KR20160066215A - 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 복수 개의 양극 및 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 전극 적층체를 이루고 있고; 상기 양극 및 음극에는 각각 집전체에 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부로 구성된 전극 탭부가 일측 또는 양측 방향으로 돌출되어 있으며; 상기 전극 탭부를 제외한 전극 적층체의 외면에는, 충방전시 전극 적층체의 부피 변화에 저항할 수 있도록 고분자 수지로 이루어진 고정부재가 밀착되어 있고; 상기 고정부재는 고정부재의 외부와 전극 적층체 간에 전해액이 유통할 수 있는 복수 개의 관통 개구들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
Description
본 발명은 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 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 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
한편, 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 이차 전지를 제작하기 위해서는 고용량 양극 활물질 및 음극 활물질을 사용하여야 하고, 더불어 전지의 상한 전압이 높아야 한다. 상세하게는, 이러한 고용량 고전압 양극 소재로는, 예를 들면, Mn-rich, Ni-rich, 및 High Voltage LNMO 등의 재료를 들 수 있다. 그러나, 이러한 고용량 재료들은 충방전 시에 구조변화를 동반하거나 고함량의 리튬으로 인해 부산물 발생이 많아져 상대적으로 가스가 다량 발생하는 문제가 있었다.
또한, 전지의 상한 전압을 높이게 되면 높은 전압에서는 전해액 분해현상이 가중되어 더 많은 양의 가스가 발생할 수 있는 문제가 있었다.
더욱이, 전극조립체의 양극, 분리막 및 음극 사이에서 발생된 가스는 이온의 이동을 방해하는 저항으로 작용하여 성능 퇴화가 발생할 뿐만 아니라, 다량 발생된 가스로 인해 부풀어 오른 파우치 전지케이스는 절연층이 파괴되어 전지셀이 작동하지 않거나 충전 전류의 누설이 발생되어 충전이 계속 진행되어도 전지의 전압이 증가되지 않으므로, 충전이 완료되지 않고 과충전되는 현상이 발생될 수 있다.
또한, 최근 고용량 음극 소재로 Si계 활물질이 많이 사용되고 있으며, 이러한 Si 계열 화물질은 충방전시에 상대적으로 부피 팽창이 커지므로, 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막이 깨지기 쉽고, 이렇게 SEI 막이 소실된 전극 표면에는 SEI 막이 다시 생성되면서 전지의 용량을 감소시키는 문제가 있었다.
특히, 상기한 바와 같은 스택-폴딩형 전극조립체인 경우에는 고온 또는 과충전과 같은 비상시에 전해액이 기화되거나 전극조립체의 내부에 가스가 발생하는 경우, 기화 전해액 또는 가스가 여러 겹이 중첩 권취된 분리막 시트로 인하여 외부로 용이하게 배출되기 어렵기 때문에 전극조립체 또는 전지케이스의 팽창 현상이 상대적으로 심할 수 밖에 없다.
