KR20180037847A - 전극 조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 이차 전지의 정렬도를 향상시키고, 고용량의 전지를 구현할 수 있으며, 이차 전지의 제조 공정을 단축시킬 수 있는 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치된 복수개의 제1 전극이 개재되어 형성되는 전극 적층체, 및 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 전극 적층체의 외측 양면에 부착되는 제2 전극을 포함하고, 전극 적층체는 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역이 폴딩(folding)된다.

Description

전극 조립체 및 이의 제조 방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 이차 전지의 정렬도를 향상시키고, 고용량의 전지를 구현할 수 있으며, 이차 전지의 제조 공정을 단축시킬 수 있는 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스에 전극 조립체가 내장되어 구성될 수 있다. 전지 케이스의 내부에 장착되는 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
도 1은 종래의 전극 조립체 중에서 스택 & 폴딩형 전극 조립체를 만드는 과정을 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 스택 & 폴딩형(Stack & folding) 전극 조립체(11)는 양극(1), 분리막(3), 음극(5)이 순차로 적층되어 형성된 복수 개의 유닛셀(10)들을 시트형 분리막(9)에 부착하고, 이 시트형 분리막(9)을 일방향(L)으로 폴딩하여 형성된 구조를 가진다.
이와 같은 구조로 형성된 종래의 스택 & 폴딩형 전극 조립체(11)는 여러 가지 문제점을 가지고 있었다.
먼저, 종래의 스택 & 폴딩형의 전극 조립체(11)에서는 양극(1), 분리막(3), 음극(5)을 적층하여 기본단위체로 절단하여 형성된 개별적인 유닛셀(10)을 먼저 만든 후에 이 유닛셀(10)을 시트형 분리막(9)에 부착하여 폴딩하는 공정을 거치게 되므로 전극 조립체 제조 절차가 복잡하였다.
또한, 먼저 유닛셀(10)을 만드는 공정에서 양극(1), 음극(5), 분리막 각각에서 발생한 공차가 누적되고, 이러한 유닛셀(10)을 다음단계에서 폴딩하면, 폴딩 및 적층되는 과정에서 유닛셀(10) 간의 공차가 다시 누적되는 현상이 발생하게 되므로, 양극(1)이 음극(5)을 벗어나서 정렬이 흐트러지는 오버행(overhang) 이슈가 크게 발생하였다.
도 2는 라미네이션 앤 스택형(Lamination & stacking) 전극 조립체의 적층 형태를 보여주는 단면도이다. 도 2를 참작하면, 라미네이션 앤 스택형(Lamination & stacking)의 전극 조립체(12)에서는 양극(1), 분리막(3), 음극(5), 분리막(3)이 적층되어 형성된 유닛셀(20)들이 분리막(3)의 외곽 치수에 의하여 정렬되게 되는데, 이 경우 역시도 오버행 이슈가 발생하였다.
즉, 유닛셀(20)을 만드는 과정에서 복수의 전극(1,5)과 복수의 분리막(3)의 개별 공차가 누적되고, 유닛셀(20)끼리의 공차 역시 누적되므로, 양극(1)이 음극(5)을 벗어나는 오버행 이슈가 발생하였다. 도 2에서는 양극(1)이 음극(5)을 벗어나는 영역인 오버행 영역(A)이 도시되고 있다.
따라서 이러한 문제점 들을 해결하기 위하여 여러 가지 형상의 전극 조립체가 개발되고 있는 등 많은 노력이 뒤따르고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 이차 전지에서 오버행(Overhang) 이슈를 극소화하여 전지의 정렬도를 향상시키고, 고용량의 전지를 구현할 수 있으며, 이차 전지의 제조 공정을 더욱 단축시킬 수 있는 전극 조립체 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치된 복수개의 제1 전극이 개재되어 형성되는 전극 적층체, 및 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 전극 적층체의 외측 양면에 부착되는 제2 전극을 포함하고, 전극 적층체는 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역이 폴딩(folding)된다.
