KR20240056050A - 전극 조립체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

전극 조립체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전극 조립체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자 {ELECTRODE ASSEMBLY, METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전지의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 특히 최근 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 소형 경향화 및 고용량으로 충·방전 가능한 전지로서 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조인 젤리-롤(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체로 구분된다.
그러나, 이러한 종래의 전극 조립체는 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 젤리-롤 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 되므로, 충·방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극 조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극 조립체의 변형이 발생하게 된다. 상기 전극 조립체의 변형으로 전극 간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고, 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다. 또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려워 생산성이 저하되는 문제점도 가지고 있다.
둘째, 스택형 전극 조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에서 많은 시간과 노력이 요구되므로, 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트(폴딩 분리막)를 이용하여 권취한 구조인 전극 조립체가 개발되었다.
도 1은 종래기술에 따른 전극 조립체의 모식도이고, 도 2는 종래기술에 따른 전극 조립체의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 전극 조립체(1)는 복수 개의 양극(20), 분리막(12) 및 음극(11)이 순차적으로 적층된 적층체를 포함한다. 이 때, 양극(20)과 음극(11)은 절단된 후 사용되고, 분리막(12)은 연속적인 시트 형태로서 양극(20)과 음극(11)에 인접하여 적층되는 동시에 양극(20)과 음극(11)의 일 말단에서 폴딩된다.
상기 전극 조립체 제조 공정에 양극과 음극은 일정 길이로 절단된 후 사용된다. 그러나, 음극으로서 리튬 금속을 포함하는 리튬 음극이 사용될 경우, 리튬 금속 고유의 무른 성질과 높은 점성으로 인하여, 리튬 음극은 절단 공정에서 매우 취약한 특성을 나타내게 된다. 즉, 리튬 음극이 절단 설비와의 직접적인 접촉으로 인하여 형태가 변형될 수도 있다.
따라서, 리튬 음극을 포함하는 전극 조립체 제조시, 리튬 음극과 공정에 사용되는 설비가 직접적으로 접촉하지 않도록 하는 새로운 구조의 전극 조립체의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2023530호
따라서, 본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 리튬 음극을 포함하는 전극 조립체 제조 공정에서 리튬 음극과 공정에 사용되는 설비가 직접적으로 접촉하지 않고, 안정적인 구조를 가지는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 두 개의 분리막 사이에 리튬 음극이 개재되어 형성되는 전극 적층체; 및
복수 개의 양극;을 포함하는 전극 조립체로서,
상기 전극 적층체는 복수 개의 직선부와 폴딩부를 포함하고,
상기 폴딩부는 인접한 폴딩부와 서로 반대 방향으로 폴딩되고,
상기 양극은 폴딩부의 사이에 각각 삽입되어 직선부와 인접하여 적층되며,
상기 폴딩부는 양극의 단부와 밀착되지 않도록 폴딩되는 것인, 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전극 적층체에 포함된 음극과 분리막은 연속적으로 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전극 적층체에 포함된 복수 개의 직선부와 폴딩부는 교호로 연속적으로 연결된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 직선부의 길이는 양극의 길이와 동일하거나 또는 더 긴 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 두 개의 분리막 및 리튬 음극의 길이는 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 리튬 음극의 일 끝단 또는 양 끝단은 리드를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 복수 개의 양극은 각각의 양극마다 탭을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 리튬 음극은 집전체 프리(free)일 수 있다.
본 발명은 (1)두 개의 분리막 사이에 리튬 음극을 개재하고, 합지하여 연속된 전극 적층체를 제조하는 단계;
(2)상기 연속된 전극 적층체 상면에 양극을 배치하는 단계;
(3)상기 연속된 전극 적층체를 양극 방향으로 폴딩하여 양극을 덮는 단계;를 포함하며,
상기 양극의 단부와 연속된 전극 적층체가 밀착되지 않도록 연속된 전극 적층체를 폴딩하는 것인 본 발명의 전극 조립체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (1)단계는 리튬 음극의 일 끝단 또는 양 끝단에 리드를 용접한 후 상기 리튬 음극과 두 개의 분리막을 합지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (1)단계의 합지는 가압에 의해 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 분리막은 표면에 바인더를 포함하지 않는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 (2) 및 (3)단계를 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 본 발명의 전극 조립체를 포함하는 전기화학 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전기화학 소자는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명의 전극 조립체는 두 개의 분리막 사이에 삽입된 연속적인 형태의 리튬 음극을 사용하여, 리튬 음극을 타발 공정에 적용하지 않아도 되므로, 타발 공정에서 리튬 음극과 공정 설비의 직접적인 접촉에 의해 리튬 음극의 형태가 변형되는 문제를 해결할 수 있고, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체는 전극 적층체의 폴딩부와 양극의 단부가 밀착되지 않고 잉여 공간을 포함함에 따라, 충·방전시 리튬의 부피 변화로 인한 양극의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전극 조립체의 모식도이다.
