KR20170093376A - 다양한 크기의 전극 탭들을 포함하는 스택 및 폴딩형 전극조립체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법에 있어서,
권취를 위해 분리필름 상에서 전극 단위체들을 위치시킬 때, 권취 개시 부위에 제 1 전극 단위체가 위치시키고 권취 종료 부위에 제 n 전극 단위체가 위치시키며, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취하는 것을 특징으로 하는 제조방법을 제공한다.

Description

다양한 크기의 전극 탭들을 포함하는 스택 및 폴딩형 전극조립체의 제조방법 {Method for Preparation of Stack and Folding-typed Electrode Assembly Having Electrode Taps with Various-Sized}

본 발명은 다양한 크기의 전극 탭들을 포함하는 스택 및 폴딩형 전극조립체의 제조방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 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 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다.

그러나, 이러한 종래의 전극조립체는 몇가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 젤리-롤 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 된다. 상기 전극조립체의 변형으로, 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다. 또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려우므로 생산성이 저하되는 문제점도 가지고 있다.

둘째, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

도 1 및 도 2에는 이러한 풀셀을 기본 단위체로서 사용하는 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조 및 제조 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 단위 셀로서 순차적으로 양극/분리막/음극이 위치되는 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)이 복수 개 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 분리필름(20)이 개재되어 있다. 분리필름(20)은 풀셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 풀셀(10)로부터 시작되어 최외각의 풀셀(14)까지 연속하여 각각의 풀셀을 감싸서 풀셀의 중첩부에 개재되어 있다. 분리필름(20)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(25) 등을 붙여서 마무리한다.

이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 예를 들어, 긴 길이의 분리필름(20) 상에 풀셀들(10, 11, 12, 13, 14 …)을 배열하고 분리필름(20)의 일 단부(21)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다.

이 때, 단위 셀인 풀셀들의 배열 조합을 살펴보면, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 적어도 하나의 풀셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 제 1 풀셀(10)의 외면이 분리필름(20)로 완전히 도포된 후 제 1 풀셀(10)의 하부 전극이 제 2 풀셀(11)의 상부 전극에 접하게 된다.

제 2 풀셀 이후의 풀셀들(11, 12, 13, 14 …)은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름(20)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.

또한, 이러한 풀셀들을 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 제 1 풀셀(10)과 제 2 풀셀(11)은 상부 전극이 양극인 풀셀이고, 제 3 풀셀(12)은 상부 전극이 음극인 풀셀이며, 제 4 풀셀(13)은 풀셀이고, 제 5 풀셀(14)은 상부 전극이 음극인 풀셀로 이루어져 있다. 즉, 제 1 풀셀(10)을 제외하면 상부 전극이 양극인 풀셀과 상부 전극이 음극인 풀셀이 순차적으로 교번되는 배열로 이루어져 있다.

도 3에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 측단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체를 권취하여 제조하기 전에 긴 길이의 분리필름 상에 풀셀들이 배열된 구조를 나타낸 모식적인 평면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 스택/폴딩형 전극조립체(30)는 양극 집전체(41)의 양면에 양극 활물질(42)이 도포되어 있는 양극(40)과 음극 집전체(51)의 양면에 음극 활물질(52)이 도포되어 있는 음극(50)이 분리막(60)을 개재시킨 상태에서 순차적으로 적층되어 있는 구조로 풀셀(44)을 이루고 있고, 도 4에서 나타낸 것과 같이, 동일한 돌출 길이의 전극 탭들(43)이 형성된 풀셀(44) 11개를 긴 길이의 분리필름(70) 상에 배열한 뒤, 긴 길이의 분리필름(70)으로 풀셀들(44)을 권취하여 도 3의 전극조립체를 제조한다.

