KR20220003394A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 기재, 제1 기재의 적어도 일면에 형성되어 있는 제1 활물질층을 포함하는 제1 전극, 제1 전극 상에 형성된 제2 전극을 포함하고, 제2 전극은 제2 기재, 제2 기재의 적어도 일면에 형성되어 있는 제2 활물질층을 포함하고, 제1 기재 및 제2 기재 중 적어도 어느 하나는 복수의 관통 구멍을 가지며, 관통 구멍의 개구율은 제1 기재 또는 제2 기재 전체 면적의 5%이하이다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND RECHARGEABLE BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로, 특히 이차 전지용 전극 조립체와 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
이러한 이차 전지는 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층된 구조의 전극 조립체, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트, 및 캡 플레이트 상에 위치하여 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 다양한 특성이 요구되고 있으며, 휴대성을 위해서 고용량화, 급속충전 특성이 더욱 요구되고 있다.
그러나, 고용량을 위해서 기재 위에 활물질층을 형성하기 위한 로딩레벨을 올리는 경우 기재와 활물질 사이의 극판의 결착력이 저하되는 문제가 있다.
이처럼, 결착력이 저하된 상태로 이차 전지를 형성하면, 충방전으로 인한 활물질의 탈락이 발생하고 전자 이동 경로(path)를 잃어 전지 용량이 감소된다.
따라서, 본 발명은 기재와 활물질 사이의 결착력이 향상되어, 로딩 레벨이 증가한 고용량의 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 기재, 제1 기재의 적어도 일면에 형성되어 있는 제1 활물질층을 포함하는 제1 전극, 제1 전극 상에 형성된 제2 전극을 포함하고, 제2 전극은 제2 기재, 제2 기재의 적어도 일면에 형성되어 있는 제2 활물질층을 포함하고, 제1 기재 및 제2 기재 중 적어도 어느 하나는 복수의 관통 구멍을 가지며, 관통 구멍의 개구율은 제1 기재 또는 제2 기재 전체 면적의 5%이하이다.
상기 제1 기재 또는 제2 기재의 두께는 5㎛이상 30㎛이하일 수 있다.
상기 제2 기재는 구리 기재일 수 있다.
상기 제2 활물질층의 활물질의 직경은 15㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 활물질의 사이즈(D)와 상기 관통 구멍의 직경(R) 사이의 비율은 10< R/D < 45일 수 있다.
상기 관통 구멍의 직경은 100㎛ 내지 700㎛일 수 있다.
상기 제2 활물질층의 로딩레벨은 27 mg/㎠ 내지 35 mg/㎠일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체는 상기 전극 조립체와 전해액을 함께 수용하는 공간을 가지는 케이스, 케이스에 설치되어 상기 공간을 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 이용하여 이차 전지를 제조하면, 로딩 레벨을 증가시키면서도 고용량의 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체에 포함된 기재를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 기재의 개구율에 따른 인장강도 및 결착력을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 기재의 개구율에 따른 인장강도 저감율을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI선을 잘라 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 그리고, "제 1", "제 2", 및 "제 3" 등의 서수는 구성요소들 간의 혼동을 피하기 위하여 사용된다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명에 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 (on)" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지에 대해서 구체적으로 설명한다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 개략적인 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 전극 조립체에 포함된 기재를 도시한 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 전극(121), 제2 전극(122), 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 위치하는 세퍼레이터(123)를 포함한다. 세퍼레이터(123)는 절연을 위한 것으로, 제1 전극(121), 세퍼레이터(123), 제2 전극(122), 세퍼레이터(123) 순으로 적층될 수도 있다.
전극 조립체는 제1 전극(121), 세퍼레이터(123) 및 제2 전극(122)이 적층된 상태로 권회축(XL)을 중심으로 권취된 젤리롤(jelly roll)(도 6 참조) 형태일 수 있다. 필요에 따라서 전극 조립체는 권취된 후 납작하게 가압될 수 있으며, 횡단면이 대략 타원형일 수 있다.
제1 전극(121)은 제1 전극 활성부(11)와 제1 전극 무지부(12)를 포함하고, 제2 전극(122)은 제2 전극 활성부(21)와 제2 전극 무지부(22)를 포함한다.
