KR20220061550A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 음극시트; 양극시트; 및 상기 음극시트와 상기 양극시트 사이에 위치하는 분리막을 포함하고, 상기 음극시트, 상기 양극시트 및 상기 분리막이 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다. 상기 양극시트는, 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 제1 양극 활물질이 도포되어 형성된 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체 상에 제2 양극 활물질이 도포되어 형성된 제2 양극 활물질층을 포함한다. 상기 양극시트를 기준으로, 상기 제1 양극 활물질층은 상기 제2 양극 활물질층보다 상기 젤리롤 구조체의 중심부에 가까이 위치하며, 상기 제1 양극 활물질은 상기 제2 양극 활물질에 비해 단위 질량당 전지 용량이 낮다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 젤리롤 형태의 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 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 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이차전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이차전지는 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, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 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 젤리롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래의 젤리롤 전극조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 이차 전지에 삽입되는 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)는 음극시트(20), 양극시트(30) 및 음극시트(20)와 양극시트(30) 사이에 개재된 분리막(40)을 포함한다. 아울러, 젤리롤 형태로 권취되었을 때, 음극시트(20)와 양극시트(30)가 서로 접하는 것을 방지하기 위해, 양극시트(30) 아래에 분리막(40)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.
음극시트(20)는, 음극 집전체(21) 및 음극 집전체(21) 상에 음극 활물질을 도포하여 마련된 음극 활물질층(22)을 포함할 수 있다. 음극 집전체(21) 중 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 부분에 음극탭(20t)이 용접 등에 방법에 의해 부착될 수 있다.
또한, 양극시트(30)는, 양극 집전체(31) 및 양극 집전체(31) 상에 양극 활물질을 도포하여 마련된 양극 활물질층(32)을 포함할 수 있다. 양극 집전체(31) 중 상기 양극 활물질이 도포되지 않은 부분에 양극탭(30t)이 용접 등의 방법에 의해 부착될 수 있다.
음극 집전체(21)의 상면과 하면 각각에 단일의 음극 활물질층(22)이 형성될 수 있고, 양극 집전체(31)의 상면과 하면 각각에 단일의 양극 활물질층(32)이 형성될 수 있다.
이러한 음극시트(20)와 양극시트(30)를 권취하여 젤리롤 전극 조립체(10)로로 제조함에 있어, 기하학적인 특성에 의해 곡률을 갖게 되므로 젤리롤 전극 조립체(10)의 중심부와 외곽부 사이에 N/P ratio가 달라진다. 이러한 N/P ratio의 차이는 젤리롤의 내부로 갈수록, 전극의 두께가 두꺼워질수록 그 값이 커지게 된다.
여기서 N/P ratio는 음극의 면적 및 질량당 용량을 감안하여 산출한 음극의 용량을, 양극의 면적 및 질량당 용량을 감안하여 얻은 양극의 용량으로 나눈 값인데, 전지의 안전성 및 용량에 중대한 영향을 미치므로 일반적으로 1이상의 값을 갖는다. 즉, 음극의 용량을 많게 제작한다. 참고로 N/P ratio가 1이 되지 않으면, 충, 방전 시 금속 리튬이 석출되기 쉽고, 이는 고율 충, 방전 시에 전지의 안전성을 급격히 열화시키는 원인으로 작용한다.
또한, 젤리롤 전극 조립체(10)의 중심부에서 외곽부로 갈수록, 양극시트(30)나 음극시트(20)의 N/P ratio의 변화가 발생한다. 특히, 젤리롤 전극 조립체(10)의 중심부에서는 N/P ratio가 낮아 충전시 리튬 석출이 일어날 가능성이 높다. 이로 인한 전지 성능과 안전성의 저하가 우려되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 중심부의 N/P ratio를 높일 수 있는 젤리롤 형태의 전극 조립체 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 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 전극 조립체는, 음극시트; 양극시트; 및 상기 음극시트와 상기 양극시트 사이에 위치하는 분리막을 포함하고, 상기 음극시트, 상기 양극시트 및 상기 분리막이 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다. 상기 양극시트는, 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 제1 양극 활물질이 도포되어 형성된 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체 상에 제2 양극 활물질이 도포되어 형성된 제2 양극 활물질층을 포함한다. 상기 양극시트를 기준으로, 상기 제1 양극 활물질층은 상기 제2 양극 활물질층보다 상기 젤리롤 구조체의 중심부에 가까이 위치하며, 상기 제1 양극 활물질은 상기 제2 양극 활물질에 비해 단위 질량당 전지 용량이 낮다.
