KR20240050881A - 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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KR20240050881A
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Abstract

본 발명은 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

Description

젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지{JELLY-ROLL ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING SAME}
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외주 탭 구조의 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
원통형 전지의 경우 폭이 정해진 긴 전극을 롤 형태로 말아 젤리-롤(Jelly Roll) 형태의 전극조립체를 제조한다. 이러한 젤리-롤형 전극조립체를 전지케이스에 삽입하여 제조되는 원통형 전지는 충방전시 전극의 수축/팽창을 반복하게 되고, 젤리-롤의 구조에 따라 단차에 따른 응력이 형성된다.
특히, 음극 최외각 구조의 젤리-롤형 전극조립체의 경우 최외각의 음극이 양극의 말단을 덮고 있으며, 양극 프리엣지(free edge) 옆의 공간이 양극의 두께로 인해 비어 있게 된다. 이 때, 양극 두께에 의한 단차는 음극에 응력을 형성하게 되고, 이러한 응력은 충방전 시 양극에 대향하는 면의 반대면에 집중되어 음극 외각 크랙을 유발한다.
이러한 음극 외곽 크랙 발생을 방지하기 위하여 해당 영역의 음극 응력 집중을 개선할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체의 설계를 변경한 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 제2 전극은 제2 전극 집전체; 및 상기 제2 전극 집전체의 적어도 일면 상에 구비되는 제2 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극은 제1 전극 집전체; 상기 제1 전극 집전체의 적어도 일면상에 구비되는 제1 전극 활물질층; 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 단선 방지부; 및 및 상기 제1 전극 집전체와 상기 단선 방지부를 전기적으로 연결하는 용접부를 포함하고, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 집전체와 전기적으로 연결되는 용접부를 포함하고, 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 일치하지 않는 것인 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 상기 젤리-롤형 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것인 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지는 단선 방지부를 포함함으로써, 최외각 음극의 응력 집중으로 인한 전극조립체의 크랙 및 변형을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지는 단선 방지부가 전극 집전체와 용접부를 통해 전기적으로 연결되어 추가의 도전성 통로를 제공하므로, 단선 시에도 저항 증가를 억제하고 전지 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지는 단선 방지부 및 용접부의 위치를 조절하여 진원도 감소 및 추가적인 단차 형성에 의한 리튬 석출과 같은 국부적인 문제 발생을 방지하고, 고정점 형성에 의한 전극조립체의 추가적인 크랙 및 변형 발생을 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 단선 방지부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 구현한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 단차부를 모식적으로 도시한 것이다.
도 5는 참고도면으로서의 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이다.
본원 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 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 제2 전극은 제2 전극 집전체; 및 상기 제2 전극 집전체의 적어도 일면 상에 구비되는 제2 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극은 제1 전극 집전체; 상기 제1 전극 집전체의 적어도 일면상에 구비되는 제1 전극 활물질층; 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 단선 방지부; 및 상기 제1 전극 집전체와 상기 단선 방지부를 전기적으로 연결하는 용접부를 포함하고, 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 일치하지 않는 것인 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지는 단선 방지부를 포함함으로써, 최외각 음극의 응력 집중으로 인한 전극조립체의 크랙 및 변형을 방지할 수 있다. 또한, 상기 단선 방지부가 전극 집전체와 용접부를 통해 전기적으로 연결되어 추가의 도전성 통로를 제공하므로, 단선 시에도 저항 증가를 억제하고 전지 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 단선 방지부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1은 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 제1 전극 활물질층을 포함하는 용접부를 포함하는 일 실시상태를 도시한 도면이고, 도 2는 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 제1 전극 활물질층을 포함하지 않는 용접부를 포함하는 일 실시상태를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 제1 전극(100, 100'), 분리막(20, 20') 및 제2 전극(300)이 