KR20240060211A - 전극 조립체, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 조립체, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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KR20240060211A
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Abstract

본 발명은 음극, 제1 분리막, 양극 및 제2 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 양면에 각각 구비된 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부는 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부보다 길게 구비되며, 상기 전극 조립체의 권취 중심부는 상기 음극이 상기 제1 분리막을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮고 있는 단차부; 상기 단차부 중 상기 양극 집전체가 상기 제1 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 겔 고분자 전해질층; 및 상기 양극 집전체가 상기 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하는 것인 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차를 제공한다.

Description

전극 조립체, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차{ELECTRODE ASSEMBLY, SECONDARY BATTARY, BATTARY PACK AND VEHICLE}
본 발명은 전극 조립체, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 이차 전지를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 이차 전지의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명은 전극 조립체의 권취 중심부의 단차부에 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하여 권심부의 변형을 방지하고, 셀 성능 저하 및 안정성 문제를 방지하는 전극 조립체 및 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 하나의 목적은 상기와 같은 개선된 구조를 가진 이차 전지를 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 음극, 제1 분리막, 양극 및 제2 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 양면에 각각 구비된 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부는 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부보다 길게 구비되며, 상기 전극 조립체의 권취 중심부는 상기 음극이 상기 제1 분리막을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮고 있는 단차부; 상기 단차부 중 상기 양극 집전체가 상기 제1 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 겔 고분자 전해질층; 및 상기 양극 집전체가 상기 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하는 것인 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
전극 조립체의 권취 중심부에서 상대적으로 두꺼운 전극 활물질층으로 코팅된 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부를 음극으로 덮어 단차부가 생긴다. 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부에 의해 형성된 단차부로 인하여, 이차 전지에 충방전이 반복되는 경우 전극의 수축과 팽창이 발생하여 상기 음극이 상기 전극 조립체의 권심부 안쪽으로 꺾이는 현상이 일어날 수 있으며, 이에 전극 조립체의 변형이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 실시상태들에 따르면, 전극 조립체의 권취 중심부에 형성된 단차부 중 상기 양극 집전체가 상기 제1 및 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층을 포함함으로써, 상기 단차부에 의해 형성될 수 있는 권심부의 변형을 방지할 수 있다.
이로써 권심부의 변형으로 인하여 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있으며, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다. 이에 따라, 고에너지 밀도 구현이 가능하며, 고용량 고출력의 이차 전지를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 유리한 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부의 음극과 양극이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부의 음극과 양극이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 정면도, (b)는 평면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부에 형성된 단차부 중 양극 집전체가 상기 제1 및 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하는 전극 조립체를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부에 형성된 단차부에 의하여 전극 조립체의 변형이 발생한 경우를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 음극 및 양극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 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 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 음극, 제1 분리막, 양극 및 제2 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 양면에 각각 구비된 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부는 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부보다 길게 구비되며, 상기 전극 조립체의 권취 중심부는 상기 음극이 상기 제1 분리막을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮고 있는 단차부; 상기 단차부 중 상기 양극 집전체가 상기 제1 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 겔 고분자 전해질층; 및 상기 양극 집전체가 상기 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하는 것인 전극 조립체를 제공한다.
도 3 (a)은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 정면도, (b)는 평면도(제1 및 제2 분리막 생략)를 나타낸다. 구체적으로, 상기 도 3 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 단차부에서의 전극 조립체의 모습을 정면도 및 평면도로 나타낸 것이다.
도 3 (a)를 참조하면, 상기 양극(30)은 양극 집전체(31) 및 상기 양극 집전체 양면에 각각 구비된 제1 양극 활물질층(32) 및 제2 양극 활물질층(33)을 포함하고, 상기 제1 양극 활물질층(32)은 상기 제1 분리막(40)과 대향하는 면에 구비될 수 있으며, 상기 제2 양극 활물질층(33)은 상기 제2 분리막(50)과 대향하는 면에 구비될 수 있다.
상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부(31E)는 상기 제1 양극 활물질층의 단부(32E)보다 길게 구비될 수 있고, 상기 제2 양극 활물질층의 단부(33E)보다 길게 구비될 수 있다.