또한, 도 3의 양극 집전체(41) 및 음극 집전체(51) 각각의 일측 단부에는, 전지(도시하지 않음)의 전극단자를 구성하는 양극리드(80) 및 음극리드(90)에 각각 전기적으로 연결되기 위한 활물질이 도포되어 있지 않은 다수의 양극 탭들(43) 및 음극 탭들(53)이 돌출되어 형성되어 있다. 이때, 양극 탭들(43)과 음극 탭들(53)은 밀집된 형태로 결합되어 양극리드(80)와 음극리드(90)에 각각 연결된다. 이러한 구조는, 양극 탭들과 양극리드의 결합부가 부분 확대도로서 모식적으로 도시되어 있는, 도 5에서 더욱 용이하게 확인할 수 있다. 도 5에서는 설명의 편의를 위하여 양극 탭들과 양극리드의 결합구조만을 도시하였지만, 이러한 구조는 음극 탭들(53)과 음극리드(90)의 결합부에서도 적용된다.

도 3 및 도 5를 함께 참조하면, 양극 탭들(43)은 화살표 방향으로 밀착되어 양극리드(60)에 연결된다. 즉, 양극 탭들(43)은 전극조립체(30) 중간에 위치한 풀셀(45)에 인접해 있는 양극리드(80) 상하면에 결합된다. 따라서, 양극리드(60)를 기준으로, 근거리에 위치하는 전극조립체의 중단에 위치한 풀셀(45)의 양극 탭(46)과 원거리에 위치하는 최상단 풀셀(44)의 양극 탭(43)은, 양극리드(60)와의 거리 차이로 인해 양극 탭들(43)의 결합부(A)에서 길이 차이를 유발한다. 이러한 길이 차이는 음극 탭들(53)과 음극리드(90)의 결합부에서도 발생한다.

이러한 구조로 인하여, 전극조립체는 전극 탭-전극리드의 결합부에서 각각의 탭들이 전극리드에 접촉되는 면적이 서로 상이해 지므로, 필요 이상의 크기로 이루어진 전극리드의 사용이 불가피하다. 이는, 전극리드에 비하여 상대적으로 두께가 매우 얇은 전극 탭들을 고정하기 위하여, 접촉면적이 가장 큰 전극 탭을 기준으로 전극리드의 크기가 결정되기 때문이다. 또한, 이러한 이유로 인하여, 상기와 같은 구조의 전극조립체는 구조적으로 안정성이 떨어지는 문제점도 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전극 탭들을 일방으로 밀착시켜 결합시킨 후 커터 등을 이용하여 균일하게 절단하는 기술을 사용하기도 하지만, 상기와 같은 기술은 절단시 전극 탭들의 단부에 버(burr)가 발생할 수 있으며, 절단공정이 추가되어야 하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 있는 기술 개발의 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, 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법에 있어서, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취할 경우, 전극 탭들의 길이를 균일하게 절단하는 공정을 생략할 수 있어, 제조 시간 및 제조 비용을 절감할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법에 있어서,

권취를 위해 분리필름 상에서 전극 단위체들을 위치시킬 때, 권취 개시 부위에 제 1 전극 단위체가 위치시키고 권취 종료 부위에 제 n 전극 단위체가 위치시키며, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취하는 것을 특징으로 한다.

여기서, "제 1 전극 단위체" 및 "제 n 전극 단위체"는 연속적인 길이의 분리필름의 권취가 개시되는 부위에 가장 가깝게 위치되는 전극 단위체를 "제 1 전극 단위체"로 명명하고, 제 1 전극 단위체를 기준으로 권취가 종료되는 분리필름의 타측 방향으로 위치되는 전극 단위체들을 순서대로 제 2 전극 단위체, 제 3 전극 단위체, 제 4 전극 단위체 등으로 숫자를 매겨 전극 단위체를 명명하고, 권취가 종료되는 부위와 가장 가까운 마지막 숫자의 전극 단위체를 "제 n 전극 단위체"라 명명하였다.

따라서, 본 발명에 따른 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법은, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취함으로써, 상기 전극 탭들을 일방으로 밀착시켜 결합시킨 후 커터 등을 이용하여 길이를 균일하게 절단하는 공정을 생략할 수 있어, 제조 시간 및 제조 비용을 절감할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 단위체들은, 풀셀, 바이셀, 및 양극 또는 음극인 단일 전극으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다.

구체적으로, 상기 풀셀은, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있고, 양면에 반대 극성의 전극들이 위치하는 구조일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 n은 6 내지 30이고, 상기 전극 단위체들은 풀셀들일 수 있다.

