KR20230116512A - 전극 조립체 - Google Patents

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KR20230116512A
KR20230116512A KR1020220013542A KR20220013542A KR20230116512A KR 20230116512 A KR20230116512 A KR 20230116512A KR 1020220013542 A KR1020220013542 A KR 1020220013542A KR 20220013542 A KR20220013542 A KR 20220013542A KR 20230116512 A KR20230116512 A KR 20230116512A
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KR1020220013542A
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문종민
김대홍
안창범
이상윤
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 출원은 노칭 공정 또는 정렬 공정에서 발생될 수 있는 위치 오차가 최소화된 전극 조립체를 제공할 수 있다. 또한, 본 출원은 노칭 공정에서 수직 방향으로의 절단에 의해 형성되는 활물질층의 날카로운 경계를 제거함으로써, 상기 경계에 응력이 집중되는 현상을 방지하고 세퍼레이터의 손상을 최소화한 전극 조립체를 제공할 수 있다.

Description

전극 조립체{Electrode assembly}
본 출원은 전극 조립체 및 상기 전극 조립체의 용도에 관한 것이다.
모바일 기기와 전기 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 2차 전지의 수요가 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있도록 많은 연구가 진행되고 있다. 상기 2차 전지로는 니켈 수소 전지, 리튬 전지 및 리튬 이온 전지가 사용되고 있고, 리튬 이온 전지가 대표적이다.
이러한 2차 전지는 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, 2차 전지는 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 전극 조립체는 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. 이러한 전극 조립체는 특허문헌 1(대한민국 특허공개번호 제10-2008-0052869호)에 개시되어 있다.
최근 2차 전지를 집적화하여 전체적인 부피 증가 없이 용량을 향상시키기 위해서는, 전극판에 전극 활물질을 포함하는 활물질층을 보다 넓은 면적에 효율적으로 형성하는 것이 필요하다.
다만, 다수의 전극을 노칭하는 공정 또는 상기 전극을 정렬하는 공정에서 각 전극들의 위치 오차가 발생될 수 있고 상기 위치 오차로 인해 전지 제조의 품질 저하가 발생될 수 있다.
또한, 상기 전극을 노칭하는 공정에서는 일반적으로 수직 방향으로 절단하므로 전극의 활물질층은 날카로운 경계를 가지게 되고, 상기 날카로운 경계 부분에 응력이 집중되어 품질이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 상기 활물질층의 날카로운 경계 부분이 세퍼레이터에 닿아 손상되는 문제 역시 발생되었다.
대한민국 특허공개번호 제10-2008-0052869호
본 출원은 노칭 공정 또는 정렬 공정에서 발생될 수 있는 위치 오차가 최소화된 전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 출원은 노칭 공정에서 수직 방향으로의 절단에 의해 형성되는 활물질층의 날카로운 경계를 제거함으로써, 상기 경계에 응력이 집중되는 현상을 방지하고 세퍼레이터의 손상을 최소화한 전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체는 양극 탭이 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있고, 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층이 상기 양극 탭의 하부와 집전체 상에 형성되어 있는 양극판; 음극 탭이 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있고, 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층이 상기 음극 탭의 하부와 집전체 상에 형성되어 있는 음극판; 및 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 양극 탭과 대면하는 음극판의 일측 외주 단부에 용량 잉여부를 포함하며, 상기 용량 잉여부 상에 형성된 음극 활물질층은 경사 구조를 가진다.
본 출원은 노칭 공정 또는 정렬 공정에서 발생될 수 있는 위치 오차가 최소화된 전극 조립체를 제공할 수 있다.
또한, 본 출원은 노칭 공정에서 수직 방향으로의 절단에 의해 형성되는 활물질층의 날카로운 경계를 제거함으로써, 상기 경계에 응력이 집중되는 현상을 방지하고 세퍼레이터의 손상을 최소화한 전극 조립체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체를 나타낸 예시적인 도면이다.
도 2는 본 출원의 일 예에 따른 양극판을 나타낸 예시적인 도면이다.
도 3은 본 출원의 일 예에 따른 양극판을 위에서 본 평면도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 출원의 일 예에 따른 음극판을 나타낸 예시적인 도면이다.
