KR20150134660A - 계단 구조의 복합 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 단위셀들; 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 일단위의 시트형 분리필름; 을 포함하며,
상기 단위셀들은 분리필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 전극들이 배열되도록 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 상기 단위셀들은 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 포함하고 있어서 상기 단위셀들의 적층 구조가 폭과 높이가 있는 하나 이상의 계단 구조를 형성하고 있으며, 상기 시트형 분리필름은 양단에서 중앙 부분으로 권취 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체에 관한 것이다.

Description

계단 구조의 복합 전극 조립체 {Electrode Assembly and Composite Electrode Assembly of Stair-like Structure}
본 발명은 이차전지의 전지 케이스 내에 내장되는 전극 조립체에 관한 것으로서, 계단 구조의 복합 전극 조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있어, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류 되기도 하며, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 유닛셀들, 예를 들어, 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
이러한 종래의 전극조립체중 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 되므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 되며, 상기 전극조립체의 변형으로 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협을 받게 되는 문제를 초래한다.
또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취하여야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 갖고 있다.
한편, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로 생산성이 낮다는 문제점을 갖고 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 젤리 롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀 또는 풀셀들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
도 1 및 도 2에는 하나의 예로서 종래 스택-폴딩형 전극조립체의 권취 전 모식도와 권취 후 모식도를 도시하였다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 전극조립체(10)는 일 단위의 시트형 분리필름(13) 상에 동일한 크기의 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 A형 단위셀들(11)과, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 C형 단위셀들(12)을, 권취 후 적층 구조에서 분리필름을 사이에 두고 양극과 음극이 마주하도록 배열한 후, 분리필름(13)의 일단에서 타단까지 일방향으로 권취함으로써 제조된다. 이때, 분리필름은 적층된 단위셀들 전체를 감싸고 말단에 테이프가 붙여져 고정될 수 있고, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 C형 단위셀들의 최외곽에 존재하는 음극은, 집전체 상에서 분리막을 사이에 두고 대향하는 양극과 대면하는 일면에만 전극 슬러리가 도포되어 음극 집전체의 타면이 분리필름(13)과 대면하도록 구성될 수 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 종래 스택-폴딩형 전극조립체는 동일한 크기의 단위셀들로 이루어져 직육면체의 형상으로 제조되기 때문에 형상 자유도가 현저하게 저하되어 다양한 디자인을 구현하는데 많은 한계를 가지고 있다. 또한, 권취 방향이 일방향이어서, 분리필름의 단부가 전극조립체의 외부에 고정되지 않은 상태로 존재하므로, 열융착 또는 테이프로의 고정이 필수적이었다.
한편, 최근의 모바일 기기는 다양한 형태로 출시되고 있고, 이에 따라 모바일 기기에 장착되는 전지 또한 다양한 형태를 가질 것이 요구되고 있다. 이에, 모바일 기기의 형태에 따른 요구에 수반하여 이차전지가 적용되는 디바이스 모양에 따라 다양한 형태로의 변형이 용이한 전지를 간편하게 제조할 수 있는 새로운 형태의 전극 조립체가 요구되고 있다.
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, 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 분리필름 상에 배열하고, 양방향으로 권취하여 전극조립체를 제조하는 경우, 다양한 디자인의 디바이스에 맞게, 디바이스 내부의 사공간을 효과적으로 활용할 수 있는 전극조립체를 용이하게 제조함으로써 이를 포함하는 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 복합 전극조립체는,
집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 단위셀들; 및
상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 일단위의 시트형 분리필름;
을 포함하며,
상기 단위셀들은 분리필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 전극들이 배열되도록 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고,
상기 단위셀들은 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 포함하고 있어서 상기 단위셀들의 적층 구조가 폭과 높이가 있는 하나 이상의 계단 구조를 형성하고 있으며,
상기 시트형 분리필름은 양단에서 중앙 부분으로 권취 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 한다.
여기서, 중앙 부분은 분리필름의 길이를 기준으로 하지 않고, 분리필름의 양단에서 동시에 권취된다고 할 때, 최종적으로 만나는 부분을 의미한다.
