KR20150086218A - 서로 다른 형상의 양극과 음극을 포함하는 전극조립체 및 이차전지 - Google Patents

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이민희
이성민
이재헌
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Abstract

본 발명은 교대로 배치된 복수의 양극판 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리막; 상기 복수의 양극판에 각각 형성된 복수의 양극 탭들; 상기 복수의 음극판에 각각 형성된 복수의 음극 탭들; 상기 복수의 양극 탭들과 결합되는 양극 리드; 상기 복수의 음극 탭들과 결합되는 음극 리드;를 포함하며, i) 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 형상이 서로 다르고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 2 내지 100%이거나, ii) 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 형성된 전극면에 대해 비대칭적으로 위치하고 있고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 전극면의 길이 대비 5 내지 45%인 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

서로 다른 형상의 양극과 음극을 포함하는 전극조립체 및 이차전지 {Electrode Assembly Comprising Anode and Cathode Having Different Shapes to Each Other and Secondary Battery Employed with the Same}
본 발명은 서로 다른 형상의 양극과 음극을 포함하는 전극조립체 및 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 교대로 배치된 복수의 양극판 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리막; 상기 복수의 양극판에 각각 형성된 복수의 양극 탭들; 상기 복수의 음극판에 각각 형성된 복수의 음극 탭들; 상기 복수의 양극 탭들과 결합되는 양극 리드; 상기 복수의 음극 탭들과 결합되는 음극 리드;를 포함하며, i) 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 형상이 서로 다르고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 2 내지 100%이거나, ii) 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 형성된 전극면에 대해 비대칭적으로 위치하고 있고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 전극면의 길이 대비 5 내지 45%인 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극 활물질은 주로 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등으로 이루어져 있으며, 음극 활물질은 주로 탄소계 물질로 이루어져 있다.
그러나, 음극 활물질로서 탄소계 물질을 이용한 리튬 이차전지에서는, 최초 충방전시 탄소계 물질의 층상 구조 내에 삽입된 일부 리튬 이온에서 비가역 용량이 발생하여, 방전 용량의 저하가 초래된다. 또한, 탄소재료는 산화/환원 전위가 Li/Li+의 전위에 대하여 0.1 V 정도로 낮은 바, 음극 표면에서 비수 전해액의 분해가 일어나고, 리튬과 반응하여 탄소재료 표면을 피복하는 층(passivating layer 또는 solid electrolyte interface; SEI 막)이 형성된다. 이러한 SEI 막은 사용하는 전해액 시스템에 따라 그 두께와 경계면의 상태가 달라져 충방전 특성에도 영향을 미친다. 더욱이, 파워툴 등과 같이 고출력 특성이 요구되는 분야에 사용되는 이차전지에서는, 이러한 얇은 두께의 SEI 막이라 할지라도 이로 인해 저항이 커져 RDS(rate determining step)가 될 수 있다. 또한, 음극 표면에 리튬 화합물이 생성됨으로써 충방전의 반복에 따라 리튬의 가역 용량이 점차 감소되어, 방전 용량이 감소하고 사이클(cycle) 열화가 발생한다는 문제가 있다.
한편, 구조적으로 안정적이고 사이클 특성이 양호한 음극재로서, 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)이 검토되고 있다. 이러한 LTO을 음극 활물질로서 포함하는 리튬 이차전지는 음극의 산화/환원 전위가 Li/Li+의 전위에 대하여 1.5 V 정도로서 상대적으로 높아 전해액 분해가 거의 발생하지 않고, 결정 구조의 안정성으로 인해 사이클 특성이 우수하다.
또한, 기존의 음극 활물질은 Cu 호일에 코팅하던 것을 LTO를 음극 활물질로 사용하면서 Al 호일에 사용할 수 있다.
그러나, 이에 따라 Al 호일에 코팅하던 양극과 LTO 음극을 육안으로 구분하기 어려워지고, 따라서 리드 용접 시 교차 용접 가능성이 높으며, Al 리드 또한 사용이 가능하게 됨에 따라, LTO 음극을 양극으로 오인하여 모듈 조립시 또는 전기적 연결을 위한 배선시 양극과 음극의 위치를 혼동할 가능성이 존재한다.
