KR20160046523A - 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 이차전지가 수용되는 전자기기 내의 수납공간을 최대한 활용할 수 있도록 구성된 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지에 관한 것이며, 크기가 서로 상이한 복수개의 전극조립체가 다단으로 적층되어 커브 형상의 곡면형 공간을 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간이나, 전자부품의 배열에 따른 높낮이에 의하여 요철부를 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간에 수용될 수 있으므로, 전자기기 내의 이차전지 수납공간을 최대한 활용할 수 있고, 또한, 본 발명의 전자기기의 이차전지 수납공간의 잔여공간을 최대한 활용하여 전지용량 및 전지사용시간을 늘릴 수 있다.

Description

스텝 셀 구조를 가지는 이차전지{Secondary battery having stepped cell structure}
본 발명은 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 이차전지가 장착되거나 수용되는 전자기기 내의 수납공간을 최대한 활용할 수 있도록 구성된 스텝 셀 구조를 가지는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.
휴대전화, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기 시장이 확대되고 다양화됨에 따라 재충전이 가능한 전원공급용 이차 전지에 대한 수요도 확대되고 있다. 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화 및 다기능화는 전력원으로 사용되는 이차 전지의 에너지 저장밀도의 계속적인 향상을 요구하고 있다. 따라서, 이를 충족하기 위한 다년간의 연구결과, 현재 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 탄소음극과 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 양극물질을 채용한 리튬이온 이차 전지가 등장하였다.
이 리튬이온 이차 전지는, 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차 전지와 비교할 경우, 단위무게당 에너지 밀도 및 충방전 수명이 상대적으로 크기 때문에 최근 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원으로 급속히 기존 전지를 대치하고 있다. 그러나, 휴대용 전자기기의 급속한 발전과 다변화에 따라 더 높은 에너지 밀도와 다양한 규격의 전지 선택에 대한 요구가 급증하고 있는 바, 현재 리튬이온 이차 전지는 이와 같은 요구를 충족시켜 주지는 못하고 있는 실정이다.
특히, 전자기기의 급속한 박형화와 소형화는 얇은 두께의 박형 리튬이온 이차 전지에 대한 수요를 급속히 확대시키고 있는 반면, 기존의 원통형이나 각형 리튬이온 이차 전지의 조립방법을 그대로 채용하는 경우, 박형화에 따르는 부피당 에너지 밀도의 하락이 지나치게 큰 편이다. 따라서, 부피당 에너지 밀도가 높은 박형 리튬이온 이차 전지의 개발은 다양한 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 박형화를 이룩하는 데 필수적이라고 판단된다.
따라서, 본 출원인은, 이러한 문제를 해결하기 위해 포켓팅된 전극체를 이용한 이차전지를 개발하였으며, 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 한국등록특허 제10-1168651호 및 제10-0337707호에는 포켓팅된 전극체를 이용한 리튬이온 이차전지 및 제조기술이 개시되어 있다.
상기 선행특허들은 위의 문제점을 어느 정도 해결하였으나, 포켓팅 전극체를 이용한 리튬이온 이차전지는, 코인(coin)형, 버튼(button)형 등의 편평형 또는 파우치 형태 등의 외장 케이스가 전형적인 형상으로 제조되는 것이 일반적이기 때문에, 이차전지가 사용되는 전자기기의 모양이나 형태가 바뀌면 전형적인 형상의 이차전지가 사용되지 못한다는 문제점은 여전히 남아 있다.
최근에 와서 전자기기의 디자인은 소비자의 선택기준에서 큰 비중을 차지하기 때문에, 근래에는 세련되고 미려한 형상의 곡면형 전자기기들이 많이 출시되고 있는 실정이다.
그러나, 기존의 이차전지가 상기 곡면형 전자기기나, 또는, 전자부품들에 의해 필연적으로 요철부 공간이 형성되는 전자기기에 수납될 경우, 전자기기 내의 이차전지 수납공간에 상기 이차전지가 채우지 못하는 잔여공간이 남아있게 된다.
이에 따라, 기존의 이차전지는, 상기 잔여공간을 효율적으로 활용하지 못하기 때문에, 전지용량이나 사용시간 면에서 곡면형 전자기기나 요철부 공간을 갖는 전자기기에 적용되어 사용되기에는 만족할 만한 수준에 이르지 못한다.
