KR20180106381A - 2종의 분리막을 포함하는 스택-폴딩형 전극조립체 - Google Patents

2종의 분리막을 포함하는 스택-폴딩형 전극조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 단위셀들을 시트형의 폴딩 분리막으로 권취한 구조의 전극조립체로서, 상기 단위셀들 각각은 양극과 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태에서 상호 열융착에 의해 접합되어 있으며, 상기 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 상대적으로 기계적 물성 및 열적 물성이 우수한 것을 특징으로 하는 전극조립체에 대한 것입니다.

Description

2종의 분리막을 포함하는 스택-폴딩형 전극조립체 {Stack-folding Type Electrode Assembly Comprising Two Kinds of Separators}
본 발명은 2종의 분리막을 포함하는 스택-폴딩형 전극조립체에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치에 대한 관심도 증가하고 있다.
특히, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있으며, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 점점 더 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
일반적으로, 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.
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-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell), 풀셀(Full cell)들을 분리막 시트로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 또는 바이셀, 풀셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 접합된 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체 등을 들 수 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(100)는 양극이 음극들 사이에 위치하고 양극들과 음극의 사이에는 분리막(101)이 개재되어 있는 구조의 제 1 단위셀(110, 130, 150)과 음극이 양극들 사이에 위치하고, 양극과 음극들 사이에는 분리막(101)이 개재되어 있는 구조의 제 2 단위셀(120, 140)이 상하방향으로 적층되어 있다. 제 1 단위셀(110, 130, 150) 및 제 2 단위셀(120, 140)은 일정한 간격으로 이격되어 분리필름(190) 상에 위치한 상태에서, 일측방향으로 분리필름을 권취하여 제조된다
이와 같은 스택/폴딩형 전극조립체의 경우, 최근 분리막이 박막화, 염가화 되면서 열수축률이 낮은 분리막을 사용함에 따라 안전성이 문제되는 바, 박막 분리막의 사용에 불구하고 안전성을 확보할 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, 복수의 단위셀들을 시트형의 폴딩 분리막으로 권취한 구조의 전극조립체에 있어서, 상기 폴딩 분리막은 상기 단위셀을 구성하는 양극 및 음극 사이에 개재되는 라미네이션 분리막에 비해 상대적으로 기계적 물성 및 열적 물성이 우수한 구조로 이루어지는 경우, 전지셀의 용량이 저하되는 것을 방지할 수 있으며 안전성을 확보할 수 있는 점을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는, 복수의 단위셀들을 시트형의 폴딩 분리막으로 권취한 구조의 전극조립체로서, 상기 단위셀들 각각은 양극과 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태에서 상호 열융착에 의해 접합되어 있으며, 상기 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 상대적으로 기계적 물성 및 열적 물성이 우수한 구조로 이루어질 수 있다.
상기 라미네이션 분리막 및 폴딩 분리막은 다공성 소재의 분리막 기재가 사용될 수 있으며, 예를 들면 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 다공성 분리막을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 폴딩 분리막의 권취 전, 단위셀들을 폴딩 분리막 상에 위치시킬 때 폴딩 분리막과 단위셀들 간의 접착력은 라미네이션 분리막과 전극과의 접착력에 비해 상대적으로 낮기 때문에, 폴딩 분리막과 라미네이션 분리막의 열수축률이 동일하더라도, 폴딩 분리막이 더 크게 수축될 수 있다.
또한, 폴딩 분리막은 단위셀들을 위치시킨 상태에서 권취되는 분리막인 점을 고려할 때, 수축률이 큰 경우에는 공정의 제어가 어려울 수 있고, 단위셀이 탈리되는 문제가 발생할 수 있으므로, 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 열수축률이 더 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 인장 강도가 상대적으로 높고 열수축률이 상대적으로 작을 수 있다.
이와 같은, 폴딩 분리막과 라미네이션 분리막의 인장 강도 및 열수축률의 차이의 주된 요인은, 각 분리막들의 기재가 서로 다른 것을 사용하는 것에서 기인되며, 일정정도는 각 분리막의 가공 정도에서 차이가 발생할 수 있다. 구체적으로, 폴딩 분리막의 분리막 기재는 라미네이션 분리막의 분리막 기재에 비해 두꺼운 소재를 사용하기 때문에 높은 인장강도를 갖게 되며, 열수축률은 라미네이션 분리막과 폴딩 분리막 각각의 가공 정도에 의해 영향을 받을 수 있다.