상기 단차부(60)는 상기 음극(20)이 상기 제1 분리막(40)을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮어 형성되는 것으로, 상기 단차부(60)는 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)를 기준으로 상기 제1 및 제2 양극 활물질층(32, 33)이 존재하는 영역 및 상기 제1 및 제2 양극 활물질층이 존재하지 않는 영역을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 및 제2 양극 활물질층(32, 33)이 존재하지 않는 영역이란 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)에서부터 상기 양극 집전체의 단부(31E)까지의 길이의 영역(L)을 의미할 수 있다.
상기 제1 및 제2 양극 활물질층(32, 33)이 존재하는 영역이란 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)에서부터 상기 양극 집전체의 단부(31E)까지의 길이만큼 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)를 기준으로 반대 방향으로 구비되는 길이의 영역(L')을 의미할 수 있다.
즉, 상기 단차부(60)는 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)에서부터 상기 양극 집전체의 단부(31E)까지의 길이의 영역(L) 및 상기 길이만큼 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)를 기준으로 반대 방향으로 구비되는 길이의 영역(L')을 포함할 수 있다.
상기 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 분리막(40)과 직접 대향하는 부분이란 상기 단차부(60)에서 상기 제1 양극 활물질층의 단부(32E)를 기준으로 상기 제1 양극 활물질층이 존재하지 않는 영역 예컨대, 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)에서부터 상기 양극 집전체의 단부(31E)까지의 길이의 영역(L)을 의미한다.
상기 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제2 분리막(50)과 직접 대향하는 부분이란 상기 단차부(60)에서 상기 제2 양극 활물질층의 단부(33E)를 기준으로 상기 제2 양극 활물질층이 존재하지 않는 영역 예컨대, 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)에서부터 상기 양극 집전체의 단부(31E)까지의 길이만큼 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)를 기준으로 반대 방향으로 구비되는 길이의 영역(L')을 의미한다.
전극 조립체의 권취 중심부에 형성된 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막(40, 50)과 직접 대향하는 부분에 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)을 구비함으로써, 상기 단차부(60)에 의해 형성될 수 있는 권심부의 변형을 방지할 수 있다. 이로써 권심부의 변형으로 인하여 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있으며, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부의 음극과 양극이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부의 음극과 양극이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전극 조립체(10')에서 양극의 단부에서 양극 집전체(31')의 단부 및 양극 활물질층(32', 33')의 단부가 일치하는 프리엣지를 갖는 경우, 전극 조립체(10')의 권취 중심부에서 비교적 두꺼운 전극 활물질층(32', 33')으로 코팅된 양극의 단부를 음극(20')으로 덮도록하여 단차부가 생길 수 있다.
붉은 원으로 표시된 부분은 상기 단차부가 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하지 않음으로써, 단차가 증가된 모습을 나타내는 부분이다.
상기 양극 집전체(31')의 단부 및 상기 양극 활물질층(32', 33')의 단부가 일치한다는 것은, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체(31') 및 상기 양극 활물질층(32', 33')의 길이가 동일하다는 것을 의미할 수 있다.
상기 양극 프리엣지 단부에 의해 형성된 단차부로 인하여, 이차 전지에 충방전이 반복되는 경우 전극의 수축과 팽창이 발생하여 상기 음극이 상기 전극 조립체의 권심부 안쪽으로 꺾이는 현상이 일어날 수 있으며, 이에 전극 조립체의 변형이 발생하는 문제가 있다.
예컨대, 이차 전지는 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 젤리롤 형태의 전극 조립체가 권심부를 이용해 와인딩하여 권취된 구조를 가지는 경우, 이를 포함하는 이차 전지를 충방전 할 때 음극의 팽창 및 수축이 일어나면서 상기 전극 조립체 내에 응력이 발생하게 된다.
상기 전극 조립체의 권심부는 빈 공간으로서, 충방전으로 발생한 응력은 상기 전지 캔에 의해 외부로 팽창하는 힘이 억제되며 이 힘에 의해 상기 단차부로 인하여 권심부에 변형이 발생하게 된다. 상기 권심부의 변형이 심해지는 경우, 상기 단차부로 인하여 전극이 꺾이는 부위가 발생하는 등의 스트레스가 발생할 수 있으며, 이에 따라 상기 전극 조립체 내부에서 분리막 손상에 의한 쇼트가 발생할 수 있다.