따라서, 본 출원인은, 상기 수납공간의 잔여공간을 효율적으로 활용하여 이차전지의 전지용량이나 사용시간을 늘릴 수 있고 이차전지가 사용되는 전자기기의 형태에 대한 제약을 줄 수 있는 형태와 구조를 가지도록 스텝 셀 구조(stepped cell structure)를 가지는 리튬이온 이차전지를 제안하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전지의 성능을 저하시키지 않은 상태로 이차전지가 수납되는 전자기기의 수납공간을 최대한 활용하고, 또한, 상기 수납공간의 형상에 호환되어 사용될 수 있는, 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 리튬이온 이차전지는, 동일한 크기를 가지는 복수개의 제1 포켓팅 양극체와 제1음극체가 교대로 적층되는 제1전극조립체; 동일한 크기를 가지는 복수개의 제2 포켓팅 양극체와 제2음극체가 교대로 적층되며, 상기 제1전극조립체의 크기보다 작은 크기를 가지도록 형성되고 상기 제1전극조립체의 상측에 마련되는 제2전극조립체; 및 상기 제1전극조립체의 최상단에 적층되며, 상기 제1 포켓팅 양극체와 동일한 크기를 가지는 제3 포켓팅 양극체;를 포함하며, 상기 제3 포켓팅 양극체의 양극판은 상기 제2음극체의 음극판과 동일하거나 작게 형성되고, 상기 제1 포켓팅 양극체의 양극판 보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 리튬이온 이차전지는, 동일한 크기를 가지는 복수개의 제1 포켓팅 양극체와 제1음극체가 교대로 적층되는 제1전극조립체; 및 동일한 크기를 가지는 복수개의 제2 포켓팅 양극체와 제2음극체가 교대로 적층되며, 상기 제1전극조립체의 크기보다 작은 크기를 가지도록 형성되고 상기 제1전극조립체의 상측 또는 하측에 마련되는 제2전극조립체;를 포함하며, 상기 제1전극조립체는 상기 제2전극조립체 보다 크게 형성될 수 있다.
상기 제1전극조립체의 최상단에는 상기 제1 포켓팅 양극체와 동일한 크기를 가지는 제3 포켓팅 양극체가 적층되고, 상기 제3 포켓팅 양극체의 양극판은 상기 제2 음극체의 음극판과 동일하거나 작게 형성되고, 상기 제1 포켓팅 양극체의 양극판 보다 작게 형성될 수 있다.
상기 제1 포켓팅 양극체와 상기 제2 포켓팅 양극체 및 상기 제3 포켓팅 양극체는, 양극 활물질인 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물의 코팅층 및 무지 돌출부를 가지는 양극판; 상기 무지 돌출부만을 노출시키면서 상기 양극판의 양면을 피복하는 한 쌍의 분리막; 및 상기 양극판의 전체 둘레 또는 둘레의 일부에서 상기 한 쌍의 분리막 사이에 위치하여 상기 한 쌍의 분리막에 접착되는 절연성 고분자 필름;을 포함할 수 있다.
상기 제1음극체 및 상기 제2음극체는, 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극 활물질 코팅층 및 무지 돌출부를 가지는 음극판을 포함할 수 있다.
상기 제1 포켓팅 양극체와 상기 제3 포켓팅 양극체의 상기 절연성 고분자 필름의 타발공간 형상은 서로 동일하게 형성될 수 있다.
상기 제3 포켓팅 양극체의 절연성 고분자 필름에 형성된 상기 타발공간의 크기 또는 면적은 상기 제1 포켓팅 양극체의 절연성 고분자 필름에 형성된 상기 타발공간의 크기 또는 면적과 동일하거나 작게 형성될 수 있다.
상기 제2음극체의 음극판의 가장자리 보다 상기 제3 포켓팅 양극체의 양극판의 가장자리가 안쪽에 있도록 형성되며, 상기 제1 포켓팅 양극체의 양극판의 가장자리 보다 상기 제3포켓팅 양극체의 양극판의 가장자리가 안쪽에 있도록 형성될 수 있다.
상기 제1포켓팅 양극체, 상기 제2포켓팅 양극체 및 상기 제3포켓팅 양극체에서 상기 양극판과 상기 절연성 고분자 필름 사이의 간격은 동일하게 형성될 수 있다.
상기 제1전극조립체의 상단 및 하단에는 상기 제1음극체가 각각 배치되고,상기 제2전극조립체의 상단 및 하단에는 상기 제2음극체가 각각 배치될 수 있다.