도 5는 잉여 용량부 상의 음극 활물질층의 예시와 부피비(RV)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 출원의 일 예에 따른 음극판을 위에서 본 평면도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 출원의 일 예에 따른 용량 잉여부를 위에서 본 평면도를 나타낸 도면이다.
본 출원에서 사용되는 용어인 상온은 가열되거나 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10 ℃ 내지 30 ℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 15 ℃ 이상, 약 18 ℃ 이상, 약 20 ℃ 이상, 약 23 ℃ 이상, 약 27 ℃ 이하이거나 또는 25 ℃인 온도를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원에서 언급하는 물성 중 측정 온도가 그 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 물성이다. 또한, 본 출원에서의 온도는 특별히 달리 규정하지 않는 한 그의 단위는 섭씨이다.
본 출원에서 사용되는 용어인 두께는 다른 언급이 없는 한 평균 두께를 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로 본 발명의 범주가 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)는 양극판(10), 음극판(20) 및 세퍼레이터(30)를 포함할 수 있다. 도 1은 본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)를 나타낸 예시적인 도면이다. 도 1을 참조하면 본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)는 양극판(10) 및 음극판(20) 사이에 세퍼레이터(30)를 도입한 스택(stack)형 구조일 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체(1)는 도면으로 도시하지 않았으나 스택형 구조 외에도 스택/폴딩형 구조일 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)는 평면상으로 직사각형 또는 정사각형의 형상을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(1)가 평면상으로 직사각형 또는 정사각형의 형상을 가지는 경우에는 다수의 전극 조립체(1)를 배열할 때 공간적 효율성을 확보할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)는 양극 탭(11) 및 음극 탭(21)이 서로 상반된 방향으로 형성되어 있을 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)는 음극판(20)이 양극판(10)에 비해 상대적으로 큰 면적을 가질 수 있다. 상기 음극판(20)이 양극판(10)보다 상대적으로 큰 면적을 가지도록 설계함으로써 리튬(Li) 석출로 인한 전지 셀의 품질 저하를 방지할 수 있다. 도 1에서는 음극판(20)과 양극판(10)의 크기가 동일한 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의성을 위한 것일 뿐이고, 전술한 바와 같이 상기 음극판(20)은 양극판(10)에 비해 상대적으로 큰 면적을 가질 수 있다.
양극판
본 출원의 일 예에 따른 양극판(10)은 양극 탭(11)이 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있고, 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층(12)이 상기 양극 탭(11)의 하부와 집전체(13) 상에 형성되어 있을 수 있다.
도 2는 본 출원의 일 예에 따른 양극판(10)을 나타낸 예시적인 도면이다. 도 2를 참조하면 상기 양극판(10)은 양극 집전체(13)의 양면에 양극 활물질층(12)이 형성되어 있는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 양극판(10)은 도면으로 도시하지 않았으나 양극 집전체(13)의 일면에만 양극 활물질층(12)이 형성되어 있는 구조를 가질 수도 있다.
상기 양극판(10)에 포함되는 양극 활물질층(12)은 양극 활물질 및 양극 활물질용 바인더를 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; LiFePO4 등의 리튬 인산철; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 및 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 활물질층(12)은 양극 활물질을 전체 중량 대비 약 80중량% 내지 99.5 중량%, 바람직하게는 88 중량% 내지 99 중량%의 범위 내로 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질용 바인더는 양극 활물질 간의 부착 및 양극 활물질층(12)과 집전체(13) 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 양극 활물질용 바인더는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리이미드(poly imide), 폴리아미드이미드(poly amideimide), 스타이렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butylate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethyl polyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethyl sucrose), 플루란(pullulan), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 것일 수 있고, 바람직하게는 접착성, 내화학성 및 전기화학적 안정성 측면에서 비수계인 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리이미드 및 폴리아미드이미드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 더 바림직하게는 폴리비닐리덴플로라이드 일 수 있다.
상기 양극 활물질용 바인더가 폴리비닐리덴플로라이드를 포함하는 경우, 상기 폴리비닐리덴플로라이드는 전술한 활물질 사이의 접착력 향상 및 목적하는 점도 확보 측면에서 중량평균분자량이 400,000 g/mol 내지 1,500,000 g/mol, 바람직하게는 600,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol의 범위 내일 수 있다. 여기서, 중량평균분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 상기 폴리비닐리덴플로라이드는 용해도 향상을 위해 녹는점이 150℃ 내지 180℃, 바람직하게는 165℃ 내지 175℃일 수 있다. 여기서, 녹는점은 시차 주사 열량 분석기(DSC)를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 양극 활물질층(12)은 양극 활물질용 바인더를 양극 활물질 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.5 중량부 내지 5 중량부 내로 포함할 수 있다.