또한, 상기 바이셀은, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있고, 양면에 동일한 극성의 전극들이 위치하는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 분리필름 상에서 제 1 전극 단위체와 제 2 전극 단위체는 적어도 하나의 전극 단위체에 대응하는 폭 간격으로 이격되어 있는 구조일 수 있다.

또한, 상기 분리필름을 권취한 상태에서, 제 1 전극 단위체는 전극 단위체들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중앙에 위치하고 있을 수 있다.

또한, 상기 분리필름의 권취를 마무리하기 위해 상기 분리필름을 권취한 후, 분리필름의 말단부를 분리필름의 일부위 상에 부착시키는 과정을 더 수행할 수 있다.

또한, 상기 분리필름의 권취 이후, 전극 단위체들의 전극 탭들의 일측 단부에 전극리드를 결합하는 과정을 더 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 분리필름의 권취 이후, 상기 전극 단위체들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중앙 부위에 전극리드를 위치시킨 상태에서, 상기 전극리드의 양면에 각각 전극 탭들을 결합시키는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 분리필름 상에 배열된 전극 단위체들에서 전극 탭들의 순차적으로 증가하는 돌출 길이는, 상기 전극 탭들이 전극리드에 결합되는 각각의 면적이 제 1 전극 단위체의 전극 탭이 전극리드와 결합된 면적과 동일하도록 설정될 수 있다.

구체적으로, 상기 전극 탭들의 돌출 길이는 전극 단위체들의 적층 방향을 기준으로 전극리드로부터의 이격 거리에 대응하여 순차적으로 길어지는 구조일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제조방법은, 전극 탭들이 전극리드에 결합되는 각각의 면적이 제 1 전극 단위체의 전극 탭이 전극리드와 결합된 면적과 동일하도록, 분리필름 상에 배열된 전극 단위체들에서 전극 탭들의 돌출 길이를 설정함으로써, 전극 탭들의 길이를 균일하게 절단하는 공정을 생략할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극 단위체의 전극 탭을 제외한 나머지 전극 단위체들의 전극 탭들은, 결합 부위가 전극리드에 대면하도록, 적어도 1회 절곡된 결합 구조를 가질 수 있다. 이러한 절곡 구조로 인해 전극 탭과 전극리드의 결합공정의 효율을 높일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 탭들은 양극 탭들 또는 음극 탭들이고, 상기 양극 탭과 음극 탭은 서로 반대 방향으로 전극 단위체의 양측에 돌출되어 있는 구조일 수 있고, 또는 상기 양극 탭과 음극 탭이 동일 방향으로 전극 단위체의 일측에 돌출되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 권취를 위해 분리필름 상에서 전극 단위체들을 위치시키기는 과정 이전에,

(a) 연속적인 길이의 집전체용 시트에 전극 합제가 코팅된 하나 이상의 코팅부와, 전극 합제가 코팅되지 않는 하나 이상의 무지부가 형성되어 있는 전극 가공체를 시트의 길이 방향인 제 1 방향(x축)으로 이송하는 중에 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향(y축)으로 돌출된 전극 탭들이 형성되도록 노칭하는 과정;

(b) 하나의 전극을 구성하는 전극 단위의 크기 별로 전극 가공체를 절취하여 전극을 제조하는 과정;

(c) 상기 (b) 과정에서의 전극들을 절취된 순서대로 적층하는 과정; 및

(d) 적층된 전극들 중 지면을 기준으로 상부에 위치한 전극부터 차례대로 분리필름에 공급하는 과정;

을 더 포함할 수 있고,

상기 (a) 과정에서 형성되는 전극 탭들의 길이가 순차적으로 감소하도록 노칭할 수 있다.

또한, 상기 (a) 과정에서 제 2 방향으로 돌출된 전극 탭들의 길이가 순차적으로 감소하도록 일정 숫자의 전극 탭들을 노칭하다가, 다시 노칭 초기의 전극 탭의 길이로 노칭을 재 시작하는 주기를 가질 수 있다.

