KR20200102167A - 전극조립체 - Google Patents

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KR20200102167A
KR20200102167A KR1020190020423A KR20190020423A KR20200102167A KR 20200102167 A KR20200102167 A KR 20200102167A KR 1020190020423 A KR1020190020423 A KR 1020190020423A KR 20190020423 A KR20190020423 A KR 20190020423A KR 20200102167 A KR20200102167 A KR 20200102167A
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문태영
김기웅
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은, 음극, 분리막, 양극이 반복적층되어 구성되는 전극조립체에 있어서, 미리 정해진 갯수의 음극, 분리막, 양극이 적층된 단위셀들이 폴딩분리막 위에 놓인 다음 폴딩됨으로써 적층이 이뤄진 폴디드셀; 및 미리 정해진 갯수의 음극, 분리막, 양극이 적층되며, 상기 폴디드셀의 상층 또는 하층 중 적어도 어느 한 곳에 적층되는 보조셀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 스택앤폴딩형 방식으로 제조된 폴디드셀의 상하측에 적층형 방식으로 제조된 보조셀이 추가로 적층되는 구성을 가지므로, 폴디드셀의 최외각 상하층에 위치되는 폴딩분리막이 노출되지 않아 외관 불량이 발생하는 문제를 해소할 수 있다.

Description

전극조립체{Electrode assembly}
본 발명은 전극조립체에 관한 것으로써, 폴딩분리막의 외관불량(주름 발생 등)을 방지할 수 있는 전극조립체에 관한 것이다.
전기 에너지를 저장하는 전지는 일반적으로 일차 전지와 이차 전지로 구분될 수 있다. 일차 전지는 일회용 소모성 전지인 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이중, 리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극조립체는 원통형 캔 또는 각형 파우치 등과 같은 케이스에 수용된다.
한편, 상기 전극조립체는 대표적으로 권취형(젤리롤형), 적층형(스택형), 스택앤폴딩형 등으로 제조된다.
권취형 전극조립체는 금속 호일로 제조되는 집전체의 표면에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 요구되는 폭과 길이를 갖도록 재단하여 음극과 양극을 제조한 다음에 상기 음극과 양극 사이에 분리막을 적층한 후, 나선형으로 감아서 제조된다. 이러한 권취형 전극조립체는 원통형 모양을 가짐에 따라서 원통형 이차전지에 탑재된다. 그리고, 적층형 전극조립체는 음극, 분리막, 양극을 적절한 크기로 절단한 후 순차적으로 적층한 구조로써 통상적으로 파우치형 이차전지에 탑재된다.
스택앤폴딩형은 상기 권취형과 적층형의 혼합된 형태를 갖는다. 즉, 종래의 스택앤폴딩형 전극조립체가 제조되는 과정이 나타난 도 1 에 도시된 바와 같이, 일정한 단위 크기로 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 음극(양극)/분리막/양극(음극)/분리막/음극(양극) 구조의 바이셀(bicell)로 단위셀(2)을 구성한 후, 상기 단위셀들(2)을 폴딩분리막(1) 위에 올려놓고 연속적으로 접어서(폴딩하여) 제조되는 구조를 갖는다.
이때, 스택앤폴딩형 전극조립체는 최상층과 최하층에 폴딩분리막(1)이 위치된다. 상기 폴딩분리막(1)은 폴딩된 단위셀(2)의 풀림을 방지하는 단순한 역할을 할뿐이며 충방전에 관여하지 않는다. 하지만, 폴딩분리막(1)의 폴딩 시 적정 수준의 텐션(tension)이 유지되지 못하면 추후의 함침공정에서 폴딩분리막(1)에 주름이 발생하는 문제가 있었다. 이는 외관 불량을 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 폴딩분리막의 주름발생을 방지하고 (전극조립체가 동일한 크기를 가질 때 종래의 스택앤폴딩형 구조 대비) 상기 폴딩분리막의 사용량을 줄여 생산원가를 감소시킬 수 있는 전극조립체를 제공하는 것에 주목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 음극, 분리막, 양극이 반복적층되어 구성되는 전극조립체에 있어서, 미리 정해진 갯수의 음극, 분리막, 양극이 적층된 단위셀들이 폴딩분리막 위에 놓인 다음 폴딩됨으로써 적층이 이뤄진 폴디드셀; 및 미리 정해진 갯수의 음극, 분리막, 양극이 적층되며, 상기 폴디드셀의 상층 또는 하층 중 적어도 어느 한 곳에 적층되는 보조셀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보조셀은 상기 폴디드셀의 상측 및 하층 중 어느 한 곳이나 모두에 적층될 수 있다.