따라서, 이러한 요구를 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 양극 탭들과 음극 탭들의 형상을 달리하거나, 양극 탭들과 음극 탭들을 전극면에 대해 비대칭적으로 위치시키고, 양극 리드와 음극 리드의 형상을 달리하거나, 양극과 음극 리드를 전극면에 대해 비대칭적으로 위치시키는 경우, 이에 더하여 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭을 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이에 대해 소정의 크기로 형성시키는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 교대로 배치된 복수의 양극판 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리막; 상기 복수의 양극판에 각각 형성된 복수의 양극 탭들; 상기 복수의 음극판에 각각 형성된 복수의 음극 탭들; 상기 복수의 양극 탭들과 결합되는 양극 리드; 상기 복수의 음극 탭들과 결합되는 음극 리드;를 포함하며 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 형상이 서로 다르고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 2 내지 100%인 전극조립체를 제공한다.
이 때, 상기 폭은 전극면에 대해 탭들이 돌출된 방향에 수직인 방향으로의 크기를 의미하며, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상세하게는 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 2 내지 80%일 수 있다.
상기 전극 탭들의 폭은, 넓을수록 저항이 작아지고, 발열이 줄어들어 바람직하나, 상기 범위를 벗어나 더욱 커지는 경우에는 제조공정비가 매우 상승하고, 양극과 음극의 전기적 연결을 위한 제조공정이 복잡해지는 바 바람직하지 않다.
또한, 상기 범위 내라면, 양극 탭들과 음극 탭들의 폭이 꼭 동일할 필요는 없고, 서로 동일할 수도 다를 수도 있다.
이러한 양극 탭들과 음극 탭들의 위치는 한정되지 아니하고, 예를 들어, 전극조립체의 제조시 평면 상으로 전극조립체의 일측 방향의 단부에 함께 위치하거나, 또는 양측 대향 단부 상에 각각 위치하거나, 또는 서로 직각 방향의 단부 상에 위치하도록 형성될 수 있다.
하나의 예로, 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 전극조립체의 제조시 평면상으로 전극조립체의 일측 방향의 단부에 함께 위치하는 경우에는, 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 겹치지 않도록, 각각의 폭이 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 5 내지 45%일 수 있고, 상세하게는 10 내지 40%일 수 있다.
또 하나의 예로, 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 전극조립체의 제조시 평면상으로 전극조립체의 양측 대향 단부 상에 각각 위치하거나 서로 직각 방향의 단부상에 위치하는 경우, 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 겹치지 아니하므로, 보다 넓은 범위에서 각각의 폭이 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 상세하게는 10 내지 80%일 수 있고, 더욱 상세하게는 15 내지 70%일 수 있다.
한편, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 형상은 서로 구별이 가능하면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 서로 다른 다각형일 수 있고, 또는 양극 탭들과 음극 탭들 중 어느 한 종류의 탭들이 원호형의 일측 단부를 가진 형상일 수 있다. 더 나아가, 용접이 용이하도록 용접 부위의 폭이 넓은 사다리꼴 형상, 상향 테이퍼진 깔대기 형상, 부채꼴 형상 또는 버섯 형상 등일 수도 있다.
상기와 같이 다른 형상의 양극 탭들과 음극 탭들은 교차 용접을 방지하는 효과가 있다.
다만, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 위치가 대칭적인 경우에는, 리드가 탭들에 결합됨에 따라 모듈 조립시 또는 전기적 연결을 위한 배선시 양극 리드와 음극 리드의 위치를 혼동할 수 있는 문제를 여전히 안고 있다.
따라서, 상기 문제를 해결하기 위해, 하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 리드와 음극 리드는 그 형상이 서로 다를 수 있다. 이 때, 양극 리드와 음극 리드의 형상 역시 한정되지 아니하고, 예를 들어, 서로 다른 다각형일 수 있고, 어느 하나가 원호형의 일측 단부를 가진 형상일 수 있으며, 상기와 같이 양극 리드와 음극 리드가 전극면에 대해 비대칭적으로 위치하도록, 양극 리드 또는 음극 리드가 꺾인 형태일 수도 있다.