도 2는 종래기술에 따른 전극 조립체의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 적층체의 모식도이다.
도 5는 종래기술에 따른 전극 조립체의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
전극 조립체
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 모식도이다.
도 3을 참조하면, 전극 조립체(1)는 두 개의 분리막(12) 사이에 리튬 음극(11)이 개재된 전극 적층체(10); 및 복수 개의 양극(20)을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 전극 적층체(10)는 두 개의 시트형 분리막(12) 사이에 리튬 음극(11)이 개재되어 형성될 수 있다. 상기 리튬 음극(11)은 두 개의 시트형 분리막(12) 사이에 연속적으로 개재된 시트형 리튬 박막일 수 있다. 상기 리튬 음극(11)을 타발하지 않고 분리막(12) 사이에 개재하여 전극 적층체(10) 형태로 적용할 수 있으므로, 리튬의 무른 성질과 높은 점성으로 인해 타발시 발생할 수 있는 리튬 음극(11)의 형태 변형과 같은 문제점을 방지할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "시트형 분리막"이란, 분리막이 하나의 시트 형상을 가지는 것을 의미한다. 하나의 시트형 분리막은 절단된 부분 없이 연속적인 형태를 가지는 것일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "시트형 리튬 박막"이란, 리튬 음극으로 적용되는 리튬 박막이 하나의 시트 형상을 가지는 것을 의미한다. 하나의 시트형 리튬 박막은 절단된 부분 없이 연속적인 형태를 가지는 것일 수 있다.
리튬 음극(11)이 별도의 타발 공정을 거치지 않고 연속적인 리튬 박막 형태로 전극 조립체(1)에 적용되므로, 리튬 음극(11)은 그 두께가 과도하게 두껍지 않으면서, 유연하게 폴딩될 수 있는 특성을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
상기 리튬 음극(11)의 두께는 당 업계에서 사용되는 정도의 두께라면 특별히 한정하는 것은 아니다. 다만, 두께가 지나치게 얇으면 음극 용량이 감소하여 전지의 수명이 단축될 수 있고, 두께가 지나치게 두꺼우면 전지의 두께가 두꺼워져 박막형 전지가 요구되는 제품에 적용하기가 어렵고, 폴딩이 쉽지 않아 전극 적층체(10) 제조가 어려울 수 있다.
또한, 전극 적층체(10)는 일 방향으로 연속적으로 형성된 시트 형상의 적층체가 일정 간격으로 폴딩된 형태를 가지는 것일 수 있다. 구체적으로, 전극 적층체(10)는 복수 개의 직선부(S)와 폴딩부(F)를 포함할 수 있다. 직선부(S)와 폴딩부(F)는 교호로 연속적으로 연결된 것일 수 있다. 또한, 상기 폴딩부(F)는 인접한 폴딩부(F)와 서로 반대 방향으로 폴딩된 것일 수 있으며, 일 구체예로 지그재그 형태로 폴딩된 것일 수 있다.
또한, 상기 두 개의 분리막(12) 및 리튬 음극(11)의 길이는 동일한 것일 수 있다. 이는 상기 전극 적층체(10)를 한 번에 절단한 것을 의미하며, 제조 공정이 단순한 효과를 가질 수 있다.
