KR20170005558A - 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 폴리머 전지셀 - Google Patents

젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 폴리머 전지셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체가 전지케이스 내부에 내장된 구조의 전지셀로서, 상기 양극 및 음극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있고; 상기 젤리-롤형 전극조립체는, 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상을 가진 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 폴리머 전지셀 {Polymer Battery Cell Comprising Jelly-roll Typed Electrode Assembly}
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 폴리머 전지셀에 관한 것이다.
최근 사용량이 증가하고 있는 이차전지는, 전지의 형상 면에서 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), 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 또는 분리필름을 그 위에 적층된 전극 유닛에 따라 일정한 방향으로 권취하는 와이딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형, 스택/폴딩형 또는 와인딩형 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.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형, 스택/폴딩형 또는 와인딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 스택형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.
도 2에는 도 1의 파우치형 이차전지에 대해 충전 및 방전시 부피 팽창 방향을 나타내는 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 전극조립체 부분만을 도시하였다.
도 2를 참조하면, 전극조립체는(30) 이차전지의 활성화 과정 또는 반복적인 충전 및 방전 시 Z축 방향으로 부피가 팽창하는 특성을 가지며, 대략 Z축 방향에 대해 300%에 해당하는 부피 팽창 특성을 가지는 바, 특히, 스택형, 스택/폴딩형 또는 와인딩형 전극조립체의 경우, 구조적으로 Z축 방향으로의 부피 팽창을 억제하기 어려운 구조이므로, 이러한 이차전지의 부피 팽창에 의해 전극 활물질의 입자간 접촉이 떨어져 용량이 퇴화하는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 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, 젤리-롤형 전극조립체의 구성을 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상으로 구성하는 경우, 구조적으로 Z축에 대해서는 부피팽창이 큰 젤리-롤형 전극조립체의 수직방향이 장축을 이루는 형상으로 구성되어 부피팽창을 억제해 주고, X축 및 Y축에 대해서는 젤리-롤형 전극조립체의 권취에 따른 응력에 의해 부피 팽창을 억제해 주는 효과가 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은 양극/분리막/음극 구조를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체가 전지케이스 내부에 내장된 구조의 전지셀로서,
상기 양극 및 음극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있고;
상기 젤리-롤형 전극조립체는, 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상을 가진 구조로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 젤리-롤형 전극조립체의 구성을 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상으로 구성함으로써, 구조적으로 Z축에 대해서는 부피팽창이 큰 젤리-롤형 전극조립체의 수직방향이 장축을 이루는 형상으로 구성되어 부피팽창을 억제해 주고, X축 및 Y축에 대해서는 젤리-롤형 전극조립체의 권취에 따른 응력에 의해 부피 팽창을 억제해 주는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 또는 금속 또는 고분자 수지의 캔형 케이스에 바람직하게 적용될 수 있다.
한편, 상기에서 정의한 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향은 젤리-롤형 전극조립체의 권취축 방향일 수 있으며, 상기 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향은 권취축 방향에 수직인 권취 방향일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 상대적으로 권취축 방향의 두께에 비해 두껍게 권취되어 전극조립체의 높이에 비해 전극조립체의 폭이 긴 구조로 구성될 수 있다.
이러한 구조는 상호 90도를 이루는 X축, Y축 및 Z축을 포함하는 입체 좌표계에서, 상기 권취축 방향이 Z축이고, 상기 권취 방향이 X축과 Y축으로 표시할 수 있으며, 본 발명의 젤리-롤형 전극조립체는 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축으로서 Z축으로 구성되고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축으로서 X축 또는 Y축 방향으로 구성되어 종래에 상대적으로 부피 팽창 방향이 큰 방향이 Z축이던 구조를 X축 또는 Y축으로 변환하는 구조에 해당한다.
