KR20240056399A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

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KR20240056399A
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Abstract

양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체가 제공된다. 상기 음극은 리튬 금속을 포함하고, 2개의 분리막 사이에 개재되어 음극 구조체를 형성한다. 상기 음극 구조체는 복수의 스택부 및 복수의 폴딩부를 포함한다. 상기 전극 조립체는 음극 구조체의 스택부와 양극이 교호로 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 상기 음극은 음극 구조체에서 분리막보다 폭 방향으로 돌출된 복수의 음극 탭을 포함한다. 상기 음극 탭의 수는 음극 구조체의 스택부의 수보다 적어도 하나 이상 적다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 음극 탭의 개수를 줄여 음극 탭의 용접 공정 등 이후 공정에서 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자{ELCTRODE ASSEMBLY AND ELECTROCHEMICAL DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 2개의 분리막 사이에 리튬 금속을 개재한 음극 구조체를 활용한 전극 조립체로서, 음극 탭 수를 줄여 음극 탭의 수는 음극 구조체의 스택부의 수보다 적어도 하나 이상 적은 전극 조립체 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 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 전지로서 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적인 예로, 전극 조립체는 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, 상기 젤리-롤 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 된다. 이러한 구조에서는 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극 조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극 조립체의 변형이 발생하게 된다. 나아가, 상기 전극 조립체의 변형은 전극 간의 간격을 불균일하게 만들어 전지의 성능을 급격히 저하시키고, 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래할 수 있다. 또한, 상기 젤리-롤 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려워 생산성이 저하되는 문제점도 가지고 있다.
둘째, 상기 스택형 전극 조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 한다. 이 때, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 스택형 전극 조립체는 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체가 개발되었다. 상기 스택-폴딩형 전극 조립체는 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 구조를 가진다.
상기 스택-폴딩형 전극 조립체는 일반적으로 전극 보다는 폴딩이 용이한 분리막을 연장하여 각 층의 전극을 연결한다. 이 때, 각 층의 전극은 스택형 전극 조립체와 마찬가지로 절단된 상태로 전극 조립체 형성을 위해 공급된다. 해당 기술분야에서 이차전지를 구성하는 다양한 전극 소재 중에 절단이 용이하거나 폴딩이 용이하지 않은 소재만으로 이차전지를 구성하는 경우, 이러한 일반적인 스택-폴딩형 전극 조립체가 보다 적합하다. 반면에, 해당 기술분야에서 이차전지의 음극 소재로 잘 알려진 리튬 금속은 연성 및 점성이 큰 물리적 성질로 인해 절단 등의 가공이 용이하지 않고, 상대적으로 폴딩이 용이하여, 기존의 스택-폴딩형 전극 조립체에 적합하지 않을 수 있다.
본 발명자는 전극 조립체의 구조에 대해 지속적인 연구 끝에 2개의 분리막 사이에 리튬 금속을 포함하는 음극을 개재한 음극 구조체를 활용하는 새로운 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체에 있어서, 음극 탭을 형성하기 적합한 구조를 설계하여 본 발명을 완성하였다.
한국등록특허 제2023530호
본 발명은 2개의 분리막 사이에 리튬 금속을 포함하는 음극을 개재한 음극 구조체를 활용한 새로운 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체에 있어서, 음극 탭을 적절하게 배치한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면,
본 발명은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극은 리튬 금속을 포함하고, 2개의 분리막 사이에 개재되어 음극 구조체를 형성한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체는 복수의 스택부 및 복수의 폴딩부를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극 구조체의 스택부와 양극이 교호로 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극은 음극 구조체에서 분리막보다 폭 방향으로 돌출된 복수의 음극 탭을 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 탭의 수는 음극 구조체의 스택부의 수보다 적어도 하나 이상 적다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 탭은 음극의 나머지 부분과 일체로 형성된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 복수의 음극 탭은 음극 구조체의 폭 방향의 양쪽 말단 중 한쪽 말단에만 위치하며, 전극 조립체의 높이 방향으로 나란히 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 양극은 음극 구조체에서 분리막보다 폭 방향으로 돌출된 양극 탭을 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 탭은 음극 구조체의 스택부에 위치하고, 음극 탭이 있는 스택부 사이에 음극 탭이 없는 스택부가 하나 이상 존재한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 복수의 음극 탭 중 하나는 최상층의 음극 구조체의 스택부에 위치하고, 상기 복수의 음극 탭 중 다른 하나는 최하층의 음극 구조체의 스택부에 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 복수의 음극 탭 중 하나 이상은 일 스택부에서 근접한 타 스택부까지 길이 방향으로 연장된 구조의 음극 탭이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체에서 하나의 음극 구조체의 스택부에는 둘 이상의 음극 탭이 위치하지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체에서 음극 탭이 위치한 음극 구조체의 스택부의 경우, 음극 탭의 길이가 스택부 길이의 50% 이하이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 폴딩부의 길이는 양극과 음극 구조체의 두께 합을 기준으로 2배 내지 10배이다.