반면, 도 1 및 도 3 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)은 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60) 중 양극 집전체(31)가 제1 분리막(40)과 제2 분리막(50) 각각에 직접 대향하는 부분에 구비됨으로써, 상기 단차부(60)에 의해 형성될 수 있는 권심부의 변형을 방지할 수 있다. 이로써 권심부의 변형으로 인하여 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있으며, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부(31E)는 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)보다 길게 구비되며, 이는 상기 양극(30)의 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향(P)의 단부에서 무지부가 형성되는 것을 의미할 수 있다. 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막(40, 50)과 직접 대향하는 부분에 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)을 구비함으로써, 도 2에 따른 기존의 전극 조립체(10')의 양극(30')의 단부에서 집전체의 단부 및 전극 활물질층의 단부가 일치하는 프리엣지를 갖는 경우에 형성되는 단차부로부터 발생하는 전극 조립체(10')의 변형 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부에 형성된 단차부 중 양극 집전체가 상기 제1 및 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하는 전극 조립체를 나타내는 사진이고, 도 5는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체의 권취 중심부에 형성된 단차부에 의하여 전극 조립체의 변형이 발생한 경우를 나타내는 사진이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(10)는 상기 전극 조립체의 권취 중심부에서 상기 단차부(60) 중 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막(40, 50)과 직접 대향하는 부분에 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)을 구비함으로써, 상기 단차부(60)로 인한 권심부의 변형을 방지하는 것을 확인할 수 있다. 이로써 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있으며, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(10')는 상기 전극 조립체(10')의 권취 중심부에 형성된 단차부 중 양극 집전체(31')가 제1 분리막과 제2 분리막(40', 50')과 직접 대향하는 부분에 상기 겔 고분자 전해질층을 구비하지 않아 권심부 및 전극 조립체에 변형이 발생한 것을 확인할 수 있다. 이로써 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들이 발생할 수 있다.
상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부는 권심부를 기준으로 전극 조립체(10)의 권취가 시작되는 부분일 수 있으며, 권취 축 방향에서 가장 가장 가까운 부분일 수 있다. 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부는 권취된 전극 조립체의 권심부로부터 가장 가까운 전극을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부에는 상기 제1 분리막(40)을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮고 있는 단차부(60)가 형성될 수 있으며, 상기 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막(40, 50)과 직접 대향하는 부분에 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)을 포함할 수 있다.
전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막(40, 50)과 직접 대향하는 부분에 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)을 구비함으로써, 상기 단차부(60)에 의해 형성될 수 있는 전극 조립체(10)의 권심부 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 권심부의 변형으로 인하여 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있으며, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 겔 고분자 전해질층은 상기 제1 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이에서, 상기 양극 집전체의 제1 분리막에 대향하는 면에 직접 구비된다.
상기 제1 겔 고분자 전해질층은 상기 제1 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부까지의 길이로 한정되는 것은 아니다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제1 겔 고분자 전해질층은 상기 제1 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 50% 내지 100%의 길이로 구비된다.
도 3 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 제1 겔 고분자 전해질층(100)은 제1 양극 활물질층의 단부(32E)에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 또는 75% 이상일 수 있다. 상기 제1 겔 고분자 전해질층(100)은 제1 양극 활물질층의 단부(32E)에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 또는 80% 이하일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60)에 상기 제1 겔 고분자 전해질층(100)을 구비하여, 상기 단차부(60)로 인한 권심부의 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 제2 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이에서, 상기 양극 집전체의 제2 분리막에 대향하는 면에 직접 구비된다.
상기 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 제2 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부까지의 길이로 한정되는 것은 아니다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 제2 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 50% 내지 100%의 길이로 구비된다.
도 3 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 제2 겔 고분자 전해질층(200)은 제2 양극 활물질층의 단부(33E)에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 또는 75% 이상일 수 있다. 상기 제2 겔 고분자 전해질층(200)은 제2 양극 활물질층의 단부(33E)에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 또는 80% 이하일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60)에 상기 제2 겔 고분자 전해질층(200)을 구비하여, 상기 단차부(60)로 인한 권심부의 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 두께의 합은 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 양극 활물질층 두께의 합 이하로 구비된다.