본 발명은 또한, 교대로 배치된 복수의 양극판 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리막; 상기 복수의 양극판에 각각 형성된 복수의 양극 탭들; 상기 복수의 음극판에 각각 형성된 복수의 음극 탭들; 상기 복수의 양극 탭들과 결합되는 양극 리드; 상기 복수의 음극 탭들과 결합되는 음극 리드;를 포함하며 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 상기 탭들이 형성된 전극면에 대해 비대칭적으로 위치하고 있고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 전극면의 길이 대비 5 내지 45%인 전극조립체를 제공한다.
본 발명에서 두 전극 탭들이 전극면에 대해 비대칭적으로 위치해 있다는 것은, 전극조립체의 중심, 즉, 전극면의 중심점을 상하 방향으로 지나는 축에 대해 비대칭적으로 편향되게 배치되어 있음을 의미한다.
이로 인해, 예를 들어, 전극 탭들의 위치가 전극조립체를 반으로 접는 가상적인 상황을 상정할 때, 전극 탭들은 상호 겹치지 않게 된다.
상기에서 볼 수 있듯이, 전극 탭들이 비대칭적으로 위치하는 구성은 상기 양극 탭들과 음극 탭들이 전극조립체의 제조시 평면상으로 전극조립체의 일측 방향의 단부에 함께 위치하는 경우를 전제로 하므로, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은, 상기 범위 내일 수 있고, 더욱 상세하게는 전극면의 길이 대비 10 내지 40%일 수 있다.
이 경우 역시, 상기 범위 내라면, 양극 탭들과 음극 탭들의 폭이 꼭 동일할 필요는 없고, 서로 동일할 수도 다를 수도 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 전극조립체의 제조시 상기 양극 탭들이 음극 탭들에 비해 전극면에 대해 긴 면에 위치하도록 형성되거나, 상기 음극 탭들이 양극 탭들에 비해 전극면에 대해 긴 면에 위치하도록 형성될 수 있다.
상기와 같이 전극 탭들이 비대칭적으로 위치하는 경우에는, 양극 탭들과 음극 탭들의 구별이 용이하여 교차 용접을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 양극 리드와 음극 리드가 각각 양극 탭들과 음극 탭들에 용접되는 바, 양극 리드와 음극 리드 역시 비대칭적으로 위치하게 되므로 모듈 조립시 또는 전기적 연결을 위한 배선시 양극 리드와 음극 리드의 위치를 혼동하는 것 또한 방지할 수 있다.
다만, 이 경우에도, 상기 양극 리드와 음극 리드의 형상을 서로 다르게 할 수 있고, 이 때, 양극 리드와 음극 리드의 형상 역시 한정되지 아니하고, 예를 들어, 서로 다른 다각형일 수 있고, 어느 하나가 원호형의 일측 단부를 가진 형상일 수 있으며, 꺾인 형태일 수도 있다.
한편, 전극 탭들과 전극 리드의 용접성을 향상시키는 방법으로, 상기에서 설명한 바와 같이, 양극 탭들과 음극 탭들의 형상을 용접 부위의 폭이 넓은 구성으로 선택할 수도 있지만, 하나의 구체적인 예에서, 용접 부위의 높이를 전극 리드의 높이 대비 3 내지 30%, 더욱 상세하게는 3 내지 20%로 함으로써 달성할 수 있다.
이 때, 상기 높이는 전극면에 대해 탭들이 돌출된 방향을 의미한다.
용접성만을 고려하면 용접 부위가 넓고 클수록 좋지만, 상기 범위를 벗어나 30%를 초과하여 커지는 경우에는 용접에 의한 저항이 매우 커지고, 3%보다 작은 경우에는 소망하는 용접성 향상의 효과를 발휘하지 못하는 바 바람직하지 않다.
상기 양극 탭들과 음극 탭들, 및 양극 리드와 음극 리드를 구성하는 소재는 다를 수도 있지만, 상세하게는 동일한 소재로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 상기 소재는 Al일 수 있다.
이하에서는, 상기 전극조립체의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 양극판은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 활물질은 화학식 1로 표시되는 고전위 산화물인 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물일 수 있다.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
상세하게는, 상기 리튬 망간 복합 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 리튬 니켈 망간 복합 산화물일 수 있으며, 더욱 상세하게는 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4일 수 있다.
LixNiyMn2-yO4 (2)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이다.