본 발명의 제2 측면에 따르면,
본 발명은 상술한 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기화학소자는 리튬 이차전지이다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 음극 구조체에서 음극이 연속적으로 연결된 일체로 전극 조립체에 적용됨으로써, 음극에 음극 탭을 자유롭게 배치할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서는 일반적으로 전극 조립체의 하나의 층에 적어도 하나의 음극 탭을 포함하는 기존의 전극 조립체보다 음극 탭의 개수를 줄여 음극 탭의 용접 공정 등 이후 공정에서 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 용접된 음극 탭의 일부에 불량이 발생하더라도, 다른 음극 탭을 통해서 이를 보완할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체에서는 음극 탭을 줄이더라도 전지의 성능에 크게 영향을 미치지 않으며, 오히려 음극 탭을 최소화하여 무게당 에너지 밀도의 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따라 음극 탭을 포함하는 음극을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 음극 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2a는 본 발명의 일 구체예에 따른 음극 구조체의 각 층을 분리한 형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 2b는 본 발명의 일 구체예에 따른 음극 구조체를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 2c는 본 발명의 일 구체예에 따른 음극 구조체를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 구조체를 개략적으로 나타낸 정면도이다. 도 3 및 도 4는 음극 탭을 정면에 위치시켜 음극 탭의 예시적인 위치를 개략적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체에서 폴딩부 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 정면도이다.
이하, 구체예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 구체예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 구체예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 구체예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 구체예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 구체예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 구체예에 기재한 설명은 다른 구체예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 “길이 방향”은 도 1 및 도 2b와 같은 평면도와 도 2c, 도 3, 도 4 및 도 5와 같은 정면도에서 좌우 방향을 의미한다. 본 명세서에서 “폭 방향”은 도 1 및 도 2b와 같은 평면도에서는 상하 방향을 의미하고, 도 2c, 도 3, 도 4 및 도 5와 같은 정면도에서는 구분이 되지 않는 전후 방향을 의미한다. 본 명세서에서 “높이 방향”은 도 1 및 도 2b와 같은 평면도에서는 구분이 되지 않는 전후 방향을 의미하고, 도 2c, 도 3, 도 4 및 도 5와 같은 정면도에서는 상하 방향을 의미한다.
