KR20160115419A - 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 젤리-롤 타입의 전극조립체에 있어서 전극집전체의 굴곡부와 평탄부에서의 두께 불균일에 따른 충방전시 전극 뒤틀림 발생을 억제하여 전지의 수명 특성 및 성능 특성을 향상시킬 수 있는 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 충방전시 전극의 뒤틀림(twist) 발생을 감소시켜, 전지의 수명특성 및 성능 특성을 향상시킬 수 있는 젤리-롤 타입(Jelly-roll type)의 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
일반적으로 젤리-롤 타입의 이차전지는 하나의 음극과 하나의 양극을 분리막을 경계로 적층한 후, 원하는 형태에 따라 일방향으로 권취(winding)함으로써 제조될 수 있다. 그 결과, 복수의 전극을 적층하는 스택 타입, 스택 앤 폴딩 타입 등의 전극조립체에 비해 제조 공정이 간단하여 생산이 용이하다는 장점을 갖는다.
그러나, 이와 같은 젤리-롤 타입의 전극조립체는 전극 조립체의 가장자리, 즉, 굴곡부에서의 두께가 가운데 평탄부의 두께보다 두껍기 때문에, 전지 충방전에 따른 전극의 수축 팽창시, 불균일한 부피 변화를 야기하여 전극에서의 뒤틀림(twist)이 발생하기 쉽고, 그 결과, 전지의 수명특성 및 성능 특성이 저하되는 문제가 있었다. 또, 케이스 내부에 삽입한 후 커버를 부착하여 실링하는 과정에서 케이스 외부의 부풀음 현상을 유발시킬 뿐만 아니라 실링이 용이하지 않으며, 권취 및 이후 압착 공정시 전극조립체 굴곡부에서의 부러짐 또는 크랙이 발생하기 쉬운 문제가 있었다.
한국특허공개 제2002-0082729호 (2002. 10. 31. 공개)
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 젤리-롤 타입의 전극조립체에 있어서 굴곡부와 평탄부의 두께 불균일에 따른 문제를 해결하여, 충방전시 전극 뒤틀림 발생을 억제하고, 그 결과로서 전지의 수명 특성 및 성능 특성을 향상시킬 수 있는 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체, 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 전극조립체를 포함하는 이차전지, 전지모듈 및 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1분리막, 양극판, 제2분리막, 및 음극판이 순차로 적층되어 권취된 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체에 있어서, 상기 전극조립체는 전극조립체의 굴곡부에 대응하여 위치하는 제1분리막과 제2분리막의 접합부; 및 상기 접합부에 의해 구획되며, 전극조립체의 평탄부에 대응하여 위치하는 2 이상의 구획부를 포함하고, 그리고 상기 양극판은 상기 구획부 내에 각각 포함되는 복수 개의 단위 양극판을 포함하는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체가 제공된다.
또, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2분리막 사이에 복수 개의 단위 양극판을 전극집전체의 굴곡부에 해당하는 길이만큼의 간격을 두고 서로 이격하여 위치시킨 후, 상기 단위 양극판 사이의 제1 및 제2분리막을 접합시켜, 상기 제1 및 제2분리막의 접합부에 의해 구획된 구획부 내에 단위 양극판을 포함하는 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체를 준비하는 단계; 및 상기 접합된 제1 및 제2분리막의 어느 한 면에 음극판을 적층하고, 권취하는 단계를 포함하는 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 제조방법이 제공된다.
아울러, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체를 포함하는 이차전지, 전지모듈 및 전지팩을 제공한다.
기타 본 발명의 실시예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 전극조립체는, 종래 젤리-롤 타입의 전극조립체에 있어서의 굴곡부와 평탄부의 두께 불균일에 따른 문제를 해결하여, 충방전시 전극 뒤틀림 발생을 감소시키고, 그 결과로서 전지의 수명 특성 및 성능 특성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 단면도로서, 음극 방향으로 권취된 전극조립체이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체가 권취 및 압착되기 전 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 상기 도 2에서의 전극조립체의 단면 구조도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어 "전극조립체 평탄부"는 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 평탄한 부분을 의미하는 것이고, 본 발명에서 사용되는 용어 "전극조립체 굴곡부"는 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 양 측면에서의 굴곡진 부분을 의미하는 것이다.
