KR20170030290A - 전극 조립체 및 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극의 비가역을 보상하여 초기 효율을 증대시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전극 조립체는 양극 활물질층이 형성된 양극 코팅부와 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 갖는 양극, 음극 활물질층이 형성된 음극 코팅부와 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부, 상기 음극 무지부에 접합된 리튬부재를 갖는 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 리튬부재는 금속 기재와 상기 금속 기재 상에 형성된 리튬층을 포함한다.

Description

전극 조립체 및 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND LITUIM RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극의 비가역을 보상할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용함에 따라, 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 나타내며, 그 결과 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.
리튬 이차 전지는 일반적으로 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터 및 전해액으로 구성되며, 상기 양극 및 음극은 집전체와 활물질층으로 구성된다.
상기 양극의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-xCoxO2(0 < X < 1)등과 같이 리튬이 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물이 주로 사용된다.
상기 음극의 음극 활물질로는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 사용된다. 그러나 이러한 탄소계 음극 활물질은 비가역 용량이 발생하고, 이 음극의 비가역 용량에 해당하는 리튬이 양극에서 부족하게 되고, 양극의 전위(Li/Li+)가 증가하게 된다. 이러한 양극 전위의 증가는 사이클 수명을 저하시킬 수 있다.
이러한 문제들은 음극의 초기 충전에 대한 초기 방전이 좋지 않은, 즉 초기 방전 효율이 좋지 않기 때문에 발생하는 문제로서, 이러한 비가역 용량 발생 및 초기 방전 효율의 저하는 활물질층의 두께가 증가하거나 고합재인 경우 더욱 심해질 수 있다.
음극의 초기 방전 효율을 증가시키기 위한 방법으로, FMC 사의 안정화된 리튬 금속 분말(stabilized lithium metal powder, SLMP) 또는 안정화된 리튬 금속 분말을 이형 필름에 도포하여 제조한 LMCF(lithium metal carrier film)을 음극에 압연하여 전사하는 방법이 연구되고 있다. 그러나 LMCF를 사용하는 경우에는 솔벤트의 사용에 제약이 발생하는 문제가 있다. 또한, 음극 극판 표면에 리튬 필름을 전사하는 경우에는 충방전 시에 리튬이 석출되는 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 음극의 비가역을 보상하여 초기 효율을 증대시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전극 조립체는 양극 활물질층이 형성된 양극 코팅부와 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 갖는 양극, 음극 활물질층이 형성된 음극 코팅부와 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부, 상기 음극 무지부에 접합된 리튬부재를 갖는 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 리튬부재는 금속 기재와 상기 금속 기재 상에 형성된 리튬층을 포함한다.
여기서 상기 전극 조립체는 상기 음극 무지부에 고정된 음극 탭을 더 포함하고, 상기 음극은 상기 음극 탭과 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 함께 고정하는 제1 용접부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 리튬부재의 일측 단부에는 리튬층이 형성되지 않은 제1 노출부가 형성되고, 상기 음극 탭은 상기 제1 노출부에 용접될 수 있으며, 상기 리튬부재의 타측 단부에는 리튬층이 형성되지 않으며 상기 제1 노출부에서 이격된 제2 노출부가 형성되고, 상기 음극은 제2 노출부에 형성되어 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 고정하는 제2 용접부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 코팅된 리튬 금속을 포함할 수 있으며, 상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 부착된 리튬 금속 필름을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 기재는 구리를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 중심에 위치할 수 있으며, 상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 제일 외측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 음극은 상기 음극 무지부의 제1면에 접합된 제1 리튬부재와 상기 제1 면의 반대방향인 제1 면에 접합된 제2 리튬부재를 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상기 양극 활물질층과 중첩 배치된 활성 영역과 상기 양극 활물질층에서 비켜 배치된 비활성 영역을 포함하고, 상기 리튬부재는 상기 비활성 영역에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 단자를 포함하고, 상기 전극 조립체는 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터, 상기 음극에서 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부에 접합되며 금속 기재와 상기 금속 기재 상에 형성된 리튬층을 포함하는 리튬부재를 포함한다.