본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로, 2개의 분리막 사이에 리튬 금속을 포함하는 음극을 개재한 음극 구조체를 활용한 새로운 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체에 있어서, 음극 탭을 적절하게 배치한 전극 조립체를 제공한다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 음극 구조체에서 음극이 연속적으로 연결된 일체로 전극 조립체에 적용됨으로써, 음극에 음극 탭을 자유롭게 배치할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서는 일반적으로 전극 조립체의 하나의 층에 적어도 하나의 음극 탭을 포함하는 기존의 전극 조립체보다 음극 탭의 개수를 줄여 음극 탭의 용접 공정 등 이후 공정에서 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 용접된 음극 탭의 일부에 불량이 발생하더라도, 다른 음극 탭을 통해서 이를 보완할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체에서는 음극 탭을 줄이더라도 전지의 성능에 크게 영향을 미치지 않으며, 오히려 음극 탭을 최소화하여 무게당 에너지 밀도의 향상을 기대할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 양극, 음극 및 분리막을 포함한다. 상기 전극 조립체에서 양극 및 분리막은 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 소재면 특별히 한정되지 않지만, 음극은 리튬 금속을 포함한다. 본 명세서에서 리튬 금속은 리튬에 일부 성분이 첨가되거나 일부 금속과의 합금의 형태이더라도 리튬 금속과 물성이 큰 차이가 없어 리튬 금속과 동일하게 종래 전극 조립체에 적용 시 동일한 문제점이 발생할 수 있다면 폭넓게 확장 해석될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극은 2개의 분리막 사이에 개재되어 음극 구조체를 형성한다. 상기 음극 구조체는 길이 방향으로 연장된 구조를 가지며, 전극 조립체에는 하나의 음극 구조체만이 포함된다. 이 때, 길이 방향으로 연장된 구조를 가진 음극 구조체를 폴딩하여 내부에 양극을 고정하는 등의 방식으로 기본적인 전극 조립체 구조를 형성한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체에 개재되는 음극은 분리막보다 폭 방향으로 돌출된 복수의 음극 탭을 포함한다. 음극 탭이 형성된 음극의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 도 1은 음극 탭을 포함하는 음극의 예시적인 구조를 제공한다. 도 1과 같이, 음극 탭(11A)은 음극(11)에서 돌출된 부분을 의미하며, 이러한 음극 탭은 음극이 전기적으로 연결될 수 있도록 돕는다. 상기 음극 탭(11A)은 상술한 기능성을 부여하기 위해 음극을 전극 적층체 외부로 노출시킬 수 있다면, 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 상기 음극(11)에서 돌출부를 가지도록 음극 탭(11A)을 별도로 접착할 수도 있으나, 이는 접착된 부분의 두께의 증가로 음극이 평평한 평면을 이룰 수 없다는 점에서 바람직하지 않을 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 탭(11A)은 음극(11)의 나머지 부분과 일체로 형성된다. 이는 음극의 예시적인 원료인 리튬 금속에서 절단을 통해 음극 탭을 형성하는 것을 의미할 수 있고, 따라서 상기 음극 탭은 음극의 나머지 부분과 위치가 아닌 소재로는 구분되지 않을 수 있다.
2개의 분리막 사이에 음극이 개재된 음극 구조체의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 음극 구조체를 개략적으로 나타낸 도면을 제공한다. 구체적으로, 도 2a에서는 음극 구조체에서 각 층을 분리한 형상을 제공하고, 도 2b 및 도 2c에서는 음극 구조체를 바라본 위치를 달리하여 각 위치마다의 형상을 제공한다. 상기 분리막(12)은 양극(20)과 음극(11)을 완전히 분리하여 전지 구동 시 전기적인 단락(short)이 발생하는 것을 방지하기 때문에, 분리막(12)의 폭은 음극(11)의 폭과 동일하거나 길 수 있다. 여기서, 음극(11)의 폭은 음극 탭(11A) 부분을 제외한 폭을 의미하며, 도 2b와 같이 음극 탭(11A)에 의해 음극(11)은 분리막(12) 밖으로 돌출하여 노출될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체는 음극 구조체와 양극이 교호로 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 전극 조립체의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 도 3은 전극 조립체의 예시적인 구조를 제공한다. 분리막(12)보다 폭 방향으로 돌출된 음극 탭(11A)은 전극 조립체에서도 외부로 노출될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 복수의 양극과 달리 음극 구조체는 하나만을 포함하기 때문에, 음극 구조체를 위치에 따라 구분해서 표현하는 것이 발명의 이해에 도움이 될 수 있다. 본 명세서에서는 음극 구조체를 구분하는 개념으로 스택부(10S)와 폴딩부(10F)를 사용한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)는 복수의 스택부(10S) 및 복수의 폴딩부(10F)를 포함한다. 상기 음극 구조체(10)에서 스택부(10S) 및 폴딩부(10F)는 음극 구조체(10)의 길이 방향에 따라 다른 기능성을 갖는 위치를 구분한 단위이다. 상기 스택부(10S) 및 폴딩부(10F)는 위치가 아닌 소재로는 구분되지 않는다.