또, 본 발명에서 사용되는 용어 "내부"는 중심 부위 방향으로 향하는 면측을 의미하고, "외부"는 외측 부위 방향을 향하는 면측을 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "중심 부위 방향"은 전극조립체를 감는 코어에 접하는 최초 선단 부위 방향을 의미하며, "외측 부위 방향"은 전극조립체의 권취가 종료되는 끝단 부위 방향을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는, 제1분리막, 양극판, 제2분리막, 및 음극판이 순차로 적층되어 권취된 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체에 있어서, 상기 전극조립체는 전극조립체의 굴곡부에 대응하여 위치하는 제1분리막과 제2분리막의 접합부; 및 상기 접합부에 의해 구획되며, 전극조립체의 평탄부에 대응하여 위치하는 2 이상의 구획부를 포함하고, 그리고 상기 양극판은 상기 구획부 내에 각각 포함되는 복수 개의 단위 양극판을 포함한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는, 양극판을 노칭(notching) 및 절단하여 제조한 복수의 단위 양극판을 전극조립체의 평탄부에 대응하도록 각각 분리하여 위치시킴으로써, 스택형(skacking type) 전극조립체에서와 같이 충,방전시에도 전지 두께 방향(z축)으로만 스트레스(stress)가 가해지게 된다. 그 결과 전극조립체의 두께 불균일로 인한 뒤틀림을 방지하여 전지의 수명특성 및 안전성을 개선시킬 수 있다. 특히 음극판에 비해 부피변화가 작은 양극판을 노칭 또는 절단하여 포함함으로써, 음극판에서의 부피변화에 대해 충분한 완충작용을 나타낼 수 있다. 또, 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체가 권취 및 압착되는 과정에서 전극조립체 굴곡부에서 발생할 수 있는 양극의 부러짐 및 크랙의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 또, 상기 복수 개의 단위 양극판을 두 장의 분리판 사이에 위치시킨 후 분리판을 접합시킴으로써, 단위 양극판을 고정하여 전극조립체내 단위 양극판의 이동을 방지할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는 서로 대향하여 위치하는 두 장의 분리막, 즉 제1 및 제2분리막을 포함한다. 상기 제1 및 제2분리막은 음극과 양극 사이의 물리적인 접촉을 방지하는 동시에 분리막내 존재하는 기공을 통하여 리튬 이온을 통과시키는 역할을 한다.
또, 상기 전극조립체에 있어서, 상기 제1 및 제2분리막은 소정의 간격을 두고 서로 접합된다. 구체적으로 상기 제1 및 제2분리막은 열처리에 의해 제1 및 제2분리막이 직접 접합될 수도 있고, 또는 접착제와 같은 별도의 접합 재료에 의해 접합될 수도 있다. 보다 구체적으로 공정의 간단함 및 접합 기재의 추가 사용에 따른 부반응 발생의 우려를 고려할 때 제1 및 제2분리막은 직접 접합될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극조립체는 제1분리막과 제2분리막이 대면하는 공간 내에 상기 제1 및 제2분리막이 접합된 접합부, 그리고 상기 접합부에 의해 구획된 2 이상의 공간, 즉 구획부를 포함한다.
또한, 상기 전극조립체에 있어서, 상기 제1 및 제2분리판의 접합부에 의해 구획된 구획부내에는 양극판을 구성하는 단위 양극판이 각각 위치한다. 이와 같이 하나의 구획부 내에 단위 양극판이 포함됨으로써 충방전시 단위 양극판 각각의 부피 변화에 대해 단위 양극판을 둘러싸는 제1 및 제2 분리막이 충분한 완충작용을 나타낼 수 있다. 또, 상기 각각의 단위 양극판은 상기 제1 및 제2분리판의 접합부에 의해 구획 및 분리되기 때문에, 전지의 제조공정 또는 사용 중 외부 충격에 의해서도 안정적으로 고정될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전극조립체에 있어서, 상기 접합부는 전극조립체의 굴곡부에 대응하도록 위치하고, 상기 구획부는 전극조립체의 평탄부에 대응하도록 위치할 수 있다. 이에 따라 상기 접합부는 전극조립체의 굴곡부에 대응하도록, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 제1및 제2분리막의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가할 수 있지만, 상기 전극조립체의 평탄부에 대응하는 영역에 위치하는 구획부는 그 폭이 모두 동일할 수 있다. 다만, 상기 전극조립체에 있어서, 제1 및 제2분리판의 권취시작부와 권취종료부는 각각 단위 양극판이 포함되지 않은, 제1 및 제2분리판의 접합부일 수 있다.
한편, 상기 전극조립체에 있어서, 제1 및 제2분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 및 제2분리막은 각각 독립적으로 다공성 지지체일 수 있으며, 보다 구체적으로 폴리올레핀계 수지(예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 또는 폴리펜텐 등), 불소계 수지(예를 들면, 폴리비닐리덴플루오라이드 또는 폴리테트라플루오루에틸렌 등), 폴리에스터계 수지(예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트 등), 폴리아크릴로니트릴 수지, 셀룰로오스계 재질 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 다공성 필름, 부직포 또는 2층 이상의 적층 구조체일 수 있다.
또, 상기 다공성 지지체는 평균 기공직경이 0.01 내지 20㎛, 혹은 0.01 내지 1㎛인 미세 기공들을 10 내지 80부피%, 혹은 30 내지 60부피%의 기공도로 구비한 다공성 지지체일 수 있다. 상기한 범위의 평균 기공직경을 갖는 미세기공을 상기한 기공도 범위 내로 포함함으로써 우수한 기계적 강도를 유지할 수 있으며, 이온 물질이 전지의 양극과 음극의 사이를 보다 원활히 이동할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 다공성 지지체내 기공직경 및 기공도는 집속이온빔(FIB)을 이용한 분석 또는 수은압입법에 의해 측정할 수 있다.
