KR20220037663A - 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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KR20220037663A
KR20220037663A KR1020200120404A KR20200120404A KR20220037663A KR 20220037663 A KR20220037663 A KR 20220037663A KR 1020200120404 A KR1020200120404 A KR 1020200120404A KR 20200120404 A KR20200120404 A KR 20200120404A KR 20220037663 A KR20220037663 A KR 20220037663A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극 시트, 제2 전극 시트, 및 상기 제1 전극 시트와 상기 제2 전극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극조립체를 포함하고, 상기 제1 전극 시트는, 집전체 상에 형성된 활물질층, 상기 활물질층이 형성되지 않은 무지부, 및 상기 무지부에 접합된 전극탭을 포함하고, 상기 제1 전극 시트에는 상기 전극탭에서부터 상기 활물질층의 적어도 일부분까지 부착되는 커버부가 형성되어 있다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스{SECONDARY BATTERY AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 상세하게는, 중심부의 강성이 강화된 젤리롤 전극 조립체를 포함하는 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리-롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리-롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리-롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래의 전극 시트를 나타내는 평면도이다. 도 2는 도 1의 전극 시트의 A 영역에 대한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 제1 전극 시트(10)의 경우, 집전체(11) 상에 활물질층(13)이 형성되어 있고, 집전체(11)의 단부에 형성된 무지부에 전극탭(15)이 부착되어 있다. 이 때, 제1 전극 시트(10)는 전극탭(15)을 기준으로, 무지부의 상하부에 전극탭(15)을 덮도록 테이프(17)가 부착된다. 여기서, 테이프(17)는 전극탭(15)에 의해 형성된 단차를 완화하고, 전극탭(15)과 대면하는 분리막의 손상을 방지할 수 있다.
도 3은 도 1의 전극 시트를 포함하는 젤리롤 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해도이다. 도 4는 도 3의 젤리롤 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 원통형 전지에 포함되는 전극 조립체는, 제1 전극 시트(10), 제2 양극 시트(20), 및 제1 전극 시트(10)와 제2 전극 시트(20) 사이에 개재된 분리막(30)이 젤리롤 형태로 권취되는 구조를 가진다. 이 때, 상기 젤리롤 전극 조립체는 제1 전극 시트(10)의 전극탭(15)이 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하도록 권취되는 구조를 가진다. 여기서 제1 전극 시트(10)는 음극 시트, 제2 전극 시트(20)는 양극 시트일 수 있다.
이 때, 종래의 원통형 전지는 사이클 진행 중 전극이 수축 또는 팽창하여 발생되는 스트레스가 상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 스트레인(strain)을 가하고, 상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 형성된 빈 공간으로 인해, 젤리롤 전극 조립체의 일부가 변형(distortion)되는 문제가 있다. 특히, 종래의 원통형 전지는 상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하는 제2 전극 시트(20)의 단부에서 변형이 가장 많이 발생된다. 이러한 변형은 음극과 양극의 물리적 거리를 불규칙하게 증가시켜, 전극 표면 저항이 증가되어 리튬-플레이팅(Li-plating)을 발생시킬 수 있다. 이와 같이, 리튬-플레이팅이 중심부에서 발생될 경우, 리튬-플레이팅은 외곽 방향으로 지속 확장되어, 이차 전지의 수명을 감소시키고, 이차 전지의 열안정성 또한 악화 시킬 수 있다.
이에 따라, 전극 조립체의 코어부에 형성된 빈 공간의 강성을 추가적으로 확보할 필요가 있고, 특히, 변형이 제일 많이 발생되는 제2 전극 시트(20)의 단부에 대면하는 제1 전극 시트(10)의 강성을 강화시킬 필요가 있다.
본 발명의 실시예들은, 강성이 강화된 젤리롤 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극 시트, 제2 전극 시트, 및 상기 제1 전극 시트와 상기 제2 전극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극조립체를 포함하고, 상기 제1 전극 시트는, 집전체 상에 형성된 활물질층, 상기 활물질층이 형성되지 않은 무지부, 및 상기 무지부에 접합된 전극탭을 포함하고, 상기 제1 전극 시트에는 상기 전극탭에서부터 상기 활물질층의 적어도 일부분까지 부착되는 커버부가 형성되어 있다.
