KR20150134573A - 이중 구조의 분리막을 포함하는 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수의 단위셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조의 전극조립체로서, 상기 단위셀은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 양극과 음극 사이에 게재되는 분리막이 적층된 구조로 이루어져 있으며; 상기 분리필름은 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름의 일면 또는 양면에 무기물 코팅층이 도포되어 있고, 권취 방향의 수직 방향에서 무기물 코팅층의 폭은 다공성 기재 필름의 폭 보다 작은 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

이중 구조의 분리막을 포함하는 전지셀 {Battery Cell Comprising Separator of Double Structure}
본 발명은 이중 구조의 분리막을 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
이러한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있다.
또한, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시된 바가 있다.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.
안전성의 문제 중 하나로, 전지가 고온에 노출되었을 때 발생되는 분리막의 수축 또는 파손으로 인한 내부단락은 매우 심각한 실정이고, 이에 대한 원인규명 및 대안에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 단위셀들의 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막의 잉여부 및 분리필름의 잉여부가 120도 내지 200도 범위에서 상호 융착되어, 분리막의 열 수축성이 억제된 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 분리필름의 일면 또는 양면에 무기물 코팅층이 도포되어 긁힘이나 충격 등 으로부터, 전지의 내부 단락을 방지하고, 기계적 물성이 우수한 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,
복수의 단위셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조의 전극조립체로서,
상기 단위셀은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 양극과 음극 사이에 게재되는 분리막이 적층된 구조로 이루어져 있으며;
상기 분리필름은 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름의 일면 또는 양면에 무기물 코팅층이 도포되어 있고, 권취 방향의 수직 방향에서 무기물 코팅층의 폭은 다공성 기재 필름의 폭 보다 작은 것을 특징으로 하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는, 분리 필름의 일면 또는 양면에 무기물 코팅층이 도포되어 있으므로, 못과 같이 날카로운 침상 도체에 의한 관통이나 외부 충격 등에 대한 안전성이 우수하고, 분리필름이 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름으로 이루어져 있으므로, 고온 상태에서 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름이 상호 융착되어 권취 방향의 수직 방향에서의 열수축률이 감소하는 효과가 있다.
상기 단위셀의 하나의 예로서, 상기 단위셀은 양단의 전극들이 동일한 극성을 가진 바이셀 구조로 이루어져 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 단위셀은 양극, 분리막, 음극, 분리막, 양극의 순서로 적층된 구조로 이루어짐으로써, 단위셀의 양측에 극성이 동일한 양극이 위치하거나, 음극, 분리막, 양극, 분리막, 음극의 순서로 적층된 구조로 이루어짐으로써, 단위셀의 양측에 극성이 동일한 음극이 위치하는 구조일 수 있다.
상기 단위셀의 또 다른 예로서, 상기 단위셀은 양극, 분리막, 음극의 순서로 적층된 구조로 이루어짐으로써, 단위셀의 양측에 각각 극성이 상이한 양극과 음극이 위치하는 구조일 수도 있다.
그러나, 단위셀의 구조가 이들에 한정되는 것은 아니며, 다수의 양극, 분리막, 음극이 적층된 구조로서, 최외곽 전극들의 극성이 서로 동일하거나, 상이한 적층 구조로 이루어져, 전기적 성능을 발휘하는 것이라면 크게 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 하나의 실시예로서, 상기 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리막의 폭은 음극의 폭보다 큰 구조로 이루어져 있을 수 있다..
구체적으로, 상기 분리막의 폭은 양극과 음극의 절연상태를 안정적으로 유지하기 위하여, 상기 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리막의 양단 부위에는 음극의 단부로부터 각각 연장된 분리막 잉여부가 형성되어 있을 수 있다.
이러한 분리막 잉여부의 폭은, 열수축 크기를 보상하면서 분리막 잉여부 또는 분리필름의 잉여부에 상호융착될 수 있는 크기라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 단위셀의 음극의 폭을 기준으로 1 내지 20% 범위의 크기일 수 있다. 상기 폭은 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로의 길이를 의미한다.
상기 분리막 잉여부의 폭이 음극의 폭 크기에 대해 1% 미만일 경우에는, 고온의 상황에서 분리막의 수축으로 인해, 전극과 분리막의 탈리를 비롯해, 양극과 음극의 직접 접촉을 통한 내부 단락 등을 유발할 수 있어, 전지셀의 열 안전성을 담보하기 어려울 수 있다.