상기 제1전극조립체의 상단 및 하단에 배치되는 제1음극체와 상기 제2전극조립체의 상단 및 하단에 각각 배치되는 상기 제2음극체에는 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극 활물질 코팅층이 형성되며, 상기 음극 활물질 코팅층은, 상기 제1전극조립체의 상단에 배치되는 제1음극체의 밑면 및 상기 제1전극조립체의 하단에 배치되는 제1음극체의 윗면과, 상기 제2전극조립체의 상단에 배치되는 제2음극체의 밑면 및 상기 제2전극조립체의 하단에 배치되는 제2음극체의 윗면에 형성 될 수 있다.
상기 제1전극조립체의 상측 또는 하측에는 상기 제1전극조립체의 상측 또는하측에 적층되는 상기 제2전극조립체의 적층위치를 안내하는 위치결정부재가 마련될 수 있다.
상기 위치결정부재에는 상기 제2전극조립체가 통과될 수 있는 통공이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지는, 크기가 서로 상이한 복수개의 전극조립체가 다단으로 적층되어 커브 형상의 곡면형 공간을 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간이나, 전자부품의 배열에 따른 높낮이에 의하여 요철부를 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간에 수용될 수 있으므로, 전자기기 내의 이차전지 수납공간을 최대한 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지는, 전자기기의 이차전지 수납공간의 잔여공간을 최대한 활용할 수 있으므로, 전지용량 및 전지사용시간을 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지는, 전자기기의 이차전지 수납공간을 기존의 각형이나 원통형으로 한정하지 않기 때문에, 전자기기를 다양한 디자인으로 설계 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지의 분리 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지의 결합 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 이차전지를 A-A' 방향으로 절단하여 화살표 방향에서 바라본 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 포켓팅 양극체의 평면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 포켓팅 양극체의 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 포켓팅 양극체의 평면도.
도 7은 도 3에 도시된 제3 포켓팅 양극체에 제2음극체가 적층된 모습을 위에서 바라본 도면.
도 8은 도 3에 도시된 제3 포켓팅 양극체의 절연성 고분자 필름의 폭이 늘어난 상태를 보여주는 단면도.
도 9은 도 7에 도시된 제3 포켓팅 양극체의 평면도.
도 10은 도 7에 도시된 제3 포켓팅 양극체에 제2음극체가 적층된 모습을 위에서 바라본 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지가 곡면형상을 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간에 삽입된 모습을 보여주는 참고도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지의 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 위치결정부재에 의해 제2전극조립체를 제1전극조립체에 적층하는 모습을 보여주는 사시도.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 제2전극조립체가 위치결정부재에 의해 안내되어 제1전극조립체에 적층된 모습을 보여주는 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)는 리튬이온 이차전지(Lithium Ion Secondary Battery)를 포함하되 리튬이온 이차전지에 국한되는 것은 아니다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)가 리튬이온 이차전지인 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)는, 서로 상이한 크기를 가지는 복수개의 전극조립체가 상하방향 또는 다단으로 적층되는 구조 내지 형태를 가지며, 본 발명의 실시예에서는 서로 상이한 크기를 가지는 두 개의 전극조립체가 서로 상하로 적층되는 경우를 예로 들어 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는, 동일한 크기를 가지는 복수개의 제1 포켓팅 양극체(110)와 제1음극체(120)가 교대로 적층되는 제1전극조립체(130); 동일한 크기를 가지는 복수개의 제2 포켓팅 양극체(140)와 제2음극체(150)가 교대로 적층되며, 상기 제1전극조립체(130)의 크기보다 작은 크기를 가진 상태로 상기 제1전극조립체(130)의 상측에 마련되는 제2전극조립체(160); 및 상기 제1전극조립체(130)의 최상단에 적층되며, 상기 제1 포켓팅 양극체(110)와 동일한 크기를 가지는 제3 포켓팅 양극체(170);를 포함하고, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)은 상기 제2음극체(150)의 음극판(151)과 동일하거나 작게 형성되고, 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 양극판(111) 보다는 작게 형성될 수 있다.
상기 제3 포켓팅 양극체(170)는 상기 제1전극조립체(130)와 상기 제2전극조립체(160)사이에 배치되며, 이에 따라, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)와 접하는 상기 제1전극조립체(130)의 최상단과, 상기 제2전극조립체(160)의 최하단에는 당연히 제1음극체(120)와 제2음극체(150)가 각각 배치될 수 있다.
제1전극조립체(130)와 제2전극조립체(160) 중에서 상대적으로 작은 전극조립체(160)의 전기저항이 상대적으로 큰 전극조립체(130)의 전기저항 보다 작은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상대적으로 크기가 작은 전극조립체(160)가 먼저 퇴화하여 전지로서의 기능을 상실할 가능성이 큰데, 작은 전극조립체(160)의 전기저항을 작게 하여 전지로서의 기능유지 기간을 큰 전극조립체(130)와 비슷하게 유지할 수 있다.