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서, 상기 제2 전극(300)은 제2 전극 집전체(301); 및 상기 제2 전극 집전체(301)의 적어도 일면 상에 구비되는 제2 전극 활물질층(302, 303)을 포함하고, 상기 제1 전극(100)은 제1 전극 집전체(101); 상기 제1 전극 집전체(101)의 적어도 일면상에 구비되는 제1 전극 활물질층(102, 103); 상기 제1 전극 집전체(101)의 제2 전극의 길이방향 단부(310)에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 단선 방지부(40); 및 상기 제1 전극 집전체(101)와 상기 단선 방지부(40)를 전기적으로 연결하는 용접부(W)를 포함할 수 있고, 상기 단선 방지부(40)는 상기 제1 전극 집전체(101)와 전기적으로 연결되는 용접부(W)를 포함하고, 상기 단선 방지부(40)의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부(210)와 일치하지 않는 것일 수 있다. 여기서, '길이방향'은 권취 전 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 이들이 적층된 형태인 전극조립체의 길이방향, 즉 권취 후 전극조립체의 권취축방향에 수직한 방향을 의미하는 것일 수 있고, '길이방향 단부가 일치'의 의미는 전극조립체의 길이방향에 수직한 단면을 기준으로 각 단부가 완전히 동일한 위치에 위치하는 경우뿐만 아니라, 공정 및 측정상의 오차가 존재하는 경우를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부는 도전성 소재인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 단선 방지부는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄 및 소성 탄소 중 선택된 어느 하나인 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 단선 방지부는 구리, 스테인리스 스틸 또는 알루미늄일 수 있고, 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것일 수 있다. 예를 들어, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 포함하는 것일 수 있다. 상기 단선 방지부가 전술한 도전성 소재인 경우, 상기 단선 방지부가 전극 집전체와 용접부를 통해 전기적으로 연결되어 추가의 도전성 통로를 제공하므로, 전극 집전체의 단선 시에도 저항 증가를 억제하고 전지 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 집전체와 동일한 소재인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극 집전체는 후술하는 바와 같이 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것일 수 있고, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 집전체와 동일한 소재인 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극 집전체 및 단선 방지부는 구리 호일(Cu foil)일 수 있다. 제1 전극 집전체 및 단선 방지부가 용접된 지점은 고정점으로 작용할 수 있고, 제1 전극 집전체 및 단선 방지부가 서로 상이한 종류의 소재인 경우 상기 고정점으로 고정된 부분과 고정되지 않은 부분은 변형 또는 충방전 시 부피 변화 정도가 상이할 수 있으며, 전극조립체의 부분적 변형으로 인해 제1 전극 집전체의 비틀림이 발생할 수 있다. 제1 전극 집전체와 동일한 소재의 단선 방지부를 사용하는 경우 제1 전극 집전체와 단선 방지부의 연신률이 유사하여 충방전시 변형 또는 부피 변화 정도가 유사할 수 있으므로, 고정점으로 인한 전극 집전체의 비틀림 발생을 저감할 수 있고, 이종 소재 간 용접의 경우 발생할 수 있는 부식 등의 문제 발생을 방지할 수 있다. 또한, 제1 전극 집전체에 사용되는 소재를 사용할 수 있으므로, 추가적인 생산설비 없이도 단선 방지부의 구비가 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 일치하지 않는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전극의 길이방향 단부는 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부의 사이에 위치하는 것일 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대응하는 영역, 특히 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면을 효과적으로 보완할 수 있으며, 최외각 제1 전극의 응력 집중으로 인한 크랙 및 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 2 mm 이상 10 mm 이하 이격되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 3 mm 이상 또는 5 mm 이상 이격되는 것일 수 있고, 9 mm 이하 또는 7 mm 이하 이격되는 것일 수 있다. 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부가 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 전술한 범위의 이격거리를 갖는 경우, 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대응하는 영역, 특히 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면을 효과적으로 보완할 수 있으며, 최외각 제1 전극의 응력 집중으로 인한 크랙 및 변형을 방지할 수 있다. 또한, 상기 단선 방지부의 용접에 필요한 영역을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 집전체의 상기 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 상기 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부와 이격하여 구비되는 것일 수 있다. 즉, 단선방지부는 제1 전극 집전체의 제1 전극 활물질층이 구비되지 않는 제1 전극 무지부 상에 구비되는 것일 수 있다. 