이와 같이 시트형 분리필름을 양단에서 중앙 부분으로 권취하면 분리필름의 양단은 종래 전극조립체와 같이 일단이 전극조립체 외부에 존재하지 않고, 모두 전극조립체 내부에 존재한다. 따라서, 별도로 분리필름 말단을 열융착하거나, 테이프로 고정하는 작업이 필요하지 않으므로, 제조공정을 간소화할 수 있고, 전극조립체의 단위셀들에 가해지는 열이나, 압력을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 구조의 전극조립체는, 상기 단위셀들의 적층 구조에서 권취 종단의 단위셀들 사이에는 분리필름이 두 번 개재될 수 있다. 여기서 권취 종단의 단위셀들이라 함은, 권취의 마직막 단계에서 대면하게 되는 단위셀들을 의미한다. 이는, 권취 방향이 서로 반대로 분리필름의 양단에서 중앙 부분으로 권취되기 때문인데, 구체적으로 일방향에서 권취된 단위셀들의 무리와 타방향에서 권취된 단위셀들의 무리가 전극조립체의 중앙에 위치하게 될 마지막 단위셀에 순차적으로 적층되면 양 방향의 단위셀들 무리는 이미 분리필름으로 둘러싸인 상태이므로 권취 종단에는 양방향의 단위셀들을 감싸고 있는 분리필름끼리 겹치게 되기 때문이다.
한편, 상기 단위셀의 형상은, 특별히 한정되지 않으므로, 평행 육면체 형상일수도 있고, 평면상 다각형, 원형 등일 수 있다. 또한, 단위셀은 평판상일 수도 있고, 곡면을 가진 판상일 수도 있다. 따라서, 상기 크기가 서로 다르다 함은, 길이 및/또는 폭이 다른 것을 의미하며, 여기서 길이 및 폭은 단위셀들의 전극에 형성되어 있는 전극 탭의 형성 방향을 그 기준으로 한다. 다만, 각각의 단위셀들의 전극에 형성된 전극 탭의 길이와 위치가 일정할 수 있도록, 상세하게는, 상기 크기가 다른 단위셀들은 전극 탭의 형성 방향을 기준으로 길이는 동일하고 폭이 상이한 것일 수 있다.
이와 같이 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 포함하는 전극조립체의 적층 구조는, 단차를 갖는 계단 구조라면 한정되지 아니하나, 평면을 기준으로 높이 방향으로 단위셀들의 크기가 단계적으로 작아지는 구조일 수 있고, 커지는 구조일 수도 있으며, 중앙부분에 가장 큰 크기의 단위셀들이 위치하고, 중앙부분의 단위셀들을 기준으로 양방향으로 크기가 보다 작은 단위셀들이 위치하는 구조일 수도 있다.
이때, 상기 단위셀들은, 전면, 후면, 측면 중에서 적어도 하나가 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층됨으로써 동일 평면 상에 존재하지 않는 부위에 계단 구조를 형성할 수 있는데, 구체적으로, 상기 극판들은, 전면만이 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수도 있고, 후면만이 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수도 있으며, 일측면 만이 또는 일측면과 대향 측면만이 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수도 있고, 전면, 후면, 일측면, 대향 측면이 모두 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수도 있다. 상기한 극판들의 적층 배열들은, 본 발명에 따른 하나의 구체적인 예이므로, 극판들의 배열이 상기한 예들에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 전면 또는 후면은 전극의 전극 탭이 돌출된 면을 의미하고, 상기 전면에 대향하는 면이 후면이며, 상기 일측면과 대향 측면은 상기 평면에 수직이고 상기 전극 탭 비 형성 부위의 면을 의미한다. 이때, 상기 일측면 및/또는 대향 측면은 측면으로 통일하여 명명할 수 있다
상기와 같은 구조는, 크기가 서로 다른 단위셀들의 형상과 분리필름 상의 배열에 따라 결정될 수 있는 바, 형상과 배열을 달리하여 전극조립체 구조의 다양화가 가능하고, 상기 구조는 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지가 내장되는 디바이스의 형상에 따라 선택될 수 있는 바, 전지가 디바이스의 형상 변형에 따라 유연하게 대응할 수 있는 효과가 있다.
