KR20180035119A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 다른 리튬 이차 전지는, 양극 터미널로 이용 가능한 양극탭이 형성되는 양극 극판, 직렬연결탭이 형성되는 음극 극판과, 양극 극판과 음극 극판 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되는 제1 전극 조립체 및, 상기 제1 전극 조립체와 절연되도록 구비되는 제2 전극 조립체를 포함하고, 상기 제2 전극 조립체는, 직렬연결탭이 형성되는 양극 극판, 음극 터미널로 이용 가능한 음극탭이 형성되는 음극 극판과, 양극 극판과 음극 극판 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되고, 상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 제2 전극 조립체의 직렬 연결탭에 연결되며, 상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는 상기 직렬연결탭에 의해 직렬 구조로 연결될 수 있다.

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 특히 우수한 충방전 특성을 가지는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
전기 및 전자 기술의 발달로 작고 가벼우면서도 다양한 기능을 갖는 휴대형 전자 제품들의 사용이 급속히 증가하고 있다. 휴대형 전자 제품의 동작을 위한 전원 공급 장치로서 배터리가 일반적으로 사용되는데, 충전하여 다시 쓸 수 있는 이차전지가 주로 사용되고 있다.
종래 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(Nicd), 니켈 수소 전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다. 이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
종래 리튬 이차 전지는, 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출하는 활물질을 구비한 양극, 음극과 이들을 전기적으로 분리하는 분리막 및, 상기한 양극과 음극 사이에 개재된 전해액을 구비하고, 양 전극간을 리튬 이온이 왕래함으로써 충방전을 수행한다.
대표적인 음극활물질로는 흑연(Graphite), 실리콘(Silicon) 및 실리콘 복합체(Silicon composite) 그리고 LTO(Lithium Titanium Oxide) 등이 있으며, 양극활물질로는 LCO(Lithium Cobalt Oxide), NMC(Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide), NCA(Lithium Nickel Oxide), LFP(Lithium Iron Phosphite)등이 있다.
음극활물질 중 LTO는 스피넬(spinel) 구조로 이루어져 3D 형태로 리튬 이온의 삽입/탈삽입(intercalation/deintercalation)이 자유로우며 일반적인 흑연의 1차원적 층간 삽입 대비 충전 특성이 매우 우수하다.
LTO는 전위가 1.55V로 형성되어 리튬 플레이팅(Lithium Plating) 현상이 일어나지 않으며 흑연 음극에서 보이는 수명 열화에 따른 리튬 플레이팅으로 인한 안전성 문제가 없고, SEI(Solid Electrolyte Interphase) 피막이 없어 흑연대비 SEI 필름 저항값이 낮아, 앞에 설명한 구조적 특성과 더불어 저온에서의 충방전 특성이 우수하다.
또한, LTO는 충방전 중에 결정 구조의 변화가 거의 없고 이로 인해 충방전 중 극판의 팽창이나 수축이 일어나지 않고 두께가 일정하게 유지되어 흑연과 달리 극판의 마이크로스트럭쳐(microstructure)가 깨짐(crack)이나 박리(delamination) 없이 일정하게 유지되어 흑연 대비 월등한 수명 특성을 보여준다. 여기서, 극판은 활물질과 바인더, 도전제로 이루어진 구조를 말한다.
또한, LTO는 흑연 대비 월등한 열적 기계적 안전성을 가지고 있고, 충방전 시의 전도성 차이로 인해 외부 쇼트나 내부 쇼트시 전위가 낮아지면 물질 자체가 도전성을 잃어 자발적으로 셀 내부를 안전하게 만드는 메커니즘(Mechanism)을 가지고 있어 최악의 상황에도 셀의 발화나 폭발과 같은 현상을 방지할 수 있다.
한편, 흑연 음극 기반의 리튬 이차 전지의 경우에는 리사이클시 리튬 플레이팅에 대한 우려로 폐기 후 소량의 메탈을 재생해내는 방법 밖에 없었으나, LTO 음극 기반의 리튬 이차 전지의 경우에는 리튬 플레이팅에 대한 우려가 없으므로, 리사이클시 안전하게 원하는 금속을 효율적으로 재생함에 다양한 방법이 적용될 수 있고, 수명 특성이 우수하고 NMC, NCA, LCO와 달리 유해금속을 포함하고 있지 않아 환경적으로 큰 메리트가 있다.
다만, LTO 음극 기반의 리튬 이차 전지는, 흑연 음극 대비 비용량이 낮고, 흑연 음극 기반의 리튬 이차 전지와 동일한 양극으로 설계되면, 흑연 음극 기반의 리튬 이차 전지 대비 낮은 에너지 밀도를 가지게 된다.
그리고, 흑연 음극과 다양한 종류의 양극이 결합된 단셀 전지는, 예컨대, LCO 양극과 흑연 음극의 단셀 전지의 경우 대략 3.8V의 평균 전압을 가지고, NMC 양극과 흑연 음극의 단셀 전지의 경우 대략 3.7V의 평균 전압을 가지게 된다.
반면에 LTO 음극과 다양한 종류의 양극이 결합된 단셀 전지는, 예컨대, LCO 양극과 LTO 음극의 단셀 전지의 경우 대략 2.4V의 평균 전압을 가지고, NMC 양극과 LTO 음극의 단셀 전지의 경우 대략 2.3V의 평균 전압을 가지게 된다.