상기 제1 포켓팅 양극체(110)와 제2 포켓팅 양극체(140) 및 제3 포켓팅 양극체(170)는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 양극 활물질인 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물의 코팅층 및 무지 돌출부(111a, 141a, 171a)를 가지는 양극판(111, 141, 171); 상기 무지 돌출부(111a, 141a, 171a)만을 노출시키면서 상기 양극판(111, 141, 171)의 양면을 피복하는 한 쌍의 분리막(112, 142, 172); 및 상기 양극판(111, 141, 171)의 전체 둘레 또는 둘레의 일부에서 상기 한 쌍의 분리막(112, 142, 172) 사이에 위치하여 상기 한 쌍의 분리막(112, 142, 172)에 접착되는 절연성 고분자 필름(114, 144, 174)을 포함할 수 있다.
상기 절연성 고분자 필름(114, 144, 174)은, 양면에 접착성분이 도포된 띠 형상의 고분자 필름에 타발공간(115, 145, 175)을 형성시켜 제조될 수 있다.
상기 절연성 고분자 필름(114, 144, 174)은 폴리 올레핀 수지 필름, 폴리 에스테르 수지 필름, 폴리 스티렌 수지 필름, 폴리 이미드 필름, 폴리 아마이드 필름, 플로로 카본 수지 필름, 에비에스 필름, 폴리 아크릴계 필름, 아세탈 계 필름, 폴리 카보네이트 필름으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 절연성 고분자 필름(114, 144, 174)은 에틸렌비닐아세테이트, 에틸렌 에틸 아세테이트, 에틸렌 아크릴릭 애시드 계 화합물, 아이오노머계 화합물, 폴리 에틸렌, 폴리 비닐 아세테이트, 폴리 비닐 뷰티랄로 구성된 고온 용융형 접착물질군으로부터 선택된 어느 하나의 접착 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 절연성 고분자 필름(114, 144, 174)의 타발공간(115, 145, 175)은, 상기 양극판(111, 141, 171)이 수납되는 공간이며, 상기 양극판(111, 141, 171)이 일정 간격을 가지고 수납될 수 있도록 상기 양극판(111, 141, 171)의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 타발공간(115, 145, 175)은, 상기 양극판(111, 141, 171)의 둘레 또는 둘레의 일부를 포함할 수 있는 조건만 만족하면 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 양극판(111, 141, 171)이 무지 돌출부(111a, 141a, 171a)를 가지는 직사각형의 형상으로 형성되며, 상기 절연선 고분자 필름(114, 144, 174)의 타발공간(115, 145, 175)은 상기 양극판(111, 141, 171)의 전체 둘레를 포함하는 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 절연성 고분자 필름(114)과 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 절연성 고분자 필름(144) 및 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 절연성 고분자 필름(174)에 형성되는 타발공간(115, 145, 175)은 서로 동일한 형상을 가질 수 있다.
그리고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 절연성 고분자 필름(174)에 형성되는 타발공간(175) 면적은 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 절연성 고분자 필름(114)이 구획하는 타발공간(115) 면적과 동일하게 형성될 수 있다.
상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171) 크기는 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 양극판(111) 크기보다 작기 때문에, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)에 형성된 타발공간(175) 면적이 상기 제1 포켓팅 양극체(110)에 형성된 타발공간(115) 면적과 동일할 경우, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)과 절연성 고분자 필름(174) 사이에 형성되는 간격(d1)은 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 양극판(111)과 절연성 고분자 필름(114) 사이에 형성되는 간격(d2) 보다 길거나 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 타발공간(175) 면적 또는 크기가 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 타발공간(115) 면적 또는 크기와 동일할 경우에는, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)에 사용되는 절연성 고분자 필름(174)과 상기 제1 포켓팅 양극체(110)에 사용되는 절연성 고분자 필름(114)은 서로 동일한 형상으로서 호환 가능하기 때문에, 상기 절연성 고분자 필름(114, 174)을 제조하는 과정에서 고분자 필름의 생산라인을 별도로 마련하지 않아도 되는 장점이 있다.