반면에, 상기 분리막 잉여부의 폭이 음극의 폭 크기에 대해 20% 를 초과할 경우에는, 분리필름 상에 단위셀을 위치시킨 상태에서 권취하는 과정에서, 상기 단위셀의 최외곽 전극과 분리필름 사이에 분리막 잉여부가 개입되어, 전류의 흐름을 방해할 수 있고, 그에 따라, 전지셀의 성능이 저하되고, 부피가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로 음극의 폭은 양극의 폭보다 큰 것이 바람직한 구조이다. 음극의 폭 크기는 양극의 폭 크기에 대해 101 내지 120%일 수 있다.
한편, 이치전지에서 일반적으로 사용되는 분리막의 두께는 약 10 ㎛ 정도지만, 무기물 코팅층이 도포되어 있는 분리막은 약 20 ㎛ 정도의 두께를 가진다. 이때, 분리막의 양면에 무기물 코팅층을 도포하여 분리막을 제조하므로, 일면에 도포되는 무기물 코팅층의 두께는 약 5 ㎛ 정도이다. 무기물 코팅층이 도포되어 있는 분리막을 제조할 때 이와 같은 무기물 코팅층의 두께가 필요한 것은, 무기물 코팅층을 일정 두께 이하로 하는 경우, 그 제조 공정 상 불량률이 높아질 수 있고, 기대하는 물성을 얻기 어렵기 때문이다.
이와 달리, 본 발명에 따른 전극조립체의 전극합제층에 형성되는 무기물 코팅층의 두께는 0.3 ㎛ 내지 4 ㎛ 일 수 있다.
상기 무기물 코팅층의 두께가 0.3 ㎛ 미만인 경우에는 전극조립체에 충분한 열적 안정성을 제공하기 어렵고, 4 ㎛ 초과인 경우에는 무기물 코팅층의 체적이 증가하여 전극조립체의 에너지 밀도가 낮아지므로 바람직하지 않다.
상기 무기물 코팅층의 하나의 예로서, 상기 무기물 코팅층은 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하고 있을 수 있다.
이러한 무기물 코팅층은 무기물 입자 및 바인더 고분자를 혼합하여 단면 전극 또는 양면 전극에서 집전체와 대면하지 않는 전극 합제층의 타면에 도포한 후 열융착 등의 방법을 통하여 형성 될 수 있다.
이러한 무기물 코팅층은 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조로 인하여 전극조립체에 가해지는 외부의 충격을 상당히 완화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기공을 통해 리튬 이온의 원활한 이동이 이루어지고, 다량의 전해액이 채워져 높은 함침율을 나타낼 수 있으므로, 전지의 성능 향상을 함께 도모할 수 있다.
상기 무기물 입자는 무기물 입자들간 빈 공간의 형성을 가능하게 하여 미세 기공을 형성하는 역할과 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 겸하게 된다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다.
또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다.
또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 압전성(piezoelectricity) 무기물 입자는 상압에서는 부도체이나, 일정 압력이 인가되었을 경우 내부 구조 변화에 의해 전기가 통하는 물성을 갖는 물질을 의미하는 것으로서, 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을나타낼 뿐만 아니라 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 한 면은 양으로, 반대편은 음으로 각각 대전됨으로써, 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 기능을 갖는 물질이다.
상기와 같은 특징을 갖는 무기물 입자를 사용하는 경우, 침상 도체와 같은 외부 충격에 의해 양(兩) 전극의 내부 단락이 발생하는 경우 무기물 입자로 인해 양극과 음극이 직접 접촉하지 않을 뿐만 아니라, 무기물 입자의 압전성으로 인해 입자 내 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 양(兩) 전극 간의 전자 이동, 즉 미세한 전류의 흐름이 이루어짐으로써, 완만한 전지의 전압 감소 및 이로 인한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전성을 갖는 무기물 입자의 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) 및 hafnia (HfO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트 (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마니움티오포스페이트 (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드 (LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2 (LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0<x<3, 0<y< 3, 0<z<7) 계열 glass로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더는 예를 들어, 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 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 무기물 코팅층의 무기물 입자 및 바인더 고분자의 조성비는 크게 제약은 없으나, 10:90 내지 99:1 중량% 비율 범위 내에서 조절 가능하며, 80:20 내지 99:1 중량% 비율 범위가 바람직하다.