상기 커버부가 부착된 상기 제1 전극 시트의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 권취되어 있을 수 있다.
상기 커버부가 부착된 상기 제1 전극 시트의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 이상 내지 5회 이하로 권취되어 있을 수 있다.
상기 활물질층은 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고, 상기 제1 활물질층은 상기 집전체의 제1 면에 형성되고, 상기 제2 활물질층은 상기 집전체의 제2 면에 형성되고, 상기 전극탭은 상기 제1 면에 부착되어 있을 수 있다.
상기 커버부는 제1 커버부 및 제2 커버부을 포함하고, 상기 제1 커버부는 상기 제1 면에 형성되고, 상기 제2 커버부는 상기 제2 면에 형성될 수 있다.
상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부는 상기 전극탭을 기준으로 동일한 위치에서부터 연장되어 부착될 수 있다.
상기 제2 활물질층에 부착되어 있는 상기 제2 커버부의 단부와 상기 제2 전극 시트의 단부가 인접하게 위치할 수 있다.
상기 제2 활물질층에 부착되어 있는 상기 제2 커버부의 단부는 상기 제2 활물질층과 상기 제2 전극 시트의 단부가 상기 분리막을 사이에 두고 대면하는 위치까지 부착되어 있을 수 있다.
상기 제1 활물질층에 부착되어 있는 상기 제1 커버부의 단부와 상기 제2 전극 시트의 단부가 인접하게 위치할 수 있다.
상기 제1 활물질층에 부착되어 있는 상기 제1 커버부의 단부는 상기 제1 활물질층과 상기 제2 전극 시트의 단부가 상기 분리막을 사이에 두고 대면하는 위치까지 부착되어 있을 수 있다.
상기 제1 커버부가 상기 제1 활물질층에 부착되어 있는 제1 길이는 상기 제2 커버부가 상기 제2 활물질층에 부착되어 있는 제2 길이보다 길 수 있다.
상기 제1 길이와 상기 제2 길이의 차이는 상기 제2 전극 시트가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 권취되어 있는 길이보다 작을 수 있다.
상기 제1 길이와 상기 제2 길이의 차이는 상기 제2 전극 시트가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 권취되어 있는 길이와 동일할 수 있다.
상기 커버부는 고분자 물질을 포함하는 필름일 수 있다.
상기 고분자 물질은 폴리에스터(PET), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기에서 설명한 이차 전지를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전극 시트의 전극탭 및 활물질층에 커버부가 부착되어, 전극 조립체의 중심부의 강성이 강화될 수 있고, 중심부에서 발생되는 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전극 시트를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 전극 시트의 A 영역에 대한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전극 시트를 포함하는 젤리롤 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해도이다.
도 4는 도 3의 젤리롤 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 시트를 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5의 전극 시트의 B 영역에 대한 단면도이다.
도 7은 도 5의 전극 시트를 포함하는 젤리롤 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해도이다.
도 8은 도 7의 젤리롤 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 9 및 도 10은 비교예에 따른 이차 전지의 중심부에 대한 CT 촬영 이미지를 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 실시예에 따른 이차 전지의 중심부에 대한 CT 촬영 이미지를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예 및 비교예에 따른 각각의 이차 전지의 변형율을 측정하기 위한 기준선을 나타내는 도면이다.
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.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전극 시트에 대해 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 시트를 나타내는 평면도이다. 도 6은 도 5의 전극 시트의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 전극 시트(100)는 집전체(110) 상에 활물질층(130)이 형성되어 있고, 집전체(110)는 활물질층(130)이 형성되지 않은 무지부를 포함하고, 제1 전극 시트(100)는 상기 무지부에 접합되는 전극 탭(150)을 포함하고, 제1 전극 시트(100)는 전극 탭(150)에서부터 활물질층(130)의 적어도 일부까지 부착되는 커버부(170)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 전극탭(150)은 집전체(110) 상에 활물질층(130)이 형성되지 않은 양 단부의 무지부에 모두 형성될 수 있고, 일 단부의 무지부에만 형성될 수도 있다. 이 때, 커버부(170)가 부착되는 전극탭(150)은 제1 전극 시트(100)가 권취되어 있는 젤리롤 전극 조립체의 중심부에 위치하는 내측탭에 해당될 수 있고, 다른 단부에 형성된 전극탭(150)은 외측탭에 해당될 수 있다. 다만, 여기서는 B 영역을 위주로 설명하고자 한다.
