KR20230027600A - 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체에 관한 것으로, 구체적으로 양극탭(110)이 일측 외부 단부로부터 돌출되어 있고, 양극활물질을 포함하는 양극 합제층(120)이 상기 양극탭(110)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있는 양극시트(100), 음극탭(210)이 일측 외부 단부로부터 돌출되어 있고, 음극활물질을 포함하는 음극 합제층(220)이 상기 음극탭(210)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있는 음극시트(200) 및 상기 양극시트(100) 및 음극시트(200) 사이에 위치하는 분리막(300)을 포함하되, 상기 음극 시트(200)에는 수평방향으로 소정길이 연장되고 상기 음극활물질이 도포된 숄더부(230)가 형성되며, 상기 숄더부(230)는 코팅부(400)로 감싸진 것을 특징으로 하는 전극 조립체에 관한 것이다.

Description

단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체{Electrode Assembly With Coating For Short Circuit Prevention}
본 발명은 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체에 관한 것으로, 상세하게는 양극탭에 형성된 양극 합제층과 음극시트가 접촉하여 발생할 수 있는 단락을 방지하기 위한 코팅부가 음극시트 일부에 형성되어 안전성이 향상된 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체에 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 분류된다.
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 종래기술에 따른 전극판를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래기술에 따른 전극판은 전극 집전체(10), 전극활물질층(20) 및 전극탭(30)을 포함하여 이루어진다.
전극탭(30)은 연장영역(31), 경사부(32) 및 무지부(33)를 포함할 수 있으며, 연장영역(31) 및 경사부(32)는 전극활물질을 포함하는 전극합제층이 도포되어 있다.
종래기술에 따른 전극탭(30)은 전극조립체를 제조하는 과정에서 열을 가하는 라미네이션 공정에서 분리막이 열에 의한 수축이 발생할 수 있어, 무지부(33)나 연장영역(31) 및 경사부(32)가 인근하는 전극판과 접촉하여 단락이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
또한 전극탭(30)에 연장영역(31) 및 경사부(32)가 형성되어 합제층 형성의 특성에 따라 음극 대 양극의 용량비(N/P ratio)가 역전되는 오버행(Overhang) 역전현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제2011-0060036호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체는 양극탭 하측에 형성된 양극 합제층과 동일한 수직선상에 위치하는 음극시트의 접촉을 방지할 수 있는 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체는 양극탭 하측에 형성된 양극 합제층과 동일한 수직선상에 음극시트로부터 소정길이 연장된 숄더부를 형성하여 오버행(Overhang) 역전현상 발생을 억제하여 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있는 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체는, 양극탭(110)이 일측 외부 단부로부터 돌출되어 있고, 양극활물질을 포함하는 양극 합제층(120)이 상기 양극탭(110)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있는 양극시트(100), 음극탭(210)이 일측 외부 단부로부터 돌출되어 있고, 음극활물질을 포함하는 음극 합제층(220)이 상기 음극탭(210)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있는 음극시트(200) 및 상기 양극시트(100) 및 음극시트(200) 사이에 위치하는 분리막(300)을 포함하되, 상기 음극 시트(200)에는 수평방향으로 소정길이 연장되고 상기 음극활물질이 도포된 숄더부(230)가 형성되며, 상기 숄더부(230)는 코팅부(400)로 감싸진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체에서, 상기 코팅부(400)는 나란히 배열되는 한 쌍의 수평부(410) 및 상기 한 쌍의 수평부(410)의 일측 가장자리를 연결하는 수직부(420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체에서, 상기 코팅부(400)는 절연소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체에서, 상기 숄더부(230)는 상기 양극탭(110)의 수직연장선상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체에서, 상기 숄더부(230)의 폭(W1)은 상기 양극탭의 폭(W2)보다 넓은 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 전술한 전극조립체를 포함하는 전지셀일 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 전지셀을 하나 이상 포함하고 있는 전지팩일 수 있다.
본 발명에 따른 전극조립체 제조방법은, 양극시트, 음극시트 및 분리막을 준비하는 단계, 상기 음극시트를 노칭하여 숄더부를 형성하는 단계, 상기 숄더부에 코팅부를 형성하는 단계, 상기 양극시트, 분리막 및 음극시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법에서, 상기 양극시트, 분리막 및 음극시트를 적층하는 단계에서 상기 숄더부의 중심선과 양극탭의 중심선이 동일한 선상에 위치하도록 적층하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법에서, 상기 전극조립체는 스택형, 지그재그형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법에서, 상기 전극조립체는 단일 극판, 양측 외면의 극판들의 극성이 동일한 바이셀, 또는 양측 외면의 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀들로 이루어진 단위셀들로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체는 양극탭에 형성된 양극 합제층과 음극 시트의 숄더부 사이에 코팅부가 구비되어 접촉을 차단하여 안전성이 향상된다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극 조립체는 양극탭에 형성된 양극 합제층의 수직선상에 소정 길이 연장된 숄더부가 형성되어 오버행(Overhang) 역전현상을 억제하여 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전극판를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 전극조립체를 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체에서 분리막을 제외한 양극 시트와 음극 시트를 위에서 바라본 평면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 단락 방지용 코팅부가 구비된 전극조립체에 관하여 첨부한 도면들을 참고하면서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체의 사시도, 도 3은 도 2에 도시한 전극조립체를 A-A'선을 따라 자른 단면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체에서 분리막을 제외한 양극 시트와 음극 시트를 위에서 바라본 평면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체는 양극시트(100), 음극시트(200), 분리막(300) 및 코팅부(400)를 포함하여 이루어진다.
