KR20170075482A - 전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전극 조립체 - Google Patents

전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전극 조립체 Download PDF

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KR20170075482A
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Abstract

본 발명은 전지 사용에 따른 부반응으로 생성된 물질을 제거할 수 있는 부가 기능을 갖는 전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다. 본원 발명에 따른 전기화학소자용 전극은 수분 및/또는 HF와 같이 전지의 사용에 따른 부반응에 의해 발생되는 부산물을 제거하는 효과를 나타내며, 이에 따라 이에 따라 전극 표면에 금속의 석출이 저감되어 저전압 및/또는 용량 감퇴와 같은 전지 사용상의 문제를 해소하는 효과가 있다.

Description

전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전극 조립체{An electrode for the electrochemical device and an electrode assembly comprising the same}
본 발명은 이차 전지와 같은 전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 전지 사용에 따른 부반응으로 생성된 물질을 제거할 수 있는 부가 기능을 갖는 전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전극 조립체에 대한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 이차 전지 중에서 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 일반적으로 리튬 이차전지에 HF가 존재하는 경우, 충방전 과정에서 분해되어 수소 가스를 방출하고 이로 인하여 스웰링 현상이 발생한다. 심할 경우, 폭발을 야기할 수도 있다. 또한, 이러한 HF는 산성으로, 전극의 부식 등을 초래할 수도 있다.
수분을 전극 및 전해질로부터 완전히 제거하는 것은 전지 조립 공정상 매우 어렵다 또한 산화 알루미늄이 코팅된 일반적인 코팅분리막의 경우에는 폴리올레핀계 단일 분리막에 비해 수분 함유량이 더 많이 검출되는 것이 일반적이다.
이와 같은 문제를 해결하는 기술로서, 전지 내부에 HF 흡착제를 소량 첨가시키는 기술이 개시되어 있다. 한국공개특허 10-2013-0116036, 일본국 특개평 11-283671 및 한국등록특허 제0325864호는 전극, 분리막, 유기전해질 및 전지 케이스 중의 어느 하나 이상이 수분이나 HF를 포착할 수 있는 스캐빈져를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지에 관한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 종래 기술들은 전극, 분리막, 유기전해질에 첨가제의 형태로 첨가되거나, 이차전지 케이스에 코팅 되어 있는 형태를 보이는 기술로, HF 흡착제를 전지내부에 직접적으로 전극, 전해질 혹은 분리막에 첨가하면 전극과의 부반응이 발생할 수도 있으며, 상대적으로 많은 양을 넣으면 이온전도도 저하 및 전지 용량 감소가 발생하는 문제점이 있고, 이러한 용량 감소 또는 전도도의 감소에 따른 전지 성능 저하 때문에 상기 HF흡착제를 다량 첨가하기가 어려울 뿐만 아니라, 외장제에 코팅된 형태로는 내부에서 발생하는 HF를 바로 흡착하기에는 어려운 문제점이 있다.
따라서, 전지 내부에 존재하는 HF를 제거할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 전지 사용상의 부반응으로 인해 발생되는 수분이나 HF를 효과적으로 제거할 수 있는 기능성 코팅층을 구비한 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 기능성 코팅층을 구비한 전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 기능성 전극을 제공한다.
본 발명의 제1 측면은, 전기화학소자용 기능성 전극에 대한 것으로서, 상기 기능성 전극은 금속층, 상기 금속층의 일측면상에 형성된 전극활물질층 및 상기 금속층의 타측면상에 형성된 기능성 코팅층을 포함하며, 상기 기능성 코팅층은 수분, HF 또는 이 둘 모두를 제거하는 기능을 수행하는 스캐빈져(scavenger)를 포함하는 것이다.
본 발명의 제2 측면은 제1 측면에 있어서, 상기 제거가 소거, 흡착, 포착 또는 이 중 둘 이상의 기능을 의미하는 것이다.
본 발명의 제3 측면은, 제1 또는 제2 측면에 있어서, 상기 금속층이 전극 집전체의 기능을 수행하는 것이다.
본 발명의 제4 측면은 제1 내지 제3 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극활물질층이 음극용 전극 활물질 또는 양극용 전극 활물질을 포함하는 것이다.