이와 같이 LTO 음극 기반의 단셀 전지는 LTO의 높은 음극 전위로 인해 전지의 전압을 낮추게 되어 일반적인 소형 전지가 가지는 전압 범위 내의 전압을 갖추기 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 종래 전지보다 우수한 충전 특성과 장기수명 특성 그리고 안전성을 갖추고 새로운 형태의 젤리롤 직렬 연결 구조로 소형 전지에서 이용 가능한 정격 전압을 가지는 LTO 음극 기반의 리튬 이차 전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지는, 양극 터미널로 이용 가능한 양극탭이 형성되는 양극 극판, 직렬연결탭이 형성되는 음극 극판과, 양극 극판과 음극 극판 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되는 제1 전극 조립체; 및 상기 제1 전극 조립체와 절연되도록 구비되는 제2 전극 조립체;를 포함하고, 상기 제2 전극 조립체는, 직렬연결탭이 형성되는 양극 극판, 음극 터미널로 이용 가능한 음극탭이 형성되는 음극 극판과, 양극 극판과 음극 극판 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되고, 상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 제2 전극 조립체의 직렬연결탭에 연결되며, 상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는 상기 직렬연결탭에 의해 직렬 구조로 연결될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 각각은 전지 용량 증대를 위해 복수개 구비되고, 복수의 제1 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 서로 적층되어 젤리롤 구조로 형성되고, 복수의 제2 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 서로 적층되어 젤리롤 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 각각은 와인딩되어 젤리롤 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체는, 상기 제2 전극 조립체 상에 적층되도록 배치되며, 상기 제1, 제2 전극 조립체를 수용하는 사각 형상의 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 조립체는 원기둥 형태로 변형되어 내부 원기둥을 구성하고, 상기 제2 전극 조립체는 상기 제1 전극 조립체의 외주를 둘러싸 외부 원기둥을 구성하며, 상기 제1, 제2 전극 조립체를 수용하는 원통 형상의 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 조립체의 양극 극판은, LFP, NMC, NCA, LCO 양극활물질 중에서 어느 하나의 양극활물질이 도포되는 양극 집전체를 구비하고, 상기 제1 전극 조립체의 양극탭은, 상기 양극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제1 전극 조립체의 양극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성되고, 양극 리드탭과 연결되어 양극 터미널로 이용될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체의 음극 극판은, LTO 음극활물질이 도포되는 음극 집전체를 구비하고, 상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 음극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제1 전극 조립체의 음극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭과 상기 제1 전극 조립체의 양극탭은, 서로 겹치지 않도록 구성될 수 있다.
상기 제2 전극 조립체의 양극 극판은, LFP, NMC, NCA, LCO 양극활물질이 도포되는 양극 집전체를 구비하고, 상기 제2 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 양극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제2 전극 조립체의 양극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭과 상기 제2 전극 조립체의 직렬연결탭은, 서로 겹쳐져서 상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 제2 전극 조립체의 음극 극판은, LTO 음극활물질이 도포되는 음극 집전체를 구비하고, 상기 제2 전극 조립체의 음극탭은, 상기 LTO 음극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제2 전극 조립체의 음극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성되고, 음극 리드탭과 연결되어 음극 터미널로 이용될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체의 양극탭과 상기 제2 전극 조립체의 음극탭은, 서로 겹치지 않도록 구성될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체의 음극 극판, 상기 제1 전극 조립체의 양극 극판, 상기 제2 전극 조립체의 음극 극판 및, 상기 제2 전극 조립체의 음극 극판 각각은, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 구리를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는, LFP 양극활물질과 LTO 음극활물질을 이용하여 셀프 밸런싱되어 서로 간의 임밸런싱을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지에 의하면, 두 개의 전극 조립체를 새로운 형태의 직렬구조를 통해 연결함으로써, 낮은 전압으로 인해 사용에 제약이 있었던 LTO 음극을 이용 가능하고, 이를 통해 종래 흑연기반 이차 전지보다 우수한 충전 및 저온 특성을 가지며, 안전성 문제를 해결할 수 있어 극한 환경에서의 사용성을 넓히는 동시에, 소형 전지로 이용 가능한 정격 전압을 가질 수 있다.
또한, 두 개의 전극 조립체가 LFP 양극과 LTO 음극을 사용함으로써, 단전지내에서 두 개의 전극 조립체를 직렬로 연결시 생기는 문제점인 전해액 산화와 전극 조립체 사이의 임밸런싱 문제 등을 해결 가능하다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 평면도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 제1 전극 조립체가 분해된 상태를 보여주는 제1 분해 부분 평면도이다.
도3은 도2의 제1 전극 조립체의 부분 단면도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 제2 전극 조립체가 분해된 상태를 보여주는 제2 분해 부분 평면도이다.
도5는 도4의 제2 전극 조립체의 부분 단면도이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 적층(Stacking)구조의 제1 전극 조립체와 제2 전극 조립체로 구성된 각형(파우치 또는 메탈 케이스) 형태의 리튬 이차 전지의 평면도이다.
도7은 본 발명의 실시 예에 따른 와인딩 구조의 제1 전극 조립체와 제2 전극 조립체로 구성된 각형(파우치 또는 메탈 케이스) 형태의 리튬 이차 전지의 단면도 및 사시도이다.
도8은 본 발명의 실시 예에 따른 원통 형태의 리튬 이차 전지의 사시도이다.
도9는 본 발명의 실시 예에 따른 제1, 제2 전극 조립체 간의 셀프 밸런싱 개념을 보여주는 그래프이다.
도10은 LTO와 흑연의 충전속도에 따른 충전율을 보여주는 그래프이다.
도11은 종래 이차 전지와 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 온도에 따른 방전 특성을 보여주는 그래프이다.
