KR20220109340A - 전극 조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 음극; 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 위치한 분리막을 포함하고, 상기 음극, 상기 양극 및 상기 분리막이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다. 상기 음극은, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질부를 포함한다. 상기 양극은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질부를 포함한다. 상기 음극 집전체 중 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부가 제1 방향으로 연장되고, 상기 양극 집전체 중 상기 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부가 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 연장된다. 상기 양극 활물질부는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 포함하고, 상기 로딩 감소부는, 상기 양극의 상기 제1 방향의 일 단부에 위치한다.

Description

전극 조립체 및 이의 제조 방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지 밀도가 향상된 전극 조립체 및 이의 제조 방법에 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.

최근 높은 에너지 밀도의 구현과 비용 절감을 위해, 전지셀의 사이즈를 증가시키는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 전지셀의 사이즈에 따라 에너지가 증가할수록 전지셀 당 저항이 감소되어야 한다. 저항의 감소를 위해 전극에 전극탭을 부착시키는 방식이 아닌 전극의 전극 집전체를 전극탭으로 활용하는 방식이 사용될 수 있다. 이 때, 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 도포하는 전극 제조 공정의 특성 상, 음극 슬러리가 도포된 음극 활물질부와 음극 집전체의 경계 부분에 로딩량이 감소되는 부분이 발생한다. N/P ratio를 고려했을 때, 상기 로딩량이 감소되는 부분과 대면하는 양극 활물질부에 금속 리튬이 석출될 우려가 있다. 여기서, N/P ratio는 음극의 면적 및 질량당 용량을 감안하여 산출한 음극의 용량을, 양극의 면적 및 질량당 용량을 감안하여 얻은 양극의 용량으로 나눈 값인데, 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. 다시 말해, N/P ratio는 전지의 안전성 및 용량에 중대한 영향을 미친다.

상기와 같이 금속 리튬의 석출 우려로, 음극의 로딩량이 감소되는 부분과 대면하는 양극 부분에 양극 활물질부를 위치시킬 수 없다. 이는 전지셀의 에너지 밀도를 높이지 못하는 원인이 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 양극 활물질부의 구간을 늘려 에너지 밀도가 향상된 전극 조립체 및 이의 제조 방법를 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 음극; 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 위치한 분리막을 포함하고, 상기 음극, 상기 양극 및 상기 분리막이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다. 상기 음극은, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질부를 포함한다. 상기 양극은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질부를 포함한다. 상기 음극 집전체 중 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부가 제1 방향으로 연장되고, 상기 양극 집전체 중 상기 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부가 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 연장된다. 상기 양극 활물질부는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 포함하고, 상기 로딩 감소부는, 상기 양극의 상기 제1 방향의 일 단부에 위치한다.

상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 활물질부가 위치할 수 있다.

상기 음극 활물질부는, 상기 음극 활물질부와 상기 음극 미코팅부 간의 경계를 형성하는 음극 경계부를 포함할 수 있고, 상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 경계부가 위치할 수 있다.

상기 로딩 감소부는, 상기 제1 방향으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있다.

상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은, 상기 젤리롤 구조체의 높이 방향과 평행한 방향일 수 있다.

상기 음극 미코팅부가 상기 제1 방향으로 상기 분리막보다 연장될 수 있고, 상기 양극 미코팅부가 상기 제2 방향으로 상기 분리막보다 연장될 수 있다.

상기 전극 조립체는, 상기 음극 또는 상기 양극 중 적어도 한 곳에 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 음극에 형성된 상기 절연층은, 상기 음극 미코팅부와 상기 음극 활물질부의 적어도 일부를 커버할 수 있고, 상기 양극에 형성된 상기 절연층은, 상기 양극 미코팅부와 상기 양극 활물질부의 적어도 일부를 커버할 수 있다.

상기 음극에 형성된 상기 절연층은, 상기 제1 방향에 따른 상기 음극 활물질부의 단부와 이에 인접한 상기 음극 미코팅부의 일부를 커버하도록 형성될 수 있다. 상기 양극에 형성된 상기 절연층은, 상기 제2 방향에 따른 상기 양극 활물질부의 단부와 이에 인접한 상기 양극 미코팅부의 일부를 커버하도록 형성될 수 있다.

상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 음극에 형성된 상기 절연층은, 로딩 감소부와 중첩되지 않는 곳에 위치할 수 있다.

상기 음극 미코팅부와 상기 양극 미코팅부의 적어도 일부 구간은, 서로 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편 형태로 가공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은, 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부와 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부가 번갈아 위치하도록 음극 시트를 제조하는 단계; 양극 집전체 상에 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부와 상기 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부가 번갈아 위치하도록 양극 시트를 제조하는 단계; 상기 음극 미코팅부와 상기 음극 활물질부를 슬릿팅하여 음극을 제조하는 단계; 상기 양극 미코팅부와 상기 양극 활물질부를 슬릿팅하여 양극을 제조하는 단계; 및 상기 음극과 상기 양극을 분리막과 함께 권취하여 젤리롤 구조체를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 양극 시트는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소 영역을 포함하고, 상기 양극을 제조하는 단계에서, 상기 로딩 감소 영역을 슬릿팅한다. 슬릿팅된 상기 로딩 감소 영역이, 상기 젤리롤 구조체에서 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 형성한다.

상기 젤리롤 구조체에서, 상기 음극 미코팅부가 제1 방향으로 연장될 수 있고, 상기 양극 미코팅부가 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 연장될 수 있다.

상기 로딩 감소부는, 상기 양극의 상기 제1 방향의 일 단부에 위치할 수 있다.

상기 로딩 감소부는, 상기 제1 방향으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있다.

상기 젤리롤 구조체에서, 상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 활물질부가 위치할 수 있다.

상기 음극 활물질부는, 상기 음극 활물질부와 상기 음극 미코팅부 간의 경계를 형성하는 음극 경계부를 포함할 수 있고, 상기 젤리롤 구조체에서, 상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 경계부가 위치할 수 있다.