상기 양극판(10)에 포함되는 양극 활물질층(12)은 도전재를 추가로 포함할 수 있다. 상기 도전재는 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, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브(CNT) 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 것이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질층(12)은 도전재를 양극 활물질 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 20 중량부, 바람직하게는 0.3 중량부 내지 10 중량부 내로 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질층(12)은 1 내지 500 ㎛의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
상기 양극판(10)에 포함되는 양극 집전체(13)는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 그 종류, 크기 및 형상 등이 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 양극 집전체(13)로는 예를 들면, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체(13)의 표면에 미세한 요철을 형성함으로써 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 또한, 상기 양극 집전체(13)는 3 내지 500 ㎛의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 양극판(10)은 양극 활물질층(12) 상의 적어도 일부 면에서 절연층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 절연층은 양극 활물질층(12) 상의 적어도 일부 면과 집전체(13)에 상기 양극 활물질층(12)이 위치하지 않은 무지부의 적어도 일부 면을 커버하도록 위치하고 있을 수 있다. 즉, 본 출원의 일 예에 따른 절연층은 집전체(13) 상의 유지부(양극 활물질층이 위치한 부분)의 적어도 일부와 무지부(양극 활물질층이 위치하지 않은 부분)의 적어도 일부를 커버함으로써 양극판(10) 및 음극판(20) 사이의 발생될 수 있는 단락을 최소화할 수 있다.
상기 절연층은 절연층용 바인더를 포함할 수 있다. 상기 절연층용 바인더는 양극 활물질층(12)과 양극 집전체(13) 사이의 결착성을 부여하거나 절연층과 양극 집전체(13) 사이의 결착성을 부여할 수 있다면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들면 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 스타이렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber), 스타이렌부타디엔 라텍스(styrene butadiene latex), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 카르복실 메틴 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butylate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethyl polyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethyl sucrose), 플루란(pullulan), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 접착성, 내화학성 및 전기화학적 안정성 측면에서 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 스타이렌부타디엔 고무, 스타이렌부타디엔 라텍스 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 절연층용 바인더는 상기 양극 활물질용 바인더와 동일한 화합물을 사용할 수 있다. 이 경우, 양극 활물질층(12) 및 절연층의 중첩 영역에서 결착력이 더욱 향상될 수 있고, 이로 인해 제품의 안정성, 접착력과 밀착력 및 공정성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 출원의 일 예에 따른 양극판(10)을 위에서 본 평면도를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면 양극 탭(11)은 양극 집전체(13)에서 연장되고 양극판(10)의 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있을 수 있으며, 양극 활물질층(12)은 양극 탭(11)의 하부(15)와 양극 집전체(13) 상에 형성되어 있을 수 있다.
도 3을 참조하면 양극 탭(11)의 중심선은 양극 집전체(13)의 중심선과 일치하도록 형성되어 있을 수 있다. 즉, 양극 탭(11)과 양극 집전체(13)는 상호 중심들이 서로 일치하도록 정렬된 상태일 수 있다. 여기서, 중심선이란 대상의 폭 방향(w)을 기준으로 좌우가 동일한 폭(w)을 가지도록 하는 가상의 선을 의미할 수 있다.
또한, 양극 집전체(13)의 폭(w2)은10 mm 이상, 25 mm 이상, 50 mm 이상, 75 mm 이상, 100 mm 이상, 125 mm 이상, 150 mm 이상, 175 mm 이상 또는 200 mm 이상이거나, 500 mm 이하, 480 mm 이하, 460 mm 이하, 440 mm 이하, 420 mm 이하 또는 400 mm 이하일 수 있다.
또한, 양극 탭(11)의 폭(w1)은 10 mm 이상, 20 mm 이상, 30 mm 이상, 40 mm 이상, 50 mm 이상, 60 mm 이상, 70 mm 이상, 80 mm 이상, 90 mm 이상 또는 100 mm 이상이거나, 200 mm 이하, 190 mm 이하, 180 mm 이하, 170 mm 이하, 160 mm 이하 또는 150 mm 이하일 수 있다.
