KR20160089656A - 관통구가 천공되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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KR20160089656A
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Abstract

본 발명은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 도포된 양극, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 합제층이 도포된 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리막으로 구성되어 있는 전극조립체를 포함하고, 상기 집전체들에는 집전체의 상면과 하면을 연통하는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있으며, 상기 관통구의 내부 중공에는 (i) 전극 활물질, 또는 (ii) 전극 활물질과 바인더의 혼합물, 또는 (iii) 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

관통구가 천공되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Comprising Current Collector with Through Hole}
본 발명은 관통구가 천공되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지로서, 전극 활물질이 도포되어 있는 전극 집전체에 복수의 관통구를 천공하고, 상기 관통구에 전극 활물질 또는 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채움으로써 용량이 증가된 이차전지를 제공하기 위한 기술이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 시간이 지날수록 소비자들은 더 큰 용량의 에너지를 필요로 하고 있는 바, 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해서는 전극을 두껍게 하여야 하는데, 더욱 상세하게는 전극의 집전체에 도포되는 합제층의 두께를 증가시켜야 한다. 그러나, 이와 같이 전극 합제층의 두께를 증가시키면 전극의 전해액 젖음(웨팅: wetting)이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생한다.
구체적으로, 전해액은 전극 합제 성분들에 대한 친화성이 높지 않을 뿐만 아니라, 합제층의 부피를 크게 하는 경우에는 그에 따라 전해액의 이동 경로가 길어지므로, 전해액의 침투가 용이하지 않아 충분한 웨팅 특성을 달성하기 어렵다. 또한, 전극에 전해액이 충분히 침투하지 못하면, 이온의 이동이 느려지게 되어 전극 반응이 원활히 이루어질 수 없고 결과적으로 전지의 효율이 저하된다.
일반적으로, 이차전지의 전극은 집전체와 그 표면에 코팅되는 전극 합제로 이루어지는데, 소망하는 전지의 성능을 얻기 위하여 전극의 형태에 변화를 주거나 활물질의 성분 등을 조절하는 방법이 활발히 연구되고 있다.
종래에 전극의 형태에 변화를 주는 방법으로서, 집전체에 패턴형성용 잉크 등을 도포하고 에칭하는 방법으로 개구공을 형성하여 집전체에 패턴을 형성하는 방법이 알려져 있으며, 집전체 상에 활물질을 패턴화하여 도포하는 기술도 알려져 있으나, 이 방법들은 활물질의 도포에 있어서, 분사나 압착 등을 이용하여 집전체 면에 선택적으로 도포하는 방법으로, 일정한 패턴에 따라 도포 부분과 비도포 부분으로 나눔으로써 집전체의 일부가 노출되게 하였다. 이러한 활물질 패터닝 방식은 충방전시의 부피 변화를 효과적으로 완충하는 작용을 하지만, 비도포 부분의 존재로 인해 활물질의 로딩량이 크게 줄어들게 되어 전지의 효율성 감소가 불가피하다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 에너지 밀도를 증가시킬 수 있음과 동시에, 전해액의 용이한 침투로 인해 충분한 웨팅 특성을 달성함으로써, 전극 반응이 활발히 이루어질 수 있는 이차전지의 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.
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, 전극 집전체에 관통구를 형성한 후 상기 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채운 후 전극 합제를 도포하는 경우, 도포되는 활물질의 양이 증가되므로 용량이 증가된 이차전지를 제조할 수 있다.
