KR20170068793A - 일면에 강화 부재가 부착되어 있는 전극판을 포함하는 전극조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지용 전극조립체로서, 양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조의 단위셀들; 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하고 있는 긴 시트형의 분리필름;을 포함하고 있고, 상기 전극조립체의 최외곽에 위치하고 있는 단위셀들 중에서 적어도 하나의 단위셀은 외부 물체의 관통을 저지하는 적어도 하나의 강화 부재가 부착되어 있는 단면 전극판을 포함하는 완충형 단위셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.

Description

일면에 강화 부재가 부착되어 있는 전극판을 포함하는 전극조립체 {Electrode Assembly Comprising Electrode Plate Having Reinforcing Member Attached on One Side}

본 발명은 일면에 강화 부재가 부착되어 있는 전극판을 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.

화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

한편, 리튬 이차전지는 여러가지 안전성에 대한 문제점들이 지적되고 있다. 구체적으로, 리튬 이차전지가 과충전되면 양극으로부터 과잉의 리튬이 나오고 음극으로 리튬이 삽입되면서 음극 표면에 반응성이 매우 큰 리튬 금속이 석출되고, 양극 또한 열적으로 불안정한 상태가 되며, 전해액으로 사용하는 유기 용매의 분해반응으로 인한 급격한 발열반응에 의해 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.

또한, 못과 같이 전기 전도성을 가진 물체가 전지를 관통할 경우, 전지 내부의 전기화학적 에너지가 열 에너지로 변환되면서 급격한 발열이 일어나게 된다. 이때 발생한 열은 양극 또는 음극 물질의 화학반응을 더욱 가속화 하여, 발화 및 폭발에 이르게 한다.

전지 내부에서 발열이 일어난 경우, 분리막이 수축되어 다시 양극과 음극의 단락을 유발하고, 반복되는 열 발생과 분리막의 수축에 의해 단락구간이 늘어나, 열폭주가 발생하거나, 전지 내부를 구성하고 있는 양극, 음극 및 전해액이 서로 반응하거나 연소하게 된다. 이 반응은 매우 큰 발열 반응이므로 결국 전지가 발화되거나 폭발하게 된다. 이러한 위험성은 특히, 리튬 이차전지가 고용량화 되고, 에너지 밀도가 증가하면서, 더욱 심각한 문제가 되고 있다.

이와 같이, 외부 물체가 관통하여 이차전지의 발화나 폭발이 발생하는 현상을 방지하기 위하여, 안전 분리막을 사용하거나, 전해액에 첨가제를 첨가하는 등의 시도를 해왔으나, 여전히 외부 물체의 관통에 대해서 충분한 안전성을 확보하지는 못하였다.

따라서, 외부 물체와 충돌 시 관통을 효과적으로 저지하고, 이차전지의 안전성을 향상시킬 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, 이후 설명하는 바와 같이, 전극조립체의 최외곽에 외부 물체의 관통을 저지하는 적어도 하나의 강화 부재가 부착되어 있는 단면 전극판을 포함하는 경우, 이차전지의 안전성이 현저하게 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 전극조립체는, 양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조의 단위셀들; 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하고 있는 긴 시트형의 분리필름;을 포함하고 있고, 상기 전극조립체의 최외곽에 위치하고 있는 단위셀들 중에서 적어도 하나의 단위셀은 외부 물체의 관통을 저지하는 적어도 하나의 강화 부재가 부착되어 있는 단면 전극판을 포함하는 완충형 단위셀인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 이차전지에 외부 물체가 충돌 시 상기 강화 부재가 외부 물체의 관통을 저지하여 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 강화부재가 이차전지 케이스의 외부에 부착될 수도 있으나, 이 경우, 이차전지의 외관에 영향을 미쳐 수요자의 외관 기준을 충족하지 못할 수 있고, 제조 및 유통 과정에서 취급이 용이하지 않을 수 있으므로, 이차전지 케이스 내부인 전극조립체의 최외곽 단위셀에 부착되는 것이 더욱 바람직하다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극판들의 극성이 동일한 바이셀(bi-cell)을 포함할 수 있다.

상세하게는, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극들이 각각 음극으로 이루어진 C형 바이셀일 수 있다.

다른 예에서, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극들이 각각 양극으로 이루어진 A형 바이셀일 수 있다.

또한, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극판들의 극성이 상이한 풀셀(full cell)을 포함할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 완충형 단위셀에 포함되어 있는 단면 전극판은, 집전체의 일면에 전극 활물질이 도포되어 있고, 타면에 강화 부재가 부착되어 있는 구조일 수 있다.