상기 단선 방지부가 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 경우, 단선 방지부의 두께에 의해 발생하는 추가적인 단차 형성 문제를 방지할 수 있고, 전극조립체의 비대칭 형성을 최소화하여 진원도를 개선할 수 있다. 이에 따라, 전극조립체를 전지 케이스에 삽입하는 후공정에서 전극조립체 하단부의 손상을 최소화할 수 있으며, 충방전 사이클에 의한 전극조립체의 부피 변화 시 특정 부분의 압력 증가로 인한 전극조립체의 손상, 전해액 부족에 따른 부반응 및 리튬 석출 등의 국부적인 문제 발생을 저감할 수 있다. 여기서, 진원도는 젤리-롤형 전극조립체의 외경의 최대값에서 외경의 최소값을 뺀 값을 의미하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극의 길이방향 단부에 구비되는 제1 전극 탭을 더 포함하고, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부와 상기 제1 전극 탭 사이에 구비되는 것일 수 있다. 상기 제1 전극 탭은 젤리-롤형 전극조립체의 최외각부에서 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스와 용접되어 전기적으로 연결되는 것일 수 있고, 용접 시 상기 전극조립체의 고정점으로 작용하는 것일 수 있다. 상기 전극조립체가 최외각에 제1 전극 탭을 더 포함하는 경우, 상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부와 제1 전극 탭 사이에 구비됨으로써, 복수의 고정점으로 인한 추가적인 전극 집전체의 비틀림 발생을 저감할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 탭은 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 전극 탭은 상기 제1 전극 집전체 상에 구비되는 단선 방지부와 동일한 면 상에 구비되는 것일 수 있고, 제1 전극 탭 및 단선 방지부의 두께에 의한 단차 형성을 최소화하는 것일 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 전극 탭이 제1 전극의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 구비되는 경우 발생할 수 있는 추가적인 단차 형성 문제를 방지할 수 있고, 전극조립체의 비대칭 형성을 최소화하여 진원도를 개선할 수 있다. 이에 따라, 전극조립체를 전지 케이스에 삽입하는 후공정에서 전극조립체 하단부의 손상을 최소화할 수 있으며, 충방전 사이클에 의한 전극조립체의 부피 변화 시 특정 부분의 압력 증가로 인한 전극조립체의 손상, 전해액 부족에 따른 부반응 및 리튬 석출 등의 국부적인 문제 발생을 저감할 수 있다. 또한, 전극조립체의 최외각에 위치하는 제1 전극 탭과 전지케이스 간의 용접이 보다 용이할 수 있으며, 전기적 연결이 보다 안정적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 구현한 이미지이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부의 권취축방향 길이는 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 길이를 기준으로, 50 % 이상 100 % 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참고하면, 상기 단선 방지부의 권취축방향 길이(Lh)는 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 길이 100 %를 기준으로, 55 % 이상, 60 % 이상 또는 65 % 이상인 것일 수 있고, 상기 단선 방지부의 권취축방향 길이(Lh)는 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 길이 100 %를 기준으로, 95 % 이하, 90 % 이하 또는 85 % 이하인 것일 수 있다. 전술한 범위의 단선 방지부의 권취축방향 길이 범위를 만족하는 경우, 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대응하는 영역, 특히 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면을 효과적으로 보완할 수 있으며, 충방전시 크랙 등 문제 발생을 저감하여 전지의 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부의 길이방향 길이는 25 mm 이상 400 mm 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 상기 단선 방지부의 길이방향 길이(L2)는 30 mm 이상, 35 mm 이상 또는 40 mm 이상인 것일 수 있고, 상기 단선 방지부의 길이방향 길이(L2)는 395 mm 이하, 390 mm 이하 또는 385 mm 이하인 것일 수 있다. 전술한 범위의 단선 방지부의 길이방향 길이 범위를 만족하는 경우, 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대응하는 영역, 특히 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면을 효과적으로 보완할 수 있으며, 충방전시 크랙 등 문제 발생을 저감하여 전지의 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체의 일면 상에 구비되는 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부 간 이격거리는 5 mm 이상 100 mm 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 상기 단선 방지부(40)의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체(101)의 일면 상에 구비되는 제1 전극 활물질층(102)의 길이방향 단부 간 이격거리(L1)는 10 mm 이상, 15 mm 이상 또는 20 mm 이상인 것일 수 있고, 상기 단선 방지부(40)의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체(101)의 일면 상에 구비되는 제1 전극 활물질층(102)의 길이방향 단부 간 이격거리(L1)는 95 mm 이하, 90 mm 이하 또는 85 mm 이하인 것일 수 있다. 