상기 로딩 감소 영역의 중앙부로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있고, 상기 양극을 제조하는 단계에서, 상기 로딩 감소 영역의 상기 중앙부를 슬릿팅함에 따라, 상기 로딩 감소부가 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 양극에 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 마련하여, 리튬의 석출 우려 없이 양극 활물질부의 구간을 늘릴 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체의 에너지 밀도를 향상시킬 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 음극을 제조하는 모습을 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 양극을 제조하는 모습을 나타낸 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 비교예에 따라 음극을 제조하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 비교예에 따라 양극을 제조하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 13 및 도 14는 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음극, 양극 및 분리막들을 나타낸 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 16 내지 도 18은 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음극, 양극 및 분리막들을 나타낸 단면도들이다.

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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 음극(200), 양극(300) 및 분리막(400)을 포함한다. 분리막(400)은, 음극(200)과 양극(300) 사이에 위치한다. 음극(200), 양극(300) 및 분리막(400)이 함께 권취되어 젤리롤 구조체(100S)를 형성한다. 여기서, 젤리롤 구조체(100S)는, 음극(200), 양극(300) 및 분리막(400)이 권취되어 형성된 구조물을 지칭한다. 아울러, 젤리롤 구조체(100S)를 형성했을 때, 음극(200)과 양극(300)이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막(400)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.

음극(200)은, 음극 집전체(210) 및 음극 집전체(210) 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질부(220)를 포함한다. 특히, 도시된 바와 같이 음극 집전체(210)의 양면 모두에 음극 활물질이 도포되어 음극 활물질부(220)가 형성될 수 있다. 또한, 음극 집전체(210) 중 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부(230)가 제1 방향(d1)으로 연장된다. 음극 미코팅부(230)는 권취되는 음극(200)의 일 단부를 따라 이어진다. 또한, 음극 미코팅부(230)는 제1 방향(d1)으로 분리막(400)보다 연장된다. 이에 따라, 젤리롤 구조체(100S)의 제1 방향의 일 단부에는 음극 미코팅부(230)가 노출될 수 있다.

양극(300)은, 양극 집전체(310) 및 양극 집전체(310) 상에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질부(320)를 포함한다. 특히, 도시된 바와 같이 양극 집전체(310)의 양면 모두에 양극 활물질이 도포되어 양극 활물질부(320)가 형성될 수 있다. 또한, 양극 집전체(310) 중 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부(330)가 제2 방향(d2)으로 연장된다. 양극 미코팅부(330)는 권취되는 양극(300)의 일 단부를 따라 이어진다. 또한 양극 미코팅부(330)는 제2 방향(d2)으로 분리막(400)보다 연장된다. 이에 따라, 젤리롤 구조체(100S)의 제2 방향의 일 단부에는 양극 미코팅부(330)가 노출될 수 있다.

여기서 제1 방향(d1)과 제2 방향(d2)은 서로 대향하는 방향이다. 또한, 제1 방향(d1)과 제2 방향(d2)는 젤리롤 구조체(100S)의 높이 방향과 평행한 방향일 수 있다.

본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 별도의 전극탭을 부착하는 형태가 아니라, 저항 감소를 위해 음극 집전체(210)의 음극 미코팅부(230)와 양극 집전체(310)의 양극 미코팅부(330) 자체를 전극탭으로 활용하는 형태이다. 즉, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 일종의 탭-리스(Tab-less) 구조로서, 음극 미코팅부(230)와 양극 미코팅부(330)는 그 자체로서 전극탭으로 정의될 수 있다.

이 때, 본 실시예에 따른 양극 활물질부(320)는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(300D)를 포함하고, 로딩 감소부(300D)는, 양극(300)의 제1 방향(d1)의 일 단부에 위치한다. 또한, 보다 구체적으로, 로딩 감소부(300D)는 제1 방향(d1)으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있다.

여기서, 로딩량은 단위면적당 활물질의 도포량을 의미한다. 로딩량이 많은 부분은, 단위 면적에 많은 음극 활물질 또는 양극 활물질이 도포되어 음극 활물질부 또는 양극 활물질부의 두께가 상대적으로 두꺼울 수 있다. 로딩량이 적은 부분은, 단위 면적에 적은 음극 활물질 또는 양극 활물질이 도포되어 음극 활물질부 또는 양극 활물질부의 두께가 상대적으로 얇을 수 있다.

활물질을 포함하는 슬러리를 도포하여 활물질부를 형성할 수 있는데, 이러한 공정에서 미코팅부와 활물질부 사이에는 점차 로딩량이 감소하는 경계부가 형성될 수 있다.

구체적으로, 음극 활물질부(220)는, 음극 활물질부(220)와 음극 미코팅부(230) 간의 경계를 형성하는 음극 경계부(220B)를 포함할 수 있다. 음극 경계부(220B)는 음극 미코팅부(230)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소할 수 있다.

마찬가지로, 양극 활물질부(320)는, 양극 활물질부(320)와 양극 미코팅부(330) 간의 경계를 형성하는 양극 경계부(320B)를 포함할 수 있다. 양극 경계부(320B)는 양극 미코팅부(330)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소할 수 있다.

위와 같이 로당량이 점차 감소하는 음극 경계부(220B)나 양극 경계부(320B)는 활물질을 포함하는 슬러리를 음극 집전체(210)나 양극 집전체(310)에 도포하는 과정에서 자연히 발생한다.

구체적으로, 음극 경계부(220B)와 양극 경계부(320B)는, 슬라이딩 현상이 발생한 영역일 수 있다. 슬라이딩 현상이란, 활물질이 포함된 슬러리의 퍼짐에 의해, 슬러리 도포의 경계 영역에서, 전극 활물질이 더 적게 도포되어 도포 경계 영역의 슬러리가 대략 경사진 형태를 갖는 현상을 의미한다. 여기서, 전극을 전체적으로 건조하면, 슬러리에 포함된 용매가 증발하고 슬러리 부피가 감소하면서, 활물질이 도포된 영역과 도포되지 않은 영역의 경계 부근에서 슬라이딩 현상이 더 심화될 수 있다.

이때, 제2 방향(d2)과 수직한 방향을 기준으로, 양극 경계부(320B)와 대응하는 영역에서는, 양극 활물질의 양이 음극 활물질의 양보다 적을 수 있다. 그렇다고 하더라도, 이는 N/P ratio가 1보다 큰 값을 갖는 것이기 때문에 금속 리튬이 석출되는 문제 등이 발생하지 않는다.