상기 젤리-롤형 전극조립체의 단축 및 장축의 길이는 적용되는 디바이스에 따라 다양하게 형성될 수 있고, 예를 들어, 상기 단축과 장축의 크기 비율(단축: 장축)은 1: 99 내지 40: 60의 범위인 것이 바람직하며, 상세하게는 3: 97 내지 30: 70의 범위, 더욱 상세하게는 5: 95 내지 20: 80의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 단축과 장축의 대한 부피 팽창 비율이 예를 들어, 0.1 : 10 내지 3 : 7 범위일 수 있으며, 상세하게는 1 : 9 내지 2 : 8 범위일 수 있다.
이러한 구조의 젤리-롤형 전극조립체는 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향에 대해서 권취에 따른 응력에 의해 팽창을 최대한 억제하는 구조로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 젤리-롤형 전극조립체의 형상이 평면 상으로 원 형상으로서 전반적인 형상이 원통형 구조로 구성되는 경우, 부피 팽창 방향들이 일종의 방사형으로 형성 되어 권취에 따른 응력에 의해 X축 또는 Y축으로의 부피 팽창 또한 효율적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 양극 및 음극의 권취 개시점 또는 권취 종료점의 단부 부위에 전극 활물질층을 포함하지 않은 무지부들이 형성된 구조일 수 있다.
이러한 무지부에는 양극 탭 또는 음극 탭이 용접 등에 의해 전기적으로 접속된 상태로 장착될 수 있으며, 구체적으로, 양극의 무지부에 권취축 방향으로 접속된 양극 탭과, 음극의 무지부에 권취축 방향으로 접속된 음극 탭이 부착되어 있는 구조일 수 있다.
일반적으로, 종래의 스택형, 스택/폴딩형 또는 와인딩형 구조의 전극조립체의 경우, 전극 집전체로부터 X축 또는 Y축 방향에 위치한 무지부에 노칭 공정을 수행하여 전극 탭들이 돌출되는 형태로 절단하는 구조로 구성되며, 이러한 구조에서는 전극 탭들의 방향이 X축 또는 Y축으로 돌출되는 구조로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체가 종래와 동일한 방향으로 전극 탭들이 돌출되기 위하여 양극 탭 및 음극 탭은 접속 방향을 기준으로 수직 절곡되어 권취 방향으로 돌출된 구조로 구성될 수 있다.
또한, 양극 탭과 음극 탭이 동일한 방향으로 돌출되는 구조일 수 있고, 반대로, 양극 탭이 일측으로 돌출되고, 음극 탭이 양극 탭의 대향측으로 돌출되는 구조로 서로 대향 방향으로 수직 절곡되는 구조일 수 있다.
한편, 젤리-롤형 전극조립체의 구조상 양극 탭 및 음극 탭이 수직 절곡되는 구조에서 전극조립체의 외면과 양극 탭 및 음극 탭이 전기적으로 접촉하여 단락일 발생할 수 있으므로, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체의 외면과 접촉하는 부위에 절연성 보호 코팅층이 부가될 수 있으며, 또는 상기 양극 탭 및 음극 탭은 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체의 외면과 접촉하는 부위에 절연성 보호 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다.
상기의 양극 탭 및 음극 탭이 돌출 구조는 젤리-롤형 전극조립체가 전지케이스 내부에 위치하는 상태에서도 형성이 가능하며, 예를 들어, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 전지케이스의 외면으로 노출되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 구조는 양극 탭 및 음극 탭이 전지케이스에 형성되어 있는 노출구를 통해 외부로 노출되고, 양극 탭 및 음극 탭이 접속 방향을 기준으로 전지케이스의 외면에서 수직 절곡되어 권취 방향으로 돌출된 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전지케이스의 외면에서 양극 탭 및 음극 탭이 노출되어 있는 부위에는 절연성 밀봉 필름이 부착되어 있는 구조로서, 전지케이스 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지하는 구조로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 특히 고용량의 음극 활물질을 사용하여 상대적으로 부피 팽창이 많이 발생하는 전지셀에 바람직하게 적용될 수 있으며, 구체적으로, 음극 활물질로서 실리콘계 활물질, 실리콘-주석계 산화물, 실리콘-탄소계 활물질 및 티타늄계 활물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 전지셀에 바람직하게 적용될 수 있다.
