KR20220016554A - 단선 방지층을 포함하는 전극 조립체 및 이의 제조방법 - Google Patents

단선 방지층을 포함하는 전극 조립체 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20220016554A
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Abstract

본 발명은 양극, 음극 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체에 관한 것으로, 상기 양극은 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극은 음극 집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 집전체의 가장자리에는 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부의 외측으로 연장된 음극 집전체가 수평 절곡되어 형성되는 단선 방지층을 포함한다.

Description

단선 방지층을 포함하는 전극 조립체 및 이의 제조방법{ELECTRODE ASSEMBLY INCLUDING DISCONNECTION PREVENTING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 단선 방지층을 포함하는 전극 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 연장된 음극 집전체를 수평 절곡하여 형성된 단선 방지층을 포함하는 전극 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 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, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 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 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
도 1은 종래의 전극 조립체의 적층 구조 및 음극 집전체에서 단선이 발생한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전극 조립체(10)는 양극(1)과 음극(2) 사이에 분리막(3)이 개재된 상태로 적층된 구조이다.
한편, 이러한 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 반복하여 충방전할 경우 전극 조립체 내의 양극 및 음극이 수축 및 팽창을 반복하게 된다. 특히 일반적인 전극 조립체에서 양극의 길이는 음극의 길이보다 짧게 제조할 수 있는데, 이 경우 양극이 수축 및 팽창을 반복함에 따라 분리막을 사이에 두고 양극과 대면하는 음극은 반복적인 응력을 받게 된다. 이러한 응력에 의한 피로가 누적될 경우, 도 1과 같이 양극의 단부와 접하는 음극 집전체 부분에 크랙으로 인한 단선이 발생하게 된다. 이 경우 집전체에서 음극 탭을 향하는 전류의 흐름이 끊겨 전지의 정상적인 작동을 방해하게 된다. 특히, 원통형 전지의 경우 양극의 엣지 부분에 무지부를 형성하지 않는 경우(즉, 프리 엣지(free edge) 형태)가 있는데, 이 경우 양극의 엣지 부분이 두꺼워서 음극에 크랙이 발생할 확률을 높이게 된다.
한편, 한국등록특허 제10-1629498호에서는 이러한 단차로 인한 스트레스로 인해 전지 내부에 단락이 발생하는 것을 방지하기 위하여 양극활물질층의 단부에 엣지보호테이프를 붙일 수 있음이 개시되어 있다. 다만, 이 경우에는, 양극의 부피 변화로 인한 음극 집전체에 단선이 발생할 경우 음극 내 전류의 흐름이 끊긴다는 문제가 여전히 존재한다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-1629498호
본 발명은 상기와 같은 문제 해결을 위해 안출된 것으로, 양극의 수축 및 팽창으로 인한 부피 변화로 인하여 음극에 피로 파괴가 발생한 경우에도 음극 내에 전기적 연결을 유지함으로써 전지의 성능 저하를 방지할 수 있는 전극 조립체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 상기 양극은 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극은 음극 집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하며, 상기 음극 집전체의 가장자리에는 무지부가 형성되어 있고, 상기 무지부의 외측으로 연장된 음극 집전체가 수평 절곡되어 형성되는 단선 방지층을 포함한다.
본 발명에 일 실시예에 있어서, 상기 무지부의 단선 방지층이 형성된 타면에는 음극 탭이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수평 절곡된 부분의 반대쪽 단부에는 상기 단선 방지층과 무지부 사이를 연결하기 위한 용접부가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 음극 활물질층은, 분리막을 사이에 두고 양극과 대면하는 제1 음극 활물질층 및 제1 음극 활물질층이 형성된 면의 반대면에 형성되는 제2 음극 활물질층을 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 제1 음극 활물질층의 길이는, 상기 제2 음극 활물질층의 길이보다 크다.
구체적인 예에서, 상기 제1 음극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리는, 양극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리보다 작고, 상기 제2 음극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리는 상기 양극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리보다 크다.
구체적인 예에서, 상기 단선 방지층은 상기 제2 음극 활물질층이 형성된 면에 형성되되, 상기 제2 음극 활물질층에 대하여 소정 거리 이격되어 형성된다.
구체적인 예에서, 상기 용접부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리는 상기 양극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이 거리보다 크다.