상기 단선 방지부의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체의 일면 상에 구비되는 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부 간 이격거리(L1)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 제1 전극을 손상시키지 않는 용접 공간을 확보할 수 있으며, 젤리-롤형 전극조립체 내 단선 방지부를 구비하면서도 제1 전극 활물질층과의 관계에서 추가적인 단차 형성을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단선 방지부의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체의 일면 상에 구비되는 상기 제1 전극 탭 간 이격거리는 5 mm 이상 100 mm 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 상기 단선 방지부(40)의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체(101)의 일면 상에 구비되는 제1 전극 탭(50) 간 이격거리(L3)는 10 mm 이상, 15 mm 이상 또는 20 mm 이상인 것일 수 있고, 상기 단선 방지부(40)의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체(101)의 일면 상에 구비되는 제1 전극 탭(50) 간 이격거리(L3)는 95 mm 이하, 90 mm 이하 또는 85 mm 이하인 것일 수 있다. 상기 단선 방지부의 길이방향 일 단부와 상기 제1 전극 집전체의 일면 상에 구비되는 제1 전극 탭 간 이격거리(L3)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 젤리-롤형 전극조립체 내 단선 방지부를 구비하면서도 제1 전극 탭과의 관계에서 추가적인 단차 형성을 최소화할 수 있고, 용접 시 제1 전극 탭과 단선 방지부가 추가로 용접되어 저항이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극 집전체와 상기 단선 방지부를 전기적으로 연결하는 용접부를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 용접부(W)는 상기 제1 전극 집전체(101)와 상기 단선 방지부(40)를 전기적으로 연결하기 위해 용접이 수행되는 영역으로서, 상기 제1 전극의 길이방향에 수직한 단면을 포함하는 일 영역을 의미하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 용접부는, 상기 단선 방지부 및 상기 제1 전극 집전체; 또는 상기 단선 방지부 상기 제1 전극 활물질층 및 상기 제1 전극 집전체를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 용접부는 후술하는 용접 방식에 따라 선형 또는 스팟(Spot) 형태로 형성되는 것일 수 있고, 용접에 필요한 소정의 권취축방향 길이, 길이방향 길이 및 면적을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부에 형성되는 것일 수 있고, 상기 단선 방지부의 양 단부로부터 소정거리 이격되어 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 상기 용접부와 단선 방지부의 길이방향 양 단부 간 이격거리(L4, 48)는 2 mm 이하인 것일 수 있다. 상기 용접부와 단선 방지부의 길이방향 양 단부 간 이격거리가 전술한 범위를 만족하는 경우, 용접에 필요한 영역을 확보하면서도 와인딩 공정 시 상기 단선 방지부의 접힘으로 인한 불량을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 중첩되지 않는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극의 길이방향을 기준으로, 상기 용접부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 1 mm 이상 8 mm 이하 이격되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 용접부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 1 mm 이상 또는 3 mm 이상 이격되는 것일 수 있고, 8 mm 이하 또는 6 mm 이하 이격되는 것일 수 있다. 상기 용접부가 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 전술한 범위의 이격거리를 갖는 경우, 상기 단선 방지부의 용접에 필요한 영역을 충분히 확보할 수 있으며, 상기 용접부가 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 중첩되는 경우 발생할 수 있는 추가적인 단차 형성 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 복수로 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 용접부는 상기 제1 전극 집전체 상에 고정점에 의한 비대칭을 최소화하도록 복수로 형성되는 것일 수 있다. 충방전 시 상기 제1 전극 집전체는 수축 및 팽창을 반복하여 부피가 변화할 수 있고, 상기 용접부는 고정점으로 작용하여 제1 전극 집전체의 비틀림이 발생할 수 있다. 상기 용접부를 복수로 형성함으로써, 특정 위치의 고정점 형성으로 인한 크랙 발생을 방지하면서도, 단선 시에도 도전성 통로의 단면적을 충분히 확보하여 저항 증가로 인한 사이클 효율 감소 등 전기화학적 물성 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 복수로 형성되고, 상기 복수의 용접부는 서로 대칭을 이루도록 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 용접부는 상기 단선 방지부의 길이방향 중심부를 기준으로, 대칭을 이루도록 형성되는 것일 수 있다. 즉, 상기 용접부와 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부 간 이격거리(L4, 48)는 서로 동일한 것일 수 있다. 여기서, 상기 단선 방지부의 길이방향 중심부는 상기 단선 방지부의 길이방향 길이 1/2 지점을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 복수의 용접부는 상기 단선 방지부의 권취축방향 중심부를 기준으로, 대칭을 이루도록 형성되는 것일 수 있다. 여기서, 상기 단선 방지부의 권취축방향 중심부는 상기 단선 방지부의 권취축방향 길이 1/2 지점을 의미하는 것일 수 있다. 