문제는, 음극 경계부(220B)와 대응하는 영역이다. 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극 경계부(220B)와 대응하는 영역에서는, 음극 활물질의 양이 양극 활물질의 양보다 적을 수 있다. 이때는 N/P ratio가 1보다 작은 값을 갖는 것으로 금속 리튬이 석출되는 문제가 발생할 수 있다.

이에 본 실시예에서는 양극(300)에 로딩 감소부(300D)를 마련하였고, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(300D)와 대응하는 부분에 음극 활물질부(220)가 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(300D)와 대응하는 부분에 음극 경계부(220B)가 위치할 수 있다.

로당량이 점차 감소하는 음극 경계부(220B)와 대응하는 위치에 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(300D)를 마련하여, 리튬의 석출 우려 없이 양극 활물질이 도포된 구간을 늘릴 수 있다. 특히, 음극 미코팅부(230)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 점차 감소하는 음극 경계부(220B)의 형상과 대응하도록, 로딩 감소부(300D)가 제1 방향(d1)으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하는 형태를 가질 수 있다. 따라서, 음극 경계부(220B)가 형성된 영역에서의 음극(200)과 양극(300)에 대한 N/P ratio를 높게 유지할 수 있어, 리튬의 석출을 방지할 수 있다. 보다 자세한 내용은 도 9 내지 도 12의 비교예와 비교를 통해 후술하도록 한다.

이하에서는, 도 3 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 음극을 제조하는 모습을 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 3은 음극 시트를 위에서 바라본 평면도이고, 도 4는 도 3의 음극 시트를 정면에서 바라본 정면도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은, 음극 집전체(210) 상에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부(220)와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부(230)가 번갈아 위치하도록 음극 시트(200S)를 제조하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 음극 활물질을 제3 방향(d3)을 따라 이어지도록 도포하여 음극 활물질부(220)를 형성할 수 있고, 제3 방향(d3)과 수직한 제4 방향(d4)을 따라 다수의 음극 활물질부(220)가 이격되어 위치할 있다. 즉, 다수의 음극 활물질부(220) 사이에 음극 미코팅부(230)가 위치하도록 구성될 수 있다.

여기서 제3 방향(d3)과 제4 방향(d4)은 음극 시트(200S)를 기준으로 설명하기 위한 방향들로써, 앞서 설명한 젤리롤 구조체(100S)에서의 제1 방향(d1) 및 제2 방향(d2)과는 무관한 방향들이다.

이후, 음극 미코팅부(230)와 음극 활물질부(220)를 슬릿팅(Slitting)하여 음극(200)을 제조하는 단계가 이어질 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 사시도이다.

도 3 내지 도 5를 참고하면, 도 3 및 도 4에서 점선으로 표시한 부분과 같이, 음극 미코팅부(230)와 음극 활물질부(220) 각각에 대해 제3 방향(d3)과 나란한 방향으로 슬릿팅을 실시할 수 있다. 이에 따라 음극 시트(200S)로부터 도 5에 도시된 바와 같은 음극(200)을 여러 개 제조할 수 있다. 즉, 도 5의 음극(200)은 도 3 및 도 4의 음극 시트(200S)를 슬릿팅하여 제조된 여러 음극들 중 하나에 해당한다. 음극 시트(200S) 중 음극 미코팅부(230)와 음극 활물질부(220)를 각각 슬릿팅함으로써, 일 측으로 음극 미코팅부(230)가 연장된 음극(200)이 제조될 수 있다.

음극 활물질부(220) 형성 시, 음극 활물질을 포함하는 슬러리를 음극 집전체(210) 상에 도포할 수 있는데, 이러한 슬러리 도포 과정에서, 음극 활물질부(220)와 음극 미코팅부(230) 사이의 경계에는 음극 미코팅부(230)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소하는 음극 경계부(220B)가 형성될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 양극을 제조하는 모습을 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 6은 양극 시트를 위에서 바라본 평면도이고, 도 7는 도 6의 양극 시트를 정면에서 바라본 정면도이다.

도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은, 양극 집전체(310) 상에 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부(320)와 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부(330)가 번갈아 위치하도록 양극 시트(300S)를 제조하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 양극 활물질을 제3 방향(d3)을 따라 이어지도록 도포하여 양극 활물질부(320)를 형성할 수 있고, 제3 방향(d3)과 수직한 제4 방향(d4)을 따라 다수의 양극 활물질부(320)가 이격되어 위치할 있다. 즉, 다수의 양극 활물질부(320) 사이에 양극 미코팅부(330)가 위치하도록 구성될 수 있다.

여기서 제3 방향(d3)과 제4 방향(d4)은 양극 시트(300S)를 기준으로 설명하기 위한 방향들로써, 앞서 설명한 젤리롤 구조체(100S)에서의 제1 방향(d1) 및 제2 방향(d2)과는 무관한 방향들이다.

이후, 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320)를 슬릿팅하여 양극(300)을 제조하는 단계가 이어질 수 있다. 도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 사시도이다.

도 6 내지 도 8을 참고하면, 도 6 및 도 7에서 점선으로 표시한 부분과 같이, 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320) 각각에 대해 제3 방향(d3)과 나란한 방향으로 슬릿팅을 실시할 수 있다. 이에 따라 양극 시트(300S)로부터 도 8에 도시된 바와 같은 양극(300)을 여러 개 제조할 수 있다. 즉, 도 8의 양극(300)은 도 6 및 도 7의 양극 시트(300S)를 슬릿팅하여 제조된 여러 양극들 중 하나에 해당한다. 양극 시트(300S) 중 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320)를 각각 슬릿팅함으로써, 일 측으로 양극 미코팅부(330)가 연장된 양극(300)이 제조될 수 있다.

양극 활물질부(320) 형성 시, 양극 활물질을 포함하는 슬러리를 양극 집전체(310) 상에 도포할 수 있는데, 이러한 슬러리 도포 과정에서, 양극 활물질부(320)와 양극 미코팅부(330) 사이의 경계에는 양극 미코팅부(330)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소하는 양극 경계부(320B)가 형성될 수 있다.

이후, 도 1, 도 5 및 도 8을 함께 참고하면, 제조된 음극(200) 및 양극(300)을 분리막(400)과 함께 권취하여 젤리롤 구조체(100S)를 형성하는 단계가 이어질 수 있다. 이때, 젤리롤 구조체(100S)에서 음극 미코팅부(230)는 제1 방향(d1)으로 분리막(400)보다 연장되고, 양극 미코팅부(330)는 제1 방향(d1)과 대향하는 제2 방향(d2)으로 분리막(400)보다 연장될 수 있다.