상기 복수 개의 양극(20)은 폴딩부(F)의 사이에 각각 하나씩 삽입되어 직선부(S)와 인접하여 적층되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 직선부(S)는 양극(20)과 인접하여 교호로 적층된 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 직선부(S)와 양극(20)은 한 층씩 교호로 적층된 형태일 수 있다. 직선부(S)와 양극(20)이 한 층씩 교호로 적층됨으로써, 직선부(S) 내에 포함된 리튬 음극(11)과 양극(20)이 분리막(12)을 사이에 두고 한 층씩 교호로 적층된 형태를 가지게 되므로, 리튬 음극(11)과 양극(20) 사이의 리튬 이온의 이동과 전자의 전달이 원활이 이루어져 전지의 효율 측면에서 유리할 수 있다. 만약, 직선부(S)가 2개 이상 연속으로 적층되어 있거나, 양극(20)이 2개 이상 연속으로 적층되어 있는 부분이 있다면, 전위차가 발생하지 않아 전지의 효율이 저하될 수 있다. 특히, 양극(20)이 2개 이상으로 연속으로 적층되면 전극 조립체(1)의 두께가 증가하고, 용량이 증가하게 되며, 양극(20)과 리튬 음극(11)의 균형이 맞지 않아 리튬 음극(11)에 과부하가 발생하며, 그로 인하여 리튬 음극(11)이 빠르게 소진되어 수명 특성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 직선부(S)는 양극(20)의 길이와 동일하거나 더 긴 것일 수 있다. 양극(20)과 리튬 음극(11)의 단락(short)이 발생할 수 있고, 양극(20)과 리튬 음극(11)의 균형(balance)으로 인해 직선부(S)의 길이가 양극(20)의 길이보다 더 긴 것이 바람직할 수 있다. 만약, 직선부(S)의 길이가 양극(20)의 길이보다 짧다면 전극 적층체(10)에서 양극(20) 중 일부가 돌출될 수 있고, 돌출된 부분은 미반응 영역이 될 수 있으므로, 미반응 영역 형성에 의한 용량 저하가 초래될 수 있다.
상기 직선부(S)가 끝나는 지점에서 폴딩부(F)가 형성되는 것일 수 있다.
상기 전극 조립체(1)의 최외곽층은 전극 적층체(10) 또는 양극(20)일 수 있다. 상기 최외곽층이 전극 적층체(10)일 경우, 양극(20)과 인접하여 적층된 직선부(S)의 개수는 양극(20)의 개수보다 하나 더 많은 것일 수 있다.
폴딩부(F)는 전극 적층체(10)가 양극(20)의 단부를 감싸는 형태로 폴딩되어 형성될 수 있으며, 양극(20)의 양 측면의 단부 중 일 측면의 단부 만을 감싸는 형태로 폴딩되어 형성된 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 폴딩부(F)는 양극(20)의 단부와 밀착되지 않도록 폴딩되는 것일 수 있다. 즉, 양극(20)의 단부와 폴딩부(F) 사이에는 잉여 공간이 존재할 수 있다. 전지의 충·방전시 리튬 음극(11)은 부피 변화가 발생한다. 만약, 상기 잉여 공간이 존재하지 않는다면, 리튬 음극(11)의 부피 팽창시 이를 수용할 수 있는 공간이 부족하여 직선부(S)에 위치한 양극(20)이 구부러지는 등의 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 폴딩부(F)와 양극(20)의 단부는 밀착되어서는 안되며, 리튬 음극(11)의 팽창된 부피 만큼을 수용할 수 있는 잉여 공간을 확보해야 한다. 도 5는 종래의 전극 조립체의 모식도이며, 폴딩부(F)는 양극(20)의 단부와 밀착되도록 폴딩되어 있다. 따라서, 종래의 전극 조립체(1)는 전지 충·방전시 양극이 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 본 발명의 전극 조립체(1)는 폴딩부(F)와 양극(20)의 단부가 밀착되지 않음에 따라, 상기 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 양극(20)의 단부와 폴딩부(F) 사이에는 이들을 고정하기 위한 구조체가 구비될 수 있다. 상기 구조체는 예컨대 맨드릴(mandrel)일 수 있다. 상기 구조체로 인하여 양극(20)의 단부와 폴딩부(F) 사이에는 잉여 공간이 형성될 수 있다.
본 발명에서는 음극으로 리튬 금속을 사용하므로 별도의 음극 집전체를 포함하지 않으며, 따라서, 상기 리튬 음극(11)은 집전체 프리(free)일 수 있다.
반면, 상기 양극(20)은 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 양극 집전체는 양극 활물질을 지지하며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.
상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함하며, 도전재, 바인더 및 첨가제 등을 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있으며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2, LiCo1-yMnyO2, LiNi1-yMnyO2(O?<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 황 화합물을 포함하고, 상기 황 화합물은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 유기황 화합물 Li2Sn(n≥1) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥2) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 무기 황(S8)을 사용할 수 있다.