상기 복수의 용접부가 상기 단선 방지부의 길이방향 중심부 또는 권취축방향 중심부를 기준으로 대칭을 이루도록 형성되는 경우, 상기 용접부를 포함하는 단선 방지부의 비대칭 형성을 최소화할 수 있고, 단선 방지부의 고정점 양측에 작용하는 응력이 균일하여 단선 방지부의 비틀림을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 복수로 형성되고, 상기 제2 전극의 길이방향 단부는 상기 복수의 용접부 사이에 위치하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 용접부는, 상기 제2 전극의 길이방향 단부가 상기 복수의 용접부 사이에 위치하도록 상기 제2 전극의 길이방향 단부로부터 1 mm 이상 8 mm 이하 이격되어 복수로 형성되는 것일 수 있다. 이를 통해, 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면을 효과적으로 보완하면서도, 와인딩 공정 시 상기 단선 방지부의 접힘으로 인한 불량을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복수의 용접부는 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 중심부를 기준으로, 대칭을 이루도록 형성되는 것일 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 중심부는 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 길이 1/2 지점을 의미하는 것일 수 있다. 상기 복수의 용접부가 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 중심부를 기준으로 대칭을 이루도록 형성되는 경우, 상기 단선 방지부를 포함하는 전극조립체의 비대칭 형성을 최소화하여 진원도를 개선할 수 있다. 이에 따라, 전극조립체를 전지 케이스에 삽입하는 후공정에서 전극조립체 하단부의 손상을 최소화할 수 있으며, 충방전 사이클에 의한 전극조립체의 부피 변화 시 특정 부분의 압력 증가로 인한 전극조립체의 손상, 전해액 부족에 따른 부반응 및 리튬 석출 등의 국부적인 문제 발생을 저감할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 상기 제1 전극 집전체의 상기 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 구비되는 상기 제1 전극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 1을 참고하면, 상기 제1 전극 집전체(101)는 상기 제2 전극의 길이방향 단부(310)에 대향하는 면 상에 상기 제1 전극 활물질층(103)을 구비하는 것일 수 있고, 상기 용접부(W)는 상기 단선 방지부(40), 상기 제1 전극 집전체(101) 및 상기 제1 전극 활물질층(103)을 포함하는 제1 전극의 길이방향 일 영역에 형성되는 것일 수 있다. 상기 용접부(W)가 상기 제1 전극 활물질층(103)을 포함하는 경우, 상기 용접부는 초음파 용접 또는 아크 용접에 적합할 수 있다. 구체적으로, 초음파 용접은 모재에 고주파 횡진동을 주어 진동에너지에 의해 접촉부의 원자를 확산시켜 접합하는 방법으로서, 가열을 수반하지 않으므로 용접 시 제1 전극의 열손상을 방지할 수 있다. 또한, 아크 용접은 아크방전을 이용하여 모재나 재료를 녹여서 가공물을 접합하는 가공 방법으로, 일면 상에 구비된 단선 방지부를 용융 시키면서 아래에 있는 제1 전극 집전체를 함께 용접하므로 단면 용접이 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 상기 제1 전극 집전체의 상기 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 상기 제1 전극 활물질층을 포함하지 않는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2의 (a)를 참고하면, 상기 제1 전극 집전체(101)는 상기 제2 전극의 길이방향 단부(310)에 대향하는 면 상에 상기 제1 전극 활물질층(103)을 구비하는 단면 유지부 및 제1 전극 활물질층을 구비하지 않는 무지부를 포함하는 것일 수 있고, 상기 용접부(W)는 상기 단선 방지부(40) 및 상기 제1 전극 집전체(101)의 무지부를 포함하는 제1 전극의 길이방향 일 영역에 형성되는 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 용접부는 제1 전극 집전체의 단선 방지부가 구비된 일면의 반대면 상에 용접을 위한 무지부를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 용접부(W)가 상기 제1 전극 활물질층(103)을 포함하지 않는 경우, 상기 용접부는 레이저 용접 또는 저항 용접에 적합할 수 있다. 구체적으로, 레이저 용접은 산소 아세틸렌 또는 프로판 불꽃으로 접한 부분을 가열한 후 압력을 가하여 용접하는 방법으로, YAG 레이저 또는 CO2 레이저를 사용할 수 있다. 또한, 저항 용접은 재료를 녹이지 않고 압력을 통해 두 물질을 접합하는 가공 방법으로, 고전류 전기회로를 통해 재료를 가열하면서 외압을 가하여 강한 접합부를 얻을 수 있는 가공 방법으로서, 통상적으로 탭 용접에 사용하는 설비를 사용 가능하므로, 추가적인 설비가 필요하지 않아 경제성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 집전체의 상기 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에는 제1 전극 활물질층이 구비되는 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 상기 제1 전극 집전체(101)는 상기 제2 전극의 길이방향 단부(310)에 대향하는 면 상에 제1 전극 활물질층(103)이 구비되는 단면 유지부를 소정의 길이로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 단면 유지부의 길이방향 길이는 20 mm 이상 200 mm 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참고하면, 상기 제1 전극 집전체(101)의 상기 제2 전극의 길이방향 단부(310)에 대향하는 면 상에 구비되는 상기 단면 유지부의 길이방향 길이(L6)는 25 mm 이상, 30 mm 이상 또는 35 mm 이상인 것일 수 있고, 상기 단면 유지부의 길이방향 길이(L6)는 195 mm 이하, 190 mm 이하 또는 185 mm 이하인 것일 수 있다. 상기 단면 유지부의 길이방향 길이(L6)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 젤리-롤형 전극조립체 내 단면 유지부를 포함하면서도 상기 제1 전극 활물질층과의 관계에서 추가적인 단차 형성을 최소화할 수 있고, 셀의 설계 용량 및 전지케이스의 내부 공간을 일정하게 유지할 수 있다. 