KR20220150255A

KR20220150255A - 전극 조립체

Info

Publication number: KR20220150255A
Application number: KR1020220139142A
Authority: KR
Inventors: 최영근; 홍철기; 김동규
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2022-11-10
Also published as: KR20190056848A; KR102505716B1

Abstract

본 발명에 따른 전극 조립체는 제1 전극, 내부 분리막 및 제2 전극을 각각 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체, 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 사이에 위치하는 중앙 분리막을 포함하고, 중앙 분리막을 사이에 두고 양쪽에 각각 상기 제1 전극 조립체의 제1 전극 및 상기 제2 전극 조립체의 제1 전극이 위치하며, 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면에만 활물질층이 형성된 단면 제1 전극을 포함하고, 상기 중앙 분리막을 사이에 두고 양쪽에 각각 상기 제1 전극 조립체의 단면 제1 전극 및 상기 제2 전극 조립체의 단면 제1 전극이 위치하며, 상기 단면 제1 전극의 타면은 상기 중앙 분리막과 마주하고, 상기 단면 제1 전극의 상기 활물질층은 상기 내부 분리막과 마주하며, 상기 제1 전극 조립체의 단면 제1 전극과 상기 제2 전극 조립체의 단면 제1 전극 사이에는 상기 중앙 분리막만이 위치한다.

Description

전극 조립체{ELECTRODE ASSEMBLY}

본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로, 특히 이차 전지용 전극 조립체에 관한 것이다.

이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

이차 전지는 충전과 방전을 수행하는 전극 어셈블리를 갖는데, 전극 어셈블리는 양극과 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 전극 어셈블리는 복수의 양극판과 음극판이 적층된 구조로 이루어지거나, 띠 형상의 양극과 음극이 권취된 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 이차 전지는 전극 조립체를 조립하는 과정 및 활성화하는 과정 등을 거쳐서 제조될 수 있으며, 다양한 조건에서 성능 평가가 실시될 수 있다. 전극 조립체를 완성한 후, 성능 평가를 위해서는 전극 단자들을 전기적으로 연결하여 저항을 측정하는 방법을 사용할 수 있다.

그러나, 이차 전지는 활물질이 반복 코팅된 양극과 음극이 반복적층된 구조를 가지고 있어, 전극 조립체(또는 셀)의 상태를 측정하기 위해서는 다른 기준 전극을 추가하여 측정하거나, 활물질층을 제거한 후 측정을 실시하였다.

기준 전극을 이용한 측정 방법은 전극 조립체의 상태 및 사용 상태에 따라서 변화하는 활물질층과 함께 측정될 수 있다. 따라서 일정 시간 사용한 이후의 전극 조립체의 전기적 특성은 활물질층의 상태에 영향을 받아 측정된 값이므로, 정확한 상태를 파악하는 것이 용이하지 않다.

따라서 본 발명은 기준 전극 없이도 전극 조립체의 상태를 용이하게 측정할 수 있는 전극 조립체를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 조립체는 제1 전극, 내부 분리막 및 제2 전극을 각각 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체, 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 사이에 위치하는 중앙 분리막을 포함하고, 중앙 분리막을 사이에 두고 양쪽에 각각 상기 제1 전극 조립체의 제1 전극 및 상기 제2 전극 조립체의 제1 전극이 위치하며, 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면에만 활물질층이 형성된 단면 제1 전극을 포함하고, 상기 중앙 분리막을 사이에 두고 양쪽에 각각 상기 제1 전극 조립체의 단면 제1 전극 및 상기 제2 전극 조립체의 단면 제1 전극이 위치하며, 상기 단면 제1 전극의 타면은 상기 중앙 분리막과 마주하고, 상기 단면 제1 전극의 상기 활물질층은 상기 내부 분리막과 마주하며, 상기 제1 전극 조립체의 단면 제1 전극과 상기 제2 전극 조립체의 단면 제1 전극 사이에는 상기 중앙 분리막만이 위치한다.

상기 제1 전극은 상기 제1 전극 집전체의 양면에 각각 활물질층이 형성된 양면 제1 전극을 포함할 수 있다.

상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는 각각 하나의 상기 단면 제1 전극과 복수의 상기 양면 제1 전극을 포함할 수 있다.