또한, 양극 활물질의 리튬 이온이 관통구를 통해 이동이 가능하기 때문에 양극 활물질의 이용률이 증가될 뿐만 아니라, 상기 관통구를 통한 전해액의 이동도 가능하기 때문에 전해액에 대한 습윤성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는,
양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 도포된 양극, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 합제층이 도포된 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리막으로 구성되어 있는 전극조립체를 포함하고;
상기 집전체들에는 집전체의 상면과 하면을 연통하는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있으며;
상기 관통구의 내부 중공에는 (i) 전극 활물질, 또는 (ii) 전극 활물질과 바인더의 혼합물, 또는 (iii) 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 구성일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 집전체에 관통구를 형성하고 있는 바, 전지의 용량을 증가시킬 수 있는 구성요소인 전극 활물질의 로딩량을 증가시키기 위하여, 상기 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채운 후 전극 합제를 도포하는 구성으로 형성된다. 구체적으로, 전극 집전체 위에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 위치시킨 후, 상기 전극 활물질 등을 일정한 방향으로 쓸어 내리며 이동시킴으로써 관통구가 형성되지 않은 집전체 부분에는 상기 전극 활물질 등이 위치하지 않지만, 관통구들의 내부 동공은 상기 전극 활물질 등으로 채워지도록 하며, 이와 같은 구성의 전극 집전체 위에 전극 합제를 도포하여 전극을 완성한다.
이와 같이, 관통구에 개재되는 활물질의 양으로 인하여 전극 집전체에 도포되는 전체적인 활물질의 양이 증가되기 때문에 종래에 용량 저하로 인한 문제점들을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 관통구에 활물질과 바인더를 개재시키는 경우에는 집전체를 사이에 두고 양면에 도포되는 활물질 간의 결합력이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 전극조립체에 형성된 다수의 관통구들을 통해 전해액이 전극조립체의 내부로 용이하게 이동할 수 있으므로, 전해액에 대한 전극의 함침성을 높일 수 있다. 따라서, 전지의 면적이 커지더라도 젖음성(wetting)이 균일화될 수 있고, 공정 시간이 단축될 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성 및 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 높은 함침성은 고율 충방전 조건에서도 우수한 레이트 특성을 유지하는데 도움을 준다.
본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 상기 관통구가 형성되는 집전체들은 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 구리, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 구리나 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 그것의 합금의 호일 형태로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 알루미늄 호일 또는 구리 호일의 형태일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체들의 두께는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터일 수 있으며, 상세하게는 10 마이크로미터 내지 20 마이크로미터일 수 있다.
상기 집전체들의 두께가 10 마이크로미터보다 얇은 경우에는 활물질의 양을 소망하는 만큼 증가시키기 어려우며, 30 마이크로미터 보다 두꺼울 경우에는, 전극 전체의 두께가 증가하므로 상대적으로 도포되는 전극 합제의 양이 줄어들기 때문에 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는, 전지셀의 성능 저하 없이, 전지케이스로부터 양극, 음극 및 분리막으로 구성되는 하나 이상의 유닛으로 이루어진 구조라면 크게 제한되는 것은 아니며, 구체적으로, 양극판, 분리막 및 음극판을 순차적으로 적층한 후 권취하여 형성된 젤리-롤형 전극조립체, 분리막이 개재된 상태로 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 적층되어 있는 스택형 전극조립체, 또는 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리 시트 위에 권취되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체, 또는 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 라미네이션-스택형 전극조립체일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극 집전체에 형성된 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 구조인 바, 활물질 등이 개재되어 있는 상태라면 관통구의 형상이 특별히 한정되지는 않지만, 평면상으로 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿형으로 이루어질 수 있으며, 개재될 수 있는 활물질 등의 양과 집전체의 강도를 고려할 때 바람직하게는 슬릿형으로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있는 바, 상기 관통구들은 집전체에 관통구를 형성하기 위한 제조 공정의 설계를 고려할 때 모두 동일한 형상으로 이루어질 수 있다.