여기서, 상기 음극 무지부에 고정된 음극 탭을 더 포함하고, 상기 음극은 상기 음극 탭과 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 함께 고정하는 제1 용접부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 리튬부재의 일측 단부에는 리튬층이 형성되지 않은 제1 노출부가 형성되고, 상기 음극 탭은 상기 제1 노출부에 용접될 수 있으며, 상기 리튬부재의 타측 단부에는 리튬층이 형성되지 않으며 상기 제1 노출부에서 이격된 제2 노출부가 형성되고, 상기 음극은 제2 노출부에 형성되어 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 고정하는 제2 용접부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 코팅된 리튬 금속을 포함할 수 있으며, 상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 부착된 리튬 금속 필름을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 기재는 구리를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 중심에 위치할 수 있으며, 상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 제일 외측에 위치할 수 있다.
상기 음극은 상기 음극 무지부의 일측 면에 접합된 제1 리튬부재와 상기 일측 면의 반대방향인 타측 면에 접합된 제2 리튬부재를 포함할 수 있으며, 상기 양극에는 양극 활물질층이 형성되고, 상기 음극은 상기 양극 활물질층과 중첩 배치된 활성 영역과 상기 양극 활물질층에서 비켜 배치된 비활성 영역을 포함하고, 상기 리튬부재는 상기 비활성 영역에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 음극 무지부에 금속 기재와 리튬층을 포함하는 리튬부재가 설치되므로 리튬의 석출을 최소화하면서 음극의 비가역을 보상하여 이차 전지의 초기 효율을 증대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 부분단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 음극을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬 이차 전지에서 전극 조립체를 펼쳐서 분해하여 본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 전극 조립체를 두께 방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 도시한 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7에서 Ⅷ-Ⅷ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 전극 조립체를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(10)와 케이스(65), 및 캡 플레이트(40)를 포함한다. 이하에서는 각형 전지를 예로써 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 파우치 전지, 리튬 폴리머 전지 등 다양한 이차 전지에 대하여 적용될 수 있다.
전극 조립체(10)는 음극(제1 전극)(12), 양극(제2 전극)(11), 및 음극(12)과 양극(11) 사이에 배치된 세퍼레이터(13)를 포함한다. 음극(12) 및 양극(11)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재한 후 권취되어 젤리-롤 형태가 된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 전극 조립체는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재되도록 차례로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
음극(12)에는 음극 탭(제1 탭)(51)이 고정 설치되고, 양극(11)에는 양극 탭(제2 탭)(52)이 고정 설치된다. 양극 탭(52)과 음극 탭(51)은 권회축과 평행하도록 배치되고, 전극 조립체(10)에서 레이어가 노출된 단면부에서 돌출되도록 설치된다. 양극 탭(52)과 음극 탭(51)은 케이스(65)에서 개구부(65a)가 형성된 방향으로 돌출되며, 소정 거리 이격되도록 배치되어 전기적으로 절연된다.
양극 탭(52)은 니켈, 알루미늄과 같은 전기 전도성 재질로 이루어지며, 캡 플레이트(40)에 전기적으로 연결된다. 음극 탭(51)은 니켈, 구리와 같은 전기 전도성 재질로 이루어지며, 단자(45)와 전기적으로 연결된다.
케이스(65)는 상단에 개구부(65a)가 형성되어 전극 조립체(10)를 수용한다. 케이스(65)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액이 수용되는 공간을 제공하며, 양극 탭(52)과 전기적으로 연결된다. 케이스(65)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 금속 딥 드로잉(deep drawing)과 같은 방법으로 가공하여 제작될 수 있다.
캡 플레이트(40)는 케이스(65)의 개구부(65a)에 결합되어 케이스(65)를 밀폐하며 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 전기 전도성 금속 재질로 이루어진다. 캡 플레이트(40)의 하면에는 양극 탭(52)이 용접으로 접합되어, 캡 플레이트(40)는 양극으로 대전된다.
전극 조립체(10)와 캡 플레이트(40) 사이에는 절연 케이스(63)가 설치된다. 절연 케이스(63)는 베이스(63a)와 베이스(63a)의 측단에서 돌출된 측벽(63b)을 포함한다. 베이스(63a)는 판 형상으로 이루어지며, 베이스(63a)에는 양극 탭(52)이 관통하는 제1 탭 홀(63c)과 음극 탭(51)이 관통하는 제2 탭 홀(63d)이 형성되어 있다. 측벽(63b)은 베이스(63a)의 둘레를 따라 이어져 형성된다.