상기 양극 집전체(13)의 폭(w2)과 상기 양극 탭(11)의 폭(w1) 각각이 상기 범위를 만족하는 경우에는 전자 이동의 안정성을 확보할 수 있다.
도 3을 참조하면 양극 탭(11)은 인접한 양극 집전체(13)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h2)만큼 돌출된 구조일 수 있다. 이 때, 상기 소정의 거리(h2)는 10 mm 이상, 15 mm 이상, 20 mm 이상, 25 mm 이상, 30 mm 이상, 35 mm 이상, 40 mm 이상, 45 mm 이상 또는 50 mm 이상이거나, 100 mm 이하, 95 mm 이하, 90 mm 이하, 85 mm 이하, 80 mm 이하, 75 mm 이하, 70 mm 이하, 65 mm 이하 또는 60 mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 양극 탭(11)의 적어도 일부에는 양극 활물질층(12)이 형성되어 있을 수 있고, 양극 탭(11)과 인접한 양극 집전체(13)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h1)만큼 형성되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 소정의 거리(h1)는 0.1 mm 이상, 0.2 mm 이상, 0.3 mm 이상, 0.4 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.6 mm 이상, 0.7 mm 이상, 0.8 mm 이상, 0.9 mm 이상 또는 1 mm 이상이거나 5 mm 이하, 4.8 mm 이하, 4.6 mm 이하, 4.4 mm 이하, 4.2 mm 이하, 4 mm 이하, 3.8 mm 이하, 3.6 mm 이하, 3.4 mm 이하, 3.2 mm 이하 또는 3 mm 이하일 수 있다.
상기 인접한 양극 집전체(13)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h2) 및 상기 양극 탭(11)과 인접한 양극 집전체(13)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h1) 각각이 상기 범위를 만족하는 경우에는 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
음극판
본 출원의 일 예에 따른 음극판(20)은 음극 탭(21)이 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있고, 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층(22)이 상기 음극 탭(21)의 하부와 집전체(23) 상에 형성되어 있을 수 있다.
도 4는 본 출원의 일 예에 따른 음극판(20)을 나타낸 예시적인 도면이다. 도 4를 참조하면 상기 음극판(20)은 음극 집전체(23)의 양면에 음극 활물질층(22)이 형성되어 있는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 음극판(20)은 도면으로 도시하지 않았으나 음극 집전체(23)의 일면에만 음극 활물질층(22)이 형성되어 있는 구조를 가질 수도 있다.
상기 음극판(20)에 포함되는 음극 활물질층(22)은 음극 활물질 및 음극 활물질용 바인더를 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 건조탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (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 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극 활물질층(22)은 음극 활물질을 전체 전체 중량 대비 약 80중량% 내지 99.5 중량%, 바람직하게는 88 중량% 내지 99 중량%의 범위 내로 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질용 바인더는 음극 활물질 간의 부착 및 음극 활물질층(22)과 집전체(23) 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 수행한다. 상기 음극 활물질용 바인더는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리이미드(poly imide), 폴리아미드이미드(poly amideimide), 스타이렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 카르복실 메틴 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butylate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethyl polyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethyl sucrose), 플루란(pullulan), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 것일 수 있고, 바람직하게는 접착성, 내화학성 및 전기화학적 안정성 측면에서 비수계인 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리이미드 및 폴리아미드이미드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 더 바림직하게는 폴리비닐리덴플로라이드 일 수 있다.
상기 음극 활물질용 바인더가 폴리비닐리덴플로라이드를 포함하는 경우, 상기 폴리비닐리덴플로라이드는 전술한 활물질 사이의 접착력 향상 및 목적하는 점도 확보 측면에서 중량평균분자량이 400,000 g/mol 내지 1,500,000 g/mol, 바람직하게는 600,000 g/mol 내지 1,200,000 g/mol의 범위 내일 수 있다. 여기서, 중량평균분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 상기 폴리비닐리덴플로라이드는 용해도 향상을 위해 녹는점이 150℃ 내지 180℃, 바람직하게는 165℃ 내지 175℃일 수 있다. 여기서, 녹는점은 시차 주사 열량 분석기(DSC)를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 음극 활물질층(22)은 음극 활물질용 바인더를 음극 활물질 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.5 중량부 내지 5 중량부 내로 포함할 수 있다.