여기서, 전지케이스의 내부공간은 전지케이스의 내부 부피에서 이에 수용되는 젤리-롤형 전극조립체의 부피 및 전해액의 부피를 제외한 부피를 의미하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용접부는 상기 단면 유지부의 길이방향 양 단부로부터 소정거리 이격되어 형성되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 용접부와 상기 단면 유지부의 길이방향 양 단부 간 이격거리(L5, L7)는 2 mm 이상인 것일 수 있다. 상기 용접부와 단선 방지부의 길이방향 양 단부 간 이격거리가 전술한 범위를 만족하는 경우, 레이저 용접 또는 저항 용접에 의한 상기 용접부의 형성이 보다 용이할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 단차부를 모식적으로 도시한 것이고, 도 5는 참고도면으로서의 젤리-롤형 전극조립체를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 상기 제1 전극(100)이 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310)를 덮고 있는 영역에 형성되는 빈 공간인 단차부(60)를 포함하는 것일 수 있고, 상기 단선 방지부(50)는 상기 단차부(60)에 대향하는 면의 반대면, 즉 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 것일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극조립체는 최외각에 위치한 제1 전극(100)이 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310)보다 길게 연장되어 상기 전극조립체의 외곽으로 추가 권취되는 것일 수 있고, 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310) 옆에는 제2 전극의 두께에 의한 단차가 형성되는 영역인 단차부(60)가 형성되는 것일 수 있으며, 상기 제1 전극(100)의 상기 단차부(60)에 대향하는 면의 반대면 상에는 단선 방지부(50)가 구비되는 것일 수 있다.
다시 말해, 젤리-롤형 전극조립체는 권취된 상태에서 제1 전극/분리막/제2 전극/분리막/제1 전극의 적층구조를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 제2 전극의 길이는 나머지 층보다 짧을 수 있고, 권취된 전극조립체의 최외각부에는 제1 전극/분리막/빈 공간/분리막/제1 전극의 적층구조를 형성하는 영역, 즉 단차부(60)가 존재할 수 있다. 이 때, 최외각에 위치한 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310)가 접하는 제1 전극(100)의 내주면은 충방전으로 인한 수축 및 팽창 시 응력이 집중되므로, 해당 부분에 응력 집중으로 인한 크랙이 발생할 수 있고, 단선 시 저항 증가 및 전지 안정성 문제 등이 발생할 수 있다. 상기 단차부(60)에 대향하는 면의 반대면 상에 단선방지 테이프(70)를 부착할 수 있으나, 상기 단선방지 테이프(70)가 충분한 두께를 갖지 못하는 경우 전극 크랙 방지 효과가 미비할 수 있으며, 단선이 발생한 경우 저항 증가 및 과충전 안정성 문제 개선 효과가 열등할 수 있다. 이에 반해, 본 발명에 따른 전극조립체는 제1 전극(100)의 단차부(60)에 대향하는 면의 반대면 상에 단선 방지부(40)가 구비되고, 상기 단선 방지부(40)는 제1 전극 집전체(101)와 전기적으로 연결되는 용접부(W)를 포함함으로써, 최외각 음극의 응력 집중으로 인한 전극조립체의 크랙 및 변형을 방지할 수 있으면서도, 추가의 도전성 통로를 제공하므로 단선 시에도 저항 증가를 억제하고 전지 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극일 수 있다. 구체적으로, 전극조립체의 최외각층인 제1 전극이 음극일 수 있고, 상기 전극조립체는 음극/분리막/양극/분리막이 권취되는 음극 최외각 구조인 것일 수 있다. 다시 말해, 젤리-롤형 전극조립체의 최외각에 음극을 노출시키는 외주 탭 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체 상에 구비된 제1 전극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극은 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성되며, 제1 전극 활물질을 포함하는 제1 전극 활물질층을 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극 활물질층은 상기 제1 전극 집전체의 제1 전극 유지부에 형성되고, 상기 제1 전극 활물질층이 구비되지 않은 면은 제1 전극 무지부로 표현될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 집전체는 제1 전극 활물질층이 형성되는 제1 전극 유지부와 제1 전극 활물질층이 형성되지 않는 제1 전극 무지부를 포함하는 것일 수 있고, 제1 전극 무지부 상에 제1 전극 탭을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극 집전체는 제1 전극 무지부를 포함할 수 있으며, 상기 제1 전극 무지부에 형성된 제1 전극 탭을 포함하는 것일 수 있다. 이에 따라, 제조되는 전극조립체는 제1 전극 탭을 1개 이상 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 활물질층은 실리콘계 물질 및 탄소계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 제1 전극 활물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극 활물질층은 제1 전극 도전재 및 제1 전극 바인더를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 전극 활물질; 제1 전극 도전재; 및 제1 전극 바인더는 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더로서 당업계에 사용되는 물질이 제한 없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제1 전극 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 제1 전극 집전체로 사용할 수 있다.