이때, 상기 폴디드셀의 최상층과 최하층에는 폴딩분리막이 위치되고, 상기 보조셀은 폴딩분리막에 접하도록 적층된다.
상기 보조셀은 최외각층에 양극이 놓이도록 적층되되, 상기 보조셀의 최외각층에 놓이는 양극은 양극집전체의 일면에만 양극활물질이 도포된 단면양극이다.
이때, 상기 보조셀의 최외각에 놓인 단면양극은, 상기 양극활물질이 상기 폴디드셀을 향하고 상기 양극집전체가 바깥쪽을 향하도록 적층된다.
상기 보조셀은 폴딩분리막에 접하는 면이 상기 폴딩분리막에 접착된다.
그리고, 상기 보조셀은, 폴딩분리막과 가까운 층에서부터 양면양극/분리막/음극/분리막/단면양극 순서로 적층되거나, 양면양극/분리막/음극/분리막/양면양극/분리막/음극/분리막/단면양극 순서로 적층된 구조를 갖는다.
따라서, 본 발명에서는 위와 같은 기술적 특징을 갖는 전극조립체가 파우치 내에 내장된 이차전지를 제공할 수 있다.
상기와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 스택앤폴딩형 방식으로 제조된 폴디드셀의 상하측에 적층형 방식으로 제조된 보조셀이 추가로 적층되는 구성을 가지므로, 폴디드셀의 최외각 상하층에 위치되는 폴딩분리막이 노출되지 않아 외관 불량이 발생하는 문제를 해소할 수 있다. 이는 분리막 사용량을 줄이기에 원가 절감 효과도 얻을 수 있다.
더 상세하게는 전극조립체가 파우치에 내장된 후 전해액 주입 시, 상기 전해액의 함침에 따라 발생하던 폴딩분리막의 들뜸 또는 주름 발생을 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명의 전극조립체는 최외각에 단면양극이 배치되어 원가를 절감할 수 있을 뿐만아니라 (최외각에 양극활물질이 적층되어 양면양극이 배치됐을 때 발생할 수 있던) 리튬석출을 방지할 수 있다. 또한, 최외각 단면양극은 집전체가 노출되는 방향(즉, 활물질이 분리막을 향하여 가려지는 방향)으로 적층되어 집전체의 표면에 도포된 활물질이 노출되는 양면양극과 대비하여 표면조도 및 평평도가 우수하므로 외관 개선에 더욱 현저한 효과를 가질 수 있다.
그리고, 최상층에 놓이는 단면양극이 L타입 단면양극이 배치되면 최하층에 놓이는 단면양극은 R타입 단면양극이 배치되도록 구성되므로 폴디드셀의 위에 적층되는 보조셀과 아래에 적층되는 보조셀을 구분하여 적층할 수 있다. 즉, R타입과 L타입의 단면양극들이 같이 사용되어 폴디드셀의 양극탭 방향에 맞게 보조셀 양극탭의 방향을 맞출 수 있다.
도 1 은 종래의 스택앤폴딩형 전극조립체가 제조되는 과정이 도시된 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 전극조립체가 제조되는 과정이 도시된 도면.
도 3 은 본 발명의 실시예1에 따른 전극조립체의 측면도.