도 6을 참조하면, 활물질층(130)은 집전체(110)의 제1 면 또는 제2 면에 형성되어 있을 수 있다. 또한, 활물질층(130)은 집전체(110)의 제1 면 및 제2 면에 형성되어 있을 수 있다. 또한, 활물질층(130)은 집전체(110)의 제1 면에 형성된 제1 활물질층과 집전체(110)의 제2 면에 형성된 제2 활물질층을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 면은 집전체(110)의 상면에 해당되고, 제2 면은 집전체(110)의 하면에 해당될 수 있으며, 반대의 경우도 가능하다.
상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층은 상기 집전체 상에서 동일한 위치까지 형성되어 있을 수 있다. 또한, 상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층은 상기 집전체 상에서 서로 상이한 위치까지 형성되어 있을 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전극탭(150)은 집전체(110)의 제1 면 또는 제2 면에 접합되어 있을 수 있다. 또한, 전극 시트(110)는 전극탭(150)이 접합된 면을 기준으로 집전체(110)의 상면 또는 하면을 구분할 수 있다. 일 예로, 집전체(110)는 전극탭(150)이 접합된 면을 집전체(110)의 상면으로 볼 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 커버부(170)는 제1 커버부(171) 및 제2 커버부(173)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 커버부(171)는 집전체(110)의 전극탭(150)이 위치한 상기 제1 면에 형성되고, 제2 커버부(173)는 집전체(110)의 전극탭(150)이 위치하지 않은 상기 제2 면에 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 이차 전지는 커버부(170)가 전극탭(150)이 위치하는 집전체(110)의 상하부를 모두 덮도록 부착되어, 전극탭(150)의 상하부가 커버부(170)에 의해 보호될 수 있다. 또한, 커버부(170)가 전극탭(150)에 의해 상기 제1 면에 형성된 단차를 완화할 수 있고, 제1 전극 시트(100)가 권취됨에 따라 전극탭(150)과 대면하는 분리막(미도시됨)의 손상 또한 방지할 수 있다.
이와 더불어, 본 실시예에 따른 이차 전지는 커버부(170)가 전극탭(150)에서부터 활물질층(130)의 적어도 일부까지 부착되어, 제1 전극 시트(100)의 강성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 커버부(170)가 제1 전극 시트(100)의 강성을 확보하면서도, 커버부(170)에 따른 제1 전극 시트(100)의 두께 혹은 무게 변화가 크지 않다는 이점이 있다. 또한, 제1 전극 시트(100)의 강성이 향상됨에 따라, 이차 전지의 수명이 증가하고, 이차 전지의 열안정성 또한 향상될 수 있다.
또한, 커버부(170)는 고분자 물질을 포함하는 필름일 수 있다. 이 때, 상기 고분자 물질은 폴리에스터(PET), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등일 수 있고, 이들 중 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 다만, 상기 고분자 물질은 상술한 물질에 제한되는 것은 아니며, 전기 화학 반응에 참여하지 않는 고분자라면 상기 고분자 물질에 포함될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 전극 시트(100)가 제2 전극 시트 및 분리막과 함께 권취되어 있는 구조를 중심으로 설명한다.
도 7은 도 5의 전극 시트를 포함하는 젤리롤 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해도이다. 도 8은 도 7의 젤리롤 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극 시트(100), 제2 전극 시트(200), 및 제1 전극 시트(100)와 제2 전극 시트(200) 사이에 개재된 분리막(300)이 함께 권취된 젤리롤 전극조립체를 포함한다.
