KR20190054419A - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 음극과 양극이 반복적층된 구조를 갖는 전극조립체가 파우치에 내장되는 이차전지에 있어서, 서로 마주하는 상면과 하면 사이에 전극조립체가 탑재되는 공간이 마련되고, 상면과 하면을 연결하는 양측면들 사이에는 상대적으로 폭이 좁은 지점과 상대적으로 폭이 넓은 지점이 형성된 모양을 갖는 파우치; 및 상기 파우치 내에 탑재되고, 파우치의 상면 및 하면과 평행하도록 음극과 양극이 적층된 구조를 가지며, 상기 음극과 양극 사이를 분리시키도록 그 사이에 배치되되 음극과 양극을 오가는 이온은 통과시키는 전해질이 적층된 전극조립체;를 포함하고, 상기 전극조립체는 음극, 전해질, 양극이 파우치 내에서 폭이 좁은 지점에서는 상대적으로 더 작은 면적을 갖고 폭이 넓은 지점에서는 이에 비례하여 상대적으로 더 넓은 면적을 갖는 모양으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지{Secondary battery}

본 발명은 전극조립체가 파우치 내에 내장되는 이차전지에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 분리막을 대신하여 고체 전해질이 전극들 사이에 적층되어 (액체 전해액이 주입되지 않고, 파우치 내에서 전극조립체가 탑재된 공간을 제외한 잉여공간의 크기가 축소됨에 따라) 동일 부피를 가질 때 종래 구조 대비 고용량을 실현할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.

최근 전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속하게 발전함에 따라 고성능, 고안전성의 이차전지에 대한 수요가 점차 증대되고 있으며, 특히 전자기기의 소형화, 박형화 및 경량화가 급속도로 확산되면서 이에 따른 이차전지의 소형화, 박형화의 요구가 날로 증대되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 최근 가장 많은 관심을 갖고 있는 것이 에너지밀도가 높은 리튬 이차전지이다.

리튬 이차전지는 수명이 길고 용량이 크다는 장점을 가지고 있어, 최근 휴대용 전자기기에 많이 사용되고 있는데, 상기 리튬 이차전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속 배터리와 리튬 이온배터리 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 배터리 등이 있다. 또한, 리튬 이차전지는 전극조립체를 밀봉하는 외장재의 종류에 따라 각형 캔이 사용되는 각형, 원통형 캔이 사용되는 원통형 및 파우치가 사용되는 파우치형로 구분될 수 있다.

이중, 파우치형 배터리는 단위 중량 및 체적 당 에너지밀도가 보다 높고 박형화 및 경량화가 가능할 뿐 아니라 외장재로서의 재료비가 적게 드는 등 유리한 점이 많아 최근 그 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 파우치형 이차전지는 도 1a 와 1b 에 도시된 바와 같이 내부에 소정의 공간이 마련된 파우치(4) 내에 전극조립체와 액체 상태의 전해액이 내장된 후 상기 파우치가 밀봉되는 구조를 갖는 것이 일반적이다.

상기 전극조립체는 양극(3), 음극(1)이 연속적으로 적층되는 구조를 갖는다. 상기 양극(3)과 음극(1) 각각은 각각의 집전체(3a, 1a)의 양면에 활물질(3b, 1b)이 도포된 상태에서 적층이 이뤄지고 양극(3)과 음극(1)의 직접적인 접촉은 차단하며 리튬이온만 통과시키는 분리막(2)이 그 사이에 적층되도록 제조된다.

그리고, 전해액이 파우치(4) 내에 추가적으로 주입되며 상기 전해액은 액체상태로써 음극과 양극 사이를 리튬이온이 이동할 수 있게 하는 매개체 기능을 한다. 이때, 음극(1)과 양극(3)의 단락을 발생하고 양극(3)의 리튬 이온을 수용할 수 있도록 분리막(2)의 가장 넓은 면적을 갖고 양극(3)이 가장 작은 면적을 갖도록 구성된다.

