KR20160104335A - 젤리 롤형 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 젤리 롤 형 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 충방전 시 전극의 팽창으로 인한 문제를 해소하여 이차 전지의 성능을 극대화 할 수 있는 젤리 롤형 전극 조립체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 젤리 롤형 전극 조립체는 분리막 시트와 전극 시트가 서로 교대로 적층된 상태로 권취되어 형성되는 젤리 롤형 전극 조립체로서, 권취된 전극 시트는 팽창 시 적어도 일부가 분리되도록 곡면이 형성된 영역에 길이 방향을 따라서 노칭 홈이 형성된다.

Description

젤리 롤형 전극 조립체{JELLY-ROLL TYPE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 젤리 롤 형 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 충방전 시 전극의 팽창으로 인한 문제를 해소하여 이차 전지의 성능을 극대화 할 수 있는 젤리 롤형 전극 조립체에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리 필름으로 권취한 스택/폴딩형으로 대략 분류할 수 있다. 이중 젤리 롤형 전극 조립체는 제조가 용이하면서도 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 젤리 롤형 전극 조립체가 이용되는 각형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 젤리 롤형 전극 조립체(10)가 이용되는 각형 이차 전지(1)는 전지 케이스(20)의 내부로 젤리 롤형 전극 조립체(10)가 삽입되어 형성될 수 있다. 젤리 롤형 전극 조립체(10)가 삽입되고 난 이후에는 전해액이 전지 케이스(20) 내부로 주입될 수 있다. 또한 전지 케이스(20)의 상부에 전지 캡(30)이 결합되어 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
이러한 젤리 롤형 전극 조립체(10)는 분리막 시트와 전극 시트가 서로 교대로 적층된 상태로 권취되어 형성될 수 있다. 전극시트는 양극 시트와 음극 시트를 포함할 수 있으며, 양극 시트와 음극 시트 사이에는 분리막 시트가 개재될 수 있다.
종래의 젤리 롤형 전극 조립체(10)에서는 충방전 시 전극 시트, 그 중 특히 음극 시트가 팽창과 수축을 반복하는 현상이 발생하였다. 그런데 음극 시트가 팽창 시 음극 시트가 팽창할 공간이 부족하므로 음극 시트는 주름이 잡히게 되는 현상이 발생하였다.
음극 시트에 발생하는 이러한 주름은 전극 조립체 및 이차 전지의 두께를 두껍게 하는 원인이 되어 문제되었다.
또한, 음극 시트가 팽창되어 주름이 발생할 시 음극 시트와 양극 시트와의 거리가 멀어지게 되고, 그에 따라 리튬 이온이 음극 시트와 양극 시트 사이에서 원활하게 이동하지 못하게 되는 문제가 발생하였다. 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못하는 미반응 영역이 늘어나면 전지의 성능이 현저히 저하될 수 있으므로 문제되었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 충방전 시 음극 시트에 발생하는 주름을 방지하여, 전극 조립체 및 이차 전지의 두께가 두꺼워지는 것을 방지하고, 음극 시트와 양극 시트 사이의 거리가 멀어지는 것을 방지하여 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못하는 미반응 영역을 현저히 줄여서 전지의 성능을 극대화 할 수 있는 젤리 롤형 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 젤리 롤형 전극 조립체는 분리막 시트와 전극 시트가 서로 교대로 적층된 상태로 권취되어 형성되는 젤리 롤형 전극 조립체로서, 권취된 전극 시트는 팽창 시 적어도 일부가 분리되도록 곡면이 형성된 영역에 길이 방향을 따라서 노칭 홈이 형성된다.
본 발명에 따른 젤리 롤형 전극 조립체는 권취된 전극 시트의 곡면이 형성된 영역에 길이 방향을 따라서 노칭 홈이 형성됨으로써, 충방전 시 음극 시트에 발생하는 주름을 방지되어 전극 조립체 및 이차 전지의 두께가 두꺼워지는 것이 방지되고, 음극 시트와 양극 시트 사이의 거리가 멀어지는 것이 방지되어 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못하는 미반응 영역이 현저히 줄어들며 전지의 성능이 극대화 될 수 있다.
도 1은 종래의 젤리 롤형 전극 조립체가 이용되는 각형 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리 롤형 전극 조립체를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 젤리 롤형 전극 조립체에서 음극 시트만를 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 음극 시트를 펼친 상태를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리 롤형 전극 조립체를 도시하는 사시도이다. 도 3은 도 2의 젤리 롤형 전극 조립체에서 음극 시트만를 도시하는 사시도이다. 도 4는 도 3의 음극 시트를 펼친 상태를 도시하는 도면이다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리 롤형 전극 조립체에 대해 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리 롤형 전극 조립체(100)는 분리막 시트(150)와 전극 시트(110, 130)가 서로 교대로 적층된 상태로 권취되어 형성될 수 있다. 전극 시트(110, 130)는 양극 시트(110)와 음극 시트(130)를 포함할 수 있으며, 양극 시트(110)와 음극 시트(130) 사이에는 분리막 시트(150)가 개재될 수 있다.