양극시트(100)는 양극탭(110)이 일측 외주 단부로부터 소정 길이 돌출되어 있고, 양극 활물질을 포함하는 양극 합제층(120)이 소정 길이 돌출되어 있는 양극탭(110)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있다.
비록 도 3에서 양극탭(110)의 하부에 도포된 양극 합제층(120)은 직각의 각진 형상으로 도시되어 있으나, 양극탭(110)의 하부에 도포된 양극 합제층(120)은 소정 곡률을 가진 슬라이딩 형상 또는 소정각도의 경사면일 수 있다.
음극시트(200)는 음극탭(210)이 일측 외주 단부로부터 소정 길이 돌출되어 있고, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층(220)이 소정 길이 돌출되어 있는 음극탭(210)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있다.
여기서, 음극시트(200)는 양극시트(100)보다 상대적으로 큰 면적으로 이루어져 있는데, 이는 오버행(Overhang) 역전현상이 발생하는 것을 억제하기 위한 것이다.
또한, 음극시트(200)에는 전극조립체 형성 시 양극시트(100)의 양극탭(110)이 형성되는 부분과 겹쳐지는 부분 소정길이 연장된 숄더부(230)가 형성되어 있다.
즉, 숄더부(230)는 양극탭(110)의 수직연장선상 위치하는 음극시트(200)에 형성될 수 있으며, 양극 합제층(120)이 도포되어 있는 양극탭(110) 하부에 대응되는 음극시트(200) 부위에서 음극 합제층(220)이 도포된 상태로 소정길이 연장되어 형성될 수 있는데, 이는 오버행(Overhang) 역전현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
숄더부(230)는 음극시트(200) 형성 시 음극활물질을 포함하는 음극 합제층(120)이 도포되어 있다.
또한, 숄더부(230)의 폭(W1)은 양극탭(110)의 폭(W2) 보다 소정넓이 넓도록 형성되는데, 이는 양극탭(110) 하부에 형성되는 양극 합제층(120)으로 인해 오버행(Overhang) 역전현상이 발생하는 것을 억제하여 리튬 석출현상을 방지할 수 있어 안전성이 향상된다는 이점이 있다.
또한, 숄더부(230)는 평면상의 직사각형 형상으로, 숄더부(230)의 돌출 길이는 양극탭(110) 하부에 도포되어 있는 양극 합제층(120)보다 긴 길이를 가질 수 있다.
이어서, 분리막(300)은 음극시트(100)와 양극시트(200) 사이에 위치하며, 양극시트(100)와 음극시트(200)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하도록 하는 역할을 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 이중층, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 삼중층, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 삼중층, 및 유기 섬유필터종이 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
코팅부(400)는 소정거리 이격되어 나란하게 배열되는 한 쌍의 수평부(410) 및 한 쌍의 수평부(410)의 일측 가장자리를 연결하는 수직부(420)를 포함하여 이루어진다.
코팅부(400)는 숄더부(230)를 감싸는 형태로 위치하여 단락을 방지하는 역할을 한다.
일 예로, 전극조립체를 제조하는 과정에서 열을 가하는 라미네이션 공정 이후 분리막이 열에 의해 수축될 수 있으며, 이로 인해 양극탭(110)과 숄더부(230)가 접촉하여 단락이 발생할 수 있다.
이 때, 코팅부(400)가 숄더부(230)를 감싸는 형상으로 위치하여, 양극탭(110)와 숄더부(230)가 접촉하여 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
코팅부(400)는 절연소재로 이루어지고, 고무 재질 및 실리콘 재질 중 하나 일 수 있으며, 숄더부(230)를 감싸는 형태로 위치하여 절연상태를 유지할 수 있는 소재라면, 이에 제한하지 않는다.
본 발명은 상기 기재된 것 중 하나 이상의 특징을 가지고 있는 전극조립체를 포함하는 전지셀일 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 전지셀을 하나 이상 포함하고 있는 전지팩일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극조립체 제조방법은 양극시트(100), 음극시트(200) 및 분리막(300)을 준비하는 단계, 음극시트(200)를 노칭하여 숄더부(230)를 형성하는 단계, 숄더부(230)에 코팅부(400)를 형성하는 단계, 양극시트(100), 분리막(300) 및 음극시트(200)를 적층하는 단계를 포함하여 구성된다.