본 발명에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치되도록 제1 전극을 개재시켜 전극 적층체를 형성하는 단계, 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 전극 적층체의 외측 양면에 제2 전극을 적층하는 단계, 분리막과, 제1 전극 및 제2 전극을 열 또는 압력에 의해 접합시키는 단계, 및 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역에서 전극 적층체를 폴딩(folding)하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치된 복수개의 제1 전극이 개재되어 형성되는 전극 적층체, 및 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 전극 적층체의 외측 양면에 부착되는 제2 전극을 포함하고, 전극 적층체는 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역이 폴딩(folding)됨으로써, 오버행(Overhang) 이슈를 극소화하여 전지의 정렬도를 향상시키고, 고용량의 전지를 구현할 수 있으며, 이차 전지의 제조 공정을 더욱 단축시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치되도록 제1 전극을 개재시켜 전극 적층체를 형성하는 단계, 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 전극 적층체의 외측 양면에 제2 전극을 적층하는 단계, 분리막과, 제1 전극 및 제2 전극을 열 또는 압력에 의해 접합시키는 단계, 및 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역에서 전극 적층체를 폴딩(folding)하는 단계를 포함함으로써, 본 발명에 따른 전극 조립체를 생산할 수 있다.
도 1은 종래의 전극 조립체 중에서 스택 & 폴딩형 전극 조립체를 만드는 과정을 도시하는 단면도이다.
도 2는 라미네이션 앤 스택형(Lamination & stacking) 전극 조립체의 적층 형태를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 폴딩되기 전의 모습을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구현하는 모습을 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 4에 의하여 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 실시예
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 폴딩되기 전의 모습을 보여주는 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 구현하는 모습을 도시하는 단면도이다. 도 5는 도 4에 의하여 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다.
이하에서는 도 3 내지 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 대해서 설명한다.
먼저 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 전극 적층체(110)와 전극 적층체(110)의 외측 양면에 부착되는 제2 전극(105)을 포함할 수 있다.
구체적으로 전극 적층체(110)는 두 개의 분리막(103) 사이에 상호 이격 배치된 복수개의 제1 전극(101)이 개재되어 형성되는 형태일 수 있다. 두 개의 분리막(103)은 시트형의 분리막일 수 있고, 제1 전극(101)은 두 개의 분리막(103) 사이에서 서로 일정한 간격으로 이격되어 위치될 수 있다.
전극 적층체(110)에서 제1 전극(101)이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서, 전극 적층체(110)의 외측 양면에는 제2 전극(105)이 부착될 수 있다. 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 한 위치에서 구분해서 볼 때, 위에서 아래로 제2 전극(105), 분리막(103), 제1 전극(101), 분리막(103), 제2 전극(105)이 순차로 적층된 형태가 되며, 그 이웃한 위치에서는 분리막(103), 제1 전극(101), 분리막(103)이 적층된 형태가 될 수 있다.
제1 전극(101)과 제2 전극(105)은 서로 반대의 극성을 나타내는 전극을 의미하는데, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 전극(101)이 음극, 제2 전극(105)이 양극일 수 있다. 도 3에서는 제1 전극(101)이 음극이고, 제2 전극(105)이 양극인 경우를 도시하고 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1 전극(101)의 크기가 제2 전극(105)의 크기보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서는 두 개의 분리막(103)과, 제1 전극(101) 및 제2 전극(105)이 열 또는 압력에 의해 접합되어 있을 수 있다. 또는 열과 압력 모두에 의하여 접합되어 있을 수 있다. 이를 위해 분리막(103)과 제1 전극(101), 제2 전극(105)의 전체에 대해서 라미네이션 공정이 이루어질 수도 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 전극 적층체(110)는 제1 전극(101)과 그에 이웃된 제1 전극(101)의 사이 영역이 폴딩(folding)될 수 있다. 구체적으로 도 3 및 도 4에서는 전극 적층체(110)가 폴딩되는 부분인 폴딩부(107)가 도시되고 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시예에서 전극 적층체(110)는 복수의 폴딩부(107)를 구비하며, 이러한 복수의 폴딩부(107)에서 폴딩될 수 있다.
그리고 폴딩부(107)는 인접한 폴딩부(107)와 서로 반대 방향으로 폴딩될 수 있다. 그 결과 본 발명에 따른 전극 조립체에서 전극 적층체(110)는 지그재그 방식으로 폴딩될 수 있다. 지그재그 방식으로 폴딩되는 형태는 도 4에서 도시되고 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 전극 적층체(110)는 제1 전극(101)의 크기를 기준으로 폴딩될 수 있다. 이는 모두 동일한 크기를 가지는 하나의 전극을 기준으로 적층이 이루어진다는 것을 의미한다. 즉, 제1 전극(101)은 하나의 전극이므로 모두 동일한 크기를 가지기에, 이를 기준을 적층할 경우 서로 다른 전극(101, 105) 및 분리막(103)의 공차가 누적되는 현상이 발생하지 않게 된다.