따라서, 이차전지에서 전극조립체 내부에 발생되는 가스의 영향을 최소화할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전극조립체에 충방전시 전극 적층체의 부피 변화에 저항할 수 있도록 고분자 수지로 이루어진 고정부재를 포함함으로써, 전지셀 내부의 가스 발생으로 인한 전지셀의 부피팽창을 억제하고, 전극조립체의 내부압을 소정의 수준 이상으로 증가시켜 과도한 가스 발생을 방지할 수 있는 구조의 전극조립체를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는, 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 복수 개의 양극 및 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 전극 적층체를 이루고 있고;
상기 양극 및 음극에는 각각 집전체에 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부로 구성된 전극 탭부가 일측 또는 양측 방향으로 돌출되어 있으며;
상기 전극 탭부를 제외한 전극 적층체의 외면에는, 충방전시 전극 적층체의 부피 변화에 저항할 수 있도록 고분자 수지로 이루어진 고정부재가 밀착되어 있고;
상기 고정부재는 고정부재의 외부와 전극 적층체 간에 전해액이 유통할 수 있는 복수 개의 관통 개구들을 포함하고 있는 구조로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 충방전시 전극 적층체의 부피 변화에 저항할 수 있도록 고분자 수지로 이루어진 고정부재를 포함함으로써, 전지셀 내부의 가스 발생으로 인한 전지셀의 부피팽창을 억제하고, 전극조립체의 내부압을 소정의 수준 이상으로 증가시켜 과도한 가스 발생을 방지할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극적층체는 분리막이 개재된 상태에서 둘 이상의 극판들이 적층된 단위셀 복수 개가, 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 대면하는 구조로 적층되어 있는 구조로 이루어진 스택형 전극조립체 또는 라미네이션 스택형 전극조립체일 수 있으며, 이러한 구조의 전극조립체에서는 종래의 분리필름으로 전극조립체 외면 전체를 감싸는 구조로 전극조립체를 고정하는 형태에 비해 고정 부재가 전극조립체 구조를 고정해주는 형태로 부가되므로 바람직하게 적용될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극 적층체는 분리막이 개재된 상태에서 둘 이상의 극판들이 적층된 단위셀 복수 개가, 양극과 음극이 대면하는 구조로 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조의 스택/폴딩형 전극조립체일 수 있으나, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 단위셀은 최외각 극판들의 극성이 동일한 바이셀 형태일 수 있으며, 최외곽 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀 형태일 수 있으며, 예를 들어, 바이셀의 경우, 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막-음극으로 이루어질 수 있고, 풀셀의 경우, 양극/분리막/음극으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고정부재는 금형의 내부에 전극 적층체를 삽입한 상태에서, 금형 내면과 전극 적층체의 외면 사이에 고정부재 제조용 중합 단량체 또는 용융 수지를 주입하는 몰딩(molding) 방식에 의해 형성되는 구조일 수 있다.
이때, 상기 고정부재 제조용 중합 단량체 또는 용융 수지에는 발포제가 포함될 수 있고, 상기 발포제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 물리적 발포제로서, 예를 들어, 이산화탄소, 질소, 또는 하이드로플루오르카본 등이 사용될 수 있고, 화학적 발포제로서, 예를 들어, 아조디카본아마이드 등과 같은 기체 생성 유기 물질이 사용될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 고정부재는 중합 단량체로서 열경화성 고분자 수지로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 페놀 수지, 폴리에스테르 수지, 멜라민 수지, 폴리 우레탄 수지, 요소 수지, 아미노 수지, 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 고정부재는 용융 수지로서 열가소성 고분자 수지로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 전극조립체는 고정부재의 외부와 전극 적층체 간에 전해액이 유통할 수 있는 복수 개의 관통 개구들을 포함하고 있는 바, 이러한 관통 개구를 형성하는 방법으로서, 발포제에 의해 개방형 기공 형태의 관통 개구를 형성할 수 있다.
또한, 고정부재의 제조 과정에서 복수의 바들(bars)이 금형의 내부에 장착되어 있거나 금형의 내면에 일체로 형성되어 있는 구조를 통해 관통 개구를 형성할 수 있으나 이러한 방법만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 고정부재는 전극 적층체의 외면에 부착된 상태로 부가되는 구조일 수 있고, 구체적으로, 전극 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면을 가지고 있고, 전극 적층체의 형상과 유사하게 평면상으로 직사각형 형상의 외면을 가지고 있는 구조일 수 있다.
이때, 상기 고정부재의 두께는 0.1 mm 내지 2 mm 범위일 수 있으며, 상기 두께가 지나치게 작은 경우, 전극 적층체의 부피팽창을 억제하기에 충분한 강성을 제공할 수 없으므로 바람직하지 않으며, 지나치게 큰 경우, 전반적으로 전지셀의 크기가 증가하므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 관통 개구는 평면상으로 다각형 또는 원형 또는 타원형 구조로 구성될 수 있으며, 이러한 관통 개구의 면적은 전해액이 안정적으로 유통될 수 있는 구조로서, 전극 적층체의 표면을 기준으로 30% 내지 80% 범위인 것이 바람직하다. 이러한 관통 개구의 면적은, 중합 단량체 또는 용융 수지에 추가되는 발포제의 함량에 따라 전체 면적을 조정하거나, 금형 내부에 포함되는 바들의 크기 또는 개수를 통해 전체 면적을 조정할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 고용량 고전압 음극 소재로서 Si계 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 이러한 고용량 고전압 전지셀에서 가스 발생량이 높고, 충방전시에 상대적으로 부피 팽창이 커지므로, 본 발명의 적극조립체 구조가 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 전지셀을 제공할 수 있다.