또, 상기 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체에 있어서, 상기 제1 및 제2분리막은 각각 독립적으로, 다공성 지지체의 적어도 일면에, 세라믹 입자 및 바인더를 포함하는 세라믹 코팅층이 형성된 유무기 복합 다공성 적층체일 수 있다. 본 발명에 따른 전극조립체는 분리막 위에 단위 양극판을 형성하기 때문에, 분리막의 열수축율이 클 경우, 그 제조과정에서 양극과 음극의 어긋남 또는 단락이 발생할 수 있다. 그러나, 상기 유무기 복합 다공성 적층체는 다공성 지지체의 일면에 세라믹 입자를 포함하는 코팅층을 포함함으로써 분리막의 과열시 다공성 지지체의 직각 방향 (TD, Transverse Direction) 및 기계 방향(MD, Machine Direction)으로의 열 수축율이 억제되어 이 같은 양극 및 음극과의 단락을 방지할 수 있다. 구체적으로 상기 세라믹 코팅층의 형성으로 인해 상기 유무기 복합 다공성 적층체는 180℃에서 1시간 방치한 후의 TD 또는 MD 방향으로의 열 수축율이 20% 이하, 혹은 10% 이하로 개선될 수 있다.
본 발명에 있어서, 열 수축율은 유무기 복합 다공성 적층체를 가로 방향과 세로방향으로 평행한 두 변을 갖는 장방형으로 절단한 후(10cm X 10cm), 전극조립체의 제조시 열간압연 공정이 수행되는 최대 온도 및 시간인 180℃에서 상기 유무기 복합 다공성 적층체를 1시간 방치하고, 이후 직각 방향(TD)으로의 길이 변화를 측정하여 하기 수학식에 따라 산출하였다.
[수학식 1]
열 수축율(%)=[(열 수축전의 길이-수축 후의 길이)/수축전의 길이]X100
상기 유무기 복합 다공성 적층체에 있어서, 상기 다공성 지지체는 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다. 또 상기 세라믹 코팅층에서의 상기 세라믹 입자는 리튬 이온 전도체(예를 들면, 리튬포스페이트(Li3PO4); 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3); 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5와 같은 (LiAlTiP)xOy계 유리(glass)(0<x<4, 0<y<13); 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3); Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마늄티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5); Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2); Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2계 유리(LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4); 또는 LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5계 유리(LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7) 등) 및 유전율 상수가 5 이상인 고유전율 무기물 입자(예를 들면, Al2O3, BaTiO3, CaO, CeO2, NiO, MgO, SiO2, SnO2, SrTiO3, TiO2, Y2O3, ZnO, ZrO2, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3, PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 또는 HfO2 등)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 또, 상기 세라믹 입자는 0.001 내지 10㎛의 평균입경(D50)을 갖는 것일 수 있다. 또, 상기 세라믹 코팅층에서의 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-covinylacetate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리무수말레인산(polymaleic anhydride) 또는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기한 세라믹 입자와 바인더는 50:50 내지 99:1의 혼합중량비로 세라믹 코팅층 내에 포함될 수 있다. 또, 상기 세라믹 코팅층내에는 상기 세라믹 입자들에 의해 형성되는 기공이 포함될 수 있다. 상기 세라믹 코팅층내 형성되는 기공 크기 및 기공도는 주로 세라믹 입자의 크기에 의존하기 때문에 세라믹 코팅층 형성시 사용되는 세라믹 입자의 크기 및 함량 제어를 통해 기공 크기 및 기공도가 조절될 수 있다. 구체적으로 상기 세라믹 코팅층내 형성되는 기공의 평균 기공직경은 0.001 내지 10㎛ 이고, 기공도는 10 내지 90부피%일 수 있다. 세라믹 코팅층내 기공 구조는 추후 주액되는 전해액으로 충진되고, 이와 같이 충진된 전해액은 이온 전달 역할을 하게 된다.
또, 상기 제1 및 제2분리막의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 분리막으로서의 적절한 기계적 강도 및 이온 물질의 이동 용이성을 고려할 때, 구체적으로 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.
또, 상기 제1 및 제2분리막은 각각 독립적으로 분리막이 열에 의해 수축되더라도 음극 전극을 차단시킬 수 있도록 음극판의 종료부보다 보다 길게 연장되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 분리막은 음극 종료부로부터 5mm 이상 연장된 것일 수 있다.
한편, 상기 전극 조립체에 있어서, 상기 제1 및 제2분리막 사이에는 양극판이 위치한다.
구체적으로, 상기 양극판은 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질이 코팅된 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극 합재를 일정한 크기 및 형상으로 노칭 및 절단하여 단위화한 복수 개의 단위 양극판을 포함하며, 상기 복수 개의 단위 양극판은 상기 제1 및 제2분리막 사이에 전극조립체의 평탄부에 대응하도록 간격을 두고 서로 이격되어 위치하는, 상기 제1분리막과 제2분리막의 접합부에 구획된 상기 구획부 내에 각각 포함될 수 있다. 이와 같이 구획부 내에 단위 양극판이 존재함으로써 충방전에 따른 양극판 자체의 부피 변화시 제1 및 제2분리막이 완충 작용을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 단위 양극판은 전극조립체의 평탄부에 대응하는 영역에 위치함에 따라, 상기 단위 양극판은 그 폭이 모두 동일할 수 있다.