상기 제1 양극 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 제2 양극 활물질은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 활물질 및 Ni-rich NCM 활물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체 상에서, 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제1 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많을 수 있다.
상기 양극시트는, 상기 양극 집전체 상에 제3 양극 활물질이 도포되어 형성된 제3 양극 활물질층을 더 포함할 수 있고, 상기 양극시트를 기준으로, 상기 제3 양극 활물질층은 상기 제2 양극 활물질층보다 상기 젤리롤 구조체의 외곽부에 가까이 위치할 수 있다.
상기 제1 양극 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 제2 양극 활물질 및 상기 제3 양극 활물질 각각은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 활물질 및 Ni-rich NCM 활물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 양극 활물질과 상기 제3 양극 활물질은 동일한 활물질일 수 있다.
상기 양극 집전체 상에서, 상기 제3 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많을 수 있다.
상기 음극시트는, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상에서 끊김 없이 이어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 양극시트의 구역마다 구성 요소가 다른 활물질을 적용함으로써, 젤리롤 전극 조립체의 중심부의 N/P ratio를 높일 수 있다. 이에 따라 젤리롤 전극 조립체의 중심부에 가까운 음극시트에서의 리튬 석출 문제를 개선할 수 있다. 이에 따라, 충, 방전 과정에서의 중심부 왜곡(Core distortion)을 방지하고, 전지 안전성과 전지 성능을 높일 수 있다.
또한, 젤리롤 전극 조립체의 중심부에 안전성이 우수한 활물질을 적용하여, 전지 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 젤리롤 전극조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체에 포함된 양극시트를 yz평면에서 -x축 방향으로 바라본 모습의 평면도이다.
도 4는 도 2의 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 5는 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 전극 조립체에 포함된 양극시트를 yz 평면에서 -x축 방향으로 바라본 모습의 평면도이다.
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, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 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. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 음극시트(200), 양극시트(300) 및 음극시트(200)와 양극시트(300) 사이에 위치하는 분리막(400)을 포함한다. 도 2는 권취되기 전 모습이 나타나 있으나, 본 실시예에 따른 음극시트(200), 양극시트(300) 및 분리막(400)이 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다. 아울러, 젤리롤 형태로 권취되었을 때 음극시트(200)와 양극시트(300)가 서로 접하는 것을 방지하기 위해 양극시트(300) 아래에 분리막(400)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.
음극시트(200)는, 음극 집전체(210) 및 음극 집전체(210) 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질층(220)을 포함할 수 있다. 또한, 음극 집전체(210) 중 음극 활물질이 도포되지 않아 음극 집전체(210)가 노출되는 부분에 음극탭(200t)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다. 여기서, 음극 집전체(210)가 노출되는 부분과 음극탭(200t)은 음극시트(200)의 일 단부에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 그 위치에 특별한 제한은 없고, 음극시트(200)의 중앙부에 위치하는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에 따른 양극시트(300)는 양극 집전체(310), 양극 집전체(310) 상에 제1 양극 활물질이 도포되어 형성된 제1 양극 활물질층(320a) 및 양극 집전체(310) 상에 제2 양극 활물질이 도포되어 형성된 제2 양극 활물질층(320b)을 포함한다. 또한, 양극 집전체(310) 중 양극 활물질이 도포되지 않아 양극 집전체(310)가 노출되는 부분에 양극탭(300t)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다. 여기서, 양극 집전체(310)가 노출되는 부분과 양극탭(300t)은 양극시트(300)의 일 단부에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 그 위치에 특별한 제한은 없고, 양극시트(300)의 중앙부에 위치하는 것도 가능하다. 설명의 편의를 위해 제1 양극 활물질층(320a)과 제2 양극 활물질층(320b) 사이에 소정의 간격이 형성된 것으로 나타내었으나, 그 사이에 틈이 없도록 서로 밀착될 수 있음은 물론이다.