상기 제1 전극 집전체의 두께는 8 ㎛ 이상 180 ㎛ 이하일 수 있으나, 상기 제1 전극 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 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.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극은 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체 상에 구비된 제2 전극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전극은 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성되며, 제2 전극 활물질을 포함하는 제2 전극 활물질층을 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 제2 전극 활물질층은 상기 제2 전극 집전체의 제2 전극 유지부에 형성되고, 상기 제2 전극 활물질층이 구비되지 않은 면은 제2 전극 무지부로 표현될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극 집전체는 제2 전극 활물질층이 형성되는 제2 전극 유지부와 제2 전극 활물질층이 형성되지 않는 제2 전극 무지부를 포함하는 것일 수 있고, 제2 전극 무지부 상에 제2 전극 탭을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전극 집전체는 제2 전극 무지부를 포함할 수 있으며, 상기 제2 전극 무지부에 형성된 제2 전극 탭을 포함하는 것일 수 있다. 이에 따라, 제조되는 전극조립체는 제2 전극 탭을 1개 이상 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로, 상기 제2 전극 집전체로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극 집전체는 통상적으로 60 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있으며, 상기 제2 전극 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 제2 전극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (0≤x≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤y≤0.3를 만족한다.)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-zMzO2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤z≤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; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 전극은 Li-metal일 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극 활물질층은 제2 전극 도전재 및 제2 전극 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 전극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로, 상기 제2 전극 도전재는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극 바인더는 제2 전극 활물질 입자들 간의 부착 및 제2 전극 활물질과 제2 전극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극의 길이방향 단부는, 상기 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 활물질층이 동일한 위치에서 길이방향 단부를 형성하는 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 제2 전극의 길이방향 단부는 프리엣지(free edge) 인 것일 수 있다. 여기서, 프리엣지 형태는 전극 제2 전극 활물질층의 단부와 전극 집전체의 단부가 일치하는 형태를 의미하는 것일 수 있으며, 이는 길이방향 단부가 길이방향에 수직한 면을 기준으로 완전히 일치하는 경우뿐만 아니라 공정 및 측정상의 오차를 갖는 경우도 포함하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 프리엣지 형태인 상기 제2 전극의 길이방향 단부를 최외각 층인 제1 전극이 덮고 있는 구조를 갖는 것일 수 있고, 상기 제1 전극이 상기 제2 전극의 제2 단부를 덮고 있는 영역에 형성되는 빈 공간인 단차부를 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5를 참고하면, 상기 전극조립체(1000)의 최외각에는 제1 전극(100)이 존재하며, 상기 제1 전극 (100)은 제1 전극 집전체(101)의 양면에 각각 제1 전극 활물질층(102, 103)을 구비하고, 무지부(non-coating area)를 포함할 수 있다. 반면, 상기 전극조립체(1000)의 최외각에는 제2 전극(300)이 존재하며, 상기 제2 전극(300)은 제2 전극 집전체(301)의 양면에 각각 제2 전극 활물질층(302,303)을 구비하지만, 무지부(non-coating area)를 포함하지 않는 것일 수 있다. 다시 말해, 제2 전극 집전체와 제2 전극 활물질층의 말단이 일치하는 프리엣지(free edge) 형태일 수 있다. 즉, 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310)는 길이방향으로 동일한 길이를 갖는 제2 전극 활물질층(302,303)의 단부와 제2 전극 집전체(301)의 단부를 포함하는 것일 수 있고, 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310)는 상기 제2 전극 활물질층(302, 303)의 단부와 제2 전극 집전체(301)의 단부가 일치하는 것일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극(100)의 상기 제2 전극(300)의 길이방향 단부(310)의 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 존재하는 무지부는, 해당 영역의 응력집중에 의한 단락 또는 크랙 발생 가능성을 줄이기 위해 부착된 단선방지 테이프(70)를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 복수의 분리막을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 제1 전극/분리막/제2 전극/분리막을 순서대로 적층한 구조일 수 있다. 상기 분리막은 제1 전극과 제2 전극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2 층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또한, 상기 분리막은 통상적으로 10 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는, 상기 젤리-롤형 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것인 이차전지를 제공하며, 상기 젤리-롤형 전극 조립체에 포함되는 내용은 전술한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이차전지는 상기 전지케이스의 개구부에 결합되는 캡 어셈블리를 포함할 수 있고, 상기 캡 어셈블리는 탑 캡, 안전 벤트 및 전류차단소자 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 전지케이스의 내면과 직접 접촉하여 상기 전지케이스가 제1 전극 단자의 역할을 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지 케이스의 내부는 전해질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질은 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질 또는 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속염은 리튬염일 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2-, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질에는 상기 전해질 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-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지케이스는 원통형인 것일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지케이스에 수용될 수 있으며, 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 포함하는 조립체; 캡 어셈블리; 및 전해질이 포함되어 있는 전지케이스가 원통 형상을 가지므로, 제조되는 이차전지 자체의 형태가 원통형일 수 있다.