상기 음극판(20)에 포함되는 음극 활물질층(22)은 도전재를 추가로 포함할 수 있다. 상기 도전재는 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, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브(CNT) 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질층(22)은 도전재를 음극 활물질 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 20 중량부, 바람직하게는 0.3 중량부 내지 10 중량부 내로 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극 활물질층(22)은 1 내지 500 ㎛의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
상기 음극판(20)에 포함되는 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 그 종류, 크기 및 형상 등이 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 음극 집전체로는 예를 들면, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체(23)는 3 내지 500 ㎛의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 음극판(20)도 전술한 양극판(10)과 마찬가지로 음극 활물질층(22) 상의 적어도 일부 면에서 절연층을 포함할 수 있다. 상기 절연층은 양극판(10)의 절연층과 동일한 특징을 가지므로 구체적인 내용은 생략한다.
본 출원의 일 예에 따른 음극판(20)은 상기 음극판(20)의 일측 외주 단부에 용량 잉여부(24)를 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면 상기 용량 잉여부(24)는 음극판(20)의 음극 탭(21)과 서로 상반된 방향으로 형성되어 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)는 양극 탭(11) 및 음극 탭(21)이 서로 상반된 방향으로 형성되어 있을 수 있는데, 이 때 상기 용량 잉여부(24)는 양극 탭(11)과 대면할 수 있다. 즉, 상기 용량 잉여부(24)는 양극 탭(11)과 대면하는 음극판(20)의 일측 외주 단부에 포함될 수 있다.
도 4를 참조하면 상기 용량 잉여부(24) 상에는 음극 활물질층(22)이 형성되어 있을 수 있다. 도 4에서 보이는 바와 같이 상기 음극 활물질층(22)은 용량 잉여부(24)의 양면에 형성되어 있을 수 있고, 도면에서 도시되어 있지 않지만 상기 음극 활물질층(22)은 용량 잉여부(24)의 일면에만 형성되어 있을 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면 상기 용량 잉여부(24) 상에 형성된 음극 활물질층(22)은 경사 구조를 가질 수 있다. 상기 경사 구조는 음극 활물질층(22)이 각진 모서리를 구비하지 않도록 곡선 프로파일(profile)인 것이 적합할 수 있다. 상기 경사 구조는 음극 집전체(23) 상에 음극 활물질층(22)을 형성하는 음극 슬러리(slurry)를 적어도 한쪽 이상의 가장자리가 곡선 프로파일이 형성되도록 도포하고, 건조 및 압연 한 후에 상기 곡선 프로파일이 파괴되지 않도록 제어하여 노칭 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
용량 잉여부(24)에 형성된 음극 활물질층(22)이 각진 모서리를 가지는 경우에는 모서리에 집중된 응력에 의해 세퍼레이터의 손상 가능성이 높았다. 상기 용량 잉여부(24) 상에 형성된 음극 활물질층(22)이 곡선 프로파일인 경사 구조를 가지는 경우에는 전극 조립체(1)를 제조할 때 또는 전극 조립체(1)를 작동시킬 때, 응력을 분산시키므로 상기 음극 활물질층(22)에 의한 세퍼레이터의 손상을 방지할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 용량 잉여부(24) 상에 형성된 음극 활물질층(22)은 하기 일반식 1에 따른 부피비(RV)가 40% 이상, 41 % 이상, 42 % 이상, 43 % 이상, 44 % 이상 또는 45 % 이상일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 부피비(RV)는 60 % 이하, 59 % 이하, 58 % 이하, 57 % 이하, 56 % 이하 또는 55 % 이하일 수 있다. 상기 부피비(RV)는 상기 나열된 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 포함될 수 있다. 상기 부피비(RV)가 상기 범위를 만족하는 경우에는 용량 저하를 최소화 하면서도 세퍼레이터의 손상을 방지할 수 있다.
[일반식 1]
RV = V1/V2 × 100
일반식 1에서, V1은 상기 용량 잉여부 상에 경사 구조를 가지도록 형성된 음극 활물질층의 부피이고, V2는 상기 용량 잉여부 상에 육면체 구조를 가지도록 형성된 음극 활물질층의 부피이다.