도 8을 참조하면, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 권취되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 제2 전극 시트(200)에 비해 더 권취되어 있을 수 있다. 특히 도 8의 C 영역을 참조하면, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부가 일부 권취되어 있는 이후에, 제2 전극 시트(200) 및 분리막이 제1 전극 시트(100)와 함께 권취될 수 있다. 즉, 제2 전극 시트(200)의 단부는 커버부(170)와 함께 미리 권취되어 있는 제1 전극 시트(100)와 대면할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 시트(100)가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 강성을 향상시킬 수 있다. 특히, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 권취되어 있어, 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 강성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 시트(100)와 대면하는 제2 전극 시트(200)의 단부의 변형을 방지할 수 있다. 특히, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부가 권취되어 있는 상태에서, 제1 전극 시트(100)와 제2 전극 시트(200)의 단부가 대면하여, 제2 전극 시트(200)의 단부의 변형을 더욱 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 이상 내지 5회 이하로 권취되어 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1.5회 이상 내지 4.5회 이하로 권취되어 있을 수 있다. 일 예로, 커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 2회 이상 내지 4회 이하로 권취되어 있을 수 있다.
커버부(170)가 부착된 제1 전극 시트(100)의 단부의 권취 회수가 상술한 범위를 만족하는 경우, 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부는 충분한 강성을 확보할 수 있다. 제1 전극 시트(100)의 단부의 권취 회수가 1회 미만인 경우, 제1 전극 시트의 커버부(170)에 의한 강성을 충분히 확보하기 어려워, 제2 전극 시트(200)의 단부에서 발생되는 변형을 방지하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 권취 회수가 5회 초과인 경우, 제2 전극 시트(200)의 길이가 상대적으로 짧아져서, 전지 용량이 줄어들 수 있다.
또한, 도 5 및 도 8을 참조하면, 제1 전극 시트(100)의 커버부(170)는 제1 커버부(171)의 길이와 제2 커버부(173)의 길이는 서로 상이할 수 있다. 보다 바람직하게는, 커버부(170)는 제1 커버부(171)가 집전체(110)의 제1면에 형성된 활물질층(130)에 부착되어 있는 제1 길이(d1)는 제2 커버부(173)가 집전체(110)의 제1면에 형성된 활물질층(130)에 부착되어 있는 제2 길이(d2)보다 길 수 있다.
일 예로, 커버부(170)는 제1 커버부(171)의 제1 길이(d1)와 제2 커버부(173)의 제2 길이(d2)의 차이는 제2 전극 시트(200)가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 권취되어 있는 길이보다 동일하거나 작을 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8의 C 영역을 참조하면, 제2 커버부(173)의 활물질층(130)에 부착된 단부가 제2 전극 시트(200)의 단부와 인접하게 위치할 수 있다. 보다 바람직하게는, 제2 커버부(173)의 활물질층(130)에 부착된 단부와 제2 전극 시트(200)의 단부는 분리막(300)을 기준으로 동일하거나 유사한 위치에 위치할 수 있다. 일 예로, 제2 커버부(173)의 활물질층(130)에 부착된 단부는 제1 전극 시트의 활물질층(130)과 제2 전극 시트(200)의 단부가 분리막(300)을 사이에 두고 대면하는 위치까지 부착되어 있을 수 있다.
이와 달리, 제1 커버부(171)의 활물질층(130)에 부착된 단부가 제2 전극 시트(200)의 단부와 이격되어 위치하되, 상기 제1 커버부(171)의 활물질층(130)에 부착된 단부는 제2 커버부(173)의 단부에 비해 제1 전극 시트(100)가 더 권취되어 있는 위치일 수 있다.
또한, 제1 커버부(171)의 활물질층(130)에 부착된 단부가 제2 전극 시트(200)의 단부와 인접하게 위치하되, 상기 제1 커버부(171)의 활물질층(130)에 부착된 단부는 제2 커버부(173)의 단부에 비해 제1 전극 시트(100)가 1/2회 내지 2회로 더 권취되어 있는 위치일 수 있다. 일 예로, 제1 커버부(171)의 활물질층(130)에 부착된 단부는 제1 전극 시트의 활물질층(130)과 제2 전극 시트(200)의 단부가 분리막(300)을 사이에 두고 대면하는 위치까지 부착되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제1 커버부(171) 및 제2 커버부(173)가 각 집전체 상에서 위치에 따라 부착될 수 있는 길이를 조절하여 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 강성을 최대한 향상시킬 수 있다. 이와 더불어, 제1 전극 시트와 제2 전극 시트가 분리막을 사이에 두고 서로 대면하는 부분에 영향을 미치지 않을 수 있어, 이차 전지의 용량도 충분히 확보할 수 있다. 또한, 제1 커버부(171) 및 제2 커버부(173)가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 강성을 강화시켜, 제2 전극 시트(200)에서 발생 가능한 변형을 방지할 수 있고, 이차 전지의 수명이 증가하고, 이차 전지의 열안정성 또한 향상될 수 있다.