제1 전극 활성부(11)와 제2 전극 활성부(21)는 각각 띠 형상의 금속 포일(foil)로 형성되는 제1 기재(11a) 및 제2 기재(21a), 제1 기재(11a) 및 제2 기재(21a) 위에 각각 형성되어 있는 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(21b)을 포함한다. 제1 활물질층(11b) 및 제2 활물질층(21b)은 각각 제1 기재(11a) 또는 제2 기재(21a)의 적어도 일면에 형성될 수 있다.
제1 기재(11a)는 제1 활물질층(11b)에서 발생하는 전하의 이동 통로를 제공하고, 제1 활물질층(11b)을 지지한다. 예를 들어, 제1 전극(121)은 양극일 수 있으며, 제1 기재(11a)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
제1 활물질층(11b)은 전극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 전극 합재를 용매에 분산시켜 슬러리 형태로 만든 다음, 이를 제1 기재(11a)의 적어도 일면에 도포한 후 건조 및 압축하여 형성될 수 있다.
제1 활물질층(11b)의 전극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.　 보다 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1-bXbD2(0.90 ≤ a ≤ 1.8,　 0 ≤ b ≤ 0.5); LiaA1-bXbO2-cTc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaE1-bXbO2-cTc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaE2-bXbO4-cTc(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05); LiaNi1-b-cCobXcDα(0.90 ≤ a ≤1.8, 0 ≤ b　 ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 < α ≤ 2); LiaNi1-b-cCobXcO2-αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cCobXcO2-αT2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbXcDα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αTα(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αT2( 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b　 ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2); LiaNibEcGdO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1); LiaNibCocMndGeO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1); LiaNiGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1) LiaCoGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn1-bGbO2(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn2GbO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1); LiaMn1-gGgPO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ g ≤ 0.5); QO2 QS2 LiQS2 V2O5 LiV2O5 LiZO2 LiNiVO4 Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiaFePO4(0.90 ≤ a ≤ 1.8)
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 E는 Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 T는 F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 Q는 Ti, Mo, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고 Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며 J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다.　 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 코팅 원소의 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다.　 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다.　 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.　 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등)으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제2 기재(21a)는 제2 활물질층(21b)에서 발생하는 전하의 이동 통로를 제공하고, 제2 활물질층(21b)을 지지한다. 예를 들어, 제2 전극(122)은 음극일 수 있으며, 제2 기재(21a)는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
제2 활물질층(21b)은 전극 활물질, 바인더, 도전재 등으로 이루어진 전극 합재에 용매를 분산시켜 슬러리 형태로 만든 다음, 이를 제2 기재(21a)의 적어도 일면에 도포한 후 건조 및 압축하여 형성할 수 있다.
제2 활물질층(21b)의 전극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 사용할 수 있다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는, 그 예로 탄소 물질, 즉 리튬 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질을 들 수 있다.　 탄소계 음극 활물질의 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다.　 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Si-탄소 복합체, Sn, SnO2, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님), Sn-탄소 복합체 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다.　 상기 원소 Q 및 R로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 전이 금속 산화물로는 리튬 티타늄 산화물을 사용할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 제2 기재(21a)는 복수의 관통 구멍(2)이 형성된 다공성 재질일 수 있다. 제2 기재(21a)의 두께(T)는 5㎛이상 30㎛이하이고, 예를 들어 5㎛이상 12㎛이하일 수 있다.
제2 기재(21a)의 전체 면적에 대해서 관통 구멍(2)이 차지하는 개구율은 5%이하이다. 이때, 개구율은 제2 기재(21a) 전체 면적에서 관통 구멍(2)이 차지하는 면적을 의미한다. 이처럼, 관통 구멍(2)을 형성하면, 제2 기재(21a)와 제2 활물질층(21b) 사이의 결착력을 증가시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 제2 기재의 관통 구멍의 평균 직경은 100㎛ 내지 700㎛일 수 있으며, 구체적으로 100㎛ 내지 600㎛, 보다 더 구체적으로 100㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 관통 구멍의 직경이 100㎛ 내지 700㎛인 경우 기재와 활물질층의 결착력이 증가하여 로딩레벨을 증가시킬 수 있다. 이때, 평균 직경은 기재에 형성되는 관통 구멍의 실측 직경으로, 관통 구멍은 레이저 장비를 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 제2 활물질층의 활물질의 크기(직경, 지름 또는 장축의 길이)는 10㎛ 내지 30㎛, 구체적으로 15㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 활물질은 레이저 장비를 통해서 구형으로 가공된 것으로, 실측값 일 수 있다. 타원일 경우, 장축을 직경으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 관통 구멍의 직경(R)과 활물질 사이즈(D)의 비율은 10≤R/D≤45, 구체적으로, 10≤R/D≤25일 수 있다.
