KR20170030791A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 양극, 분리막 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 집전체의 양면에 제1 활물질 및 제2 활물질이 각각 코팅된 코팅층을 포함하는 전극이고, 상기 제1 활물질 코팅층과 제2 활물질 코팅층의 로딩양은 1: 1.25 내지 10인 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층이 상이한 로딩양을 가짐으로써, 외부에서 물리적인 힘을 받지 않고서도, 충전되면서 활물질의 부피 팽창 정도의 차이로 인해 자체적으로 휘어진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 종래의 휘어진 형상의 이차전지 제조방법에서의 가압 공정을 생략할 수 있고, 외부로부터의 가압 상태에서 발생할 수 있는 양극, 음극 및 분리막의 파괴 및 이에 의한 단락문제를 해결할 수 있으며 양품률을 향상시킬 수 있다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는, 소비자의 취향에 따라 전자 디바이스가 점점 소형화, 박형화 되어 가고 있는 추세이므로, 불필요한 공간 낭비를 최소화하기 위해서는 전지의 형상 역시 소형화, 박형화가 요구되고 있다. 따라서, 전지의 형상을 디바이스의 형상에 따라 다양하게 구현함과 동시에 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 활용할 필요가 있다.
특히, 최근에는 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고 있으므로 종래 생산성 등을 고려한 평면형 디자인에서 탈피하여 다양한 형태의 디자인이 설계되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 노트북 등과 같은 디바이스는 인체공학적인 설계를 위해 곡면을 갖는 디자인으로 설계될 수 있다.
이와 같이, 외면에 곡면이 형성되어 있는 형태의 디자인이 다수 개발되어 실용화될 수도 있으나, 제품화되어 있는 전지는 거의 대부분이 평면 형태이므로 불필요한 공간 낭비가 초래되고, 이러한 공간으로 인하여 전지의 안정적인 장착이 어려워 외부 충격에 의해 유동됨으로써 전지가 손상될 수도 있는 문제가 발생한다.
따라서, 디바이스에서 전지가 장착될 위치에 곡면이 형성되어 있는 경우에, 그러한 디바이스에 안정적으로 장착될 수 있도록 해당 부분에 대응하여 휘어져 있는 곡면을 갖는 전지가 요청되고 있다.
한편, 곡면이 형성되어 있는 이차전지와 관련된 종래 기술로서 대한민국 등록특허 10-1161136호에 휘어진 형상의 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩이 개시되어 있다. 구체적으로는 곡률 반경(R)로 휘어진 전지 셀을 제조하는 방법으로서, 상기 곡률 반경(R)은 50 mm 내지 150 mm의 범위이며, (a) 가변적인 셀 케이스에 전극 조립체를 장착하고 전해액을 주입한 상태에서 밀봉하여 직립형 전지 셀을 제조하고, 초기 충방전을 수행하는 과정; (b) 상기 곡률 반경(R)보다 작은 곡률 반경(r)의 휘어진 전지 셀 형상이 각인되어 있는 상하 분리형의 지그에 상기 직립형 전지 셀을 장착한 후 가압하는 과정; 및 (c) 상기 지그를 형개하여 전지 셀을 취출한 후, 절곡 상태가 부분적으로 회복되어 곡률 반경(R)이 만들어질 수 있도록 소정 시간 동안 정치하는 과정;을 포함하는 것으로 구성된 전지 셀의 제조방법을 제공한다.
그러나, 상기와 같이 외부에서 물리적 힘을 가하여 휘어진 형상의 전지 셀을 제조하면, 활물질이나 분리막 등이 손상되는 문제점이 있다.
따라서, 전지 셀의 손상 없이 휘어진 형상의 배터리를 제조할 수 있는 전극 조립체의 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허 10-1382554호
본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 활물질이나 분리막의 손상이 최소화된 곡선 형상으로 휘어져 있는 이차전지를 제조할 수 있는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 전극 조립체를 포함하는 이차전지, 전지 팩 및 소형 모바일 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양극, 분리막 및 음극을 포함하고,
상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 집전체의 양면에 제1 활물질 및 제2 활물질이 각각 코팅된 코팅층을 포함하는 전극이고, 상기 제1 활물질 코팅층과 제2 활물질 코팅층의 로딩양은 1: 1.25 내지 10인 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체를 포함하며, 곡선 형상으로 휘어져 있는 이차전지, 상기 이차전지가, 상기 이차전지와 유사한 곡선 형상으로 휘어져 있는 팩 케이스에 내장되어 있는 전지 팩 및 상기 전지 팩을 포함하는 소형 모바일 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층이 상이한 로딩양을 가짐으로써, 외부에서 물리적인 힘을 받지 않고서도, 충전되면서 활물질의 부피 팽창 정도의 차이로 인해 자체적으로 휘어진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 종래의 휘어진 형상의 이차전지 제조방법에서의 가압 공정을 생략할 수 있고, 외부로부터의 가압 상태에서 발생할 수 있는 양극, 음극 및 분리막의 파괴 및 이에 의한 단락문제를 해결할 수 있으며 양품률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 충전 전/후를 나타낸 전극 조립체의 횡단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체가 곡선 형상으로 휘어졌을 때의 R1 및 R2를 나타낸 집전체의 횡단면 모식도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
종래의 휘어진 형상의 이차전지는 가압 공정과 같은 외부에서의 물리적 힘을 가하여 제조됨으로써, 양극, 음극 및 분리막의 파괴 및 이에 의한 단락문제가 발생하는 부작용이 발생하였다.