도 3 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 두께(31T, 100T 및 200T)의 합은 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 두께(31T, 32T 및 33T)의 합 100% 대비 70% 내지 100%의 두께로 구비되는 것일 수 있다.
상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 두께(31T, 100T 및 200T)의 합은 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 두께(31T, 32T 및 33T)의 합 100% 대비 75% 이상, 또는 80% 이상일 수 있다.
상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 두께(31T, 100T 및 200T)의 합은 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 두께(31T, 32T 및 33T)의 합 100% 대비 95% 이하, 또는 90% 이하일 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60)에 의한 권심부의 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 각각 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부와 겹쳐지지 않는 것으로서, 일 예로, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)은 각각 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)와 겹쳐지지 않도록 이어져서 코팅되는 것일 수 있다.
상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)이 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)와 겹쳐지지 않고, 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)와 맞닿아 구비되는 경우, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60)에서 전극의 두께를 더 두껍게 하여 단차를 더 크게 하지 않으므로, 상기 전극 조립체(10)에 충방전을 반복할 때 상기 단차부(60)에 응력이 집중되어 상기 음극(20)이 상기 전극 조립체의 권심부 안쪽으로 꺾이는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 전극 조립체(10)의 변형을 방지할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 전극 조립체의 권취축 방향에서 상기 전극 조립체 길이 100% 대비 50% 내지 100% 길이로 구비된다.
도 3 (b)를 참조하면, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)이 상기 전극 조립체의 권취축 방향에서 상기 전극 조립체 길이 100% 대비 50% 내지 100% 길이라는 것은 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 폭(100W, 200W)을 의미할 수 있다.
상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)은 상기 전극 조립체의 권취축 방향(A)에서 상기 전극 조립체 길이 100% 대비 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 또는 70% 이상일 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질층은 상기 전극 조립체의 권취축 방향(A)에서 상기 전극 조립체 길이 100% 대비 100% 이하, 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 또는 80% 이하일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)으로 인하여, 상기 단차부(60)로 인하여 형성될 수 있는 권심부의 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부 및 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 단부는 일치한다.
일 실시상태에 따르면, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부(31E)는 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)보다 길게 구비되며, 이 경우에 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)보다 길게 구비된 상기 양극 집전체(31)에 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)이 구비될 수 있다(도 3(a) 참조).
상기 양극 집전체의 단부(31E) 및 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)의 단부가 일치하는 것은 일 예로, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체 및 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 길이가 동일하다는 것을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 양극 집전체의 길이 및 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 길이는 당업계의 일반적인 오차 범위 내 일 수 있다. 예컨대, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 길이 대비 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 길이는 ±0.5% 이하일 수 있다.
상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부(31E) 및 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)의 단부가 일치하도록 구비되는 경우, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 단차부(60)로 인하여 형성될 수 있는 권심부의 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부는 상기 권취된 전극 조립체의 권취 중심부에 구비된다.
상기 전극조립체의 권취 중심부에는 양극의 단부가 존재할 수 있다.
상기 양극의 단부는 양극 집전체(31)의 양면에 각각 제1 및 제2 양극 활물질층(32, 33)으로 구비될 수 있으며, 상기 양극 집전체의 단부(31E) 및 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극의 단부는 상기 권취된 전극 조립체의 최내각에 구비된 전극이다.
상기 권취된 전극 조립체의 최내각에 구비된 전극이란 상기 전극 조립체의 권심부와 대면하는 전극이다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극은 상기 제1 분리막을 개재하여 대면하는 상기 양극보다 권취축에 수직인 방향으로 길게 구비된다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 구비된 음극 활물질층을 포함하고, 상기 음극의 권취 중심부에 대향하는 면의 반대면에 구비된 상기 음극 활물질층은 상기 제1 분리막을 개재하여 대면하는 상기 제1 양극 활물질층의 단부보다 권취축에 수직인 방향으로 길게 구비된다.
도 3 (a)를 참조하면, 상기 음극의 권취 중심부에 대향하는 면의 반대면에 구비된 상기 음극 활물질층(22)은 상기 제1 양극 활물질층(32)과 제1 분리막(40)을 개재하여 대면할 수 있다.