그러나, 상기 제 3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)과 절연성 고분자 필름(174)의 간격(d1)에 의해 형성되는 공간은, 제1 포켓팅 양극체(110)의 양극판(111)과 절연성 고분자 필름(174)의 간격(d2)에 의해 형성되는 공간보다 크기 때문에, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)과 절연성 고분자 필름(174)의 간격(d1)에 의해 형성되는 공간을 구획하는 한 쌍의 분리막(172)이 변형될 수 있고 이에 따라, 전지의 성능이 저하될 수 있다. 즉, 제3 포켓팅 양극체(170)의 경우 양극판(171)과 절연선 고분자 필름(174) 사이의 간격이 제1 포켓팅 양극체(110) 보다 크기 때문에 분리막(172)이 양극판(171) 또는 절연성 고분자 필름(174)에 의해서 지지되지 못하고 양극판(171)과 절연성 고분자 필름(174) 사이의 간격으로 분리막(172)이 쳐질 수도 있다.
따라서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 절연성 고분자 필름(174)에 형성되는 타발공간(175) 면적 또는 크기를 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 절연성 고분자 필름(114)이 구획하는 타발공간(115) 면적 또는 크기보다 작게 형성하여 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)과 절연성 고분자 필름(174) 사이의 간격(d1) 또는 면적을 줄일 수도 있다.
그리고, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 무지 돌출부(171a)의 폭(d3)은 상기 제1 포켓팅 양극체(110) 및 제2 포켓팅 양극체(140)의 무지 돌출부(111a, 141a)의 폭(d4, d5)과 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)에서 돌출된 무지 돌출부(171a)의 돌출길이(d6)는, 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 양극판(111)에서 돌출된 무지 돌출부(111a)의 돌출길이(d7)와 동일하거나 길고, 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 양극판(141)에서 돌출된 무지 돌출부(141a)의 돌출길이(d8)와 동일하거나 작을 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 무지 돌출부(111a)와 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 무지 돌출부(141a) 및 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 무지 돌출부(171a)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 동일한 폭을 가진 상태로 정렬되어 적층될 수 있다.
그리고, 상기 제1음극체(120) 및 제2음극체(150)는, 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극 활물질 코팅층 및 무지 돌출부(121a, 151a, 도 1 및 도 2 참조)를 가지는 음극판(121, 151)을 포함할 수 있다.
상기 제1음극체(120)의 음극판(121)은 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 분리막(112)과 동일한 크기를 가지며, 이에 따라, 상기 음극판(121)의 테두리는 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 무지 돌출부(111a)를 제외한 나머지 부위의 테두리와 일치될 수 있다. 즉, 제1음극체(120)의 음극판(121)은 제1포켓팅 양극체(110)와 동일한 크기 및 모양을 가지도록 형성된다.
그리고, 상기 제1음극체(120)의 음극판(121)은, 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 양극판에(111)에서 방출하는 리튬이온을 안정적으로 흡장시키기 위해 상기 양극판(111)의 크기보다 크게 형성되는 것이 필수적이다.
그리고, 상기 음극판(121)의 무지 돌출부(121a)는 상기 제1 포켓팅 양극체(110)의 무지 돌출부(111a) 및 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 무지 돌출부(171a)와 이격된 위치 또는 반대 위치 등 다른 위치에 형성되거나 배치될 수 있다.
상기 제2음극체(150)의 음극판(151)은 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 분리막(142)과 동일한 크기를 가지며, 이에 따라, 상기 음극판(151)의 테두리는 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 무지 돌출부(141a)를 제외한 나머지 부위의 테두리와 일치될 수 있다. 즉, 제2음극체(150)의 음극판(151)은 제2포켓팅 양극체(140)와 동일한 크기 및 모양을 가지도록 형성된다.
그리고, 상기 제2음극체(150)의 음극판(151)은 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 양극판(141)에서 방출하는 리튬이온을 안정적으로 흡장시키기 위해 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 양극판(141)의 크기보다 크게 형성되는 것이 필수적이다.
또한, 상기 음극판(151)의 무지 돌출부(151a)는 상기 제2 포켓팅 양극체(140)의 무지 돌출부(141a)와 이격된 위치 또는 반대 위치에 배치되고, 상기 제1음극체(120)의 음극판(121) 무지 돌출부와 정렬되어 적층될 수 있다.
또한, 상기 제2음극체(150)의 음극판(151)은, 전술한 바와 같이, 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171) 크기와 동일하거나 크게 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제1전극조립체(130)의 최상단에 위치되는 제3 포켓팅 양극체(170)에 상기 제2전극조립체(150)의 최하단에 위치되는 제2음극체(150)가 적층되면, 상기 제2음극체(150)의 음극판(151)이 상기 제3 포켓팅 양극체(170)의 양극판(171)의 전체 면적을 가리면서 상기 양극판(171)에서 방출하는 리튬이온을 안정적으로 흡장할 수 있다.