이에, 본 발명에서는 종래 휘어진 형상의 이차전지의 높은 불량률을 해결할 수 있는 전극 조립체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 양극, 분리막 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 집전체의 양면에 제1 활물질 및 제2 활물질이 각각 코팅된 코팅층을 포함하는 전극이고, 상기 제1 활물질 코팅층과 제2 활물질 코팅층의 로딩양은 1: 1.25 내지 10인 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체일 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체의 모식도를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조하여 본 발명의 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체를 상세히 설명한다.
본 발명의 전극 조립체는 집전체의 양면에 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층을 포함한다. 이때, 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층의 로딩양이 상이하고, 전지의 충전 시 로딩양이 더 높은 제2 활물질 코팅층의 부피 팽창이 제1 활물질 코팅층의 부피 팽창보다 더 심하다. 따라서, 제2 활물질이 코팅된 면이 볼록하도록 전극 조립체가 휘어지게 된다. 결국, 본 발명의 전극 조립체는 외부에서 물리적인 힘을 받지 않고서도, 전지의 충전에 의해서 자체적으로 휘어진 형태를 가진 전극 조립체를 얻을 수 있다.
집전체 및 집전체의 양면에 각각 상이한 양으로 도포된 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층은 양극에만 포함될 수도 있고, 음극에만 포함될 수도 있으며, 양극 및 음극 모두에 포함될 수도 있다. 만약, 양극 및 음극 모두 상기 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층을 포함하는 경우에는, 보통 음극 활물질의 부피 변화가 양극 활물질에 비해 크기 때문에, 음극 내의 제2 활물질이 코팅된 면이 볼록하도록 전극 조립체가 휘어질 수 있다.
상기 제1 활물질 코팅층과 제2 활물질 코팅층의 로딩양은 1: 1.25 내지 10일 수 있고, 바람직하게는 1: 2 내지 5일 수 있다. 이때, 로딩양이란 단위 면적당 활물질이 코팅된 무게를 의미한다. 제2 활물질 코팅층의 양이 제1 활물질 코팅층에 비해 많기 때문에, 부피 팽창이 더욱 많이 일어나고, 따라서 제2 활물질이 코팅된 면이 볼록하도록 전극 조립체가 휘어질 수 있다.
만약, 상기 제2 활물질 코팅층의 로딩양이 제1 활물질 코팅층의 로딩양에 비해 1.25 배 미만인 경우에는, 부피 팽창의 차이 정도가 집전체를 휘어지게 할 정도로 심하지 않으므로 휘어진 이차전지를 제조할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 제2 활물질 코팅층의 로딩양이 제1 활물질 코팅층의 로딩양에 비해 10 배 초과인 경우에는 과도한 부피 팽창의 차이로 인해 분리막이 비틀어지거나, 활물질을 완전히 커버할 수 없어 제조된 이차전지에 단락문제가 발생할 수 있다.
특히, 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체의 경우에는 권취형 전극 조립체에 비하여 많은 양의 활물질을 로딩할 수 있기 때문에, 고로딩의 전극 조립체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 양극에 포함되는 상기 제1 활물질 및 제2 활물질 중 하나 이상은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물 및 리튬 코발트-니켈-망간 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로는, 충전 시 부피 팽창의 폭이 넓은 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 코발트-니켈-망간 산화물을 사용할 수 있다.