도12는 종래 이차 전지와 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 열폭주 성능을 보여주는 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시 예에 한정되는 것이 아니다. 그리고 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도1을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는, 우수한 충방전 특성 및 소형 전지로 이용 가능한 정격 전압을 가지는 것으로서, 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는, 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120) 각각이 LFP 양극활물질을 포함한 슬러리를 코팅한 전극과 LTO 음극활물질을 포함한 슬러리를 코팅한 전극을 구비하고, 서로 절연되도록 분리막을 사이에 두고 적층되되 각각의 직렬 연결탭(aT1, cT2)을 통해 새로운 형태의 직렬 구조로 서로 연결됨으로써, LTO 음극활물질을 이용함에도 일반적인 전자기기(Consumer electronics)에 이용가능한 정격 전압(3.5~3.9V)을 가질 수 있으며 저온, 충전, 수명 특성이 우수하며, 리튬 타이타네이트(Lithium Titanate)의 안정한 구조와 리튬 석출(Lithium plating)이 일어나지 않는 전기화학적 특성으로 인해 열적 기계적 남용시 발생할 수 있는 폭발 위험을 최소화시킬 수 있다.
먼저 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)에 새로운 형태의 직렬 구조가 적용된 이유에 대해 설명하고, 이후 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 구성에 대해 상세 설명한다.
병렬로 두 개의 전극 조립체를 연결하여 단셀을 만드는 구조는 일반적으로 알려져 사용되고 있으나 직렬로 연결하는 구조는 리튬 이온 전지에서 시행하지 않고 있는데, 이는 아래와 같은 두가지 심각한 문제가 있기 때문이다.
첫째, 일반적으로 널리 사용되는 카보네이트(Carbonate) 용매 기반의 전해액(Ethylene carbonate, Propylene carbonate, Dimethyl carbonate, Diethyl carbonate, Ethylmethyl carbonate 등)의 경우에는, 4.6V가 넘는 전압에서 분해되는 특성이 있다. 이를 해결하기 위해서는 고체 전해액이나 새로운 이오닉리퀴드(ionic liquid)의 사용이 필요한데 이온 전도도가 떨어지고 사용할수 있는 환경의 제약이 있어 카보네이트 기반 용매를 대체할 수 있는 전해액 시스템은 아직 발견되지 않고 있다. 흑연을 음극으로 쓰는 하나의 전극 조립체(젤리롤)는 어떤 양극시스템을 적용하더라도 보통 3.3V 이상의 전압을 가지며 직렬로 다른 전극 조립체(젤리롤)와 연결될 경우 6.6V 이상의 전압을 가지므로 일반적인 전해액 시스템에서는 사용할수 없게 된다.
둘째, 두 개의 전극 조립체를 직렬 구조로 연결하는 경우 생기는 임밸런싱(imbalancing) 문제이다. 일반적인 LCO/Graphite 또는 NMC/Graphite를 이용하여 직렬구조 전지를 만들경우 두 젤리롤(전극조립체)간 임밸런싱 문제로 각각의 젤리롤의 전압의 차이가 발생할수 있으며 이는 하나의 젤리롤을 항상 과충전 또는 과방전하게 만들어 결국 전체 단전지의 열화를 가속화되게 된다.
도면 9에서 일반적인 NMC/Graphite 셀의 경우 0.2V의 충전 차이로 인해 20% 충전 용량 차이가 나는 것을 알 수 있다. 전지 내부에 두 개의 전극 조립체가 직렬로 연결되어 있어 임밸런싱을 억제할 추가적인 외부보호 회로를 전지내에 구성하기에도 어려움이 있으며 케미컬 셔틀 (chemical Shuttle)과 같은 화학적인 방법으로 전극 조립체(젤리롤) 각각의 과충전과 과방전을 케미컬 셔틀의 산화와 환원으로 억제할수는 있으나 현재 사용 가능한 케미컬 셔틀의 사용범위는 4V를 넘지 못하고 기타 성능을 열화시킬 수 있는 문제점이 있다.
또한 두개의 전극 조립체(젤리롤)을 연결할 시 병렬로는 구조가 간단하나 직렬로 연결시는 구조가 복잡해져 일반적인 전극형태로 직렬구조를 만들기에는 어려움이 있었다.
본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 새로운 형태의 직렬 구조가 적용되어 상기한 두 가지 문제점들과 직렬구조 연결시 구조적 복잡함을 해소한 것이다.
즉 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는, LTO 음극활물질과 LFP 양극활물질을 구비하는 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)가 적층되도록 구비되고, 새로운 형태의 직렬 구조로 서로 연결됨으로써, 일반적인 소형 전지로 이용 가능한 대략 4.4V 이내, 바람직하게 3.6~3.9V의 정격 전압을 가지게 되며, 종래 이차 전지보다 우수한 충전 및 저온 특성과 장수명 그리고 기계적 열적 안전성을 가지며 또한 단전지로 일반적 전자기기(Consumer electronics)에 이용 가능하다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는, 충방전 말단에서 급격한 전위 변화를 일으키는 LFP, LTO 물질 특성을 이용한 자가 전위 조절 특성으로 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120) 간 전압 차이를 최소화하며 두 전극 조립체(젤리롤)간 전위 균형을 계속적으로 유지할 수 있다. 도면 9 그래프에서 보듯이 NMC/Graphite 셀 대비 충전 및 방전시 두 전극 조립체 (젤리롤)간 전위 차이로 인한 용량 차이를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는, 단순히 두 개의 단전지가 직렬 구조로 연결되는 것과 대비하면, 양극/음극 터미널 탭 단자와 케이스를 이루는 파우치 또는 메탈의 양이 줄어들어 원가 절감이 가능하고, 대략 3% 정도의 에너지 밀도가 증가하는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 기존의 생산 공정을 통해 제작될 수 있으며, 제작시 추가 부품이나 기기가 필요 없고, 와인딩 방식과 스태킹 방식 모두를 통해 제작될 수 있다.
이하 도2 내지 도5를 참고하여 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)의 구성에 대해 상세 설명한다.