즉, 본 실시예에 따른 양극시트(300)는 제1 및 제2 양극 활물질층(320a, 320b)을 포함하는 반면, 음극시트(200)는 단일의 음극 활물질층(220)을 포함할 수 있다. 즉, 음극 활물질층(220)은 음극 집전체(210) 상에서 끊김 없이 이어질 수 있다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 제1 양극 활물질층(320a) 및 제2 양극 활물질층(320b)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 전극 조립체에 포함된 양극시트를 yz평면에서 -x축 방향으로 바라본 모습의 평면도이다. 도 4는 도 2의 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 사시도이다. 도 5는 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 양극시트(300)를 기준으로, 제1 양극 활물질층(320a)은 제2 양극 활물질층(320b)보다 젤리롤 구조체의 중심부(100C)에 가까이 위치한다. 보다 구체적으로 설명하면, 제1 양극 활물질층(320a)은 제2 양극 활물질층(320b)보다 젤리롤 구조체의 중심부(100C)에 인접한 양극시트(300)의 일변(y축 방향의 변)에 가까이 위치한다. 이 때, 상기 제1 양극 활물질은 상기 제2 양극 활물질에 비해 단위 질량(g)당 전지 용량이 낮다.
여기서, 젤리롤 구조체의 중심부(100C)라 함은, 도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 권취된 전극 조립체(100)를 위에서 바라봤을 때 원형 구조의 중심으로써, 권취가 시작되는 부분과 대응하는 영역을 의미한다. 한편, 젤리롤 구조체의 외곽부(100U)라 함은, 권취된 전극 조립체(100)의 가장 바깥쪽 외주면 영역으로써, 권취가 마무리되는 부분과 대응하는 영역을 의미한다. 즉, 양극시트(300)에 있어서, 제1 양극 활물질층(320a)은 제2 양극 활물질층(320b)보다 젤리롤 구조체의 중심부(100C)에 가까이 위치하고, 젤리롤 구조체의 외곽부(100U)와 멀리 위치한다.
상기 제1 양극 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 양극 활물질은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 계열을 제외하고 낮은 용량의 양극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 양극 활물질은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 활물질 및 Ni-rich NCM 활물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 양극 활물질은 Ti, Zr, Al, N 및 C 중 적어도 하나를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바 대로, 상기 제1 양극 활물질은 상기 제2 양극 활물질에 비해 단위 질량(g)당 전지 용량이 낮다.
하나의 단일 양극 활물질층(32)으로 구성된 종래의 양극시트(30, 도 1 참조)의 경우, 젤리롤 전극 조립체(10)의 중심부와 인접한 영역은 N/P ratio가 낮아 충, 방전 시 금속 리튬이 석출되기 쉽다. 석출된 리튬에 의해 중심부에서 구조적 왜곡(Core distortion)이 발생할 수 있고, 전지 성능과 안전성의 저하가 일어날 수 있다.
이와 달리, 본 실시예에 따른 양극시트(300)는 양극 집전체(310) 상에 구성요소와 조성비를 달리하는 제1 양극 활물질과 제2 양극 활물질을 각각 도포한다. 상대적으로 낮은 단위 질량당 전지 용량을 보이는 제1 양극 활물질을 젤리롤 구조체의 중심부(100C)와 가까운 영역에 도포하여 제1 양극 활물질층(320a)을 형성한다. 도 5에 나타난 바와 같이, 젤리롤 구조체에 있어서, 제1 양극 활물질층(320a)이 중심부(100C)와 가깝게 형성되고, 제2 양극 활물질층(320b)는 외곽부(100U)와 가깝게 형성된다. 이 때, 구체적으로 나타내지 않았으나, 제1 양극 활물질층(320a)이 젤리롤 구조체를 기준으로 8회 내지 10회 권취된 부분까지의 영역일 수 있다. 다만, 이는 예시적 횟수이며, 전극 조립체(100)의 크기, 음극시트(200)의 길이 등에 따라 변동이 가능하다.
출력 특성이 높고 열전 안전성이 우수한 대신 단위 질량당 전지 용량이 낮은 제1 양극 활물질을 젤리롤 구조체의 중심부(100C)와 가까운 영역에 도포함으로써, 이 중심부(100C)와 인접한 영역에서의 N/P ratio를 높일 수 있다. 이는, 본 실시예에 다른 전극 조립체(100)가 음극시트(200)에서 석출되는 리튬을 줄이고, 충, 방전 과정에서의 중심부 왜곡(Core distortion)을 최소화할 수 있다는 것을 의미한다. 종국적으로, 전지 성능이 향상되고, 전지 안전성이 확보될 수 있다.
한편, 도 3을 참고하면, 양극 집전체(310) 상에서, 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제1 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많을 수 있다. 즉, 상기 제2 양극 활물질의 로딩량이 상기 제1 양극 활물질의 로딩량보다 많을 수 있다. 이에 따라 제2 양극 활물질층(320b)의 두께가 제1 양극 활물질층(320a)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 젤리롤 구조체의 중심부(100C)와 가까운 영역에서 양극 활물질의 로딩량을 줄임으로써, 전극 조립체(100)의 중심부(100C)와 인접한 영역에서의 N/P ratio를 높일 수 있다. 이에 따라, 리튬 석출 방지, 중심부 왜곡(Core distortion) 최소화 등의 효과를 가져올 수 있다.