한편, 제3포켓팅 양극체(170)는 제1전극조립체(130)에 포함될 수도 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 크기가 서로 상이한 복수개의 전극조립체(130, 150)가 다단으로 상하에 적층되어 커브 형상의 곡면형 공간 또는 모양을 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간(200)이나, 전자부품의 배열에 따른 높낮이에 의하여 요철부를 가지는 전자기기의 이차전지 수납공간에 수용될 수 있으므로, 전자기기 내의 이차전지 수납공간을 최대한 활용할 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(200)가 설명된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(200)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)와 마찬가지로 제1전극조립체(130')와 제2전극조립체(160')를 포함할 수 있다.
다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(200)는, 상기 제1전극조립체(130') 및 제2전극조립체(160')를 구성하는 복수개의 포켓팅 양극체(110', 140') 및 음극체(120', 150') 간의 배치관계가 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)와는 상이하며, 이 배치관계로 인하여 본 발명의 일 실시예에서 설명되었던 제3포켓팅 양극체(170)를 구비하지 않고도 서로 다른 크기를 갖는 전극조립체(130', 160')를 상하로 적층시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(200)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 동일한 크기를 가지는 복수개의 제1포켓팅 양극체(110')와 제1음극체(120')가 교대로 적층되는 제1전극조립체(130'); 동일한 크기를 가지는 복수개의 제2 포켓팅 양극체(140')와 제2음극체(150')가 교대로 적층되며, 상기 제1전극조립체(130)의 크기보다 작은 크기를 가진 상태로 상기 제1전극조립체(130')의 상측 또는 하측에 마련되는 제2전극조립체(160')를 포함하며, 상기 제1전극조립체(130')와 상기 제2전극조립체(160')의 상단 및 하단에는 상기 제1음극체(120')와 상기 제2음극체(150')가 각각 배치되는 것을 더 포함할 수 있다.
참고로, 상기 제1전극조립체(130') 및 제2전극조립체(160')는 본 발명의 일실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)의 제1전극조립체(130) 및 제2전극조립체(160)의 구성과 대부분 동일하므로 이하에서는 동일부분에 대한 구체적인 설명이 생략된다.
상기 제1전극조립체(130')의 상단 및 하단에 배치되는 제1음극체(120')와 상기 제2전극조립체(160')의 상단 및 하단에 배치되는 제2음극체(150')에는 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극 활물질이 일면에만 도포되거나 코팅된다는 점이 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)의 제1전극조립체(130) 및 제2전극조립체(160)와 상이하다.
즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제1전극조립체(130')의 최상단과 상기 제2전극조립체(160')의 최하단에는 동일한 극성을 가지는 상기 제1음극체(120')와 상기 제2음극체(150')가 각각 배치되며, 이에 따라, 상기 제1전극조립체(130')와 상기 제2전극조립체(160')의 적층과정에서 상기 제1전극조립체(130')의 최상단에 배치된 제1음극체(120')와 상기 제1전극조립체(130')의 최하단에 배치된 제2음극체(150')가 서로 접촉되기 때문에, 상기 제1음극체(120')와 상기 제2음극체(150')가 서로 접촉되는 면에는 음극 활물질이 도포되거나 코팅될 필요가 없다.
아울러, 상기 제1전극조립체(130')의 최하단에 배치된 제1음극체(120')와 상기 제2전극조립체(160')의 최상단에 배치된 제2음극체(150')의 일면은 도시되지 않은 이차전지 케이싱과 접촉되기 때문에, 상기 이차전지 케이싱과 접촉되는 면에도 음극 활물질이 도포되거나 코팅될 필요가 없다.
