KR20190075381A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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유형균
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문재원
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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 양극, 분리막, 및 음극이 적층된 전극 조립체로서, 상기 분리막은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치되고, 상기 양극은 다수의 양극 집전체 및 다수개의 상기 양극 집전체에 각각 적층되는 양극 활물질을 포함하고, 상기 음극은 다수의 음극 집전체 및 다수개의 상기 음극 집전체에 각각 적층되는 음극 활물질을 포함하며, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 다공성 금속 집전체로 이루어진다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND RECHARGEABLE BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 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 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차 전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jelly-roll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리 필름으로 권취한 스택/폴딩형으로 대략 분류할 수 있다.
종래의 스택/폴딩형 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 양극 등으로 구성되거나, 또는 음극, 분리막, 양극, 분리막, 음극 등으로 구성된 수십개의 바이셀을 폴딩하여 제조과정이 복잡하고, 제조 속도를 저해하며, 불량 발생가능성이 높은 문제가 있다. 또한, 종래의 스택/폴딩형 전극 조립체는 양극 및 음극 간에 쇼트(Short)를 예방하기 위해 수십개의 분리막이 사용되어지면서, 단가 저항 및 셀 설계 유동성확보를 어렵게 만드는 문제가 있다. 그리고, 이로인해 두께가 증가되어 셀 용량이 저감되고, 수십개의 분리막 중에 어느 하나의 분리막에 손상이 발생되어도 쇼트가 발생될 소지가 큰 문제가 있다.
한국 공개특허 제10-2014-0015647호
본 발명의 하나의 관점은 용량이 증가되고, 열 방출이 용이하며, 공정성이 향상될 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는, 양극, 분리막, 및 음극이 적층된 전극 조립체로서, 상기 분리막은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치되고, 상기 양극은 다수의 양극 집전체 및 다수개의 상기 양극 집전체에 각각 적층되는 양극 활물질을 포함하고, 상기 음극은 다수의 음극 집전체 및 다수개의 상기 음극 집전체에 각각 적층되는 음극 활물질을 포함하며, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 다공성 금속 집전체로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는, 양극, 분리막, 및 음극이 적층된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함하고, 상기 분리막은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치되며, 상기 양극은 다수의 양극 집전체 및 다수개의 상기 양극 집전체에 각각 적층되는 양극 활물질을 포함하고, 상기 음극은 다수의 음극 집전체 및 다수개의 상기 음극 집전체에 각각 적층되는 음극 활물질을 포함하며, 상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 다공성 금속 집전체로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 다공성 금속 집전체를 사용하여, 양극 집전체 및 양극 활물질이 다수의 층으로 적층된 양극을 형성시키고, 음극 집전체 및 음극 활물질이 다수의 층으로 적층된 음극을 형성시켜, 셀 용량이 증가되고, 열 방출이 용이하며, 공정성이 향상될 수 있다. 또한, 이로인해 제조 속도가 증가하며, 불량 발생 가능성이 낮고, 안정성이 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 양극 집전체를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 음극 집전체를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(120)는, 양극(111), 분리막(114), 및 음극(112)이 적층된 전극 조립체(120)로서, 양극(111)은 다수의 양극 집전체(111a) 및 다수개의 양극 집전체(111a)에 각각 적층되는 양극 활물질(111b)을 포함하고, 음극(112)은 다수의 음극 집전체(112a) 및 다수개의 음극 집전체(112a)에 적층되는 음극 활물질(112b)을 포함한다.
이하에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예인 전극 조립체에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참고하면, 전극 적층체(110)는 충방전이 가능한 발전소자로서, 양극(111), 분리막(114), 및 음극(112)이 적층되어 형성될 수 있다.
분리막(114)은 절연 재질로 이루어지고, 양극(111) 및 음극(112) 사이에 위치되어, 양극(111)과 음극(112) 사이를 전기적으로 절연한다. 이때, 예를들어 분리막(114)은 한장의 분리막(114)으로 구비되고, 양극(111)이 분리막(114)의 일면에 적층되며, 음극(112)이 분리막(114)의 타면에 적층될 수 있다.
또한, 분리막(114)은 예를 들어 미다공성을 가지는 폴리에칠렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 양극 집전체를 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 양극(111)은 다수의 양극 집전체(111a) 및 다수개의 양극 집전체(111a)에 각각 적층되는 양극 활물질(111b)을 포함한다.
또한, 양극(111)은 분리막(114)의 일면에 양극 활물질(111b) 및 양극 집전체(111a)가 교대로 다수개의 층으로 적층된 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 양극(111)은 예를들어 적어도 4개층 이상의 양극 집전체(111a) 및 양극 집전체(111a)에 각각 적층된 양극 활물질(111b)을 포함할 수 있다. 이때, 양극(111)은 구체적으로 예를들어 분리막(114)의 일면에 적어도 4개층 이상의 양극 집전체(111a) 및 양극 집전체(111a)의 양면에 적층되는 양극 활물질(111b)이 교대로 적층될 수 있다.