또 하나의 예에서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 3 ~ 4로부터 선택된 1종 이상의 산화물일 수 있고, 상세하게는, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, LiMn2O4로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산화물일 수 있다.
Li1+x’Ni1-y’-z’-tMny’Coz’M’tO2-wA’w (3)
(-0.2<x’<0.2, 0≤y’≤0.4, 0≤z’≤0.4, 0≤t≤0.2, 0≤w≤0.05, M’= Fe, Cr, Ti, Zn, V 등 first row transition metal, Al, Mg 등, A’= S, Se, F, Cl, I 등 6A족 및 7A족 원소) ; 및
Li1+x’’Mn2-y’’M’’y’’O4-w’A’’w’ (4)
(-0.2<x’’<0.2, 0≤y’’<0.4, 0≤w’≤0.05, M’’=Ni, Mn, Fe, Cr, Ti, Zn, V 등 first row transition metal, Al, Mg 등, A’’= S, Se, F, Cl, I 등 6A족 및 7A족 원소)
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극판은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 활물질은 하기 화학식 5로 표시되는 리튬 티타늄 산화물(LTO)일 수 있고, 구체적으로 Li0.8Ti2.2O4, Li2.67Ti1.33O4, LiTi2O4, Li1.33Ti1.67O4, Li1.14Ti1.71O4 등 일 수 있으나, 리튬 이온을 흡장/방출할 수 있는 것이면 그 조성 및 종류에 있어 별도의 제한은 없으며, 더욱 상세하게는, 충방전시 결정 구조의 변화가 적고 가역성이 우수한 스피넬 구조의 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4일 수 있다.
LiaTibO4 (5)
상기 식에서, 0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5 이다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지를 제공하고, 상세하게는, 상기 전극조립체에 전극 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 이차전지를 제공한다.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 양극 탭들과 음극 탭들의 형상을 달리하거나, 양극 탭들과 음극 탭들을 전극면에 대해 비대칭적으로 위치시킴으로써, 교차 용접을 방지할 수 있고, 양극 리드와 음극 리드의 형상을 달리하거나, 양극과 음극 리드를 전극면에 대해 비대칭적으로 위치시킴으로써, 모듈 조립시 또는 전기적 연결을 위한 배선시 양극과 음극의 위치를 혼동할 수 있는 문제를 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 양극 탭들과 음극 탭들의 폭을 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 소정의 크기로 형성함으로써, 저항을 낮춤에 따라 전지의 발열을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 하나의 실시예들에 따른 전극조립체의 모식도이다.
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 1 내지 도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체들(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)이 모식적으로 도시되어 있다.
전극조립체들은 양극 탭들(140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 840)이 돌출되어 있는 양극판들(110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810)과, 음극 탭들(150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850)이 돌출되어 있는 음극판들(120, 220, 320, 420, 520, 620, 720, 820) 및 상기 양극판들(110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810)과 음극판들(120, 220, 320, 420, 520, 620, 720, 820)의 사이에 개재되는 분리막들(130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 830)의 적층체와, 양극 탭들(140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 840)과 결합되는 양극 리드들(160, 260, 360, 460, 560, 660, 760, 860) 및 음극 탭들(150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850)과 결합되는 음극 리드들(170, 270, 370, 470, 570, 670, 770, 870)로 구성되어 있다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 양극 탭들(140, 240)은 평면상으로 사다리꼴 형상으로 이루어져 있고, 음극 탭들(150, 250)은 평면상으로 직사각형으로 이루어져 있으며, 양극 리드들(160, 260)은 평면상으로 일측 단부가 원호형인 구조로 이루어져 있고, 음극 리드들(170, 270)은 평면상으로 직사각형 구조로 이루어져 있다. 따라서, 양극 탭들(140, 240)과 음극 탭들(150, 250)의 구별이 용이하며, 양극 리드들(160, 260)과 음극 리드들(170, 270)의 구별 역시 용이하다.
한편, 양극 탭들(140, 240)과 음극 탭들(150, 250)의 폭(w, w’)은 도 1의 경우, 탭들이 형성된 전극면의 길이(l) 대비 각각 약 15% 정도이고, 도 2의 경우, 약 35% 정도인 바, 5 내지 45% 안에서 다양하게 형성된다.