도 4 는 본 발명의 실시예2에 따른 전극조립체의 측면도.
도 5a 는 본 발명에 따른 전극조립체가 파우치 내에 삽입되기 직전의 모습을 도시한 것이되, 폴디드셀과 보조셀이 구분되도록 이격하여 도시한 사시도.
도 5b 는 도 5a 에서 폴디드셀의 상측에 적층되는 보조셀의 최상단에 놓이는 L타입 단면양극과 폴디드셀의 하측에 적층되는 보조셀의 최하단에 놓이는 R타입 단면양극의 평면도.
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 폴딩분리막(10)의 주름발생을 방지하고 (동일한 크기의 스택앤폴딩형 전극조립체 대비) 상기 폴딩분리막(10)의 사용량을 줄여 생산원가를 감소시킬 수 있는 전극조립체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전극조립체가 제조되는 과정이 도시된 도 2 를 참조하면, 본 발명은 스택앤폴딩형 방식으로 제조된 폴디드셀(100)의 상층 또는 하측 중 적어도 어느 한 곳 이상에 적층형 방식으로 제조된 보조셀(200)이 추가적으로 적층된 구조를 갖는다.
도시된 바와 같이 상기 폴디드셀(100)은 도 1 에 도시된 종래의 스택앤폴딩형 전극조립체 구조를 갖는다. 즉, 상기 폴디드셀(100)은 미리 정해진 갯수의 음극(23), 분리막(22), 양극(21)이 적층된 단위셀들(20)이 폴딩분리막(10) 위에 올려지면, 일측에서부터 단위셀들(20)이 적층되도록 상기 폴딩분리막(10)을 폴딩시켜(일측으로 감아돌려) 제조된다.
이때, 상기 단위셀(20)은 양극(21)/분리막(22)/음극(23) 구조의 풀셀 또는 음극(양극)/분리막/양극(음극)/분리막/음극(양극) 구조의 바이셀로 제조될 수 있되, 이웃하는 단위셀들(20)은 양극(21)과 음극(23)이 분리막(22)을 사이에 두고 순서대로 적층되도록 구성 및 배치된다.
그리고, 상기 폴디드셀(100)의 상측 및 하층 중 어느 한 곳이나 두 곳 모두에 적층되는 보조셀(200)은 미리 정해진 갯수의 음극(23), 분리막(22), 양극(21)이 순차적으로 적층된 구조(즉, 종래의 스택형 전극조립체 구조)를 가지며, 최외각층이 상기 폴디드셀(100)의 최외각층에 접착되도록 적층된다. 이때, 상기 폴디드셀(100)의 최상층과 최하층에는 폴딩분리막(10)이 위치되므로, 상기 보조셀(200)은 폴딩분리막(10)에 접하도록 적층된다.
도 3 은 본 발명의 실시예1에 따른 전극조립체의 측면도이고, 도 4 는 본 발명의 실시예2에 따른 전극조립체의 측면도이다. 본 발명에서는 적층된 전극의 층수가 다른 보조셀들(200)이 각각 결합된 전극조립체를 실시예1, 2로써 제공한다.
본 발명의 실시예1에 따른 보조셀(200)은 도 3 에 도시된 바와 같이, 폴딩분리막(10)과 가까운 층에서부터 양면양극(21)/분리막(22)/음극(23)/분리막(22)/단면양극(21') 순서로 적층되고, 실시예2에 따른 보조셀(200)은 양면양극(21)/분리막(22)/음극(23)/분리막(22)/양면양극(21)/분리막(22)/음극(23)/분리막(22)/단면양극(21') 순서로 적층된 구조를 갖는다.
상기 실시예1, 2의 보조셀 적층구조는 전극조립체의 요구되는 사양에 따라 선택될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들에서는 공통적으로 상기 보조셀(200)은 폴딩분리막(10)과 접하는 면의 반대쪽 최외각층에 양극(21)이 놓이도록 적층된다.