이러한 전지셀은 판상형 전지셀로서, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체가 내장된 파우치형 전지셀일 수 있다.
참고로, 상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있으며, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
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; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 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 30 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 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 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 등을 사용할 수 있다.
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.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 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 중합체 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, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 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 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 양극 및 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층 또는 권취되어 있는 구조의 전극 적층체를 제조하는 과정;
(b) 상기 과정 (a)에서 제조된 전극 적층체의 전극 탭부를 제외한 외면에 중합 단량체 또는 용융 수지를 몰딩하여 고정부재를 형성하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 과정 (b)는.
(i) 상기 전극조립체의 외면 형상 보다 큰 크기의 중공부를 가진 금형을 준비하는 단계;
(ii) 전극 탭부를 제외하고 전극 적층체를 금형의 중공부에 위치시켜 고정하는 단계;
(iii) 상기 금형의 중공부와 전극 적층체 외면 상의 공간에 고정부재 제조용 중합 단량체 또는 용융 수지를 주입한 후 경화시켜 고정부재를 형성하는 단계; 및
(iv) 상기 금형으로부터 전극 조립체를 취출하는 단계;
를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 중공부의 내면에는 관통 개구들의 형성을 위한 복수의 바들이 장착되어 있고, 상기 바들에 의해 중합 단량체의 몰딩시 관통 개구가 형성되는 방식일 수 있으며, 상기 바들의 관통 객구의 형상을 결정하기 위하여 평면 형상은 다각형 또는 원형 또는 타원형 구조를 가질 수 있고, 바들의 두께는 0.1 mm 내지 2 mm 범위일 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 과정 (iii)에서 고정부재는 용융 수지의 몰딩시 발포제에 의해 개방형 기공 형태로 관통 개구가 형성되는 방식일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지팩과, 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템 등일 수 있다.
전지팩과 디아비스의 구조 및 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 전극조립체는, 충방전시 전극 적층체의 부피 변화에 저항할 수 있도록 고분자 수지로 이루어진 고정부재를 포함함으로써, 전지셀 내부의 가스 발생으로 인한 전지셀의 부피팽창을 억제하고, 전극조립체의 내부압을 소정의 수준 이상으로 증가시켜 과도한 가스 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고정부재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 2 는 도 1의 제조방법으로 제조된 전극조립체의 사시도이다;
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고정부재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 4 는 도 2의 제조방법으로 제조된 전극조립체의 사시도이다.
도 2 는 도 1의 제조방법으로 제조된 전극조립체의 사시도이다;
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고정부재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 4 는 도 2의 제조방법으로 제조된 전극조립체의 사시도이다.
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 고정부재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 제조방법으로 제조된 전극조립체의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 2를 참조하여 전극조립체(100)의 고정부재(130)를 형성하는 과정을 설명하면, 전극 적층체(110)는 분리막이 개재된 상태에서 둘 이상의 극판들이 적층된 단위셀 복수 개가, 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 대면하는 구조로 적층되어 있는 구조로 이루어진 라미네이션 스택형 구조를 가지며, 상기 양극 및 음극에는 각각 집전체에 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부로 구성된 전극 탭부(121, 122)가 상단 방향으로 돌출되어 있고, 측면을 기준으로 전극 적층체(110)의 외면 형상보다 큰 크기의 중공부들(211, 212)을 가지는 금형A(221) 및 금형B(222) 사이에 전극 적층체(110)가 위치한 상태로 고정된다.
상기 중공부들 (211, 212)과 전극 적층체(110) 사이에는 열경화성 고분자 수지가 주입되기 위하여 1mm 두께의 공간이 각각 형성되어 있고, 측면을 기준으로 상기 공간과 동일한 두께로서, 중공부들(211, 212)의 내면에 각각 원형 형상의 바들(231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238)이 형성되어 있다.