10:90 중량% 비율 미만인 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성된 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기되며, 반대로 99:1 중량% 비율을 초과하는 경우, 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 최종 유/무기 복합 다공성 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 무기물 코팅층은 전술한 무기물 입자 및 고분자 이외에, 통상적으로 알려진 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재 필름은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PE-PP 공중합체, 또는 PE-PP 블랜드 중 선택되는 하나일 수 있다.
상기 다공성 기재 필름은 통상적인 이차전지용 분리막과 마찬가지로 폴리올레핀 계열의 고분자 수지로 이루어진다. 상기 폴리올레핀 수지로는 특별한 제한은 없으나, 폴리에틸렌 수지나 폴리프로필렌 수지가 적당하며 상기 폴리에틸렌 수지만으로 이루어 질 수도 있고, 상기 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합 수지로 이루어질 수도 있다. 그 중에서 특히 용융지수가 0.01~0.6이고, 중량평균분자량이 300,000~500,000인 것이 바람직하다.
상기 고분자 수지의 용융지수가 0.01 미만이면 수지 자체의 흐름성이 낮아서 장차 기공형성 첨가제와의 혼합이 잘 이루어지지 않고 연신과정에서 두께가 균일한 필름을 얻기 어려운 문제가 있다. 또한 용융지수가 0.6 이상이면 흐름성이 너무 높아서 필름 압출 단계에서 수지가 흘러내릴 우려가 있고, 완성된 분리막의 기계적 강도가 낮아지는 문제점이 있다.
또한 상기 고분자 수지의 중량평균분자량이 300,000 미만이면 분리막의 연신성은 향상되지만 기계적 강도가 약해지는 문제점이 있고, 반대로 중량평균분자량이 500,000 이상이면 분리막의 기계적 강도는 향상되지만 연신 특성이 떨어져서 생산성이 저하되고 기공 크기를 제어하기가 용이하지 않은 문제가 있다.
상기 무기물 코팅층의 폭은 권취 방향의 수직 방향으로 다공성 기재 필름의 폭을 기준으로 80 내지 99% 범위의 크기로 이루어져 있을 수 있다. 상기 무기물 코팅층의 폭이 상기 다공성 기재 필름의 폭의 80% 미만으로 형성되는 경우에는, 비(非) 코팅층의 면적이 넓어지므로, 침상 또는 외부 충격에 취약한 부위가 형성될 수 있다. 반면에, 무기물 코팅층의 폭이 다공성 기재 필름의 폭의 99%를 초과하는 경우에는, 상호 열융착 될 수 있는 다공성 기재 필름이 노출 부위가 현저히 줄어듦으로, 고온 상태에 열수축률이 증가하는 것을 방지할 수 없다.
본 발명에 따른 하나의 실시예로서, 상기 분리필름에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리필름의 양단 부위에는 다공성 기재 필름에 무기물 코팅층이 도포되어 있지 않은 기재 필름 잉여부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리막의 양단 부위에는 음극의 단부로부터 각각 연장된 분리막 잉여부가 형성되어 있을 수 있으며, 상기 기재필름 잉여부와 분리막 잉여부는 적어도 일부가 중첩되는 위치에 형성되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 기재 필름 잉여부와 분리막 잉여부는 30% 내지 100%가 중첩되는 위치에 형성되어 있을 수 있다. 그에 따라, 120도 내지 200도 범위의 고온 상태에서, 상기 기재필름 잉여부와 분리막 잉여부가 상호 융착될 수 있다.
상기 기재필름 잉여부와 분리막 잉여부는 열에 의해 상호 융착되어 열수축율이 감소하므로, 고온에 노출되었을 때 발생되는 분리막의 수축 또는 파손으로 인한 내부단락을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극 조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지와 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 및 이 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
이러한 디바이스의 종류는 예를 들어, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 리튬 이차전지와, 이를 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈 및 전지팩과, 이을 전원으로 사용하는 디바이스의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 분리 필름의 일면 또는 양면에 무기물 코팅층이 도포되어 있으므로, 못과 같이 날카로운 침상 도체에 의한 관통이나 외부 충격 등에 대한 안전성이 우수하고, 분리필름이 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름으로 이루어져 있으므로, 고온 상태에서 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름이 상호 융착되어 권취 방향의 수직 방향에서의 열수축률이 감소하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 단위셀을 분리필름에 권취하기 전 상태의 전극조립체의 모식도이다;
도 2는 도 3의 전극조립체의 평면도이다.