단자(45)는 캡 플레이트(40)의 중앙에 위치하며, 캡 플레이트(40)에 형성된 단자 홀(41)을 관통하여 설치된다. 단자(45)는 절연 개스킷(46)을 매개로 캡 플레이트(40)에 설치되며 절연 개스킷(46)은 단자(45)의 둘레를 감싸면서 단자(45)와 캡 플레이트(40)를 전기적으로 절연한다.
캡 플레이트(40)에는 케이스(65)에 전해액을 주입하는 통로인 전해액 주입공(42)이 마련되는데, 전해액 주입공(42)에는 마개(43)가 삽입 설치되어 전해액 주입공(42)을 폐쇄한다.
단자(45)는 캡 플레이트(40)와 접속 플레이트(62)를 관통하도록 설치되는데, 접속 플레이트(62)는 케이스(65)의 내부에서 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(40) 사이에 배치된다. 접속 플레이트(62)는 판 형상으로 이루어지며, 접속 플레이트(62)에는 단자(45)가 관통하는 단자 홀(62a)이 형성된다.
단자(45)는 캡 플레이트(40)와 접속 플레이트(62)를 관통하도록 설치된 상태에서 리벳팅에 의하여 캡 플레이트(40)와 접속 플레이트(62)에 고정된다. 음극 탭(51)은 접속 플레이트(62)에 용접으로 고정되며 이에 따라 단자(45)는 접속 플레이트(62)와 음극 탭(51)을 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다.
캡 플레이트(40)와 접속 플레이트(62) 사이에는 접속 플레이트(62)를 캡 플레이트(40)에 대하여 절연하는 절연 플레이트(61)가 설치된다. 절연 플레이트(61)는 전기적인 절연성을 갖는 판으로 이루어지며, 캡 플레이트(40)와 평행하게 배치된다. 절연 플레이트(61)에는 단자(45)가 관통하는 단자 홀(61a)이 형성된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 음극을 도시한 사시도이고 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬 이차 전지에서 전극 조립체를 펼쳐서 분해하여 본 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 음극(12)은 음극 집전체(121)와 음극 집전체(121)의 양면에 형성된 음극 활물질층(122)을 포함한다. 또한 음극(12)은 음극 활물질층(122)이 형성된 음극 코팅부(12a)와 음극 활물질층(122)이 형성되지 않고 음극 집전체(121)가 노출된 음극 무지부(12b)를 갖는다.
음극 집전체(121)로는 구리 박판, 니켈 박판, 스테인레스강 박판, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 집전체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
음극 활물질층(122)은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다. 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.
리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si, Si-C 복합체, SiOx(0 < x < 2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 21족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 21족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Q 및 R로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 또는 리튬 티타늄 산화물 등을 들 수 있다. 음극 활물질층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다.
바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 한다. 바인더로는 비수용성 바인더, 수용성 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
양극(11)은 양극 집전체(111)와 양극 집전체(111)의 양면에 형성된 양극 활물질층(112)을 포함한다. 또한 양극(11)은 양극 활물질층(112)이 형성된 양극 코팅부(11a)와 양극 활물질층(112)이 형성되지 않고 양극 집전체(111)가 노출된 양극 무지부(11b)를 갖는다.
양극 집전체(111)로는 Al을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 활물질층(112)으로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
양극 활물질층(112)은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다. 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 음극은 음극 무지부(12b)에 부착된 리튬부재(21)를 더 포함한다. 리튬부재(21)는 박판으로 이루어진 금속 기재(211)와 금속 기재(211) 상에 형성된 리튬층(212)을 포함한다.