구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전극 조립체는 상기 무지부와 단선 방지층 사이에 형성되는 접착부를 더 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 양극, 음극 및 분리막은 적층 후 젤리-롤 형상으로 권취된다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전극 조립체의 제조방법을 제공하는바, 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법은 음극 집전체를 소정의 길이만큼 연장되는 부분을 갖도록 길게 재단하는 단계; 상기 음극 집전체에서, 상기 소정의 길이만큼 연장된 부분 및 무지부를 제외한 부분에 음극 활물질층을 형성하는 단계; 상기 소정의 길이만큼 연장된 부분을 수평 절곡하여 단선 방지층을 형성하는 단계; 및 상기 수평 절곡된 부분의 반대쪽 단부를 용접하여 단선 방지층과 집전체를 고정시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 무지부의 외측에 연장된 음극 집전체를 수평 절곡하여, 무지부의 일면에 단선 방지층을 형성함으로써, 양극의 부피 팽창으로 인해 음극 집전체의 양극 엣지와 대면하는 부분에서 크랙으로 인한 단선이 발생하여도, 상기 단선 방지층을 통해 음극 내에 전기적 연결을 유지함으로써 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전극 조립체의 적층 구조 및 음극 집전체에서 단선이 발생한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 단선이 발생한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법에서, 음극의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명에 대하여 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 양극(110), 음극(120) 및 상기 양극(110)과 음극(120) 사이에 개재된 분리막(130)을 포함하며, 상기 양극(110)은 양극 집전체(111) 상에 형성된 양극 활물질층(112)을 포함하고, 상기 음극(120)은 음극 집전체(121) 상에 형성된 음극 활물질층(122)을 포함하며, 상기 음극 집전체(121)의 가장자리에는 무지부(125)가 형성되어 있고, 상기 무지부(125)의 외측으로 연장된 음극 집전체(121)가 수평 절곡되어 형성되는 단선 방지층(140)을 포함한다. 즉 본 발명에서, 단선 방지층(140)은 음극 집전체(121)의 일부로서, 무지부(125) 부분의 일면에 형성되는 금속층을 의미한다.
전술한 바와 같이, 이러한 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 반복하여 충방전할 경우 양극이 수축 및 팽창을 반복함에 따라 분리막을 사이에 두고 양극과 대면하는 음극은 반복적인 응력을 받게 된다. 이러한 응력에 의한 피로가 누적될 경우, 도 1과 같이 양극의 단부와 접하는 음극 집전체 부분에 크랙으로 인한 단선이 발생하게 된다. 이 경우 집전체에서 음극 탭을 향하는 전류의 흐름이 끊겨 전지의 정상적인 작동을 방해하게 된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 전극 조립체는 무지부의 외측에 연장된 음극 집전체를 수평 절곡하여, 무지부의 일면에 단선 방지층을 형성함으로써, 양극의 부피 팽창으로 인해 음극 집전체에 크랙으로 인한 단선이 발생하여도, 상기 단선 방지층을 통해 음극 내에 전기적 연결을 유지함으로써 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 전극 조립체의 구성에 대해 자세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 양극(110), 음극(120) 및 상기 양극(110)과 음극(120) 사이에 개재된 분리막(130)이 적층된 구조이다.
한편, 도 2는 전체 전극 조립체 중에서 전극 조립체의 단부(A) 부근의 적층 구조만 도시하였다. 이 때, 본 발명에서, 전극 조립체의 단부(A)란, 전극 조립체의 가장 외측 가장자리 부분으로, 양극, 음극 및 분리막 중 가장 외측으로 돌출된 층의 끝단 부분을 의미한다. 도 2를 참조하면, 분리막, 양극, 음극 중에서 분리막 또는 음극이 가장 외측으로 돌출된 부분이므로, 전극 조립체의 단부란 분리막의 단부 또는 음극의 단부와 동일하다.