또한, 라미네이션 분리막은 전극과의 결합력이 상대적으로 높기 때문에 열수축률이 상대적으로 높은 분리막을 사용하더라도 폴딩 분리막에 비해 수축되기 어려운 바, 서로 다른 전극들 간의 접촉이 발생할 확률이 적지만, 폴딩 분리막은 단위셀과의 접착력이 상대적으로 낮기 때문에 열수축에 의한 변형률이 더 클 수 있다. 따라서, 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 열수축률이 상대적으로 작은 것을 사용하는 것이 안전성 측면에서 바람직하다.
따라서, 폴딩 분리막 및 라미네이션 분리막으로 두께가 두껍고 열수축률이 높은 동일한 소재의 분리막을 사용함으로써 대두되었던 문제를, 상기와 같이 라미네이션 분리막과 달리 기계적 물성 및 열적 물성이 우수한 소재의 폴딩 분리막을 적용함으로써 분리막의 박막화 및 안전성 문제를 모두 해결할 수 있게 되었다.
예를 들어, 상기 폴딩 분리막의 인장 강도는 라미네이션 분리막의 인장 강도에 대해 120% 내지 500%의 범위일 수 있고, 상세하게는 150% 내지 500%일 수 있으며, 더욱 상세하게는 200% 내지 500%일 수 있다.
상기 폴딩 분리막의 인장 강도가 라미네이션 분리막의 인장 강도에 대해 120% 보다 작은 경우에는 높은 인장 강도를 갖는 소재를 사용하여 안전성을 향상시키기 위한 목적을 달성하기 어렵고, 인장 강도가 500% 보다 큰 경우에는 강도 향상을 위해 폴딩 분리막의 두께가 두꺼워질 수 있는 바, 폴딩 분리막의 두께 감소로 인해 설계의 자유도를 증가시키기 위한 목적을 달성하기 어려우므로 바람직하지 않다.
구체적으로, 상기 폴딩 분리막의 인장 강도는 15 gf/25mm 이상이고, 라미네이션 분리막의 인장 강도는 10 gf/25mm 이상일 수 있다.
한편, 폴딩 분리막의 열추축율은 라미네이션 분리막의 열수축률에 대해 20% 내지 90%의 범위일 수 있으며, 상세하게는 30% 내지 80%일 수 있고, 더욱 상세하게는 40% 내지 80%일 수 있다.
상기 폴딩 분리막의 열수축률이 라미네이션 분리막의 열수축률에 대해 20% 보다 작은 경우에는 불필요하게 고성능의 분리막이 요구되기 때문에 고비용의 문제가 발생할 수 있고, 90% 보다 큰 경우에는 고온 상태에 도달시 분리막이 수축되어 단락이 발생할 위험이 있으므로 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 라미네이션 분리막의 적어도 일면과 상기 폴딩 분리막의 적어도 일면에는 유/무기 복합 다공성 소재의 코팅층이 형성된 구조일 수 있다.
따라서, 라미네이션 분리막의 일면 또는 양면에 코팅층이 형성될 수 있고, 폴딩 분리막의 일면 또는 양면에 코팅층이 형성될 수 있는 바, 스택/폴딩형 전극조립체의 두께 및 전지의 용량 등을 고려하여, 단면 코팅층 또는 양면 코팅층을 선택적으로 형성할 수 있다.
상기 코팅층은 무기물 입자와 바인더 고분자로 이루어질 수 있는 바, 상기 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자로 이루어진 활성층 성분이 도포되어 제조될 수 있으며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
상기 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 분리막은 무기물 입자의 내열성으로 인해 고온 열수축이 발생하지 않는다. 따라서, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 분리막으로 이용하는 전기 화학 소자에서는 고온, 과충전, 외부 충격 등의 내부 또는 외부 요인으로 인한 과도한 조건에 의해 전지 내부에서 분리막이 파열되더라도, 유/무기 복합 다공성 활성층에 의해 양 전극이 완전히 단락되기 어려우며, 만약 단락이 발생하더라도 단락된 영역이 크게 확대되는 것이 억제되어 전지의 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 유/무기 복합 다공성 분리막에서, 폴리올레핀 계열 분리막 기재의 표면 및/또는 기재 중 기공부 일부에 형성되는 활성층 성분 중 하나는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 무기물 입자이다. 상기 무기물 입자는 무기물 입자들간 빈 공간의 형성을 가능하게 하여 미세 기공을 형성하는 역할과 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 겸하게 된다. 또한, 상기 무기물 입자는 일반적으로 200℃ 이상의 고온이 되어도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 형성된 유/무기 복합 다공성 필름이 탁월한 내열성을 갖게 된다.