금속 기재(211)는 음극 집전체(121)와 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 구리를 포함할 수 있다. 리튬층(212)은 금속 기재에 코팅된 리튬 금속으로 이루어질 수 있으며, 리튬층(212)은 금속 기재 상에 부착된 리튬 금속 필름으로 이루어질 수도 있다. 또한 리튬층(212)은 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
리튬부재(21)는 리튬층(212)이 형성되지 않은 노출부(21a)를 포함하고, 노출부(21a)에는 음극 탭(51)이 용접으로 접합된다. 음극(12)은 음극 탭(51)과 음극(12)을 고정하는 용접부(31)를 포함하는데, 용접부(31)는 음극 탭(51)과 리튬부재(21)를 음극 무지부(12b)에 함께 고정한다. 이를 위해서 용접부(31)는 음극 탭(51)에서 음극 무지부(12b)까지 이어져 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 음극(12)은 양극 코팅부(11a)와 마주하는 활성 영역(AA)과 양극 코팅부(11a)와 마주하지 않는 비활성 영역(IA)을 포함한다. 활성 영역(AA)은 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 양극(11)과 적층될 때 양극 코팅부(11a)와 중첩되는 영역이 되며, 비활성 영역(IA)은 양극 코팅부(11a)에서 비켜 배치되어 중첩되지 않는 영역이다. 리튬부재(21)는 비활성 영역(IA)에서 음극(12)에 용접으로 접합되어 있다.
리튬부재(21)가 양극 코팅부(11a)와 대면하는 활성 영역(AA)에 위치하는 경우 리튬이 석출될 우려가 있기에, 리튬부재(21)는 비활성 영역(IA)에 위치한다. 리튬부재(21)가 비활성 영역(IA)인 음극 무지부(12b)에 부착되면 이차 전지의 초기 효율을 상승시킬 수 있다. 따라서 이차 전지는 초기 효율 상승을 통하여 용량 및 에너지 밀도를 상승시킬 수 있다. 예를 들면, 리튬부재(21)는 활성 영역(AA)의 말단으로부터 0.1mm 이상의 간격으로 이격되어 위치할 수 있다. 또한 리튬부재(21)는 활성 영역(AA)의 말단으로부터 0.1mm 내지 10cm의 간격으로 이격되어 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 전극 조립체를 두께 방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 양극 무지부(11b)에는 양극 탭(52)이 접합되며 양극 무지부(11b)와 음극 무지부(12b)는 전극 조립체(10)를 형성하기 위해서 양극(11)과 음극(12)을 권취할 때 권취되는 양극(11) 및 음극(12)의 길이방향 권취 선단에 위치할 수 있다. 이에 따라 리튬부재(21)는 전극 조립체(10)의 중심에 위치하게 된다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 양극 무지부(11b)와 음극 무지부(12b)는 권취 종단에 위치하거나, 양극 무지부(11b)와 음극 무지부(12b) 중 어느 하나는 권취 선단에 위치하고 다른 하나는 귄취 종단에 위치할 수도 있다. 양극 탭(52)과 음극 탭(51)은 전극 조립체(10)의 동일 측면으로 인출되어 각각 배치된다. 도시하지 않았지만, 양극 탭(52)과 음극 탭(51)은 전극 조립체(10)의 서로 반대 측면으로 각각 배치될 수도 있다.
이하 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지에 대하여 설명한다. 본 제2 실시예에 따른 이차 전지는 음극을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 도시한 부분 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제2 실시예에 따른 이차 전지의 음극(71)은 음극 집전체(711)와 음극 집전체(711)에 도포된 음극 활물질층(712)을 포함한다. 또한 음극(71)은 음극 활물질층(712)이 형성된 음극 코팅부(71a)와 음극 활물질층(712)이 형성되지 않고 음극 집전체(711)가 노출된 음극 무지부(71b)를 포함한다. 음극 무지부(71b)는 음극(71)의 길이방향 단부에 위치한다.
또한, 음극(71)은 제1 리튬부재(23)와 제2 리튬부재(24)를 포함한다. 제1 리튬부재(23)는 박판으로 이루어진 금속 기재(231)와 금속 기재 상에 코팅된 리튬층(232)을 포함하며, 제2 리튬부재(24)도 박판으로 이루어진 금속 기재(241)와 금속 기재(241) 상에 코팅된 리튬층(242)을 포함한다. 여기서 리튬층(232, 242)은 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
제1 리튬부재(23)는 음극 무지부(71b)의 일측 면에 부착되고, 제2 리튬부재(24)는 음극 무지부(71b)의 타측 면에 부착된다. 여기서 일측 면과 타측 면은 서로 반대 방향을 향하는 면이다.