먼저 도2 및 도3을 참고하여 제1 전극 조립체(110)의 구성에 대해 상세 설명한다. 도2의(a)는 제1 전극 조립체(110)의 양극 극판(111: cathode electrode)의 평면도이고, 도2의(b)는 제1 전극 조립체(110)의 음극 극판(113: anode electrode)의 평면도이며, 도2의(c)는 제1 전극 조립체(110)의 양극 극판(111)과 음극 극판(113)이 적층된 상태를 보여주는 평면도이다. 도3은 제1 전극 조립체(110)의 단면도이다.
제1 전극 조립체(110)는, 양극 극판(111), 음극 극판(113), 분리막(115)을 포함하여 구성될 수 있다.
도2의(a)에서, 양극 극판(111)의 좌측면에는 양극탭(cT1)이 돌출 형성될 수 있다. 여기서, 양극탭(cT1)은 양극 극판(111)의 좌측면에서 상측(도3 기준)에 치우쳐 형성될 수 있다.
도2의(b)에서, 음극 극판(113)의 좌측면에는 직렬연결탭(aT1)이 돌출 형성될 수 있다. 여기서, 직렬연결탭(aT1)은 음극 극판(113)의 좌측면 중앙 부분에 형성될 수 있다. 직렬연결탭(aT1)은 양극탭(cT1)보다 크기가 작게 형성되는 것이 바람직하다.
도2의(c)에서, 양극 극판(111)과 음극 극판(113)이 적층된 상태를 확인할 수 있다. 여기서, 양극탭(cT1)과 직렬 연결탭(aT1)은 서로 겹치지 않는다. 양극 극판(111)과 음극 극판(113) 사이에는 분리막(115)이 구비되어 양극 극판(111)과 음극 극판(113)을 절연시킬 수 있다. 이는 도3에서 확인 가능하다.
도3을 참고하면, 제1 전극 조립체(110)의 적층 구조를 확인할 수 있다. 양극 극판(111)은 양극 집전체(111a)와 양극탭(cT1)을 포함할 수 있다. 양극 집전체(111a)는 양극 극판(111)의 몸체를 구성하는 부분으로서, 도2에서 본 바와 같이 사각 판 형상으로 형성될 수 있다. 양극 집전체(111a)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 재질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
양극 집전체(111a)의 하면 및 상면에는 LFP 양극활물질(111b)을 포함한 슬러리(양극활물질, 바인더, 도전제가 용매에 분산된 형태)가 도포될 수 있다. 여기서, LFP 양극활물질(111b)은 리튬인산철(LiFePO4) 활물질을 말한다. LFP 양극활물질(111b)은 일반적으로 리튬 이차 전지의 양극을 형성하는 물질로서 이에 대한 상세 설명은 생략한다. 또한 LFP 양극활물질(111b)은 NMC, NCA, LCO, LMO 양극활물질 중 어느 하나로 대체 가능하다.
양극탭(cT1)은 양극 집전체(111a)의 좌측면(도3 기준)으로부터 연장되어 형성될 수 있다. 양극탭(cT1)은 양극 집전체(111a)와 동일한 재질로 구성될 수 있다. 양극탭(cT1)은 양극활물질이 도포되지 않는다. 양극탭(cT1)은 별도의 전도성 접속 부품인 리드 탭(Lead Tab)과 연결되어 리튬 이차 전지(100)의 양극 터미널로 활용될 수 있다.
음극 극판(113)은 음극 집전체(113a)와 직렬연결탭(aT1)을 포함할 수 있다. 음극 집전체(113a)는 음극 극판(113)의 몸체를 구성하는 부분으로서, 양극 집전체(111a)와 동일한 사각 판 형상으로 형성될 수 있다. 음극 집전체(113a)는 알루미늄, 구리, 또는 스테인레스 스틸 재질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
음극 집전체(113a)의 하면 및 상면에는 LTO 음극활물질을 포함한 슬러리(음극활물질, 바인더, 도전제가 용매에 분산된 형태)(113b)가 도포될 수 있다.
여기서, LTO 음극활물질(113b)은 리튬티타늄산화물(Li4Ti5O12)을 말한다. LTO 음극활물질(113b)은 앞서 설명한 바 있으므로, 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
직렬연결탭(aT1)은 음극 집전체(113a)의 좌측면(도3 기준)으로부터 연장되어 형성될 수 있다. 직렬연결탭(aT1)은 음극 집전체(113a)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 직렬연결탭(aT1)은 음극활물질이 도포되지 않는다. 직렬연결탭(aT1)은 양극탭(cT1)과 겹치지 않도록 형성될 수 있다. 직렬연결탭(aT1)은 양극탭(cT1)보다 크기가 작게 형성되는 것이 바람직하다. 직렬연결탭(aT1)은 제2 전극 조립체(120)의 직렬연결탭(aT2)과 직접적으로 연결되어, 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)를 새로운 형태의 직렬 구조로 연결시키는 역할을 수행한다.
분리막(115)은 양극 극판(111)과 음극 극판(113) 사이에 구비되어 양극 극판(111)과 음극 극판(113)을 절연시킬 수 있다. 즉 분리막(115)은 양극 집전체(111a) 하면의 LFP 양극활물질(111b)과 음극 집전체(113a) 상면의 LTO 음극활물질(113b) 사이에 구비될 수 있다.
분리막(115)은 전기적으로 양극 극판(111)과 음극 극판(113)을 분리시키며 내부 기공을 통해 리튬 이온을 통과시킬 수 있다. 분리막(115)은 보통 Polyolefine계(폴리에틸렌, 폴리프로필렌) 물질 또는 부직포를 이용하여 제작되며, 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리 에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
도4 및 도5를 참고하여 제2 전극 조립체(120)의 구성에 대해 상세 설명한다. 도4의(a)는 제2 전극 조립체(120)의 양극 극판(121)의 평면도이고, 도4의(b)는 제2 전극 조립체(120)의 음극 극판(123)의 평면도이며, 도4의(c)는 제2 전극 조립체(120)의 양극 극판(121)과 음극 극판(123)이 적층된 상태를 보여주는 평면도이다. 도5는 제2 전극 조립체(120)의 단면도이다.
