KR20170063222A - 가스 트랩 현상을 개선시킨 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 트랩 현상을 개선시킨 이차전지에 관한 것으로, 길이방향 단부에서는 전극과 분리막간에 충분한 결착력이 형성되어 있는 반면, 길이방향 중앙부에서는 상대적으로 약한 결착력이 형성되어 있어, 전극과 분리막간 라미네이션 효과를 충분히 누리면서도 전극조립체 내부에서 발생하는 가스 배출이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 효과를 갖는다.

Description

가스 트랩 현상을 개선시킨 이차전지 {Secondary battery with relieved gas trap}

본 발명은 가스 트랩 현상을 개선시킨 이차전지에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원 또는 보조 전력장치 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로도 주목받고 있다. 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력·대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

그런데, 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 제작되고 있다.

중대형 전지모듈에 사용되는 전지셀은 제조 방법에 따라 스택형, 폴딩형 및 스택-폴딩형 등으로 구분된다.

한편, 스택형 또는 스택/폴딩형 전지셀의 경우, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체 둘 이상이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극조립체를 제조하기 위해서는 전극과 분리막 사이를 접합시키는 라미네이션 과정이 필요하다.

한편, 리튬 이차 전지는 충전 초기에 전해액 내의 리튬 이온과 비수성 유기 용매가 반응하여 고체 전해질(solid electrolyte interface; SEI) 필름을 생성시키는데, 이를 포메이션(formation) 과정이라 하고, 이때 H₂, CO₂, CH₄, CH₂, C₂H₆, C₃H₈, C₃H₆ 등의 가스도 함께 발생된다. 상기 가스는 외부로 배출되지 못하고 전극조립체 내에 트랩(trap)되어 전지의 내압을 약 1.5∼2.5 ㎏f/㎠ 이상 상승시키며, 이러한 내압의 증가로 인해, 전지가 특정 방향으로 부풀어오르는 등 전지의 특정면의 중심부가 변형되는 현상이 유발된다. 또한, 이로 인해 전지 내 극판 간 밀착성에서 국부적인 차이점이 발생하여 전지의 성능과 안정성이 저하되는 문제점이 생기게 된다. 따라서, 전극조립체 내에 트랩된 가스는 이차전지의 퇴화 원인으로 작용할 수 있다.

따라서, 가스 트랩 현상이 감소된 이차전지용 전극조립체, 이를 포함하는 이차전지 및 이를 제조하는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 전극조립체의 길이방향 중앙부가 길이방향 단부보다 약하게 라미네이션되어 있는 이차전지용 전극조립체가 제공된다.

전극조립체의 길이방향 단부는 전극-분리막간 10 gf/cm 내지 100 gf/cm 범위의 접착력을 갖고, 전극조립체의 길이방향 중앙부는 전극-분리막간 1 gf/cm 내지 10 gf/cm 범위의 접착력을 갖도록 라미네이션되어 있을 수 있다.

전극조립체 길이방향 중앙부는 전극조립체 전체 폭의 15 내지 30 %에 해당하는 폭을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 라미네이션하는 방법에 있어서, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 라미네이션 장치 영역의 온도가, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 라미네이션 장치 영역의 온도보다 15 내지 30 ℃ 낮은 라미네이션 장치가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

상기에서, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 라미네이션 장치 영역은 80 내지 120 ℃ 온도 범위를 갖고 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 라미네이션 영역의 온도는 65 내지 80 ℃ 온도 범위를 가질 수 있다.

상기 라미네이션 장치는 롤러기 또는 평판 프레스기일 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 라미네이션하는 방법에 있어서, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 롤러기 영역이 주변부보다 0.1 내지 0.5 cm 더 얇은 두께를 가지는 롤러기가 라미네이션 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

상기에서, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 롤러기 영역에 의해서 10 pa 내지 30 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압되고, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 롤러기 영역에 의해 3 pa 내지 9 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 라미네이션하는 방법에 있어서, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 평판 프레스기 영역이 주변부보다 0.1 내지 0.5 cm 더 얇은 두께를 가지는 평판 프레스기가 라미네이션 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

상기에서, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 평판 프레스기 영역에 의해 10 pa 내지 30 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압되고, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 평판 프레스기 영역에 의해 3 pa 내지 9 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 전극조립체를 포함하는 이차전지가 제공된다.