따라서 전극 조립체의 정렬도가 현저히 좋아지며, 양극과 음극의 대응 하는 위치가 어긋나는 오버행(Overhang) 이슈를 극소화할 수 있다.
도 5는 조립이 완료된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다. 도 5에서는, 제1 전극(101)과 제2 전극(105)이 위치가 곧 바르게 수직으로 적층되어 있는 모습이 도시되고 있다. 도시의 편의상 전극 조립체 내부에서 전극 적층체를 연결하는 분리막(103) 부분은 도시를 생략하였다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 두 개의 분리막(103)은 폴딩된 전극 적층체(110)의 외부를 감싸도록 연장될 수 있다(도 5 참조). 도 5에서는 이와 같이 분리막(103)이 폴딩된 전극 적층체(110) 둘레를 한 바퀴 감싸고 있는 모습이 도시되고 있다. 이와 같이 분리막(103)으로 전극 조립체를 한 바퀴 감싸는 경우 우수한 전극 조립체의 정렬도를 우수하게 유지시키는데 매우 유리할 수 있다.
도 5를 참조하면, 두 개의 분리막(103)은 전체적으로 열 또는 압력에 의하여 서로 접착될 수 있다. 또 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서는 핫 프레스(hot-press)로 씰링하는 방법으로 분리막(103)을 폴딩된 전극 적층체(110)의 외곽에 부착시킬 수도 있다. 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 정렬도는 더욱 좋아질 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 두 개의 분리막(103) 사이에 상호 이격 배치되도록 제1 전극(101)을 개재시켜 전극 적층체(110)를 형성하는 단계, 제1 전극(101)이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 전극 적층체(110)의 외측 양면에 제2 전극(105)을 적층하는 단계, 분리막(103)과, 제1 전극(101) 및 제2 전극(105)을 열 또는 압력에 의해 접합시키는 단계, 및 제1 전극(101)과 그에 이웃된 제1 전극(101)의 사이 영역인 폴딩부(107)에서 전극 적층체(110)를 폴딩(folding)하는 단계를 포함한다. 이 경우 제1 전극(101)은 음극, 제2 전극(105)은 양극일 수 있다.
먼저 도 4를 참조하면, 전극 적층체(110)를 형성하는 단계에서, 릴(reel)(미도시)에서 권출되어 이송되는 두 개의 분리막(103) 사이로 제1 전극(101)을 투입할 수 있다. 그리고 제1 전극(101)의 하나 건너 하나 위치마다 두 개의 분리막(103) 바깥쪽에 상하로 제2 전극(105)을 투입할 수 있다. 그리고 이렇게 형성된 전극 조립체를 라미네이션 할 수 있다. 즉, 열과 압력으로 제1 전극(101), 분리막(103), 제2 전극(105)이 서로 부착되도록 할 수 있다.
전극 적층체(110)를 폴딩하는 단계에서, 라미네이션으로 접착된 전극 조립체는 폴딩부(107)에서 서로 다른 방향으로 폴딩될 수 있다. 즉, 전극 적층체(110)가 지그재그 방식으로 폴딩될 수 있다. 하나의 폴딩부(107)가 일방향(G)으로 폴딩되는 경우 그에 이웃하는 폴딩부(107)는 타방향(I)으로 폴딩될 수 있다(도 4 참조). 그리고 이 경우 전극 적층체(110)는 제1 전극(101)의 크기를 기준으로 폴딩될 수 있다. 이와 같이 적층되면 양극이 음극을 벗어나지 않으므로 오버행(overhang) 이슈가 발생하지 않게 된다.