양극 집전체(111a)는 포일(Foil) 형태의 다공성 금속 집전체로 이루어질 수 있다.
그리고, 양극 집전체(111a)는 예를 들어 메쉬(Mesh) 구조의 다공성 알루미늄(Al) 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 양극 집전체(111a)는 구체적으로 예를 들어 허니컴(honeycomb), 사각형, 사다리꼴, 마름모 또는 다각형 형태 중에서 어느 하나의 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 이때, 양극 집전체(111a)는 보다 구체적으로 예를 들어 다각형 형태의 메쉬 구조로 형성될 수 있다.
양극 활물질(111b)은 양극 집전체(111a)의 일면 또는 양면에 도포되어 적층될 수 있다. 여기서, 양극 활물질(111b)은 예를 들어 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 음극 집전체를 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 음극(112)은 다수의 음극 집전체(112a) 및 다수개의 음극 집전체(112a)에 각각 적층되는 음극 활물질(112b)을 포함한다.
또한, 음극(112)은 분리막(114)의 타면에 양극 집전체(111a) 및 음극 활물질(112b)이 교대로 다수개의 층으로 적층된 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 음극(112)은 예를들어 적어도 4개층 이상의 음극 집전체(112a) 및 음극 집전체(112a)에 각각 적층된 음극 활물질(112b)을 포함할 수 있다. 이때, 음극(112)은 구체적으로 예를들어 분리막(114)의 타면에 적어도 4개층 이상의 음극 집전체(112a) 및 음극 집전체(112a)의 양면에 적층되는 음극 활물질(112b)이 연속적으로 적층될 수 있다.
음극 집전체(112a)는 포일 형태의 다공성 금속 집전체로 이루어질 수 있다.
또한, 음극 집전체(112a)는 예를 들어 메쉬 구조의 다공성 구리(Cu) 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 음극 집전체(112a)는 구체적으로 예를 들어 허니컴(honeycomb), 사각형, 사다리꼴 또는 마름모 형태 중에서 어느 하나의 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 이때, 음극 집전체(112a)는 보다 구체적으로 예를 들어 마름모 형태의 메쉬 구조로 형성될 수 있다.
음극 활물질(112b)은 음극 집전체(112a)의 일면 또는 양면에 도포되어 적층될 수 있다. 여기서, 음극 활물질(112b)은 예를 들어 인조흑연, 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 이때, 음극 활물질(112b)은 예를 들어 비흑연계의 SiO(silica, 실리카) 또는 SiC(silicon carbide, 실리콘카바이드) 등이 더 포함되어 이루어질 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 적층체에서 분리막(114)은 한장의 단일 분리막(114)으로 구성되고, 분리막(114)의 일면에 다수의 층으로 양극 집전체(111a) 및 양극 활물질(111b)이 적층되며, 타면에 다수의 층으로 음극 집전체(112a) 및 음극 활물질(112b)이 적층되어, 셀 용량이 증가되고, 열 방출이 용이하며, 공정성이 향상될 수 있다. 또한, 이로인해 제조 속도가 증가하며, 불량 발생 가능성이 낮고, 안정성이 증대될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 나타낸 단면도이다.
이하에서 도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(120)를 포함하는 이차전지를 설명하기로 한다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는, 양극(111), 분리막(114), 및 음극(112)이 적층된 전극 조립체(120) 및 전극 조립체(120)를 수용하는 전지 케이스(120)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 일 실시예에 따른 전극 조립체(120)를 포함하는 이차전지(100)에 대한 것으로서, 본 실시예는 전술한 실시예들과 중복되는 내용은 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)에서 전지 케이스(120)는 전극 조립체(120) 및 전해액을 내부에 수용하는 수용부(121)가 형성될 수 있다.
전극 조립체(120)는, 양극(111), 분리막(114), 및 음극(112)이 적층된 전극 조립체로서, 양극(111)은 다수의 양극 집전체(111a) 및 다수개의 양극 집전체(111a)에 각각 적층되는 양극 활물질(111b)을 포함하고, 음극(112)은 다수의 음극 집전체(112a) 및 다수개의 음극 집전체(112a)에 적층되는 음극 활물질(112b)을 포함한다.
