KR20160076233A - 작은 체적으로 고용량의 구현이 가능한 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

작은 체적으로 고용량의 구현이 가능한 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 둘 이상의 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체를 포함하고 있는 하나 이상의 전지모듈; 상기 전지모듈의 작동 및 상태를 제어하는 전지 관리 시스템(Battery Management System); 상기 전지 관리 시스템에 연결되어 있고, 전지모듈의 상태를 측정하기 위한 센서들과 전기적으로 연결되어 있는 MCU(Micro Controller Unit); 및 상기 전지모듈, 전지 관리 시스템 및 MCU를 내부에 수용하고, 이들을 감싸도록 구성되어 있는 팩 케이스;를 포함하고 있고, 상기 MCU에는, 팩 케이스의 내부 온도가 임의로 설정된 제 1 기준 온도 미만일 경우에, 전지셀들 또는 팩 케이스 내부를 가열하고, 상기 내부 온도가 임의로 설정된 제 2 기준 온도를 초과할 경우에, 팩 케이스 내부를 냉각시키는 온도 제어 부재(Temperature Control Member)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

작은 체적으로 고용량의 구현이 가능한 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode Assembly Enabling High Capacity with Small Volume and Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 작은 체적으로 고용량의 구현이 가능한 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기 및 신체에 착용하는 웨어러블 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
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.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 차례로 적층된 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높아, 소형화가 용이한 장점을 가진다.
도 1에는 젤리-롤형 전극조립체의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(10)는 양극집전체(24)의 양면에 양극활물질 코팅부(22)를 포함하는 양극(20)과 음극집전체(34)의 양면에 음극활물질 코팅부(32)를 포함하는 음극(30)을, 양극(20) 또는 음극(30)의 길이 대비 대략 두배의 길이를 가지는 두 개의 분리막들(12, 14)을 개재한 상태로, 권심(18)으로 권취한 구조로 구성되어 있고, 양극 탭(26)과 음극 탭(36)은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상으로 돌출되어 있다.
그러나, 상기 구조의 전극조립체(10)는, 권취 시, 양극(20)과 음극(30)이 접촉하는 것을 방지하기 위해, 두 개의 분리막들(12, 14)을 사용하고, 분리막들(12, 14)의 길이가 길어, 전극조립체(10)의 단위 체적당 분리막(12, 14)의 체적이 차지하는 비율이 높다.
따라서, 분리막들(12, 14)의 체적 만큼, 전극활물질 코팅부(22, 32)의 체적이 감소하여, 전극조립체(10)의 총 체적당 실제 용량이 낮은 단점이 있다.
특히, 외부에서 사용되는 모바일 기기나 웨어러블 전자기기는, 기기의 특성상, 소형인 동시에 고용량의 이차전지가 필요하므로, 매우 작은 공간 내에서, 전극활물질의 함유량이 높은 이차전지가 필요하나, 상기와 같이 제조된 전극조립체는, 체적당 용량이 낮아, 모바일 기기 또는 웨어러블 전자기기에 사용되는 소형 이차전지에 적용 되더라도, 이들 기기의 장시간 및 연속적인 사용을 어렵게 한다.
따라서, 소형화가 필요한 이차전지에 적용되는 전극조립체는, 한정된 공간 내에서, 최대의 전극활물질 코팅부를 포함해야 하는 바, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 젤리-롤형 전극조립체에서 분리막이 차지하는 체적을 최소화하여, 작은 체적에도 불구하고, 고용량을 가지는 전극조립체와 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,
양극집전체의 일면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극집전체의 일면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이, 분리막이 개재된 상태에서 서로 대면하도록, 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체로서,
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재된 상태로, 양극 또는 음극의 단부에서 권취 방향에 대해 대향 방향으로 절곡되어 양극 또는 음극의 양면을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 젤리-롤형 전극조립체는, 권취 시, 양극 또는 음극이 서로 접촉하지 않도록 두 개의 분리막을 포함하며, 분리막의 길이를 양극 또는 음극의 길이 대비 대략 두 배로 하여, 권취가 종료되면, 분리막이 전극조립체의 외면을 감싼 구조로 절연되어 있다.