상기 스택부(10S)와 폴딩부(10F)의 위치에 대한 이해를 돕기 위해, 도 3에서는 일례로 스택부(10S)와 폴딩부(10F)의 위치를 표시한다. 상기 스택부(10S)는 양극(20)이 적층되는 위치의 음극 구조체(10)를 의미하며, 도 3와 같이 주로 직선의 형상을 가진다. 상기 스택부(10S)의 길이는 양극의 길이와 실질적으로 동일하다. 상기 폴딩부(10F)는 스택부(10S)와 스택부(10S) 사이를 연결하는 위치의 음극 구조체(10)를 의미하며, 도 3와 같이 주로 곡선의 형상을 가진다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 스택부(10S)와 폴딩부(10F)는 교호로 위치한다. 다시 말하면, 스택부(10S)와 스택부(10S) 사이는 폴딩부(10F)에 의해 구분될 수 있고, 폴딩부(10F)와 폴딩부(10F) 사이는 스택부(10S)에 의해 구분될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 구조체(1)는 음극 구조체(10)의 스택부(10S)와 양극(20)이 교호로 순차적으로 적층된 구조를 포함한다. 상기 전극 구조체(1)은 음극 구조체(10)의 스택부(10S)와 양극(20)이 교호로 순차적으로 적층된 구조를 포함하기 때문에, 해당 구조에서 스택부(10S) 및 폴딩부(10F)를 포함하는 음극 구조체(10)는 도 3 등과 같이 지그재그 형상을 가진다. 다시 말하면, 적층이 시작되는 음극 구조체(10)의 스택부(10S)부터 순차적으로 위치하는 폴딩부(10F)는 전극 조립체(1)에서 좌측 또는 우측에 교호로 위치한다. 상기 음극 구조체(10)의 스택부(10S)와 양극(20)이 교호로 적층되지 않고, 상기 스택부나 양극이 2개 이상 연속적으로 적층된다면, 연속적으로 적층된 층 사이에서는 전위차가 발생하기 않아 전지의 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 탭(11A)의 수는 음극 구조체(10)의 스택부(10S)의 수보다 적어도 하나 이상 적다. 스택형 전극 조립체에서는 양극뿐만 아니라 음극도 다수가 요구되며, 각 층의 음극은 서로 완전히 분리가 되어 있기 때문에, 각 층을 전기적으로 연결하기 위해서는 각 층마다 음극 탭이 요구된다. 그러나, 본 발명과 같이, 음극이 연속적으로 연결된 일체로 존재하는 경우, 음극 탭을 배치함에 있어 자유도가 높아진다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 하나의 음극 층에 반드시 하나의 음극 탭(11A)을 포함하는 것은 아니다. 상기 전극 조립체에서 하나의 음극 층은 하나의 스택부(10S)를 의미할 수 있는데, 상기 스택부(10S)는 반드시 하나의 음극 탭(11A)을 갖지 않아도, 폴딩부(10F)를 통해 음극 탭(11A)을 가진 스택부(10S)와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 복수의 음극 탭(11A)은 음극 구조체(10)의 폭 방향의 양쪽 말단 중 한쪽 말단에만 위치하며, 전극 조립체(1)의 높이 방향으로 나란히 위치한다. 상기 복수의 음극 탭(11A)은 전극 조립체 외부의 구성요소와 전기적으로 연결된다. 이 때, 각 층의 음극 탭(11A)을 하나로 연결하면, 전극 조립체(1)의 구조를 보다 단순화할 수 있다. 각 층의 음극 탭(11A)을 전극 조립체(1)의 높이 방향으로 나란히 위치시키면, 용접 등을 통해 각 층의 음극 탭을 하나로 연결하기 용이하다. 본 명세서에서 높이 방향으로 나란히 위치한다는 것은 각 층의 음극 탭을 높이 방향으로 이동 시 서로 중첩될 수 있다는 것을 의미하며, 이는 엄격하게 완전히 중첩되는 수준까지 요구하는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극(20)은 음극 구조체(10)보다 돌출된 양극 탭을 포함한다. 