또한 도 2를 참조하면, 상기 양극(110)은 양극 집전체(111) 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 슬러리가 도포되어 양극 활물질층(112)이 형성된 구조이다. 이 때, 양극 활물질층(112)은 양극 집전체(111)의 양면에 형성될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 전극 조립체에서 양극(110)은 프리-엣지(Free-edge) 형태로, 양극(110)의 가장자리에 무지부가 형성되어 있지 않은 구조이다. 이 경우 양극의 무지부(미도시)는 양극의 중심부 쪽에 형성되어 있으며, 양극 탭(미도시)이 상기 무지부에 부착될 수 있다. 상기 양극 탭은 일단이 무지부에 부착 및 고정되고, 타단이 전극 조립체로부터 돌출된다. 상기 양극 집전체 및 양극 활물질을 구성하는 재료에 대한 구체적인 내용은 통상의 기술자에게 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
한편, 분리막(130)은 양극(110)과 음극(120)을 분리하여 전기적으로 절연시키며, 리튬 이온이 전도될 수 있는 균일한 미세 기공을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 분리막으로는, 예를 들어 미다공성을 가지는 폴리에틸렌, 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 필름을 사용할 수 있으며, 그 밖의 자세한 내용은 통상의 기술자에게 공지된 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
음극(120)은 음극 집전체(121) 상에 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리가 도포되어 음극 활물질층(122)이 형성된 구조이다. 음극(120)은 가장자리에 음극 활물질층이 미형성된 부분인 무지부(125)가 형성되어 있다.
상기 무지부(125)의 일면에는 단선 방지층(140)이 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 상기 단선 방지층(140)은 음극 집전체(121)의 단선시 음극 집전체(121)의 전기적인 연결을 위한 것이다.
상기 단선 방지층(140)은 무지부(125)의 외측으로 연장된 음극 집전체(121)가 수평 절곡되어 형성된다. 이 때 단선 방지층(140)을 형성하기 위해, 무지부(125)의 외측으로 연장되는 음극 집전체(121)의 길이는 목적하는 단선 방지층(140)의 길이와 동일할 수 있다. 본 명세서에서, 음극 집전체 등의 "길이"는 음극 집전체 등이 연장된 방향을 기준으로 하며, 이는 후술하는 바와 같이 전극 조립체를 권취하여 젤리-롤 형상으로 할 때, 전극 조립체의 권취 방향과 동일한 방향을 의미한다.
즉 본 발명에 따른 전극 조립체(100)에서, 음극의 무지부(125) 부분을 구성하는 집전체는 2층 구조로 형성될 수 있다. 이 때 음극 집전체(121)를 수평 절곡하여 단선 방지층(140)을 형성함으로써, 상기 단선 방지층(140)을 음극 집전체(121)와 일체화시킬 수 있다. 이에 따라 단선 방지층(140)이 음극 집전체(121)의 무지부(125)로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 음극 집전체(121)를 수평 절곡하여 단선 방지층(140)이 형성됨으로써 단선 방지층(140)을 무지부(125)에 부착하기 위해 무지부(125)와 단선 방지층(140)을 정렬하고, 단선 방지층(140)의 양 단부를 무지부(125)에 부착하는 공정을 생략할 수 있다. 이에 따라 공정의 생산성 및 효율성이 향상될 수 있다.
상기 무지부에(125)서, 단선 방지층(140)이 형성된 타면에는 음극 탭(126)이 형성된다. 상기 음극 탭(126)은 일단이 무지부(125)에 부착 및 고정되고, 타단이 전극 조립체(100)로부터 돌출되는 구조이다. 상기 음극 탭(126)은, 예를 들어 용접에 의해 상기 음극 집전체(121)에 형성되는 무지부(125) 상에 부착 및 고정될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 상기 수평 절곡된 부분의 반대쪽 단부에는 상기 단선 방지층(140)과 무지부(125) 사이를 연결하기 위한 용접부(141)가 형성된다. 이에 따라, 상기 단선 방지층(140)의 일측 단부에는 수평 절곡 부분(B)이 형성되고, 이의 반대쪽 단부에는 용접부(141)가 형성되며, 상기 단선 방지층(140)은 수평 절곡 부분(B) 및 용접부(141)에 의해 음극 집전체(121)에 결합된다.