그러나, 이러한 구조는 앞서 설명한 바와 같이, 전극조립체의 단위 체적당 분리막의 체적이 차지하는 비중이 증가하게 되는 만큼, 전극조립체의 부피가 증가하며, 소형화를 위해, 작은 체적으로 전극조립체를 제조하는 경우, 전극활물질이 적은 함량으로 포함되므로, 고용량의 전극조립체를 제조하기 힘든 단점이 있다.
반면에, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체는, 단일 분리막으로 전극조립체가 제조되므로, 두 개의 분리막이 필요한 종래의 전극조립체와 비교하여, 구조가 간단하여 제조가 간편하고, 분리막이 전극조립체에서 차지하는 체적이 감소되어, 감소된 분리막의 체적 만큼 전극활물질을 더 포함시킬 수 어 고용량으로 제조가 가능하다.
더욱이, 상기 분리막은 양극 또는 음극 중 어느 하나의 양면을 감싸도록 절곡된 구조이므로, 이들 전극과 분리막을 권취 하면, 단일 분리막만으로, 양극과 음극이 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있는 구조적 장점을 가진다.
따라서, 상기 분리막은, 양극 또는 음극의 양면을 충분히 감싸면서도, 분리막이 차지하는 체적을 최소화할 수 있는 길이로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 양극 또는 음극의 길이 대비 150% 내지 250%의 길이로 이루어질 수 있다.
상기 분리막의 길이가, 양극 또는 음극의 길이 대비 150% 미만으로 이루어진 경우, 권취 시, 양극과 음극이 서로 접촉할 수 있는 바, 바람직하지 않으며, 양극 또는 음극의 길이 대비 250%를 초과하는 길이로 이루어진 경우, 전극조립체에서, 분리막이 차지하는 체적이 증가하므로, 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막은 양극 및 음극 사이에 개재되어, 양극과 음극의 일면들과 밀착하는 개재부;
상기 개재부의 단부에서 180도로 절곡되어 있는 절곡부; 및
상기 절곡부로부터 연장되어 있고, 개재부와 밀착한 양극 또는 음극의 일면에 대해 대향하는 타면을 감싸는 커버부;
를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 양극 또는 음극은 개재부와 커버부 사이에 위치할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 개재부로부터, 절곡부 및 커버부로 연장된 단일 분리막이 권취가 완료된 후에도, 양극과 음극이 서로 접촉하지 않도록 분리할 수 있으며, 두 개의 분리막이 사용되는 전극조립체와 비교하여, 분리막의 총 길이를 상대적으로 짧게 구성할 수 있으므로, 분리막이 차지하는 체적이 감소될 수 있다.
상기 커버부는 권취 방향에 대해, 대향 방향에 위치하고 있으므로, 권취가 완료되면, 전극조립체의 외면을 이룰 수 있고, 커버부의 단부는 권취 종료부와 인접하여 위치할 수 있다.
상기 기재부와 커버부의 길이는 절곡부를 중심으로, 기재부 또는 커버부 방향으로 분리막을 당겨서 조절할 수 있다. 구체적으로, 분리막을 기재부 방향으로 당기면, 커버부의 길이는 기재부의 길이보다 짧아지며, 분리막을 커버부 방향으로 당기면 기재부의길이가 커버부의 길이보다 짧아질 수 있다.
상기 기재부는 양극과 음극이 서로 접촉하지 못하도록 이들 전극들 각각의 길이 보다 더 길게 구성되는 것이 바람직하다.