관통 구멍 사이의 평균 간격은 관통 구멍의 크기(직경, 지름 또는 장축의 길이)의 4배 이하일 수 있으며, 관통 구멍의 간격은 서로 인접한 관통 구멍의 중심 사이의 거리를 의미한다.
본 실시예에서와 같이 제2 기재에 관통 구멍(2)을 형성하면, 관통 구멍(2)에 채워지는 활물질에 의해서 앵커(anchor) 효과가 발생하고, 이로 인해서 활물질과 기재 사이의 기계적 결합 및 접촉 면적이 증가하여 기재와 활물질 사이의 결착력이 향상된다. 즉, 관통 구멍(2)에 채워지는 활물질이 활물질층 전체의 앵커로 작용하여 활물질층이 기재에 강하게 결합될 수 있도록 한다.
이러한 결착력은 활물질이 관통 구멍(2)에 채워지는 정도에 따라서 달라질 수 있다.
관통 구멍의 직경(R)과 활물질 사이즈(D)의 비율이 R/D<10일 경우, 활물질 코팅 시 관통 구멍(2)에 활물질이 완벽하게 채워지지 못할 수 있으며, 채워지지 않은 영역은 공극이 될 수 있다. 또한, 기재를 중심으로 양면에 각각 코팅시에 불균일하게 코팅되는 경우가 발생될 수도 있다.
또한, 관통 구멍의 직경(R)과 활물질 사이즈(D)의 비율이 45<R/D일 경우, 활물질 입자 사이에 공극이 생성되며, 이로 인해서 앵커링 효과가 발생되지 않아 활물질 간 접촉점이 없어져 저항이 높아지고 셀 특성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 기재를 사용하면, 종래에 비해서 결착력이 향상되므로 로딩레벨을 증가시켜 활물질층을 형성하더라도 결착력이 저하되지 않는다. 따라서 로딩레벨을 증가시키더라도 고용량의 이차 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 제1 전극 무지부(12)와 제2 전극 무지부(22)는 활물질층을 포함하지 않으며, 제1 전극 활성부(11)의 제1 기재(11a), 제2 전극 활성부(21)의 제2 기재(21a)로부터 연장된 부분일 수 있다.
제1 전극 무지부(12)는 제1 전극 활성부(11)를 중심으로 양쪽에 위치할 수 있으며, 제1 전극 활성부(11)를 따라 길게 형성될 수 있다.
어느 한쪽 제1 전극 무지부(12)에는 화학반응으로 형성된 전하들을 외부로 인출하기 위한 집전탭(41, 도 6참조)이 연결될 수 있다. 집전탭(41)은 제1 전극 무지부(12)에 초음파 용접으로 연결될 수 있다. 집전탭(41)은 제1 기재(11a)와 마찬가지로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
제2 전극 무지부(22)는 제2 전극 활성부(21)를 중심으로 양쪽에 위치할 수 있고, 어느 한쪽의 제2 전극 무지부(22)에는 화학반응으로 형성된 전하들을 외부로 인출하기 위한 집전탭(42, 도 6참조)가 연결되어 있다. 집전탭(42)은 제2 전극 무지부(22)에 초음파 용접으로 연결될 수 있다. 집전탭(42)은 니켈 또는 니켈 합금을 포함할 수 있다.
세퍼레이터(123)는 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 위치하며, 이들 사이의 단락을 방지한다.
세퍼레이터(123)는 높은 이온 투과도를 가지며 기계적인 강도를 갖는 다공성 필름으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 폴리 에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머로 형성될 수 있다. 세퍼레이터는 길이 방향을 따라 또는 폭 방향을 따라 제1 전극 활성부(11) 또는 제2 전극 활성부(21) 보다 연장 형성되어, 열적 수축으로 제1 전극 활성부(11)와 제2 전극 활성부(21) 사이에 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 대해 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3에 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체는 관통 구멍(4)이 형성된 제1 기재(11a)를 포함한다.