하나의 다른 구체적인 예에서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있고, 상기 관통구들은 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 슬릿형의 관통구의 직선상 상하좌우 또는 대각선상의 위치에 원형 관통구, 타원형 관통구 또는 다각형 관통구가 위치하고, 반대로, 원형 관통구, 타원형 관통구 또는 다각형 관통구의 직선상 상하좌우 또는 대각선상의 위치에 슬릿형 관통구가 위치하는 형상으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 형상인 경우 관통구에 개재되는 활물질 등의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 집전체의 강도저하도 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있는 상기 집전체들에서, 상기 관통구들의 면적의 총합은 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1% 내지 30%의 크기일 수 있으며, 상세하게는 5% 내지 30%일 수 있으며, 더욱 상세하게는 10% 내지 30%일 수 있다. 상기 관통구들의 면적의 총합이 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1%보다 적은 경우에는 활물질의 로딩양을 증가시키기 위한 목적을 달성하기 어렵고, 30%보다 넓을 경우에는 집전체의 강도가 약해질 수 있을 뿐만 아니라, 활물질이 쉽게 탈락될 수 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 관통구들은 사용되는 집전체의 면적 및 두께에 따라 다양하게 정해질 수 있으나, 상세하게는, 원형 관통구의 직경이나 타원형 관통구 또는 다각형 관통구의 장경은 0.1 mm 내지 5 mm일 수 있고, 상세하게는 0.5 mm 내지 4 mm일 수 있으며, 더욱 상세하게는 1 mm 내지 3 mm 일 수 있고, 슬릿형 관통구의 길이는 1 mm 내지 10 mm일 수 있으며, 상세하게는 2 mm 내지 8 mm일 수 있으며, 더욱 상세하게는 4 mm 내지 7 mm 일 수 있다.
상기 관통구들의 크기가 너무 작은 경우에는 활물질 로딩양의 증가의 폭이 적을 뿐만 아니라, 리튬 이온의 이동에 의한 활물질의 이용률 증가 및 전해액의 이동에 따른 전극의 함침성을 향상시키기 위한 효과가 적고, 관통구들의 크기가 너무 큰 경우에는 집전체의 강도가 약해질 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 이차전지는, 관통구가 형성된 집전체에 전극 활물질 등이 포함된 상태에서 상기 집전체 위에 양극 합제층 또는 음극 합제층이 도포되는 형상일 수 있는 바, 상기 양극 합제층과 음극 합제층은 전극 활물질 뿐만 아니라 바인더 및 도전제를 포함하는 전극 합제로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 합제에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 활물질을 포함하는 전극 합제 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 모노머 (EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
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 충진제는 전극의 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.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체에 형성된 관통구의 내부 중공에는 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더 또는 전극 활물질과 도전재가 채워져 있을 수 있으나, 전지의 용량을 증대하기 위해서는 전극 합제의 구성 성분들 가운데 활물질의 양을 증가시키는 것이 필요하기 때문에, 전극 활물질이 채워져 있는 것이 바람직하다.
한편, 리튬 이차전지에 있어서, 일반적으로 음극 활물질은 양극 활물질에 비해 상대적으로 효율이 낮을 수 있고, 음극 활물질의 이론 용량이 양극 활물질과 동등한 경우라 하더라도 최초 충전을 포함한 초기 충방전시 음극 활물질에 비가역 용량이 발생하게 되어 양극 활물질의 작동 효율보다 낮아지게 되는 바, 음극 합제층의 두께가 양극 합제층의 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 음극의 용량을 양극에 비해 더욱 증가시킬 필요가 있기 때문에, 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적에 비해 상대적으로 넓게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적은 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 내지 200%일 수 있으며, 상세하게는 110% 내지 180%일 수 있고, 더욱 상세하게는 120% 내지 160%일 수 있다.
상기 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 보다 적은 경우에는, 상대적으로 낮은 작동 효율을 갖는 음극으로 인해 양극이 불필요하게 낭비될 수 있고, 200%보다 클 경우에는 상대적으로 음극의 집전체가 약하게 제조될 수 있고 양극의 작동 효율과 균형이 맞지 않아 음극이 낭비될 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공하는 바, 상기 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 중대형 디바이스에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 모바일 전자기기(Mobile device), 웨어러블 전자기기(Wearable device), 전지모듈로부터 동력을 받아 작동하는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 집전체에 관통구를 형성한 후 상기 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채운 후 전극 합제를 도포하는 구성을 통하여 도포되는 활물질의 양을 증가시킬 수 있으므로 용량이 증가된 이차전지를 제조할 수 있다.