또, 상기 복수 개의 단위 양극판은 각각 독립적으로, 양극집전체, 및 상기 양극집전체의 적어도 일면에 위치하며, 양극활물질을 포함하는 양극활물질 코팅부를 포함한다.
상기 단위 양극판에 있어서, 양극집전체로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 갖는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 구체적으로는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나; 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기와 같은 양극집전체는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 구체적으로는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 또는 부직포체 등의 형태일 수 있다. 또, 양극활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있도록, 상기 양극집전체의 표면에 미세한 요철 또는 패턴이 형성될 수도 있다. 또, 상기 양극집전체의 두께는 3 내지 500㎛일 수 있다.
또, 상기 단위 양극판에 있어서, 상기 양극활물질 코팅부는 양극활물질을 포함하고, 선택적으로 바인더, 도전재, 및 증점제 등의 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 양극활물질 코팅부는 양극활물질과 함께, 선택적으로 바인더, 도전재 및 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 양극활물질 코팅부 형성용 조성물을 양극 집전체의 적어도 일면에 도포한 후 건조 및 압연시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 양극활물질 코팅부의 제조에 사용가능한 양극활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)이 사용될 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 알루미늄과 같은 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 산화물일 수 있다. 또 상기 리튬 전이금속 산화물은 구체적으로 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1 -YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2 -zNizO4(여기에서, 0＜Z＜2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1 -YCoYO2(여기에서, 0<Y<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1 -YMnYO2(여기에서, 0<Y<1), LiMn2 -zCozO4(여기에서, 0＜Z＜2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NiPCoQMnR)O2(여기에서, 0＜P＜1, 0＜Q＜1, 0＜R＜1, P+Q+R=1) 또는 Li(NiPCoQMnR)O4(여기에서, 0＜P＜2, 0＜Q＜2, 0＜R＜2, P+Q+R=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M) 산화물(예를 들면, Li(NiPCoQMnRMS)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, P, Q, R 및 S는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0＜P＜1, 0＜Q＜1, 0＜R＜1, 0＜S＜1, P+Q+R+S=1이다) 등일 수 있으며, 이들 리튬전이금속 산화물은 텅스텐(W) 또는 니오븀(Nb)에 의해 도핑될 수도 있다. 보다 구체적으로 상기 리튬전이금속 산화물은 전지의 용량 특성 및 안정성을 높일 수 있다는 점에서 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, 리튬니켈망간코발트 산화물(예를 들면, Li(Ni0 .6Mn0 .2Co0 .2)O2, LiNi0 .5Mn0 .3Co0 .2O2, 또는 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 등), 또는 리튬니켈코발트알루미늄 산화물(예를 들면, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 등) 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또, 상기 양극활물질 코팅부의 제조에 사용가능한 바인더는 양극활물질 입자들 간의 부착 및 양극활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또, 상기 바인더는 양극활물질 100중량부에 대하여 1 내지 20중량부로 포함될 수 있다. 바인더의 함량이 1중량부 미만이면 양극 내 충분한 접착력을 나타내기 어렵고, 또 20중량부를 초과하면 전지의 용량 특성 저하의 우려가 있다. 보다 구체적으로 상기 바인더는 양극활물질 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부로 포함될 수 있다.
또, 상기 양극활물질 코팅부의 제조에 사용가능한 도전재는 양극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연 휘스커, 탄산칼슘 휘스커, 이산화티탄 휘스커, 산화규소 휘스커, 탄화규소 휘스커, 붕산 알루미늄 휘스커, 붕산 마그네슘 휘스커, 티탄산 칼륨 휘스커, 질화 규소 휘스커, 실리콘 카바이드 휘스커, 알루미나 휘스커 등의 침상 또는 가지상의 도전성 휘스커(Whisker); 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이중에서도 도전재 사용에 따른 개선효과의 현저함 및 양극 제조과정에서의 고온 건조 공정을 고려할 때 카본블랙 등의 탄소계 물질일 수 있다. 상기 도전재는 양극 활물질 100중량부에 대하여 1 내지 20중량부, 혹은 1 내지 10중량부로 포함될 수 있다. 상기 도전재의 양이 1중량부 미만인 경우, 도전재의 양이 너무 적어 전극의 내부 저항 증가로 전지의 성능이 저하될 수 있고, 20중량부를 초과하는 경우, 도전재의 양이 많아짐에 따라 바인더의 양도 함께 증가시켜야 하므로 전극 활물질의 감소로 인한 전지 용량의 감소 등의 문제를 초래할 수 있다.
또, 상기 단위 양극판에 있어서, 상기 양극활물질 코팅부는 양극집전체 양면에 모두 위치할 수도 있고, 또는 양극집전체의 어느 일면에만 위치할 수도 있으나, 이차전지의 용량 특성 개선효과를 고려할 때, 양극집전체의 양면에 위치할 수 있다.
또, 상기 복수 개의 단위 양극판은 각각 독립적으로 상기 양극집전체와 연결되어 외부단자와 접속하기 위한 양극 탭을 포함할 수 있다.