본 발명의 제5 측면은, 제1 내지 제4 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극이 음극 또는 양극인 것이다.
본 발명의 제6 측면은, 제1 내지 제5 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 기능성 코팅층이 스캐빈져로서 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Al2O3, BaO, CaO, MgO, SiO2, Li2O, MgxAlyOz(x≥0, y≥0, x+y=1, z>0), 실란화합물, 실라잔(silazane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것이다.
본 발명의 제7 측면은, 제1 내지 제6 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 기능성 코팅층의 두께가 5㎛ 내지 1mm 이하인 것이다.
본 발명의 제8 측면은, 제1 내지 제7 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 스캐빈져가 상기 기능성 코팅층 전체 중량을 기준으로 5 중량% 이상 내지 100중량% 이하로 포함되는 것이다.
본 발명의 제9 측면은, 복수의 단위셀들이 적층되어 형성되는 스택형 또는 스택 및 폴딩형 전극 조립체이며, 상기 단위셀은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 상기 단위셀 중 적어도 하나가 제1 내지 제8 측면 증 어느 하나에 따른 기능성 전극인 것이다.
본 발명의 제10 측면은, 제9 측면에 있어서 상기 전극 조립체에서 적층된 단위셀 중 최상부 단위셀, 최하부 단위셀 또는 이들 모두에 상기 기능성 전극이 배치되는 것이다.
본 발명의 제11 측면은, 제9 측면에 있어서 상기 기능성 전극의 기능성 코팅층이 전극 조립체의 최상부면, 최하부면, 또는 이들 모두에 배치되도록 단위셀들이 적층된 것이다.
본 발명의 제12측면은, 제9 측면에 있어서 상기 단위셀이 바이셀(bi-cell) 또는 모노셀(mono-cell)인 것이다.
본 발명의 제13 측면은, 음극, 양극, 상기 음극 및 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 전해액; 및 외장 케이스;를 포함하는 이차 전지에 대한 것이며, 상기 전극 조립체는 상기 제9 내지 제12 측면 중 어느 하나에 따른 것이다.
본 발명의 제14 측면은 제13 측면에 따른 이차 전지를 포함하는 전지모듈에 대한 것이다. 본 발명의 제15 측면은 제14 측면에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩에 대한 것이다. 또한, 본 발명의 제16 측면은 제15 측면에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스에 대한 것으로서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템인 것이다.
본원 발명에 따른 전기화학소자용 전극은 수분 및/또는 HF와 같이 전지의 사용에 따른 부반응에 의해 발생되는 부산물을 제거하는 효과를 나타내며, 이에 따라 이에 따라 전극 표면에 금속의 석출이 저감되어 저전압 및/또는 용량 감퇴와 같은 전지 사용상의 문제를 해소하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서 상기 기능성 코팅층은 전극 조립체의 최외곽층에 배치됨으로써 일반적인 전극 조립체가 최외곽층에 전극 활물질층을 구비하는 것에 비해 전극 활물질의 사용량을 절감함과 동시에 전기화학반응에 참여하지 않은 전극 활물질층 공간을 기능성 코팅층으로 대체함으로써 전지 내부 공간 활용을 극대화할 수 있다.
마지막으로 수분이나 HF와 같은 부산물을 제거용 스캐빈져가 전극 활물질과 혼입되거나 활물질과 직접 접촉하지 않기 때문에 전극 활물질의 열화시키는 것과 같은 부반응 없이 상기 부산물을 효과적으로 제거할 수 있다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 기능성 전극을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 스택형 전극 조립체에 포함되는 바이셀의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시양태에 따른 스택형 전극 조립체의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3b는 도 3의 A부분을, 도 3c는 도 3의 B 부분을 확대한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 스택/폴딩형 전극 조립체에 포함되는 바이셀의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 스택/폴딩형 전극 조립체를 제조하기 전 폴딩 필름상에 바이셀들을 배치한 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 폴딩 필름으로 바이셀들을 감싸 중첩하여 스택/폴딩형 전극 조립체를 제조하는 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시양태에 따른 스택/폴딩형 전극을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 7의 C 부분을 확대하여 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 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.