상기 커버부는, 그것의 길이가 너무 짧은 경우, 커버부가 양극 또는 음극의 활물질 코팅부 감싸지 못하여, 권취 종료 부위에서 상기 코팅부가 외면에 노출될 수 있으며, 반대로 너무 긴 경우에는, 전극조립체 외면의 두께가 증가하게 되므로 바람직하지 않은 바, 상기 개재부의 길이 대비 70% 내지 130%의 길이로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 커버부의 길이가 기재부의 길이보다 길 경우, 상기 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취된 상태에서, 그것의 외면은 커버부로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 전극조립체는 커버부가 위치한 방향에 대해 대향 방향으로 절곡부로부터 권취가 시작되고, 권취가 종료되면, 커버부의 단부와, 상기 단부와 인접한 커버부의 외면 일부에 절연 테이프가 부착되어, 권취된 양극, 분리막 및 음극을 젤리-롤 형태로 고정될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 커버부의 길이가 기재부의 길이와 동일하거나 더 짧을 경우, 상기 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취된 상태에서, 그것의 외면은 커버부 및 개재부의 일부로 이루어질 수 있고, 상기 전극조립체는 커버부가 위치한 방향에 대해 대향 방향으로 절곡부로부터 권취가 시작되고, 권취가 종료되면, 커버부의 단부, 상기 단부와 인접한 개재부의 단부 및 상기 개재부의 단부와 인접한 커버부의 외면에는 절연 테이프가 부착될 수 있다.
또한, 분리막의 총 길이가 짧은 상태에서, 상기 커버부의 길이가 기재부의 길이와 동일하거나 더 짧을 경우, 상기 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취된 상태에서, 그것의 외면은 커버부 및 커버부와 밀착하는 양극 또는 음극에서 활물질이 도포되어 있지 않은 무지무로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 커버부가 양극 또는 음극의 무지부를 제외한 양극활물질 코팅부만을 감쌀 수 있으며, 그에 따라, 상기 전극조립체는 커버부가 위치한 방향에 대해 대향 방향으로 절곡부로부터 권취가 시작되고, 권취가 종료되면, 커버부의 단부, 상기 단부와 인접한 양극 또는 음극의 무지부 및 상기 무지부와 인접한 커버부의 외면에 절연 테이프가 부착될 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 전극조립체는, 단일 분리막에서 절곡부를 중심으로 기재부 및 커버부의 길이를 조절하여 두 개의 분리막으로 제조되는 전극조립체와 동일한 구조로 제조될 수 있으며, 두 개의 분리막의 총 길이보다 짧은 단일 분리막만을 사용하므로, 작은 체적으로 고용량의 전극조립체의 구성이 가능하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 및 음극은 양극활물질 코팅부가 코팅되어 있지 않은 무지부를 각각 포함할 수 있고, 상기 양극의 무지부에는 양극의 길이 방향에 대해 수직으로 양극 탭이 장착되어 있고, 상기 음극의 무지부에는 음극의 길이 방향에 대해 수직으로 음극 탭이 장착될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지를 제공한다.
이러한 이차전지는 모바일 기기 또는 웨어러블 전자기기에 사용될 수 있는 소형 이차전지일 수 있으며, 상기 이차전지의 용량은 20 mAh 내지 120 mAh일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 전지케이스는 전극조립체를 수납할 수 있는 소재라면 크게 한정되는 것은 아니나, 상세하게는 원통형 또는 각형의 금속 캔일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 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 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 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 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 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.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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, 비수 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는 예를 들어, 신체에 착용하거나 소지하는 웨어러블 기기 또는 모바일 기기일 수 있다.
상기 웨어러블 기기는 스마트 안경, 스마트 시계, 스마트 의류, 또는 스마트 밴드일 수 있다.
이러한 웨어러블 기기는 사용자가 신체에 장시간 착용하여 사용하는 기기의 특성 상, 소형이면서 고용량의 이차전지가 필요한 바, 본 발명에 따른 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지는 고용량으로 소형화가 가능한 구조적 장점을 통해, 상기 웨어러블 기기의 사용성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체는, 단일 분리막으로 전극조립체가 제조되므로, 두 개의 분리막이 필요한 종래의 전극조립체와 비교하여, 구조가 간단하여 제조가 간편하고, 분리막이 전극조립체에서 차지하는 체적이 감소되어, 감소된 분리막의 체적 만큼 전극활물질을 더 포함시킬 수 있어 고용량으로 제조가 가능하다.