상기 중앙 분리막을 기준으로 양쪽에 배치된 상기 제1 전극, 상기 내부 분리막 및 상기 제2 전극은 대칭을 이룰 수 있다.

상기 제1 전극은 양극이고, 제2 전극은 음극일 수 있다.

본 발명에서와 활물질층이 형성되지 않은 전극의 일면을 분리막을 사이에 두고 마주하도록 배치하여, 전극 조립체를 형성하면 별도의 기준 전극 없이도 용이하게 전극 조립체 사이의 전기적 특성을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전극 조립체의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 전극 조립체의 개략적인 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.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차 전지용 전극 조립체에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 전극 조립체의 평면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 전극 조립체의 개략적인 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 전극 조립체(1000)는 제1 전극 조립체(100)와 제2 전극 조립체(200)를 포함하며, 제1 전극 조립체(100)와 제2 전극 조립체(200)는 각각 시트(sheet) 형태로 이루어져 복수로 적층된 제1 전극(11), 제2 전극(21) 및 내부 분리막(31)을 포함할 수 있다.

제1 전극 조립체(100)와 제2 전극 조립체(200)는 중앙 분리막(33)을 사이에 두고 양쪽에 각각 위치할 수 있다.

구체적으로, 중앙 분리막(33)을 사이에 두고 양쪽에 각각 제1 전극 조립체(100)의 제1 전극(11)과 제2 전극 조립체(200)의 제1 전극(11)이 위치한다.

제1 전극 조립체(100)와 제2 전극 조립체(200)는 동일한 구조, 즉, 동일한 적층 구조를 가지므로, 이하에서는 제1 전극 조립체(100)를 중심으로 구체적으로 설명한다.

제1 전극 조립체(100)의 제1 전극(11)은 제1 전극 집전체(3), 제1 전극 집전체(3) 위에 형성되어 있는 활물질층(5)을 포함한다.

제1 전극(11)은 제1 전극 집전체(3)의 양면에 각각 상기 활물질층(5)이 형성된 양면 제1 전극(11a)과 제1 전극 집전체(3)의 일면에만 상기 활물질층(5)이 형성되어 있고, 타면은 노출되어 있는 단면 제1 전극(11b)을 포함한다.

단면 제1 전극(11b)의 타면은 중앙 분리막(33)과 마주하고, 일면에 형성된 활물질층은 내부 분리막(31)과 마주할 수 있다. 따라서, 제1 전극 조립체(100)는 하나의 단면 제1 전극(11b)과 복수의 양면 제1 전극(11a)을 포함한다. 이는 제2 전극 조립체(200)에서도 단면 제1 전극(11b)의 타면은 중앙 분리막(33)과 마주하고, 활물질층(5)은 내부 분리막(31)과 마주할 수 있다.

제1 전극 집전체(3)는 대략 사각형의 시트 형태를 가지며, 사각형의 일변으로부터 돌출된 형태의 탭(7)을 가진다.

양면 제1 전극(11a)의 탭(7a)들은 용접 등으로 접합되어 전기적으로 연결될 수 있으며, 단면 제1 전극(11b)의 탭(7b)과는 분리될 수 있다. 이때, 제1 전극 조립체(100) 및 제2 전극 조립체(200)의 단면 제1 전극(11a)의 탭(7b)들은 서로 이격될 수 있다.

제1 전극(11)은 양극일 수 있으며, 제1 전극 집전체(3)는 알루미늄과 같은 금속 포일이고, 활물질층(5)은 전이 금속 산화물 예를 들어, LiCoO₂등의 LiㆍCo계 복합 산화물, LiNixCoyMnzO₂ 등의 LiㆍNiㆍCoㆍMn계 복합 산화물, LiNiO₂ 등의 LiㆍNi계 복합 산화물, LiMn₂O₄ 등의 LiㆍMn계 복합 산화물 등을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 활물질층(5)은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 제1 전극 집전체(3)에 도포한 후 건조 및 압연하여 형성할 수 있다.

제2 전극(21)은 제2 전극 집전체(2), 제2 전극 집전체(2) 위에 형성되어 있는 활물질층(4)을 포함한다. 이때, 활물질층(4)은 제2 전극 집전체(2)의 양면에 각각 형성될 수 있다.