본 발명은 집전체의 일측면상에 수분, HF 또는 이 둘 모두를 제거하는 기능을 수행하는 스캐빈져(scavenger)를 포함하는 기능성 코팅층이 형성된 전기화학소자용 기능성 전극에 대한 것이다. 본 발명의 일 실시양태에 따르면 상기 기능성 전극은 스택형 전극 조립체 또는 스택/폴딩형 전극 조립체의 최상부면, 최하부면 또는 이들 모두에 배치될 수 있다. 또한, 이때 상기 기능성 코팅층은 상기 전극 조립체의 외부를 감싸는 폴딩 필름과 대면하도록 배치되는 것이다.
도 1은 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 기능성 코팅층을 구비한 전기화학소자용 기능성 전극의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면 상기 기능성 전극(100)은 금속층(110), 상기 금속층의 일측면상에 형성된 전극 활물질층(130) 및 상기 금속층의 타측면상에 형성된 기능성 코팅층(120)을 포함한다. 상기 기능성 코팅층은 전지 사용에 따른 부산물인 수분, HF 또는 이 둘 모두를 제거하는 기능을 수행하는 스캐빈져를 포함한다. 본 명세서에 있어서, 상기 용어 '제거'는 스캐빈져 물질에 의한 부산물의 '소거', '흡착', '포착' 등의 기능을 의미하는 것으로 해석된다.
상기 기능성 코팅층(120)은 부산물 소거를 위한 스캐빈져를 포함하며, 상기 스캐빈져를 금속층에 코팅하기 위해 고분자 수지를 더 포함할 수 있다. 또한, 이 외에도 분산제 등 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 스캐빈져는 수분, HF 또는 이 둘 모두를 제거하는 기능을 보유하는 성분을 포함한다.
전지의 제조 과정 중 가열 등을 통해 수분을 제거하기도 하지만, 활물질에 흡착된 수분을 완전히 제거하는 것을 매우 힘들다. 또한 전지 내부 잔존하는 수분은 리튬염인 LiPF6등과 반응하여 HF 가 생성되며, 전지 내부에 HF가 존재하는 경우 폭발이나 스웰링 등 안전성이 크게 저하되는 문제가 있다. 따라서 본 발명은 상기와 같은 부산물을 제거하는 스캐빈져를 포함하는 기능성 코팅층을 전극에 도입하여 전술한 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 기능성 코팅층은 스캐빈져로 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Al2O3, BaO, CaO, MgO, SiO2, Li2O, MgxAlyOz(x≥0, y≥0, x+y=1, z>0), 실란화합물, 실라잔(silazane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 그러나 스캐빈져는 상기 재료에 특별히 한정되는 것은 아니며, 전기화학반응에 관여하지 않고 수분 및/또는 HF를 제거할 수 있는 물질이면 어느 것이나 가능하다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 기능성 코팅층의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니나 바람직하게는 5㎛ 내지 1mm인 것이다.
또한, 상기 스캐빈져의 함량은 기능성 코팅층 전체 중량을 기준으로 5 중량% 내지 100중량%인 것이다.
본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 기능성 코팅층은 스캐빈져, 바인더 수지를 적절한 용매에 투입하여 분산시켜 제조된 코팅층용 조성물을 금속층의 일면에 도포하고 건조하여 준비될 수 있다.