더욱이, 상기 분리막은 양극 또는 음극 중 어느 하나의 양면을 감싸도록 절곡된 구조이므로, 이들 전극과 분리막을 권취 하면, 단일 분리막만으로, 양극과 음극이 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있는 구조적 장점을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 모식도이다;
도 2는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 4은 도 3의 전극조립체가 권취된 젤리-롤형 전극조립체의 모식도이다;
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 6은 도 5의 전극조립체가 권취된 젤리-롤형 전극조립체의 모식도이다;
도 7은 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체가 내장된 각형 이차전지의 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면이 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전극조립체가 권취된 젤리-롤형 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 함께, 참조하면, 전극조립체(100)는 양극(120), 음극(130) 및 하나의 분리막(110)으로 구성되어 있다.
양극(120)은 일측 단부로부터 일정 거리만큼 이격되어 있는 무지부를 포함하며, 무지부에는 양극(120)의 길이 방향에 대해 수직으로 양극 탭이(126) 장착되어 있고, 양극 탭(126)이 장착되어 있는 무지부를 제외한 양극집전체(124)의 양면에 양극활물질 코팅부(122)가 코팅되어 있다.
음극(130)은 일측 단부로부터 일정 거리만큼 이격되어 있는 무지부를 포함하며, 무지부에는 음극(130)의 길이 방향에 대해 수직으로 음극 탭(136)이 장착되어 있고, 음극 탭(136)이 장착되어 있는 무지부를 제외한 음극집전체(134)의 양면에 음극활물질 코팅부(132)가 코팅되어 있다.
분리막(110)은 양극(120) 또는 음극(130)의 길이 대비 대략 250%의 길이로 이루어져 있고, 양극(120) 및 음극(130) 사이에 위치한 개재부(114), 개재부(114)의 단부에서 권취방향에 대해 대향 방향으로 절곡되어 있는 절곡부(116), 절곡부(116)로부터 연장되어 있고, 음극(130)을 기준으로 개재부(114)와 대향하는 면에서 음극(130)을 감싸도록 배치되어 있는 커버부(112)를 포함한다. 개재부(114)와 커버부(112)는 대략 평행하게 배치되어 있으며, 커버부(112)는 개재부(114)의 길이 대비 대략 110%의 길이로 이루어져 있다.
음극(130)은 개재부(114)와 커버부(112) 사이에 위치하며, 절곡부와 인접한 음극(130)의 단부로부터 권취가 시작되고, 커버부(112)에서, 음극(130)에 밀착하지 않는 일면은 권취되면, 개재부(114)와 밀착하지 않는 양극(120)의 일면에 밀착하며, 양극(120)과 음극(130)이 서로 접촉하지 않는다.
권취가 완료되면, 커버부(114)는 젤리-롤형 전극조립체(100)의 외면을 이루고, 커버부(112)의 단부 및, 단부와 인접한 커버부(112)의 외면 일부에 절연 테이프(140)가 부착되어 권취 구조가 고정된다. 권취가 완료된 젤리-롤형 전극조립체(100)는 양극 탭(126)과 음극 탭(136)은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상으로 돌출되어 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면이 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 전극조립체가 권취된 젤리-롤형 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 함께, 참조하면, 전극조립체(200)는 양극(220), 음극(230) 및 하나의 분리막으로 구성되어 있다.
양극(220)은 일측 단부로부터 일정 거리만큼 이격되어 있는 무지부를 포함하며, 무지부에는 양극(220)의 길이 방향에 대해 수직으로 양극 탭(226)이 장착되어 있고, 양극 탭(226)이 장착되어 있는 무지부를 제외한 양극집전체(224)의 양면에 양극활물질 코팅부(222)가 코팅되어 있다.
음극(230)은 일측 단부로부터 일정 거리만큼 이격되어 있는 무지부를 포함하며, 무지부에는 음극(230)의 길이 방향에 대해 수직으로 음극 탭(236)이 장착되어 있고, 음극 탭(236)이 장착되어 있는 무지부를 제외한 음극집전체(234)의 양면에 음극활물질 코팅부(232)가 코팅되어 있다.