또한, 상기 단선 방지층(140)은, 상기 수평 절곡 부분(B) 및 용접부(141)에 의해 전기적인 연결성을 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에서 단선이 발생한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 충방전이 반복됨에 따라 양극(110)의 부피 팽창 및 수축이 반복되며, 이로 인해 음극(120)에서 양극(110)의 단부와 접하는 부분에는 양극의 부피 변화로 인한 응력으로 인해 피로가 누적된다. 이러한 현상이 반복되면 도 3과 같이 음극 집전체(121)에 크랙으로 인한 단선이 발생한다. 그러나 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 음극(120)의 무지부(125) 일면에 수평 절곡 부분(B) 및 용접부(141)에 의해 음극 집전체(121)와 전기적으로 연결된 단선 방지층(140)이 형성되어 있다. 이에 따라 크랙으로 인해 단선된 부분(C)을 우회하는 도전 패스(path)를 확보할 수 있다. 이 경우 음극 탭(125)에서 상기 음극(120) 중심부로의 전류는 도 3에 도시된 바와 같이 음극 탭(126)- 무지부(125)- 수평 절곡 부분(B)- 단선 방지층(140)- 용접부(141)-음극 집전체(121)를 따라 흐르게 된다. 즉 크랙으로 인해 음극 집전체(121)를 통한 직접적인 전류의 흐름이 차단되어도 단선 방지층(140)을 통한 우회가 가능하다
한편, 양극(110)의 부피 팽창시 음극 집전체(121)에서 가장 많은 응력을 받는 곳은, 전술한 바와 같이 양극의 단부에 접하는 부분(C)이다. 즉 본 발명에 따른 전극 조립체는 상기 부분(C)에 단선이 발생했을 경우 전기적인 연결을 확보하기 위해 음극 활물질층(122) 및 단선 방지층(140)을 특정한 형태로 형성할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 음극 활물질층(122)은 음극 집전체(121)의 양면에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 활물질층(122)은, 분리막(130)을 사이에 두고 양극(110)과 대면하는 제1 음극 활물질층(123) 및 제1 음극 활물질층(123)이 형성된 면의 반대면에 형성되는 제2 음극 활물질층(124)을 포함한다.
이 때, 상기 제1 음극 활물질층(123)의 길이는, 상기 제2 음극 활물질층(122)의 길이보다 크다. 이에 따라, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 음극 활물질층(123)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d1)는, 제2 음극 활물질층(124)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부 사이 거리(d2)보다 작다.
또한 전극 조립체(100)에서, 상기 양극 활물질층(112)의 단부는 제1 음극 활물질층(123)의 단부와 제2 음극 활물질층(124)의 단부 사이에 위치한다. 구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 음극 활물질층(123)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d1)는, 양극 활물질층(112)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d3)보다 작고, 상기 제2 음극 활물질층(124)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d2)는 상기 양극 활물질층(112)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d3)보다 크다. 이를 통해 후술하는 바와 같이 크랙이 발생하는 부분(C)에 단선 방지층(140)을 형성할 수 있다. 한편, 본 발명에서, 양극이 도 2 및 도 3과 같이 가장자리에 무지부가 형성되지 않는 프리-엣지 구조일 경우, 양극 활물질층의 단부는 양극 집전체의 단부 또는 양극의 단부와 동일한 위치이다.
구체적으로, 상기 단선 방지층(140)은 상기 제2 음극 활물질층(124)이 형성된 면에 형성되되, 상기 제2 음극 활물질층(124)에 대하여 소정 거리 이격되어 형성된다. 다만, 전극에 따라서는 상기 단선 방지층(140)와 제2 음극 활물질층(124)이 인접하는 형태로 형성될 수도 있다. 이에 따라 크랙이 발생하는 부분(C)을 단선 방지층(140)이 덮는 형태가 만들어진다.