상기 양극 탭은 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전 가능하도록 부착될 수 있으며, 또 전극 간의 단락을 방지할 수 있도록 상기 양극 탭에 절연테이프가 선택적으로 부착될 수도 있다. 상기 절연테이프는 접착특성과 함께 절연 특성을 갖는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 이중에서도 약 200℃의 고온에서도 열 수축되지 않는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연테이프는 폴리이미드, 아세테이트, 유리섬유(glass fiber), 폴리에스터, 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide, PPS), 또는 폴리프로필렌(polypropylene)계 테이프일 수 있으며, 보다 구체적으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트계 절연테이프일 수 있다. 또, 상기 절연테이프의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체에 있어서, 상기한 양극판을 개재하여 서로 대향하여 위치하는 제1 및 제2 분리막 중 어느 하나의 외측면에는 음극판이 위치한다.
상기 음극판은 음극집전체, 및 상기 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질이 코팅된 음극활물질 코팅부를 포함한다.
상기 음극판에 있어서, 음극집전체로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 갖는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 구체적으로는, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄 또는 은 등으로 표면처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기와 같은 음극집전체는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 구체적으로는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등의 형태일 수 있다. 또, 음극활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있도록, 상기 음극집전체의 표면에 미세한 요철 또는 패턴이 형성될 수도 있다. 또, 상기 음극집전체의 두께는 3 내지 500㎛일 수 있다.
또, 상기 음극판에 있어서, 상기 음극활물질 코팅부는 음극활물질을 포함하며, 선택적으로 바인더, 도전재, 및 증점제 등의 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극활물질 코팅부는 음극활물질과 함께, 선택적으로 바인더, 도전재 및 첨가제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조한 음극활물질 코팅부 형성용 조성물을 음극집전체의 적어도 일면에 도포한 후 건조 및 압연시킴으로써 제조될 수 있다. 이때, 상기 도전재 및 바인더는 앞서 양극에서 설명한 것과 동일하다.
상기 음극활물질 코팅부의 제조에 사용가능한 상기 음극활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이라면 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 또는 고결정성 탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; 또는 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있다. 또, 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)를 들 수 있으며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정치피계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소를 들 수 있다. 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 또, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다.
보다 구체적으로 상기 음극활물질은 SiOx (이때, 0<x<2, 구체적으로는 0<x=1임)의 실리콘 산화물일 수 있다. 이때, 산소 원소의 함유량을 나타내는 x값이 2를 초과하는 경우 전기화학적 반응 자리(site)인 Si의 상대적인 양이 적어 전체 에너지 밀도 감소를 유발할 수 있다. 또, 상기 실리콘 산화물은 비정질일 수 있다.
통상 실리콘 산화물계 음극활물질은 우수한 용량특성을 가지나, 충방전에 따른 부피 변화가 큰 문제가 있었다. 이 같은 실리콘 산화물계 음극활물질을 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체에서의 음극활물질로 사용할 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 특징적인 구조로 인해 실리콘 산화물계 음극물질의 큰 부피변화를 완충시킬 수 있다. 이에 따라 실리콘 산화물계 음극활물질의 부피변화 및 그에 따른 전지 성능 및 수명 특성에 대한 우려없이, 우수한 용량 특성 개선효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 실리콘 산화물은 B, P, Li, Ge, Al, Mg, Ca, 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소로 도핑될 수도 있다. 상기한 원소들로 도핑될 경우, 실리콘 산화물의 비정질화도가 증가되고, 실리콘 옥사이드의 환원시 형성될 수 있는 Si 금속 응집체의 성장이 억제되며, Li 이온의 확산속도가 증가될 수 있다. 그 결과 보다 개선된 고율 충방전 효율을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로 상기 실리콘 산화물이 도핑될 경우, 음극활물질 총 중량에 대하여 상기한 도핑원소를 0.05중량% 내지 10중량%로 포함할 수 있다. 도핑원소의 함량이 0.05중량% 미만이면 도핑에 따른 개선 효과가 미미하고, 10중량%를 초과할 경우 에너지밀도 및 비가역 용량이 증가될 수 있다.
또, 상기 음극판에 있어서, 상기 음극활물질 코팅부는 음극집전체 양면에 모두 위치할 수도 있고, 또는 음극집전체의 어느 일면에만 위치할 수도 있으나, 이차전지의 용량 특성 개선 효과를 고려할 때 음극집전체의 양면에 위치할 수 있다.
또한, 상기 음극활물질 코팅부는 음극집전체 전면에 위치할 수도 있고, 또는 전극조립체의 평탄부에 대응하는 영역에만 음극활물질이 위치하도록 패턴화될 수도 있다. 구체적으로, 상기 음극활물질 코팅부가 패턴화될 경우, 상기 음극판은 전극조립체의 평탄부에 대응하여 위치하며 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와; 전극조립체 굴곡부에 대응하여 음극활물질이 코팅되지 않은, 즉 음극집전체만을 포함하는 음극판 굴곡무지부를 포함할 수 있다.