상기 음극의 권취 중심부에 대향하는 면의 반대면에 구비된 상기 음극 활물질층(22)이 상기 제1 양극 활물질층의 단부(32E), 즉, 상기 제1 양극 활물질층(32)보다 길게 구비됨으로써, 상기 전극 조립체 충전 시 리튬 석출 등으로 인한 분리막의 손상을 방지할 수 있고, 전지의 수명 감소를 방지할 수 있다.
상기 음극(20)은 상기 양극(30)보다 더 길게 연장되어 있다. 즉, 상기 제1 양극 활물질층의 단부(32E)는 그와 대면하는 상기 음극 활물질층의 단부보다 더 짧게 형성되어 있다.
상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부에서 상기 음극(20)이 상기 제1 분리막(40)을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮을 수 있다. 상기 양극의 단부는 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 위치할 수 있다. 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심부에서 비교적 두꺼운 전극 활물질층으로 코팅된 양극의 단부를 음극으로 덮어 단차부(60)가 생긴다. 상기 양극의 단부는 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 기존의 전극 조립체(10')의 상기 단차부는 상기 제1 및 제2 양극 활물질층(32', 33')의 단부의 두께에 의해 형성될 수 있으며, 충방전을 하는 경우 상기 단차부에 응력이 집중되어, 상기 전극 조립체(10')의 권심부 안쪽으로 꺾이는 현상이 일어날 수 있으며, 이에 전극 조립체(10')의 변형이 발생하는 문제가 있다.
그러나, 도 3 (a)를 참조할 때, 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체(10)의 권취 중심부는 상기 음극(20)이 상기 제1 분리막을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮고 있는 단차부(60) 중 상기 양극 집전체(31)가 상기 제1 및 제2 분리막(40, 50)과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)을 구비할 수 있다. 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)은 상기 단차부(60)에서의 응력 집중을 완화할 수 있고, 이로 인해 권심부의 변형으로 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 전해액에 함침된 상태에서 겔 상태이다.
상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 전해액에 함침된 상태에서 겔 상태, 일 예로 말랑한 상태를 유지하여 상기 단차부에 의한 빈 공간을 채워주어서 단차부를 완화하는 buffer 역할을 할 수 있다.
상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 전해액에 함침된 상태에서 겔 상태를 유지하는 고분자 물질일 수 있다.
상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 전해액에 함침된 상태에서 겔 상태이므로, 상기 단차부의 응력 집중을 완화하여 이로 인해 권심부의 변형으로 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 polyethylene oxide(PEO), polyarylonitrile(PAN), polymethyl methacrylate(PMMA), polyvinylidene difluoride(PVDF), polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene(PVDF-HFP) 를 포함한다. 다만, 상기 겔 고분자 전해질층은 전해액에 함침된 상태에서 겔 상태를 유지하는 것이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층이 상기 화합물을 포함하는 경우, 전해액에 함침된 상태에서도 겔 상태를 유지하여 단차부를 완화하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향(P)의 양 단부 중 어느 하나 이상에 구비된 탭을 더 포함하고, 상기 음극은 상기 전극 조립체의 권취 중심부에서 권취축에 수직인 방향의 일 단부에 구비된 인 탭을 포함한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 음극 및 양극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 상기 음극(20)은 상기 인 탭(23) 이외에 상기 전극 조립체(10)의 권취축에 수직인 방향의 양 단부 중 외각에 위치한 일 단부에 구비된 외각 탭(24)을 더 포함할 수 있다. 상기 음극(20)이 상기 외각 탭(24)을 하나 더 포함함으로써, 탭 수가 증가함에 따라 전극 조립체(10)의 저항이 작아지는 효과를 가질 수 있다. 또한, 상기 외각 탭(24)을 더 포함하여 상기 전극 조립체(10)의 저항이 작아져 에너지 밀도가 높아질 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 양극(30)은 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향의 양 단부 이외의 부분에 구비된 탭을 포함하고, 예컨대 미들 탭(34) 구조를 가질 수 있다.