즉, 상기 강화 부재가 전극 활물질 상에 부착되는 경우 이차전지의 성능이 저하될 수 있고, 강화 부재의 부착력이 저하될 수 있으므로, 집전체 상에 부착되는 것이 바람직하다. 더욱이, 일면에만 전극 활물질이 도포되어 있는 단면 전극판을 사용하는 경우, 전체적인 부피를 줄일 수 있어, 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 완충형 단위셀에서, 단면 전극판은 완충형 단위셀의 일측 외곽에 위치하는 구조일 수 있다.

상세하게는, 상기 완충형 단위셀에서, 전극조립체의 외측을 향하는 단면 전극판의 면에 강화 부재가 부착되어 있는 구조일 수 있다.

상기 완충형 단위셀이 전극조립체의 내측에 위치하는 구성도 고려할 수 있으나, 상기 강화 부재가 전극조립체의 최외곽에 위치할 때, 외부 물체의 관통을 보다 확실하게 저지할 수 있다.

한편, 상기 집전체 상에 부착되어 있는 강화 부재의 면적은, 집전체 일면의 전체 면적을 기준으로 20% 이상일 수 있고, 상세하게는 40% 이상일 수 있다. 상기 강화부재의 면적이 20% 미만인 경우에는 외부 물체가 강화 부재가 부착되어 있지 않은 전극조립체의 외면에 충돌 할 가능성이 매우 높아 이차전지의 안전성이 저하될 수 있다. 따라서, 전극조립체의 안전성을 더욱 향상시키기 위해서는, 상기 집전체의 면적과 강화 부재의 면적이 동일할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전극조립체의 상대적으로 넓은 일면을 기준으로 중심부가 외부 물체의 충돌에 가장 많이 노출되며 충격에도 가장 약한 것으로 나타났다.

따라서, 상기 강화 부재는 적어도 평면상으로 집전체의 중심부를 커버하도록 부착되어있는 구조일 수 있고, 상세하게는, 상기 강화 부재의 중심부와 집전체의 중심부는 평면상으로 일치하는 구조일 수 있다. 이 경우 외부 물체의 충돌에 대한 안전성이 현저하게 향상될 수 있다. 이때, 상기 중심부는 평면상으로 사각형인 경우 가로변의 수직 이등분 선과 세로변의 수직 이등분 선이 교차하는 부분을 의미하고, 평면상으로 다각형 또는 곡선을 포함하는 도형인 경우에는 해당 도형의 무게 중심에 해당하는 부분을 의미한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 강화 부재의 두께는 집전체의 두께를 기준으로 10% 내지 150%일 수 있으며, 상세하게는, 20% 내지 120%일 수 있다. 상기 강화 부재의 두께가 집전체의 두께에 비해 10% 미만인 경우에는 외부 물체의 충돌 시 관통을 저지하기 어렵고, 150% 초과인 경우에는 강화부재의 두께가 너무 두꺼워서 전극조립체의 부피가 증가하고, 결국 이차전지의 에너지 밀도가 감소할 수 있다.

한편, 상기 강화 부재는 고분자 필름 기재의 일면에 바인더가 도포되어 있는 테이프일 수 있다. 상기 강화 부재의 일면에 바인더가 도포되어 있으므로, 단면 전극판에 강화 부재를 부착 시 작업성을 향상시킬 수 있다.

외부 물체에 대한 관통을 더욱 확실히 저지하기 위해서, 상기 강화 부재의 고분자 필름 기재는 고분자가 각각 일 방향으로 배향되어 있는 제 1 필름 및 제 2 필름을 포함하고 있고, 상기 제 1 필름 및 제 2 필름이 교번 적층되어 있는 구조일 수 있다.

즉, 상기 제 1 필름 및 제 2 필름을 포함하는 고분자 필름 기재는, 외부 물체에 의해 제 1 필름이 관통되더라도, 제 2 필름이 제 1 필름을 관통한 외부 물체의 힘을 다른 방향으로 분산하여, 외부 물체의 관통을 더욱 효과적으로 저지할 수 있다.