제2 전극 조립체(120)는, 양극 극판(121), 음극 극판(123), 분리막(125)을 포함하여 구성될 수 있다.
도4의(a)에서, 양극 극판(121)의 좌측면에는 직렬연결탭(cT2)이 돌출 형성될 수 있다. 여기서, 연결탭(cT2)은 양극 극판(121)의 좌측면에서 중앙에 형성될 수 있다.
도4의(b)에서, 음극 극판(123) 좌측면에는 음극탭(aT2)이 돌출 형성될 수 있다. 여기서, 음극탭(aT2)은 음극 극판(123)의 좌측면에서 하측(도4 기준)에 치우쳐 형성될 수 있다. 음극탭(aT2)은 직렬연결탭(cT2)보다 크기가 크게 형성되는 것이 바람직하다.
제4의(c)에서, 양극 극판(121)과 음극 극판(123)이 적층된 상태를 확인할 수 있다. 여기서, 직렬연결탭(cT2)과 음극탭(aT2)은 서로 겹치지 않는다. 양극 극판(121)과 음극 극판(123) 사이에는 분리막(125)이 구비되어 양극 극판(121)과 음극 극판(123)을 절연시킬 수 있다. 이는 도5에서 확인 가능하다.
도5를 참고하면, 제2 전극 조립체(120)의 적층 구조를 확인할 수 있다. 양극 극판(121)은 양극 집전체(121a)와 직렬연결탭(cT2)을 포함할 수 있다. 양극 집전체(121a)는 양극 극판(121)의 몸체를 구성하는 부분으로서, 도4에서 본 바와 같이 사각 판 형상으로 형성될 수 있다. 양극 집전체(121a)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 재질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
양극 집전체(121a)의 하면 및 상면에는 LFP 양극활물질(121b)을 포함한 슬러리(양극활물질, 바인더, 도전제가 용매에 분산된 형태)가 도포될 수 있다. 여기서, LFP 양극활물질(121b)은 제1 전극 조립체(110)의 양극 집전체(111a)에 도포되는 LFP 양극활물질(111b)과 동일하며, 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
직렬연결탭(cT2)은 양극 집전체(121a)의 좌측면(도5 기준)으로부터 연장되어 형성될 수 있다. 직렬연결탭(cT2)은 양극 집전체(121a)와 동일한 재질로 구성될 수 있다. 직렬연결탭(cT2)은 양극활물질이 도포되지 않는다. 직렬연결탭(cT2)은 제1 전극 조립체(110)의 직렬연결탭(aT1)과 겹쳐져 접합될 수 있으며, 제2 전극 조립체(120)와 제1 전극 조립체(110)를 전기적으로 직렬 연결시킬 수 있다.
음극 극판(123)은 음극 집전체(123a)와 음극탭(aT2)을 포함할 수 있다. 음극 집전체(123a)는 음극 극판(123)의 몸체를 구성하는 부분으로서, 양극 극판(121)과 동일한 사각 판 형상으로 형성될 수 있다. 음극 집전체(123a)는 알루미늄, 구리 또는 스테인레스 스틸 재질을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
음극 집전체(123a)의 하면 및 상면에는 LTO 음극활물질(123b)을 포함한 슬러리(음극활물질, 바인더, 도전제가 용매에 분산된 형태)가 도포될 수 있다. 여기서, LTO 음극활물질(123b)은 제1 전극 조립체(110)의 음극 집전체(113a)에 도포되는 LTO 음극활물질(113b)과 동일하며, 이에 대한 상세 설명은 생략한다.
음극탭(aT2)은 음극 집전체(123a)의 좌측면으로부터 연장되어 형성될 수 있다. 음극탭(aT2)은 음극 집전체(123a)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 음극탭(aT2)은 음극활물질이 도포되지 않는다. 음극탭(aT2)은 직렬연결탭(cT2)과 겹치지 않도록 형성될 수 있다. 음극탭(aT2)은 직렬연결탭(cT2)보다 크기가 크게 형성되는 것이 바람직하다. 음극탭(aT2)은 별도의 전도성 접속 부품인 리드 탭(Lead tab)과 연결되어 리튬 이차 전지(100)의 음극 터미널로 활용될 수 있다.
분리막(125)은 양극 극판(121)과 음극 극판(123) 사이에 구비되어 양극 극판(121)과 음극 극판(123)을 절연시킬 수 있다. 즉 분리막(125)은 양극 집전체(121a) 하면의 LFP 양극활물질(121b)과 음극 집전체(123a) 상면의 LTO 음극활물질(123b) 사이에 구비될 수 있다. 분리막(125)은 앞서 설명한 바 있는 제1 전극 조립체(110)의 분리막(115)과 동일한 재질로 구성될 수 있다.
도6을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 적층(Stacking)구조의 제1 전극 조립체와 제2 전극 조립체로 구성된 각형(파우치 또는 메탈 케이스) 형태의 리튬 이차 전지의 평면도를 확인할 수 있다.
제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)는 전극 조립체 분리막(미도시)을 사이에 두고 적층될 수 있다. 이때 제1 전극 조립체(110)의 양극 극판(111)은 최상단에 배치된다.
제1 전극 조립체(110)의 양극탭(cT1)과 제2 전극 조립체(120)의 직렬연결탭(cT2)이 겹쳐져 접합될 수 있고, 이를 통해 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)가 새로운 형태의 직렬 구조로 연결된다.