한편, 전기차 등과 같이 대용량 배터리가 탑재되는 제품이 증가함에 따라 이차전지의 용량을 증대시킴과 동시에 안정성을 향상시키기 위한 연구 및 개발이 이뤄지고 있다.

이에 따라, 전극조립체의 크기를 늘려 용량을 증대시키는 구조 뿐만아니라 탑재되는 공간을 최대한 효율적으로 이용할 수 있도록 비대칭 모양을 갖는 구조에 대해서도 개발이 이뤄지고 있다.

즉, 도 1a, 1b 에 도시된 바와 같이 탑재되는 공간을 최대한 사용할 수 있도록 상면과 하면을 연결하는 양측면들 사이에는 상대적으로 폭이 좁은 지점과 상대적으로 폭이 넓은 지점이 형성된 모양(사다리꼴 단면을 갖는 모양)을 갖는 파우치(4) 구조가 개발된 바 있다. 그리고, 이와 같은 파우치(4)의 모양에 따라 폭이 넓은 지점은 상대적으로 넓은 면적의 전극이 적층되어 파우치(4) 내부의 잉여공간을 최대한 감소시킨 구조가 개발된 바 있다.

하지만, 위와 같은 구조는 전해액의 주입이 어려워지거나 감소될 수 있으며, 전해액이 주입된 후 (음극과 양극의 접촉 가능성을 억제하기 위해) 분리막(2)은 이웃하는 전극들 보다 더 큰 면적을 갖게 구성되므로 전극이 점진적으로 면적이 변화되는 모습을 갖지 못하였다(가령, 도 1b 에 도시된 바와 같이 최하단에 위치한 음극 위로 적층된 양극은 그 위에 적층된 음극보다 더 작은 면적을 가짐에 따라 잉여 면적이 늘어나는 문제가 있었다).

이에 따라 본 발명은 고체 전해질을 사용하여 분리막을 대신해 적층됨으로써 전술한 바와 같은 문제점을 해소할 수 있는 이차전지를 제공하는 것을 주목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 음극과 양극이 반복적층된 구조를 갖는 전극조립체가 파우치에 내장되는 이차전지에 있어서, 서로 마주하는 상면과 하면 사이에 전극조립체가 탑재되는 공간이 마련되고, 상면과 하면을 연결하는 양측면들 사이에는 상대적으로 폭이 좁은 지점과 상대적으로 폭이 넓은 지점이 형성된 모양을 갖는 파우치; 및 상기 파우치 내에 탑재되고, 파우치의 상면 및 하면과 평행하도록 음극과 양극이 적층된 구조를 가지며, 상기 음극과 양극 사이를 분리시키도록 그 사이에 배치되되 음극과 양극을 오가는 이온은 통과시키는 전해질이 적층된 전극조립체;를 포함하고, 상기 전극조립체는 음극, 전해질, 양극이 파우치 내에서 폭이 좁은 지점에서는 상대적으로 더 작은 면적을 갖고 폭이 넓은 지점에서는 이에 비례하여 상대적으로 더 넓은 면적을 갖는 모양으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 전해질은 고체 전해질로써, 황화물계 고체전해질, 하이드라이계 고체전해질, 산화물계 고체전해질 등을 포함하는 무기계 고체전해질; 및 용매나 작은 분자가 포함되지 않은 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte)과 가소화된 고분자 전해질(plasticized polymer electrolyte)을 포함하는 고분자 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.

상기 전해질은 음극과 양극을 접착시키는 접착성분이 함유된다. 이때, 고분자 전해질의 경우에는 대부분이 접착 특성을 가지므로 별도의 접착성분이 추가될 필요가 없을 수도 있으나 경우에 따라서 또는 전지의 설계사양에 따라서 별도의 접착성분이 추가될 수도 있다. 그리고, 상기 파우치는 전극조립체가 탑재된 후 진공상태로 밀봉된다.