상기 양극 활물질이 황 화합물을 포함함에 따라, 본 발명의 전극 조립체(1)를 포함하는 전기화학 소자는 리튬-황 전지일 수 있다.
상기 양극 활물질에 포함되는 황의 경우 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 탄소재와 같은 전도성 소재와 복합화하여 사용된다. 이에 따라, 상기 황은 황-탄소 복합체의 형태로 포함되며, 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체일 수 있다.
상기 분리막(11)은 표면에 바인더를 포함하지 않는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들어, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포 또는 폴리올레핀계 다공성 기재를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 기재의 재질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않고, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 예를 들어, 상기 다공성 기재는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate) 등의 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalate), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 나일론(nylon), 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(poly(p-phenylene benzobisoxazole) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함할 수 있다.
상기 리튬 음극(11)의 일 끝단 또는 양 끝단은 리드(13)를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 리드(13)는 리튬 음극(11)의 일 끝단 또는 양 끝단에 용접된 것일 수 있으며, 상기 전극 적층체(10)는 용접된 리드(13)를 포함하는 리튬 음극(11)이 두 개의 분리막(12) 사이에 개재되어 형성된 것일 수 있다. 상기 리튬 음극(11)은 별도의 타발없이 연속적인 형태를 가지며, 집전체를 포함하지 않으므로 리드(13)와 음극(11)을 연결하는 탭을 포함하지 않을 수 있다. 탭을 포함할 경우 탭 형성을 위해 리튬 음극(11)의 노칭을 실시해야 하며, 상기 과정에서 노칭 금형에 리튬 음극(11)이 소착되는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명의 전극 적층체(10)는 탭을 포함하지 않음에 따라 상기 문제를 해결할 수 있으며, 리튬 음극(11)의 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 양극(12)은 폴딩부(F) 사이에 각각 삽입된 하나의 양극(12)마다 탭(미도시)을 포함하며, 상기 각각의 탭은 서로 연결되어 양극 리드(미도시)와 연결된 형태를 갖는다.
상기 전극 조립체(1)는 Z-스태킹 전극 조립체일 수 있다.
전극 조립체의 제조방법
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 공정을 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조방법은 (1)두 개의 분리막(12) 사이에 리튬 음극(11)을 개재하고, 합지하여 연속된 전극 적층체(10)를 제조하는 단계;
(2)상기 연속된 전극 적층체(10) 상면에 양극(20)을 배치하는 단계;
(3)상기 연속된 전극 적층체(10)를 양극(20) 방향으로 폴딩하여 양극(20)을 덮는 단계;를 포함하며,
상기 (3)단계는 양극(20)의 단부와 연속된 전극 적층체(10)가 밀착되지 않도록 연속된 전극 적층체(10)를 폴딩하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (1)단계의 전극 적층체(10)의 제조는 별도의 열원 또는 접착제 없이 가압에 의하여 리튬 음극(11)과 두 개의 분리막(12)이 합지되는 것일 수 있다. 만약, 열원을 사용할 경우 분리막이 수축되는 문제가 발생할 수 있어 상기 분리막 수축이 일어나지 않는 온도를 유지해야 하는 과정이 수반되어야 하며, 접착제를 사용할 경우 접착제가 저항으로 작용할 수 있다. 상기 가압을 하는 방법은 당 업계에서 사용하는 것이라면 특별히 한정하는 것은 아니며, 일 구체예로 닙롤(Nip-roll)(30)을 사용하여 합지하는 것일 수 있다. 상기 가압에 의해서 두 개의 분리막(12) 사이에 리튬 음극(11)이 개재된 형태의 전극 적층체(10)가 제조되며, 리튬 음극(11)과 분리막(12) 사이의 정전기적 인력 등에 의하여 합지를 실시할 수 있다. 따라서, 상기 분리막(12)은 분리막 표면에 바인더를 포함하지 않는 것일 수 있으며, 별도의 바인더 없이도 분리막(12)과 리튬 음극(11)을 합지시킬 수 있다.
또한, 상기 (1)단계의 리튬 음극(11)은 일 끝단 또는 양 끝단에 리드가 용접된 것일 수 있으며, 상기 리드를 용접한 이후 두 개의 분리막(12) 사이에 리드가 용접된 리튬 음극(11)을 개재한 후 합지하는 것일 수 있다.