상기 양극 미들 탭(34) 구조에 따른 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부(32E, 33E)에 의한 단차부(60)로 인하여 상기 전극 조립체(10)의 충방전시 응력이 증가할 수 있으나, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)이 빈 공간의 단차부 완화 역할을 하여 전극 조립체(10)의 권심부의 변형을 방지하고, 분리막 손상에 의한 쇼트 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 겔 고분자 전해질층(100)은 상기 제1 양극 활물질층의 단부(32E)에서부터 상기 인 탭(23) 사이의 길이로, 상기 양극 집전체(31)의 제1 분리막(40)에 대향하는 면에 직접 구비되고, 상기 제2 겔 고분자 전해질층(200)은 상기 제2 양극 활물질층의 단부(33E)에서부터 상기 인 탭(23) 사이의 길이로, 상기 양극 집전체(31)의 제2 분리막(50)에 대향하는 면에 직접 구비된다.
도 3 (a)를 참조하면, 상기 인 탭(23)은 상기 음극 집전체(21)상에 구비될 수 있으며, 예컨대, 상기 인 탭(23)은 상기 음극 집전체(21)의 단부에서부터 음극 활물질층(22)의 단부까지의 길이 (L1)를 기준으로, 상기 음극 집전체(21)의 단부에서부터 10% 내지 20%의 길이(L2)에 구비될 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층(100, 200)은 상기 단차부(60)에 의해 형성될 수 있는 권심부의 변형을 방지할 수 있다. 이로써 권심부의 변형으로 인하여 발생될 수 있는 분리막 손상에 의한 쇼트 발생, 셀 성능 저하 및 안정성 문제들을 해소할 수 있으며, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 전술한 전극 조립체를 적어도 하나 포함하는 이차 전지를 제공한다.
상기 이차 전지(300)는 전술한 전극 조립체, 전지 캔, 밀봉체 및 단자를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지(300)는 원통형 이차 전지일 수 있다.
상기 음극(20) 및 상기 양극(30)은 시트 형상을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리롤(jellyroll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 음극(20), 제1 분리막(40), 양극(30), 제2 분리막(50)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극 집전체(31)에 코팅되는 양극 활물질과 음극 집전체(21)에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용할 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤ 2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
음극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 사용 가능하다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
양극 집전체(31)의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
분리막은 제1 및 제2 분리막(40, 50)을 포함할 수 있으며, 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다.
또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다. 무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, 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 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γbutyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 이차 전지(300)를 적어도 하나 포함하는 배터리 팩(310)을 제공한다. 일 예로, 상기 이차 전지(300)는 원통형 이차 전지일 수 있다.
상술한 실시예에 따른 원통형 이차 전지(300)는 배터리 팩(310)을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(310)은 원통형 이차 전지가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(320)을 포함한다. 원통형 이차 전지는 상술한 실시예에 따른 이차 전지(300)이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 이차 전지(300)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 배터리 팩(310)을 적어도 하나 포함하는 자동차(330)를 제공한다.
상기 배터리 팩(310)은 자동차(330)에 탑재될 수 있다. 자동차(330)는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 8은 도 7의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(330)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(310)을 포함한다. 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(310)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
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.
10: 전극 조립체
10': 기존의 전극 조립체
20: 음극
20': 기존의 음극
20E: 음극의 단부
21: 음극 집전체
21': 기존의 음극 집전체
22: 음극 활물질층
22': 기존의 음극 활물질층
23: 인 탭
24: 외각 탭
30: 양극
30': 기존의 양극
31: 양극 집전체
31': 기존의 양극 집전체
31E: 양극 집전체의 단부
31T: 양극 집전체의 두께
32: 제1 양극 활물질층
32E: 제1 양극 활물질층의 단부
32T: 제1 양극 활물질층의 단부의 두께
32': 기존의 제1 양극 활물질층
33: 제2 양극 활물질층
33E: 제2 양극 활물질층의 단부
33T: 제2 양극 활물질층의 단부의 두께
33': 기존의 제2 양극 활물질층
34: 미들 탭
40: 제1 분리막
40': 기존의 제1 분리막
50: 제2 분리막
50': 기존의 제2 분리막
60: 단차부
100: 제1 겔 고분자 전해질층
100L: 제1 겔 고분자 전해질층의 길이
100T: 제1 겔 고분자 전해질층의 두께
100W: 제1 겔 고분자 전해질층의 폭
200: 제2 겔 고분자 전해질층
200L: 제2 겔 고분자 전해질층의 길이
200T: 제2 겔 고분자 전해질층의 두께
200W: 제2 겔 고분자 전해질층의 폭
300: 이차 전지
310: 배터리 팩
320: 팩 하우징
330: 자동차
A: 전극 조립체의 권취축 방향
P: 전극 조립체의 권취축에 수직 방향

Claims (23)