상기 제 1 필름을 관통한 외부 물체의 힘을 보다 확실히 분산시키기 위해서는, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 필름의 고분자 배열 방향과 제 2 필름의 고분자 배열 방향은 서로 40° 내지 90°의 각도를 이루도록 교번 적층되어 있는 구조일 수 있다. 40° 미만의 각도를 이루는 경우에는, 제 1 필름과 제 2 필름의 고분자 배향 방향이 비슷해서 외부 물체가 제 1 필름을 관통한 후에 제 2 필름의 힘을 효과적으로 분산시키기 어렵고, 따라서, 강화 부재가 더욱 쉽게 관통될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 강화 부재의 고분자 필름 기재는 고분자가 각각 일 방향으로 배향되어 있는 필름들을 2장 내지 10장 포함하고 있고, 상기 필름들은 반복적으로 교번 적층되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 인접하여 적층된 필름들은 고분자 배열 방향이 서로 40° 내지 90°의 각도를 이루도록 교번 적층되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 고분자 필름 기재를 구성하는 필름들은, 열융착에 의해 접합되어 있는 구조일 수 있고, 또는 필름들 사이에 접착제가 도포되어 서로 접착되어 있는 구조일 수 있다.

상기 고분자 필름 기재는, 고분자들이 일 방향으로 배향되어 있고, 외부 물체의 관통을 저지할 수 있는 물성을 가지고 있는 것이면 크게 제한되지는 않으며, 예를 들어, 폴리올레핀 계열의 필름일 수 있고, 상세하게는, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.

한편, 상기 전극조립체는, 분리필름의 상면에 n개의 단위셀들이 탑재된 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀과 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있으며, 상기 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀 중 적어도 하나는 완충형 단위셀일 수 있다.

상세하게는, 상기 n 은 5 내지 50의 자연수일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지를 제공한다.

이하, 상기 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.

상기 전극판, 음극판, 및 양극판은 각각 전극, 음극, 및 양극으로 지칭할 수 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 201 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 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 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiV₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (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 LiMn_2-xM_xO₂ (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 양극 합제 전체 중량을 기준으로 0.1 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 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 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 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.

반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.

상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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.

본 발명에서 음극 집전체의 두께는 3 내지 201 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.

상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (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.

하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막 또는 분리필름은, 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열의 필름일 수 있고, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 시트일 수 있다.

상기 분리막 또는 분리필름은, 서로 동일한 물질로 이루어진 것일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전지셀의 안전성, 에너지 밀도, 및 전반적인 성능에 따라서, 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기 분리막 또는 분리필름의 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우에는 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다.

또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.

상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재 상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.

이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.

또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.

상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 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 설파이드, 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 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수 전해질에는 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiN(SO₂CF₃)₂ 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.

본 발명은 또한, 이러한 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 및 이러한 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.

이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 외부 물체의 관통을 저지하는 강화 부재가 부착되어 있는 단면 전극판을 포함하여, 외부 물체 충돌 시 이차전지의 안전성이 현저하게 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극조립체를 모식적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 양면 전극판을 모식적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 4는 도 1의 단면 전극판을 모식적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 5는 도 1의 단면 전극판을 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 6은 도 4의 강화 부재를 모식적으로 나타낸 분해 사시도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극조립체를 모식적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전극조립체를 제조하는 방법이 모식적으로 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전극조립체(100)는 동일한 극성의 전극판이 단위셀의 양단에 위치하고 있는 구조의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)이 긴 시트형의 분리필름(101) 상에 배치되어 있고, 분리필름(101)을 화살표와 같이 반시계 방향으로 권취함으로써 제조된다.

구체적으로, 전극조립체(100)는 7개의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)을 포함하고 있다. 각각의 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)은 2개의 분리막과 3개의 전극판들이 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 이루는 바이셀이다.

단위셀들(110, 140, 150) 은 최외곽 전극판이 음극으로 구성되어 있는 C형 바이셀이고, 단위셀(120, 130, 160, 170)은 최외곽 전극판이 양극으로 구성되어 있는 A형 바이셀이다.

분리필름(101)의 가장 우측에는 단위셀(110)이 위치하고 있고, 단위셀(110)은 양극이 하면을 향하여 분리필름(101)의 상면과 대면해 있으며, 단위셀(110)의 전극판 방향에 따라, 단위셀(120)로부터 단위셀(170)까지 분리필름(101)의 상면에 순서대로 위치하고 있다. 이때, 단위셀(170)의 좌측에는 전극조립체(100)의 권취 구조의 유지를 위한 말단 융착부(109)를 형성하기 위한 분리필름(101)의 말단부(108)가 위치하고 있다.