이때, 상기 보조셀(200)의 최외각층에 놓이는 양극(21)은 양극집전체(21a)의 일면에만 양극활물질(21b)이 도포된 단면양극(21')이다. 상기 단면양극(21')은 양극활물질(21b)이 폴디드셀(100)을 향하고 양극집전체(21a)가 바깥쪽을 향하는 방향으로 적층된다. 이와 같이 적층하는 이유는 반응하지 않는 면에서 활물질의 낭비를 줄이고, 최외각에 양극활물질(21b)이 배치됨에 따라 리튬석출이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
다만, 실시예1 과 2 에 따른 보조셀(200)에서 폴딩분리막(10)에 접하는 층은 여기에선 양면양극(21)인 것으로 설명되었으나, 폴디드셀(100) 내에서 이웃하게 되는 전극의 극성에 따라 음극이 배치될 수도 있다. 아울러, 본 발명의 실시예에서, 보조셀(200)에서 폴딩분리막(10)에 접하는 층은 열과 압력이 가해져 상기 폴딩분리막(10)과 접착되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 위와 같은 기술적 특징을 갖는 전극조립체가 파우치 내에 내장된 이차전지를 추가적으로 제공할 수 있다.
즉, 도 5a 에 도시된 바와 같이 위와 같이 폴디드셀(100)의 상측과 하측 각각에 보조셀들(200A, 200B)이 적층된 전극조립체가 파우치(300) 내에 내장되어 이차전지가 실시예3으로써 추가적으로 제공된다.
도 5a 는 본 발명에 따른 전극조립체가 파우치 내에 삽입되기 직전의 모습을 도시한 것이되, 폴디드셀과 보조셀이 구분되도록 이격하여 도시한 사시도이다. 도 5a 에서는 상기 폴디드셀(100)과 보조셀(200A, 200B)이 분리된 것으로 도시되었으나, 상기 보조셀(200A, 200B)은 폴디드셀(100)에 적층된 상태로 파우치(300) 내에 내장된다.
이때, 상기 보조셀들(200A, 200B)의 양극탭(C)과 음극탭(A)은 폴디드셀(100)의 양극탭(C)과 음극탭(A)과 동일한 방향에 놓이도록 위치되고, 상기 폴디드셀(100)과 보조셀들(200A, 200B) 각각의 양극탭(C)과 음극탭(A)은 폴디드셀(100)과 보조셀들(200A, 200B)의 적층이 이뤄진 후, 초음파 용접 등을 통해 용접이 이뤄진 다음에 파우치(300)에 내장된다.
한편, 상기 보조셀들(200A, 200B) 최외각에 적층되는 단면양극(21)은 위에서 바라봤을 때(즉, 평면도 상에서) 양극탭이 오른쪽에 배치된 R타입과 양극탭이 왼쪽에 배치되는 L타입이 구분되서 적층된다.
즉, 도 5a 에서 폴디드셀의 상측에 적층되는 보조셀의 최상단에 놓이는 L타입 단면양극과 폴디드셀의 하측에 적층되는 보조셀의 최하단에 놓이는 R타입 단면양극의 평면도가 도시된 도 5b 에 도시된 바와 같이, R타입 단면양극(21'A)은 양극탭이 위를 향한 상태에서 활물질이 미도포된 면을 바라봤을 때 양극탭이 오른쪽에 위치하고 L타입 단면양극(21'B)은 왼쪽에 위치한다.
따라서, 도 5a 에서 폴디드셀(100)의 양극탭(C)이 오른쪽에 놓이면 최상단에 놓이는 단면양극(21')은 활물질이 아랫쪽을 향해야 하므로 L타입 단면양극(21'B)이 놓이며, 최하단에 놓이는 단면양극(21')은 활물질이 윗쪽을 향해야 하므로(도 5b 에 도시된 양극탭의 방향이 바껴야하므로) R타입 단면양극(21'A)이 놓이게 된다.