  1. 음극, 제1 분리막, 양극 및 제2 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체로서,
    상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 양면에 각각 구비된 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층을 포함하고,
    상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부는 상기 제1 양극 활물질층 및 제2 양극 활물질층의 단부보다 길게 구비되며,
    상기 전극 조립체의 권취 중심부는 상기 음극이 상기 제1 분리막을 개재하여 상기 양극의 단부를 덮고 있는 단차부;
    상기 단차부 중 상기 양극 집전체가 상기 제1 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제1 겔 고분자 전해질층; 및
    상기 양극 집전체가 상기 제2 분리막과 직접 대향하는 부분에 구비된 제2 겔 고분자 전해질층을 포함하는 것인 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 겔 고분자 전해질층은 상기 제1양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이에서, 상기 양극 집전체의 제1 분리막에 대향하는 면에 직접 구비되는 것인 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 겔 고분자 전해질층은 상기 제1 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이의 길이 대비 50% 내지 100%의 길이로 구비되는 것인 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 제2 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 음극의 단부 사이에서, 상기 양극 집전체의 제2 분리막에 대향하는 면에 직접 구비되는 것인 전극 조립체.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 제2 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 양극의 단부 사이의 길이 대비 50% 내지 100%의 길이로 구비되는 것인 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 두께의 합은 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 두께의 합 이하로 구비되는 것인 전극 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 두께의 합은 상기 양극 집전체와 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부의 두께의 합 100% 대비 70% 내지 100% 로 구비되는 것인 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 각각 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부와 겹쳐지지 않는 것인 전극 조립체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 전극 조립체의 권취축 방향에서 상기 전극 조립체 길이 100% 대비 50% 내지 100%의 길이로 구비되는 것인 전극 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 양극의 단부에서 상기 양극 집전체의 단부 및 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층의 단부가 일치하는 것인 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극 활물질층의 단부는 상기 권취된 전극 조립체의 권취 중심부에 구비되는 것인 전극 조립체.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 음극의 단부는 상기 권취된 전극 조립체의 최내각에 구비된 전극인 것인 전극 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 음극은 상기 제1 분리막을 개재하여 대면하는 상기 양극보다 권취축에 수직인 방향으로 길게 구비되는 것인 전극 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 구비된 음극 활물질층을 포함하고,
    상기 음극의 권취 중심부에 대향하는 면의 반대면에 구비된 상기 음극 활물질층은 상기 제1 분리막을 개재하여 대면하는 상기 제1 양극 활물질층의 단부보다 권취축에 수직인 방향으로 길게 구비되는 것인 전극 조립체.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 전해액에 함침된 상태에서 겔 상태인 것인 전극 조립체.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 겔 고분자 전해질층은 polyethylene oxide(PEO), polyarylonitrile(PAN), polymethyl methacrylate(PMMA), polyvinylidene difluoride(PVDF), polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene(PVDF-HFP)를 포함하는 것인 전극 조립체.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 음극은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향의 양 단부 중 어느 하나 이상에 구비된 탭을 포함하는 것인 전극 조립체.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 음극은 상기 전극 조립체의 권취 중심부에서 권취축에 수직인 방향의 일 단부에 구비된 인 탭을 포함하는 것인 전극 조립체.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 제1 겔 고분자 전해질층은 상기 제1 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 인 탭 사이의 길이로, 상기 양극 집전체의 제1 분리막에 대향하는 면에 직접 구비되고,
    상기 제2 겔 고분자 전해질층은 상기 제2 양극 활물질층의 단부에서부터 상기 인 탭 사이의 길이로, 상기 양극 집전체의 제2 분리막에 대향하는 면에 직접 구비되는 것인 전극 조립체.
  20. 청구항 1에 있어서, 상기 양극은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향의 양 단부 이외의 부분에 구비된 탭을 포함하는 것인 전극 조립체.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.
  22. 청구항 21에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩.
  23. 청구항 22에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것인 자동차.
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