또한, 상기 (d) 과정에서 전극 탭 크기가 가장 작은 전극부터 분리필름에 공급될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제조방법은 돌출된 전극 탭들의 길이가 순차적으로 감소하다가, 다시 노칭 초기의 전극 탭의 길이로 노칭을 재 시작하는 주기를 갖도록 전극 탭들을 연속적으로 형성시키고, 절취된 순서대로 적층된 전극들을 상부에 위치한 전극부터 차례대로 분리필름에 공급함으로써, 간단한 방법으로 전극 탭 크기 별로 전극을 선별하여 분리필름에 공급할 수 있는 바, 제조 효율을 향상시키는 효과를 발휘한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 단위체들의 전극 탭들은 프레스 금형 노칭(notching) 또는 레이저 스캐너를 이용한 레이저 노칭으로 형성될 수 있고, 상세하게는, 레이저 노칭으로 형성될 수 있다. 이러한 레이저 노칭은 광학계 스캐너인 레이저 스캐너를 이용하여 소프트웨어상에서 도면 설계만을 수정하는 것만으로 손쉽게 설계변경이 가능하여, 설계 변경에 따른 추가 비용을 감소시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극리드는 금속 플레이트일 수 있고, 상기 금속 플레이트는 예를 들어, 알루미늄 플레이트, 구리 플레이트, 니켈 플레이트, 니켈이 코팅된 구리 플레이트, 및 SUS 플레이트 중에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 전극리드는 전극 탭들과 용접에 의해 결합될 수 있고, 상기 용접은 예를 들어, 초음파 용접, 레이저 용접, 또는 저항 용접일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

구체적으로, 상기 전지셀은 평면상으로 사각형 구조로 이루어지고 제 1 및 제 2 전극 단자들이 평면상 사각형의 양측 대향 실링부들에 형성되어 있을 수 있다.

또한, 상기 전지셀은 양극, 분리막 및 음극을 포함하고 있는 리튬 이차전지일 수 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

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 니켈 산화물(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 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li_1+zNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂, Li_1+zNi_0.4Mn_0.4Co_0.2O₂ 등과 같이 Li_1+zNi_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+xM_1-yM'_yPO_4-zX_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 20 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 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.

또한, 상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 또한, 상기 음극 활물질은 흑연계 탄소, 코크스계 탄소 및 하드 카본으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

본 발명은 또한, 전지셀을 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

상기 전지팩은 예를 들어, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. 상기 디바이스는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법은, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취함으로써, 상기 전극 탭들의 길이를 균일하게 절단하는 공정을 생략할 수 있어, 제조 시간 및 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 발휘한다.

도 1은 종래기술의 풀셀을 기본 단위체로서 사용하는 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조를 나타낸 모식적인 정면도이다;
도 2는 종래기술의 풀셀을 기본 단위체로서 사용하는 스택/폴딩형 전극조립체의 제조 과정을 나타낸 모식적인 정면도이다;
도 3은 종래기술의 긴 길이의 분리필름을 권취한 스택/폴딩형 전극조립체의 구조를 나타낸 모식적인 측단면도이다;
도 4는 종래기술의 스택/폴딩형 전극조립체를 권취하여 제조하기 전에 긴 길이의 분리필름 상에 풀셀들이 배열된 구조를 나타낸 모식적인 평면도이다;
도 5는 종래기술의 스택/폴딩형 전극조립체의 양극 탭들과 양극리드의 결합구조만을 모식적으로 나타낸 확대도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체를 권취하여 제조하기 전에 연속적인 길이의 분리필름 상에 풀셀들이 배열된 구조를 나타낸 모식적인 평면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연속적인 길이의 분리필름을 권취한 스택/폴딩형 전극조립체의 구조를 나타낸 모식적인 측단면도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 양극 탭들과 양극리드의 결합구조만을 모식적으로 나타낸 확대도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체를 권취하여 제조하기 전에 연속적인 길이의 분리필름 상에 풀셀들이 배열된 구조를 모식적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연속적인 길이의 분리필름을 권취한 스택/폴딩형 전극조립체의 구조를 모식적으로 나타낸 측단면도가 도시되어 있다.