상기 음극에 포함되는 상기 제1 활물질 및 제2 활물질 중 하나 이상은 실리콘계 물질, 탄소계 물질 및 실리콘-탄소계 복합 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 구체적으로는, 충전 시 부피 팽창의 폭이 넓은 실리콘계 물질을 사용할 수 있고, 더욱 구체적으로는 Si, SiOx(0.03≤x≤2) 및 Si-Z 합금(여기서, 상기 Z는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 상기 양극 및 음극에 사용되는 활물질의 종류가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분리막의 두께는 5 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6 내지 30 ㎛일 수 있다. 만약, 상기 집전체의 두께가 6 ㎛ 미만인 경우에는 제조된 이차 전지의 강도가 저하하는 문제점이 발생할 수 있고, 30 ㎛를 초과하는 경우에는 이차전지가 잘 휘어지지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 구체적으로, 음극으로는 6 내지 20 ㎛의 구리 호일, 양극으로는 8 내지 30 ㎛의 알루미늄 호일을 사용할 수 있다.
상기 분리막, 집전체, 제1 및 제2 양극 활물질 층, 제1 및 제2 음극 활물질 층의 두께가 상기 범위인 경우, 본 발명에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지의 휘어짐이 용이하게 발현되면서도, 이차 전지의 성능이 우수한 효과가 있다.
상기 분리막은 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있고, 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있으나, 상기 분리막의 종류가 이에 제한되는 것은 아니며, 활물질의 부피 팽창에 따른 휘어짐을 수용할 수 있을 정도로 가변성이 있는 분리막을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 양극 및 음극의 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있고, 구체적으로, 양극 집전체로는 알루미늄, 음극 집전체로는 구리를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 활물질의 부피 팽창에 따라 가변할 수 있는 금속 또는 금속 복합체를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 전극 조립체는 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체으로, 전극을 일정한 모양으로 잘라서 적층한 것일 수 있다. 상기 전극 조립체는 순차적으로 양극, 분리막, 및 음극이 위치되는 풀셀(full cell)을 기본 단위로 하여 중첩될 수 있고, 상기 풀셀의 중첩부 각각에 분리 필름이 개재된 것일 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 위치되는 바이셀(bicell) 또는 음극, 분리막, 양극, 분리막 및 음극이 위치되는 바이셀을 기본 단위로 중첩될 수 있고, 상기 바이셀의 중첩부 각각에는 분리 필름이 개재된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 상기 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체를 포함하며 곡선 형상으로 휘어져 있는 것일 수 있다.
상기 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체는 집전체를 중심으로 하였을 때, 양쪽 면의 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층의 로딩양이 상이하기 때문에, 상기 전극 조립체를 포함하는 이차전지는 높은 로딩양을 가진 제2 활물질이 코팅된 면이 볼록하도록 휘어진 형태를 가질 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 전극 조립체 내의 집전체의 횡단면에서, R1이 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 중심점으로부터 상기 집전체 상에 있는 양 말단 사이의 거리의 중심점까지의 최단 거리이고, R2가 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 절반일 때, R2/R1이 1 내지 20일 수 있고, 구체적으로는 1 내지 5일 수 있다.
만약, R2/R1가 1 미만인 경우에는 이차전지의 곡률이 너무 커져서 단락 문제가 발생할 수 있고, 20 초과인 경우에는 휘어짐의 정도가 미미하여 곡선 형태의 장치에 응용할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가변적인 셀 케이스에 제1항의 전극 조립체를 장착하고 전해액을 주입하여 전지 셀을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 전지 셀을 충전하는 단계(단계 2);를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 가변적인 셀 케이스에 제1항의 전극 조립체를 장착하고 전해액을 주입하여 전지 셀을 제조하는 단계이다.
제1항의 전극 조립체는 상이한 로딩양의 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층이 집전체를 중심으로 양면에 형성되어 있어서, 후속 충전 공정을 통해 부피 팽창의 차이로 인해 제2 활물질이 코팅된 면이 볼록하도록 곡선 형태가 될 수 있다.
상기 가변적인 셀 케이스는 금속 캔 또는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 활물질의 부피 팽창에 따라 가변할 수 있는 금속 또는 수지를 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다. 상기 전해액은 N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시프랑(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 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1에서 제조된 전지 셀을 지그에 장착한 후 가압하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 충전을 수행하여 전지 셀의 휘어짐을 발생시키기 전에, 미리 전지 셀에 종래의 휘어진 형상의 이차전지 제조방법과 같은 물리적인 압력을 미량 가하여 약간의 휘어짐을 부여한 후, 충전을 수행할 수 있다. 이와 같은 단계를 추가함으로써, 최종 제조되는 이차전지는 가압하는 단계를 수행하지 않은 경우에 비하여 덜 휘어지거나, 더 휘어짐으로써 가변 정도를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 전지 셀을 충전하는 단계이다. 상기 단계 1에서 제조된 전지 셀은, 충전되면서 전지 셀 내의 제1 활물질 코팅층 및 제2 활물질 코팅층이 부피 팽창을 하고, 이때 활물질의 로딩양이 다르기 때문에 부피 팽창의 정도도 상이하여 제2 활물질이 코팅된 면이 볼록하도록 전지 셀 자체에 휘어짐이 발생할 수 있다.