한편, 도 6 내지 도 8을 다시 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법에 있어서, 양극 시트(300S)는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소 영역(300DA)을 포함한다. 로딩 감소 영역(300DA)을 형성하는 방법에 특별한 제한은 없고, 일례로 슬러리의 도포 정도를 조절하여 형성할 수 있다.

상기 양극(300)을 제조하는 단계에서, 양극 활물질부(320) 중 로딩 감소 영역(300DA)을 슬릿팅한다. 슬릿팅된 로딩 감소 영역(300DA)은, 도 1 및 도 2에 나타난 젤리롤 구조체(100S)에서 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(300D)에 해당한다.

구체적으로, 양극 시트(300S)에 형성된 양극 활물질부(320)에 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소 영역(300DA)이 형성된다. 도 7에 나타난 바와 같이, 로딩 감소 영역(300DA)은 양극 활물질부(320)의 중앙에 형성될 수 있다. 한편, 로딩 감소 영역(300DA)은 로딩 감소 영역(300DA)의 중앙부(300C)로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하도록 구성될 수 있고, 상기 양극(300)을 제조하는 단계에서, 로딩 감소 영역(300DA)의 중앙부(300C)를 슬릿팅함에 따라, 본 실시예에 따른 로딩 감소부(300D)가 마련될 수 있다.

즉, 양극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포함에 있어 로딩 감소 영역(300DA)을 형성하고, 로딩 감소 영역(300DA)의 중앙부(300C)를 슬릿팅함으로써, 로딩 감소부(300D)가 형성된 양극(300)을 여러 개 제조할 수 있다.

도 8을 참고하면, 제조된 양극(300)의 일 단부에는 로딩 감소부(300D)가 마련될 수 있고, 상기 일 단부와 대향하는 상기 양극(300)의 타 단부에는 양극 미코팅부(330)가 마련될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 이러한 양극(300)이 권취되어 젤리롤 구조체(100S)를 형성할 때, 로딩 감소부(300D)는, 양극(300)의 제1 방향(d1)의 일 단부에 위치하고, 양극 미코팅부(330)는 양극(300)의 제2 방향(d2)의 일 단부에 위치할 수 있다.

또한, 로딩 감소 영역(300DA)의 중앙부(300C)를 슬릿팅함에 따라, 로딩 감소부(300D)는, 제1 방향(d1)으로 갈수록 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있다.

또한, 젤리롤 구조체(100S)에서, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(300D)와 대응하는 부분에 음극 활물질부(220)가 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 젤리롤 구조체(100S)에서, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(300D)와 대응하는 부분에 음극 경계부(220B)가 위치할 수 있다.

로딩 감소부(300D)와 음극 경계부(220B) 간의 대응하는 위치 관계에 대해서는 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.

이하에서는, 도 9 내지 도 12를 참고하여, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체에 대해 설명하고, 본 실시예에 따른 전극 조립체가 본 비교예에 따른 전극 조립체에 비해 갖는 장점을 설명하도록 한다.

도 9는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다. 도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.

도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(10)는, 음극(20), 양극(30) 및 분리막(40)을 포함하고, 음극(20), 양극(30) 및 분리막(40)이 권취되어 젤리롤 구조체(10S)를 형성한다.

음극(20)은, 음극 집전체(21), 음극 활물질부(22) 및 음극 미코팅부(23)를 포함할 수 있다. 또한, 음극 미코팅부(23)가 제1 방향(d1)으로 연장될 수 있고, 음극 활물질부(22)는, 음극 활물질부(22)와 음극 미코팅부(23)의 경계를 형성하고 로딩량이 점차 감소하는 음극 경계부(22B)를 포함할 수 있다.

도 11은 본 발명의 비교예에 따라 음극을 제조하는 모습을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 9 및 10의 전극 조립체(10)에 포함된 음극(20)을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참고하면, 음극 활물질부(22)와 음극 미코팅부(23)가 제4 방향(d4)을 따라 번갈아 위치하도록 음극 시트(20S)가 제조된 후, 음극 미코팅부(23)와 음극 활물질부(22)를 슬릿팅(Slitting)하여 다수의 음극(20)을 제조할 수 있다.

한편, 도 9 및 도 10을 다시 참고하면, 양극(30)은, 양극 집전체(31), 양극 활물질부(32) 및 양극 미코팅부(33)를 포함할 수 있다. 또한, 양극 미코팅부(33)가 제1 방향(d1)과 대향하는 제2 방향(d2)으로 연장될 수 있고, 양극 활물질부(32)는, 양극 활물질부(32)와 양극 미코팅부(33)의 경계를 형성하고 로딩량이 점차 감소하는 양극 경계부(32B)를 포함할 수 있다.

도 12는 본 발명의 비교예에 따라 양극을 제조하는 모습을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 9 및 10의 전극 조립체(10)에 포함된 양극(30)을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 12를 참고하면, 양극 활물질부(32)와 양극 미코팅부(33)가 제4 방향(d4)을 따라 번갈아 위치하도록 양극 시트(30S)가 제조된 후, 양극 미코팅부(33)와 양극 활물질부(32)를 슬릿팅(Slitting)하여 다수의 양극(30)을 제조할 수 있다.

이후, 제조된 음극(20)과 양극(30)을 분리막(40)과 함께 권취하여 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(10)를 제조할 수 있다.

즉, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(10)는 로딩 감소부(300D, 도 2 참고)가 형성된 것만을 제외하고 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)와 유사한 구조를 가질 수 있다.

도 9 및 도 10을 참고하면, 본 비교예에 따른 전극 조립체(10)의 경우, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극 경계부(22B)와 대응하는 부분에 양극 활물질부(32)가 위치할 수 없다. 만일 양극 활물질부(32)가 음극 경계부(22B)와 대응하는 부분에 까지 연장된다면 해당 부분은 낮은 N/P ratio 값을 보이는 부분이고, 금속 리튬이 석출될 가능성이 높다. 따라서, 리튬 석출을 방지하기 위해 양극 활물질부(32)의 길이를 제한해야 한다. 즉, 도시된 B1의 영역에만 양극 활물질부(32)를 형성할 수 있고, B2의 영역에는 양극 활물질부(32)를 형성할 수 없다. 이는, 음극 경계부(22B)로 인해 양극 활물질부(32)의 길이를 축소하는 결과가 된다.