한편, 상기 전해질은 이웃하게 적층된 음극과 양극 중 상대적으로 면적이 큰 전극의 면적 보다 더 작되 상대적으로 면적이 작은 전극의 면적과 동일하거나 더 큰 면적을 갖는다. 더 상세하게는 상기 전해질은 면적이 작은 전극의 면적과 동일한 면적을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서, 상기 파우치는 상면과 하면이 평행하되, 하면의 면적이 상면의 면적 보다 더 크게 형성되거나 상면의 면적이 하면의 면적보다 더 크게 형성되며 상기 상면과 하면의 양끝단에서 연결되는 양측면이 경사면으로 형성되어 사다리꼴 단면을 갖는 모양으로 구성되고, 상기 전극조립체에 적층된 전극들과 전해질은 파우치의 형상에 맞춰 상하방향으로 점진적으로 면적이 가변되는 모양을 갖는다.

즉, 상기 파우치는 상면과 하면이 평행하되 하면의 면적이 더 크게 형성되어 양측면이 경사면으로 형성된 사다리꼴 단면이 형성되는 모양을 가지며, 상기 전극조립체에 적층된 전극들과 전해질은 하면에 가까운 쪽에서부터 상면에 가까운 쪽으로 갈수록 면적이 작아지도록 구성될 수 있고, 또는, 반대의 경우로써, 상면의 면적이 하면의 면적보다 더 크게 형성된 사다리꼴 단면을 갖도록 형성되고, 전극들과 전해질은 상면에 가까운 쪽에서부터 하면에 가까운 쪽으로 갈수록 면적이 작아지는 구성 또한 가질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 파우치는 상면과 하면이 평행하되 양측면 중 어느 하나 이상에는 내측으로 오목한 요홈이 형성된 모양을 가지며, 상기 전극조립체에 적층된 전극들과 전해질은 요홈이 형성되는 위치에 대응하여 요홈이 형성된 부분에서는 다른 부분에서의 면적 보다 작아지게 형성된다. 상기 요홈은 양측면 각각에 대칭형태로 형성되고, 상기 요홈은 파우치의 상면과 하면 사이에서 하면에 더 가까운 높이에 형성된다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 이차전지는 파우치 내부의 잉여공간을 최소화하여 동일 부피 대비 전지의 용량(에너지 밀도)를 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명에서 전해질은 고체이되 양극과 음극 사이에 적층되는 구조이므로 액체 전해액을 사용하는 구조 보다 더 소형화 될 수 있고 분리막을 삭제할 수 있을 뿐만아니라 상기 전해질은 접착성분이 함유되어 밀착된 음극과 양극을 고정시킬 수 있다.

도 1a 는 종래 이차전지의 단면도.
도 1b 는 도 1a 의 구조에서 용량을 증대시키기 위해 전극의 면적이 가변된 구조를 갖는 종래 이차전지의 단면도.
도 2 는 본 발명의 실시예1에 따른 이차전지의 단면모습이 도시된 단면도.
도 3 은 도 2 의 구조와 도 1b 의 구조의 내부 잉여공간을 비교하여 도시한 단면도.
도 4 는 본 발명의 실시예2에 따른 이차전지의 단면모습이 도시된 단면도.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 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.

본 발명은, 음극과 양극이 반복적층된 구조를 갖는 전극조립체가 파우치에 내장되는 이차전지에 관한 것으로써, 이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예1

도 2 와 도 3 을 참조하면, 이 실시예에서 파우치(40)는 서로 마주하는 상면과 하면 사이에 전극조립체가 탑재되는 공간이 마련되고, 상면과 하면을 연결하는 양측면들 사이에는 상대적으로 폭이 좁은 지점과 상대적으로 폭이 넓은 지점이 형성된 모양을 갖도록 형성된다. 즉, 상기 파우치(40)는 상면과 하면이 평행하되 하면의 면적이 더 크게 형성되어 양측면이 경사면으로 형성된 사다리꼴 단면이 형성되는 모양을 갖는다.

그리고, 상기 파우치(40) 내에 탑재되는 전극조립체는 파우치(40)의 상면 및 하면과 평행하도록 음극(10)과 양극(30)이 적층된 구조를 갖는다. 상기 음극(10)과 양극(30) 각각은 중앙에 집전체(10a, 30a)의 양면에 음극활물질(10b) 또는 양극활물질(30b)이 도포된 상태로 적층이 이뤄진다. 아울러, 상기 음극(10)과 양극(30) 각각의 사이에는 전해질(20)이 적층된다.