이러한 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들의 조합은, 단위셀들 각각 크기가 상이할 수도 있고, 하나의 단위셀이 동일한 크기의 나머지 단위셀들과 크기가 상이할 수도 있으며, 동일한 크기의 제 1 형 단위셀들 2개 이상과 상기 제 1 형 단위셀들과 크기가 다른 동일한 크기의 제 2 형 단위셀들 2개 이상의 조합일 수도 있으며, 동일한 크기의 제 1 형 단위셀들 2개 이상과 상기 제 1 형 단위셀들과 크기가 다른 동일한 크기의 제 2 형 단위셀들 2개 이상 및 상기 제 1 형 단위셀들 및 제 2 형 단위셀들과 서로 크기가 다른 동일한 크기의 제 3 형 단위셀들 2개 이상의 조합일 수도 있다.
물론, 상기의 조합은 하나의 예시이며, 이외의 크기가 다른 단위셀들이 두 종류 이상이라면 한정되지 아니하고, 더욱 다양한 조합이 가능하다.
상세하게는, 상기 단위셀들은 크기가 서로 다른 제 1 형 단위셀들, 제 2 형 단위셀들, 및 제 3 형 단위셀들을 포함할 수 있으며, 이때, 상기 단위셀들의 크기는 제 1 형 단위셀들이 가장 작고, 제 3 형 단위셀들이 가장 클 수 있다.
이와 같은 세 종류의 단위셀들을 사용하여 본 발명에 따른 전극조립체를 제조하는 경우에, 상기에서 설명한 바와 같은 구조를 갖도록 할 수 있는 바, 상세하게는 상기 전극조립체는 평면을 기준으로 높이 방향으로 제 3 형 단위셀들, 제 2 형 단위셀들 및 제 1 형 단위셀들 순으로 적층되어 있는 구조로 이루어지거나, 평면을 기준으로 높이 방향으로 제 1 형 단위셀들, 제 3 형 단위셀들 및 제 2 형 단위셀들 순으로 적층되어 있거나, 또는 제 2 형 단위셀들, 제 3 형 단위셀들 및 제 1 형 단위셀들 순으로 적층되어 있는 구조로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 단위셀은 동일한 극성의 전극이 양단에 위치할 수도 있고, 상이한 극성의 전극이 양단에 위치할 수도 있으며, 적층 구조에서 분리필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 전극들이 배열되도록 적절히 선택되어 배치된다면 한정되지 아니하나, 상세하게는 상기 단위셀들 모두 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 구조일 수 있다. 이때, 상기 단위셀은 양극이 양단에 위치하는 A형 단위셀과 음극이 양단에 위치하는 C형 단위셀들을 모두 포함할 수 있다.
이 경우, 총 단위셀들의 개수와 배열 형태 등에 따라, 전지 안전성 및 용량을 고려하여 A형 단위셀들과 C형 단위셀들의 개수와 배열을 적절히 결정될 수 있고, 따라서 적층된 단위셀들 중에서, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 단위셀들은 A형 단위셀들일 수 있고, C형 단위셀들일 수도 있으며, 최상단 및 최하단 중 어느 하나는 A형 단위셀이고 다른 하나는 C형 단위셀들일 수도 있는 등 한정되지 아니하나, 상세하게는, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 단위셀들은 A형 단위셀일 수 있다.
이러한 상기 단위셀들에 포함되는 양극들 및 음극들은 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 것이 용량적인 측면에서 유리하나, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 단위셀들의 최외곽 전극은 분리막을 사이에 두고 대향하는 전극과 대면하는 일면에만 전극 슬러리가 도포되어 있을 수 있다. 예를 들어, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 단위셀들이 A형 단위셀들인 경우, 최외곽 전극인 양극은, 분리막을 사이에 두고 음극과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있을 수 있다. 이 경우, 전도성 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 관통하는 경우에 활물질이 상기 전도성 침상체 등과 직접적으로 접촉함으로써 발생할 수 있는 발열과 화재를 예방하고, 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 단위셀들은 양극, 음극, 분리막이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있을 수 있다. 이와 같이 접합된 단위셀들을 사용하는 경우, 권취 중에 발생할 수 있는 전극조립체의 어라인 불량이나, 전극 손상 등의 문제가 감소될 수 있다.