상기 전지 셀의 충전은, 상기 전극 조립체 내의 집전체의 횡단면에서, R1이 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 중심점으로부터 상기 집전체 상에 있는 양 말단 사이의 거리의 중심점까지의 최단 거리이고, R2가 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 절반일 때, R2/R1이 0 초과가 될 때까지, 구체적으로는 1 ≤ R2/R1 ≤ 20이 될 때까지 수행될 수 있다.
만약, R2/R1가 1 미만인 경우에는 이차전지의 곡률이 너무 커져서 파괴 및 단락 문제가 발생할 수 있고, 20 초과인 경우에는 휘어짐의 정도가 미미하여 곡선 형태의 장치에 응용할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
이때, 상기 전지 셀의 충전은 15 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 구체적으로는, 20 ℃ 내지 30 ℃의 상온에서 수행될 수도 있고, 45 ℃ 내지 85 ℃의 고온 가압 환경에서 수행될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따라 제조된 이차전지가 방전되는 경우, 충전 시와는 반대의 방향으로 곡선 형상이 완화되는 형태로 변화할 수 있다. 따라서, 충방전 시 이차전지의 형태가 가시적 및 물리적으로 변화함으로써 정보를 제공하거나 심미감을 필요로 하는 전자 장치에 이를 응용할 수 있다.
또는, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법 중에, 상기 단계 2에서 제조된 곡선 형상으로 휘어져 있는 이차전지를 둘러싸는 고정 케이스를 형성하는 단계를 더욱 포함하여, 상기한 바와 같은 방전 시의 변화를 막을 수도 있다. 이때, 상기 고정 케이스는 이차전지의 형태 변화를 막을 수 있도록 이차전지와 유사한 곡선 형상으로 휘어져 있으며, 그 형태를 단단히 고정하도록 이차전지 표면 또는 표면 근접 부위를 둘러쌀 수 있다.
상기 고정 케이스로는 이차 전지의 방전 시 전극 조립체의 복원력을 견딜 수 있는 높은 강도를 갖는 물질을 사용할 수 있고, 구체적으로는 철을 포함하는 고정 케이스를 사용할 수 있으나, 상기 고정 케이스의 재료가 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이차전지가, 상기 이차전지와 유사한 곡선 형상으로 휘어져 있는 팩 케이스에 내장되어 있는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 팩은 전극의 집전체를 중심으로 활물질의 로딩양을 달리하여 자체적으로 휘어져서 제조된 이차전지를 포함하기 때문에, 파괴 및 단락의 위험성이 적어 안정하면서도 우수한 전지특성을 나타낼 수 있다.
또한, 모바일 장치들이 불필요한 공간낭비 최소화 및 심미적인 소장품의 역할을 수행함에 따라 다양한 형상으로 진화하고 있으므로, 이와 같은 소형 모바일 장치의 형상에 맞게 상기 전지 팩을 적용할 수 있다. 상기 장치는, 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 시계, 텔레비젼, 안경 등일 수 있으나, 상기 전지 팩을 응용할 수 있는 분야가 소형 모바일 장치에 제한되는 것은 아니며, 다양한 곡선 형상을 지닌 장치에 적절히 응용할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
<실시예 1>
단계 1: 제1 양극 활물질 코팅층:알루미늄 집전체:제2 양극 활물질 코팅층:다공성 폴리에틸렌 분리막:제2 음극 활물질 코팅층: 구리 집전체: 제1 음극 활물질 코팅층이 순차적으로 적층된 전극 조립체를 제조하였다. 이때, 제1 및 제2 양극 활물질은 LiCoO2를 사용하였고, 제1 및 제2 음극 활물질로는 Graphite/SiO을 사용하였다. 상기 제1 양극 활물질 코팅층의 로딩양은 0.260 g/25 cm2, 상기 제2 양극 활물질 코팅층의 로딩양은 0.52 g/25 cm2로 하고, 상기 제1 음극 활물질은 제1 양극 활물질과 N/P ratio가 107 %가 되도록, 제2 음극 활물질은 제2 양극 활물질과 N/P ratio가 107 %가 되도록 하여 제조하였다. (N/P ratio란, 음극의 단위면적당 방전용량을 양극의 단위면적당 방전용량으로 나눈 값임.)