이러한 배열에 의해, 전극조립체(100)의 최외곽에는 양극이 각각 위치하게 되고, 전극조립체(100)의 최외곽에 위치하는 단위셀(160)과 단위셀(170)은 양극들(161, 171)이 각각 하면을 향하여 분리필름(101)의 상면과 대면한 상태로 배열되어 있다.

한편, 전극조립체(100)는 단위셀(110)이 최내측에 위치하도록, 단위셀로(110)부터 단위셀(170)까지 반시계 방향으로 권취하여 제조된다.

단위셀(110)과 단위셀(120) 사이에는 단위셀의 폭에 상응하는 이격 부위(W)가 위치하고 있고, 이에 따라, 단위셀(110)이 분리필름(101)과 함께 권취되는 과정에서, 단위셀(110)의 상면에 위치한 음극과 단위셀(130)의 상면에 위치한 양극 사이에 분리필름(101)이 개재된다.

구체적으로, 단위셀(110)은 권취 과정에서 도립된 상태로 단위셀(110)과 단위셀(120) 사이의 이격 부위(W)로 이동하고, 그 후 최초에 단위셀(110)의 하면에 위치했던 음극이 단위셀(120)의 상면에 위치한 양극과 분리필름(101)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.

또한, 분리필름(101)을 사이에 두고 대면하는 단위셀(110)과 단위셀(120)은 분리필름(101)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 단위셀(110)의 상면에 위치했던 음극이 단위셀(130)의 상면에 위치한 양극과 분리필름(101)을 사이에 두고 대면하게 된다.

상기 과정은 단위셀(170)까지 순차적으로 진행되며, 이에 따라, 최내측에 단위셀(110)이 위치하고, 최외곽에 단위셀(160)과 단위셀(170)이 각각 위치하도록 권취된다. 권취가 완료 된 후에는 분리필름(101)의 말단부(108)에 열과 압력을 인가하여, 전극조립체(100)의 권취 구조의 유지를 위한 말단 융착부(109)를 형성한다. 말단 융착부(109) 형성되면, 스택/폴딩형 구조의 전극조립체(100)가 완성된다.

이때, 전극조립체(100)의 최외곽에 위치하는 단위셀들(160, 170)은 외부 물체의 관통을 저지하는 강화 부재가 부착되어 있는 단면 전극판들(161, 171)을 포함하는 완충형 단위셀들이다. 완충형 단위셀들(160, 170)에서 단면 전극판들(161, 171)은 일측 외곽에 위치하고, 상세하게는, 전극조립체(100)의 외측을 향하는 쪽에 위치하고 있다. 또한, 전극판들(161, 171)의 전극조립체(100)의 외측을 향하는 면에 강화 부재(도시하지 않음)가 부착되어 있다.

전극조립체(100)를 구성하는 전극판들 중에서 전극판들(161, 171)을 제외한 나머지 전극판들은 전극판(162)와 같은 양면 전극판이다.

도 3에는 도 1의 양면 전극판을 모식적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 1 의 단면 전극판을 모식적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있다.

우선, 도 1과 함께 도 3 및 도 4를 참조하면, 전극판(162)는 집전체(162a)의 상면 및 하면에 전극 활물질(162b)이 도포되어 있는 양면 전극판이고, 전극판(161)은 집전체(161a)의 상면에만 전극 활물질(161b)이 도포되어 있고, 하면에 강화 부재(200)가 부착되어 있는 단면 전극판이다.

단면 전극판(161)에서 강화 부재(200)가 전극 활물질(161b) 상에 부착되는 경우 이차전지의 성능을 저하할 수 있고, 강화 부재(200)의 부착력이 저하될 수 있으므로, 집전체(161a) 상에 부착되는 것이 바람직하다. 더욱이, 일면에만 전극 활물질(161b)이 도포되어 있는 단면 전극판(161)을 사용하는 경우, 전체적인 부피를 줄일 수 있어, 이차전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

특히, 전극판(161)은 완충형 단위셀(160)의 일측 외곽에 위치하고 있으며, 전극조립체(100)의 외측을 향하는 전극판(161)의 하면에 강화 부재(200)가 부착된 상태로, 강화 부재(200)가 전극조립체(100)의 외측을 향하게 배치되어 있어, 외부 물체의 관통을 보다 확실하게 저지할 수 있다.

도 5에는 도 4의 단면 전극판을 모식적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 집전체(161a) 상에 부착되어 있는 강화 부재(200)의 면적은, 집전체 일면(161a)의 전체 면적을 기준으로 약 50%이다.