제2 전극 집전체(2)는 대략 사각형의 시트 형태를 가지며, 사각형의 일변으로부터 돌출된 형태의 탭(9)을 가진다. 제1 전극 조립체(100) 및 제2 전극 조립체(200)의 제2 전극 집전체(2)에 형성된 탭(9)들은 용접 등으로 서로 접합되어 전기적으로 연결될 수 있다.

제2 전극(21)은 음극일 수 있으며, 제2 전극 집전체(2)는 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일이고, 활물질층(4)은 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있으며, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소는 예를 들어, 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)일 수 있으며, 고결정성 탄소는 예를 들어, 천연 흑연, 키시흑연(kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), dorwjd 피치계 탄소 섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(mesocarbon microbeads), 액정피치(mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성 탄소 일 수 있다.

활물질층(4)은 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 제2 전극 집전체(2)에 도포한 후 건조 및 압연하여 형성할 수 있다.

이와 반대로 제1 전극(11)은 음극이고, 제2 전극(21)은 양극일 수 있다.

중앙 분리막(33)과 내부 분리막(31)은 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 다공성 물질로, 예를 들어 폴리 올레핀, 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌 등으로 이루어질 수 있다.

한편, 중앙 분리막(33)을 기준으로 양쪽에 배치된 상기 제1 전극(11), 내부 분리막(31) 및 제2 전극(21)은 대칭을 이루도록 배치 될 수 있다.

이상 설명한 본 발명에 따른 전극 조립체를 이용하면, 기준 전극 없이 전극 조립체의 전기적 특성을 용이하게 파악할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 한 쌍의 단면 전극에 전압을 인가하여 저항을 측정하며, 이때 단면 전극 사이에는 활물질층이 존재하지 않아 이로 인한 영향을 최소화할 수 있다.

한편, 이상의 전극 조립체는 전해질과 함께 파우치 또는 캔 형태의 케이스(도시하지 않음)에 삽입된 후 밀봉될 수 있다.

파우치형 케이스는 고분자 물질로 이루어지는 시트를 적층하여 형성한 것으로, 가장자리를 열융착시켜 내부를 밀봉할 수 있으며, 캔형 케이스는 금속 물질로 대략 직육면체의 전극 조립체 수용 공간을 가지며, 외부 단자가 형성된 캡 플레이트 등으로 내부를 밀봉할 수 있다.

이때, 전해질은 EC, PC, DEC, EMC와 같은 유기 용매에 LiPF₆, LiBF₄와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 전해질은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.

제1 전극(11)의 탭(7) 및 제2 전극(21)의 탭(9)은 리드 단자(도시하지 않음)를 통해서, 케이스 밖으로 인출될 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.

3: 제1 전극 집전체 4, 6: 활물질층
5: 제2 전극 집전체 7, 9:
11: 제1 전극 21: 제2 전극
31: 내부 분리막 33: 중앙 분리막
100: 제1 전극 조립체 200: 제2 전극 조립체
1000: 전극 조립체

Claims

제1 전극, 내부 분리막 및 제2 전극을 각각 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체,
상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 사이에 위치하는 중앙 분리막,
을 포함하고,
상기 중앙 분리막을 사이에 두고 양쪽에 각각 상기 제1 전극 조립체의 제1 전극 및 상기 제2 전극 조립체의 제1 전극이 위치하며,
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면에만 활물질층이 형성된 단면 제1 전극을 포함하고,
상기 중앙 분리막을 사이에 두고 양쪽에 각각 상기 제1 전극 조립체의 단면 제1 전극 및 상기 제2 전극 조립체의 단면 제1 전극이 위치하며,
상기 단면 제1 전극의 타면은 상기 중앙 분리막과 마주하고,
상기 단면 제1 전극의 상기 활물질층은 상기 내부 분리막과 마주하며,
상기 제1 전극 조립체의 단면 제1 전극과 상기 제2 전극 조립체의 단면 제1 전극 사이에는 상기 중앙 분리막만이 위치하는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 제1 전극은 상기 제1 전극 집전체의 양면에 각각 활물질층이 형성된 양면 제1 전극을 포함하는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체는
각각 하나의 상기 단면 제1 전극과 복수의 상기 양면 제1 전극
을 포함하는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 중앙 분리막을 기준으로 양쪽에 배치된 상기 제1 전극, 상기 내부 분리막 및 상기 제2 전극은 대칭을 이루는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 제1 전극은 양극이고,
상기 제2 전극은 음극인 전극 조립체.