반면, 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)의 경우, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극 경계부(220B)와 대응하는 부분에 양극 활물질부(320), 특히 로딩 감소부(300D)가 위치할 수 있다. 음극 경계부(220B)와 대응하는 위치에 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(300D)가 마련되기 때문에 해당 부분에서의 N/P ratio를 높게 유지할 수 있고, 리튬의 석출을 방지할 수 있다. 이에 따라, A1의 영역만큼 양극 활물질부(320)를 형성할 수 있고, 양극 활물질부(320)가 형성될 수 없는 A2의 영역을 줄일 수 있다. 일례로, 음극(200)의 높이 방향 폭 대비 양극(300)의 높이 방향 폭을 98% 이상으로 높일 수 있다.

도 1 및 도 2의 A1의 영역과 도 9 및 도 10의 B1의 영역을 비교하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 양극 활물질부의 길이를 로딩 감소부(300D)만큼 늘일 수 있기 때문에 비교예에 따른 전극 조립체(10)보다 한정된 공간에서 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.

이하에서는, 도 13 및 도 14를 참고하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 조립체에 대해 자세히 실명하도록 한다. 도 13이나 도 14의 실시예는, 앞선 도 2의 실시예와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.

도 13 및 도 14는 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음극, 양극 및 분리막들을 나타낸 단면도이다.

도 13 및 도 14를 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체는, 음극(200), 양극(300) 및 분리막(400)들을 포함하고, 음극(200), 양극(300) 및 분리막(400)들이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다.

음극(200)은 음극 집전체(210) 및 음극 활물질부(220)를 포함하고, 음극 미코팅부(230)가 제1 방향(d1)으로 분리막(400)보다 연장된다. 양극(300)은 양극 집전체(310) 및 양극 활물질부(320)를 포함하고, 양극 미코팅부(330)가 제2 방향(d2)으로 분리막(400)보다 연장된다.

한편, 상술한 젤리롤 구조체의 높이 방향에 대하여, 양극 활물질부(320)의 길이(Lp)는, 음극 활물질부(220)의 길이(Ln)보다 짧을 수 있다. 또한, 양극 활물질부(320)는, 음극 활물질부(220)보다, 높이 방향 내 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질부(320)의 상기 높이 방향의 길이(Lp)에 비해 음극 활물질부(220)의 상기 높이 방향의 길이(Ln)가 크게 형성될 수 있다.

나아가, 양극 활물질부(320)의 상기 높이 방향의 길이(Lp)는, 음극 활물질부(220) 중 음극 경계부(220B)를 제외한 영역의 높이 방향의 길이보다도 짧게 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구조는, 상술한 N/P Ratio가 1 이하로 감소되어 리튬 금속이 석출되는 것을 방지하기 위함이다.

한편, 음극 활물질부(220)와 양극 활물질부(320)는, 분리막(400)보다 상기 높이 방향으로 더 돌출되지 않을 수 있다. 음극 활물질부(220)와 양극 활물질부(320)가 분리막(400)보다 상기 높이 방향으로 더 돌출되어 있다면, 음극(200)과 양극(300)이 접촉할 가능성이 커질 수 있다. 그렇게 되면, 접촉 영역에서 내부 단락이 발생하여 발화 리스크가 높아질 수 있다. 따라서, 음극 활물질부(220)와 양극 활물질부(320)는 분리막(400)보다 상기 높이 방향으로 돌출되지 않는 것이 중요하다. 즉, 음극 활물질부(220)와 양극 활물질부(320)는, 분리막(400)의 내측에 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에 따른 전극 조립체는, 음극(200) 또는 양극(300) 중 적어도 한 곳에 형성되는 절연층(500n, 500p)을 더 포함할 수 있다. 음극(200) 또는 양극(300)의 접촉 가능성을 최소화하기 위해, 본 발명의 전극 조립체는, 음극(200) 또는 양극(300) 중 적어도 한 곳에 형성되는 절연층(500n, 500p)을 더 포함할 수 있다.

도 13에는 양극(300)에 형성된 절연층(500p)이 도시되어 있다. 양극(300)에 형성된 절연층(500p)은, 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320)의 적어도 일부를 커버할 수 있다.

절연층(500p)에 의해, 음극(200)과 양극(300)의 전기적 접촉이 효과적으로 방지될 수 있다. 보다 구체적으로는, 양극 미코팅부(330)와, 음극 활물질부(220) 간의 전기적 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다.

절연층(500p)은, 양극(300)의 적어도 일 면에 구비될 수 있다. 예를 들어, 절연층(500p)은, 양극(300)의 양 면에 구비될 수 있다. 도 13에는 도시되어 있지는 않지만, 젤리롤 구조체에서, 좌측에 위치한 분리막(400)의 좌측에는 권취된 음극(200)의 다른 부분이 위치하고 있다. 따라서, 좌측 및 우측에 위치한 음극(200)과의 전기적 접촉을 방지하기 위해서, 절연층(500p)은 양극(300)의 양 면에 모두 구비되는 것이 바람직하다.

절연층(500p)은, 양극(300)의 영역 중에서, 음극 활물질부(220)와 대면할 가능성이 있는 영역에 구비될 수 있다. 예를 들면, 절연층(500p)의 제2 방향(d2) 단부는, 분리막(400)의 제2 방향(d2) 단부와 동일한 높이 또는 분리막(400)의 제2 방향(d2) 단부의 외측에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 13을 예로 들어 설명하면, 절연층(500p)의 제2 방향(d2) 단부는, 분리막(400)의 제2 방향(d2) 단부와 동일 높이에 위치할 수 있다. 분리막(400)이 양극(300)과 음극(200) 사이에서 권취 상기 높이 방향을 따라 돌출되어 있기 때문에, 양극(300)과 음극(200) 사이의 전기적 접촉을 어느 정도는 방지할 수 있다. 그러나, 전극 조립체를 포함한 이차 전지 내부에서 양극(300) 또는 음극(200)의 사행 등과 같은 유동이 발생할 가능성이 있기 때문에, 분리막(400)의 말단 부근에 음극(200)이 위치할 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 사행 등의 유동 발생으로 인해 음극(200)이 분리막(400)의 말단까지 위치하거나 음극(200)이 분리막(400)의 말단보다 더 외측으로 돌출되는 경우에는, 양극(300)과 음극(200)의 전기적 접촉을 피할 수 없게 된다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막(400)이 손상될 경우, 양극(300)과 음극(200)의 전기적 접촉을 피할 수 없게 된다.