앞에서 설명한 이차 전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이하에서는, 실시예를 통해 본 발명의 내용을 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
음극에 SiO를 적용한 음극 시트를 제작하고, 제작된 음극 시트, 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA)이 적용된 양극 시트, 및 세라믹 코팅된 PE 분리막을 권취하여 젤리롤 전극 조립체를 제작하여, 이차 전지를 제조하였다.
이 때, 음극은 집전체의 상하부에 대해 전극탭에서부터 활물질층의 일부까지 PET 소재의 tape가 부착되었다.
<비교예>
음극의 전극탭이 접합된 집전체의 상하부에 대해서만 PET 소재의 tape가 부착된 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조되었다.
<실험 예 1 - CT 촬영>
실시예 및 비교예에서 제조된 이차 전지를 각각 2.5V 내지 4.2V의 전압 영역에서 0.1C 충/방전 2회를 진행하였고, 이에 따라 활성화된 각각의 이차 전지에 대해 CT 촬영을 수행하였다. 또한, 2.85V 내지 4.2V의 전압 영역에서 0.5C 충전 1.0C 방전 500회를 진행하였고, 이에 따라 퇴화된 각각의 이차 전지에 대해 CT 촬영을 재수행하였다.
도 9 및 도 10은 비교예에 따른 이차 전지의 중심부에 대한 CT 촬영 이미지를 나타내는 도면이고, 도 11 및 도 12는 실시예에 따른 이차 전지의 중심부에 대한 CT 촬영 이미지를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 9 및 도 11은 각각 실시예 및 비교예의 이차 전지가 활성화된 상태에서의 이미지이며, 도 10 및 도 12는 도 9 및 도 11의 각각의 이차 전지가 퇴화된 상태에서의 이미지를 나타낸다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 비교예에 따른 이차 전지는 활성화 및 퇴화된 상태 모두에서 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 변형(distortion)이 발생된 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 9 및 도 10을 비교할 때, 비교예에 따른 이차 전지는 활성화된 상태에 비해 퇴화된 상태에서 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 발생된 변형이 보다 심화된 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 비교예에 따른 이차 전지와 같이, PET 소재의 테이프가 전극탭에 대해서만 부착되는 경우에는, 중심부의 변형이 심화되는 것을 확인할 수 있다.
이와 달리, 도 11 및 도 12를 참조하면, 실시예에 따른 이차 전지는 활성화 및 퇴화된 상태 모두에서 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 변형(distortion)이 거의 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이와 더불어, 실시 예에 따른 이차 전지는 활성화된 상태와 퇴화된 상태를 서로 비교하더라도, 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 이차 전지는 음극에 부착되어 있는 PET 소재의 tape가 상하부에 대해 전극탭에서부터 활물질층의 일부까지 부착됨에 따라, 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 변형(distortion)이 방지되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 이차 전지는 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 강성이 충분히 확보되어, 이차 전지의 수명이 증가하고, 이차 전지의 열안정성 또한 향상될 수 있다.
<실험 예 2 - 변형율 측정>
실험예 1에서 퇴화된 실시예 및 비교예의 이차 전지에 대하여 변형율을 각각 계산하였고, 그 결과는 표 1과 같다.
여기서, 변형율은 이차 전지의 중심으로부터 기준선 상에서 양극 시트의 첫번째 턴(turn)까지의 거리에 대한 최소값/최대값의 비율을 의미한다. 도 13은 실시예 및 비교예에 따른 각각의 이차 전지의 변형율을 측정하기 위한 기준선을 나타내는 도면이다.