양극시트, 음극시트 및 분리막을 준비하는 단계는 집전체에 전극활물질을 포함하는 합제층을 도포하여 양극시트와 음극시트를 형성하고, 양극시트와 음극시트 사이에서 단락을 방지할 분리막을 준비하는 단계이다.
음극시트(200)를 노칭하여 숄더부(230)를 형성하는 단계는 집전체에 음극활물질을 포함하는 음극합제층(220)이 도포된 음극시트(200)를 노칭하여, 음극탭(210) 및 음극탭(210)과 소정거리 이격되어 위치하는 숄더부(230)형성하는 단계이다.
이 때, 양극시트(100)를 노칭하여 양극탭(110)을 형성할 수 있으며, 양극탭(110) 하단에는 양극합제층(120)이 도포되어 있을 수 있다.
숄더부(230)에 코팅부(400)를 형성하는 단계는 노칭하여 형성된 숄더부(230)를 절연소재로 이루어진 코팅부(400)로 감싸 양극탭(110)과의 접촉으로 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
양극시트(100), 분리막(300) 및 음극시트(200)를 적층하는 단계는 양극시트(100), 분리막(300) 및 음극시트(200)를 적층하여 전극조립체를 형성하는 단계이다.
여기서, 음극시트(200)에 형성된 숄더부(230)의 중심선과 양극탭(100)의 중심선이 동일한 선상이 위치하도록 적층되는데, 이는 숄뎌부(230)와 양극탭(100)이 틀어지도록 적층될 경우 오버행(Overhang) 역전현상이 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 전극조립체 제조방법에 의해 제조되는 전극조립체는 스택형, 지그재그형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 셀조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 셀조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 셀조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 셀조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
이어서, 시트형 분리필름은 복수개의 단위셀들을 권취한 구조의 스택/폴딩형의 전극조립체를 형성하며, 분리필름에서 최외곽에 위치하는 전극의 슬라이딩부의 수직연장선상에 위치하는 최외곽의 상기 분리필름은 슬라이딩부와 같은 곡률로 휘어져 밀착되어 있어, 종래기술에 따른 전극조립체에서 최외곽 전극의 슬라이딩부와 분리필름 사이 공간의 확산저항 발생으로 석출 현상이 나타나는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극조립체 제조방법에 의해 제조되는 전극조립체는 단일 극판, 양측 외면의 극판들의 극성이 동일한 바이셀, 또는 양측 외면의 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀들로 이루어진 단위셀들로 구성될 수 있다.
여기서, 바이셀은 양극, 음극 및 양극이 분리막을 사이에 두고 차례로 적층된 A형 바이셀, 또는 음극, 양극 및 음극이 분리막을 사이에 두고 차례로 적층된 C형 바이셀일 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 양극시트
110 : 양극탭
120 : 양극합제층
200 : 음극시트
210 : 음극탭
220 : 음극합제층
230 : 숄더부
300 : 분리막
400 : 코팅부
410 : 수평부
420 : 수직부
W1 : 숄더부의 폭
W2 : 양극탭의 폭

Claims (11)

  1. 양극탭(110)이 일측 외부 단부로부터 돌출되어 있고, 양극활물질을 포함하는 양극 합제층(120)이 상기 양극탭(110)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있는 양극시트(100);
    음극탭(210)이 일측 외부 단부로부터 돌출되어 있고, 음극활물질을 포함하는 음극 합제층(220)이 상기 음극탭(210)의 하부와 집전체 상에 도포되어 있는 음극시트(200); 및
    상기 양극시트(100) 및 음극시트(200) 사이에 위치하는 분리막(300);을 포함하되,
    상기 음극 시트(200)에는 수평방향으로 소정길이 연장되고 상기 음극활물질이 도포된 숄더부(230)가 형성되며,
    상기 숄더부(230)는 코팅부(400)로 감싸진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅부(400)는 나란히 배열되는 한 쌍의 수평부(410) 및 상기 한 쌍의 수평부(410)의 일측 가장자리를 연결하는 수직부(420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅부(400)는 절연소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 숄더부(230)는 상기 양극탭(110)의 수직연장선상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 숄더부(230)의 폭(W1)은 상기 양극탭의 폭(W2)보다 넓은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전극 조립체를 포함하는 전지셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전지셀을 하나 이상 포함하고 있는 전지팩.
  8. 양극시트, 음극시트 및 분리막을 준비하는 단계;
    상기 음극시트를 노칭하여 숄더부를 형성하는 단계;
    상기 숄더부에 코팅부를 형성하는 단계;
    상기 양극시트, 분리막 및 음극시트를 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극시트, 분리막 및 음극시트를 적층하는 단계에서 상기 숄더부의 중심선과 양극탭의 중심선이 동일한 선상에 위치하도록 적층하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전극조립체는 스택형, 지그재그형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전극조립체는 단일 극판, 양측 외면의 극판들의 극성이 동일한 바이셀, 또는 양측 외면의 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀들로 이루어진 단위셀들로 구성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체 제조방법.
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