도 3에 도시한 전극 조립체는 제1 기재(11a)에 관통 구멍(4)이 형성되는 점을 제외하고는 도 1 및 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체와 동일한 구성을 갖는다. 이에 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
제1 기재(11a)에 형성되는 관통 구멍의 평균 직경(R)과 활물질 사이즈(D) 사이의 비율은 10<R/D<45로 형성될 수 있다.
본 발명에서와 같이 관통 구멍을 형성하면, 활물질의 결착력이 증가될 수 있다.
도 4에 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 기재(11a) 및 제2 기재(21a)에 모두 관통 구멍(4, 2)이 형성되는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2의 본 발명의 일 실시예에 다른 전극 조립체화 동일한 구성을 갖는다. 이에 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
제1 기재 및 제2 기재에 형성되는 관통 구멍의 평균 직경(R)과 활물질 직경(D) 사이의 비율은 10<R/D<45로 형성될 수 있다.
본 발명에서와 같이 관통 구멍을 형성하면, 활물질의 결착력이 증가될 수 있다.
이상의 전극 조립체는 이차 전지용 전극 조립체일 수 있으며, 이하에서는 기 설명한 전극 조립체를 포함하는 이차 전지에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 사시도이고, 도 6은 도 5의 VI-VI선을 잘라 도시한 단면도이다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지(1000)는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(27), 케이스(27)의 개구에 설치되어 있는 캡 조립체(30)를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지(1000)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다.
전극 조립체(10)는 도 1 및 2의 전극 조립체(10)일 수 있으며, 전해액과 함께 케이스(27)에 수용될 수 있다. 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, EMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
케이스(27)는 알루미늄과 같은 금속으로 이루어질 수 있으며, 대략 직육면체일 수 있다. 케이스(27)의 일측은 개방될 수 있으며, 케이스(27)의 개방된 일측에는 캡 조립체(30)가 설치될 수 있다.
캡 조립체(30)는 케이스(27)에 결합되어 케이스(27)의 개구를 막는 캡 플레이트(31), 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며 각각 제1 전극(121)인 양극과 전기적으로 연결된 양극 단자(5)와 제2 전극(122)인 음극과 전기적으로 연결된 음극 단자(8)를 포함한다.
캡 플레이트(31)는 일방향으로 이어진 길쭉한 판 형태로 이루어지며, 케이스(27)의 개구에 결합된다. 캡 플레이트(31)는 내부와 관통되는 주입구(32)를 가진다. 주입구(32)는 전해액을 주입하기 위한 것으로, 밀봉 마개(38)가 설치되어 있다.
양극 단자(5) 및 음극 단자(8)는 캡 플레이트(31) 상부로 돌출되도록 설치된다. 양극 단자(5)는 집전탭(41)을 매개로 제1 전극(121)인 양극과 전기적으로 연결되며, 음극 단자(8)는 집전탭(42)을 매개로 제2 전극(122)인 음극과 전기적으로 연결된다.
양극 단자(5)와 집전탭(41) 사이에는 양극 단자(5)와 집전탭(41)을 전기적으로 연결하는 단자 연결 부재(25)가 설치된다. 단자 연결 부재(25)는 양극 단자(5)에 형성된 구멍에 삽입되어 상단이 양극 단자(5)에 용접으로 고정되며, 하단은 집전탭(41)에 용접으로 고정된다.
단자 연결 부재(25)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 가스켓(59)이 단자 연결 부재(25)가 관통되는 구멍에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 단자 연결 부재(25)의 하부가 삽입되는 하부 절연 부재(43)가 설치되어 있다. 양극 단자(5)와 캡 플레이트(31) 사이에는 이들을 전기적으로 연결하는 연결판(58)이 설치된다. 단자 연결 부재(25)는 연결판(58)에 끼워져 설치된다. 이에 따라 캡 플레이트(31)와 케이스(27)는 양극으로 대전된다.
음극 단자(8)와 집전탭(42) 사이에는 음극 단자(8)와 집전탭(42)을 전기적으로 연결하는 단자 연결 부재(26)가 설치된다. 단자 연결 부재(26)는 음극 단자(8)에 형성된 구멍에 삽입되어 상단이 음극 단자(8)에 용접으로 고정되며, 하단은 집전탭(42)에 용접으로 고정된다.
음극 단자(8)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 가스켓(59)이 단자 연결 부재(26)가 관통되는 구멍에 삽입 설치되고, 음극 단자(8)와 캡 플레이트(31) 사이를 절연하는 상부 절연 부재(54)가 설치된다. 단자 연결 부재(26)는 상부 절연 부재(54)의 구멍에 끼워져 설치될 수 있으며, 상부 절연 부재(54)는 음극 단자(8)의 끝단을 감싸도록 형성될 수 있다.