따라서, 상기 제1전극조립체(130')의 상단에 배치되는 제1음극체(120')의 밑면 및 상기 제1전극조립체(130')의 하단에 배치되는 제1음극체(120')의 윗면에만 음극 활물질이 도포되거나 코팅되고, 또한, 상기 제2전극조립체(160')의 상단에 배치되는 제2음극체(120')의 밑면 및 상기 제2전극조립체(130')의 하단에 배치되는 제2음극체(120')의 윗면에만 음극 활물질이 도포되거나 코팅되므로, 상기 제1전극조립체(130')와 상기 제2전극조립체(160')를 제조하는 데 필요한 재료비용이 절감될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(200)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)와는 달리 상기 제3포켓팅 양극체(170)를 구비하지 않고도 상기 제1전극조립체(130')와 상기 제2전극조립체(160')를 적층시킬 수 있으므로, 상기 제1전극조립체(130')를 구성하는 제1포켓팅 양극체(110')의 양극판(111')들 크기를 동일하게 유지할수 있고, 또한, 상기 제2전극조립체(160')를 구성하는 제2포켓팅 양극체(140')의 양극판(141')들 크기를 동일하게 유지할 수 있어서, 상기 제1전극조립체(130')를 구성하는 복수개의 양극판(111')들 또는 상기 제2전극조립체(160')를 구성하는 복수개의 양극판(141')들 크기와는 상이한 별도의 양극판을 제조할 필요가 없다. 이에 따라, 서로 다른 크기를 갖는 양극판을 제조하기 위하여 설치되는 생산라인이 줄어들어 결국 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지의 제조비용이 절감될 수 있다.
한편, 제1전극조립체(130')의 최상단에 위치하는 제1음극체(120')와 제2전극조립체(160')의 최하단에 위치하는 제2음극체(150')는 분리 형성될 뿐만 아니라 일체로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100, 200)는, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 제2전극조립체(160, 160')가 상기 제1전극조립체(130, 130')의 상측에 적층될 시에, 상기 제2전극조립체(160, 160')가 상기 제1전극조립체(130, 130')에 대하여 기 설정된 위치에 놓여질 수 있도록 하는 위치결정부재(300)를 더 포함할 수 있다.
참고로, 도 13 및 도 14에는 상기 위치결정부재(300)가 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100)에 적용되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(200)에 적용될 수도 있다.
상기 위치결정부재(300)는, 상기 제2전극조립체(160)가 통과될 수 있는 통공(310)을 형성한 채로 상기 제1전극조립체(130)의 상측에 적층될 수 있다.
그리고, 상기 위치결정부재(300)의 전체적은 외형은 상기 제1전극조립체(130)의 외형과 동일한 것이 바람직하다. 즉, 상기 위치결정부재(300)의 길이방향 및 폭방향 길이는 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제1전극조립체(130)의 길이 및 폭방향 길이와 동일한 것이 바람직하다.
왜냐하면, 상기 제1전극조립체(130)의 상측에 놓여지는 상기 위치결정부재(300)의 위치가 일정하고 정확해야 상기 제2전극조립체(160)를 상기 제1전극조립체(130)의 상측에서 기 설정된 위치에 적층할 수 있기 때문이다. 다만, 위치결정부재(300)가 제1전극조립체(130)의 외형과 동일하지 않아도 무방하다.
그리고, 상기 위치결정부재(300)에 형성되는 통공(310)의 위치는 상기 제1전극조립체(130)에 놓여지는 상기 제2전극조립체(160)의 적층위치에 따라 변경될 수 있다. 통공(310)의 크기는 제2전극조립체(160)의 크기와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 제2전극조립체(160)가 통공(310)의 내부에 안착된 상태에서 제2전극조립체(160)가 움직이지 않도록 통공(310)이 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 위치결정부재(300)는, 절연성 재질의 필름, 테이프 또는 플라스틱 합성수지 재질 등으로 제작될 수 있다.