상기 전해질(20)은 고체로써 음극(10) 및 양극(30)과 유사한 판 모양으로 형성되며, 음극(10)과 양극(30)을 오가는 리튬 이온을 통과시킨다.

상기 전해질(20)은 공지의 고체 전해질들 가령, 황화물계 고체전해질, 하이드라이계 고체전해질, 산화물계 고체전해질 등을 포함하는 무기계 고체전해질; 및 용매나 작은 분자가 포함되지 않은 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte)과 가소화된 고분자 전해질(plasticized polymer electrolyte) 등을 포함하는 고분자 고체 전해질;이 사용될 수 있다.

상기 전해질(20)은 음극(10)과 양극(30)이 적층될 때 움직임 및 흔들림을 방지할 수 있도록 접착력을 가지며, 이웃하게 적층된 음극(10)과 양극(30) 중 상대적으로 면적이 큰 전극의 면적 보다 더 작되 상대적으로 면적이 작은 전극의 면적과 동일하거나 더 큰 면적을 갖는다. 더 상세하게는 상기 전해질은 면적이 작은 전극의 면적과 동일한 면적을 갖는다.

그러므로, 상기 전극조립체에 적층된 전극들(10, 30)과 전해질(20)은 하면에 가까운 쪽에서부터 상면에 가까운 쪽으로 갈수록 면적이 작아지도록 구성된다. 그리고, 전극조립체가 탑재된 후 상기 파우치(40)는 진공상태로 밀봉된다(즉, 전극조립체가 탑재된 공간을 제외한 공간인 잉여 공간에 액체 전해액이 주입되지 않은 상태로 밀봉이 이뤄져서 도 2 에 도시된 잉여공간은 진공이 이뤄진 후 더욱 축소될 수 있다).

상기 전극조립체는 파우치(40)의 모양에 상응하여 상기 파우치(40) 내에서 음극(10), 전해질(20), 양극(30)이 폭이 좁은 윗쪽은 상대적으로 더 작은 면적을 갖고 폭이 넓은 아랫쪽은 상대적으로 더 넓은 면적을 갖되, 위로 갈수록 점차적으로 축소되는 면적을 가지나, 후술되어질 실시예2에서 양측면에 요홈이 형성된 구조와 같이 탑재되는 기기에 맞춰 파우치의 형상이 변경되면 이에 맞춰지는 각층의 면적 또한 개별적으로 증감될 수 있다.

도 3 은 본 발명의 실시예1에 따른 구조와 도 1b 의 구조의 내부 잉여공간을 비교하여 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 이차전지는 전해질(20)이 이웃하는 전극의 맞닿는 면과 동일한 면적을 갖도록 구성되며 액체 전해액이 내장되지 않으므로 파우치 내부의 잉여공간을 최소화하여 동일 부피 대비 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다.

실시예2

본 발명에서는 파우치 내부의 잉여공간을 최소화할 수 있는 또 다른 실시예를 추가적으로 제공한다.

합성수지재 필름을 포밍하여 가공되는 파우치는 재질의 가요성(flexibility) 및 성형금형의 한계 때문에 상면 또는 하면을 이루는 곳에서 비스듬하게 포밍이 이뤄져서 설계 면적 보다 줄어든 상태로 가공되는 문제가 있다. 이러한 비스듬한 포밍으로 인해 상면 또는 하면이 변형됨에 따라 공간이 감소되는 문제(예를 들어 상면과 하면 사이의 양측면이 상면 및 하면과 직각을 이루도록 설계되었으나 위와 같은 이유로 도 1a 에 도시된 바와 같이 파우치가 사다리꼴 단면 모양을 갖게 제조되는 문제)는 상면 또는 하면의 변형이 이뤄지는 반대쪽으로 요홈(51)을 형성하므로써 최소화시킬 수 있다.