한편, 도 2 및 도 5를 참고하면, 젤리롤 구조체에 있어서, 사이에 분리막(400)이 개재되어 서로 접촉하지 않는다면, 음극시트(200)와 양극시트(300)의 위치에 특별한 제한은 없다. 즉, 도시된 바와 다르게 양극시트(300)가 상부에 위치할 수 있다. 또한, 음극시트(200)와 양극시트(300) 각각의 개수에도 특별한 제한이 없으므로, 복수의 음극시트(200)들과 복수의 양극시트(300)들이 함께 권취되어 전극 조립체(100)를 형성할 수 있다. 또한, 음극탭(200t)과 양극탭(300t)이 권취된 전극 조립체(100)에서 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다. 이 때, 음극탭(200t)과 양극탭(300t) 각각의 개수에도 특별한 제한이 없으므로, 하나의 음극시트(200)에 복수의 음극탭(200t)이 부착될 수 있고, 하나의 양극시트(300)에 복수의 양극탭(300t)이 부착될 수 있다. 한편, 권취된 2개의 분리막(400)은 음극시트(200) 및 양극시트(300)보다 길게 연장되어, 권취된 전극 조립체의 외곽부(100U)를 1회 이상 감싸도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다. 도 7은 도 6의 전극 조립체에 포함된 양극시트를 yz 평면에서 -x축 방향으로 바라본 모습의 평면도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시에에 따른 전극 조립체(100’)는 음극시트(200), 양극시트(300’) 및 분리막(400)을 포함한다. 음극시트(200)와 분리막(400)은 앞서 설명한 구성과 동일 내지 유사한 구성이 적용될 수 있으며, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
본 실시예에 따른 양극시트(300’)는 양극 집전체(310), 양극 집전체(310) 상에 제1 양극 활물질이 도포되어 형성된 제1 양극 활물질층(320a), 양극 집전체(310) 상에 제2 양극 활물질이 도포되어 형성된 제2 양극 활물질층(320b) 및 양극 집전체(310) 상에 제3 양극 활물질이 도포되어 형성된 제3 양극 활물질층(320c)을 포함할 수 있다. 또한, 양극 집전체(310) 중 양극 활물질이 도포되지 않아 양극 집전체(310)가 노출되는 부분에 양극탭(300t)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
이 때, 양극시트(300’)를 기준으로, 제3 양극 활물질층(320c)은 제2 양극 활물질층(320b)보다 젤리롤 구조체의 외곽부(100U, 도 4 및 도 5 참조)에 가까이 위치할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제3 양극 활물질층(320c)은 제2 양극 활물질층(320b)보다 젤리롤 구조체의 외곽부(100U)에 인접한 양극시트(300’)의 타변(-y축 방향의 변)에 가까이 위치할 수 있다. 즉, 젤리롤 구조체의 중심부와 인접한 양극시트(300’)의 일변(y축 방향의 변)에서 젤리롤 구조체의 외곽부와 인접한 양극시트(300’)의 타변(-y축 방향의 변)까지 차례로, 제1 양극 활물질층(320a), 제2 양극 활물질층(320b) 및 제3 양극 활물질층(320c)이 위치할 수 있다.
상기 제1 양극 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 제2 양극 활물질 및 상기 제3 양극 활물질 각각은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 활물질 및 Ni-rich NCM 활물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 제2 양극 활물질과 상기 제3 양극 활물질은 동일한 활물질일 수 있다.
또한, 도 7을 참고하면, 양극 집전체(310) 상에서, 상기 제3 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많을 수 있다. 즉, 상기 제3 양극 활물질의 로딩량이 상기 제2 양극 활물질의 로딩량보다 많을 수 있다. 이에 따라 제3 양극 활물질층(320c)의 두께가 제2 양극 활물질층(320b)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 이는, 제3 양극 활물질층(320c)과 제2 양극 활물질층(320b)이 동일한 구성요소와 조성비의 양극 활물질을 포함하지만, 로딩량으로 구별되는 것을 의미할 수 있다.