따라서, 이러한 경우가 발생하더라도 양극(300)과 음극(200)의 전기적 접촉을 방지하기 위해, 양극(300)에 구비된 절연층(500p)은 적어도 분리막(400)의 제2 방향(d2)의 단부와 동일한 높이까지 또는 분리막(400)의 제2 방향(d2)의 단부의 외측까지 연장되는 것이 바람직하다.

다만, 절연층(500p)이 양극 미코팅부(330)의 전체를 커버할 경우, 양극 미코팅부(330)가 전극탭의 역할을 할 수 없게 되기 때문에, 절연층(500p)은 양극 미코팅부(330)의 일부를 커버함이 바람직하다. 즉, 양극 미코팅부(330)는, 절연층(500p)의 외측으로 더 돌출되는 형태를 가질 수 있다.

절연층(500p)은, 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320)의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프일 수 있다. 다만, 절연층(500p)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니고 절연층(500p)이 절연 성능을 확보하면서 양극(300)에 부착될 수 있는 형태라면, 본 발명에 채용될 수 있다. 한편, 절연층(500p)은, 절연 성능을 확보하기 위해, 예를 들면 유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함할 수 있다.

절연층(500p)은, 양극 미코팅부(330)의 적어도 일부 및 양극 활물질부(320)의 적어도 일부를 동시에 커버할 수 있다. 예를 들어, 절연층(500p)은, 양극 활물질부(320)와 양극 미코팅부(330)의 경계 영역 상에 구비될 수 있다. 예를 들면, 절연층(500p)은, 양극 경계부(320B)의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 예를 들면, 절연층(500p)은, 양극 미코팅부(330)의 전체 영역 중에서, 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320)의 경계 지점으로부터 대략 0.3 ~ 5 mm 지점, 보다 바람직하게는 대략 1.5 ~ 3 mm 지점까지 연장될 수 있다.

만약 절연층(500p)이 없는 경우, 양극(300)과 음극(200)과의 접촉으로 인해 내부 단락이 발생할 가능성이 있기 때문에, 양극(300)과 음극(200)의 전기적 접촉이 일어나지 않을 정도의 위치까지 절연층(500p)이 연장되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 절연층(500p)은, 양극 활물질부(320)의 전체영역 중에서, 양극 미코팅부(330)와 양극 활물질부(320)의 경계 지점으로부터 대략 0.1 ~ 3mm 지점, 보다 바람직하게는 대략 0.2 ~ 0.5 mm 지점까지 연장될 수 있다.

절연층(500p)이 양극 활물질부(320)의 일부를 커버할 경우, 전지의 용량 손실이 발생하기 때문에 절연층(500p)의 유지부 커버 길이를 최소화할 필요성이 있다. 그러나, 양극 활물질부(320)가 음극(200)과 접촉할 가능성이 있기 때문에, 이를 방지하기 위해서 절연층(500p)은 양극 활물질부(320)의 적어도 일부를 커버함이 바람직하다.

한편, 도 13을 참조하여 설명하면, 분리막(400)은, 제1 방향(d1)에 대해 양극(300)의 단부보다 외측으로 돌출되고, 제2 방향(d2)에 대해 음극(200)의 단부보다 외측으로 돌출될 수 있다.

한편, 분리막(400)은 제1 방향(d1)에 대해 음극(200)의 단부보다는 돌출되어 있지 않다. 이는 음극 미코팅부(230)가 전극탭으로 기능하기 위함이다. 마찬가지로, 상기 분리막(400)은 제2 방향(d2)에 대해 양극(300)의 단부보다는 돌출되어 있지 않다. 이는 양극 미코팅부(330)가 전극탭으로 기능하기 위함이다.

한편, 분리막(400)을 사이에 두고 절연층(500p)과 마주보는 음극(200)의 일 단부는, 분리막(400)의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 도 13을 참조하여 설명하면, 양극(300)에는 절연층(500p)이 구비되어 있고, 절연층(500p)과 마주보는 음극(200)의 일 단부는 분리막(400)보다 내측에 위치할 수 있다. 따라서, 양극 미코팅부(330)가 분리막(400)의 외측으로 돌출되어 있다고 하더라도, 음극(200)의 일 단부가 분리막(400)의 내측에 위치하고 있기 때문에, 양극(300)과 음극(200)의 접촉 가능성이 크게 감소한다.

도 14에는 양극(300)에 형성된 절연층(500p) 뿐만 아니라 음극(200)에 형성된 절연층(500n)이 도시되어 있다. 물론 도시하지 않았으나, 다른 실시형태로써, 음극(200)에만 절연층이 형성되는 것도 본 발명에 포함된다. 음극(200)에 형성된 절연층(500n)은, 음극 미코팅부(230)와 음극 활물질부(220)의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 절연층(500n)은, 음극 미코팅부(230)의 적어도 일부 및 음극 활물질부(220)의 적어도 일부를 동시에 커버할 수 있다. 예를 들어, 절연층(500n)은, 음극 활물질부(220)와 음극 미코팅부(230)의 경계 영역 상에 구비될 수 있다. 예를 들면, 절연층(500n)은, 음극 경계부(220B)의 적어도 일부를 커버할 수 있다.

앞서 설명한 양극(300)에 형성될 절연층(500p)과 유사한 구성이 음극에 형성된 절연층(500n)에 적용될 수 있다. 이하에서는 중복된 설명은 생략하고 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.

제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극(200)에 형성된 절연층(500n)은, 양극(300)의 로딩 감소부(300D)와 중첩되지 않는 곳에 위치할 수 있다. 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로 절연층(500n)이 형성된 부분은 미반응 영역이다. 따라서, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로 절연층(500n)이 로딩 감소부(300D)와 중첩되는 곳에 위치한다면, 그 만큼 전지의 용량 손실이 발생하는 것이고, 로딩 감소부(300D)를 마련할 이유가 없어지는 것이다. 따라서, 도 14에 도시된 것처럼, 음극 경계부(220B)의 적어도 일부를 커버하는 절연층(500n)을, 제1 방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(300D)와 중첩되지 않게 위치시킴으로써, 전지의 용량 손실을 방지하고자 하였다.