양극 시트(110)와 음극 시트(130)에는 전극 탭(170)이 부착될 수 있다. 전극 탭(170)은 젤리 롤형 전극 조립체(100) 내부의 활성 재료인 양극 시트(110)와 음극 시트(130)가 젤리 롤형 전극 조립체(100) 외부의 전력 단자에 전기적으로 연결될 수 있도록 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리 롤형 전극 조립체(100)에서 전극 시트, 특히 음극 시트(130)는 곡면이 형성된 영역인 곡면부(190)에 길이 방향(Y)을 따라서 노칭 홈(131)이 형성될 수 있다.
노칭 홈(131)은 파선(破線, dotted line)의 형상을 가질 수 있다. 이 경우 노칭 홈(131)은 일정한 길이로 서로 소정의 간격을 두고 반복적으로 형성될 수 있다.
이러한 노칭 홈(131)은 노칭(Notching)의 방식으로 형성된 홈의 형상을 가질 수 있다. 이 경우 노칭 홈(131)이 파여진 부분에서 음극 시트(130)의 두께는 노칭 홈(131)이 파여지지 않은 부분에서의 음극 시트(130)의 두께보다 얇은 두께일 수 있다.
도면에서 도시되고 있지 않은 다른 예로, 노칭 홈(131)은 직선(Line)의 형상을 가질 수도 있다. 이 경우 노칭 홈(131)이 형성된 직선부에서의 두께는 노칭 홈(131)이 형성되지 않은 음극 시트(130) 부분에서의 두께보다 얇을 수 있다.
또한, 이러한 형태 이외에도 노칭 홈(131)은 완전히 관통된 형태의 홀인 관통 홀이 파선(破線, dotted line)의 형태로 이루어지도록 구성될 수도 있다. 노칭 홈(131)이 관통 홀인 경우에는 직선의 형태는 될 수 없고 파선의 형태만 가능할 수 있다.
음극 시트(130)는 도 3에서 도시되듯이 곡면 영역인 곡면부(190)가 양측단에 형성될 수 있다. 이때 노칭 홈(131)은 권취된 음극 시트(130)의 서로 대향되는 양측단의 곡면부(190)에 각각 형성될 수 있다.
노칭 홈(131)이 형성된 상태로 권취되어 있는 도 3의 음극 시트(130)를 펼친 경우의 모습이 도 4에서 도시되고 있다. 노칭 홈(131)은 곡면부(190)의 길이 방향(Y)으로 복수 개가 소정의 간격을 두고 파선 형상으로 형성되어 있다. 그리고 권취 방향(X)을 따라서도 소정의 간격을 두고 떨어져서 배치되어 있다. 그에 따라 노칭 홈(131)은 도 3에서와 같이 권취된 음극 시트(130)의 서로 대향되는 양측단의 곡면부(190)에 각각 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리 롤형 전극 조립체(100)에서 음극 시트(130)는 곡면부(190)에 길이방향(Y)을 따라 노칭 홈(131)이 형성된 형태를 가질 수 있다.
그에 따라 이차 전지 충방전 시 음극 시트(130)가 팽창하면, 음극 시트(130)는 적어도 일부가 분리될 수 있다. 즉, 노칭 홈(131)을 따라서 음극 시트(130)가 끊어질 수 있다.
음극 시트(130)가 끊어지는 경우는 음극 시트(130)가 층(layer)마다 분리될 수 있다. 음극 시트(130)가 끊어지면 음극 시트(130)에 발생하는 스트레스(stress)가 사라지게 되므로, 음극 시트(130)는 더 이상 주름진 형태를 가지지 않게 될 수 있다.
이와 같이 충방전 시 음극 시트(130) 또는 전극 시트(110, 130)에 발생하는 주름을 방지하게 되면, 젤리 롤형 전극 조립체(100) 및 젤리 롤형 전극 조립체(100)가 삽입되는 이차 전지의 두께가 두꺼워지는 것이 방지될 수 있다. 주름으로 인한 잉여 공간이 줄어들 수 있기 때문이다.
젤리 롤형 전극 조립체 및 이것이 삽입되는 이차 전지의 두께가 감소되면 단위 부피당 저장된 에너지를 의미하는 에너지 밀도가 극대화 될 수 있다. 이는 이차 전지가 사용되는 전자 제품의 공간 활용도 또한 매우 효율적이 될 수 있음을 의미할 수 있다.
한편, 음극 시트(130)가 팽창하여 주름이 심해질 경우 양극 시트(110)와 음극 시트(130) 사이의 거리 또는 공간이 넓어질 수 있다. 그에 따라 음극 시트(130)와 양극 시트(110) 사이에 리튬(Li) 이온이 원활하게 이동하지 못하는 미반응 영역이 현저히 증가할 수 있다.
그런데, 충방전 시 전극 시트(110, 130)에 발생하는 주름을 방지하게 되면, 양극 시트(110)와 음극 시트(130) 사이의 거리가 멀어지는 것이 방지될 수 있으므로, 미반응 영역이 현저히 줄어 들어 전지의 사이클(Cycle) 성능이 현저히 극대화 될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 이차 전지
10: 젤리 롤형 전극 조립체
20: 전지 케이스
30: 전지 캡
40: 전극 탭
100: 젤리 롤형 전극 조립체
110: 양극 시트
130: 음극 시트
131: 노칭 홈
150: 분리막 시트
170: 전극 탭
190: 곡면부
X: 권취 방향
Y: 길이 방향

Claims (4)

  1. 분리막 시트와 전극 시트가 서로 교대로 적층된 상태로 권취되어 형성되는 젤리 롤형 전극 조립체에 있어서,
    권취된 상기 전극 시트는 팽창 시 적어도 일부가 분리되도록 곡면이 형성된 영역에 길이 방향을 따라서 노칭 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리 롤형 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 시트는 양극 시트와 음극 시트를 포함하며,
    상기 노칭 홈은 상기 음극 시트에만 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리 롤형 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 노칭 홈은 일정한 길이로 서로 소정의 간격을 두고 반복적으로 형성되는 파선(破線) 형상인 것을 특징으로 하는 젤리 롤형 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 시트는 양측단에 곡면 영역이 형성되고,
    상기 노칭 홈은 권취된 상기 전극 시트의 서로 대향되는 양측단의 곡면 영역에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리 롤형 전극 조립체.
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