그리고 캡 플레이트(31)의 아래에는 음극 단자(8) 및 집전탭(42)을 캡 플레이트(31)에서 절연하는 하부 절연부재(45)가 설치된다.
캡 플레이트(31)에는 단락 구멍(37)이 형성되며, 단락 구멍(37)에는 단락 부재(56)가 설치되어 있다. 단락 부재(56)는 아래로 볼록하게 호형으로 굴곡된 만곡부와 만곡부의 외측에 형성되며 캡 플레이트(31)에 고정된 테두리부를 포함한다. 상부 절연 부재(54)는 단락 구멍(37)과 중첩하는 절개부를 가질 수 있으며, 단락 부재(56)는 상기한 절개부를 통해서 노출되는 음극 단자(8)와 중첩한다.
단락 부재(56)는 캡 플레이트(31)와 전기적으로 연결되며, 이차 전지(1000)의 내부 압력이 상승할 때 변형되어 양극과 음극의 단락을 유발한다. 즉, 이차 전지의 내부에서 이상반응으로 가스가 발생하면 이차 전지의 내부 압력이 상승한다. 이차 전지의 내부 압력이 기 설정된 압력보다 높아지면 만곡부가 상부로 볼록하도록 변형되며, 이때, 음극 단자(8)와 단락부재(56)가 맞닿아 단락을 유발한다.
음극 단자(8)와 단락 부재(56)의 단락을 용이하게 하기 위해서, 음극 단자(8)는 단락 부재(56)를 향해서 돌출한 적어도 하나 이상의 돌기(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 돌기는 단락 부재(56)와 이격되어 있다.
캡 플레이트(31)에는 이차 전지의 폭발을 방지하기 위해서, 캡 플레이트(31)에 형성된 관통 구멍(34)에 안전 벤트(39)가 설치되어 있다. 안전 벤트(39)에는 노치(39a)가 형성될 수 있다.
이하 실시예 등을 통하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이는 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐 이로 인해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다.
<실시예 1>
두께 10㎛인 구리 포일(Cu foil)로 이루어지는 기재를 준비하고, 기재의 일면에 음극 활물질층을 형성하여 음극을 제작하였다. 음극 활물질층의 조성은 그라파이트(graphite): CMC: SBR=98.3:0.85:0.85로, 합제 밀도는 1.55g/cc, 로딩 레벨(L/L)은 30 mg/㎠로 제작하였다.
기재에 형성된 관통 구멍의 평균 직경(R)은 100㎛이고, 관통 구멍 사이의 간격은 700㎛이고, 활물질의 사이즈(D)는 20㎛로, R/D는 5이다.
<실시예 2 내지 5>
상기 실시예 1에서 음극 기재에 형성된 관통 구멍의 직경을 하기 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
<실시예 6>
상기 실시예 1에서 음극 기재에 형성된 관통 구멍 사이의 간격을 하기 표 3과 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
<비교예 1 내지 3>
상기 실시예 1에서 관통 구멍의 직경을 하기 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
<비교 실시예 4 및 5>
상기 실시예 1에서 관통 구멍 사이의 간격을 하기 표 3과 같이 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.
<평가예 1: 결착력의 측정>
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 음극에 대하여 하기와 같은 방법으로 기재와의 결착력을 측정하였다.
결착력은 UTM 인장강도 측정기(INSTRON사 제작)를 사용하여, 극판 사이즈 25mm*100mm인 시편에 대해서, 측정속도 100mm/min, 박리 길이 20mm 조건에서 측정하였다.
[표 1]은 상기 실시예 및 비교 실시예에 따른 기재에서 관통 구멍의 직경에 따른 결착력을 측정한 표이다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5 에서와 같이 관통 구멍의 직경이 100㎛, 200㎛, 300㎛, 500㎛, 700㎛으로 증가할수록 결착력은 0.53gf/mm, 0.5 gf/mm, 0.47gf/mm, 0.49gf/mm, 0.41gf/mm 로, 관통 구멍의 크기가 50㎛ 및 800㎛인 비교예 1 및 2, 관통 구멍이 형성되지 않은 비교예 3의 결착력인 0. 30gf/mm, 0.37gf/mm, 0.31gf/mm 보다 큰 것을 알 수 있다.