도 6 및 도 7을 함께 참고하면, 본 발명에 따른 연속적인 길이의 분리필름(170) 상에 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체(100)를 제조하는 방법은, 권취를 위해 분리필름(170) 상에서 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)을 위치시킬 때, 권취 개시 부위(171)에 제 1 전극 단위체(130)가 위치시키고 권취 종료 부위(172)에 제 11 전극 단위체(144)를 위치시킨다.

또한, 본 발명에 따른 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)은, 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들(146, 153)의 돌출 길이들(L₂, L₃)이 제 1 전극 단위체(130)로부터 제 11 전극 단위체(144)의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취된다.

이때, 이러한 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)을 풀셀들로 설정하였다. 이러한 풀셀(144)은, 하나의 집전체(141) 상에 양극활물질을 포함한 양극 합제(142)가 도포된 양극(140)과 하나의 집전체(151) 상에 음극활물질을 포함한 음극 합제(152)가 도포된 음극(150)을 분리막(160)이 개재되어 있는 상태로 적층한 구조이다. 이때, 풀셀(144)에는 양극 탭(143) 및 음극 탭(153)이 형성되어 있고, 양극 탭(143)과 음극 탭(153)은 서로 반대 방향으로 전극 단위체(144)의 양측에 돌출되어 있는 구조로 형성되어 있다.

이때, 분리필름(170) 상에서 제 1 전극 단위체(130)와 제 2 전극 단위체(131)는 하나의 전극 단위체(130)에 대응하는 폭 간격(L₁)으로 이격되어 있는 구조이다.

한편, 도 7에 도시된 권취가 종료된 스택/폴딩형 전극조립체(100)의 구조에서는, 분리필름(170)을 권취한 상태에서, 제 1 전극 단위체(130)가 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 적층 방향을 기준으로 전극조립체(100)의 중앙에 위치하고 있다.

또한, 분리필름(170)의 권취가 종료된 후, 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 양극 탭들(143)의 일측 단부에 양극리드(180)를 결합하고, 음극 탭들(153)의 일측 단부에 음극리드(190)을 결합하는 공정을 실시한다. 이때, 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 적층 방향을 기준으로 전극조립체(100)의 중앙 부위에 양극리드(180) 및 음극리드(190)를 위치시킨 상태에서, 양극리드(180) 및 음극리드(190)의 양면에 각각 양극 탭들(143) 및 음극 탭들(153)을 결합시킨다.

또한, 분리필름(170) 상에 배열된 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)에서 양극 탭들(143) 및 음극 탭들(153)의 순차적으로 증가하는 돌출 길이들(L₂, L₃)은, 양극 탭들(143)이 양극리드(180)에 결합되는 면적이 제 1 전극 단위체(130)의 양극 탭(146)이 양극리드(180)와 결합된 면적과 동일하도록 설정되고, 음극 탭들(153)이 음극리드(190)에 결합되는 면적이 제 1 전극 단위체(130)의 음극 탭(156)이 음극리드(190)와 결합된 면적과 동일하도록 설정된다.

이러한 설정으로 인해, 양극 탭들(143)의 돌출 길이(L₂)는 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 적층 방향을 기준으로 양극리드(180)로부터의 이격 거리에 대응하여 순차적으로 길어지는 구조로 형성되고, 음극 탭들(153)의 돌출 길이(L₃)는 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 적층 방향을 기준으로 음극리드(190)로부터의 이격 거리에 대응하여 순차적으로 길어지는 구조로 형성되어 있다.

이러한 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 전극 탭들(143, 153)은 레이저 노칭으로 형성되고, 이때, 전극리드들(180, 190)은 금속 플레이트이며, 이러한 전극리드들(180, 190)은 전극 탭들(143, 153)과 레이저 용접에 의해 결합된다.

도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 양극 탭들과 양극리드의 결합구조만을 모식적으로 나타낸 확대도가 도시되어 있다.