도 3은 도 1의 전극조립체를 권취하는 과정을 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 3의 권취 과정에 따라 제조된 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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 단위셀을 분리필름에 권취하기 전 상태의 전극조립체의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전극조립체의 평면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극조립체(200)는 양극(211), 음극(212) 및 양극(211)과 음극(212) 사이에 개재되는 분리막(213) 구조의 단위셀(210)과, 분리필름(240)으로 구성되어 있다.
분리필름(240)은 다공성 기재 필름(241)의 상면에 무기물 코팅층(242)이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있다. 권취 방향(화살표 방향)의 수직 방향에서 무기물 코팅층(242)의 폭(W1)은 다공성 기재필름(241)의 폭(W2)보다 작은 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 무기물 코팅층(242)의 폭(W1)은 다공성 기재필름(241)의 폭(W2)을 기준으로 80%의 크기로 이루어져 있다. 이와 같은 구조에 의해, 분리필름(240)의 권취 방향(화살표 방향)의 수직방향에서의 양단 부위에는 다공성 기재 필름(241)에 무기물 코팅층(242)이 도포되어 있지 않은 기재 필름 잉여부(243)가 형성되어 있다.
또한, 권취 방향(화살표 방향)의 수직방향에서 단위셀(210)의 분리막(213)의 폭(W4)은 음극(212)의 폭(W3)보다 큰 구조로 이루어져 있다. 이와 같은 구조에 의해, 분리막(213)의 양단 부위에는 음극(212)의 단부로부터 연장된 분리막 잉여부(214)가 형성되어 있다. 분리막 잉여부(214)의 폭(W5)은 음극(212)의 폭(W3)을 기준으로 20%의 크기로 이루어져 있다.
기재 필름 잉여부(243)와 분리막 잉여부(214)는 상호 100% 중첩되는 위치에 형성되어 있다. 이와 같은 구조에 의해, 섭씨 120도 내지 200도 범위내의 고온 상태에서, 기재 필름 잉여부(243)와 분리막 잉여부(214)는 상호 융착될 수 있고, 그에 따라, 고온 상태에서 열수축률이 감소하는 효과를 가질 수 있다.
도 3에는 도 1의 전극조립체를 권취하는 과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도4에는 도 3의 권취 과정에 따라 제조된 전극조립체의 모식도가 도시되어 있다.
우선, 도 3을 참조하면, 전극조립체(100)는 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하고 있는 구조의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)이 긴 시트형의 분리필름(180) 상에 배치되어 있고, 상기 분리필름(180)을 권취함으로써 제조된다.
구체적으로, 전극조립체(100)는 7개의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)을 포함하고 있고, 상기 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170) 중 제 1 단위셀(110), 제 4 단위셀(140), 및 제 5 단위셀(150)은 최외곽 전극이 음극으로 구성되어 있고, 제 2 단위셀(120), 제 3 단위셀(130), 제 6 단위셀(160), 및 제 7 단위셀(170)은 최외곽 전극이 양극으로 구성되어 있다.
제 1 단위셀(110)은 음극(111)이 하면을 향하여 분리필름(180)과 대면해 있으며, 상기 제 1 단위셀(110)의 전극 방향에 따라, 제 2 단위셀(120)로부터 제 7 단위셀(170)까지 분리필름 상에 위치한다.
또한, 상기 배열에 의해, 전극조립체(100)의 최외곽에는 양극이 위치하게 되므로, 이에 따라, 전극조립체(100)의 최외측에 위치하는 제 6 단위셀(160)과 제 7 단위셀(170)은 양극들(161, 171)이 각각 하면을 향하여 분리필름(180)과 대면한 상태로 배열된다.
한편, 전극조립체(100)는 제 1 단위셀(110)이 최내측에 위치하도록, 제 1 단위셀로(110)부터 제 7 단위셀(170)까지 반시계 방향(182)으로 권취하여 제조된다.