<평가예 2: 인장강도의 측정>
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 음극에 대해 하기와 같은 방법으로 인장강도를 측정하였다.
인장강도는 일정한 크기로 잘린 시료를 이용하여 측정할 수 있다. 기재는 롤에 말려진 상태로, 기재를 풀면서 일정한 길이로 절단하여, 7개의 시편을 준비하였다. 이때, 시편의 크기는 가로*세로는 12.7mm*150mm로 제작하였다.
기재를 절단할 때, 절단면에 버(bur)가 생성될 수 있으며, 실험은 버(bur)가 생성되지 않은 시편을 사용했다.
인장검사기(tension strength tester)는 아래 [표 2]에서와 같은 조건으로 설정한다.
[표 2]
Figure pat00002
인장검사기의 클램프 간격을 50mm로 조절하고, 시편을 클램프를 이용해 인장검사기에 걸은 후 인장 강도를 측정하였다. 동일한 방법으로, 7개 시편 모두를 측정하고 최대값과 최소값을 제외한 5개 시편의 측정값 평균을 구하였다. 이때, 인장측정시 클램프로 물려진 부분이 절단될 경우 절단된 시편의 값은 제외하였다.
[표 3]은 상기 실시예 및 비교예에 따른 기재의 개구율에 따른 인장 강도 및 결착력을 측정한 표이다.
[표 3]
Figure pat00003
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기재의 개구율에 따른 인장강도 저감율을 도시한 그래프이다.
도 7의 인장강도 저감율은 표3의 개구율 및 인장강도를 이용하여 계산하였다.
표 3 및 도 7을 참조하면, 개구율이 1. 22%, 3. 14%, 8.72%, 19.63%로 증가할수록 관통 구멍이 형성되지 않은 비교예 3의 인장강도 259.76N/㎟과 비교하여, 229.56N/㎟, 231.99N/㎟, 213.18N/㎟, 168.22N/㎟로 감소되는 것을 알 수 있다. 이 중, 실시예 1 및 4에서는 비교예3에 비해서 인장강도가 크게 감소하지 않았으나, 실시예 5, 비교예 4 및 비교예 5에서는 인장강도가 213.18N/㎟, 213.18N/㎟, 168.22N/㎟로, 비교예 3의 인장강도 대비 82%이하로 크게 감소되는 것을 알 수 있다.
인장강도는 개구율이 증가할수록 감소하며, 개구율 5%까지는 관통 구멍이 형성되지 않을 때의 인장강도 대비 85% 정도를 유지하고 있으나, 개구율이 5%를 초과할 경우 85% 미만으로 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 기재에 형성되는 관통 구멍의 개구율은 5%이하일 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (8)

  1. 제1 기재, 상기 제1 기재의 적어도 일면에 형성되어 있는 제1 활물질층을 포함하는 제1 전극,
    상기 제1 전극 상에 형성된 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제2 전극은 제2 기재, 상기 제2 기재의 적어도 일면에 형성되어 있는 제2 활물질층
    을 포함하고,
    상기 제1 기재 및 제2 기재 중 적어도 어느 하나는 복수의 관통 구멍을 가지며, 상기 관통 구멍의 개구율은 상기 제1 기재 또는 상기 제2 기재 전체 면적의 5%이하인 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 기재 또는 상기 제2 기재의 두께는 5㎛이상 30㎛이하인 전극 조립체.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 기재는 구리 기재인 전극 조립체.
  4. 제2항에서,
    상기 제2 활물질층의 활물질의 직경은 15㎛ 내지 20㎛인 전극 조립체.
  5. 제4항에서,
    상기 활물질의 사이즈(D)와 상기 관통 구멍의 직경(R) 사이의 비율은
    10< R/D < 45
    인 전극 조립체.
  6. 제5항에서,
    상기 관통 구멍의 직경은 100㎛ 내지 700㎛인 전극 조립체.
  7. 제1항에서,
    상기 제2 활물질층의 로딩레벨은 27 mg/㎠ 내지 35 mg/㎠인 전극 조립체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전극 조립체,
    상기 전극 조립체와 전해액을 함께 수용하는 공간을 가지는 케이스,
    상기 케이스에 설치되어 상기 공간을 밀폐하는 캡 조립체
    를 포함하는 이차 전지.
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