이때, 제1 양극 활물질 코팅층: 제2 양극 활물질 코팅층의 로딩양 비율은 1:2, 제1 음극 활물질 코팅층: 제2 음극 활물질 코팅층의 로딩양 비율은 1:2으로 하고, 제1 양극 활물질 코팅층:알루미늄 집전체:제2 양극 활물질 코팅층:다공성 폴리에틸렌 분리막:제2 음극 활물질 코팅층: 구리 집전체: 제1 음극 활물질 코팅층의 두께는 각각 70 ㎛, 12 ㎛, 125 ㎛, 18 ㎛, 135 ㎛, 10 ㎛, 75 ㎛로 하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 전극 조립체를 알루미늄 층과 폴리프로필렌 층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스에 넣고, 카보네이트 용매에 LiPF6가 1M 녹아있는 전해액을 주입하여 전지 셀을 제조하였다.
단계 3: 상기 전지 셀을 상온에서 CC/CV모드로 충전하여(0.2C/4.35V, 1/20C cut-off), 상기 전극 조립체 내의 집전체의 횡단면에서, R1이 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 중심점으로부터 상기 집전체 상에 있는 양 말단 사이의 거리의 중심점까지의 최단 거리이고, R2가 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 절반일 때, R2/R1이 5인 곡선 형상으로 휘어져 있는 이차 전지를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 제1 양극 활물질 코팅층: 제2 양극 활물질 코팅층의 로딩양 비율은 1:0.5, 제1 음극 활물질 코팅층: 제2 음극 활물질 코팅층의 로딩양 비율은 1:0.5로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차전지를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 제1 양극 활물질 코팅층: 제2 양극 활물질 코팅층의 로딩양 비율은 1:15, 제1 음극 활물질 코팅층: 제2 음극 활물질 코팅층의 로딩양 비율은 1:15로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차전지를 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1의 단계 2에서 제조된 전지 셀을 휘어진 전지셀 형상이 각인되어 있는 상하 분리형의 지그로 가압하고, 단계 3을 생략한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 이차전지를 제조하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 양극, 분리막 및 음극을 포함하고,
    상기 양극 및 음극 중 하나 이상은 집전체의 양면에 제1 활물질 및 제2 활물질이 각각 코팅된 코팅층을 포함하는 전극이고,
    상기 제1 활물질 코팅층과 제2 활물질 코팅층의 로딩양은 1: 1.25 내지 10인 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집전체의 두께는 6 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활물질 및 제2 활물질 중 하나 이상은 Si, SiOx(0.03≤x≤2) 및 Si-Z 합금(여기서, 상기 Z는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활물질 및 제2 활물질 중 하나 이상은 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 코발트-니켈-망간 산화물인 것을 특징으로 하는 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체.
  5. 제1항의 스택형 또는 스택-폴딩형 전극 조립체를 포함하며, 곡선 형상으로 휘어져 있는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극 조립체 내의 집전체의 횡단면에서, R1이 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 중심점으로부터 상기 집전체 상에 있는 양 말단 사이의 거리의 중심점까지의 최단 거리이고, R2가 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 절반일 때, R2/R1이 1 내지 20인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전극 조립체 내의 집전체의 횡단면에서, R1이 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 중심점으로부터 상기 집전체 상에 있는 양 말단 사이의 거리의 중심점까지의 최단 거리이고, R2가 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 절반일 때, R2/R1는 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 가변적인 셀 케이스에 제1항의 전극 조립체를 장착하고 전해액을 주입하여 전지 셀을 제조하는 단계(단계 1); 및
    상기 전지 셀을 충전하는 단계(단계 2);를 포함하는 이차전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전지 셀의 충전은, 상기 전극 조립체 내의 집전체의 횡단면에서, R1이 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 중심점으로부터 상기 집전체 상에 있는 양 말단 사이의 거리의 중심점까지의 최단 거리이고, R2가 상기 집전체의 양 말단 사이의 최단 거리의 절반일 때, R2/R1이 0 초과가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전지 셀의 충전은, 1 ≤ R2/R1 ≤ 20이 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전지 셀의 충전은 15 ℃ 내지 90 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 단계 1에서 제조된 전지 셀을 지그에 장착한 후 가압하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 가변적인 셀 케이스는 금속 캔 또는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 단계 2에서 제조된 곡선 형상으로 휘어져 있는 이차전지를 둘러싸는 고정 케이스를 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  15. 제5항의 이차전지가, 상기 이차전지와 유사한 곡선 형상으로 휘어져 있는 팩 케이스에 내장되어 있는 전지 팩.
  16. 제15항의 전지 팩을 포함하는 소형 모바일 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 장치는, 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 시계, 텔레비젼, 안경인 것을 특징으로 하는 소형 모바일 장치.
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