한편, 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제1 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많을 수 있다. 또한, 도시된 바와 다르게 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제1 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 서로 동일할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 출력 특성이 높고 열전 안전성이 우수한 대신 단위 질량당 전지 용량이 낮은 제1 양극 활물질을 젤리롤 구조체의 중심부(100C)와 가까운 영역에 도포함으로써, 이 중심부(100C)와 인접한 영역에서의 N/P ratio를 높일 수 있다. 이에 따라 음극시트(200)에서 석출되는 리튬을 줄이고, 충, 방전 과정에서의 중심부 왜곡(Core distortion)을 최소화할 수 있다. 아울러, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100’)는 상대적으로 높은 로딩량을 갖는 제3 양극 활물질층(320c)을 포함함으로써, 중심부(100C)와 인접한 부분이 아닌 전극 조립체(100’)의 전체를 기준으로 했을 때 총 전지 용량을 높이고자 하였다. 즉, 제1 양극 활물질층(320a)과 제2 양극 활물질층(320b)을 마련함으로써, 중심부(100C)와 인접한 영역에서의 N/P ratio를 높일 수 있고, 그와 동시에 제3 양극 활물질층(320c)을 마련함으로써, 전극 조립체(100’) 전체의 전지 용량을 높일 수 있다. 또한 제3 양극 활물질층(320c)이 제2 양극 활물질층(320b)보다 두껍기 때문에 외부충격으로부터 내부 전극 조립체까지의 응력전달을 완화하여 전극 조립체의 안전성 측면에서 유리할 수 있다. 또한 젤리롤 구조체를 형성할 때 보다 자연스럽게 권취될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 제1 내지 제3 양극 활물질층은 양극 활물질에 더해 도전제 및 바인더를 더 포함할 수 있다. 필요에 따라서는, 충진제가 더 첨가되기도 한다.
양극 집전체(310)는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체, 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전극 조립체는, 전지 케이스에 수납되어 이차전지로 제조될 수 있다. 이러한 전지 케이스에 특별한 제한은 없어, 원통형 케이스, 각형 케이스 또는 파우치형 케이스가 적용될 수 있으나, 원통형 케이스인 것이 바람직하다.
이러한 이차전지가 다수로 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 상기 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 이차전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전극 조립체
200: 음극시트
300: 양극시트
320a: 제1 양극 활물질층
320b: 제2 양극 활물질층

Claims (10)

  1. 음극시트;
    양극시트; 및
    상기 음극시트와 상기 양극시트 사이에 위치하는 분리막을 포함하고,
    상기 음극시트, 상기 양극시트 및 상기 분리막이 권취되어 젤리롤 구조체를 형성하며,
    상기 양극시트는, 양극 집전체; 상기 양극 집전체 상에 제1 양극 활물질이 도포되어 형성된 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체 상에 제2 양극 활물질이 도포되어 형성된 제2 양극 활물질층을 포함하고,
    상기 양극시트를 기준으로, 상기 제1 양극 활물질층은 상기 제2 양극 활물질층보다 상기 젤리롤 구조체의 중심부에 가까이 위치하며,
    상기 제1 양극 활물질은 상기 제2 양극 활물질에 비해 단위 질량당 전지 용량이 낮은 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 양극 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제2 양극 활물질은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 활물질 및 Ni-rich NCM 활물질 중 적어도 하나를 포함하는 전극 조립체.
  3. 제1항에서,
    상기 양극 집전체 상에서, 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제1 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많은 전극 조립체.
  4. 제1항에서,
    상기 양극시트는, 상기 양극 집전체 상에 제3 양극 활물질이 도포되어 형성된 제3 양극 활물질층을 더 포함하고,
    상기 양극시트를 기준으로, 상기 제3 양극 활물질층은 상기 제2 양극 활물질층보다 상기 젤리롤 구조체의 외곽부에 가까이 위치하는 전극 조립체.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 양극 활물질은 LiCoO2 및 LiFePO4 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제2 양극 활물질 및 상기 제3 양극 활물질 각각은 NCM(nickel-cobalt-manganese) 활물질 및 Ni-rich NCM 활물질 중 적어도 하나를 포함하는 전극 조립체.
  6. 제4항에서,
    상기 제2 양극 활물질과 상기 제3 양극 활물질은 동일한 활물질은 전극 조립체.
  7. 제4항에서,
    상기 양극 집전체 상에서, 상기 제3 양극 활물질의 단위면적당 도포량이 상기 제2 양극 활물질의 단위면적당 도포량보다 많은 전극 조립체.
  8. 제1항에서,
    상기 음극시트는, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질층을 포함하는 전극 조립체.
  9. 제8항에서,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체 상에서 끊김 없이 이어지는 전극 조립체.
  10. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지.
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