상기 양극 탭은 음극 구조체(10)보다 길이 방향 또는 폭 방향으로 돌출되어 위치하며, 이렇게 돌출된 양극 탭을 통해서 전극 구조체(1)의 양극(20)은 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 양극(20)은 다른 소재를 사용하기 때문에, 본 발명의 일 구체예에 따른 음극 탭과 동일한 방식으로 탭을 형성하지 않으며, 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 방식이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 양극의 경우, 음극과 달리 단일 소재가 아닌 양극 활물질 및 양극 집전체를 포함할 수 있으며, 양극 탭은 양극 집전체를 절단함으로써 형성될 수 있다. 본 명세서에서는 상기 양극 탭을 양극(20)에 포함되는 하나의 구성으로 보며, 음극 구조체(10)의 분리막(12)로부터 폭 방향으로 돌출된 부분을 의미한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 탭(11A)은 음극 구조체(10)의 스택부(10S)에 위치하고, 음극 탭(11A)이 있는 스택부(10S) 사이에 음극 탭(11A)이 없는 스택부(10S)가 하나 이상 존재한다. 상기 음극(11)은 음극 탭(11A)을 통해 전기적으로 연결될 수 있는데, 이렇게 음극 탭(11A)을 통해 음극(11)과 전기적으로 연결될 수 있는 범위는 음극 탭(11A)을 기준으로 길이 방향으로 양쪽이 될 수 있다. 따라서, 음극 탭(11A)이 각 층마다 이어서 존재하는 것은 음극 탭(11A)의 수를 줄이는 측면에서 비효율적인 배치일 수 있다. 이를 고려하여, 하나의 음극 탭(11A)이 존재하면 다음의 음극 탭(11A)은 일정 간격을 이격하여 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 복수의 음극 탭(11A) 중 하나는 최상층의 음극 구조체(10)의 스택부(10S)에 위치하고, 상기 복수의 음극 탭(11A) 중 다른 하나는 최하층의 음극 구조체(10)의 스택부(10S)에 위치한다. 여기서, 최상층과 최하층은 음극 구조체(10)의 스택부(10S)를 기준으로 판단한다. 따라서, 최상층의 음극 구조체(10)의 스택부(10S) 위에 양극(20)이 위치하는 경우, 전극 조립체(1)를 기준으로는 해당 음극 구조체(10)의 스택부(10S)가 최상층이 아닐 수 있다. 만찬가지로, 최하층의 음극 구조체(10)의 스택부(10S) 아래에 양극(20)이 위치하는 경우, 전극 조립체(1)를 기준으로는 해당 음극 구조체(10)의 스택부(10S)가 최하층이 아닐 수 있다. 최상층과 최하층에 음극 탭(11A)을 위치시켜 놓고 내부에 전기적 연결이 부족한 부분에 음극 탭(11A)을 보충하는 것이 전체 전극 조립체(1)의 관점에서 음극 탭(11A)의 위치를 배치하기에 용이할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 복수의 음극 탭(11A) 중 하나 이상은 일 스택부(10S)에서 근접한 타 스택부(10S)까지 길이 방향으로 연장된 구조의 음극 탭이다. 상기 음극 탭(11A)이 일 스택부(10S)에서 근접한 타 스택부(10S)까지 이어지기 위해서는 일 스택부(10S)와 타 스택부(10S)는 폴딩부(10F)로 연결이 되며, 상기 음극 탭(11A)은 폴딩부(10F) 전체를 통과한다. 길이 방향으로 연장된 음극 탭의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체를 개략적으로 나타낸 도면을 제공한다. 도 4에서는 길이 방향으로 연장된 구조의 음극 탭(11A')는 최상층에 위치한 음극 탭(11A)와 최하층에 위치한 음극 탭(11A) 사이에 위치한다. 이렇게 길이 방향으로 연장된 구조의 음극 탭(11A)는 두 층의 스택부(10S)를 음극 탭(11A)로 직접 연결한다는 측면에서 음극의 연결이 상대적으로 취약한 부분에 이를 보완하기 위해 활용될 수 있다. 상기 길이 방향으로 연장된 구조의 음극 탭(11A') 또한 일반 음극 탭(11A) 또는 똑같이 길이 방향으로 연장된 구조의 다른 음극 탭(11A')과 전극 조립체의 높이 방향으로 나란히 위치하여 용접 등을 통해 각 층의 음극 탭이 하나로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)에서 하나의 음극 구조체(10)의 스택부(10S)에는 둘 이상의 음극 탭(11A)이 위치하지 않는다. 상술한 바와 같이, 상기 음극(11)은 음극 탭(11A)을 통해 전기적으로 연결될 수 있는데, 이렇게 음극 탭(11A)을 통해 음극(11)과 전기적으로 연결될 수 있는 범위는 음극 탭(11A)을 기준으로 길이 방향으로 양쪽이 될 수 있다. 