상기 일 단위의 시트형 분리필름은, 단위셀들의 적층면과 전극 탭 비형성 부위인 측면에 위치할 수 있는 바, 이들을 모두 감싸는 길이로 형성되어 있을 수 있다. 이때, 상기 분리필름은 상기 단위셀들의 적층면과 전극 탭 비형성 부위인 단위셀들의 적어도 하나의 측면에 밀착되어 있을 수 있다.
구체적으로 크기가 서로 다른 단위셀들을 적층 구조를 분리필름이 감싸는 경우, 크기가 다른 단위셀들이 인접하는 부위의 분리필름은 단위셀들의 적층면과 측면에 밀착되어 있지 않을 수 있고, 이경우, 분리필름의 부위를 절단하거나 열처리하여 밀착되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명은 또한, 상기 복합 전극조립체를 제조하는 방법으로서, 크기가 서로 다른 3가지 유형의 단위셀들 n개를 시트형 분리필름 상에 배열하고, 제 1 단위셀이 위치하는 일 단과 제 n 단위셀이 위치하는 타 단에서 각각 중앙 부분으로 서로 대향하여 권취하는 과정을 포함하는 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 분리필름은 양단에서 중앙 부분으로 권취되므로, 일단과 타단에 위치한 제 1 단위셀과 제 n 단위셀의 적층면이 모두 분리필름에 감싸지기 위해 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이, 제 n-1 단위셀과 제 n 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 각각 제 1 단위셀 및 제 n 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있을 수 있다.
상기 단위셀의 배열방법은, 상기에서 설명한 바와 같이 단위셀들의 배열에 따라 다양한 계단 구조의 전극조립체를 제조할 수 있는 바, 한정되지 아니하며, 예를 들어, 상기 중앙 부분을 중심으로 일단에는 크기가 동일한 1가지 유형의 단위셀들만을 배열하고, 타단에는 크기가 서로 다른 2가지 유형의 단위셀들을 배열할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 복합 전극조립체가 전해질로 함침된 상태에서 전지 케이스 내에 밀봉되어 있는 구조로 이루어진 리튬 이차전지 및 상기 리튬 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다.
여기서, 상기 전지 케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스로서, 본 발명에 따른 계단 구조의 복합 전극조립체가 내장되는 수납부가 형성되어 있을 수 있고, 상기 수납부는 본 발명에 따른 계단 구조의 복합 전극조립체의 형상에 대응하는 계단 구조의 형상을 가질 수 있다.
상기 디바이스는, 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 전극 조립체는, 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 분리필름 상에 배열하고, 양방향으로 권취하여 제조됨으로써 계단 구조를 가지는 바, 종래의 전극 조립체와 달리 다양한 디자인의 디바이스에 맞게 디바이스 내부의 사공간을 효과적으로 활용할 수 있는 전극조립체를 용이하게 제조할 수 있고, 따라서 이를 포함하는 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시키는 효과가 있다.
도 1 및 2는 종래 스택-폴딩형 전극조립체의 권취 전 모식도와 권취 후 모식도이다;
도 3 내지 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 권취 전 모식도, 권취 과정의 모식도, 및 권취 후의 모식도들이다;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 권취 전 모식도, 권취 과정의 모식도, 및 권취 후의 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 3 내지 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 권취 전 모식도, 권취 과정의 모식도, 및 권취 후의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 9개의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190)을 분리필름(101) 상에 배열하고, 분리필름(101)을 양단에서 중앙 부분으로 서로 반대 방향으로 권취(104, 105)함으로써 제조된다.
여기서 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190)은 적층 배열에 따라, 양극이 양단에 위치하는 단위셀들(110, 140, 150, 160, 190)과 음극이 양단에 위치하는 단위셀들(120, 130, 170 ,180)로 나뉘고, 그 크기에 따라 가장 작은 제 1 형 단위셀들(110, 120, 130, 140), 중간 크기의 제 2 형 단위셀들(160, 180, 190) 및 가장 큰 제 3 형 단위셀들(150, 170)로 나뉘며, 분리필름(101) 상에 배열되는 순서에 따라 제 1 단위셀(110) 부터 시작하여, 제 2 단위셀(120)…, 제 9 단위셀(190)로 구분된다. 여기서 단위셀의 크기는 전극 탭의 형성 방향을 기준으로 폭의 차이에 의해 정해진다.