분리막(210)은 양극(220) 또는 음극(230)의 길이 대비 대략 200%의 길이로 이루어져 있고, 양극(220) 및 음극(230) 사이에 위치한 개재부(214), 개재부(214)의 단부에서 권취방향에 대해 대향 방향으로 절곡되어 있는 절곡부(216), 절곡부(216)로부터 연장되어 있고, 음극(230)을 기준으로 개재부(214)와 대향하는 면에서 음극(230)을 감싸도록 배치되어 있는 커버부(212)를 포함한다. 개재부(214)와 커버부(212)는 대략 평행하게 배치되어 있으며, 커버부(212)는 개재부(214)의 길이 대비 대략 70%의 길이로 이루어져 있다.
음극(230)은 개재부(214)와 커버부(212) 사이에 위치하며, 절곡부(216)와 인접한 음극(230)의 단부로부터 권취가 시작되고, 커버부(212)에서, 음극(230)에 밀착하지 않는 일면은 권취되면, 개재부(214)와 밀착하지 않는 양극(220)의 일면에 밀착하며, 양극(220)과 음극(230)이 서로 접촉하지 않는다.
권취가 완료되면, 개재부(214)의 단부에서 권취가 종료되며, 개재부(214)는 커버부(212)의 단부보다 더 길게 권취되어 있어, 전극조립체(200)의 외면에 노출되어 있다. 여기서, 커버부(212)의 단부, 상기 단부와 인접한 개재부(214)의 단부 및 상기 개재부(214)의 단부와 인접한 커버부(212)의 외면에 절연 테이프(240)가 부착되어 권취 구조가 고정된다. 권취가 완료된 젤리-롤형 전극조립체(200)는 양극 탭(226)과 음극 탭(236)은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상으로 돌출되어 있다.
또한, 상술한 도 5 및 도 6의 전극조립체 구조에서, 분리막을 더욱 짧게 구성하는 경우, 도 7과 같은 전극조립체의 구성도 가능하다.
구체적으로, 분리막(210)을 양극(220) 또는 음극(230)의 길이 대비 대략 150%의 길이로 구성하고, 커버부(212)를 개재부(214)의 길이 대비 대략 70%의 길이로 구성하는 경우, 도 7에서와 같이, 전극조립체(200a)의 권취가 완료되면, 커버부(212)에 의해 감싸지지 않은 음극(230)의 무지부(234)에서 권취가 종료되며, 무지부(234)는 커버부(212)의 단부보다 더 길게 권취되어 있어, 전극조립체(200a)의 외면에 노출되어 있다, 여기서, 커버부(212)의 단부, 상기 커버부(212)의 단부와 인접한 음극(230)의 무지부(234) 및 상기 음극(230)의 무지부(234)와 인접한 커버부(212)의 외면에 절연 테이프(240)가 부착되어 권취 구조가 고정된다.
