KR20160016174A - 전극조립체, 전지셀 및 전지셀 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체에 관한 것으로, 전극조립체에서 전극과 상기 분리막의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부와, 상기 이웃하는 접합부 사이에 통로를 형성하며, 이에 전극과 분리막의 정렬성과 함께 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있다.

Description

전극조립체, 전지셀 및 전지셀 제조방법{ELECTRODE ASSEMBLY, CELL OF SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체, 그를 포함하는 전지셀 및 전지셀 제조방법에 관한 것으로, 특히 전극조립체의 전극과 분리막의 테두리를 부분적으로 접합함에 따라 형성되는 통로를 통해 전해액 함침력을 향상시킨 전극조립체, 그를 포함하는 전지셀 및 전지셀 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 또는 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다.
여기서 상기한 스택형 구조는 전극 조립체를 구성하는 전극 단위체(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극 조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 어려움이 있었으며, 이에 전극 단위체(양극, 분리막 및 음극)의 가장자리 전체를 열융착하여 일체화시킴에 따라 정렬성을 높이고 있다.
특허출원 제2013-0058164호
종래기술에 따른 전극조립체는 전극의 정렬성은 높일 수 있지만, 전극조립체의 가장자리가 모두 접합됨에 따라 전해액의 함침력이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극 단위체의 정렬성과 전해액의 함침력을 동시에 높일 수 있는 전극조립체, 그를 포함하는 전지셀 및 전지셀 제조방법을 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극과 분리막이 교대로 적층되는 구조를 가지며, 상기 전극과 상기 분리막의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부와, 상기 이웃하는 접합부 사이에 통로를 형성할 수 있다.
상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 전체 테두리에 부분적으로 형성되거나, 상기 전극과 상기 분리막의 양측 테두리에 부분적으로 형성되거나, 상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 전후측 테두리에 부분적으로 형성되거나, 상기 전극과 상기 분리막의 모서리에 형성될 수 있다.
상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 테두리를 부분적으로 열융착하여 형성될 수 있다.
상기 통로의 면적은 상기 접합부의 면적과 같거나 또는 크게 형성될 수 있다.
상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 테두리 면적을 기준으로 10% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 접합부는 사각형태를 가질 수 있다.
상기 전극은 판 형상의 집전체와, 상기 집전체의 양면 내측에 코팅되는 전극 활물질층을 포함하며, 상기 전극 활물질층이 없는 집전체의 테두리가 상기 분리막과 일체화될 수 있다.
상기 전극 조립체의 최외각에는 분리막이 배치될 수 있다.
상기 전극 조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나, 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조를 가지는 한편, 최상단에는 제3 분리막이 더 적층될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀은 부분적으로 접합된 접합부가 형성된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 파우치 케이스; 및 상기 파우치 케이스에 주입되는 전해액을 더 포함하며, 상기 전해액은 상기 접합부 사이의 통로를 통해서도 침투되면서 함침될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체를 제조하는 전극조립체 제조단계(S10); 상기 전극조립체의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부를 형성하는 한편, 이웃하는 접합부 사이에 통로를 마련하는 전극조립체 접합단계(S20); 상기 전극조립체를 파우치 케이스에 삽입한 후, 전해액을 주입하여 전지셀을 제조하는 한편, 상기 전해액은 상기 통로로도 침투되면서 함침되는 전지셀 제조단계(S30)를 포함할 수 있다.
상기 전극조립체 접합단계(S20)는 상기 전극조립체의 테두리를 부분적으로 열융착하여 일체화된 접합부를 형성할 수 있다.
상기 전극조립체 접합단계(S20)는 접합장치(200)에 의해 전극조립체의 테두리를 부분적으로 접합하며, 상기 접합장치(200)는 상기 전극조립체가 배치되는 지지본체(210)와, 상기 지지본체의 상부에 구비되고 하강시 상기 지지본체에 배치된 전극조립체의 테두리를 부분적으로 열융착하여 접합하는 복수개의 가열 돌기부(230)가 형성된 가열프레스(220)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극조립체를 부분적으로 접합함으로써 전극조립체의 테두리에 접합부와 통로를 순차적으로 형성할 수 있으며, 이에 전극의 정렬성과 전해액의 함침력을 동시에 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 접합부를 전극과 분리막을 고정하여 정렬성을 향상시킬 수 있고, 통로를 통해 전해액이 침투하여 함침력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극조립체를 도시한 분리사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전극조립체를 도시한 조립사시도.