따라서, 하나의 층에 둘 이상의 음극 탭(11A)이 존재하는 것은 음극 탭(11A)의 수를 줄이는 측면에서 비효율적인 배치일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)에서 음극 탭(11A)의 길이는 스택부(10S)의 길이를 고려하여 적절하게 조절될 수 있다. 상기 길이는 음극 구조체(10)의 길이 방향을 기준으로 한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체에서 음극 탭이 위치한 음극 구조체의 스택부의 경우, 음극 탭의 길이가 스택부 길이의 50% 이하이다. 이는 절단된 복수의 음극 구조체가 적용되는 경우에 한 층의 음극 구조체 길이의 50% 이하를 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 탭의 길이는 스택부 길이의 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하일 수 있다. 상기 음극 탭의 길이를 너무 길게 형성하면, 본 발명에서 음극 탭을 최소화하는 취지에 부합하지 않으며, 전극 조립체에서 다른 구성과의 배치가 용이하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따라 음극 탭(11A)을 줄이기 위해서는 음극(11)이 폴딩부(10F)에서 끊어지지 않고 잘 연결되는 것이 중요할 수 있다. 이 때, 폴딩부(10F)의 길이를 조절하는 것은 폴딩부(10F) 내의 음극(11)의 안정적인 구조에 도움이 될 수 있다. 상기 음극 구조체(10)에서 폴딩부(10F)의 길이에 대한 이해를 돕기 위해, 도 5는 전극 조립체(1)에서 폴딩부(10F) 부분을 확대하여 나타낸 도면을 제공한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 폴딩부(10F)의 길이는 양극(20)과 음극 구조체(10)의 두께 합을 기준으로 2배 내지 10배이다. 상기 폴딩부(10F)의 길이는 폴딩부의 곡선의 길이를 의미한다. 곡선의 경우, 내측과 외측의 길이가 다를 수 있기 때문에, 중앙부의 길이를 측정한다. 예를 들면, 도 5에서 점선으로 표시된 부분을 절단한 후 이를 펼쳐서 길이를 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 폴딩부(10F)의 길이는 양극(20)과 음극 구조체(10)의 두께 합을 기준으로 2배 이상, 2.5배 이상, 3배 이상, 3.5배 이상, 4배 이상이고, 10배 이하, 9.5배 이하, 9배 이하, 8.5배 이하, 8배 이하이며, 2배 내지 10배, 3배 내지 9배, 4배 내지 8배 일 수 있다. 상기 폴딩부(10F)의 길이를 상기 범위 내에서 조절하는 경우, 전극 조립체에서 폴딩부의 결함을 줄일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)는 스택부(10S) 및 폴딩부(10F) 외에 랩핑부(미도시)를 더 포함한다. 상기 랩핑부를 통해 양극과 음극 구조체의 적층부를 한번 감쌈으로써 전극 구조체는 보다 안정적인 구조를 가질 수 있다. 상기 랩핑부는 직선 형상과 곡선 형상이 혼재할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 음극 구조체의 랩핑부에 의해 양극과 음극 구조체의 적층부가 둘러싸여지고, 상기 랩핑부는 하나 이상의 탭을 포함할 수 있다. 상기 랩핑부에 위치한 탭은 나머지 탭들과 전극 조립체의 높이 방향으로 나란히 위치할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극(20)은 양극 활물질 층 및 집전체를 포함한다. 상기 양극(20)은 집전체의 적어도 일면, 구체적으로는 양면에 양극 활물질 층이 형성된 구조를 가진다. 상기 양극 활물질 층은 양극 활물질을 포함하며, 도전재, 바인더 및 첨가제 등을 더 포함할 수 있다. 상기 집전체, 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 첨가제 등은 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것이면, 특별히 제한되지 않는다.