도 5는 잉여 용량부(24) 상의 음극 활물질층(22)의 예시와 부피비(RV)를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 왼쪽은 본 출원의 일 예에 따른 잉여 용량부(24) 상의 음극 활물질층(22)의 예시를 나타낸 것이다. 상기 음극 활물질층(22)은 경사 구조를 가지고, 각진 모서리를 구비하지 않도록 곡선 프로파일을 가질 수 있다. 또한, 이 때의 상기 잉여 용량부(24) 상의 음극 활물질층(22)의 부피를 V1이라고 할 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 오른쪽은 상기 잉여 용량부(24) 상의 육면체 구조를 가지도록 형성된 음극 활물질층(22)을 나타낸 것이고, 이 때의 상기 음극 활물질층(22)의 부피를 V2라고 할 수 있다. 또한, 도 5에 나타난 각각의 음극 활물질층(22)의 높이인 hA와 hB가 동일한 조건에서 상기 V1 및 V2를 각각 측정할 수 있다. 즉, 경사 구조를 가지는 음극 활물질층(22)에 대해서 경사 구조가 아닌 부분의 평균 높이를 hA라고 할 수 있고, 육면체 구조를 가지는 음극 활물질층(22)의 평균 높이를 hB라고 할 수 있다.
도 6은 본 출원의 일 예에 따른 음극판(20)을 위에서 본 평면도를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면 음극 탭(21)은 음극 집전체(23)에서 연장되고 음극판(20)의 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있을 수 있고, 음극 활물질층(22)은 음극 탭(21)의 하부(25)와 음극 집전체(23) 상에 형성되어 있을 수 있다.
도 6을 참조하면 음극 탭(21)의 중심선은 음극 집전체(23)의 중심선과 일치하도록 형성되어 있을 수 있다. 즉, 음극 탭(21)과 음극 집전체(23)는 상호 중심들이 서로 일치하도록 정렬된 상태일 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면 음극 집전체(23)의 폭(w4)은 10 mm 이상, 25 mm 이상, 50 mm 이상, 75 mm 이상, 100 mm 이상, 125 mm 이상, 150 mm 이상, 175 mm 이상 또는 200 mm 이상이거나, 500 mm 이하, 480 mm 이하, 460 mm 이하, 440 mm 이하, 420 mm 이하 또는 400 mm 이하일 수 있다.
또한, 음극 탭(21)의 폭(w3)은 10 mm 이상, 20 mm 이상, 30 mm 이상, 40 mm 이상, 50 mm 이상, 60 mm 이상, 70 mm 이상, 80 mm 이상, 90 mm 이상 또는 100 mm 이상이거나, 200 mm 이하, 190 mm 이하, 180 mm 이하, 170 mm 이하, 160 mm 이하 또는 150 mm 이하일 수 있다.
상기 음극 집전체(23)의 폭(w4)과 상기 음극 탭(21)의 폭(w3) 각각이 상기 범위를 만족하는 경우에는 전자 이동의 안정성을 확보할 수 있다.
도 6을 참조하면 음극 탭(21)은 인접한 음극 집전체(23)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h4)만큼 돌출된 구조일 수 있다.
이 때, 상기 소정의 거리(h4)는 10 mm 이상, 15 mm 이상, 20 mm 이상, 25 mm 이상, 30 mm 이상, 35 mm 이상, 40 mm 이상, 45 mm 이상 또는 50 mm 이상이거나, 100 mm 이하, 95 mm 이하, 90 mm 이하, 85 mm 이하, 80 mm 이하, 75 mm 이하, 70 mm 이하, 65 mm 이하 또는 60 mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 음극 탭(21)의 적어도 일부에는 음극 활물질층(22)이 형성되어 있을 수 있고, 음극 탭(21)과 인접한 음극 집전체(23)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h3)만큼 형성되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 소정의 거리(h3)는 0.1 mm 이상, 0.2 mm 이상, 0.3 mm 이상, 0.4 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.6 mm 이상, 0.7 mm 이상, 0.8 mm 이상, 0.9 mm 이상 또는 1 mm 이상이거나 5 mm 이하, 4.8 mm 이하, 4.6 mm 이하, 4.4 mm 이하, 4.2 mm 이하, 4 mm 이하, 3.8 mm 이하, 3.6 mm 이하, 3.4 mm 이하, 3.2 mm 이하 또는 3 mm 이하일 수 있다. 상기 인접한 음극 집전체(23)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h4) 및 상기 음극 탭(21)과 인접한 음극 집전체(23)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h3) 각각이 상기 범위를 만족하는 경우에는 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
도 6을 참조하면 잉여 용량부(24)는 음극 집전체(23)에서 연장되고, 음극판(20)의 일측 외주 단부에 포함될 수 있으며, 음극판(20)의 음극 탭(21)과 서로 상반된 방향으로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면 용량 잉여부(24)의 중심선은 음극 집전체(23)의 중심선과 일치하도록 형성되어 있을 수 있다. 즉, 용량 잉여부(24)과 음극 집전체(23)는 상호 중심들이 서로 일치하도록 정렬된 상태일 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면 용량 잉여부(24)의 폭(w5)은 10 mm 이상, 20 mm 이상, 30 mm 이상, 40 mm 이상, 50 mm 이상, 60 mm 이상, 70 mm 이상, 80 mm 이상, 90 mm 이상 또는 100 mm 이상이거나, 200 mm 이하, 190 mm 이하, 180 mm 이하, 170 mm 이하, 160 mm 이하 또는 150 mm 이하일 수 있다.