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체를 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 표시된 A부분 확대도.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 전극조립체의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 전극조립체의 접합장치를 도시한 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 전극조립체의 접합장치를 도시한 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 전지셀을 도시한 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 전지셀 제조방법을 나타낸 순서도.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 전지셀 제조방법을 도시한 도면으로, 도 12는 전극조립체를 제조하는 상태를 도시한 도면이고, 도 13은 전극조립체를 접합하는 상태를 도시한 도면이며, 도 14는 전지셀을 제조하는 상태를 도시한 도면이고, 도 15는 전지셀에 수용된 전극조립체에 전해액이 침투하는 방향을 도시한 도면임.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 전극조립체]
본 발명에 따른 전극조립체(110)는 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 전극과 분리막이 교대로 적층되는 구조를 가진다.
여기서 본 발명에 따른 전극조립체(110)는 전극과 분리막의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부(116)와, 상기 이웃하는 접합부(116) 사이에 통로(117)를 형성하며, 이에 전극과 분리막의 정렬성과 전해액의 함침성을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 따른 전극조립체(110)는 도 1을 참조하면, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상에서 하로 순차적으로 적층된 4층 구조나, 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조로 형성된다. 여기서 제1 전극은 양극이고, 제2 전극은 음극이다. 물론 반대일 수도 있다.
한편, 전극조립체(110)의 최상단에는 분리막이 배치되게 형성되며, 이는 전극조립체(110)의 최외각에 분리막을 배치함에 따라 쇼트발생을 방지하고, 특히 전극과 분리막 접합시 전극의 손상 없이 접합력을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)으로 적층된 전극조립체(110)의 최상단에 제3 분리막(115)을 더 적층하며, 이에 전극조립체(110)의 최외각에 모두 분리막을 배치할 수 있다.
한편 전극과 분리막은 동일한 크기를 가질 수 있으며, 이에 상하로 배치된 전극과 분리막의 정렬성을 향상시킬 수 있다.
한편, 전극은 판 형상의 집전체와, 상기 집전체의 양면 내측에 코팅되는 전극 활물질층을 포함하는 한편, 상기 집전체의 테두리에는 활물질층이 없는 무지부가 형성된다. 여기서 무지부는 분리막과 접합됨에 따라 일체화된다. 즉, 분리막과 접합되는 집전체의 테두리를 무지부로 형성하여 접합력 향상 및 활물질층의 낭비를 방지할 수 있다.
여기서 본 발명에 따른 전극조립체(110)는 동일한 크기로 전극과 분리막을 형성하는 것만으로는 전극 또는 분리막의 유동에 의해 정밀하게 정렬시키는데 한계가 있다.
이에, 본 발명에 따른 전극조립체(110)는 전극의 정렬성과 전해액의 함침력을 동시에 향상시키는 구조를 가진다.
예를 들면, 본 발명에 따른 전극조립체(110)는 도 3 및 도 4를 참조하면, 적층된 제3 분리막(115), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부(116)를 형성하는 한편, 이웃하는 접합부(116) 사이에 통로(117)를 형성한다.
여기서 접합부(116)는 도 2를 참조하면, 전극과 분리막의 전체 테두리에 부분적으로 형성될 수 있으며, 이에 향상된 정렬성과 함침성을 얻을 수 있다.
한편, 접합부(116)는 전극과 분리막의 테두리 중 어느 한 부분에만 형성될 수도 있다.
예를 들면, 접합부(116a)는 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(110a)에서 전극과 분리막의 양측 테두리(도 5에서 보았을 때 좌측 및 우측 테두리)에 부분적으로 형성될 수 있다.
또한, 접합부(116b)는 도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(110b)에서 전극과 분리막의 전후측 테두리(도 6에서 보았을 때 상측 및 하측 테두리)에 부분적으로 형성될 수 있다.
또한, 접합부(116c)는 도 7에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(110c)에서 전극과 분리막의 모서리에 형성될 수도 있다.
즉, 접합부(116)는 전극조립체(110a)의 크기, 적층 구조, 전극탭의 형성 위치에 따라 선택적으로 형성할 수 있다.
한편, 접합부(116)는 전극과 분리막의 테두리를 부분적으로 열융착하여 형성된다. 즉, 적층된 제3 분리막(115), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)의 테두리를 압입한 상태로 열을 가하여 일체화된 접합부(116)를 형성하며, 이에 별도의 접착제 없이도 전극과 분리막을 접합할 수 있다.