반대로, 폴디드셀(100)의 양극탭(C)이 왼쪽에 놓이면 최상단에는 R타입 단면양극(21'A)이 놓이고 최하단에는 L타입 단면양극(21'B)이 배치된다.
이에 따라, 폴디드셀(100)에 적층되는 보조셀(200A, 200B)의 단면양극(21')은 R타입 또는 L타입으로 구분될 수 있으므로, 폴디드셀(100)의 양극탭(C)과 음극탭(A)의 위치에 따라서 R타입 또는 L타입의 단면양극(21')이 선택적으로 적층될 수 있다. 그러므로, 제조단계에서부터 폴디드셀(100)에 맞춰 보조셀들(200A, 200B)을 별도로 분리하여 제조할 필요 없이 최외각의 단면양극(21'A, 21'B)만 구분하여 적층하면 폴디드셀(100)의 구조에 맞춰 양극탭(C)의 방향을 대응시킬 수 있다.
한편, 도 5a 에서 도시된 바와 같이, 최종적으로 전극 조립체가 파우치(300)에 삽입되면, 최외각 단면양극이 파우치(300)와 직접적으로 바로 맞닿게 되며, 이에 따라 파우치 외관 개선 효과가 파우치(300) 외부로 직접적으로 드러나게 된다.
상기와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 스택앤폴딩형 방식으로 제조된 폴디드셀(100)의 상하측에 적층형 방식으로 제조된 보조셀(200)이 추가로 적층되는 구성을 가지므로, 폴디드셀(100)의 상하층에 폴딩분리막(10)이 노출되지 않아 외관 불량이 발생하는 문제를 해소할 수 있다. 더 상세하게는 전극조립체가 파우치에 내장된 후 전해액 주입 시, 상기 전해액의 함침에 따라 발생하던 폴딩분리막(10)의 들뜸 또는 주름 발생을 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명의 전극조립체는 최외각에 단면양극(21')이 배치되어 최외각에 양극활물질(21b)이 적층되는 양면양극(21)이 배치됐을 때 발생할 수 있던 리튬석출을 방지할 수 있다.
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 : 폴딩분리막
20 : 단위셀
21 : 양면양극, 21' : 단면양극
22 : 분리막
23 : 음극
100 : 폴디드셀
200 : 보조셀

Claims (10)

  1. 음극, 분리막, 양극이 반복적층되어 구성되는 전극조립체에 있어서,
    미리 정해진 갯수의 음극, 분리막, 양극이 적층된 단위셀들이 폴딩분리막 위에 놓인 다음 폴딩됨으로써 적층이 이뤄진 폴디드셀; 및
    미리 정해진 갯수의 음극, 분리막, 양극이 적층되며, 상기 폴디드셀의 상층 또는 하층 중 적어도 어느 한 곳에 적층되는 보조셀;을 포함하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조셀은 상기 폴디드셀의 상측 및 하층 각각 모두에 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴디드셀의 최상층과 최하층에는 폴딩분리막이 위치되고, 상기 보조셀은 폴딩분리막에 접하도록 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보조셀은 최외각층에 양극이 놓이도록 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조셀의 최외각층에 놓이는 양극은 양극집전체의 일면에만 양극활물질이 도포된 단면양극인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조셀의 최외각에 놓인 단면양극은,
    상기 양극활물질이 상기 폴디드셀을 향하고, 상기 양극집전체가 바깥쪽을 향하도록 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 보조셀은 폴딩분리막에 접하는 면이 상기 폴딩분리막에 접착된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조셀은, 폴딩분리막과 가까운 층에서부터, 양면양극/분리막/음극/분리막/단면양극 순서로 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조셀은, 폴딩분리막과 가까운 층에서부터, 양면양극/분리막/음극/분리막/양면양극/분리막/음극/분리막/단면양극 순서로 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 전극조립체가 파우치 내에 내장된 이차전지.
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