또한, 전극 조립체(120)는 양극(111)과 연결되는 양극탭(115) 및 음극(112)과 연결되는 음극탭(116)을 더 포함할 수 있다. 이때, 이차전지(100)는 양극탭(115)과 연결되는 양극리드(130) 및 음극탭(116)과 연결되는 음극리드(140)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 양극리드(130) 및 음극리드(140)는 일부과 전지 케이스(120)의 외측으로 돌출되어 외부의 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
분리막(114)은 예를들어 1개의 단일 분리막(114)으로 구성되고, 양극(111)이 분리막(114)의 일면에 적층되며, 음극(112)이 분리막(114)의 타면에 적층될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참고하면, 양극(111)은 다수의 양극 집전체(111a) 및 다수개의 양극 집전체(111a)에 각각 적층되는 양극 활물질(111b)을 포함한다. 이때, 양극(111)은 예를들어 분리막(114)의 일면에 적어도 4개층 이상의 양극 집전체(111a) 및 양극 집전체(111a)의 양면에 적층되는 양극 활물질(111b)이 교대로 적층될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 음극(112)은 다수의 음극 집전체(112a) 및 다수개의 음극 집전체(112a)에 각각 적층되는 음극 활물질(112b)을 포함한다. 이때, 음극(112)은 예를들어 분리막(114)의 타면에 적어도 4개층 이상의 음극 집전체(112a) 및 음극 집전체(112a)의 양면에 적층되는 음극 활물질(112b)이 연속적으로 적층될 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 적층체를 포함하는 이차전지(100)는 전극 조립체(120)에서 분리막(114)이 1개인 단일 분리막(114)으로 구성되고, 분리막(114)의 일면에 다수의 층으로 양극 집전체(111a) 및 양극 활물질(111b)이 적층되며, 타면에 다수의 층으로 음극 집전체(112a) 및 음극 활물질(112b)이 적층되어, 셀 용량이 증가되고, 열 방출이 용이하며, 공정성이 향상될 수 있다. 또한, 이로인해 제조 속도가 증가하며, 불량 발생 가능성이 낮고, 안정성이 증대될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지는 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 실시가 가능하다고 할 것이다.
또한, 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 이차전지
110: 전극 조립체
111: 양극
111a: 양극 집전체
111b: 양극 활물질
112: 음극
112a: 음극 집전체
112b: 음극 활물질
114: 분리막
115: 양극탭
116: 음극탭
120: 전지 케이스
121: 수용부
130: 양극리드
140: 음극리드

Claims (8)

  1. 양극, 분리막, 및 음극이 적층된 전극 조립체로서,
    상기 분리막은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치되고,
    상기 양극은 다수의 양극 집전체 및 다수개의 상기 양극 집전체에 각각 적층되는 양극 활물질을 포함하고,
    상기 음극은 다수의 음극 집전체 및 다수개의 상기 음극 집전체에 각각 적층되는 음극 활물질을 포함하며,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 다공성 금속 집전체로 이루어지는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 메쉬(Mesh) 구조로 이루어지는 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 양극 집전체는 다공성 알루미늄(Al) 재질로 이루어지고, 상기 음극 집전체는 다공성 구리(Cu) 재질로 이루어지는 전극 조립체.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 양극 집전체는 다각형 형태의 메쉬 구조로 형성되고,
    상기 음극 집전체는 마름모 형태의 메쉬 구조로 형성되는 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막은 한장의 분리막으로 형성되고,
    상기 양극은 상기 분리막의 일면에 상기 양극 활물질 및 상기 양극 집전체가 교대로 다수개의 층으로 적층된 형태로 형성되고,
    상기 음극은 상기 분리막의 타면에 상기 음극 활물질 및 상기 음극 집전체가 교대로 다수개의 층으로 적층된 형태로 형성되는 전극 조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 양극은 적어도 4개층 이상의 양극 집전체 및 상기 양극 집전체에 각각 적층된 양극 활물질을 포함하고,
    상기 음극은 적어도 4개층 이상의 음극 집전체 및 상기 음극 집전체에 각각 적층된 음극 활물질을 포함하는 전극 조립체.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 양극은 상기 분리막의 일면에 적어도 4개층 이상의 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 양면에 적층되는 양극 활물질이 적층되고,
    상기 음극은 상기 분리막의 타면에 적어도 4개층 이상의 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 양면에 적층되는 음극 활물질이 적층되는 전극 조립체.
  8. 양극, 분리막, 및 음극이 적층된 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함하고,
    상기 분리막은 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치되며,
    상기 양극은 다수의 양극 집전체 및 다수개의 상기 양극 집전체에 각각 적층되는 양극 활물질을 포함하고,
    상기 음극은 다수의 음극 집전체 및 다수개의 상기 음극 집전체에 각각 적층되는 음극 활물질을 포함하며,
    상기 양극 집전체 및 상기 음극 집전체는 다공성 금속 집전체로 이루어지는 이차전지.
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