상기 양극 집전체는 양극 활물질을 지지하며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극 집전체는 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 활물질은 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 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<y<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 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 황 화합물은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 유기황 화합물 Li2Sn(n≥1) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥1) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는, 무기 황(S8)이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질이 황 화합물을 포함하는 경우, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)은 리튬-황 전지에 적용될 수 있다. 상기 양극 활물질에 포함되는 황의 경우 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 탄소재와 같은 전도성 소재와 복합화하여 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 황은 황-탄소 복합체의 형태로 포함되며, 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체일 수 있다.
상기 양극(20)은 상술한 내용을 고려할 때, 음극과 비교하여 상대적으로 폴딩이 용이하지 않고, 절단이 용이하다. 따라서, 상기 양극(20)은 적절한 크기로 절단하여 복수의 양극이 전극 조립체(1) 내부에 적용된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극(11)은 집전체를 포함하지 않는다. 상기 음극(11)은 집전체를 포함하지 않기 때문에, 전극 조립체 내에 음극 활물질의 로딩양을 향상시켜 전지의 성능 향상에 기여할 수 있다. 상기 음극(11)이 주로 리튬 금속으로 구성되는 경우, 리튬 금속이 연성 및 점성이 커서 절단 등의 가공이 용이하지 않을 수 있는데, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)에서는 음극 구조체(10) 형태로 음극을 적용하면서 절단을 최소화하여 공정성을 향상시킬 수 있다.
상기 음극 구조체(10)에서 음극(11)의 양면을 덮는 분리막(12)은 표면에 바인더를 포함하지 않는 것이라면, 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니다. 상기 분리막(12)은 구체적으로 예를 들어, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포 또는 폴리올레핀계 다공성 기재를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 분리막(12)은 리튬 금속의 음극(11)보다는 훨씬 가공성이 좋기 때문에, 본 발명에서는 상기 분리막(12)을 노칭하여 음극 탭을 제조한다.
상기 다공성 기재의 재질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않고, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 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.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 분리막(12)과 음극(11)의 길이는 동일하다. 상기 전극 조립체에 분리막(12)과 음극(11)은 2개의 노칭된 분리막(12) 사이에 음극(11)이 개재된 음극 구조체(10) 형태로 공급되는데, 이 때, 음극은 분리막과 동시에 한 번 절단된다는 점에서 상기 음극 구조체(10)에서 분리막(12)과 음극(11)의 길이는 실질적으로 동일하다. 다만, 음극 구조체(10)을 절단하는 방법에 따라 분리막(12)과 음극(11)의 길이에는 미차가 발생할 수 있고, 경우에 따라 분리막(12)의 말단은 음극 구조체(10)의 중심을 향하여 휘어질 수 있다. 상기 음극 구조체(10)는 공급 과정에서 분리막(12)과 음극(11)의 길이가 실질적으로 동일하더라도, 전극 조립체(1)에 적용 시, 폴딩 과정에서 리튬 금속의 연성으로 리튬 금속의 길이가 연장될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)는 하나의 음극 구조체(10)를 폴딩하여 전극 조립체(1)의 기본 구조를 형성한다는 점에서 상기 음극 구조체(10)는 유연하게 폴딩될 수 있도록 그 두께가 과도하게 두껍지 않아야 하며, 전지의 성능을 고려하여 음극 구조체(10) 내에는 음극 활물질인 리튬 금속이 일정 수준 이상 확보되어야 한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 리튬 금속의 두께는 음극 구조체(10)의 전체 두께를 기준으로 50% 내지 90%를 차지한다. 구체적으로, 상기 리튬 금속의 두께 범위는 50% 내지 90%, 구체적으로 55% 내지 85%, 보다 구체적으로 60% 내지 80%일 수 있다. 