다음으로, 금형B(222)에 형성되어 있는 주입구(230)에 열경화성 고분자 수지가 주입된 후, 경화시켜 전극 탭부(121, 122)를 제외한 전극 적층체(110)의 외면에 고정부재(130)를 형성 시킨다. 이때, 고정부재(130)는 중공부들(211, 212)의 내면에 형성되어 있는 바들(231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238)의 형상에 따라서 외부에 열경화성 고분자 수지가 주입 및 경화되지 않은 관통 개구들(141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148)이 형성되며, 상기 관통 개구들(141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148)은 전지셀의 제조 과정에서 고정부재(130)의 외부와 전극 적층체(110) 간에 전해액이 유통하는 역할을 하게 된다.
도 1에 도시된 방법에서는 전극조립체의 양면에 총 8개의 관통 개구들이 형성되는 것으로 설명되어 있지만, 전극조립체의 크기 및 형태에 따라 바들의 개수를 변경하여 관통 개구의 수를 조절하는 구조도 가능함은 물론이다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고정부재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 제조방법으로 제조된 전극조립체의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3 및 4를 참조하여 전극조립체(300)의 고정부재(330)를 형성하는 과정을 설명하면, 전극 적층체(310)는 분리막이 개재된 상태에서 둘 이상의 극판들이 적층된 단위셀 복수 개가, 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 대면하는 구조로 적층되어 있는 구조로 이루어진 라미네이션 스택형 구조를 가지며, 상기 양극 및 음극에는 각각 집전체에 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부로 구성된 전극 탭부(321, 322)가 상단 방향으로 돌출되어 있고, 측면을 기준으로 전극 적층체(310)의 외면 형상보다 큰 크기의 중공부들(411, 412)을 가지는 금형A(421) 및 금형B(422) 사이에 전극 적층체(410)가 위치한 상태로 고정된다.
상기 중공부들(411, 412)과 전극 적층체(310) 사이에는 열가소성 고분자 수지가 발포제와 함께 주입되기 위하여 1mm 두께의 공간이 각각 형성되어 있고, 금형B(422)에 형성되어 있는 주입구(430)에 열가소성 고분자 수지 및 발포제가 주입된 후, 소성 가공하고 경화 시켜 전극 탭부(321, 322)를 제외한 전극 적층체(310)의 외면에 고정부재(330)를 형성 시킨다.
이때, 고정부재(330)는 열가소성 고분자 수지의 몰딩시 발포제에 의해 개방형 기공 형태로 다수의 관통 개구들(340)들이 형성되어 전지셀의 제조 과정에서 고정부재(330)의 외부와 전극 적층체(310) 간에 전해액이 유통하는 역할을 하게 된다.
따라서, 이러한 구조의 전극조립체는 열경화성 고분자 수지 또는 열가소성 고분자 수지로로 이루어진 고정부재가 전극조립체의 외면을 감싸는 형태로 고정하고 있는 구조로 제조되어, 충방전시 내부 가스 발생으로 인한 전극조립체의 부피팽창을 억제하고, 과도한 가스 발생을 방지하여, 결과적으로 이를 포함하는 전지셀의 성능이 향상시키는 효과를 발휘한다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (29)
- 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 복수 개의 양극 및 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 전극 적층체를 이루고 있고;
상기 양극 및 음극에는 각각 집전체에 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부로 구성된 전극 탭부가 일측 또는 양측 방향으로 돌출되어 있으며;
상기 전극 탭부를 제외한 전극 적층체의 외면에는, 충방전시 전극 적층체의 부피 변화에 저항할 수 있도록 고분자 수지로 이루어진 고정부재가 밀착되어 있고;
상기 고정부재는 고정부재의 외부와 전극 적층체 간에 전해액이 유통할 수 있는 복수 개의 관통 개구들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는, 분리막이 개재된 상태에서 둘 이상의 극판들이 적층된 단위셀 복수 개가, 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 대면하는 구조로 적층되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는, 분리막이 개재된 상태에서 둘 이상의 극판들이 적층된 단위셀 복수 개가, 양극과 음극이 대면하는 구조로 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀은 최외곽 극판들의 극성이 동일한 바이셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀은 최외곽 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재는, 금형의 내부에 전극 적층체를 삽입한 상태에서, 금형 내면과 전극 적층체의 외면 사이에 고정부재 제조용 중합 단량체 또는 용융 수지를 주입하는 몰딩(molding) 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 6 항에 있어서, 상기 고정부재 제조용 중합 단량체 또는 용융 수지에는 발포제가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 6 항에 있어서, 상기 고정부재는 열경화성 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 8 항에 있어서, 상기 열경화성 고분자 수지는 페놀 수지, 폴리에스테르 수지, 멜라민 수지, 폴리 우레탄 수지, 요소 수지, 아미노 수지, 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 6 항에 있어서, 상기 고정부재는 열가소성 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 10 항에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 6 항에 있어서, 관통 개구들의 형성을 위한 복수의 바들(bars)이 금형의 내부에 장착되어 있거나 금형의 내면에 