이상 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시상태를 제시하였으나, 상기 실시상태는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
1000: 젤리-롤형 전극조립체
100, 100': 제1 전극
101: 제1 전극 집전체
102, 103: 제1 전극 활물질층
110: 제1 전극의 길이방향 단부
20, 20': 분리막
300: 제2 전극
301: 제2 전극 집전체
302, 303: 제2 전극 활물질층
310: 제2 전극의 길이방향 단부
40: 단선 방지부
W: 용접부
50: 제1 전극 탭
60: 단차부
70: 단선방지 테이프
L1: 단선 방지부 및 제1 전극 활물질층 간 이격거리
L2: 단선 방지부의 길이방향 길이
L3: 단선 방지부 및 제1 전극 탭 간 이격거리
L4, L8: 용접부 및 단선 방지부 간 이격거리
L5, L7: 용접부 및 단면 유지부 간 이격거리
L6: 단면 유지부의 길이방향 길이
Lh: 단선 방지부의 권취축방향 길이

Claims (17)

  1. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 젤리-롤형 전극조립체에 있어서,
    상기 제2 전극은 제2 전극 집전체; 및 상기 제2 전극 집전체의 적어도 일면 상에 구비되는 제2 전극 활물질층을 포함하고,
    상기 제1 전극은 제1 전극 집전체; 상기 제1 전극 집전체의 적어도 일면상에 구비되는 제1 전극 활물질층; 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 단선 방지부; 및 상기 제1 전극 집전체와 상기 단선 방지부를 전기적으로 연결하는 용접부를 포함하고,
    상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 일치하지 않는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 집전체와 동일한 소재인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극의 길이방향 단부는 상기 단선 방지부의 길이방향 양 단부의 사이에 위치하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제1 전극의 길이방향 단부에 구비되는 제1 전극 탭을 더 포함하고,
    상기 단선 방지부는 상기 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부와 상기 제1 전극 탭 사이에 구비되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극 탭은 상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단선 방지부는,
    상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 상기 제1 전극 활물질층의 길이방향 단부; 및
    상기 제1 전극 집전체의 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면의 반대면 상에 구비되는 상기 제1 전극 탭 사이에 구비되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단선 방지부의 권취축방향 길이는 상기 제1 전극 집전체의 권취축방향 길이를 기준으로, 50 % 이상 100 % 이하인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 제2 전극의 길이방향 단부와 중첩되지 않는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 복수로 형성되고,
    상기 제2 전극의 길이방향 단부는 상기 복수의 용접부 사이에 위치하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 복수로 형성되고,
    상기 복수의 용접부는 서로 대칭을 이루도록 형성되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 제1 전극 집전체의 상기 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 구비되는 상기 제1 전극 활물질층을 포함하는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 제1 전극 집전체의 상기 제2 전극의 길이방향 단부에 대향하는 면 상에 상기 제1 전극 활물질층을 포함하지 않는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 길이방향 단부는, 상기 제2 전극의 길이방향 단부보다 길게 연장되어 상기 전극조립체의 외곽으로 추가 권취되는 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극의 길이방향 단부는, 상기 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 활물질층이 동일한 위치에서 길이방향 단부를 형성하는 것인 젤리-롤형 전극 조립체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 것인 젤리-롤형 전극조립체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 젤리-롤형 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 것인 이차전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전지케이스는 원통형인 것인 이차전지.
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