도 6 내지 도 8을 함께 참조하면, 제 1 전극 단위체(130) 및 제 2 전극 단위체(131)의 양극 탭들(146, 165)을 제외한 나머지 전극 단위체들(132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)의 양극 탭들(143, 161, 162, 163, 164, 166, 167, 168, 169)은, 결합 부위가 양극리드(180)에 대면하도록, 1회 절곡된 결합 구조를 가지도록 한다. 이러한 절곡 구조로 인해 전극 탭과 전극리드의 결합공정의 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 양극 탭들(143, 161, 162, 163, 164, 166, 167, 168, 169)은 양극리드(180)에 결합되는 각각의 면적(A₃)이 제 1 전극 단위체(130)의 양극 탭(146)이 양극리드(180)와 결합된 면적과 동일하고, 음극 탭들(153)과 음극리드(190)의 결합 구조 또한 마찬가지이다.

도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 탭들이 형성되도록 노칭된 전극 가공체의 모식적인 평면도가 도시되어 있다.

도 6 및 도 9를 함께 참조하면, 앞서 설명한 권취를 위해 분리필름(170) 상에서 전극 단위체들(130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 144)을 위치시키기는 과정 이전에, 연속적인 길이의 집전체용 시트(141)에 전극 합제(142)가 코팅된 코팅부(182)와, 전극 합제(143)가 코팅되지 않는 무지부(183)가 형성되어 있는 전극 가공체(189)를 시트의 길이 방향인 제 1 방향(x축)으로 이송하는 중에, 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향(y축)으로 돌출된 전극 탭들(143)이 형성되도록 노칭하는 (a) 과정을 나타내었다.

이때, 형성되는 전극 탭들(143)의 길이가 순차적으로 감소되도록 노칭된다.

도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 가공체의 전극 탭들의 돌출된 길이를 다양화하기 위한 레이저 노칭 영역을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 9 및 도 10을 함께 참조하면, 레이저 노칭 방식을 사용하여 형성되는 전극 탭들(143)의 길이가 순차적으로 감소되도록 노칭 영역(186)을 설정하였다.

또한, 이러한 노칭 영역(186)은, 전극 탭들(143)의 노칭 시, 제 2 방향(x축)으로 돌출된 전극 탭들(143)의 길이가 순차적으로 감소하도록 일정 숫자의 전극 탭들(143)을 노칭하도록 설정되고, 다시 노칭 초기의 전극 탭의 길이로 노칭을 재 시작하는 주기를 갖는다.

이때, 전극 가공체(189)의 전극 탭들은 레이저 스캐너를 이용한 레이저 노칭으로 형성되고, 이러한 레이저 노칭은 광학계 스캐너인 레이저 스캐너를 이용하여 소프트웨어상에서 도면 설계만을 수정하는 것만으로 손쉽게 설계변경이 가능하여, 설계 변경에 따른 추가 비용을 감소시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 가공체를 하나의 전극을 구성하는 전극 단위의 크기 별로 절취하는 과정을 나타낸 모식적인 평면도가 도시되어 있다.

도 11을 참조하면, 전극 탭들(143)이 형성된 전극 가공체(189)에는 하나의 전극을 구성하는 전극 단위의 크기 별로 전극 가공체(189)를 절취하기 위한 절취 영역(192)이 설정되어 있고, 이 절취 영역(192)에 따라 전극 가공체(189)를 절취하여 전극(도시하지 않음)을 제조한다.

도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 가공체을 절취하여 제조된 전극들을 순서대로 적층하는 과정을 나타낸 모식적인 측단면도가 도시되어 있다.

도 11 및 도 12를 함께 참조하면, 전극 가공체(189)를 절취하여 제조된 전극들(187)을 절취된 순서대로 적층하여 매거진(186)에 수납하였다.

이렇게 적층된 전극들(187) 중 지면을 기준으로 상부에 위치한 전극(188)부터 차례대로 취하여 분리필름(도시하지 않음)에 공급하게 된다.