또한, 강화 부재(200)는 집전체(161a)의 중심부를 커버하도록 부착되어 있고, 상세하게는, 강화 부재(200)의 중심부와 집전체(161a)의 중심부가 평면상으로 일치하도록 부착되어 있다. 집전체(161a)의 중심부는 외부 물체의 충돌에 가장 많이 노출되며 충격에도 가장 약한 부위이다. 중심부는 평면상으로 직사각형인 집전체(161a)의 가로변의 수직 이등분 선과 세로변의 수직 이등분 선이 교차하는 부분을 의미한다.

이와 같이, 강화 부재(200)가 집전체(161a)의 중심부를 커버하는 경우 원재료 가격의 상승 대비 외부 물체의 충돌에 대한 안전성이 현저하게 향상된다.

도 6에는 도 4의 강화 부재를 모식적으로 나타낸 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 강화 부재(200)는 고분자 필름 기재(201)의 일면에 바인더가 도포되어 있는 테이프이며, 고분자 필름 기재(201)는 2 장의 필름들(210, 220)로 구성된다.

구체적으로, 필름(210)은 고분자(211)가 세로 방향으로 배향되어 있고, 필름(220)은 고분자(221)가 가로 방향으로 배향되어 있다. 고분자(211)와 고분자(221)을 약 90°의 각도를 이루도록, 필름들(210, 220)을 적층하여 고분자 필름 기재(201)를 제조할 수 있다.

이때, 필름들(210, 220)은 열융착에 의해 접합될 수도 있고, 필름들(210, 220) 사이에 접착제가 도포되어 서로 접착될 수 있다.

이와 같이, 필름들(210, 220)이 고분자(211, 221)의 배향 방향을 달리하여 교번 적층되어 있는 경우, 외부 물체에 의해 필름(210)이 관통되더라도, 필름(220)이 필름(210)을 관통한 외부 물체의 힘을 다른 방향으로 분산하여, 외부 물체의 관통을 효과적으로 저지할 수 있다.

강화 부재(200)를 단면 전극판에 부착 시 작업성을 향상시키기 위하여, 고분자 필름 기재(201)의 일면에 바인더가 도포되어 있다.

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

Claims (19)

1. 이차전지용 전극조립체로서,
   양극판 및 음극판 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조의 단위셀들; 및
   상기 단위셀들을 연속적으로 권취하고 있는 긴 시트형의 분리필름;
   을 포함하고 있고,
   상기 전극조립체의 최외곽에 위치하고 있는 단위셀들 중에서 적어도 하나의 단위셀은 외부 물체의 관통을 저지하는 적어도 하나의 강화 부재가 부착되어 있는 단면 전극판을 포함하는 완충형 단위셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극판들의 극성이 동일한 바이셀(bi-cell)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극판들의 극성이 상이한 풀셀(full cell)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 완충형 단위셀에 포함되어 있는 단면 전극판은, 집전체의 일면에 전극 활물질이 도포되어 있고, 타면에 강화 부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 완충형 단위셀에서, 단면 전극판은 완충형 단위셀의 일측 외곽에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 완충형 단위셀에서, 전극조립체의 외측을 향하는 단면 전극판의 면에 강화 부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체 상에 부착되어 있는 강화 부재의 면적은, 집전체 일면의 전체 면적을 기준으로 20% 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 강화 부재는 적어도 평면상으로 집전체의 중심부를 커버하도록 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 강화 부재의 중심부와 집전체의 중심부는 평면상으로 일치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 강화 부재의 두께는 집전체의 두께를 기준으로 10% 내지 150%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 강화 부재는 고분자 필름 기재의 일면에 바인더가 도포되어 있는 테이프인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 강화 부재의 고분자 필름 기재는 고분자가 각각 일 방향으로 배향되어 있는 제 1 필름 및 제 2 필름을 포함하고 있고, 상기 제 1 필름 및 제 2 필름이 교번 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 필름의 고분자 배열 방향과 제 2 필름의 고분자 배열 방향이 서로 40° 내지 90°의 각도를 이루도록 교번 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 강화 부재의 고분자 필름 기재는 고분자가 각각 일 방향으로 배향되어 있는 필름들을 2장 내지 10장 포함하고 있고, 상기 필름들은 반복적으로 교번 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 분리필름의 상면에 n개의 단위셀들이 탑재된 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀과 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있으며,
    상기 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀 중 적어도 하나는 완충형 단위셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 n은 5 내지 50의 자연수인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
18. 제 17 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
19. 제 18 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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