따라서, 상술한 구조와 같이 단일 분리막을 더욱 짧게 구성하여, 전극조립체에서 분리막이 차지하는 체적을 감소시키고, 감소된 분리막의 체적만큼 전극활물질의 함량을 증가시킬 수 있다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체가 내장된 각형 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 이차전지(300)는 양극 탭(126) 및 음극 탭(136)이 전극조립체의 상면에 돌출된 상태로, 양극-분리막-음극이 권취된 상태에서 씰 테이프(140)가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극조립체(100)가 수납되어 있는 각형 금속 케이스(310)와 케이스(310)의 개방 상단에 돌출형 음극단자(322)가 형성되어 있는 상단 캡(320)을 결합하는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(100)의 음극은 음극 탭(136)을 통해 상단 캡(320) 상의 음극단자(322)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(322)는 절연부재(321)에 의해 상단 캡(320)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(100)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(126)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 상단 캡(320)에 전기적으로 연결되고, 따라서 상단 캡(320)은 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
이러한 이차전지(300)는, 양극 탭(126)과 음극 탭(136)을 제외하고 전극조립체(100)와 상단 캡(320)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(310)와 전극조립체(100) 사이에 시트형 절연부재(330)를 삽입한 뒤, 상단 캡(320)을 덮고, 탑 캡(320)과 케이스(310)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한 다음, 전해액 주입구(323)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 조립한다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 양극집전체의 일면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극집전체의 일면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이, 분리막이 개재된 상태에서 서로 대면하도록, 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체로서,
    상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재된 상태로, 양극 또는 음극의 단부에서 권취 방향에 대해 대향 방향으로 절곡되어 양극 또는 음극의 양면을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 양극 또는 음극의 길이 대비 150% 내지 250%의 길이로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 양극 및 음극 사이에 개재되어, 양극과 음극의 일면들과 밀착하는 개재부;
    상기 개재부의 단부에서 180도로 절곡되어 있는 절곡부; 및
    상기 절곡부로부터 연장되어 있고, 개재부와 밀착한 양극 또는 음극의 일면에 대해 대향하는 타면을 감싸는 커버부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 양극 또는 음극은 개재부와 커버부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 커버부의 길이는 개재부의 길이 대비 70% 내지 130%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취된 상태에서, 그것의 외면은 커버부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전극조립체는 커버부가 위치한 방향에 대해 대향 방향으로 절곡부로부터 권취가 시작되고, 권취가 종료되면, 커버부의 단부와, 상기 단부와 인접한 커버부의 외면 일부에 절연 테이프가 부착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취된 상태에서, 그것의 외면은 커버부 및 개재부의 일부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체는 커버부가 위치한 방향에 대해 대향 방향으로 절곡부로부터 권취가 시작되고, 권취가 종료되면, 커버부의 단부, 상기 단부와 인접한 개재부의 단부 및 상기 개재부의 단부와 인접한 커버부의 외면에는 절연 테이프가 부착되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 양극활물질 코팅부가 코팅되어 있지 않은 무지부를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 양극의 무지부에는 양극의 길이 방향에 대해 수직으로 양극 탭이 장착되어 있고, 상기 음극의 무지부에는 음극의 길이 방향에 대해 수직으로 음극 탭이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 이차전지의 용량은 20 mAh 내지 120 mAh인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 12 항에 있어서, 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 원통형 또는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 12 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는, 웨어러블 기기 또는 모바일 기기인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 웨어러블 기기는 스마트 안경, 스마트 시계, 스마트 의류, 또는 스마트 밴드인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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KR20160074963A (ko) 양극 탭과 음극 탭들이 동일한 방향으로 돌출되어 있는 원통형 이차전지
KR101763576B1 (ko) 작은 체적으로 고용량의 구현이 가능한 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR20170086766A (ko) 실링 외주변의 기계적 강성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩
KR102145525B1 (ko) 개선된 고정성으로 젤리롤 전극조립체를 포함하는 이차전지
KR101811837B1 (ko) 잉여 실링부를 포함하는 파우치형 전지셀
KR20170036227A (ko) 극판 지지부를 포함하는 전극조립체
KR101464966B1 (ko) 전극리드-전극 탭 결합부로 이루어진 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학 셀
KR101637890B1 (ko) 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 이차전지
KR20160125703A (ko) 내장형 보강부재를 포함하는 파우치형 이차전지
KR101852765B1 (ko) 비정형 전극 시트 및 형태 변형이 가능한 구조의 비정형 전극조립체
KR20180113693A (ko) 용접성이 향상된 전극 탭을 포함하는 전지셀
KR101894126B1 (ko) 전해액 주액 및 가스 배출이 용이한 전지셀
KR20180038296A (ko) 외부 충격으로부터 단위셀들을 보호하여 단위셀들의 적층 구조와 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 보강부재가 구비된 전극조립체
KR20160131360A (ko) 캡 부재들을 포함하는 전지팩
KR101763120B1 (ko) 권심 고정 결합부를 포함하는 권취 장치

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