사각 형상의 케이스(P)는 제1 전극 조립체(110), 제2 전극 조립체(120)와 전극 조립체 분리막을 수용할 수 있다. 여기서, 사각 형상의 케이스(P)는 파우치, 메탈캔 등을 포함할 수 있다.
양극탭(cT1)은, 별도의 전도성 접속 부품인 리드 탭(lead tab)과 연결되어 사각 형상의 케이스(P) 외부에 돌출 배치될 수 있으며, 리튬 이차 전지(100)의 양극 터미널로 이용될 수 있다. 또한 음극탭(aT2)은 별도의 전도성 접속 부품인 리드 탭(lead tab)과 연결되어 사각 형상의 케이스(P) 외부에 돌출 배치될 수 있으며, 리튬 이차 전지(100)의 음극 터미널로 이용될 수 있다. 사각 형상의 케이스(P) 내부에는 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 액체 전해질 또는 폴리머 등의 Gel 형태의 전해액 또는 고체 전해질이 구비될 수 있다.
한편, 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120) 각각은 전지 용량 증대를 위해 젤리롤 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 젤리롤 구조는 두 가지 방식에 의해 형성될 수 있다.
첫번째는, 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120) 각각이 복수개 구비되고, 복수의 제1 전극 조립체(110)가 분리막을 사이에 두고 서로 적층되어 젤리롤 구조로 형성되고, 복수의 제2 전극 조립체(120)가 분리막을 사이에 두고 서로 적층되어 젤리롤 구조로 형성되는 것이다. 이후 젤리롤 구조의 제1 전극 조립체(110)가 전극 조립체 분리막을 사이에 두고 젤리롤 구조의 제2 전극 조립체(120) 상에 적층되면, 상기한 바 있는 각형(파우치 또는 메탈 케이스) 형태의 리튬 이차 전지(110)가 완성된다.
두번째 젤리롤 구조는 하기 도7을 통해 확인할 수 있다.
도7을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 와인딩 구조의 제1 전극 조립체와 제2 전극 조립체 및, 각형(파우치 또는 메탈 케이스) 형태의 리튬 이차 전지의 단면도 및 사시도를 확인할 수 있다.
도7의(a)는 와인딩 구조의 제1 전극 조립체의 단면도와 사시도이고, 도7의(b)는 와인딩 구조의 제2 전극 조립체의 단면도와 사시도이며, 도7의(c)는 제1 전극 조립체가 제2 전극 조립체 상에 적층된 각형 형태의 리튬 이차 전지의 사시도이다.
도7의 (a)에서 제1 전극 조립체(110)는 와인딩되어 젤리롤 구조를 형성하고, 도7의 (b)에서 제2 전극 조립체(120)는 와인딩되어 젤리롤 구조를 형성한다.
도7의 (c)에서 리튬 이차 전지(100)는, 제1 전극 조립체(110)가 제2 전극 조립체(120) 상에 적층되고, 직렬연결탭(aT1, cT2)이 서로 결합되어 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)가 직렬 구조로 연결됨으로써 최종 완성될 수 있다. 이때 제1 전극 조립체(110)의 양극탭(cT1)은 리드 탭(L1)과 연결되어 양극 터미널로 이용되고, 제2 전극 조립체(120)의 음극탭(aT2)은 리드 탭(L2)과 연결되어 음극 터미널로 이용된다.
도8을 참고하면, 원통(Cylindrical) 형태의 리튬 이차 전지(100)를 확인할 수 있다. 도8의 (a)는 원통 형태의 리튬 이차 전지(100)의 내부 원기둥을 구성하는 제1 전극 조립체(110)의 사시도이고, 도8의 (b)는 원통 형태의 리튬 이차 전지(100)의 외부 원기둥을 구성하는 제2 전극 조립체(120)의 사시도이며, 도8의(c)는 원통 형태의 리튬 이차 전지(100)의 사시도이다.
도8의(a)에서 제1 전극 조립체(110)는 맨드릴(Mandril)을 이용하여 양극 극판, 음극 극판 및 분리막을 잡고 와인딩 처리함으로써 내부 원기둥으로 형성될 수 있다.
도8의(b)에서 제2 전극 조립체(120)는, 제1 전극 조립체(120)의 외주를 감싸도록 양극 극판, 음극 극판 및 분리막이 와인딩 처리됨으로써 외부 원기둥으로 형성될 수 있다.
도8의(c)에서 원통 형태의 리튬 이차 전지(100)는, 내부 원기둥인 제1 전극 조립체(110)를 외부 원기둥인 제2 전극 조립(120)가 둘러싸 결합되고, 직렬연결탭(aT1, cT2)이 서로 결합되어 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)가 직렬 구조로 연결됨으로써 최종 완성될 수 있다.
여기서, 제2 전극 조립체(120)의 음극탭(aT2)은 제1 전극 조립체(110)의 양극탭(cT1), 제1 전극 조립체의 직렬연결탭(aT1) 및, 제2 전극 조립체(120)의 직렬연결탭(cT2)이 형성된 방향과 반대 방향에 형성될 수 있다.
즉 제1 전극 조립체(110)의 양극탭(cT1), 제1 전극 조립체(110)의 직렬연결탭(aT1) 및, 제2 전극 조립체(120)의 직렬연결탭(cT2)은, 원통 형태의 리튬 이차 전지(100)의 상단 부분에 돌출되도록 배치될 수 있고 제1 전극 조립체(110)의 양극탭(cT1)은 상부 캡어세이(Cap assy')와 연결되어 전지의 양극 터미널을 형성한다. 제2 전극 조립체(120)의 음극탭(aT2)은 원통 형태의 리튬 이차 전지(100)의 하단 부분에 돌출되도록 배치되어 원통형 메탈켄에 하부와 연결되어 메탈켄 자체가 음극 전위를 형성하도록 하며 상부 캡과 하부의 메탈켄은 절연 플라스틱으로 절연되어 양극 및 음극 터미널을 전기적으로 절연시킬수 있다.