더 자세한 설명을 위해, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체(100)의 제조과정을 구체적으로 도시하고 있고, 도 5 및 도 6은 이로부터 완성된 전극조립체(100)의 모식도들을 도시하고 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(100)는 크기가 서로 다른 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190)이 배열되어 있는 분리필름(101)을 제 1 단위셀(110) 및 제 9 단위셀(190)이 위치한 부분으로부터 분리필름(101)의 중앙 부분으로 동시에 권취하여 제조된다.
이때, 분리필름(101)은 양단에서 중앙 부분으로 권취되므로, 일단과 타단에 위치한 제 1 단위셀(110)과 제 9 단위셀(190)의 적층면이 모두 분리필름에 감싸지기 위해 제 1 단위셀(110)과 제 2 단위셀(120) 사이, 제 8 단위셀(180)과 제 9 단위셀(190) 사이에는 각각 제 1 단위셀(110) 및 제 9 단위셀(190)의 크기에 상응하는 이격 부위들(102, 103)이 형성되어 있고, 이에 따라, 상기 제 1 단위셀(110)이 분리필름(101)과 함께 권취되는 과정에서, 제 1 단위셀(110)의 하면에 위치한 양극(111)과 제 2 단위셀(120)의 상면에 위치한 음극(122) 사이에 분리필름(101)이 개재되고, 제 1 단위셀(110)의 상면에 위치한 양극(112)과 제 3 단위셀(130)의 상면에 위치한 음극(132) 사이에 분리필름(101)이 개재되며, 제 9 단위셀(190)의 하면에 위치한 양극(191)과 제 8 단위셀(180)의 상면에 위치한 음극(182) 사이에 분리필름(101)이 개재되고, 제 9 단위셀(190)의 상면에 위치한 양극(192)과 제 7 단위셀(170)의 상면에 위치한 음극(172) 사이에 분리필름(101)이 개재된다.
구체적으로, 제 1 단위셀(110)과 제 9 단위셀(190)은 권취 과정에서 도립된 상태로 각각 제 1 단위셀(110)과 제 2 단위셀(120) 사이의 이격 부위(102)와 제 9 단위셀(190)과 제 8 단위셀(180) 사이의 이격 부위(103)로 이동하고, 그 후 최초에 제 1 단위셀(110) 및 제 9 단위셀(190)의 하면에 위치했던 양극들(111, 191)이 제 2 단위셀(120) 및 제 8 단위셀(180)의 상면에 위치한 음극들(122, 182)과 분리필름(101)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.
또한, 상기 분리필름(101)을 사이에 두고 대면하는 제 1 단위셀(110)과 제 2 단위셀(120) 및 제 8 단위셀(180)과 제 9 단위셀(190)은 분리필름(101)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 제 1 단위셀(110)의 상면에 위치했던 양극(112)이 제 3 단위셀(130)의 상면에 위치한 음극(132)과 분리필름(101)을 사이에 두고 대면하고, 제 9 단위셀(190)의 상면에 위치했던 양극(112)이 제 7 단위셀(170)의 상면에 위치하는 음극(172)과 분리필름(101)을 사이에 두고 대면한다.
상기 과정은 분리필름(101)의 중앙 부분의 제 5 단위셀(150)만을 남기고 양 방향에서 순차적으로 진행되며, 마지막으로, 제 5 단위셀(150) 상에 제 9 단위셀(190)로부터 시작하여 제 6 단위셀(160)까지 권취된 무리가 먼저 권취(106)되고, 제 5 단위셀(150)을 포함하는 적층 구조에 제 1 단위셀(110)로부터 시작하여 제 4 단위셀(140)까지 권취된 무리가 후순위로 권취(107)되어 적층되면, 가장 큰 크기의 제 3 형 단위셀들(150, 170)이 평면을 기준으로 높이 방향으로 가장 아래 쪽에 위치하고, 중간 크기의 제 2 형 단위셀들(190, 180, 160)이 중간에 위치하며, 가장 작은 크기의 제 1 형 단위셀들(130, 110, 120, 140)이 가장 위 쪽에 위치한 계단 구조의 전극조립체(100)가 완성된다.