또, 전극조립체의 평탄부에 대응하는 영역에 위치하는 상기 음극판 평탄코팅부는 그 폭이 모두 동일할 수 있지만, 상기 음극판 굴곡무지부는 전극조립체의 굴곡부에 대응하도록, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극판의 굴곡무지부의 폭은 등차수열을 이룸으로써, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는데, 이때 연속되는 음극판 굴곡무지부의 폭의 차(공차)는 제1 및 제2분리막의 두께 그리고 음극판의 두께의 1/2을 모두 합한 값으로 일정할 수 있다. 다만, 상기 음극판의 굴곡무지부의 폭을 전극조립체 굴곡부의 폭보다 작게 형성하더라도, 전극조립체의 굴복부의 변곡점이 상기 음극판의 굴곡무지부에 포함되어 있기만 한다면, 본 발명의 목적을 달성하는 데에 무리가 없다. 왜냐하면, 음극집전체에 코팅된 음극활물질의 크랙은 상기 전극조립체의 굴복부의 변곡점에서 가장 심각하게 발생하기 때문에, 적어도 이 부분을 무지부로 형성한다면 음극활물질의 크랙 발생을 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다. 여기서, 전극조립체의 굴곡부의 변곡점은 전극조립체가 권취됨에 따라 그 방향이 반대로 꺾이는 꼭지점을 말한다.
또, 상기 음극판 평탄코팅부는 분리막을 사이에 두고 양극판과 대향하고 있으므로, 이후 충방전 과정에서의 단락 발생을 방지하기 위해 상기 음극판 평탄코팅부의 양 끝단, 즉, 음극판 평판코팅부의 시작부 및 말단부에 절연테이프가 포함될 수도 있다. 이때 절연테이프는 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
또한, 상기 음극판에 있어서, 상기 음극판의 권취시작부와 권취종료부는 각각 음극활물질이 코팅되지 않고 음극집전체으로 이루어진 음극판 무지부를 포함할 수 있다. 이와 같이 권취시작부와 권취종료부에 각각 음극판 무지부를 포함함으로써, 충방전시 부피팽창에 따른 전극 변형을 최소화할 수 있다.
또, 상기와 같은 음극판 권취시작부 및 권취종료부 중 적어도 어느 한쪽에 상기 음극판 무지부와 연결되어 외부단자와 접속하기 위한 음극 탭이 위치할 수 있다. 상기 음극 탭은 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전 가능하도록 부착될 수 있으며, 또 전극 간의 단락을 방지할 수 있도록 상기 음극 탭에 절연테이프가 선택적으로 부착될 수도 있다. 이때 절연테이프는 앞서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 단면도로서, 음극판 방향으로 권취된 전극조립체이다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체(1)는 제1분리막(310)/양극판(100)/제2분리막(320)/음극판(200)이 순차로 적층되어 권취된 것으로, 상기 전극조립체(1)는 전극조립체 평탄부(11)와 전극조립체 굴곡부(12)로 구분될 수 있다.
또 상기 전극조립체(1)에 있어서, 최초의 권취 방향은 음극판(200) 방향일 수도 있고, 양극판(100) 방향일 수도 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전극조립체(1)는 도 1에서 나타내는 바와 같이, 최초의 권취 방향이 음극판(200) 방향일 수 있다. 이 경우 전극조립체의 최초 굴곡부에서의 음극판(200)의 곡률반경이 제1 및 제2분리막의 접합부의 곡률반경보다 작게 된다. 즉, 최초의 상기 음극판(200) 굴곡무지부(y1)의 곡률반경은 최초의 상기 접합부(b1)의 곡률반경보다 작게 된다.
보다 구체적으로, 상기 전극조립체(1)에 있어서, 상기 음극판(200)의 굴곡무지부의 폭은 등차수열을 이룸으로써, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는데, 이때 연속되는 음극판 굴곡무지부의 폭의 차(공차)는 제1 및 제2분리막의 두께 및 음극판의 두께의 1/2를 모두 합한 값으로 일정할 수 있다. 다만, 상기 음극판(200)의 굴곡무지부의 폭을 전극조립체 굴곡부의 폭보다 작게 형성하더라도, 전극조립체의 굴복부의 변곡점이 상기 음극판의 굴곡무지부에 포함되어 있기만 한다면, 본 발명의 목적을 달성하는 데에 무리가 없다. 왜냐하면, 음극집전체에 코팅된 음극활물질의 크랙은 상기 전극조립체의 굴복부의 변곡점에서 가장 심각하게 발생하기 때문에, 적어도 이 부분을 무지부로 형성한다면 음극활물질의 크랙 발생을 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다. 여기서, 전극조립체의 굴곡부의 변곡점은 전극조립체가 권취됨에 따라 그 방향이 반대로 꺾이는 꼭지점을 말한다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체가 권취 및 압착되기 전 상태를 도시한 사시도이고, 도 3은 상기 도 2의 전극조립체의 단면 구조도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체(1)는, 서로 대향하여 위치하는 제1분리막(310)과 제2분리막(320); 상기 제1분리막과 제2분리막 사이에 위치하는 양극판(100); 그리고 상기 제2분리막(320)의 외측에 위치하는 음극판(200)을 포함한다.