즉, 이 실시예에서는 도 4 에 도시된 바와 같이, 파우치(50)의 양측면에 내측으로 오목한 요홈(51)을 형성함으로써 파우치(50) 내부 공간이 감소되는 문제를 해소할 수 있다(즉, 상기 요홈이 형성됨에 따라 도 1a 와 같이 사다리꼴 단면을 갖는 파우치는 도 4 에 도시된 바와 같이 직사각형 모양에 가까운 단면을 가질 수 있고 이에 따라 파우치 내부의 잉여공간을 축소할 수 있다).

이 실시예에서도, 상기 전극조립체에 적층된 전극들(10, 30)과 전해질(20)은 요홈(51)이 형성되는 위치에 대응하여 요홈(51)이 형성된 부분에서는 다른 부분에서의 면적 보다 작아지게 형성된다.

그리고, 상기 요홈(51)은 양측면 각각에 대칭형태로 형성되고, 상기 요홈(51)은 파우치(50)의 상면과 하면 사이에서 하면에 더 가까운 높이에 형성된다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명은 전해질(20)이 고체로 구성되어 양극(30)과 음극(10) 사이에 적층되는 구조이므로 액체 전해액을 사용하는 구조 보다 더 소형화 될 수 있고 분리막을 삭제할 수 있을 뿐만아니라 상기 전해질(20)은 접착성분이 함유되어 밀착된 음극과 양극을 고정시킬 수 있는 효과를 갖는다.

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.

10 : 음극
20 : 전해질
30 : 양극
40, 50 : 파우치
51 : 요홈

Claims (10)

1. 음극과 양극이 반복적층된 구조를 갖는 전극조립체가 파우치에 내장되는 이차전지에 있어서,
   서로 마주하는 상면과 하면 사이에 전극조립체가 탑재되는 공간이 마련되고, 상면과 하면을 연결하는 양측면들 사이에는 상대적으로 폭이 좁은 지점과 상대적으로 폭이 넓은 지점이 형성된 모양을 갖는 파우치; 및
   상기 파우치 내에 탑재되고, 파우치의 상면 및 하면과 평행하도록 음극과 양극이 적층된 구조를 가지며, 상기 음극과 양극 사이를 분리시키도록 그 사이에 배치되되 음극과 양극을 오가는 이온은 통과시키는 전해질이 적층된 전극조립체;를 포함하고,
   상기 전극조립체는 음극, 전해질, 양극이 파우치 내에서 폭이 좁은 지점에서는 상대적으로 더 작은 면적을 갖고 폭이 넓은 지점에서는 이에 비례하여 상대적으로 더 넓은 면적을 갖는 모양으로 구성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전해질은 고체인 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전해질은 음극과 양극을 접착시키는 접착성분이 함유된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 파우치는 전극조립체가 탑재된 후 진공상태로 밀봉된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 전해질은 이웃하게 적층된 음극과 양극 중 상대적으로 면적이 큰 전극의 면적 보다 더 작되 상대적으로 면적이 작은 전극의 면적과 동일하거나 더 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 전해질은 면적이 작은 전극의 면적과 동일한 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 파우치는 상면과 하면이 평행하되, 하면의 면적이 상면의 면적 보다 더 크게 형성되거나 상면의 면적이 하면의 면적보다 더 크게 형성되며 상기 상면과 하면의 양끝단에서 연결되는 양측면이 경사면으로 형성되어 사다리꼴 단면을 갖는 모양으로 구성되고,
   상기 전극조립체에 적층된 전극들과 전해질은 파우치의 형상에 맞춰 상하방향으로 점진적으로 면적이 가변되는 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 파우치는 상면과 하면이 평행하되 양측면 중 어느 하나 이상에는 내측으로 오목한 요홈이 형성된 모양을 가지며,
   상기 전극조립체에 적층된 전극들과 전해질은 요홈이 형성되는 위치에 대응하여 요홈이 형성된 부분에서는 다른 부분에서의 면적 보다 작아지게 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 요홈은 양측면 각각에 대칭형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 요홈은 파우치의 상면과 하면 사이에서 하면에 더 가까운 높이에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.

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