실시예 비교예
변형율(Circularity) 69.7% 92.5%
도 13 및 표 1을 참조하면, 비교예의 이차 전지의 경우 퇴화된 상태에서 69.7%의 변형율을 가지는 점에서, 비교예의 이차 전지는 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 변형의 정도가 크다는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 비교예에 따른 이차 전지와 같이, PET 소재의 테이프가 전극탭에 대해서만 부착되는 경우에는, 중심부의 변형이 정도 또한 크다는 것을 확인할 수 있다.
이와 달리, 실시예의 이차 전지의 경우 퇴화된 상태에서도 92.5%의 변형율을 가지는 점에서, 실시예의 이차 전지는 젤리롤 전극 조립체의 변형이 거의 없다는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 이차 전지는 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 강성이 충분히 확보되어, 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 변형(distortion)이 방지되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 제1 전극 시트
110: 집전체
130: 활물질층
150: 전극탭
170: 커버부
200: 제2 전극 시트
300: 분리막

Claims (16)

  1. 제1 전극 시트, 제2 전극 시트, 및 상기 제1 전극 시트와 상기 제2 전극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극조립체를 포함하고,
    상기 제1 전극 시트는, 집전체 상에 형성된 활물질층, 상기 활물질층이 형성되지 않은 무지부, 및 상기 무지부에 접합된 전극탭을 포함하고,
    상기 제1 전극 시트에는 상기 전극탭에서부터 상기 활물질층의 적어도 일부분까지 부착되는 커버부가 형성되어 있는, 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 커버부가 부착된 상기 제1 전극 시트의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 권취되어 있는 이차 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 커버부가 부착된 상기 제1 전극 시트의 단부는 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 이상 내지 5회 이하로 권취되어 있는 이차 전지.
  4. 제2항에서,
    상기 활물질층은 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고,
    상기 제1 활물질층은 상기 집전체의 제1 면에 형성되고, 상기 제2 활물질층은 상기 집전체의 제2 면에 형성되고,
    상기 전극탭은 상기 제1 면에 부착되어 있는, 이차 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 커버부는 제1 커버부 및 제2 커버부을 포함하고,
    상기 제1 커버부는 상기 제1 면에 형성되고, 상기 제2 커버부는 상기 제2 면에 형성되는, 이차 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부는 상기 전극탭을 기준으로 동일한 위치에서부터 연장되어 부착되는, 이차 전지.
  7. 제5항에서,
    상기 제2 활물질층에 부착되어 있는 상기 제2 커버부의 단부와 상기 제2 전극 시트의 단부가 인접하게 위치하는, 이차 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 활물질층에 부착되어 있는 상기 제2 커버부의 단부는 상기 제2 활물질층과 상기 제2 전극 시트의 단부가 상기 분리막을 사이에 두고 대면하는 위치까지 부착되어 있는, 이차 전지.
  9. 제5항에서,
    상기 제1 활물질층에 부착되어 있는 상기 제1 커버부의 단부와 상기 제2 전극 시트의 단부가 인접하게 위치하는, 이차 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 활물질층에 부착되어 있는 상기 제1 커버부의 단부는 상기 제1 활물질층과 상기 제2 전극 시트의 단부가 상기 분리막을 사이에 두고 대면하는 위치까지 부착되어 있는, 이차 전지.
  11. 제5항에서,
    상기 제1 커버부가 상기 제1 활물질층에 부착되어 있는 제1 길이는 상기 제2 커버부가 상기 제2 활물질층에 부착되어 있는 제2 길이보다 긴, 이차 전지.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 길이와 상기 제2 길이의 차이는 상기 제2 전극 시트가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 권취되어 있는 길이보다 작은, 이차 전지.
  13. 제11항에서,
    상기 제1 길이와 상기 제2 길이의 차이는 상기 제2 전극 시트가 상기 젤리롤 전극 조립체의 중심부에서 1회 권취되어 있는 길이와 동일한, 이차 전지.
  14. 제1항에서,
    상기 커버부는 고분자 물질을 포함하는 필름인, 이차 전지.
  15. 제14항에서,
    상기 고분자 물질은 폴리에스터(PET), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  16. 제1항에 따른 이차 전지를 전원으로 포함하는 디바이스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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