상기 이차전지는 스택형 리튬 이차전지일 수 있다.

또한, 상기 이차전지는 225 ㎠ 이상의 면적을 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 이차전지의 전극조립체는 길이방향 단부에서는 전극과 분리막간에 충분한 결착력이 형성되어 있는 반면, 길이방향 중앙부에서는 상대적으로 약한 결착력이 형성되어 있어, 전극과 분리막간 라미네이션 효과를 충분히 누리면서도 전극조립체 내부에서 발생하는 가스 배출이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

본 발명은 대면적을 갖는 스택형 전지, 예컨대, 225 ㎠ 이상의 면적을 갖는 스택형 전지에서 특히 유용한데, 대면적 전지에서 디개싱 공정이 고르게 진행되지 않아, 전극조립체 내부에 가스가 트랩되어 있을 가능성이 높고, 이는 전지성능의 열화를 일으키는 심각한 원인이 되기 때문이다.

도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 전극조립체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 전극조립체를 롤러기로 라미네이션하는 일반적인 양태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 3은 전극조립체를 평판 프레스기로 라미네이션하는 일반적인 양태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 전극조립체의 길이방향 중앙부에 상대적으로 낮은 온도가 적용되도록 라미네이션 장치(평판 프레스)를 적용하는 방법을 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 5a는 전극조립체의 길이방향 중앙부에 상대적으로 낮은 압력이 적용되도록 롤러기를 적용하는 방법을 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 5b는 전극조립체의 길이방향 중앙부에 상대적으로 낮은 압력이 적용되도록 평판 프레스기를 적용하는 방법을 개략적으로 나타낸 정면도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 도면은 본 발명의 보다 명확한 이해를 위해 일부 부분이 보다 과장되게 확대 및 축소되어 표시될 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다.

본 발명의 일 양태에 따른 이차전지의 전극조립체는 길이방향 단부에서는 전극과 분리막간에 충분한 접착력이 형성되어 있는 반면, 길이방향 중앙부에서는 상대적으로 약한 접착력이 형성되어 있어, 전극과 분리막간 라미네이션 효과를 충분히 누리면서도 전극조립체 내부에서 발생하는 가스 배출, 즉, 디개싱(degassing)이 원활하게 이루어질 수 있다.

도 1을 참조하여 본 발명의 일 양태에 따른 전극조립체를 보다 상세히 설명하면, 상기 전극조립체(100)는 양극(110), 음극(130), 및 상기 양극(110)과 음극(130) 사이에 개재된 분리막(120)을 포함하며, 전극조립체(100)의 길이방향 중앙부(150, 어둡게 표시된 부분)가 길이방향 단부(160, 160')보다 약하게 라미네이션되어 있다.

본 발명의 일 양태에서, 전극조립체의 길이방향 단부(160, 160')는 전극-분리막간 10 gf/cm 내지 100 gf/cm 범위의 접착력을 갖고, 전극조립체의 길이방향 중앙부(150)는 전극-분리막간 1 gf/cm 내지 10 gf/cm 범위의 접착력을 갖도록 라미네이션되어 있을 수 있다.

전극조립체의 길이방향 단부가 전술한 수치범위의 전극-분리막간 접착력을 갖는 경우에 전극-분리막간의 충분한 라미네이션이 확보될 수 있고, 전극조립체의 길이방향 중앙부가 전술한 수치범위의 전극-분리막간 접착력을 갖는 경우에 가스 트랩(gas trap)이 방지될 수 있다.

도 1을 참조로 할 때, 전극조립체 중 라미네이션이 상대적으로 약하게 이루어지는 길이방향 중앙부(150)의 폭은 전극조립체 전체의 폭, 즉, 도 1에서 150, 160, 160' 각각의 폭을 합한 수치의 15 내지 30 %에 해당하도록 설계될 수 있다. 상대적으로 약한 라미네이션이 형성되는 부분이 상기 하한치 이상이 되어야 유의미한 디개싱이 발생할 수 있으며 상기 상한치 이하가 되어야 라미네이션 효과가 유지될 수 있다.

본원 명세서에서 "라미네이션 장치"라 함은 분리막을 사이에 두고 양극과 음극이 적층되어 있는 전극조립체를 열, 압력 또는 이들 둘다에 의해 접합하여 라미네이션하는데 사용될 수 있는 임의의 장치를 의미하는 것으로 이해한다.