상기 용량 잉여부(24)의 폭(w5)이 상기 범위를 만족하는 경우에는 전극 조립체(1)를 제조할 때 양극판(10) 및 음극판(20)의 위치 오차에 의한 품질 저하를 방지할 수 있다.
또한, 전지 안정성을 확보하고 양극판(10) 및 음극판(20)의 위치 오차에 의한 품질 저하를 방지하기 위해서는, 상기 양극 탭(11)의 폭(w1)과 용량 잉여부(24)의 폭(w5)의 비율(w5/w1)은 1.01 이상, 1.015 이상, 1.02 이상 또는 1.025 이상이거나 1.05 이하, 1.045 이하, 1.04 이하 또는 1.035 이하인 것이 바람직할 수 있다. 또한, 전지 안정성을 확보하고 양극판(10) 및 음극판(20)의 위치 오차에 의한 품질 저하를 방지하기 위해서 상기 용량 잉여부(24)의 폭(w5)은 양극 탭(11)의 폭(w1)에 비해 1.5 mm 이상, 1.75 mm 이상 또는 2 mm 이상으로 더 넓고, 다른 예시에서 상기 용량 잉여부(24)의 폭(w5)은 양극 탭(11)의 폭(w1)에 비해 3.5 mm 이하, 3.25 mm 이하 또는 3 mm 이하로 더 넓을 수 있다. 상기 용량 잉여부(24)의 폭(w5)은 양극 탭(11)의 폭(w1)에 비해 상기 나열된 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에서 더 넓을 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면 잉여 용량부(24)는 인접한 음극 집전체(23)의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h5)만큼 더 돌출된 구조일 수 있다. 이 때, 전극 조립체(1)를 제조할 때 양극판(10) 및 음극판(20)의 위치 오차에 의한 품질 저하 방지를 고려하면, 상기 소정의 거리(h5) 는 0.1 mm 이상, 0.15 mm 이상 또는 0.2 mm 이상일 수 있고, 다른 예시에서 1 mm 이하, 0.95 mm 이하 또는 0.9 mm 이하일 수 있다. 상기 소정의 거리(h5)는 상기 나열된 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 있을 수 있다.
도 7은 본 출원의 일 예에 따른 용량 잉여부(24)를 위에서 본 평면도를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면 용량 잉여부(24)는 적어도 하나 이상의 끝단이 곡선 구조를 가질 수 있다. 도 7에서는 용량 잉여부(24)의 양 끝단이 모두 곡선 구조를 가지고 있으나 예시일 뿐이고, 적어도 한쪽 끝단이 곡선 구조일 수 있다. 상기 곡선 구조는 곡면이 형성되도록 처리된 라운드(round) 형태를 가진 구조일 수 있다.