도 3을 참조하면, 양극 탭(340)은 평면상으로 사다리꼴 형상으로 이루어져 있고, 음극 탭(350)은 평면상으로 직사각형으로 이루어져 있으며, 양극 리드(360)은 평면상으로 꺾인 형상으로 이루어져 있고 음극 리드(370)은 평면상으로 직사각형 구조로 이루어져 있다. 따라서, 양극 탭(340)과 음극 탭(350)의 구별이 용이하며, 양극 리드(360)의 꺾인 형상으로 인해 양극 리드(360)와 음극 리드(370)는 전극의 중심을 상하 방향으로 지나가는 축으로부터 거리상 차이가 있게 비대칭적(A≠B)으로 위치하므로, 양극 리드(360)와 음극 리드(370)의 구별 역시 용이하다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 양극 탭들(440, 540)과 음극 탭들(450, 550)은 전극조립체(400, 500)의 제조시 양측 대향 단부 상에 각각 위치하도록 형성되어 있다. 이 경우 역시 도 1에서와 마찬가지로 양극 탭들(440, 540)과 음극 탭들(450, 550)의 형상이 상이하고, 양극 리드들(460, 560)과 음극 리드들(470, 570)의 형상 또한 상이하여 각각의 구별이 용이하다.
한편, 양극 탭들(440, 540)과 음극 탭들(450, 550)의 폭(w, w’)은 도 4의 경우, 탭들이 형성된 전극면의 길이(l) 대비 각각 약 15% 정도이고, 도 5의 경우, 약 70 ~ 80% 정도인 바, 10 내지 80% 안에서 다양하게 형성된다.
도 6 및 7를 참조하면, 양극 탭들(640, 740)과 음극 탭들(650, 750)의 형상이 상호 동일하지만, 비대칭적(A≠B)으로 위치해 있다는 점에서 도 1 및 도 2의 전극조립체들(100, 200)과 차이가 있다. 따라서, 양극 탭들(640, 740)과 음극 탭들(650, 750)의 구별이 용이하다. 또한, 이 경우에는, 양극 리드들(660, 760)과 음극 리드들(670, 770)의 형상을 동일하게 하더라도, 전극 탭들(640, 650 및 740, 750)의 위치에 따라, 두 전극 리드들(660, 670 및 760. 770) 역시 전극의 중심을 상하 방향으로 지나가는 축으로부터 거리상 차이가 있게 비대칭적(A≠B)으로 위치하게 되는바, 양극 리드들(660, 760)와 음극 리드들(670, 770)의 구별 역시 용이하다.
한편, 양극 탭들(640, 740)과 음극 탭들(650, 750)의 폭(w, w’)은 도 6의 경우, 탭들이 형성된 전극면의 길이(l) 대비 각각 약 15% 정도로 동일하고, 도 7의 경우, 양극 탭(740)의 폭(w)은 약 25%, 음극 탭(750)의 폭(w’)은 약 15% 정도로 상이하여 5 내지 45% 범위 내에서 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 동일할 수도, 상이할 수도 있음을 보여준다.