이 때, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 용접부(141)와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d4)는 상기 양극 활물질층(112)의 단부와 전극 조립체의 단부(A) 사이 거리(d3)보다 크다. 이를 통해 용접부(141)와 수평 절곡 부분(B) 사이에 크랙으로 인한 단선 발생 가능성이 큰 부분(양극 활물질층의 단부에 인접하는 부분, C에 해당)이 위치하도록 함으로써, 실제 해당 부분에 크랙으로 인한 단선 발생시 용접부(141) 및 수평 절곡 부분(B)에 의해 단선 방지층(140)을 통한 전기적 연결이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체(200)는, 상기 무지부(125)와 단선 방지층(140) 사이에 형성되는 접착부(142)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체(200)에서, 단선 방지층(140)은 연장된 음극 집전체(121)를 수평 절곡하여 형성하므로, 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121)는 완전하게 밀착되지 않으며, 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121) 사이에 일정한 간격의 틈이 형성될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 전극 조립체(200)에서 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121)는 수평 절곡 부분(B) 및 용접부(141)에 의해 결합되어 있는바, 상기 용접부(141)에 대해 외부에서 작용하는 응력이 집중될 수 있으며, 상기 용접부(141)가 모종의 이유로 인하여 파손될 경우 단선 발생시 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121) 사이의 전기적 연결이 차단될 수 있다. 본 발명에 따른 전극 조립체(200)는 용접부(141) 외에 상기 틈에 접착부(142)를 더 형성함으로써 음극 집전체(121)와 단선 방지층(140) 사이의 안정적인 고정을 담보할 수 있다.
상기 접착부(142)는 음극 집전체(121)와 단선 방지층(140)을 결착할 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 상기 접착부(142)는 접착제의 형태로 음극 집전체(121)와 단선 방지층(140) 사이에 도포되어 형성될 수 있다. 또는 상기 접착부(142)는 양면에 접착제가 도포된 양면 테이프의 형태일 수 있다. 또는, 상기 접착부(142)는 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121) 사이의 용접을 통해서 형성될 수 있다. 이 때 접착부(142)를 용접에 의해 형성할 경우, 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121) 사이의 추가적인 도전 패스를 확보할 수 있다. 아울러, 접착부(142)가 양면 테이프 또는 접착제의 형태인 경우에도, 전도성을 띠는 것을 사용함으로써 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121) 사이의 도전 패스를 확보할 수 있다.
상기 접착부(142)가 형성되는 형태에는 특별한 제한은 없으며, 수평 절곡 부분(B)과 용접부(141) 사이의 공간 전부 또는 일부에 접착부(142)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4와 같이 수평 절곡 부분(B)과 용접부(141) 사이의 공간 전부 에 접착부가 형성될 수 있으며, 공간 일부에 접착부가 형성될 수 있다. 또한 접착부(142)를 용접에 의해 형성할 경우, 수평 절곡 부분(B)과 용접부(141) 사이를 일정 간격으로 용접함으로써 다수 개의 접착부(142)를 형성할 수 있다. 즉 상기 접착부(142)는 단선 방지층(140)과 음극 집전체(121) 사이 및 수평 절곡 부분(B)과 용접부(141) 사이에 형성된다.
한편, 양극(110), 음극(120) 및 분리막(130)은 적층 후 젤리-롤 형상으로 권취될 수 있다. 이 때, 후술하는 바와 같이 음극(120)의 단선 방지층(140)은 젤리-롤의 최외곽 부분에 위치하게 된다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5를 참고하면, 이차전지(300)에서, 전극 조립체(100)가 수납되는 전지 케이스(310)는 원통형 캔(311) 및 상기 원통형 캔(311)의 상부를 덮는 캡 어셈블리(312)로 구성될 수 있다. 원통형 캔(311)은 금속으로 이루어진 것일 수 있으며, 바람직하게는 스테인리스 스틸로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 원통형 캔(311)은 내부에 전극 조립체(100)가 수납될 수 있는 수납부를 포함하며, 상단부가 개방되어 있는 형태일 수 있다.
전극 조립체(100)는 권취되어 젤리-롤 형태로 형성된 후 원통형 캔(311)의 수납부에 수납되고, 원통형 캔(311) 내에 전극 조립체(100)가 완전히 침지되도록 수납부에 전해액이 주입되고, 원통형 캔(311)의 개방 상단부에는 캡 어셈블리(312)가 탑재되어 결합된다.
전극 조립체(100)는 양극(110), 분리막(130) 및 음극(120)을 차례로 적층하여 둥근 형태로 감은 구조로서, 전극 조립체(100)의 중심부에는 원통형의 센터 핀(미도시)이 삽입될 수 있다. 센터 핀은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다.
전극 조립체(100)의 상단면에는 전극 탭과의 접촉을 방지하기 위한 절연성 플레이트(320)가 장착되어 있어서, 전극 조립체(100)와 전극 탭의 접촉에 의한 단락을 방지하게 된다.