참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있으며, 상기 전지셀은 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 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, 실리콘계 활물질, 실리콘-주석계 산화물, 실리콘-탄소계 활물질 및 티타늄계 활물질 뿐만 아니라 다양한 물질을 포함할 수 있으며, 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 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 젤리-롤형 전극조립체의 구성을 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상으로 구성함으로써, 구조적으로 Z축에 대해서는 부피팽창이 큰 젤리-롤형 전극조립체의 수직방향이 장축을 이루는 형상으로 구성되어 부피팽창을 억제해 주고, X축 및 Y축에 대해서는 젤리-롤형 전극조립체의 권취에 따른 응력에 의해 부피 팽창을 억제해 주는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체에 대해 충전 및 방전시 부피 팽창 방향을 나타내는 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀에 대한 모식도이다;
도 4는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체에 대한 상면도이다;
도 5는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체에서 전극 탭들의 절곡 구조를 나타내는 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀에서 전극 탭들의 절곡 구조를 나타내는 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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀에 대한 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체에 대한 상면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5에는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명에 다른 젤리-롤형 전극조립체(130)는 시트형 집전체의 양면에 양극 활물질 및 음극 활물질을 각각 포함하고 있는 양극(150) 및 음극(160)과 그 사이에 분리막들(171, 172)이 개재되어 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체(130)를 포함하고 있다.
각각의 양극(150) 및 음극(160)은 도 5의 화살표 방향을 기준으로 권취 개시점 또는 권취 종료점의 단부 부위에 전극 활물질층을 포함하지 않은 양극 무지부(151) 및 음극 무지부(152)들이 형성되어 있다.
양극(150)의 양극 무지부(151)에는 권취축 방향으로 접속된 양극 탭(141)과, 음극(160)의 음극 무지부(161)에는 권취축 방향으로 접속된 음극 탭(142)이 부착되어 있는 구조로 구성되어 있다.
다음으로, 도 3 및 4에 도시되어 있는 바와 같이, 젤리-롤형 전극조립체(130)는 젤리-롤형 전극조립체(130)의 외면 형상에 대응하는 크기의 수납부(110)가 형성된 파우치형 전지케이스(120) 내부에 밀봉되어 있으며, 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향인 Z축에 대한 길이가 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향인 X축 또는 Y축에 대한 길이가 장축을 이루는 구조로 구성되며, 젤리-롤형 전극조립체(130)에 전기적으로 접속되어 있는 양극 탭(141) 및 음극 탭(142)이 X축 방향으로 돌출되어 있는 구조로 구성된다.
이때, 젤리-롤형 전극조립체(130) 단축을 전극조립체의 높이(h), 장축을 전극조립체의 폭(w)으로 정의했을 때, 단축과 장축의 크기 비율(h : w)이 20 : 80 범위의 크기를 가지며, 도 4의 상면도를 기준으로 평명상으로 원 형상으로 구성되어 도 3을 기준으로 전반적인 형상이 원통형 구조로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 젤리-롤형 전극조립체(130)의 구성을 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상으로 구성함으로써, 젤리-롤형 전극조립체(130)의 구조적 특성상 z축 방향의 부피 팽창을 억제해주는 효과를 제공하며, 젤리-롤형 전극조립체(130)의 형상이 평면 상으로 원 형상으로서 전반적인 형상이 원통형 구조로 구성되어 X축 또는 Y축에 대한 부피 팽창 방향들이 화살표 방향과 같이 방사형으로 형성 됨으로써, 권취에 따른 응력에 의해 X축 또는 Y축으로의 부피 팽창 또한 효율적으로 억제할 수 있는 효과를 제공한다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체에서 전극 탭들의 절곡 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 도 5와 함께 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(230)는 양극의 양극 무지부에 권취축 방향으로 접속된 양극 탭(241)과, 음극의 음극 무지부에 권취축 방향으로 접속된 음극 탭(242)이 부착되어 있는 구조로 구성되어 있다.