또한, 설비 측면에서, 기존에는 유닛셀을 만드는 라미네이션 설비와 유닛셀을 분리막 시트에 부착하여 폴딩하는 폴딩 설비가 모두 있어야 하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법의 경우 라미네이션 공정과 폴딩 공정을 하나로 통합할 수 있으므로 이차 전지의 제조 공정을 더욱 단축시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 두 개의 분리막(103)의 연장부분을 이용하여 폴딩된 전극 적층체(110)를 감싸는 씰링 단계를 더 포함할 수 있다. 씰링 단계에서 두 개의 분리막(103)은 열 또는 압력에 의하여 서로 접착될 수 있다. 또한, 씰링 단계에서 두 개의 분리막(103)은 핫 프레스(hot-press)에 의하여 폴딩된 전극 적층체(110)의 외각에 부착될 수 있는데 이 경우 전극 조립체의 안정성과 효율성은 더욱 증가될 수 있다.
다른 실시예
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 도시하는 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체는 전술한 일 실시예에 따른 전극 조립체와 유사한 구성을 가진다. 다만, 다른 실시예는 제2 전극의 크기가 일 실시예의 경우와 다르다는 점에서 일 실시예와 차이가 있다
참고로 전술한 구성과 동일한 (또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한 (또는 상당한) 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다
도 6을 참작하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에서 제2 전극(205)의 크기는 제1 전극(201)의 크기에 대응하는 크기를 가진다. 바람직하게는 제2 전극(205)의 크기가 제1 전극(201)의 크기와 동일할 수 있다. 제1 전극(201)은 음극이고, 제2 전극(205)은 양극일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에서 양극의 크기를 음극의 크기에 대응하는 크기로 할 수 있는 것은 본 발명에 따른 전극 조립체에서 양극이 음극을 벗어나지 않게 때문에 가능할 수 있다. 즉, 양극이 음극을 벗어나는 오버행 이슈의 우려가 없으므로 양극의 크기를 증대하여 고용량의 배터리(battery)를 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 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 실시가 가능하다.
1: 양극
3: 분리막
5: 음극
9: 시트형 분리막
10, 20: 유닛셀
11: 스택 & 폴딩형 전극 조립체
12: 라미네이션 앤 스택형 전극 조립체
101, 201: 제1 전극
103, 203: 분리막
105, 205: 제2 전극
107, 207: 폴딩부
110, 210: 전극 적층체

Claims (16)

  1. 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치된 복수개의 제1 전극이 개재되어 형성되는 전극 적층체; 및
    상기 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 상기 전극 적층체의 외측 양면에 부착되는 제2 전극; 을 포함하고,
    상기 전극 적층체는 상기 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역이 폴딩(folding)되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막과, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 열 또는 압력에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 적층체는 폴딩되는 부분인 폴딩부를 복수 개 구비하고,
    상기 폴딩부는 인접한 폴딩부와 서로 반대 방향으로 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 적층체는 지그재그 방식으로 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 적층체는 상기 제1 전극의 크기를 기준으로 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 전극의 크기는 상기 제1 전극의 크기에 대응하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 개의 분리막은 폴딩된 상기 전극 적층체의 외부를 감싸도록 연장되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 두 개의 분리막은 열 또는 압력에 의하여 서로 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 두 개의 분리막 사이에 상호 이격 배치되도록 제1 전극을 개재시켜 전극 적층체를 형성하는 단계;
    상기 제1 전극이 있는 복수의 위치들 중 하나 건너 하나의 위치에서 상기 전극 적층체의 외측 양면에 제2 전극을 적층하는 단계;
    상기 분리막과, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 열 또는 압력에 의해 접합시키는 단계; 및
    상기 제1 전극과 그에 이웃된 제1 전극의 사이 영역에서 상기 전극 적층체를 폴딩(folding)하는 단계;를 포함하는 전극 조립체의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극 적층체를 폴딩하는 단계에서,
    폴딩되는 부분인 폴딩부와 그에 인접한 폴딩부는 서로 반대 방향으로 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전극 적층체를 폴딩하는 단계에서,
    상기 전극 적층체는 지그재그 방식으로 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 전극 적층체는 상기 제1 전극의 크기를 기준으로 폴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 두 개의 분리막의 연장부분으로 폴딩된 상기 전극 적층체를 감싸는 씰링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 씰링 단계에서 상기 두 개의 분리막은 열 또는 압력에 의하여 서로 접착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 씰링 단계에서 상기 두 개의 분리막은 핫 프레스(hot-press)에 의하여 폴딩된 상기 전극 적층체의 외각에 부착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체의 제조 방법.
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