상기 용량 잉여부(24)가 가지는 곡선 구조는 곡률 반경(r)이 0.1 mm 이상, 0.125 mm 이상, 0.15 mm 이상 또는 0.2 mm 이상일 수 있고, 다른 예시에서 상기 곡률 반경(r)은 0.4 mm 이하, 0.375 mm 이하, 0.35 mm 이하, 0.325 mm 이하 또는 0.3 mm 이하일 수 있다. 상기 곡률 반경(r)은 상기 나열된 상한 및 하한을 적절히 선택하여 형성된 범위 내에 있을 수 있다. 상기 곡률 반경(r)이 상기 범위를 만족하는 경우에는 전술한 일반식 1에 따른 부피비(RV)를 상기 범위에 만족하도록 할 수 있고, 궁극적으로 용량 저하를 최소화 하면서도 세퍼레이터의 손상을 방지할 수 있다. 상기 곡률 반경(r)은 휘어진 상기 곡선 구조를 이루는 원의 반지름을 의미할 수 있고, 구체적으로는 상기 곡선 구조에서 가장 멀리하는 원호의 반지름을 의미할 수 있다.
세퍼레이터
본 출원의 일 예에 따른 세퍼레이터(separator, 30)는 양극판(10) 및 음극판(20) 사이에 개재되어 있을 수 있다.
상기 세퍼레이터(30)는 양극판(10)과 음극판(20)을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 당업계에서 일반적으로 사용하는 세퍼레이터라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 특히 전해액의 이온 이동에 대해 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 중합체, 프로필렌 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프 탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 전지 셀은 본 출원의 일 예에 따른 전극 조립체(1)가 전지 케이스에 전해액과 함께 내장된 것일 수 있다.
상기 전해액은 당업계에서 일반적으로 사용하는 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 겔형 고분자 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해액은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 2차 전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해액 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해액에는 상기 전해액 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해액 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 전지팩은 상기 전지 셀을 하나 이상 포함할 수 있고, 본 출원의 일 예에 따른 장치는 상기 전지팩을 포함할 수 있다. 상기 장치는 예를 들어, 컴퓨터, 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기자동차, 전기 이륜차, 전기 골프 카트, 또는 전력저장용 시스템 등으로부터 선택되는 것일 수 있다. 이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

Claims (15)

  1. 양극 탭이 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있고, 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층이 상기 양극 탭의 하부와 집전체 상에 형성되어 있는 양극판;
    음극 탭이 일측 외주 단부로부터 돌출되어 있고, 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층이 상기 음극 탭의 하부와 집전체 상에 형성되어 있는 음극판; 및
    상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 양극 탭과 대면하는 음극판의 일측 외주 단부에 용량 잉여부를 포함하며,
    상기 용량 잉여부 상에 형성된 음극 활물질층은 경사 구조를 가지는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 전극 조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조인 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 전극 조립체는 평면상으로 직사각형 또는 정사각형의 형상을 가진 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 양극 탭 및 음극 탭이 서로 상반된 방향으로 형성되어 있는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 음극판은 양극판보다 상대적으로 큰 면적을 가지는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 음극판 및 양극판은 상호 중심들이 서로 일치하도록 정렬된 상태로 적층된 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 용량 잉여부는 인접한 음극 집전체의 일측 단부에서부터 소정의 거리(h5)만큼 더 돌출된 구조를 가지고, 상기 소정의 거리(h5)는 0.1 내지 1 mm의 범위 내인 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 양극 탭의 폭(w1)과 용량 잉여부의 폭(w5)의 비율(w5/w1)은 1.01 내지 1.05의 범위 내인 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 용량 잉여부의 폭(w5)은 양극 탭의 폭(W1)에 비해 1.5 내지 3.5 mm의 범위 내로 더 넓은 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 용량 잉여부는 적어도 하나 이상의 끝단이 곡선 구조를 가지는 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 곡선 구조의 곡률 반경은 0.1 내지 0.4 mm의 범위 내인 전극 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 용량 잉여부 상에 형성된 음극 활물질층은 하기 일반식 1에따른 부피비(RV)가 40 내지 60%의 범위 내인 전극 조립체:
    [일반식 1]
    RV = V1/V2 × 100
    일반식 1에서, V1은 상기 용량 잉여부 상에 경사 구조를 가지도록 형성된 음극 활물질층의 부피이고, V2는 상기 용량 잉여부 상에 육면체 구조를 가지도록 형성된 음극 활물질층의 부피이다.
  13. 제1항에 따른 전극 조립체가 전지 케이스에 전해액과 함께 내장된 전지 셀.
  14. 제13항에 따른 전지 셀을 하나 이상 포함하는 전지팩.
  15. 제14항에 따른 전지팩을 포함하는 장치.
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