상기 리드의 용접은 전극 조립체(1)를 제조한 이후, 분리막(12)을 일부 박리하여 리튬 음극(11)에 리드를 용접하고, 다시 분리막(12)를 합지하는 방법으로도 실시할 수 있으나, 전극 적층체(10) 제조 전에 리튬 음극(11)의 일 끝단 또는 양 끝단에 리드를 용접한 후 전극 적층체(10)를 제조하는 것이 제조 공정 측면에서 더욱 바람직하다.
상기 (2)단계는 상기 연속된 전극 적층체(10) 상면에 양극(20)을 배치하는 단계이며, 상기 (3)단계는 상기 연속된 전극 적층체(10)를 양극(20) 방향으로 폴딩하여 양극(20)을 덮는 단계일 수 있다.
상기 (3)단계에서 연속된 전극 적층체(10)를 양극(20) 방향으로 폴딩함에 따라 전극 적층체(10)는 직선부(S) 및 폴딩부(F)가 형성되며, 상기 양극(20)은 전극 적층체(10)의 직선부(S)에 배치된 것일 수 있다. 또한, 상기 연속된 전극 적층체(10)를 양극(20) 방향으로 폴딩하여 양극(20) 전체를 연속된 전극 적층체(10)로 덮는 것일 수 있다.
이 때 양극(20)의 단부는 폴딩부(F)와 밀착되어서는 안되며, 양극(20)의 단부와 연속된 전극 적층체(10)가 밀착되지 않도록 연속된 전극 적층체(10)를 폴딩하는 것일 수 있다.
상기 (2) 및 (3)단계를 반복적으로 수행하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 그에 따라 전극 적층체(10)는 지그재그로 폴딩되는 것일 수 있다.
전기화학소자
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
상기 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전기화학소자는 모든 종류의 일차 전지, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼캐패시터 소자와 같은 캐퍼시터(capacitor)일 수 있다. 상기 전기화학소자가 이차전지인 경우, 상기 전기화학소자는 리튬 이차전지일 수 있으며, 상기 리튬 이차전지는 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 전극 조립체
10: 전극 적층체
11: 리튬 음극
12: 분리막
13: 리드
20: 양극
30: 닙롤
S: 직선부
F: 폴딩부

Claims (16)

  1. 두 개의 분리막 사이에 리튬 음극이 개재되어 형성되는 전극 적층체; 및
    복수 개의 양극;을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 전극 적층체는 복수 개의 직선부와 폴딩부를 포함하고,
    상기 폴딩부는 인접한 폴딩부와 서로 반대 방향으로 폴딩되고,
    상기 양극은 폴딩부의 사이에 각각 삽입되어 직선부와 인접하여 적층되며,
    상기 폴딩부는 양극의 단부와 밀착되지 않도록 폴딩되는 것인, 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 적층체에 포함된 음극과 분리막은 연속적으로 형성된 것인, 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 적층체에 포함된 복수 개의 직선부와 폴딩부는 교호로 연속적으로 연결된 것인, 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 직선부의 길이는 양극의 길이와 동일하거나 더 긴 것인, 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 분리막 및 리튬 음극의 길이는 동일한 것인, 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 음극의 일 끝단 또는 양 끝단은 리드를 포함하는 것인, 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 양극은 각각의 양극마다 탭을 포함하는 것인, 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층을 포함하는 것인, 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 음극은 집전체 프리(free)인, 전극 조립체.
  10. (1)두 개의 분리막 사이에 리튬 음극을 개재하고, 합지하여 연속된 전극 적층체를 제조하는 단계;
    (2)상기 연속된 전극 적층체 상면에 양극을 배치하는 단계;
    (3)상기 연속된 전극 적층체를 양극 방향으로 폴딩하여 양극을 덮는 단계;를 포함하며,
    상기 양극의 단부와 연속된 전극 적층체가 밀착되지 않도록 연속된 전극 적층체를 폴딩하는 것인, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극 조립체 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (1)단계는 리튬 음극의 일 끝단 또는 양 끝단에 리드를 용접한 후 상기 리튬 음극과 두 개의 분리막을 합지하는 것인, 전극 조립체 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (1)단계의 합지는 가압에 의해 이루어지는 것인, 전극 조립체 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 분리막은 표면에 바인더를 포함하지 않는 것인, 전극 조립체 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 (2) 및 (3)단계를 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 것인, 전극 조립체 제조방법.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전기화학 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전기화학 소자는 리튬 이차전지인, 전기화학 소자.
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