이와 같이 제조된 도 5 및 도 6의 전극조립체(100)는 전체적으로 양극과 음극이 교대로 위치하도록 적층되어 있으며, 이때, 전도성 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 관통하는 경우에 활물질이 상기 전도성 침상체 등과 직접적으로 접촉함으로써 발생할 수 있는 발열과 화재를 예방하고, 안전성을 향상시키기 위해, 전극조립체(100)의 최상단 및 최하단에 위치하는 단위셀들(140, 150)의 최외곽 양극들(141, 151)은 분리막을 사이에 두고 반대 극성인 음극과 대면하는 일면에만 활물질이 도포되어 있을 수 있다.
또한, 전극조립체(100)는 분리필름(101)의 양단에서 중앙 부분으로 동시에 권취되므로, 종래의 전극조립체와 달리 분리필름(101)의 양단(동그라미 표시)이 모두 전극조립체(100) 내부에 존재하고, 권취 종단의 단위셀들(130, 160) 사이(108)에는 분리필름(101)이 두 번 개재되어 있는 구조로 이루어져 있다.
다만, 도 5 및 도 6의 전극조립체(100)의 차이점은, 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190)의 일측면이 동일 평면 상에 존재하지 않도록 계단 구조로 적층됨에 따라, 도 5의 경우, 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190)이 동일 평면 상에 존재하지 않는 측면에 대응하는 분리필름(101)이 단위셀들(140, 150, 160, 170)의 일부 적층면과 측면에 밀착되어 있지 않는 반면, 도 6의 경우는, 분리필름(101)이 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190)의 적층면과 측면에 모두 밀착되어 있다는 점이다. 이와 같은 분리필름(101)의 밀착은 분리필름(101)의 상기 부위를 절단하거나 열처리하여 달성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 또 다른 계단 구조를 갖는 전극조립체에 대해 설명하기 위해, 도 7 내지 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 권취 전 모식도, 권취 과정의 모식도, 및 권취 후의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 상기에서 설명한 바와 유사하게, 본 발명에 따른 전극 조립체(200)는 9개의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)을 분리필름(201) 상에 배열하고, 분리필름(201)을 양단에서 중앙 부분으로 서로 반대 방향으로 권취(204, 205)함으로써 제조된다.
여기서 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)은 적층 배열에 따라, 양극이 양단에 위치하는 단위셀들(210, 240, 250, 260, 290)과 음극이 양단에 위치하는 단위셀들(220, 230, 270, 280)로 나뉘고, 그 크기에 따라 가장 작은 제 1 형 단위셀들(210, 220, 230, 250), 중간 크기의 제 2 형 단위셀들(260, 280, 290) 및 가장 큰 제 3 형 단위셀들(240, 270)로 나뉘며, 분리필름(201) 상에 배열되는 순서에 따라 제 1 단위셀(210) 부터 시작하여, 제 2 단위셀(220)…, 제 9 단위셀(290)로 구분된다.
이러한 배열의 갖는 전극조립체(200)에 대한 보다 구체적인 설명을 위해, 도 8은 전극조립체(200)의 제조과정을 구체적으로 도시하고 있고, 도 9는 이로부터 완성된 전극조립체(200)의 모식도를 도시하고 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(200)는 크기가 서로 다른 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)이 배열되어 있는 분리필름(201)을 제 1 단위셀(210) 및 제 9 단위셀(290)이 위치한 부분으로부터 분리필름(201)의 중앙 부분으로 동시에 권취하여 제조된다.