한편, 이웃하는 접합부(116) 사이에 형성되는 통로(117)의 면적은 접합부(116)의 면적과 같거나 또는 크게 형성한다. 또는 접합부(116)는 전극과 분리막의 테두리 면적을 기준으로 10% 내지 50%의 크기로 형성한다. 즉, 접합부(116)는 전극과 분리막이 분리되지 않는 최소한의 면적을 가지도록 하는 한편, 통로(117)는 전해액의 침투를 높일 수 있는 최대한의 면적을 가지도록 한다.
한편, 접합부(116)는 전극조립체(110)와 유사한 사각형태를 가지며, 이에 전극조립체(110)의 전후좌우로부터 전달되는 응력에 안정적인 지지력을 확보할 수 있다. 여기서 전극조립체(110)의 크기 및 형태에 따라 접합부의 형태 또한 달리 적용될 수 있다. 즉, 접합부는 원형, 삼각형, 다각형, 타원형 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 전극조립체(110)는 접합부(116)를 통해 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113), 제2 분리막(114) 및 제3 분리막(115)을 일체화함에 따라 정렬성을 향상시킬 수 있고, 통로(117)를 통해 전해액 침투를 유도함에 따라 함침성을 향상시킬 수 있다.
[본 발명의 접합장치]
한편, 이와 같은 구성을 가지는 전극조립체(110)는 접합장치(200)를 사용하여 전극과 분리막의 테두리를 부분적으로 접합한다.
본 발명의 접합장치(200)는 도 8 및 도 9에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(110)가 배치되는 지지본체(210)와, 지지본체(210)의 상부에 구비되고 하강시 지지본체(210)에 배치된 전극조립체(110)의 테두리를 부분적으로 열융착하여 접합하는 복수개의 가열 돌기부(221)가 형성된 가열프레스(220)를 포함한다.
즉, 본 발명의 접합장치(200)는 가열프레스(220)의 가열 돌기부(221)가 지지본체(210)에 배치된 전극조립체(110)의 테두리를 부분적으로 가압한 상태로 열을 가하면서 일체화되게 접합하며, 이에 전극조립체(110)의 테두리 중 가열 돌기부(221)에 가압된 부분이 접합되면서 접합부(116)를 형성한다.
따라서 본 발명의 접합장치(200)는 전극조립체(110)의 테두리를 부분적으로 열융착하여 접합할 수 있으며, 이에 작업의 효율성을 높일 수 있다.
[본 발명의 전지셀]
한편, 상기 전극조립체(110)를 포함하여 함침력이 향상된 전지셀을 얻을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 도 10에 도시되어 있는 것과 같이, 테두리를 따라 부분적으로 접합부(116)가 형성된 전극조립체(110), 전극조립체(110)가 수용되는 파우치 케이스(130), 및 파우치 케이스(130)에 주입되는 전해액(120)을 포함하며, 파우치 케이스(130)는 전극조립체(110)와 전해액(120)이 수용된 상태로 테두리를 실링한다.
이와 같은 본 발명에 따른 전지셀(100)은 도 15를 참조하면, 전해액(120)이 전극조립체(110)에 형성된 접합부(116) 사이의 통로(117)로 침투되며, 이에 전해액의 함침력을 향상시킬 수 있다.
[본 발명의 전지셀 제조방법]
한편, 이와 같은 구성을 가지는 전지셀을 제조하는 방법을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전지셀 제조방법은 도 11에 도시되어 있는 것과 같이, 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체를 제조하는 전극조립체 제조단계(S10), 상기 전극조립체의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부를 형성하는 한편, 이웃하는 접합부 사이에 통로를 마련하는 전극조립체 접합단계(S20), 상기 전극조립체를 파우치 케이스에 삽입한 후, 전해액을 주입하여 전지셀을 제조하는 전지셀 제조단계(S30)를 포함한다.
전극조립체 제조단계(S10)는 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체를 제조하기 위한 것으로, 예를 들면, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상에서 하로 순차적으로 적층되는 4층 구조, 또는 4층 구조가 복수개 적층되는 전극조립체(110)를 제조한다. 이때 전극조립체(110)의 최상단에 위치한 제1 전극(111)의 상면에는 제3 분리막(115)을 더 적층할 수 있다.