제 1 단위셀(110)과 제 2 단위셀(120) 사이에는 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위(181)가 형성되어 있고, 이에 따라, 상기 제 1 단위셀(110)이 분리필름(180)과 함께 권취되는 과정에서, 제 1 단위셀(110)의 상면에 위치한 음극(113)과 제 3 단위셀(130)의 상면에 위치한 양극(131) 사이에 분리필름(180)이 개재된다.
구체적으로, 제 1 단위셀(110)은 권취 과정에서 도립된 상태로 제 1 단위셀(110)과 제 2 단위셀(120) 사이의 이격 부위(181)로 이동하고, 그 후 최초에 제 1 단위셀(110)의 하면에 위치했던 음극(111)이 제 2 단위셀(120)의 상면에 위치한 양극(121)과 분리필름(180)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.
또한, 상기 분리필름(180)을 사이에 두고 대면하는 제 1 단위셀(110)과 제 2 단위셀(120)은 분리필름(180)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 제 1 단위셀(110)의 상면에 위치했던 음극(113)이 제 3 단위셀(130)의 상면에 위치한 양극(131)과 분리필름(180)을 사이에 두고 대면한다.
상기 과정은 제 7 단위셀(170)까지 순차적으로 진행되며, 이에 따라, 최내측에 제 1 단위셀(110)이 위치하고, 대향하는 최외측에 제 6 단위셀(160)과 제 7 단위셀(170)이 각각 위치하는 구조의 전극조립체(100)가 완성된다.
상기 권취 과정에 따라 제조된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 7개의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)이 권취되는 순서에 따라, 가장 먼저 권취되는 제 1 단위셀(110)이 전극조립체(100)의 최내측에 위치하고 마지막에 권취되는 제 6 단위셀(160)과 제 7 단위셀(170)이 전극조립체(100)의 최외곽에 위치한다.
따라서, 제 6 단위셀(160) 및 제 7 단위셀(170)은 전극조립체(100)의 최외곽에 위치하는 제 1 바이셀들이며, 나머지 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150)은 최외곽을 제외한 나머지 부분에 위치하는 제 2 바이셀들이다.
또한, 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)의 배열상 전극조립체(100)의 최외곽에는 양극이 위치하게 되고, 구체적으로 제 6 단위셀(160)과 제 7 단위셀(170)을 구성하는 양극들 중, 분리필름(180)과 대면하는 양극들(161, 171)이 전극조립체(100)의 최외곽에 위치한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 복수의 단위셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조의 전극조립체로서,
    상기 단위셀은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 양극과 음극 사이에 게재되는 분리막이 적층된 구조로 이루어져 있으며;
    상기 분리필름은 폴리올레핀 계열의 다공성 기재 필름의 일면 또는 양면에 무기물 코팅층이 도포되어 있고, 권취 방향의 수직 방향에서 무기물 코팅층의 폭은 다공성 기재 필름의 폭 보다 작은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 양단의 전극들이 동일한 극성을 가진 바이셀 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 양단의 전극들이 다른 극성을 가진 풀셀 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리막의 폭은 음극의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단위셀에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리막의 양단 부위에는 음극의 단부로부터 각각 연장된 분리막 잉여부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 분리막 잉여부의 폭은 음극의 폭을 기준으로 1 내지 20% 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 코팅층은 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 압전성을 갖는 무기물 입자는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) 및 hafnia (HfO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고;
    상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트 (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마니움티오포스페이트 (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드 (LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2 (LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0<x<3, 0<y< 3, 0<z<7) 계열 glass로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 코팅층의 두께는 0.3 ㎛ 내지 4 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 기재 필름은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PE-PP 공중합체, 또는 PE-PP 블랜드인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 코팅층의 폭은 권취 방향의 수직 방향으로 다공성 기재 필름의 폭을 기준으로 80 내지 99% 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름에서 권취 방향의 수직 방향으로 분리필름의 양단 부위에는 다공성 기재 필름에 무기물 코팅층이 도포되어 있지 않은 기재 필름 잉여부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 기재 필름 잉여부를 포함하고 있고, 상기 단위셀은 분리막 잉여부를 포함하고 있으며, 상기 기재 필름 잉여부와 분리막 잉여부는 적어도 일부가 중첩되는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 기재 필름 잉여부와 분리막 잉여부는 30% 내지 100%가 중첩되는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 기재 필름 잉여부와 분리막 잉여부는 섭씨 120도 내지 200도 범위에서 상호 융착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지.
  18. 제 17 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩.
  19. 제 18 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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