한편, 상기 전극 조립체(100)에서, 양극(110)은 양극 집전체의 양면에 양극 활물질층이 형성된 구조이다. 또한 전극 조립체에서 양극은 프리-엣지(Free-edge) 형태로, 양극의 가장자리에 무지부가 형성되어 있지 않은 구조이다. 이 경우 양극의 무지부(미도시)는 양극의 중심부 쪽에 형성되어 있으며, 양극 탭(미도시)이 상기 무지부에 부착될 수 있다. 양극 탭은 전극 조립체가 권취되는 중심축인 권취 중심축과 나란한 방향을 기준으로 일측 방향으로 돌출되며, 예를 들어 전극 조립체의 상측 방향으로 돌출되어 캡 어셈블리와 접속될 수 있다.
한편, 음극(120)의 경우 가장자리부에 무지부(125)가 형성되어 있으며, 무지부(125)에는 음극 탭(126)이 형성되어 있다. 상기 음극 탭(126)은 권취 중심축과 나란한 방향을 기준으로 양극 탭의 돌출 방향에 대해 타측 방향으로 돌출될 수 있으며, 예를 들어 전극 조립체(100)의 하측 방향으로 돌출되어 원통형 캔(311)의 내부 바닥면과 접속될 수 있다.
또한 무지부(125)의 일면에는 단선 방지층(140)이 형성되며, 상기 단선 방지층(140)은 무지부(125)의 외측으로 연장된 음극 집전체가 수평 절곡되어 형성될 수 있다. 단선 방지층에 대한 구체적인 내용은 앞서 설명한 바와 같다. 본 발명에 따른 이차전지(300)는 단선 방지층(140)을 형성함으로써 양극(110)의 부피 팽창으로 인해 음극 집전체에 크랙으로 인한 단선이 발생하여도, 상기 단선 방지층(140)을 통해 음극 집전체 내에 전기적 연결을 유지함으로써 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전극 조립체의 제조방법을 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법의 순서를 나타낸 흐름도이며, 도 7은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법에서, 음극의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
도 6 및 도 7을 도 2와 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법에서 가장 먼저 전극 조립체(100)로 제조될 양극(110), 음극(120) 및 분리막(130)이 준비된다. 이 때 양극(110) 및 분리막(130)은 전술한 바와 같다.
한편, 음극 집전체(121)의 경우, 단선 방지층(140)을 형성하기 위한 과정을 거친다. 가장 먼저, 음극 집전체(121)를 소정의 길이만큼 연장되는 부분(D)을 갖도록 길게 재단한다(S10). 즉 음극 집전체(121)는 음극 활물질층(122)이 형성될 부분(E), 무지부(125)가 형성될 부분(F) 및 상기 무지부(125) 외측에 소정의 길이만큼 연장되는 부분(D)을 포함하도록 재단된다.
음극 집전체(121)가 준비되면, 음극 집전체(121)에 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 도포하여 음극 활물질층(122)을 형성한다. 이 때 상기 음극 집전체(121)에서, 상기 소정의 길이만큼 연장된 부분(D) 및 무지부(125)가 형성될 부분(F) 제외한 부분에 음극 활물질층을 형성한다(S20). 다만, 후술하는 바와 같이 제2 음극 활물질층과 제1 음극 활물질층의 길이를 다르게 할 수 있다. 또한 상기 무지부의 일면에는 음극 탭(126)이 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 2 및 도 7과 같이 같이 음극 집전체(121)의 양면에 음극 슬러리를 도포하여 각각 제1 음극 활물질층(123) 및 제2 음극 활물질층(124)을 형성한다. 이 때, 도 2와 같이, 상기 제1 음극 활물질층(123)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d1)는, 양극 활물질층(112)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d3)보다 작고, 상기 제2 음극 활물질층(124)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d2)는 상기 양극 활물질층(112)의 단부와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d3)보다 크도록 음극 슬러리를 도포할 수 있다.
음극 활물질층이 형성되면, 상기 소정의 길이만큼 연장된 부분(D)을 수평 절곡하여 단선 방지층(140)을 형성한다(S30). 아울러 수평 절곡된 부분(B)의 반대쪽 단부를 용접하여 단선 방지층과 집전체를 고정시킨다(S40).