제1 리튬부재(23)의 한 쪽 단부에는 리튬층(232)이 형성되지 않아 금속 기재(231)가 노출된 노출부(23a)가 형성되고, 제2 리튬부재(24)의 한 쪽 단부에도 리튬층(242)이 형성되지 않아 금속 기재(241)가 노출된 노출부(24a)가 형성된다. 제1 리튬부재(23)의 노출부(23a)와 제2 리튬부재(24)의 노출부(24a)는 대응되는 위치에서 음극 집전체(711)를 사이에 두고 서로 중첩되게 배치된다. 제1 리튬부재(23) 상에는 음극 탭(51)이 설치되며, 음극 탭(51)은 제1 리튬부재(23)의 노출부(23a)에 접합된다.
음극(71)은 음극 탭(51)을 음극 집전체(711)에 고정하는 용접부(32)를 포함하는데, 용접부(32)는 음극 탭(51), 제1 리튬부재(23), 및 제2 리튬부재(24)를 함께 음극 무지부(71b)에 고정된다. 이를 위해서 용접부(32)는 음극 탭(51)에서 제2 리튬부재(24)까지 이어져 형성된다.
이하 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지에 대하여 설명한다. 본 제3 실시예에 따른 이차 전지는 음극을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7에서 Ⅷ-Ⅷ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제3 실시예에 따른 이차 전지의 음극(72)은 음극 집전체(721)와 음극 집전체(721)에 도포된 음극 활물질층(722)을 포함한다. 또한 음극(72)은 음극 활물질층(722)이 형성된 음극 코팅부(72a)와 음극 활물질층(722)이 형성되지 않은 음극 무지부(72b)를 포함한다. 음극 무지부(72b)는 음극(72)의 길이방향 단부에 위치한다.
음극(72)은 리튬부재(25)를 더 포함하는데, 리튬부재(25)는 금속 기재(251)와 금속 기재(251) 상에 코팅된 리튬층(252)을 포함하며, 금속 기재(251)는 구리를 포함할 수 있고, 리튬층(252)은 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
리튬부재(25)의 한 쪽 단부에는 리튬층(252)이 형성되지 않아 금속 기재(251)가 노출된 제1 노출부(25a)가 형성되고, 리튬부재(25)의 다른 쪽 단부에는 리튬층(252)이 형성되지 않아 금속 기재(251)가 노출된 제2 노출부(25b)가 형성된다. 제1 노출부(25a)와 제2 노출부(25b)는 음극(72)의 길이방향으로 이격 배치되어 있다. 제1 노출부(25a)에는 음극 탭(51)이 접합되는데, 음극(72)은 제1 노출부(25a)에 형성된 제1 용접부(33)와 제2 노출부(25b)에 형성된 제2 용접부(34)를 포함한다.
제1 용접부(33)는 음극 탭(51)에서 음극 무지부(72b)까지 이어져 음극 탭(51)과 리튬부재(25)를 음극 무지부(72b)에 고정한다. 또한, 제2 용접부(34)는 리튬부재(25)에서 음극 무지부(72b)까지 이어져 리튬부재(25)를 음극 무지부(72b)에 고정한다. 본 제3 실시예와 같이 제1 용접부(33)와 제2 용접부(34)가 형성되면 리튬부재(25)가 음극(72)에 보다 안정적으로 고정될 수 있다.
이하 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지에 대하여 설명한다. 본 제4 실시예에 따른 이차 전지는 음극을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 음극을 도시한 단면도이다. 도 9를 참조하면, 제4 실시예에 따른 이차 전지의 음극(73)은 음극 집전체(731)와 음극 집전체(731)에 도포된 음극 활물질층(732)을 포함한다. 또한 음극(73)은 음극 활물질층(732)이 형성된 음극 코팅부(73a)와 음극 활물질층(732)이 형성되지 않은 음극 무지부(73b)를 포함한다. 음극 무지부(73b)는 음극(73)의 길이방향 단부에 위치한다.
또한, 음극(73)은 제1 리튬부재(26)와 제2 리튬부재(27)를 포함한다. 제1 리튬부재(26)는 박판으로 이루어진 금속 기재(261)와 금속 기재(261) 상에 코팅된 리튬층(262)을 포함하며, 제2 리튬부재(27)도 박판으로 이루어진 금속 기재(271)와 금속 기재(271) 상에 코팅된 리튬층(272)을 포함한다. 여기서 리튬층(262, 272)은 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
제1 리튬부재(26)는 음극 무지부(73b)의 일측 면에 부착되고, 제2 리튬부재(27)는 음극 무지부(73b)의 타측 면에 부착된다. 여기서 일측 면과 타측 면은 서로 반대 방향을 향하는 면이다.