전극조립체가 제조되면, 전극조립체의 테두리를 부분적으로 접합하는 전극조립체 접합단계(S20)를 수행한다.
전극조립체 접합단계(S20)는 도 13에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(110)를 지지본체(210)의 상면에 배치한 다음, 가열프레스(220)를 지지본체(210)를 향해 하강시킨다. 그러면, 가열프레스(220)의 가열 돌기부(221)가 지지본체(210)에 배치된 전극조립체(110)의 테두리를 부분적으로 가압한 상태로 열을 가하면서 일체화되게 접합하며, 이에 테두리를 따라 부분적으로 접합부(116)가 형성되는 한편, 접합부(116) 사이에 통로(117)가 형성된 전극조립체(110)를 가공할 수 있다.
즉, 전극조립체 접합단계(S20)는 전극조립체(110)의 테두리를 부분적으로 열융착하여 일체화된 접합부(116)와, 이웃하는 접합부(116) 사이에 통로(117)를 형성한다.
접합부의 가공이 완료되면, 전지셀을 제조하는 전지셀 제조단계(S30)를 수행한다.
전지셀 제조단계(S30)는 도 14에 도시되어 있는 것과 같이, 접합부(116)와 통로(117)가 형성된 전극조립체(110)를 파우치 케이스(130)에 삽입한 후, 전해액(120)을 주입한다. 다음으로 파우치 케이스(130)의 테두리를 실링하면 전지셀(100)이 완성된다.
이때, 전해액(120)은 도 15에 도시되어 있는 것과 같이, 전극조립체(110)에 형성된 많은 통로(117)를 통해 침투됨에 따라 함침력을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 전지셀 제조방법을 사용함으로써 전극과 분리막의 정렬성과 전해액의 함침력을 동시에 향상시킬 수 있는 전지셀(100)을 얻을 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 전지셀
110: 전극조립체
111: 제1 전극
112: 제1 분리막
113: 제2 전극
114: 제2 분리막
115: 제3 분리막
116: 접합부
117: 통로
120: 전해액
130: 파우치 케이스
200: 접합장치
210: 지지본체
220: 가열프레스
221: 가열 돌기부

Claims (16)

  1. 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부와, 상기 이웃하는 접합부 사이에 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 전체 테두리에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 양측 테두리에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 전후측 테두리에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 모서리에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 테두리를 열융착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 통로의 면적은 상기 접합부의 면적과 같거나 또는 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 상기 전극과 상기 분리막의 테두리 면적을 기준으로 10% 내지 50%의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 사각형태를 가지는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극은 판 형상의 집전체와, 상기 집전체의 양면 내측에 코팅되는 전극 활물질층을 포함하며,
    상기 전극 활물질층이 없는 집전체의 테두리가 상기 분리막과 일체화되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체의 최외각에는 분리막이 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층된 4층 구조나, 상기 4층 구조가 반복적으로 적층된 구조로 형성되는 한편, 최상단에는 제3 분리막이 더 적층되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 하나의 청구항에 의해 제조되는 전극조립체;
    상기 전극조립체가 수용되는 파우치 케이스; 및
    상기 파우치 케이스에 주입되는 전해액을 포함하며,
    상기 전해액은 상기 접합부 사이의 통로를 통해서도 침투되면서 함침되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체를 제조하는 전극조립체 제조단계(S10);
    상기 전극조립체의 테두리를 부분적으로 접합하여 일체화된 접합부를 형성하는 한편, 이웃하는 접합부 사이에 통로를 마련하는 전극조립체 접합단계(S20);
    상기 전극조립체를 파우치 케이스에 삽입한 후, 전해액을 주입하여 전지셀을 제조하는 한편, 상기 전해액은 상기 통로로도 침투되면서 함침되는 전지셀 제조단계(S30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 전극조립체 접합단계(S20)는 상기 전극조립체의 테두리를 부분적으로 열융착하여 일체화된 접합부와, 이웃하는 접합부 사이에 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 전극조립체 접합단계(S20)는 접합장치에 의해 전극조립체의 테두리를 부분적으로 접합하며,
    상기 접합장치는 상기 전극조립체가 배치되는 지지본체와, 상기 지지본체의 상부에 구비되고 하강시 상기 지지본체에 배치된 전극조립체의 테두리를 부분적으로 열융착하여 접합하는 복수개의 가열 돌기부가 형성된 가열프레스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
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