이때, 분리필름(201)은 양단에서 중앙 부분으로 권취되므로, 일단과 타단에 위치한 제 1 단위셀(210)과 제 9 단위셀(290)의 적층면이 모두 분리필름에 감싸지기 위해 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 사이, 제 8 단위셀(280)과 제 9 단위셀(290) 사이에는 각각 제 1 단위셀(210) 및 제 9 단위셀(2190)의 크기에 상응하는 이격 부위들(202, 203)이 형성되어 있고, 이에 따라, 상기 제 1 단위셀(210)이 분리필름(201)과 함께 권취되는 과정에서, 제 1 단위셀(210)의 하면에 위치한 양극(211)과 제 2 단위셀(220)의 상면에 위치한 음극(222) 사이에 분리필름(201)이 개재되고, 제 1 단위셀(210)의 상면에 위치한 양극(212)과 제 3 단위셀(230)의 상면에 위치한 음극(232) 사이에 분리필름(201)이 개재되며, 제 9 단위셀(290)의 하면에 위치한 양극(291)과 제 8 단위셀(280)의 상면에 위치한 음극(282) 사이에 분리필름(201)이 개재되고, 제 9 단위셀(290)의 상면에 위치한 양극(292)과 제 7 단위셀(270)의 상면에 위치한 음극(272) 사이에 분리필름(201)이 개재된다.
구체적으로, 제 1 단위셀(210)과 제 9 단위셀(290)은 권취 과정에서 도립된 상태로 각각 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 사이의 이격 부위(202)와 제 9 단위셀(290)과 제 8 단위셀(280) 사이의 이격 부위(203)로 이동하고, 그 후 최초에 제 1 단위셀(210) 및 제 9 단위셀(290)의 하면에 위치했던 양극들(211, 291)이 제 2 단위셀(220) 및 제 8 단위셀(280)의 상면에 위치한 음극들(222, 282)과 분리필름(201)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.
또한, 상기 분리필름(201)을 사이에 두고 대면하는 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 및 제 8 단위셀(280)과 제 9 단위셀(290)은 분리필름(201)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 제 1 단위셀(210)의 상면에 위치했던 양극(212)이 제 3 단위셀(230)의 상면에 위치한 음극(232)과 분리필름(201)을 사이에 두고 대면하고, 제 9 단위셀(290)의 상면에 위치했던 양극(212)이 제 7 단위셀(270)의 상면에 위치하는 음극(272)과 분리필름(201)을 사이에 두고 대면한다.
상기 과정은 분리필름(201)의 중앙 부분의 제 5 단위셀(250)만을 남기고 양 방향에서 순차적으로 진행되며, 마지막으로, 제 1 단위셀(210)로부터 시작하여 제 4 단위셀(240)까지 권취된 무리가 먼저 권취(207)되고, 제 5 단위셀(250)을 포함하는 적층 구조에 제 5 단위셀(250) 상에 제 9 단위셀(290)로부터 시작하여 제 6 단위셀(260)까지 권취된 무리가 후순위로 권취(206)되어 적층되면, 가장 작은 크기의 제 1 형 단위셀들(250, 230, 210, 220)이 평면을 기준으로 높이 방향으로 가장 아래 쪽에 위치하고, 가장 큰 크기의 제 3 형 단위셀들(240, 270)이 중간에 위치하며, 중간 크기의 제 2 형 단위셀들(290, 280, 260)이 가장 위 쪽에 위치한 계단 구조의 전극조립체(200)가 완성된다.
즉, 전극조립체(200)는 도 3 내지 도 6의 전극조립체(100)과 비교하여, 제 4 단위셀과 제 5 단위셀의 크기를 서로 바꾼 형태로 배열을 달리하고, 마지막 제 5 단위셀(250)에 권취되는 순서가 반대로 함으로써 도 3 내지 도 6의 전극조립체(100)와는 상이한 계단 구조를 갖는다.
이와 같이 제조된 도 9의 전극조립체(200) 역시 전체적으로 양극과 음극이 교대로 위치하도록 적층되어 있으며, 이때, 전도성 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 관통하는 경우에 활물질이 상기 전도성 침상체 등과 직접적으로 접촉함으로써 발생할 수 있는 발열과 화재를 예방하고, 안전성을 향상시키기 위해, 전극조립체(200)의 최상단 및 최하단에 위치하는 단위셀들(250, 260)의 최외곽 양극들(251, 261)은 분리막을 사이에 두고 반대 극성인 음극과 대면하는 일면에만 활물질이 도포되어 있을 수 있다.