제1 리튬부재(26)의 한 쪽 단부에는 리튬층(262)이 형성되지 않아 금속 기재(261)가 노출된 제1 노출부(26a)가 형성되고, 제1 리튬부재(26)의 다른 쪽 단부에는 리튬층(262)이 형성되지 않아 금속 기재(261)가 노출된 제2 노출부(26b)가 형성된다. 제1 노출부(26a)와 제2 노출부(26b)는 음극(73)의 길이방향으로 이격 배치될 수 있다. 또한, 제2 리튬부재(27)의 한 쪽 단부에는 리튬층(272)이 형성되지 않아 금속 기재(271)가 노출된 제3 노출부(27a)가 형성되고, 제2 리튬부재(27)의 다른 쪽 단부에는 리튬층(272)이 형성되지 않아 금속 기재(271)가 노출된 제4 노출부(27b)가 형성된다. 제3 노출부(27a)와 제4 노출부(27b)는 음극(73)의 길이방향으로 이격 배치되어 있다.
제1 노출부(26a)와 제3 노출부(27a)는 대응되는 위치에서 중첩 배치되며, 제2 노출부(26b)와 제4 노출부(27b)도 대응되는 위치에서 중첩 배치된다. 제1 노출부(26a) 상에는 음극 탭(51)이 접합되는데, 음극(73)은 제1 노출부(26a)에 형성된 제1 용접부(35)와 제2 노출부(26b)에 형성된 제2 용접부(36)를 포함한다. 제1 용접부(35)는 음극 탭(51)에서 제3 노출부(27a)까지 이어져 음극 탭(51), 제1 리튬부재(26), 및 제2 리튬부재(27)를 음극 무지부(73b)에 고정한다. 또한, 제2 용접부(36)는 제2 노출부(26b)에서 제4 노출부(27b)까지 이어져 제1 리튬부재(26)와 제2 리튬부재(27)를 음극 무지부(73b)에 고정한다.
이하 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지에 대하여 설명한다. 본 제5 실시예에 따른 이차 전지는 리튬부재의 설치 위치를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체를 도시한 사시도이다. 도 10을 참조하여 설명하면, 본 제5 실시예에 따른 전극 조립체(80)는 양극(81), 음극(82), 및 양극(81)과 음극(82) 사이에 배치된 세퍼레이터(83)를 포함한다.
음극(82)은 리튬부재(28)를 포함하는데, 리튬부재(28)는 음극(82)에 용접으로 접합되어 있다. 리튬부재(28)는 음극(82)의 길이방향 단부에 접합되는데, 리튬부재(28)는 권취된 전극 조립체(80)의 제일 외측에 위치한다. 리튬부재(28)에는 음극 탭(53)이 용접으로 설치되며 이에 따라 음극 탭(53)도 전극 조립체(80)의 제일 외측에 위치하게 된다. 한편, 양극 탭(54)은 전극 조립체(80)의 내측 중심에서 양극(81)에 접합되어 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 이차 전지 10, 80: 전극 조립체
11, 82: 양극 111: 양극 집전체
112: 양극 활물질층 11a: 양극 코팅부
11b: 양극 무지부 12, 71, 72, 73, 82: 음극
121, 711, 721, 731: 음극 집전체
122, 712, 722, 732: 음극 활물질층
12a, 71a, 72a, 73a: 음극 코팅부
12b, 71b, 72b, 73b: 음극 무지부
13, 83: 세퍼레이터 21, 25, 28: 리튬부재
211, 231, 241, 251, 261, 271: 금속 기재
212, 232, 242, 252, 262, 272: 리튬층
21a, 23a, 24a: 노출부 23, 26: 제1 리튬부재
24, 27: 제2 리튬부재 25a, 26a: 제1 노출부
25b, 2b: 제2 노출부 27a: 제3 노출부
27b: 제4 노출부 31, 32: 용접부
33, 35: 제1 용접부 34, 36: 제2 용접부
40: 캡 플레이트 41: 단자 홀
42: 전해액 주입공 43: 마개
45: 단자 46: 절연 개스킷
51, 53: 음극 탭 52, 54: 양극 탭
61: 절연 플레이트 61a: 단자 홀
62: 접속 플레이트 62a: 단자 홀
63: 절연 케이스 63a: 베이스
63b: 측벽 63c: 제1 탭 홀
63d: 제2 탭 홀 65: 케이스
65a: 개구부

Claims (22)

  1. 양극 활물질층이 형성된 양극 코팅부와 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 갖는 양극;
    음극 활물질층이 형성된 음극 코팅부와 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부, 상기 음극 무지부에 접합된 리튬부재를 갖는 음극;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터;
    를 포함하고,
    상기 리튬부재는 금속 기재와 상기 금속 기재 상에 형성된 리튬층을 포함하는 전극 조립체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 음극 무지부에 고정된 음극 탭을 더 포함하고, 상기 음극은 상기 음극 탭과 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 함께 고정하는 제1 용접부를 더 포함하는 전극 조립체.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 리튬부재의 일측 단부에는 리튬층이 형성되지 않은 제1 노출부가 형성되고, 상기 음극 탭은 상기 제1 노출부에 용접된 전극 조립체