이에 따라, 상기와 같이 구성된 위치결정부재(300)는 상기 제1전극조립체(130)의 상측에 적층되어 상기 제1전극조립체(130)에 적층되는 제2전극조립체(160)의 적층위치를 안내할 수 있으므로, 상기 제2전극조립체(160)가 상기 제1전극조립체(130)에 대하여 기 설정된 위치에 적층시키는 작업이 간편하고 정확하게 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100, 200)는, 전자기기의 이차전지 수납공간의 잔여공간을 최대한 활용할 수 있으므로, 전지용량 및 전지사용시간을 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지(100, 200)는, 전자기기의 이차전지 수납공간을 기존의 육면체모양, 각형이나 원통형으로 한정하지 않기 때문에, 전자기기를 다양한 디자인으로 설계 가능하게 할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 일 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110, 110' : 제1 포켓팅 양극체 120, 120' : 제1음극체
130, 130' : 제1전극조립체 140, 140' : 제2 포켓팅 양극체
150, 150' : 제2음극체 160, 160' : 제2전극조립체
170 : 제3 포켓팅 양극체
111, 141, 171, 111', 141' : 양극판
112, 142, 172 : 분리막
114, 144, 174 : 절연성 고분자 필름
121, 151 : 음극판
300 : 위치결정부재
310 : 통공

Claims (13)

  1. 동일한 크기를 가지는 복수개의 제1 포켓팅 양극체와 제1음극체가 교대로 적층되는 제1전극조립체;
    동일한 크기를 가지는 복수개의 제2 포켓팅 양극체와 제2음극체가 교대로 적층되며, 상기 제1전극조립체의 크기보다 작은 크기를 가지도록 형성되고 상기 제1전극조립체의 상측에 마련되는 제2전극조립체; 및
    상기 제1전극조립체의 최상단에 적층되며, 상기 제1 포켓팅 양극체와 동일한 크기를 가지는 제3 포켓팅 양극체;를 포함하며,
    상기 제3 포켓팅 양극체의 양극판은 상기 제2음극체의 음극판과 동일하거나 작게 형성되고, 상기 제1 포켓팅 양극체의 양극판 보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  2. 동일한 크기를 가지는 복수개의 제1 포켓팅 양극체와 제1음극체가 교대로 적층되는 제1전극조립체; 및
    동일한 크기를 가지는 복수개의 제2 포켓팅 양극체와 제2음극체가 교대로 적층되며, 상기 제1전극조립체의 크기보다 작은 크기를 가지도록 형성되고 상기 제1전극조립체의 상측 또는 하측에 마련되는 제2전극조립체;를 포함하며,
    상기 제1전극조립체는 상기 제2전극조립체 보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극조립체의 최상단에는 상기 제1 포켓팅 양극체와 동일한 크기를 가지는 제3 포켓팅 양극체가 적층되고,
    상기 제3 포켓팅 양극체의 양극판은 상기 제2 음극체의 음극판과 동일하거나 작게 형성되고, 상기 제1 포켓팅 양극체의 양극판 보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  4. 제 1 항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 포켓팅 양극체와 상기 제2 포켓팅 양극체 및 상기 제3 포켓팅 양극체는,
    양극 활물질인 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물의 코팅층 및 무지 돌출부를 가지는 양극판;
    상기 무지 돌출부만을 노출시키면서 상기 양극판의 양면을 피복하는 한 쌍의 분리막; 및
    상기 양극판의 전체 둘레 또는 둘레의 일부에서 상기 한 쌍의 분리막 사이에 위치하여 상기 한 쌍의 분리막에 접착되는 절연성 고분자 필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1음극체 및 상기 제2음극체는,
    리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극 활물질 코팅층 및 무지 돌출부를 가지는 음극판을 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 포켓팅 양극체와 상기 제3 포켓팅 양극체의 상기 절연성 고분자 필름의 타발공간 형상은 서로 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3 포켓팅 양극체의 절연성 고분자 필름에 형성된 상기 타발공간의 크기 또는 면적은 상기 제1 포켓팅 양극체의 절연성 고분자 필름에 형성된 상기 타발공간의 크기 또는 면적과 동일하거나 작게 형성된 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2음극체의 음극판의 가장자리 보다 상기 제3 포켓팅 양극체의 양극판의 가장자리가 안쪽에 있도록 형성되며,
    상기 제1 포켓팅 양극체의 양극판의 가장자리 보다 상기 제3포켓팅 양극체의 양극판의 가장자리가 안쪽에 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1포켓팅 양극체, 상기 제2포켓팅 양극체 및 상기 제3포켓팅 양극체에서 상기 양극판과 상기 절연성 고분자 필름 사이의 간격은 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극조립체의 상단 및 하단에는 제1음극체가 각각 배치되고, 상기 제2전극조립체의 상단 및 하단에는 제2음극체가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1전극조립체의 상단 및 하단에 배치되는 제1음극체와 상기 제2전극조립체의 상단 및 하단에 각각 배치되는 상기 제2음극체에는 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극 활물질 코팅층이 형성되며,
    상기 음극 활물질 코팅층은,
    상기 제1전극조립체의 상단에 배치되는 제1음극체의 밑면 및 상기 제1전극조립체의 하단에 배치되는 제1음극체의 윗면과,
    상기 제2전극조립체의 상단에 배치되는 제2음극체의 밑면 및 상기 제2전극조립체의 하단에 배치되는 제2음극체의 윗면에 형성되는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  12. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1전극조립체의 상측 또는 하측에는 상기 제1전극조립체의 상측 또는하측에 적층되는 상기 제2전극조립체의 적층위치를 안내하는 위치결정부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 위치결정부재에는 상기 제2전극조립체가 통과될 수 있는 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 스텝 셀 구조를 가지는 이차전지.
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