상기 금속층(110)은 전극의 집전체로서 기능하는 것으로서, 호일 등 금속 박막의 형태일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 전극은 음극 또는 양극일 수 있다. 상기 전극이 음극인 경우, 상기 금속층은 구리, 금, 니켈, 구리 합금 또는 이들 중 둘 이상을 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 상기 전극이 양극인 경우 상기 금속층은 알루미늄, 니켈 또는 이들을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
상기 전극 활물질층(130)은 전극 활물질 및 바인더 수지를 포함하며, 도전재 및 안정제 등 첨가제가 더 포함될 수 있다. 상기 전극이 음극인 경우 상기 전극 활물질층은 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 사용가능하며, 이의 비제한적인 예로써 그라파이트 등의 탄소재 및/또는 리튬티타늄산화물(LTO) 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전극이 양극인 경우 통상적인 음극 활물질이 사용가능하며, 이의 비제한적인 예로써 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들의 조합에 의하여 형성되는 복합산화물 등과 같은 리튬흡착물질(lithium intercalation material) 을 포함할 수 있다. 그러나 상기 전극 활물질은 전술한 재료들로 한정되는 것은 아니며 전지의 사용 목적에 따라 적절한 재료가 채택될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 기능성 전극은 집전체의 양측면에 전극 활물질층이 형성된 통상적인 전극과 함께 적층되어 바이셀 또는 모노셀 등의 단위셀을 형성할 수 있다. 모노셀은 단위셀의 양측에 서로 반대되는 극성의 전극이 배치되는 것이다. 또한, 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위 구조와 같이 셀의 양측에 동일한 극성을 갖는 배치되는 단위셀이다. 일반적으로 상기 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 'C형 바이셀'로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 'A형 바이셀'로 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라고 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라고 한다. 이러한 모노셀 및 바이셀들은 단위셀 양측의 전극의 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극의 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
도 2a 및 도 2b는 스택형 전극 조립체(stack type electrode assembly)에 포함되는 통상적인 구조의 바이셀의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 이를 참조하면, A형 바이셀(A1)은 단위셀 양측에 양극(200a)이 배치되어 있으며, B형 바이셀(B1)은 단위셀 양측에 음극(200b)가 배치되어 있다. 상기 각 바이셀은 일측 최외곽면에 분리막이 배치되어 있는데, 이것은 서로 다른 바이셀을 적층할 때 반대되는 극성이 직접 접촉하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 본 발명에 따른 기능성 전극을 포함하는 바이셀은 통상적인 형태의 바이셀들과 함께 적층되어 스택형 또는 스택/폴딩형 전극 조립체를 형성할 수 있다. 이때 상기 기능성 전극을 포함하는 바이셀은 상기 전극 조립체의 최상단 및/또는 최하단에 배치될 수 있다. 또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전극 조립체에서 상기 기능성 전극은 전극 조립체의 최상부면 또는 최하부면 또는 이들 모두에 배치될 수 있다. 바이셀 및/또는 모노셀이 적층된 전극 조립체는 최종적으로 폴딩 필름으로 외부가 감싸여지는데, 이때 상기 기능성 전극의 기능성 코팅층이 최상단 및/또는 최하단에 위치하고 상기 폴딩 필름과 대면하도록 배치될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시양태에 따른 스택형 전극 조립체를 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 스택형 전극 조립체는 C형 단위셀과 A형 단위셀들이 적층되어 형성된 것으로서, 상기 스택형 전극 조립체에서 최하단과 최상단에는 기능성 전극(100a, 100b)을 포함하는 단위셀이 위치한다.
도 3b 및 도 3c는 상기 최상단에 배치된 단위셀과 최하단에 배치된 단위셀의 단면을 확대하여 도시한 것이다. 도 3b는 도 3a의 A 부분을 확대한 것으로서, 이를 참조하면, 최상단 단위셀은 최상층에 기능성 전극인 양극(100b)이 배치되어 있으며, 상기 기능성 전극의 기능성 코팅층이 상기 단위셀의 최상부면에 위치하여 전극 조립체의 외측을 감싸는 폴딩 필름(340)과 대면한다.
또한, 도 3c를 참조하면 상기 전극 조립체의 최하단 단위셀은 최하층에 기능성 전극이 배치되어 있으며, 상기 기능성 전극의 기능성 코팅층이 상기 단위셀의 최하부면에 위치하여 전극 조립체의 외측을 감싸는 폴딩 필름(340)과 대면한다.