이하에서는, 도 15 내지 도 18 등을 참고하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 조립체에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 15는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 16 내지 도 18은 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음극, 양극 및 분리막들을 나타낸 단면도들이다.

우선 도 15 및 도 16을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 양극 미코팅부(330) 또는 음극 미코팅부(230)의 적어도 일부가 젤리롤 구조체의 권취 중심측으로 절곡되어 있는 구조를 가질 수 있다.

음극 미코팅부(230)와 양극 미코팅부(330)의 적어도 일부 구간은, 서로 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편 형태로 가공될 수 있다. 도 15 및 도 16에는 양극 미코팅부(330)의 적어도 일부 구간이, 서로 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편(330F) 형태로 가공된 것이 나타나 있다. 여기서, 복수의 분절편(330F)은, 권취 중심측으로 절곡되면서 여러 겹으로 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 복수의 분절편(330F)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(330F)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.

이하에서는 양극 미코팅부(330)의 분절편(330F)을 기준으로 설명하나, 음극 미코팅부(230)에도 상호 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있다.

양극 미코팅부(330)의 절곡 가공시 활물질층 및/또는 절연층(500a)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(330F) 사이의 절단 라인 하단과 활물질층 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 양극 미코팅부(330)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 이러한 갭은 0.2 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 양극 미코팅부(330)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층 및/또는 절연층(500a)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층 및/또는 절연층(500a)의 손상을 방지할 수 있다.

양극 미코팅부(330)의 절곡 방향은, 젤리롤 구조체의 권취 중심을 향하는 방향일 수 있다. 양극 미코팅부(330)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 양극 미코팅부(330)가 차지하는 상, 하 방향의 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 양극 미코팅부(330)와 집전판(미도시) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.

도 15 및 도 16에는, 양극 미코팅부(330)의 분절편(330F)이 일 방향으로 절곡된 모습이 도시되어 있다. 상기 일 방향은 상술한 바 대로, 젤리롤 구조체의 권취 중심을 향하는 방향일 수 있다.

양극 미코팅부(330)는 분리막(400)을 넘어 음극(200) 측으로 근접하게 될 수 있다. 따라서, 양극 미코팅부(330)의 양 면 중, 권취 중심측을 향하는 면에는, 절연층(500a)이 양극 미코팅부(330)의 말단까지 연장되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조에 의하면, 양극 미코팅부(330)가 권취 중심측으로 절곡되어 분리막(400)을 넘어 음극(200) 측으로 근접하더라도, 양극(300)과 음극(200)의 전기적 접촉이 방지될 수 있다. 따라서 이차 전지의 내부 단락이 효과적으로 방지될 수 있다.

한편, 양극 미코팅부(330)의 양 면 중, 권취 중심측을 향하는 면의 반대측 면에는, 일부 영역에만 절연층(500a)이 구비되어 있을 수 있다. 즉, 양극 미코팅부(330)의 양 면 중, 권취 중심측을 향하는 면의 반대측 면의 나머지 일부 영역에서는, 양극 미코팅부(330)가 외부로 노출되어 있을 수 있다. 이를 통해, 인접한 집전판(미도시)과 전기적으로 접촉이 가능하다. 즉, 양극 미코팅부(330)는, 양극 미코팅부(330)의 전체 영역 중 절연층(500a)에 의해 커버되지 않은 영역에서 노출되어 상기 집전판과 전기적으로 결합될 수 있다. 나아가, 양극 미코팅부(330)는, 상기 양극 미코팅부(330)의 전체 영역 중 절연층(500a)에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 집전판과 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 용접은 예를 들어 레이저 용접일 수 있다. 상기 레이저 용접은, 상기 집전판 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 상기 집전판과 양극 미코팅부(330) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 상기 집전판및 양극 미코팅부(330)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접방법이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 17을 참고하면, 절연층(500b)은, 양극 미코팅부(330)의 말단을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 절연층(500b)은, 양극 미코팅부(330)의 말단 면을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 양극 미코팅부(330)의 절곡된 분절편(330F)의 길이가 길 경우, 음극(200)과 접촉할 가능성이 높아진다. 나아가, 절곡된 분절편(330F)이 유동이나 외압에 의해 추가로 절곡될 가능성이 있다. 이 때, 양극 미코팅부(330)의 말단 면이 음극(200)과 접촉할 가능성이 증가하게 된다. 그러나, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 양극 미코팅부(330)가 추가로 절곡되거나 변형되더라도, 절연층(500b)이 양극 미코팅부(330)의 말단 면까지 커버하고 있기 때문에 양극(300)과 음극(200)의 전기적 접촉이 방지될 수 있다.

도 18을 참고하면, 양극 미코팅부(330)의 양 면 중, 권취 중심측을 향하는 면의 반대측 면에는, 절연층(500c)이 양극 미코팅부(330)의 절곡 지점까지 연장되어 있을 수 있다. 도 18에 도시되어 있지는 않지만, 젤리롤 구조체에서, 좌측에 위치한 분리막(400)의 좌측에는 권취된 음극(200)의 다른 부분이 위치하고 있다. 즉, 양극(300)은, 양극(300)의 우측에 위치한 음극(200) 부분뿐만 아니라, 양극(300)의 좌측에 위치한 음극(200)과도 전기적으로 접촉될 가능성을 가지고 있다. 그러나, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 양극(300)의 양 측에 위치한 음극(200)과의 전기적 접촉은 확실하게 방지될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 전극 조립체는, 일 측이 개방된 전지 캔에 수용될 수 있다. 전지 캔의 재질은 알루미늄일 수 있다. 이러한 전지 캔은, 전극 조립체와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전지 캔은, 양극(300)과 음극(200) 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 상기 전지 캔은 전극 조립체의 음극(200)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 전지 캔은, 음극(200)과 동일한 극성을 가질 수 있다. 음극(200)의 음극 미코팅부(230)가 집전판과 전기적으로 연결되어 최종적으로 전지 캔과 전기적으로 연결될 수 있다

한편, 전지 캔에 형성된 폐쇄단의 중심부를 관통하는 단자가 마련되고, 이러한 단자는 양극(300)과 음극(200) 중 다른 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 단자는 양극(300)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 단자는 양극(300)과 동일한 극성을 가질 수 있다. 양극(300)의 양극 미코팅부(330)가 집전판과 전기적으로 연결되어 최종적으로 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 전지 캔과 단자는 서로 전기적으로 절연된다. 상기 단자와 전지 캔 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자와 전지 캔 사이에 절연 가스켓을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(이차 전지 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 이차 전지 셀일 수 있다.