또, 상기 전극조립체(1)는 도 3에 나타난 바와 같이, 제1분리막과 제2분리막이 대면하는 공간 내에 상기 제1 및 제2분리막이 접합된 접합부(b1, b2, b3, … bn), 그리고 상기 접합부에 의해 구획된 2 이상의 공간, 즉 구획부(a1, a2, a3, … an, an+1)를 포함한다. 상기 전극조립체(1)에 있어서, 상기 접합부(b1, b2, b3, … bn)는 전극조립체의 굴곡부(12)에 대응하도록 위치하고, 상기 구획부(a1, a2, a3, … an, an+1)는 전극조립체의 평탄부(11)에 대응하도록 각각 위치할 수 있다. 이에 따라 상기 접합부는 전극조립체의 굴곡부에 대응하도록, 전극조립체를 감는 코어에 접하는 제1및 제2분리막의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가할 수 있지만(b1<b2<b3< … <bn), 상기 전극조립체의 평탄부에 대응하는 영역에 위치하는 구획부는 그 폭이 모두 동일할 수 있다(a1=a2=a3 … an=an +1).
또, 상기 제1 및 제2분리판의 접합부(b1, b2, b3, … bn)에 의해 구획된 구획부(a1, a2, a3, … an, an +1) 내에는 양극판(100)을 구성하는 단위 양극판(100-1, 100-2, 100-3, … 100-n)이 각각 위치한다. 보다 구체적으로, 상기 단위 양극판(100-1, 100-2, 100-3,… 100-n)은 전극조립체의 평탄부(11)에 대응하는 위치에 형성되고, 상기 접합부(b1, b2, b3, … bn)는 전극조립체의 굴곡부(12)에 대응하는 위치에 형성형성될 수 있다. 이에 따라 상기 단위 양극판(100-1, 100-2, 100-3, … 100-n)은 그 폭이 모두 동일하나, 상기 접합부(b1, b2, b3, … bn)는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 분리막의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가할 수 있다. 또, 상기 단위 양극판(100-1, 100-2, 100-3, … 100-n)은 각각 독립적으로 양극집전체(110) 및 상기 양극집전체의 적어도 일면에 위치하는 양극활물질층(120, 120')을 포함한다.
또, 상기 전극조립체(1)에 있어서, 상기 음극판(200)은 도 2 및 3에 나타난 바와 같이 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부(x1, x2, x3, … xn, xn+1)와 음극활물질이 코팅되지 않은 음극판 굴곡무지부(y1, y2, y3, … yn)가 교대로 형성될 수 있다. 상기 음극판 평탄코팅부(x1, x2, x3, … xn, xn+1)는 그 폭이 모두 동일하나, 음극판 굴곡무지부(y1, y2, y3, … yn)는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가할 수 있다. 또, 상기 음극판은 음극집전체(210) 및 상기 음극집전체의 적어도 일면에 위치하는 음극활물질층(220, 220')을 포함한다.
한편, 상기한 구조의 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체는, 제1 및 제2분리막 사이에 복수 개의 단위 양극판을 전극집전체의 굴곡부에 해당하는 길이만큼의 간격을 두고 서로 이격하여 위치시킨 후, 상기 단위 양극판 사이의 제1 및 제2분리막을 접합시켜, 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체를 준비하는 단계(단계 1); 및 상기 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체의 어느 한 면에 음극판을 적층하고, 권취하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 이하 각 단계별로 상세히 설명한다.
상기 단계 1은 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체를 준비하는 단계이다.
상기 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체는 제1 또는 제2분리막 중 어느 하나의 분리막 위에 복수 개의 단위 양극판을 전극집전체의 굴곡부에 해당하는 길이만큼의 간격을 두고 서로 이격하여 위치시킨 후, 그 위에 남은 분리막을 위치시킨다. 다음으로 상기 단위 양극판이 위치하지 않는, 제1 및 제2분리막만이 접하는 부분에 대해 접합 공정을 수행한다. 이때 상기 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체의 제조에 있어서, 제1 및 제2분리막, 그리고 양극판은 앞서 설명한 바와 동일하며, 통상의 방법에 따라 제조될 수 있다.
또, 상기 접합 공정은 제1 또는 제2분리막의 유리전이온도(Tg)±20℃ 온도 범위에서의 열처리에 의해 수행될 수 있다. 또 상기 열처리시 압력이 인가될 수도 있다. 상기와 같은 접합공정에 의해 제1분리막과 제2분리막 사이 접합부에 의해 구획된 구획부내에 단위 양극판이 포함된, 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체가 형성된다.
상기 단계 2는 상기 단계 1에서 제조한 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체의 적어도 1면에 음극판을 적층시킨 후, 권취하여 전극조립체를 제조하는 단계이다. 이때 상기 음극판은 앞서 설명한 바와 동일하며, 음극판의 적층 및 권취 공정은 통상의 방법에 따라 수행될 수 있다.
이차전지
나아가, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기한 전극조립체를 구비하는 이차전지를 제공한다.