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 사용하는 경우, 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.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 압전성(piezoelectricity) 무기물 입자는 상압에서는 부도체이나, 일정 압력이 인가되었을 경우 내부 구조 변화에 의해 전기가 통하는 물성을 갖는 물질을 의미하는 것으로서, 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 한 면은 양으로, 반대편은 음으로 각각 대전됨으로써, 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 기능을 갖는 물질이다.
상기와 같은 특징을 갖는 무기물 입자를 다공성 활성층 성분으로 사용하는 경우, 침상 도체와 같은 외부 충격에 의해 양(兩) 전극의 내부 단락이 발생하는 경우 분리막에 코팅된 무기물 입자로 인해 양극과 음극이 직접 접촉하지 않을 뿐만 아니라, 무기물 입자의 압전성으로 인해 입자 내 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 양(兩) 전극 간의 전자 이동, 즉 미세한 전류의 흐름이 이루어짐으로써, 완만한 전지의 전압 감소 및 이로 인한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전성을 갖는 무기물 입자의 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), hafnia (HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트 (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트 (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드 (LixNy, 0<x<4, 0<y<2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 glass(LixPySz, 0<x<3, 0<y< 3, 0<z<7) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층 성분인 무기물 입자 및 바인더 고분자의 조성비는 크게 제약은 없으나, 10:90 내지 99:1 중량% 비 범위 내에서 조절 가능하며, 80:20 내지 99:1 중량% 비 범위가 바람직하다. 10:90 중량% 비 미만인 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성된 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기되며, 반대로 99:1 중량% 비를 초과하는 경우, 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 최종 유/무기 복합 다공성 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 라미네이션 분리막은 양면에 코팅층이 형성될 수 있고, 또는 상기 폴딩 분리막은 일면에 코팅층이 형성된 구조일 수 있다. 다만, 라미네이션 분리막은, 분리막 기재의 두께가 폴딩 분리막의 분리막 기재 보다 얇은 것을 사용하고, 각 분리막들에 형성된 코팅층의 소재 내지 코팅층에 포함된 성분의 함량은 서로 동일하기 때문에, 양면 코팅 분리막 임에도 단면 코팅 분리막인 폴딩 분리막에 비해 낮은 기계적 물성을 갖는다.
구체적으로, 폴딩 분리막의 일측면에 도포된 코팅층의 도포량이 라미네이션 분리막의 일측면에 도포된 코팅층의 도포량보다 더 많은 범위에서, 상기 라미네이션 분리막에서 일측면에 도포된 코팅층의 도포량은 3 g/m2 내지 7 g/m2의 범위이고, 상기 폴딩 분리막에서 일측면에 도포된 코팅층의 도포량은 5 g/m2 내지 15 g/m2인 구조일 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 폴딩 분리막은 더 두꺼운 분리막 기재를 사용할 뿐 아니라, 폴딩 분리막의 일측면에 도포된 코팅층의 도포량이 라미네이션 분리막의 일측면에 도포된 코팅층의 도포량 보다 더 많기 때문에, 단면 코팅층이 형성된 폴딩 분리막의 경우에도 양면 코팅층이 형성된 라미네이션 분리막 보다 더 우수한 물성을 제공할 수 있다.
제 1 항에 있어서, 상기 라미네이션 분리막 기재의 두께는 10 μm 내지 17 μm일 수 있고, 상세하게는 12 μm 내지 15 μm 일 수 있으며, 상기 폴딩 분리막 기재의 두께는 라미네이션 분리막 기재의 두께보다 두꺼운 범위 내에서 11 μm 내지 20 μm.일 수 있고, 상세하게는 13 μm 내지 18 μm일 수 있다.
이와 같이, 라미네이션 분리막 기재의 두께는 폴딩 분리막 기재의 두께에 비해 더 얇기 때문에 폴딩 분리막의 기계적 물성 및 열적 물성이 상대적으로 라미네이션 분리막 보다 더 우수한 결과를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 코팅층을 포함한 폴딩 분리막의 전체 두께는 코팅층을 포함한 라미네이션 분리막의 전체 두께에 비해 1 μm 내지 5 μm의 범위 내에서 더 얇은 구조로 이루어질 수 있는 바, 이와 같은 얇은 두께의 폴딩 분리막을 사용하는 경우, 전체적인 전극조립체의 두께가 작아지기 때문에 얇은 두께를 갖는 전지셀을 제공할 수 있으며, 분리막의 두께 감소분에 상응하는 양의 전극 합제층을 형성하는 경우에는 전지의 용량이 증가될 수 있다. 따라서, 다양한 크기 및 용량을 갖는 전지셀 설계의 자유도가 증가하게 된다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 수납되는 이차전지를 제공하며, 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(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.