여기서, 폼 팩터란, 이차 전지 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 전지 셀일 수 있다.

다른 실시예에 따른 이차 전지 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 원통형 전지 셀일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 이차 전지 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 전지 셀일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 이차 전지 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 원통형 전지 셀일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 이차 전지 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 원통형 전지 셀일 수 있다.

종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 이차 전지 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.

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.

앞에서 설명한 본 실시예에 전극 조립체는, 상술한 바 대로, 전지 캔에 수납되어 전지셀을 형성할 수 있다. 이러한 전지셀이 다수로 모여 전지 모듈을 구성할 수 있고, 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.

상기 전지셀, 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: 음극
300: 양극
400: 분리막
300D: 로딩 감소부

Claims (17)

1. 음극;
   양극; 및
   상기 음극과 상기 양극 사이에 위치한 분리막을 포함하고,
   상기 음극, 상기 양극 및 상기 분리막이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성하며,
   상기 음극은, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질부를 포함하고,
   상기 양극은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질부를 포함하며,
   상기 음극 집전체 중 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부가 제1 방향으로 연장되고,
   상기 양극 집전체 중 상기 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부가 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 연장되며,
   상기 양극 활물질부는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 포함하고,
   상기 로딩 감소부는, 상기 양극의 상기 제1 방향의 일 단부에 위치하는 전극 조립체.
2. 제1항에서,
   상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 활물질부가 위치하는 전극 조립체.
3. 제1항에서,
   상기 음극 활물질부는, 상기 음극 활물질부와 상기 음극 미코팅부 간의 경계를 형성하는 음극 경계부를 포함하고,
   상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 경계부가 위치하는 전극 조립체.
4. 제1항에서,
   상기 로딩 감소부는, 상기 제1 방향으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하는 전극 조립체.
5. 제1항에서,
   상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은, 상기 젤리롤 구조체의 높이 방향과 평행한 방향인 전극 조립체.
6. 제1항에서,
   상기 음극 미코팅부가 상기 제1 방향으로 상기 분리막보다 연장되고,
   상기 양극 미코팅부가 상기 제2 방향으로 상기 분리막보다 연장되는 전극 조립체.
7. 제1항에서,
   상기 음극 또는 상기 양극 중 적어도 한 곳에 형성되는 절연층을 더 포함하고,
   상기 음극에 형성된 상기 절연층은, 상기 음극 미코팅부와 상기 음극 활물질부의 적어도 일부를 커버하며,
   상기 양극에 형성된 상기 절연층은, 상기 양극 미코팅부와 상기 양극 활물질부의 적어도 일부를 커버하는 전극 조립체.
8. 제7항에서,
   상기 음극에 형성된 상기 절연층은, 상기 제1 방향에 따른 상기 음극 활물질부의 단부와 이에 인접한 상기 음극 미코팅부의 일부를 커버하도록 형성되고,
   상기 양극에 형성된 상기 절연층은, 상기 제2 방향에 따른 상기 양극 활물질부의 단부와 이에 인접한 상기 양극 미코팅부의 일부를 커버하도록 형성되는 전극 조립체.
9. 제7항에서,
   상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 음극에 형성된 상기 절연층은, 로딩 감소부와 중첩되지 않는 곳에 위치하는 전극 조립체.
10. 제1항에서,
    상기 음극 미코팅부와 상기 양극 미코팅부의 적어도 일부 구간은, 서로 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편 형태로 가공되어 있는 전극 조립체.
11. 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부와 상기 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 미코팅부가 번갈아 위치하도록 음극 시트를 제조하는 단계;
    양극 집전체 상에 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부와 상기 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 미코팅부가 번갈아 위치하도록 양극 시트를 제조하는 단계;
    상기 음극 미코팅부와 상기 음극 활물질부를 슬릿팅하여 음극을 제조하는 단계;
    상기 양극 미코팅부와 상기 양극 활물질부를 슬릿팅하여 양극을 제조하는 단계; 및
    상기 음극과 상기 양극을 분리막과 함께 권취하여 젤리롤 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 양극 시트는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소 영역을 포함하며,
    상기 양극을 제조하는 단계에서, 상기 로딩 감소 영역을 슬릿팅하고,
    슬릿팅된 상기 로딩 감소 영역이, 상기 젤리롤 구조체에서 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 형성하는 전극 조립체의 제조 방법.
12. 제11항에서,
    상기 젤리롤 구조체에서, 상기 음극 미코팅부가 제1 방향으로 연장되고, 상기 양극 미코팅부가 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향으로 연장되는 전극 조립체의 제조 방법.
13. 제12항에서,
    상기 로딩 감소부는, 상기 양극의 상기 제1 방향의 일 단부에 위치하는 전극 조립체의 제조 방법.
14. 제12항에서,
    상기 로딩 감소부는, 상기 제1 방향으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하는 전극 조립체의 제조 방법.
15. 제12항에서,
    상기 젤리롤 구조체에서, 상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 활물질부가 위치하는 전극 조립체의 제조 방법.
16. 제12항에서,
    상기 음극 활물질부는, 상기 음극 활물질부와 상기 음극 미코팅부 간의 경계를 형성하는 음극 경계부를 포함하고,
    상기 젤리롤 구조체에서, 상기 제1 방향과 수직한 방향을 기준으로, 상기 로딩 감소부와 대응하는 부분에 상기 음극 경계부가 위치하는 전극 조립체의 제조 방법.
17. 제11항에서,
    상기 로딩 감소 영역의 중앙부로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하고,
    상기 양극을 제조하는 단계에서, 상기 로딩 감소 영역의 상기 중앙부를 슬릿팅함에 따라, 상기 로딩 감소부가 마련되는 전극 조립체의 제조 방법.
    

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