양극 탭(241) 및 음극 탭(242)은 접속 방향을 기준으로 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체(230)의 권취 방향으로 돌출되는 구조로 구성되며, 양극 탭(241) 및 음극 탭(242)은 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체(230) 외면과 접촉하는 부위에 절연성 보호 필름들(281, 282)이 부착되어 있는 구조로 구성되며, 절연성 보호 필름들(281, 282)의 구성은 젤리-롤형 전극조립체(230)와 양극 탭(241), 음극 탭(242)과의 단락 등을 방지하기 위한 구성으로서, 절연성 보호 필름이 아닌 절연성 보호 코팅층을 부가하는 구성 또한 가능함은 물론이다.
도 7을 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀에서 전극 탭들의 절곡 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 도 3과 함께 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(도시하지 않음)는 젤리-롤형 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 크기의 수납부(310)가 형성된 파우치형 전지케이스(320) 내부에 밀봉되어 있으며, 젤리-롤형 전극조립체에 전기적으로 접속되어 있는 양극 탭(341) 및 음극 탭(342)이 전지케이스(320)의 외면으로 노출되어 있는 구조로 구성된다.
노출된 양극 탭(341) 및 음극 탭(342)은 접속 방향을 기준으로 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체의 권취 방향으로 돌출되는 구조로 구성되며, 전지케이스(320)의 외면에서 양극 탭(341) 및 음극 탭(342)이 노출되어 있는 부위에는 절연성 밀봉 필름들(391, 392)이 부착되어 전지케이스(320) 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지하는 구조로 구성된다.
도 6 및 7에서 도시되어 있는 구조는 양극 탭 및 음극 탭이 동일한 방향으로 돌출되어 있는 구조로 도시되어 있으나, 적용되는 디바이스의 구조 및 형태에 따라 양극 탭 및 음극 탭이 서로 대향 방향으로 돌출되어 있는 구조, 평면상으로 서로 수직 방향으로 돌출되어 있는 구조 등도 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 양극/분리막/음극 구조를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체가 전지케이스 내부에 내장된 구조의 전지셀로서,
    상기 양극 및 음극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있고;
    상기 젤리-롤형 전극조립체는, 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향이 단축을 이루고, 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향이 장축을 이루는 형상을 가진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 또는 고분자 수지의 캔형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상대적으로 부피 팽창이 작은 방향은 젤리-롤형 전극조립체의 권취축 방향이고, 상기 상대적으로 부피 팽창이 큰 방향은 권취축 방향에 수직인 권취 방향인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상호 90도를 이루는 X축, Y축 및 Z축을 포함하는 입체 좌표계에서, 상기 권취축 방향은 Z축이고, 상기 권취 방향은 X축과 Y축인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단축과 장축의 크기 비율(단축: 장축)은 1: 99 내지 40: 60의 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 평면 상으로 원 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 권취 개시점 또는 권취 종료점의 단부 부위에 전극 활물질층을 포함하지 않는 무지부들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 양극의 무지부에 권취축 방향으로 접속된 양극 탭과, 음극의 무지부에 권취축 방향으로 접속된 음극 탭이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 접속 방향을 기준으로 수직 절곡되어 권취 방향으로 돌출된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 동일한 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체의 외면과 접촉하는 부위에 절연성 보호 코팅층이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 수직 절곡에 의해 젤리-롤형 전극조립체의 외면과 접촉하는 부위에 절연성 보호 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 전지케이스의 외면으로 노출되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭은 접속 방향을 기준으로 전지케이스의 외면에서 수직 절곡되어 권취 방향으로 돌출된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지케이스의 외면에서 양극 탭 및 음극 탭이 노출되어 있는 부위에는 절연성 밀봉 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로서 실리콘계 활물질, 실리콘-주석계 산화물, 실리콘-탄소계 활물질 및 티타늄계 활물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 21 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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