이 때 도 2 및 도 7과 같이, 단선 방지층(140)을 제2 음극 활물질층(124)에 대하여 소정 거리 이격시킬 수 있으며, 상기 용접부(141)와 전극 조립체(100)의 단부(A) 사이의 거리(d4)는 상기 양극 활물질층(112)의 단부와 전극 조립체의 단부(A) 사이 거리(d3)보다 크도록 조절할 수 있다.
상기 무지부(125)와 단선 방지층(140) 사이에 접착부(142)를 더 형성할 수 있다. 접착부(142)를 형성하는 방법에 대해서는 전술한 바와 같다.
음극 제조가 완료되면, 상기 음극과 양극 사이에 분리막을 개재한 상태로 적층하고, 이를 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 제조한다(S50). 상기 젤리-롤 형태의 전극 조립체는 원통형 캔 형상의 전지 케이스에 수납되어 이차전지로 제조된다.
이와 같이 본 발명에 따른 전극 조립체의 제조방법은 단선 방지층을 형성함으로써 양극의 부피 팽창으로 인해 음극 집전체에 크랙으로 인한 단선이 발생하여도, 상기 단선 방지층을 통해 음극 내에 전기적 연결을 유지함으로써 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한 음극 집전체를 수평 절곡함여 단선 방치층이 형성됨으로써 단선 방지층을 무지부에 부착하기 위해 무지부와 단선 방지층을 정렬하고, 단선 방지층의 양 단부를 무지부에 부착하는 공정을 생략할 수 있다. 이에 따라 공정의 생산성 및 효율성이 향상될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
10, 100, 200: 전극 조립체
1, 110: 양극
2, 120, 음극
3, 130 분리막
111: 양극 집전체
112: 양극 활물질층
121: 음극 집전체
122: 음극 활물질층
123: 제1 음극 활물질층
124: 제2 음극 활물질층
125: 무지부
126: 음극 탭
140: 단선 방지층
141: 용접부
142: 접착부
300: 이차전지
310: 전지 케이스
311: 캔
312: 캡 어셈블리
320: 절연성 플레이트

Claims (12)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체에 있어서,
    상기 양극은 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극은 음극 집전체 상에 형성된 음극 활물질층을 포함하며,
    상기 음극 집전체의 가장자리에는 무지부가 형성되어 있고,
    상기 무지부의 외측으로 연장된 음극 집전체가 수평 절곡되어 형성되는 단선 방지층을 포함하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무지부의 단선 방지층이 형성된 타면에는 음극 탭이 형성된 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수평 절곡된 부분의 반대쪽 단부에는 상기 단선 방지층과 무지부 사이를 연결하기 위한 용접부가 형성되는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음극 활물질층은,
    분리막을 사이에 두고 양극과 대면하는 제1 음극 활물질층 및 제1 음극 활물질층이 형성된 면의 반대면에 형성되는 제2 음극 활물질층을 포함하는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 음극 활물질층의 길이는, 상기 제2 음극 활물질층의 길이보다 큰 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 음극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리는, 양극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리보다 작고,
    상기 제2 음극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리는 상기 양극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리보다 큰 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단선 방지층은 상기 제2 음극 활물질층이 형성된 면에 형성되되,
    상기 제2 음극 활물질층에 대하여 소정 거리 이격되어 형성되는 전극 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용접부와 전극 조립체의 단부 사이의 거리는 상기 양극 활물질층의 단부와 전극 조립체의 단부 사이 거리보다 큰 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무지부와 단선 방지층 사이에 형성되는 접착부를 더 포함하는 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양극, 음극 및 분리막은 적층 후 젤리-롤 형상으로 권취된 전극 조립체.
  11. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지.
  12. 제1항에 따른 전극 조립체의 제조방법에 있어서,
    음극 집전체를 소정의 길이만큼 연장되는 부분을 갖도록 길게 재단하는 단계;
    상기 음극 집전체에서, 상기 소정의 길이만큼 연장된 부분 및 무지부를 제외한 부분에 음극 활물질층을 형성하는 단계;
    상기 소정의 길이만큼 연장된 부분을 수평 절곡하여 단선 방지층을 형성하는 단계; 및
    상기 수평 절곡된 부분의 반대쪽 단부를 용접하여 단선 방지층과 집전체를 고정시키는 단계를 포함하는 전극 조립체의 제조방법.

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