통상적인 전극 제조 공정에 의해 제조된 전극을 사용하여 형성된 스택형 전극 조립체에는 전극 조립체의 최상부층 및 최하부층에 통상적인 전극이 배치된다. 따라서, 최상단과 최하단에 위치하는 전극 활물질층은 대면하는 상대 전극이 없어 전기화학반응에서 배제되므로 실질적으로 사용되지 않으며, 오히려 필요 이상으로 전극 활물질의 사용량이 증가되며, 상기 전극 활물질층이 차지하는 공간만큼 전지의 부피가 증가되는 문제가 있다. 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로서, 상기 최상부층 및 최하부층에 기능성 코팅층을 배치함으로써 전극 활물질의 사용량을 절감할 수 있으며, 전극 활물질이 불필요하게 차지하고 있는 공간에 다른 기능을 부여함으로써 전지의 내부 공간 활용을 극대화할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 기능성 전극은 스택/폴딩형 전극 조립체에 포함되는 단위셀에 포함될 수 있다. 도 4a는 스택/폴딩형 전극 조립체 제조용 C형 바이셀을 도시한 것이며, 4b는 A형 바이셀을 도시한 것이다. 이들을 폴딩 필름으로 외부가 감싸여져 중첩되므로 일측 외부에 분리막이 배치되지 않는 형태로 준비된다.
도 5는 폴딩 필름(340)에 C형(A2, A2') 및 A형 바이셀(B2)을 배치한 상태를 도시한 것이다. 이를 참조하면, 폴딩 필름의 일단부측(D1)에 하나의 바이셀이 위치하고 바이셀의 폭 이상으로 이격된 부분부터 기 배치된 바이셀과 반대 극성의 바이셀을 연속하여 두개씩 배치한다. 이때 각 바이셀 사이는 적절한 간격으로 이격하여 놓아 폴딩 필름이 권취 또는 절곡되면서 바이셀이 전극 조립체 내부로 삽입될 때 바이셀이 적절하 위치에 안정적으로 배치될 수 있도록 하다. 상기 일단부측에서 시작하여 폴딩 필름을 권취하며 폴딩 필름이 1/2회 권취될 마다(즉 1회 절곡될때마다) 단위셀이 하나씩 전극 조립체 내부로 삽입된다. 이러한 방식으로 스택/폴딩형 전극 조립체를 제조하면 폴딩 필름의 일단부측에서 두번째 위치에 배치된 단위셀은 첫번째 위치에 배치된 단위셀의 상측에, 세번째 위치에 배치된 단위셀은 하측에 배치된다. 이러한 방식으로 폴딩 필름을 타측단부까지 권취 또는 절곡하여 스택형 전극 조립체를 형성한다. 상기 타단부측에 배치된 최종 두 개의 단위셀 중 하나는 전극 조립체의 최상단에, 나머지는 최하단에 위치하게 된다. 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 타단부측에 배치된 최종 두 개의 단위셀은 기능성 전극을 포함하는 것(A2')이다.
도 6은 폴딩 필름의 일단부측으로부터 권취하여 조립중인 전극 조립체를 도시한 것이다. 이를 참조하면, 타단부측 최종 2개의 단위셀(A2')은 기능성 전극이 배치되어 있다.
또한, 상기 기능성 전극은 폴딩 필름(340)과 대면하도록 배치되며 바람직하게는 상기 기능성 전극에서 폴딩 필름과 대면하는 층은 기능성 코팅층인 것이다. 도 7은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따라 제조된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 것으로서, 전술한 방법으로 폴딩 필름을 권취한 것이다. 또한, 도 8은 도 7의 C 부분을 확대하여 도시한 것이다. 이에 따르면 전극 조립체의 최하단에 배치된 단위셀은 기능성 전극을 포함하며, 상기 기능성 전극의 기능성 코팅층은 폴딩 필름(340)과 직접 대면하도록 위치되어 있다.
이와 같이 폴딩 필름이 직접 대면하는 층은 대면하는 반대 극성의 전극이 배치되지 않아 전기화학반응에 참여하지 않으므로 이를 기능성 코팅층으로 대체함으로써 전극 활물질의 사용량을 절감하는 효과가 있으며 전극 활물질층을 상기 기능성 코팅층은 부산물 제거 기능이 부가되어 전지 사용 중 부반응에 의한 영향을 저감할 수 있으므로 전지 내부 공간을 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전술한 바와 같이 부산물 제거 기능이 있는 스캐빈져가 전극 활물질과 접촉하지 않음으로 스캐빈져에 의한 전극 활물질의 열화가 방지되고 전기화학반응에 참여하는 전극 활물질층에 스캐빈져가 포함되지 않으므로 활물질층에서 전극 활물질의 함유량을 높일 수 있어 고용량 전지의 설계가 가능하다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막은 음극과 양극 사이의 전기적 접촉을 차단하면서 이온을 통과시키는 이온 전도성 배리어(porous ion-conducting barrier) 역할을 수행하는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막은 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴레페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌과 같은 고분자 수지 중 적어도 어느 하나로 형성된 다공성 기재인 것으로, 다공성 고분자 필름이나 부직포 웹이 포함될 수 있다.