또한, 양극 활물질의 리튬 이온이 관통구를 통해 이동이 가능하기 때문에 전극 활물질의 이용률이 증가될 뿐만 아니라, 상기 관통구를 통한 전해액의 이동도 가능하기 때문에 전해액에 대한 습윤성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예로서 다양한 형태의 관통구들이 형성된 집전체들을 나타낸 평면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예로서 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어진 관통구가 형성된 집전체를 나타낸 평면 모식도이다;
도 3은 집전체에 형성된 관통구에 활물질이 포함된 상태를 나타낸 평면 모식도이다;
도 4는 도 3의 A-A’의 단면도이다;
도 5는 도 3의 B-B’의 단면도이다; 및
도 6은 도 4의 집전체에 전극 합제가 도포된 상태의 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 1은 본 발명의 하나의 실시예로서 집전체에 형성된 관통구들을 모식적으로 도시하였다.
도 1을 참조하면, 집전체들(120, 130, 140, 150)에 형성된 관통구들(121, 131, 141, 151)은 원형 관통구(121), 타원형 관통구(131), 다각형 관통구(141) 또는 슬릿형 관통구(151)로 이루어져 있으며, 상기 집전체들(120, 130, 140, 150) 가운데 어느 하나에 형성된 관통구들은 모두 동일한 형상으로 이루어져 있다. 한편, 상기 관통구들의 면적의 총합은 집전체의 두께 또는 집전체의 재료에 따라 강도가 너무 약해지지 않는 범위 내에서 선택될 수 있는 바, 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1% 내지 30%의 범위 내에서 정해질 수 있다.
또한, 상기 관통구들(121, 131, 141, 151)의 크기는 전지의 용량을 고려하여 적절한 범위에서 선택될 수 있는 바, 원형 관통구(121)의 직경(d1)이나 타원형 관통구(131)의 장경(d2) 또는 다각형 관통구(141)의 장경(d3)은 0.1 mm 내지 5 mm의 범위 내에서 형성될 수 있으며, 슬릿형 관통구(151)의 길이(d4)는 1 mm 내지 10 mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예로서 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어진 관통구가 형성된 집전체를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 집전체(210) 위에는 원형 관통구(211) 및 다각형 관통구(212)로 구성된 서로 다른 2종의 형상으로 이루어진 관통구가 형성되어 있다. 상기 원형 관통구(211)들 및 다각형 관통구(212)들은 집전체(210)의 길이 방향(L)으로 동일한 간격으로 형성되어 있으며, 집전체(210)의 폭 방향(W)의 단면 상 또는 길이 방향의 단면 상에는 서로 다른 형상의 관통구들이 겹쳐지지 않도록 위치하고 있다.
상기 집전체(210)에는 원형 관통구(211)들로 이루어진 행과 다각형 관통구(212)들로 이루어진 행이 번갈아 가며 형성되어 있다.
또 다른 하나의 실시예로서, 집전체(310) 위에는 슬릿형 관통구(311) 및 원형 관통구(312)로 구성된 서로 다른 2종의 형상으로 이루어진 관통구가 형성되어 있다. 상기 슬릿형 관통구(311)들 및 원형 관통구(312)들은 집전체(310)의 길이 방향(L)으로 동일한 간격으로 형성되어 있으며, 집전체(310)의 폭 방향(W)의 단면 상 또는 길이 방향의 단면 상에는 서로 다른 형상의 관통구들이 겹쳐지지 않도록 위치하고 있다. 이와 같이 서로 다른 형상의 관통구들을 서로 다른 행에 위치하도록 배치함으로써 전지의 용량 증가의 효과뿐만 아니라, 집전체의 강도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 집전체에 형성된 관통구에 활물질이 포함된 상태를 모식적으로 도시하고 있고, 도 4는 도 3의 A-A’ 방향의 단면도를, 도 5는 도 3의 B-B’ 방향의 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 두께(D)가 10 mm 내지 30 mm인 집전체(410)에는 슬릿형 관통구(411) 및 원형 관통구(412)가 형성되어 있으며, 상기 관통구들(411, 412)에는 전극 활물질(421, 422)이 포함되어 있다. . 구체적으로, 전극 집전체 위에 전극 활물질을 위치시킨 후, 상기 전극 활물질을 일정한 방향으로 쓸어 내리며 이동시킴으로써, 관통구가 형성되지 않은 집전체 부분에는 상기 전극 활물질 등이 위치하지 않지만, 관통구들의 내부 동공에는 상기 전극 활물질 등이 채워지도록 한다.