라미네이션 장치의 비제한적인 예로는 롤러기 또는 평판 프레스기를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 2와 도 3은 롤러기 또는 평판 프레스기를 사용하여 전극조립체를 라미네이션하는 종래의 공정을 개략적으로 나타낸 측면도이다.

도 2를 살펴보면, 양극(210), 분리막(220), 음극(230)을 포함하여 이루어진 전극조립체(200)가 한 쌍의 롤러기(270, 270')에 의해 라미네이션되고 있다. 또한, 도 3을 살펴보면, 양극(310), 분리막(320), 음극(330)을 포함하여 이루어진 전극조립체(300)가 한 쌍의 평판 프레스기(370, 370')에 의해 라미네이션되고 있다.

상기 롤러기 또는 평판 프레스기와 같은 라미네이션 장치에서, 온도차를 이용하여 전극조립체의 길이방향 중앙부가 주변부보다 상대적으로 약하게 라미네이션되도록 할 수 있다. 도 4를 참조할 때, 라미네이션 장치(L)에서 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 영역(L450)의 온도를, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 영역의 온도보다 약 15 내지 30 ℃ 낮게 설정할 수 있다. 일례로, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 라미네이션 장치 영역은 약 80 내지 120 ℃ 온도 범위로 설정하고, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 라미네이션 장치 영역(L450)의 온도는 약 65 내지 80 ℃로 설정할 수 있다.

라미네이션 장치의 온도차에 의해 전극조립체의 라미네이션 정도를 조절하는데 사용되는 라미네이션 장치는 전극조립체 길이방향 단부에 접하는 부분에 열선 혹은 열소자를 사용하거나, 전극조립체 길이방향 중앙부에 접하는 부분에 냉각소자를 포함함으로써 온도차를 갖도록 설계될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적에 부합하는 임의의 라미네이션 장치가 사용될 수 있다.

이로써, 전극조립체(400)의 양극(410)과 음극(430) 각각의 길이방향 중앙부가 그 주변부에 비해 분리막(420)에 약하게 라미네이션되고, 양극(410)과 분리막(420) 사이, 또한, 음극(430)과 분리막(420) 사이에 가스가 배출할 수 있는 공간(S)이 발생하게 된다.

또한, 롤러기를 사용하여 압력차에 의해 전극조립체의 길이방향 중앙부가 주변부보다 상대적으로 약하게 라미네이션되도록 할 수 있다. 도 5a를 참조할 때, 롤러기(R) 중 전극조립체(500)의 길이방향 중앙부에 해당하는 영역(R550)은 주변부보다 얇게, 예컨대, 0.1 내지 0.5 cm의 최대 단차가 형성되도록 설계될 수 있다. 이에 의해, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 롤러기 영역에 의해서는 약 10 pa 내지 30 pa 압력 범위로 전극조립체를 가압하는 동시에, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 롤러기 영역에 의해서는 약 3 pa 내지 9 pa 압력 범위로 전극조립체를 가압하게 될 수 있다.

또한, 평판 프레스기를 이용하여 압력차에 의해 전극조립체의 길이방향 중앙부가 주변부보다 상대적으로 약하게 라미네이션되도록 할 수 있다. 도 5b를 참조할 때, 평판 프레스기(P) 중 전극조립체(500)의 길이방향 중앙부에 해당하는 영역(P550)이 주변부보다 얇게, 예컨대, 0.1 내지 0.5 cm의 단차가 형성되도록 설계될 수 있다. 이에 의해, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 평판 프레스기 영역에 의해서는 약 10 pa 내지 30 pa 압력 범위로 전극조립체를 가압하게 되고, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 평판 프레스기 영역에 의해서는 약 3 pa 내지 9 pa 압력 범위로 전극조립체를 가압하게 될 수 있다.

라미네이션 장치의 압력차에 의해 전극조립체의 라미네이션 정도를 조절하는데 사용되는 롤러기 또는 평판 프레스기를 비롯한 라미네이션 장치는 전극조립체에 접하는 부분이 도 5a에 도시된 바와 같이 아치형을 갖도록 설계되거나 혹은 도 5b에 도시된 바와 같이 설계될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적에 부합되는 임의의 라미네이션 장치가 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서는 상기 라미네이션 장치를 사용하여 라미네이션되어 수득된 전극조립체가 제공된다.