상기 리튬 금속이 상술한 두께 범위를 만족하는 경우, 전극 조립체의 공정성 및 기능성 향상에 도움이 될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)는 별도의 집전체를 포함하지 않기 때문에, 리튬 금속의 두께를 제외한 나머지 부분의 두께는 2개의 분리막의 두께를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 리튬 금속의 두께는 10 ㎛ 내지 90 ㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 금속의 두께는 10 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상 또는 30 ㎛ 이상일 수 있고, 70 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하 또는 90 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 리튬 금속의 두께는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 실제 전지의 크기에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)는 음극 구조체(10)와 달리 양극은 소재 등의 특성을 고려하여 절단하여 음극 구조체(10)의 스택부(10S) 사이에 적용된다. 상기 양극은 양극 활물질 외에 집전체를 포함하는 등 음극과는 구별되어 독립성을 가지지만, 전극의 성능 등을 고려할 때, 음극 또는 음극 구조체와 관련하여 그 두께가 조절될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극(20)의 두께는 음극 구조체(10)의 두께를 기준으로 100% 내지 400%의 두께를 가진다. 구체적으로, 상기 양극(20)의 두께 범위는 100% 내지 400%, 구체적으로 150% 내지 350%, 보다 구체적으로 200% 내지 300%일 수 있다. 상기 양극이 상술한 두께 범위를 만족하는 경우, 음극 구조체와 적절하게 조화를 이룰 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 전기화학소자에 적용된다. 상기 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전기화학소자는 모든 종류의 일차 전지, 이차전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐패시터(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 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1, 1': 전극 조립체(단, 1'는 전극 조립체의 일 부분)
10: 음극 구조체
10S: 스택부
10F: 폴딩부
11: 음극(리튬 금속)
11A, 11A': 음극 탭(단, 11A'는 길이 방향으로 연장된 음극 탭)
12: 분리막
20: 양극

Claims (12)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 음극은 리튬 금속을 포함하고, 2개의 분리막 사이에 개재되어 음극 구조체를 형성하고,
    상기 음극 구조체는 복수의 스택부 및 복수의 폴딩부를 포함하고,
    상기 전극 조립체는 음극 구조체의 스택부와 양극이 교호로 순차적으로 적층된 구조를 가지고,
    상기 음극은 음극 구조체에서 분리막보다 폭 방향으로 돌출된 복수의 음극 탭을 포함하고,
    상기 음극 탭의 수는 음극 구조체의 스택부의 수보다 적어도 하나 이상 적은 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 탭은 음극의 나머지 부분과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 음극 탭은 음극 구조체의 폭 방향의 양쪽 말단 중 한쪽 말단에만 위치하며, 전극 조립체의 높이 방향으로 나란히 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은 음극 구조체에서 분리막보다 폭 방향으로 돌출된 양극 탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 탭은 음극 구조체의 스택부에 위치하고, 음극 탭이 있는 스택부 사이에 음극 탭이 없는 스택부가 하나 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 음극 탭 중 하나는 최상층의 음극 구조체의 스택부에 위치하고, 상기 복수의 음극 탭 중 다른 하나는 최하층의 음극 구조체의 스택부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 음극 탭 중 하나 이상은 일 스택부에서 근접한 타 스택부까지 길이 방향으로 연장된 구조의 음극 탭인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체에서 하나의 음극 구조체의 스택부에는 둘 이상의 음극 탭이 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체에서 음극 탭이 위치한 음극 구조체의 스택부의 경우, 음극 탭의 길이가 스택부 길이의 50% 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체에서 폴딩부의 길이는 양극과 음극 구조체의 두께 합을 기준으로 2배 내지 10배인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기화학소자는 리튬 이차전지인 전기화학소자.
KR1020230097399A 2022-10-21 2023-07-26 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 KR20240056399A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102023530B1 (ko) 2015-08-12 2019-09-24 주식회사 엘지화학 전극 조립체

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