한편, 원통 형태의 리튬 이차 전지(100) 상단 및 하단에는 제1 전극 조립체(110)의 양극탭(cT1), 제1 전극 조립체(110)의 직렬연결탭(aT1), 제2 전극 조립체(120) 직렬연결탭(cT2) 및, 제2 전극 조립체(120)의 음극탭(aT2)을 보호할 수 있도록 원형의 보호캡(미도시)이 결합될 수 있다.
도9는 본 발명의 실시 예에 따른 제1, 제2 전극 조립체 간의 셀프 밸런싱 개념을 보여주는 그래프이다.
도9를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100:S2 Cell(LFP/LTO))의 제1, 제2 전극 조립체(110, 120) 간 임밸런싱(Imbalancing)을 억제하고, 셀프 밸런싱(Self-balancing)의 개념을 보여주고 있다.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 셀프 밸런싱 특성에 대해 종래 NMC/Graphite 이차 전지와 비교 설명한다.
먼저, 종래 NMC/Graphite 이차 전지의 경우, 0.2V 전압 차이(voltage difference)로 인해 20%의 충전 용량 차이(capacity difference)가 난다. 반면에, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 경우, 0.2V 전압 차이로 인해 2%의 충전 용량 차이가 난다. 이는 충전 말단 구간에서의 급격한 전위 변화로 충전량 차이를 최대한 억제하는 셀프 밸런싱이 일어남을 보여준다.
또한, 종래 NMC/Graphite 이차 전지의 경우, 0.1V 전압 차이로 인해 27%의 방전 용량 차이가 난다. 반면에, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 경우, 0.1V 전압 차이로 인해 1% 미만의 방전 용량 차이가 난다. 이는 방전 말단 구간에서 셀프 밸런싱이 일어남을 보여준다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 충전 및 방전시 말단에서 셀프 밸런싱이 일어나서, 종래 NMC/Graphite 이차 전지 대비 두 전극 조립체(젤리롤)간 전압 차이로 인한 용량 차이를 최소화할 수 있다.
이하 표1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 상세 사양에 대해 설명한다.
전지 종류
(Battery Type)		 종래 기술(Current Technology) 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지
리튬 코발트 산화물
(Lithium cobalt Oxide)		 리튬 니켈망간코발트
(Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide)		 리튬 이온인산
(Lithium Iron Phosphate)		 리튬 타이타 네이트
(Lithium Titanate
정격 전압
(Nominal voltage)		 3.8V 3.7V 3.3V 1.9V 3.8V
충전 속도
(Charge Rate)		 0.7C 0.7C 1C 5C 5C
충방전 수명(cycle life) 500 ~ 1,000 회 1,000 ~ 2,000회 1,000 ~ 2,000회 3,000 ~ 7,000회 3,000 ~ 7,000회
열폭주
(Thermal Runaway)		 150°C 190°C 230°C >300°C >300°C
응용분야
(Application)		 모바일, 태블릿, 랩탑, 카메라 모바일 디바이스, 전기차, 산업용 전지 전기차, 전기바이크, 산업용 전지 전기저장 시스템
(ESS),
전기차, 태양열 전지		 전기 저장 시스템(ESS), 태양열 전지, 전기차, 전기 바이크, 산업용전지
표1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 제1 전극 조립체(110)의 직렬연결탭(aT1)과 제2 전극 조립체(120)의 직렬연결탭(cT2)이 직접적으로 연결되는 새로운 형태의 직렬 구조로 구성됨으로써, LTO와 LFP 각각을 음극활물질과 양극활물질로 이용할 시 발생되는 각종 문제점을 해결할 수 있고, 이를 통해 종래 LTO 음극활물질을 이용한 리튬 이차 전지의 낮은 정격 전압(1.9~2.4V) 문제를 해결할 수 있는 높은 정격 전압(3.8V)을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 종래 어느 종류의 이차 전지보다 빠른 충전 속도(예컨대, 5C)를 가질 수 있으며 또한 저온에서도 월등한 충전 성능을 가지며, 기존 이차 전지보다 최소 3배 이상의 수명 특성을 가질 수 있으며 300도 이상의 고온에서도 열폭주를 보이지 않는 안전성을 보여준다.
이하 도10 에서 도12를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)와 종래 이차 전지의 성능에 대해 비교 설명한다.
도10은 이차 전지의 음극활물질로 활용되는 LTO와 흑연(Graphite)의 충전속도에 따른 충전율(Capacity Retention)을 보여주는 그래프이다.
도10의 그래프에서, LTO와 흑연은 저율의 충전시(0.5C 이하), 비전류(specific current)가 100 mA/g 이하로 흐르는 경우 서로 유사한 충전율을 가지게 되나, 고율의 전류로 충전시(2C 이상), 급격한 충전율 차이를 보이며, 비전류가 1000 mA/g 이상으로 흐를 경우 7배의 이상의 충전율 차이를 보여준다. 이와 같이 급속 충전의 문제를 해결하기 위한 이차 전지의 경우 본 발명의 전지를 이용할 경우 개선이 가능하다.
도11은 종래 이차 전지와 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 온도에 따른 방전 특성을 보여주는 그래프이다. 여기서, 종래 이차 전지는 NMC/Graphite 이차 전지, LFP/Graphite 이차 전지, NMC/LTO 이차 전지를 예로 든다.
