있는 분리막(130)으로 이루어져 있다.
도 1 의 양극(110)에는 전해액이 통과할 수 있는 평면 상 2 개의 전해액 관통구들(111, 112)이 형성되어 있고, 도 1의 음극(120)에는 평면 상 2개의 전해액 관통구들 (121, 122)이 천공되어 있다. 전해액 관통구들(111, 112, 121, 122)은 평면 상 원형으로 이루어져 있다.
4 개의 전해액 관통구들(111, 112, 121, 122)은 전극(110, 120)을 평면 상으로 1/4 로 분할하는 각 사각형의 정중앙에 천공되어 있고, 4 개의 전해액 관통구들(111, 112, 121, 122)은 평면 상 상호 동일한 거리로 이격되어 있다.
양극(110)의 수직 단면 상 전해액 관통구들(111, 113)은 중심축(A)을 따라 천공되어 있고, 음극(120)의 수직 단면 상 전해액 관통구들(121, 123)은 중심축(B)을 따라 천공되어 있다. 따라서, 전극(110, 120)의 좌우 양측 부위에 전해액이 균일하게 젖어들 수 있다.
전극조립체(100)의 내측에 위치한 전해액 관통구들(113, 121)의 직경W1)은 외측에 위치한 전해액 관통구들(111, 123)의 직경(W2) 보다 큰 구조로 이루어져 있다. 따라서, 전해액이 전극조립체(100)의 내측으로 스며들수록, 전해액 젖음성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고 있고,
    양극과 음극을 구성하는 전극들 중의 적어도 하나에는 전해액이 통과할 수 있는 하나 이상의 전해액 관통구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구들은 중심축이 불일치하도록 각각의 전극들에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구의 형상은 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿 형상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구의 형상은 원형이고 직경이 0.5 mm 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전해액 관통구의 직경은 1 mm 내지 1.5 mm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구는 양극에만 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구는 음극에만 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구는 양극과 음극에 각각 천공되어 있고, 양극의 전해액 관통구의 크기는 음극의 전해액 관통구의 크기의 30% 내지 99% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 전극들에 전해액 관통구들이 각각 천공되어 있고, 상기 전해액 관통구들은 동일한 크기와 형상으로 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 전극들에 전해액 관통구들이 각각 천공되어 있고, 상기 전해액 관통구들은 크기와 형상 중 적어도 하나가 다른 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 내측에 위치하는 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구들은, 외측에 위치하는 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구들보다 크기가 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 11 항에 있어서, 내측에 위치하는 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구는, 외측에 위치하는 전극에 형성되어 있는 전해액 관통구의 크기의 105 내지 .110 % 의 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구는 전극을 2등분하는 수직선 또는 수평선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전해액 관통구는 전극의 정중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 n개의 전해액 관통구들을 포함하고, 상기 n개의 전해액 관통구들은 전극을 평면 상으로 1/n 분할하는 각 분할 면적의 정중앙에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 n개의 전해액 관통구들은 상호 동일한 거리로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항에 따른 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 전극 시트에 활물질을 도포하는 과정;
    (b) 상기 전극 시트를 이송하여 다이 상에 위치 고정하는 과정;
    (c) 상기 전극 시트에 전극 탭 및 전해액 관통구를 타발하는 과정;
    (d) 상기 전극 시트를 단위 전극의 폭에 대응하는 간격으로 커팅하는 과정; 및
    (e) 단위 전극들 사이에 분리막을 개재하여 적층하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조 방법.
  18. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제 18 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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