이와 같이, 하나의 구체적인 예에서, 관통구들의 동공 안에 전극 활물질이 개재되는 형상의 집전체를 사용함으로써, 전지의 용량 증가의 효과를 발휘할 수 있다.
하나의 다른 구체적인 예에서, 상기 관통구들(411, 412)에 전극 활물질과 바인더의 혼합물이 개재되는 경우에는, 집전체의 상면 및 하면에 도포되는 전극 합제 간의 결합력을 높일 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
하나의 또 다른 구체적인 예에서, 상기 관통구들(411, 412)에 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 개재되는 경우에는, 관통구를 통한 이온 전도도를 높임으로써 활물질의 이용률을 증가시킬 수 있다.
또한, 슬릿형 관통구(411)들 상의 절단면인 도 4 및 원형 관통구(412)들 상의 절단면인 도 5를 참조하면, 서로 동일한 형상의 관통구들만이 동일한 행에 위치하도록 배치하기 때문에 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 동일한 형상을 갖는 관통구들은, 상이한 형상의 관통구의 지름, 장경 또는 길이만큼 일정한 간격을 두고 위치하게 된다. 따라서 관통구들 간의 간격이 너무 좁게 형성되지 않게 되고, 절단면에는 단일한 크기 및 종류의 관통구들만이 나타나게 된다.
도 6은 도 4의 집전체에 전극 합제가 도포된 상태를 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 전극 집전체(410)에 관통구(411)들이 형성되어 있고, 상기 관통구들(411)에는 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물(421)이 개재되어 있다. 이와 같은 구조의 전극 집전체(410)의 상면 및 하면에는 전극 합제층(430)이 도포됨으로써 전지의 용량 증가 또는 합제층 간의 결합력 증가 등의 효과를 발휘할 수 있다. 상기 집전체에 형성된 관통구의 총 면적과 관련하여, 음극과 양극은 작동 효율에 차이가 있는 바, 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적에 비해 상대적으로 넓게 형성될 수 있으며, 구체적으로는 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적은 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 내지 200%로 형성될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 도포된 양극, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 합제층이 도포된 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리막으로 구성되어 있는 전극조립체를 포함하고;
    상기 집전체들에는 집전체의 상면과 하면을 연통하는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있으며;
    상기 관통구의 내부 중공에는 (i) 전극 활물질, 또는 (ii) 전극 활물질과 바인더의 혼합물, 또는 (iii) 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체들은 알루미늄 호일 또는 구리 호일 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체들의 두께는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤 형, 스택형, 스택-폴딩형 또는 라미네이션-스택형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구의 형상은 평면상으로 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있고, 상기 관통구들은 모두 동일한 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있고, 상기 관통구들은 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있고, 상기 관통구들의 면적의 총합은 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1% 내지 30% 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 관통구에서 원형 관통구의 직경이나 타원형 관통구 또는 다각형 관통구의 장경은 0.1 mm 내지 5 mm이고, 슬릿형 관통구의 길이는 1 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 합제층 및 음극 합제층은 전극 활물질, 바인더 및 도전제를 포함하는 전극 합제로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구의 내부 중공에는 전극 활물질이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적에 비해 상대적으로 넓은 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적은 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 내지 200%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기(Mobile device), 웨어러블 전자기기(Wearable device), 전지모듈로부터 동력을 받아 작동하는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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