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 리튬부재의 타측 단부에는 리튬층이 형성되지 않으며 상기 제1 노출부에서 이격된 제2 노출부가 형성되고, 상기 음극은 제2 노출부에 형성되어 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 고정하는 제2 용접부를 더 포함하는 전극 조립체.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 코팅된 리튬 금속을 포함하는 전극 조립체.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 부착된 리튬 금속 필름을 포함하는 전극 조립체.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 기재는 구리를 포함하는 전극 조립체.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 중심에 위치하는 전극 조립체.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 제일 외측에 위치하는 전극 조립체.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 음극은 상기 음극 무지부의 제1면에 접합된 제1 리튬부재와 상기 제1 면의 반대방향인 제1 면에 접합된 제2 리튬부재를 포함하는 전극 조립체.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 음극은 상기 양극 활물질층과 중첩 배치된 활성 영역과 상기 양극 활물질층에서 비켜 배치된 비활성 영역을 포함하고, 상기 리튬부재는 상기 비활성 영역에 위치하는 전극 조립체.
  12. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 단자;를 포함하고,
    상기 전극 조립체는 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 음극에서 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부에 접합되며 금속 기재와 상기 금속 기재 상에 형성된 리튬층을 포함하는 리튬부재를 포함하는 이차 전지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 음극 무지부에 고정된 음극 탭을 더 포함하고, 상기 음극은 상기 음극 탭과 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 함께 고정하는 제1 용접부를 더 포함하는 이차 전지.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 리튬부재의 일측 단부에는 리튬층이 형성되지 않은 제1 노출부가 형성되고, 상기 음극 탭은 상기 제1 노출부에 용접된 이차 전지.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 리튬부재의 타측 단부에는 리튬층이 형성되지 않으며 상기 제1 노출부에서 이격된 제2 노출부가 형성되고, 상기 음극은 제2 노출부에 형성되어 상기 리튬부재를 상기 음극 무지부에 고정하는 제2 용접부를 더 포함하는 이차 전지.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 코팅된 리튬 금속을 포함하는 이차 전지
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 리튬층은 상기 금속 기재 상에 부착된 리튬 금속 필름을 포함하는 이차 전지.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 금속 기재는 구리를 포함하는 이차 전지.
  19. 제12 항에 있어서,
    상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 중심에 위치하는 이차 전지.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터는 적층된 상태에서 권취된 구조로 이루어지고, 상기 리튬부재는 권취된 전극 조립체의 제일 외측에 위치하는 이차 전지.
  21. 제12 항에 있어서,
    상기 음극은 상기 음극 무지부의 일측 면에 접합된 제1 리튬부재와 상기 일측 면의 반대방향인 타측 면에 접합된 제2 리튬부재를 포함하는 이차 전지.
  22. 제12 항에 있어서,
    상기 양극에는 양극 활물질층이 형성되고, 상기 음극은 상기 양극 활물질층과 중첩 배치된 활성 영역과 상기 양극 활물질층에서 비켜 배치된 비활성 영역을 포함하고, 상기 리튬부재는 상기 비활성 영역에 위치하는 이차 전지.
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