이때, 전극 탭(185) 크기가 가장 작은 전극(188)부터 분리필름에 공급된다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법은, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취함으로써, 상기 전극 탭들을 일방으로 밀착시켜 결합시킨 후 커터 등을 이용하여 균일하게 절단하는 공정을 생략할 수 있어, 제조 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과를 발휘한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

1. 연속적인 길이의 분리필름 상에 전극 단위체들을 위치시킨 상태에서 권취하여 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하는 방법에 있어서,
   권취를 위해 분리필름 상에서 전극 단위체들을 위치시킬 때, 권취 개시 부위에 제 1 전극 단위체가 위치시키고 권취 종료 부위에 제 n 전극 단위체가 위치시키며, 전극 단위체들의 일측 단부 또는 양측 단부에 형성되어 있는 전극 탭들의 돌출 길이가 제 1 전극 단위체로부터 제 n 전극 단위체의 방향으로 순차적으로 증가하도록 배열한 후, 권취하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 단위체들은, 풀셀, 바이셀, 및 양극 또는 음극인 단일 전극으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 풀셀은, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있고, 양면에 반대 극성의 전극들이 위치하는 구조인 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 n은 6 내지 30이고, 상기 전극 단위체들은 풀셀들인 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 바이셀은, 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있고, 양면에 동일한 극성의 전극들이 위치하는 구조인 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름 상에서 제 1 전극 단위체와 제 2 전극 단위체는 적어도 하나의 전극 단위체에 대응하는 폭 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 권취한 상태에서, 제 1 전극 단위체는 전극 단위체들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 권취 이후, 전극 단위체들의 전극 탭들의 일측 단부에 전극리드를 결합하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극 단위체들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중앙 부위에 전극리드를 위치시킨 상태에서, 상기 전극리드의 양면에 각각 전극 탭들을 결합시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 분리필름 상에 배열된 전극 단위체들에서 전극 탭들의 순차적으로 증가하는 돌출 길이는, 상기 전극 탭들이 전극리드에 결합되는 각각의 면적이 제 1 전극 단위체의 전극 탭이 전극리드와 결합된 면적과 동일하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 전극 탭들의 돌출 길이는 전극 단위체들의 적층 방향을 기준으로 전극리드로부터의 이격 거리에 대응하여 순차적으로 길어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 전극 단위체의 전극 탭을 제외한 나머지 전극 단위체들의 전극 탭들은, 결합 부위가 전극리드에 대면하도록, 적어도 1회 절곡된 결합 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 탭들은 양극 탭들 또는 음극 탭들이고, 상기 양극 탭과 음극 탭은 서로 반대 방향으로 전극 단위체의 양측에 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 권취를 위해 분리필름 상에서 전극 단위체들을 위치시키기는 과정 이전에,
    (a) 연속적인 길이의 집전체용 시트에 전극 합제가 코팅된 하나 이상의 코팅부와, 전극 합제가 코팅되지 않는 하나 이상의 무지부가 형성되어 있는 전극 가공체를 시트의 길이 방향인 제 1 방향(x축)으로 이송하는 중에 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향(y축)으로 돌출된 전극 탭들이 형성되도록 노칭하는 과정;
    (b) 하나의 전극을 구성하는 전극 단위의 크기 별로 전극 가공체를 절취하여 전극을 제조하는 과정;
    (c) 상기 (b) 과정에서의 전극들을 절취된 순서대로 적층하는 과정; 및
    (d) 적층된 전극들 중 지면을 기준으로 상부에 위치한 전극부터 차례대로 분리필름에 공급하는 과정;
    을 더 포함하고 있고,
    상기 (a) 과정에서 형성되는 전극 탭들의 길이가 순차적으로 감소하도록 노칭하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 (a) 과정에서 제 2 방향으로 돌출된 전극 탭들의 길이가 순차적으로 감소하도록 일정 숫자의 전극 탭들을 노칭하다가, 다시 노칭 초기의 전극 탭의 길이로 노칭을 재 시작하는 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 (d) 과정에서 전극 탭 크기가 가장 작은 전극부터 분리필름에 공급되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 단위체들의 전극 탭들은 프레스 금형 노칭(notching) 또는 레이저 스캐너를 이용한 레이저 노칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 제조방법.
18. 제 8 항에 있어서, 상기 전극리드는 전극 탭들과 용접에 의해 결합되고, 상기 용접은 초음파 용접, 레이저 용접, 또는 저항 용접인 것을 특징으로 하는 제조방법.
19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 스택/폴딩형 전극조립체.
20. 제 19 항에 따른 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
21. 제 20 항에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.

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