상기 전극조립체는 스택형 구조 또는 스택/폴딩형 구조일 수 있다.

상기 스택형 및 스택/폴딩형 구조에 대해 상술하면 다음과 같다.

우선, 스택형 구조의 전극조립체는, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱한 후 소정의 크기로 절취한 양극판과 음극판 사이에 분리막을 개재시킨 후 적층함으로써 제조할 수 있다.

스택/폴딩형 구조의 전극조립체는, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 둘 이상의 극판들이 적층되어 있는 전극조립체를 둘 이상 포함하고, 중첩되지 않은 형태로 하나 이상의 분리필름으로 전극조립체들을 권취하거나, 또는 전극조립체의 크기로 분리필름을 절곡하여 전극조립체들 사이에 개재함으로써 제조될 수 있다.

상기 전극조립체는 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 서로 적층된 구조로 이루어져 있다.

상기 양극은 예를 들어, 양극 합제를 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone: NMP) 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.

상기 양극 합제는 양극 활물질 이외에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.

상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi_1-yM_yO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li_{1 + z}Ni_{1 / 3}Co_{1 / 3}Mn_{1 / 3}O₂, Li_{1 + z}Ni_{0 . 4}Mn_{0 . 4}Co_{0 . 2}O₂ 등과 같이 Li_{1 + z}Ni_bMn_cCo_{1 - (b+c+d)}M_dO_(2-e)A_e (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li_{1 + x}M_{1 - y}M'_yPO_{4 - z}X_z(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' =Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 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; 불화카본, 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 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 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.

또한, 본 발명은 상기 전극조립체가 리튬염 함유 비수계 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 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, 트리메톡시메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 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 중합제 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 보란리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 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 가스 등을 더 포함시킬 수도 있다.

상기 전지케이스는 라미네이션 시트를 열융착한 파우치 형태일 수 있다. 파우치형 케이스는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많이 사용되고 있다.

상기 라미네이트 시트는 열융착이 행해지는 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

1. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며,
   전극조립체의 길이방향 중앙부가 길이방향 단부보다 약하게 라미네이션되어 있는 이차전지용 전극조립체.
   
2. 제1항에 있어서,
   전극조립체의 길이방향 단부는 전극-분리막간 10 gf/cm 내지 100 gf/cm 범위의 접착력을 갖고, 전극조립체의 길이방향 중앙부는 전극-분리막간 1 gf/cm 내지 10 gf/cm 범위의 접착력을 갖도록 라미네이션되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
   
3. 제1항에 있어서,
   전극조립체 길이방향 중앙부는 전극조립체 전체 폭의 15 내지 30 %에 해당하는 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
   
4. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 라미네이션하는 방법에 있어서,
   전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 라미네이션 장치 영역의 온도가, 전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 라미네이션 장치 영역의 온도보다 15 내지 30 ℃ 낮은 라미네이션 장치를 사용하여 라미네이션 공정이 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 라미네이션 장치 영역은 80 내지 120 ℃ 온도 범위를 갖고 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 라미네이션 영역의 온도는 65 내지 80 ℃ 온도 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 라미네이션 장치가 롤러기 또는 평판 프레스기인 것을 특징으로 하는 방법.
   
7. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 라미네이션하는 방법에 있어서,
   전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 롤러기 영역이 주변부보다 0.1 내지 0.5 cm 더 얇은 두께를 가지는 롤러기를 사용하여 라미네이션이 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 롤러기 영역에 의해서 10 pa 내지 30 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압되고, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 롤러기 영역에 의해 3 pa 내지 9 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
9. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 라미네이션하는 방법에 있어서,
   전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 평판 프레스기 영역이 주변부보다0.1 내지 0.5 cm 더 얇은 두께를 가지는 평판 프레스를 사용하여 라미네이션이 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    전극조립체의 길이방향 단부에 해당하는 평판 프레스기 영역에 의해 10 pa 내지 30 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압되고, 전극조립체의 길이방향 중앙부에 해당하는 평판 프레스기 영역에 의해 3 pa 내지 9 pa 압력 범위로 전극조립체가 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
    
11. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 기재된 전극조립체를 포함하는 이차전지.
    
12. 제11항에 있어서,
    스택형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
    
13. 제11항에 있어서,
    225 ㎠ 이상의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
    

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