또한, 상기 분리막은 분리막의 내열성을 높이기 위해 무기물 입자와 고분자 수지를 포함하는 내열층이 더 구비될 수 있으며, 바람직하게는 상기 내열층은 분리막의 일측 또는 양측 표면에 형성될 수 있다.
상기 폴딩 필름은 전극 조립체의 외부를 감싸는 방식으로 전극 조립체에 배치되며, 이의 소재는 상기 분리막과 동일할 수 있다. 따라서, 폴딩 필름의 소재에 대해서는 분리막에 대해 기술한 내용을 전부 참조할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공한다. 상기 전기 화학소자는 바람직하게는 리튬 이온 이차 전지인 것이다. 또한, 본 발명은 상기 이차 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈, 및 상기 전지 모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기 자동차(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), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 구현예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 ...기능성 전극, 100a ...기능성 전극 양극, 100b ...기능성 전극 음극
110... 금속층, 130... 전극 활물질층, 120... 기능성 코팅층,
200a...양극, 200b... 음극,
120a, 120b... 기능성 코팅층
110a, 110b... 집전체
130a, 130b... 전극 활물질층
240 분리막
230a, 230b... 전극 활물질층
210a, 210b... 집전체
A2, A2'... C형 바이셀
B2..., A형 바이셀
340... 폴딩 필름

Claims (17)

  1. 금속층, 상기 금속층의 일측면상에 형성된 전극활물질층 및 상기 금속층의 타측면상에 형성된 기능성 코팅층을 포함하며, 상기 기능성 코팅층은 수분, HF 또는 이 둘 모두를 제거하는 기능을 수행하는 스캐빈져(scavenger)를 포함하는 것인, 전기화학소자용 기능성 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제거는 소거, 흡착, 포착 또는 이 중 둘 이상의 기능을 의미하는 것인, 전기화학소자용 기능성 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 전극 집전체의 기능을 수행하는 것인, 전기화학소자용 기능성 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극활물질층은 음극용 전극 활물질 또는 양극용 전극 활물질을 포함하는 것인, 전기화학소자용 기능성 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 음극 또는 양극인 것인, 전기화학소자용 기능성 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 코팅층은 스캐빈져로서 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Al2O3, BaO, CaO, MgO, SiO2, Li2O, MgxAlyOz(x≥0, y≥0, x+y=1, z>0), 실란화합물, 실라잔(silazane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 것인, 전기화학소자용 기능성 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 코팅층의 두께는 5㎛ 내지 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 기능성 전극.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캐빈져는 기능성 코팅층 전체 중량을 기준으로 5 중량% 이상 내지 100중량% 이하로 포함되어 있는 것인 전기화학소자용 기능성 전극.
  9. 복수의 단위셀들이 적층되어 형성되는 스택형 또는 스택 및 폴딩형 전극 조립체이며,
    상기 단위셀은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 상기 단위셀 중 적어도 하나가 제1항 내지 제8항에 따른 기능성 전극을 포함하는 것인, 전극 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극 조립체에서 적층된 단위셀 중 최상부 단위셀, 최하부 단위셀 또는 이들 모두에 상기 기능성 전극이 배치되는 것인, 전극 조립체.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기능성 전극의 기능성 코팅층이 전극 조립체의 최상부면, 최하부면, 또는 이들 모두에 배치되도록 단위셀들이 적층된 것인, 전극 조립체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단위셀은 바이셀(bi-cell) 또는 모노셀(mono-cell)인 것인, 전극 조립체.
  13. 음극, 양극, 상기 음극 및 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    전해액;
    외장 케이스;를 포함하며,
    상기 전극 조립체는 상기 제9항에 따른 것인, 이차 전지.
  14. 제13항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지모듈.
  15. 제14항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
  16. 제15항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.


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