또한, 전극조립체(200)는, 분리필름(201)의 양단에서 중앙 부분으로 동시에 권취되므로, 분리필름(201)의 양단(동그라미 표시)이 모두 전극조립체(200) 내부에 존재하고, 권취 종단의 단위셀들(240, 270) 사이(208)에는 분리필름(201)이 두 번 개재되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 분리필름(201)은 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)의 일측면이 동일 평면 상에 존재하지 않도록 계단 구조로 적층됨에 따라, 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)이 동일 평면 상에 존재하지 않는 측면에 대응하는 부위가 단위셀들(240, 250, 260, 270)의 일부 적층면과 측면에 밀착되어 있지 않다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전극조립체는, 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 배열하는 방법에 따라, 다양한 디자인의 디바이스에 맞게 디바이스 내부의 사공간을 효과적으로 활용할 수 있는 전극조립체를 용이하게 제조할 수 있는 바, 이를 포함하는 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시키는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 단위셀들; 및
    상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 일단위의 시트형 분리필름;
    을 포함하며,
    상기 단위셀들은 분리필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 전극들이 배열되도록 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고,
    상기 단위셀들은 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 포함하고 있어서 상기 단위셀들의 적층 구조가 폭과 높이가 있는 하나 이상의 계단 구조를 형성하고 있으며,
    상기 시트형 분리필름은 양단에서 중앙 부분으로 권취 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들의 적층 구조에서 권취 종단의 단위셀들 사이에는 분리필름이 두 번 개재되는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름의 양단은 전극조립체 내부에 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들의 적층 구조는 평면을 기준으로 높이 방향으로 단위셀들의 크기가 단계적으로 작아지는 구조인 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들의 적층 구조는 중앙부분에 가장 큰 크기의 단위셀들이 위치하는 구조인 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 크기가 서로 다른 제 1 형 단위셀들, 제 2 형 단위셀들, 및 제 3 형 단위셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 단위셀들의 크기는 제 1 형 단위셀들이 가장 작고, 제 3 형 단위셀들이 가장 큰 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 단위셀들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 제 3 형 단위셀들, 제 2 형 단위셀들 및 제 1 형 단위셀들 순으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 단위셀들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 제 1 형 단위셀들, 제 3 형 단위셀들 및 제 2 형 단위셀들 순으로 적층되어 있거나, 또는 제 2 형 단위셀들, 제 3 형 단위셀들 및 제 1 형 단위셀들 순으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 크기가 다른 단위셀들은 전극 탭의 형성 방향을 기준으로 폭이 상이한 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 단위셀들은 양극이 양단에 위치하는 A형 단위셀들과 음극이 양단에 위치하는 C형 단위셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 적층된 단위셀들 중에서, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 단위셀들은 A형 단위셀인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 적층된 단위셀들 중에서, 최상단 및 최하단에 적층되어 있는 단위셀의 최외곽 전극은 분리막을 사이에 두고 대향하는 전극과 대면하는 일면에만 전극 슬러리가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은, 상기 단위셀들의 적층면과 전극 탭 비형성 부위인 단위셀들의 적어도 하나의 측면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 양극, 음극, 분리막이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체.
  17. 제 1 항에 따른 복합 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
    크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들 n개를 시트형 분리필름 상에 배열하고, 제 1 단위셀이 위치하는 일 단과 제 n 단위셀이 위치하는 타 단에서 각각 중앙 부분으로 서로 대향하여 권취하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 중앙 부분을 중심으로 일단에는 크기가 동일한 한 종류의 단위셀들만을 배열하고, 타단에는 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 단위셀들을 배열하는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체의 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이 및 제 n-1 단위셀과 제 n 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 각각 제 1 단위셀 및 제 n 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 전극조립체의 제조방법.
  20. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 복합 전극조립체가 전해질로 함침된 상태에서 전지 케이스 내에 밀봉되어 있는 구조로 이루어진 리튬 이차전지.
  21. 제 20 항에 따른 상기 리튬 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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