도 8을 참조하면, 양극 리드(860)가 평면상으로 일측 단부가 원호형인이고, 구조로 이루어져 있고, 음극 리드(870)가 평면상으로 직사각형인 구조로 이루어져 있다는 점에서 도 6 및 도 7의 전극조립체(600, 700)과 차이가 있다. 즉, 양극 탭(840)과 음극 탭(850)이 비대칭적으로 위치하는 경우에도, 전극 리드들(860, 870)의 형상을 서로 달리하여 더욱 양극 리드(860)와 음극 리드(870)의 구별을 용이하게 할 수도 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (29)

  1. 교대로 배치된 복수의 양극판 및 음극판;상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리막;
    상기 복수의 양극판에 각각 형성된 복수의 양극 탭들; 상기 복수의 음극판에 각각 형성된 복수의 음극 탭들;상기 복수의 양극 탭들과 결합되는 양극 리드;
    상기 복수의 음극 탭들과 결합되는 음극 리드;
    를 포함하며,
    상기 양극 탭들과 음극 탭들의 형상이 서로 다르고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 2 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 형상은 서로 다른 다각형인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들 중에 어느 한 종류의 탭들이 원호형의 일측 단부를 가진 형상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 2 내지 80%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 전극조립체의 제조시 평면 상으로 전극조립체의 일측 방향의 단부에 함께 위치하거나, 또는 양측 대향 단부 상에 각각 위치하거나, 또는 서로 직각 방향의 단부 상에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 전극조립체의 제조시 평면상으로 전극조립체의 일측 방향의 단부에 함께 위치하고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 5 내지 45%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 전극조립체의 제조시 평면상으로 전극조립체의 양측 대향 단부상에 각각 위치하거나, 또는 서로 직각 방향의 단부상에 위치하고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 10 내지 80%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 탭들이 형성된 전극면의 길이 대비 15 내지 70%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 교대로 배치된 복수의 양극판 및 음극판;상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리막;
    상기 복수의 양극판에 각각 형성된 복수의 양극 탭들; 상기 복수의 음극판에 각각 형성된 복수의 음극 탭들;상기 복수의 양극 탭들과 결합되는 양극 리드;
    상기 복수의 음극 탭들과 결합되는 음극 리드;
    를 포함하며,
    상기 양극 탭들과 음극 탭들은 상기 탭들이 형성된 전극면에 대해 비대칭적으로 위치하고 있고, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 전극면의 길이 대비 5 내지 45%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 전극조립체의 제조시 상기 양극 탭들이 음극 탭들에 비해 전극면에 대해 긴 면에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들은 전극조립체의 제조시 상기 음극 탭들이 양극 탭들에 비해 전극면에 대해 긴 면에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들의 폭은 상기 전극면의 길이 대비 10 내지 40%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 양극 리드와 음극 리드 형상이 서로 다른 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 양극 리드와 음극 리드의 형상은 서로 다른 다각형인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 양극 리드와 음극 리드 중에 어느 하나가 원호형의 일측 단부를 가진 형상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 양극 리드와 음극 리드가 전극면에 대해 비대칭적으로 위치하도록, 상기 양극 리드 또는 음극 리드가 꺾인 형태인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭들과 음극 탭들을 이루는 소재가 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  19. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 양극과 음극 리드를 이루는 소재가 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  20. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭들 및 음극 탭들이 상기 양극 리드 및 음극 리드에 결합되는 용접 부위의 높이는 상기 양극 리드 및 음극 리드의 높이 대비 3 내지 30%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 양극 탭들 및 음극 탭들이 상기 양극 리드 및 음극 리드에 결합되는 용접 부위의 높이는 상기 양극 리드 및 음극 리드의 높이 대비 3 내지 20%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  22. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 양극판은 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체:
    LixMyMn2-yO4-zAz (1)
    상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y<2, 0≤z<0.2이고,
    M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
    A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 리튬 망간 복합 산화물은 하기 화학식 2로 표시되는 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Lithium Nickel Manganese complex Oxide: LNMO)인 것을 특징으로 하는 전극조립체:
    LixNiyMn2-yO4 (2)
    상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이다.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 리튬 니켈 망간 복합 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  25. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 양극판은 하기 화학식 3 ~ 4로부터 선택된 1종 이상의 산화물을 양극 활물질로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체:
    Li1+x’Ni1-y’-z’-tMny’Coz’M’tO2-wA’w (3)
    (-0.2<x’<0.2, 0≤y’≤0.4, 0≤z’≤0.4, 0≤t≤0.2, 0≤w≤0.05, M’= Fe, Cr, Ti, Zn, V 등 first row transition metal, Al, Mg 등, A’= S, Se, F, Cl, I 등 6A족 및 7A족 원소) ; 및
    Li1+x’’Mn2-y’’M’’y’’O4-w’A’’w’ (4)
    (-0.2<x’’<0.2, 0≤y’’<0.4, 0≤w’≤0.05, M’’=Ni, Mn, Fe, Cr, Ti, Zn, V 등 first row transition metal, Al, Mg 등, A’’= S, Se, F, Cl, I 등 6A족 및 7A족 원소)
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, LiMn2O4로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  27. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 음극판은 하기 화학식 5로 표시되는 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 음극 활물질로 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체:
    LiaTibO4 (5)
    상기 식에서, 0.5≤a≤3, 1≤b≤2.5 이다.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 리튬 티타늄 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지.
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