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재는 전극 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면을 가지고 있고, 직사각형 형상의 외면을 가진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정부재의 두께는 0.1 mm 내지 2 mm 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 관통 개구는 평면상으로 다각형 또는 원형 또는 타원형 구조를 가진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 관통 개구의 전체 면적은 전극 적층체의 표면적을 기준으로 30% 내지 80% 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로서 Si계 금속 산화물을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 18 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 18 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체가 내장된 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 따른 전극조립체를 제조하는 방법으로서,
(a) 양극 및 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층 또는 권취되어 있는 구조의 전극 적층체를 제조하는 과정;
(b) 상기 과정 (a)에서 제조된 전극 적층체의 전극 탭부를 제외한 외면에 중합 단량체 또는 용융 수지를 몰딩하여 고정부재를 형성하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법. - 제 21 항에 있어서, 상기 과정 (b)는.
(i) 상기 전극조립체의 외면 형상 보다 큰 크기의 중공부를 가진 금형을 준비하는 단계;
(ii) 전극 탭부를 제외하고 전극 적층체를 금형의 중공부에 위치시켜 고정하는 단계;
(iii) 상기 금형의 중공부와 전극 적층체 외면 상의 공간에 고정부재 제조용 중합 단량체 또는 용융 수지를 주입한 후 경화시켜 고정부재를 형성하는 단계; 및
(iv) 상기 금형으로부터 전극 조립체를 취출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법. - 제 22 항에 있어서, 상기 중공부의 내면에는 관통 개구들의 형성을 위한 복수의 바들이 장착되어 있고, 상기 바들에 의해 중합 단량체의 몰딩시 관통 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 23 항에 있어서, 상기 바들의 평면 형상은 다각형 또는 원형 또는 타원형 구조를 가진 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
- 제 24 항에 있어서, 상기 바들의 두께는 0.1 mm 내지 2 mm 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 과정 (iii)에서 고정부재에는 용융 수지의 몰딩시 발포제에 의해 개방형 기공 형태로 관통 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
- 제 18 항에 따른 전지셀을 단위전지로 하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 27 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 28 항에 있어서, 상기 디바이스는 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140170266A KR101863988B1 (ko) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020140170266A KR101863988B1 (ko) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법 |
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| KR101863988B1 KR101863988B1 (ko) | 2018-06-01 |
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ID=56190575
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| KR1020140170266A KR101863988B1 (ko) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | 외면에 고정 부재가 형성되어 있는 전극조립체 및 이의 제조 방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR101863988B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180058305A (ko) * | 2016-11-24 | 2018-06-01 | 주식회사 엘지화학 | 천공된 전극을 포함하고 있는 전지셀 제조방법 |
| KR20200034221A (ko) * | 2018-09-21 | 2020-03-31 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 |
| US10804571B2 (en) | 2016-11-24 | 2020-10-13 | Lg Chem, Ltd. | Method of manufacturing battery cell comprising electrode having aperture |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20110090237A (ko) * | 2010-02-03 | 2011-08-10 | 에스비리모티브 주식회사 | 이차전지 및 그 제조 방법 |
| JP2012113875A (ja) * | 2010-11-22 | 2012-06-14 | Hitachi Maxell Energy Ltd | 非水電解質電池モジュール |
-
2014
- 2014-12-02 KR KR1020140170266A patent/KR101863988B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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| Publication number | Publication date |
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