도11의 그래프에서, NMC/Graphite 이차 전지, LFP/Graphite 이차 전지, NMC/LTO 이차 전지 및 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(LFP/LTO)는 상온부근에서 100%에 가까운 방전율을 보이고, 저온으로 갈수록 방전성능이 떨어지게 된다. 이때 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(LFP/LTO)는 -30°C에서 대략 80% 방전율을 가짐으로써, 다른 종래 이차 전지보다 저온에서 높은 특성을 가지게 된다.
도12는 종래 이차 전지와 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지의 열폭주 성능을 보여주는 그래프이다. 여기서 종래 이차 전지는 LCO/Graphite 이차 전지, NMC/Graphite 이차 전지, LFP/Graphite 이차 전지를 예로 든다.
도12의 그래프에서, LCO/Graphite 이차 전지는 상온부터 5°C/분 속도로 온도를 증가하며 열폭주 현상을 분석해 보면 대략 150°C 에 도달하는 경우, 열폭주 현상이 나타나게 된다.
NMC/Graphite 이차 전지는 온도가 대략 190°C 에 도달하는 경우, 열폭주 현상이 나타나게 된다.
LFP/Graphite 이차 전지는 온도가 대략 230°C 에 도달하는 경우, 열폭주 현상이 나타나게 된다.
반면에, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(LFP/LTO)는 충전온도가 250°C에 도달할 때까지 열폭주 현상이 나타나지 않는다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지는 종래 이차 전지보다 빠른 충전이 가능하고, 저온에서 종래 이차 전지보다 충전 및 방전 특성이 좋으며, 종래 이차 전지보다 열에 강한 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 LTO 음극활물질의 우수한 온도 및 충방전 특성과 일반 전자기기(Consumer electronics)에 이용 가능한 정격 전압을 가질 수 있고, LTO 음극활물질의 구조적 안정성과 리튬석출을 막는 전기화학적 특성으로 인해 온도 상승으로 인한 폭발 위험이 감소될 수 있어, 전기 저장 시스템(ESS), 태양열 전지, 전기차, 전기 바이크, 산업용전지 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 리튬 이차 전지
110: 제1 전극 조립체
111: 양극 극판
111a: 양극 집전체
cT1: 양극탭
111b: LFP 양극활물질
113: 음극극판
113a: 음극 집전체
aT1: 직렬연결탭
113b: LTO음극활물질
115: 분리막
120: 제2 전극 조립체
121: 양극 극판
121a: 양극 집전체
cT2: 직렬연결탭
121b: LFP 양극활물질
123: 음극극판
123a: 음극 집전체
aT2: 음극탭
123b: LTO 음극활물질
125: 분리막

Claims (14)

  1. 양극 터미널로 이용 가능한 양극탭이 형성되는 양극 극판, 직렬연결탭이 형성되는 음극 극판과, 양극 극판과 음극 극판 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되는 제1 전극 조립체; 및
    상기 제1 전극 조립체와 절연되도록 구비되는 제2 전극 조립체;
    를 포함하고,
    상기 제2 전극 조립체는, 직렬연결탭이 형성되는 양극 극판, 음극 터미널로 이용 가능한 음극탭이 형성되는 음극 극판과, 양극 극판과 음극 극판 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 제2 전극 조립체의 직렬 연결탭에 연결되며,
    상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는 상기 직렬연결탭에 의해 직렬 구조로 연결되는 것인 리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 각각은 전지 용량 증대를 위해 복수개 구비되고,
    복수의 제1 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 서로 적층되어 젤리롤 구조로 형성되고,
    복수의 제2 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 서로 적층되어 젤리롤 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 각각은 와인딩되어 젤리롤 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체는, 상기 제2 전극 조립체 상에 적층되도록 배치되며,
    상기 제1, 제2 전극 조립체를 수용하는 사각 형상의 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체는 원기둥 형태로 변형되어 내부 원기둥을 구성하고,
    상기 제2 전극 조립체는 상기 제1 전극 조립체의 외주를 둘러싸 외부 원기둥을 구성하며,
    상기 제1, 제2 전극 조립체를 수용하는 원통 형상의 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체의 양극 극판은, LFP, NMC, NCA, LCO 양극활물질 중에서 어느 하나의 양극활물질이 도포되는 양극 집전체를 구비하고,
    상기 제1 전극 조립체의 양극탭은, 상기 양극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제1 전극 조립체의 양극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성되고, 양극 리드탭과 연결되어 양극 터미널로 이용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체의 음극 극판은, LTO 음극활물질이 도포되는 음극 집전체를 구비하고,
    상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 음극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제1 전극 조립체의 음극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭과 상기 제1 전극 조립체의 양극탭은, 서로 겹치지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전극 조립체의 양극 극판은, LFP, NMC, NCA, LCO 양극활물질이 도포되는 양극 집전체를 구비하고,
    상기 제2 전극 조립체의 직렬연결탭은, 상기 양극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제2 전극 조립체의 양극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체의 직렬연결탭과 상기 제2 전극 조립체의 직렬연결탭은, 서로 겹쳐져서 상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극 조립체의 음극 극판은, LTO 음극활물질이 도포되는 음극 집전체를 구비하고,
    상기 제2 전극 조립체의 음극탭은, 상기 LTO 음극활물질이 도포되지 않으며, 상기 제2 전극 조립체의 음극 집전체의 일측면으로부터 연장 형성되고, 음극 리드탭과 연결되어 음극 터미널로 이용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체의 양극탭과 상기 제2 전극 조립체의 음극탭은, 서로 겹치지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체의 음극 극판, 상기 제1 전극 조립체의 양극 극판, 상기 제2 전극 조립체의 음극 극판 및, 상기 제2 전극 조립체의 음극 극판 각각은, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 구리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는, LFP 양극활물질과 LTO 음극활물질을 이용하여 셀프 밸런싱되어 서로 간의 임밸런싱을 방지하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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