이상에서 설명한 바와 같이, 단위셀들의 양극과 음극 사이에 개재되는 라미네이션 분리막 및 상기 단위셀들을 권취하는 폴딩 분리막의 물성이 상이한 것들로 구성되는 전극조립체에 있어서, 전극조립체의 외주면을 감싸는 폴딩 분리막의 물성이 라미네이션 분리막에 비해 우수한 것으로 적용됨으로써 외부충격으로부터 안전성을 확보할 수 있고, 충방전에 따른 고온 발화 현상에 의한 열수축을 방지할 수 있다.
또한, 라미네이션 분리막과 폴딩 분리막의 두께가 상이한 것을 사용하는 경우, 전체적으로 분리막이 차지하는 두께가 얇아짐으로써 전지의 용량을 증가할 수 있다.
도 1은 종래의 스택-폴딩형의 전극조립체를 계략적으로 나타낸 모식도이다,
도 2는 양면 코팅의 라미네이션 분리막 및 편면 코팅의 폴딩 분리막으로 이루어진 전극조립체의 일부의 측면 모식도이다;
도 3은 편면 코팅의 라미네이션 분리막 및 편면 코팅의 폴딩 분리막으로 이루어진 전극조립체의 일부의 측면 모식도이다;
도 4는 편면 코팅의 라미네이션 분리막 및 양면 코팅의 폴딩 분리막으로 이루어진 전극조립체의 일부의 측면 모식도이다;
도 5는 양면 코팅의 라미네이션 분리막 및 양면 코팅의 폴딩 분리막으로 이루어진 전극조립체의 일부의 측면 모식도이다; 및
도 6은 도 2의 일부 확대도이다.
이하, 본 발명에 도면들을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 전극조립체로서, 단위셀들 사이에는 라미네이션 분리막이 개재되어 있고, 상기 단위셀들의 외주변을 감싸면서 권취하는 폴딩 분리막으로 이루어진 전극조립체의 일부분의 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 단위셀(210)은 음극(202), 양극(201) 및 음극(202)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에는 라미네이션 분리막(220)이 개재된 구조의 바이셀이다. 그러나, 단위셀(210)은 양극, 음극 및 양극이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 구조의 바이셀일 수 있으며, 또는 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조의 풀셀일 수 있다.
라미네이션 분리막(220)은 분리막 기재(221)의 양측면에 코팅층(222)이 형성된 양면 코팅 분리막이고, 단위셀을 구성하는 전극들 사이에 개재된 라미네이션 분리막은 모두 동일한 것으로 이루어져 있다.
단위셀(210)은 폴딩 분리막(230) 상에 위치하고 있으며, 폴딩 분리막(230)은 분리막 기재(233)의 일측면으로서, 단위셀(210)이 위치하는 방향의 일측면에 코팅층(234)이 형성되어 있다.
도 3을 참조하면, 단위셀(310)은 음극(302), 양극(301) 및 음극(302)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에는 라미네이션 분리막(320)이 개재된 구조의 바이셀이다. 그러나, 단위셀(310)은 양극, 음극 및 양극이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 구조의 바이셀일 수 있으며, 또는 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조의 풀셀일 수 있다.
라미네이션 분리막(320)은 분리막 기재(321)의 일측면에 코팅층(322)이 형성된 편면 코팅 분리막이고, 단위셀을 구성하는 전극들 사이에 개재된 라미네이션 분리막은 모두 동일한 것으로 이루어져 있다.
단위셀(310)은 폴딩 분리막(330) 상에 위치하고 있으며, 폴딩 분리막(330)은 분리막 기재(333)의 일측면으로서, 단위셀(310)이 위치하는 방향의 일측면에 코팅층(334)이 형성되어 있다.
도 4를 참조하면, 단위셀(410)은 음극(402), 양극(401) 및 음극(402)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에는 라미네이션 분리막(420)이 개재된 구조의 바이셀이다. 그러나, 단위셀(410)은 양극, 음극 및 양극이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 구조의 바이셀일 수 있으며, 또는 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조의 풀셀일 수 있다.
라미네이션 분리막(420)은 분리막 기재(421)의 일측면에 코팅층(422)이 형성된 편면 코팅 분리막이고, 단위셀을 구성하는 전극들 사이에 개재된 라미네이션 분리막은 모두 동일한 것으로 이루어져 있다.
단위셀(410)은 폴딩 분리막(430) 상에 위치하고 있으며, 폴딩 분리막(430)은 분리막 기재(433)의 양측면에 코팅층(434)이 형성된 양면 코팅 분리막이고, 단위셀(410)은 폴딩 분리막(430)의 일측면 상에 위치하고 있다.