상기 전극조립체는 원통형 이차전지, 각형 이차전지, 파우치형 이차전지에 모두 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 전극조립체는 권취 및 압착되어 제조되기 때문에, 각형 이차전지에 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 일례로, 상기 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체를 구비하는 각형 이차전지의 경우, 상기한 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체가 각형의 금속 케이스에 내장되어 있고 케이스의 개방 상단에 돌출형 전극단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다. 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 음극판은 음극탭을 통해 탑 캡 상의 음극단자의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자는 절연부재에 의해 탑 캡으로부터 절연되어 있다. 반면에, 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 양극판은 그것의 양극탭이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다. 또한, 전극탭들을 제외하고 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체와 탑 캡의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 케이스와 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체 사이에 시트형 절연부재를 삽입한 뒤, 탑 캡을 장착하고, 탑 캡과 케이스의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 후 금속 볼 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체를 구비하는 각형 이차전지가 제조될 수 있다.
전지모듈 및 전지팩
아울러, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 리튬이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 전극조립체
11: 평탄부
12: 굴곡부
100: 양극판
100-1, 100-2, 100-3, 100-n: 단위 양극판
110: 양극집전체
120, 120' 양극활물질 코팅층
200: 음극판
210: 음극집전체
220, 220' 음극활물질 코팅층
310: 제1분리막
320: 제2분리막
a1, a2, a3, an, an +1 : 구획부
b1, b2, b3, bn : 접합부
x1, x2, x3, xn, xn +1 : 음극판 평탄코팅부
y1, y2, y3, yn : 음극판 굴곡무지부

Claims (24)

  1. 제1분리막, 양극판, 제2분리막, 및 음극판이 순차로 적층되어 권취된 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체에 있어서,
    상기 전극조립체는 전극조립체의 굴곡부에 대응하여 위치하는 제1분리막과 제2분리막의 접합부; 및 상기 접합부에 의해 구획되며, 전극조립체의 평탄부에 대응하여 위치하는 2 이상의 구획부를 포함하고,
    상기 양극판은 상기 구획부 내에 각각 포함되는 복수 개의 단위 양극판을 포함하는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접합부는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 제1 및 제2 분리판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    최초의 상기 접합부의 곡률반경은 최초의 상기 음극판의 곡률반경보다 작은 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2분리막의 권취시작부와 권취종료부는 각각 제1및 제2분리막의 접합부인 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2분리막이 음극판 종료부로부터 5mm 이상 연장된 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2분리막은 각각 독립적으로 폴리올레핀계 수지, 불소계 수지, 폴리에스터계 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 셀룰로오스계 재질 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 다공성 필름, 부직포 또는 2층 이상의 적층 구조체인 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2분리막은 각각 독립적으로 다공성 지지체의 적어도 일면에 세라믹 입자 및 바인더를 포함하는 세라믹 코팅층이 형성된 유무기 복합 다공성 적층체인 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유무기 복합 다공성 적층체는 180℃에서 1시간동안 방치한 후 열 수축률 측정시, 유무기 복합 다공성 적층체의 직각 방향(TD) 또는 기계방향(MD)으로의 열 수축율이 20% 이하인 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 양극판은 그 폭이 모두 동일한 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단위 양극판의 폭은 전극조립체의 평탄부에 대응하는 길이를 갖는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 양극판은 각각 독립적으로, 양극집전체, 상기 양극집전체의 적어도 일면에 형성된 양극활물질 코팅층, 그리고 상기 양극집전체와 연결되어 외부단자와 접속하기 위한 양극 탭을 포함하는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 음극판은, 상기 전극조립체의 평탄부에 대응하여 위치하며, 음극활물질이 코팅된 음극판 평탄코팅부와; 상기 전극조립체의 굴곡부에 대응하여 위치하며, 음극활물질이 코팅되지 않은 음극판 굴곡무지부를 교대로 포함하는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 음극활물질은 SiOx (이때, 0<x<2임)의 실리콘 산화물인 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 음극판 평탄코팅부는 그 폭이 모두 동일한 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 음극판 평탄코팅부의 양 끝단에 절연테이프를 더 포함하는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 음극판 굴곡무지부는 전극조립체를 감는 코어에 접하는 음극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 음극판의 권취 시작부와 권취 종료부가 각각 음극판 무지부를 포함하는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체.
  18. 제1 및 제2분리막 사이에 복수 개의 단위 양극판을 전극집전체의 굴곡부에 해당하는 길이만큼의 간격을 두고 서로 이격하여 위치시킨 후, 상기 단위 양극판 사이의 제1 및 제2분리막을 접합시켜, 상기 제1 및 제2분리막의 접합부에 의해 구획된 구획부 내에 단위 양극판을 포함하는 제1분리막-양극판-제2분리막의 적층체를 준비하는 단계; 및
    상기 접합된 제1 및 제2분리막의 어느 한 면에 음극판을 적층하고, 권취하는 단계
    를 포함하는 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 접합 공정은 제1 또는 제2분리막의 유리전이온도(Tg)±20℃ 온도 범위에서의 열처리에 의해 수행되는 것인 젤리-롤 타입의 이차전지용 전극조립체의 제조방법.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체를 구비하는 이차전지.
  21. 제20항에 따른 이차전지를 단위셀로 포함하는 전지모듈.
  22. 제21항에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩.
  23. 제22항에 있어서,
    중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것인 전지팩.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 중대형 디바이스가 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지팩.
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