도 5를 참조하면, 단위셀(510)은 음극(502), 양극(501) 및 음극(502)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에는 라미네이션 분리막(520)이 개재된 구조의 바이셀이다. 그러나, 단위셀(510)은 양극, 음극 및 양극이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 구조의 바이셀일 수 있으며, 또는 양극 및 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조의 풀셀일 수 있다.
라미네이션 분리막(520)은 분리막 기재(521)의 양측면에 코팅층(522)이 형성된 양면 코팅 분리막이고, 단위셀을 구성하는 전극들 사이에 개재된 라미네이션 분리막은 모두 동일한 것으로 이루어져 있다.
단위셀(510)은 폴딩 분리막(530) 상에 위치하고 있으며, 폴딩 분리막(530)은 분리막 기재(533)의 양측면에 코팅층(534)이 형성된 양면 코팅 분리막이고, 단위셀(510)은 폴딩 분리막(530)의 일측면 상에 위치하고 있다.
도 6은 도 2의 일부 확대도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 라미네이트 분리막(220)의 분리막 기재(221)의 두께(a1) 및 코팅층(222)의 두께(b1)는 폴딩 분리막(230)의 분리막 기재(233)의 두께(a2) 및 코팅층(234)의 두께(b2)보다 각각 얇게 형성되어 있는 바, 폴딩 분리막의 분리막 기재(233)는 라미네이트 분리막의 분리막 기재(221)보다 더 두껍게 형성되는 반면, 라미네이트 분리막은 양면에 코팅층(222)이 형성되어 있기 때문에 양면 각각의 코팅층 두께의 합은, 폴딩 분리막의 일면에만 형성된 코팅층(234)보다 더 크게 형성될 수 있으나, 라미네이트 분리막의 일면에 형성된 코팅층의 두께(b1)는 폴딩 분리막의 코팅층(234)의 두께(b2)보다 더 얇게 형성되는 것이 더 바람직하다.
라미네이션 분리막(220)의 분리막 기재(221)의 두께(a1)는 10 μm 내지 17 μm이고, 폴딩 분리막(230)의 분리막 기재의 두께는 라미네이션 분리막 기재의 두께보다 두꺼운 범위 내에서 11 μm 내지 20 μm이며, 라미네이션 분리막(220)의 전체 두께(W1)는 폴딩 분리막(230)의 전체 전체 두께(W2) 보다 두껍게 형성될 수 있다.
이와 같이, 기계적 강도 및 열적 강도가 더 우수한 폴딩 분리막을 사용함으로써, 종래의 스택/폴딩형 전극조립체에 비해 컴팩트한 구조의 전극조립체를 제공할 수 있으므로, 전극 합제의 로딩량을 증가시켜 고용량의 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 복수의 단위셀들을 시트형의 폴딩 분리막으로 권취한 구조의 전극조립체로서,
    상기 단위셀들 각각은 양극과 음극 사이에 라미네이션 분리막이 개재된 상태에서 상호 열융착에 의해 접합되어 있으며,
    상기 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 상대적으로 기계적 물성 및 열적 물성이 우수한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴딩 분리막은 라미네이션 분리막에 비해 인장 강도가 상대적으로 높고 열수축률이 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 폴딩 분리막의 인장 강도는 라미네이션 분리막의 인장 강도에 대해 120% 내지 500%의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 폴딩 분리막의 인장 강도는 15 gf/25mm 이상이고, 라미네이션 분리막의 인장 강도는 10 gf/25mm 이상인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 폴딩 분리막의 열수축률은 라미네이션 분리막의 열수축률에 대해 20% 내지 90%의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이션 분리막의 적어도 일면과 상기 폴딩 분리막의 적어도 일면에는 유/무기 복합 다공성 소재의 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 코팅층은 무기물 입자와 바인더 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이션 분리막은 양면에 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 폴딩 분리막은 일면에 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 라미네이션 분리막에서 일측면에 도포된 코팅층의 도포량은 3 g/m2 내지 7 g/m2의 범위인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 폴딩 분리막에서 일측면에 도포된 코팅층의 도포량은 5 g/m2 내지 15 g/m2인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이션 분리막 기재의 두께는 10 μm 내지 17 μm이고, 폴딩 분리막 기재의 두께는 라미네이션 분리막 기재의 두께보다 두꺼운 범위 내에서 11 μm 내지 20 μm인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 코팅층을 포함한 폴딩 분리막의 전체 두께는 코팅층을 포함한 라미네이션 분리막의 전체 두께에 비해 1 μm 내지 5 μm의 범위 내에서 더 얇은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
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