KR20240072738A - 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비되는 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체에 있어서, 상기 권취된 전극 조립체의 내부에 점착된 점착 테이프를 더 포함하고, 상기 점착 테이프는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 상에 전해액과 접촉 후에 상기 전해액을 흡수하고 팽창하여 이온이동로를 형성하는 점착제층을 포함하는 것인 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단에 관한 것이다.
Description
본 명세서는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 분리막이 적층되어 권취된 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단에 관한 것이다.
원통형, 각형 또는 파우치형 전지의 경우 폭이 정해진 긴 전극을 분리막과 함께 권취하여 젤지-롤(Jelly Roll)형태의 전극조립체를 제조한다. 이러한 젤리-롤형 전극조립체를 전지케이스에 삽입하여 제조되는 원통형 전지는 충방전시 전극의 수축/팽창을 반복하게 된다. 특히, 젤리-롤형 전극조립체의 코어에 탭(In tab)이 위치하거나, 음극 전극 내 실리콘계 활물질이 첨가되어 전극조립체의 수축/팽창 정도가 증가하는 경우 전극조립체의 코어부에 작용하는 압력은 크게 증가하게 된다.
최근 저저항/고용량 설계가 증가함에 따라 젤리-롤형 전극조립체가 복수의 탭을 포함하거나, 실리콘계 활물질이 첨가되는 경우가 증가하고 있으며, 이에 따라 전극조립체의 수축/팽창에 따른 상기 코어부에 위치하는 전극조립체의 변형 가능성이 증가하고 있다. 특히, 음극 및 양극 사이에 위치하는 분리막이 파손되는 경우 음극 및 양극이 직접 접촉하여 내부 쇼트로 인해 발열 및 발화가 발생하는 문제가 있었다.
이러한 전극조립체의 변형에 따른 분리막 파손 및 내부 쇼트 발생 문제를 해결하기 위하여 해당 영역의 양극 및 분리막을 보호하고, 내부 쇼트 발생을 억제할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 명세서는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 구비된 분리막이 적층되어 권취된 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단을 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비되는 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체에 있어서, 상기 권취된 전극 조립체의 내부에 점착된 점착 테이프를 더 포함하고, 상기 점착 테이프는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 상에 전해액과 접촉 후에 상기 전해액을 흡수하고 팽창하여 이온이동로를 형성하는 점착제층을 포함하는 것인 전극 조립체를 제공한다.
본 명세서의 다른 실시상태에서, 상기 점착 테이프는 상기 양극과 상기 분리막 사이 및 상기 음극과 상기 분리막 사이 중 적어도 하나에 점착될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태에서, 상기 양극 및 음극은 각각 집전체 및 상기 집전체의 양면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 점착 테이프는 상기 양극의 활물질층의 권심측 단부와 상기 분리막 사이 및 상기 음극의 활물질층의 권심측 단부와 상기 분리막 사이 중 적어도 하나에 점착될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 양면에 구비된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 점착 테이프는 상기 양극 활물질층의 단부와 상기 양극 활물질층의 단부와 근접한 상기 양극 집전체의 표면을 덮도록 점착될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태에서, 상기 양극 및 상기 음극은 각각 집전체 및 상기 집전체의 양면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는, 상기 전극 조립체의 권취방향으로 이격되고 상기 집전체에 상기 활물질층이 구비된 2 이상의 유지부; 및 상기 2 이상의 유지부 사이에 상기 집전체에 상기 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 점착 테이프는 상기 무지부와 상기 무지부측 활물질층의 단부를 덮도록 점착될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 양극 및 상기 음극은 각각 집전체, 및 상기 집전체의 양면에 구비된 활물질층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태에서, 상기 전극 조립체의 권취방향으로, 상기 분리막의 권심측 단부로부터, 상기 음극 활물질층의 권심측 단부가 상기 양극 활물질층의 권심측 단부보다 가까울 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 음극은, 상기 집전체에 상기 활물질층이 구비된 유지부; 및 상기 전극 조립체의 권취방향으로 상기 집전체의 양단부에 상기 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 점착 테이프는 상기 음극의 권심측 무지부 상에 점착될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태에서, 상기 점착 테이프는 상기 양극 활물질층의 권심측 단부가 권심측으로 대면하는 무지부에 점착될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 점착 테이프는 상기 양극 활물질층의 권심측 단부가 권심측으로 대면하는 무지부의 양면 중 권심측 면에 구비될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태에서, 상기 음극은 상기 음극 집전체의 권심측 단부에 음극탭이 형성될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 점착제층은 에틸렌 옥사이드 측쇄를 갖는 아크릴레이트계 점착제를 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상술한 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 전극 조립체는 권심축의 수직단면이 원이며, 상기 전지케이스는 원통형일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상술한 이차 전지를 2 이상 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 명세서의 또 다른 실시상태는 상술한 배터리 팩을 포함하는 운송 수단을 제공한다. 상기 운송 수단은 짐, 사람 등을 이동시키거나 이동하며 작업하는 모든 것이며, 자전거, 중장비, 농업 장비, 자동차, 버스, 비행기 등일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 조립체는 점착 테이프를 구비함으로써 전지 충방전 시 전극의 수축/팽창에 의한 전극조립체의 변형으로부터 분리막 손상을 방지하고, 전극 간 내부 쇼트를 방지하여 전지 안정성 및 수명 특성이 개선될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 조립체는 이온 이동이 가능한 점착 테이프를 구비함으로써, 테이프 부착으로 이온이동을 방해하지 않아 전지의 용량을 감소시키지 않거나 용량 손실이 적은 장점이 있다.
도 1은 본 명세서의 제1-1 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 명세서의 제1-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 명세서의 제2-1 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 명세서의 제2-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 명세서의 제3 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서의 제4-1 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서의 제4-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 본 명세서의 일 실시상태의 점착 테이프의 단면을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 8(b)는 본 명세서의 또 다른 실시상태의 점착 테이프의 단면을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 전극 적층체의 권취 공정을 나타낸다.
도 10은 권취된 전극 적층체의 사시도이다.
도 11은 권취된 전극 적층체가 수용된 전지케이스에 수용된 이차 전지의 수직단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차(V)를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 실시상태에 따른 점착 테이프 유무에 따른 실시예와 비교예에 대한 충방전 후 이차 전치 권심부 CT이미지를 비교했다.
도 15는 본 명세서의 제1-3 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 16은 충방전 50회 진행한 실시예의 전지의 분해 후 리튬금속 석출 여부를 확인한 사진이다.
도 2는 본 명세서의 제1-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 명세서의 제2-1 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 명세서의 제2-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 명세서의 제3 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서의 제4-1 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서의 제4-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 8(a)는 본 명세서의 일 실시상태의 점착 테이프의 단면을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 8(b)는 본 명세서의 또 다른 실시상태의 점착 테이프의 단면을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 전극 적층체의 권취 공정을 나타낸다.
도 10은 권취된 전극 적층체의 사시도이다.
도 11은 권취된 전극 적층체가 수용된 전지케이스에 수용된 이차 전지의 수직단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차(V)를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 실시상태에 따른 점착 테이프 유무에 따른 실시예와 비교예에 대한 충방전 후 이차 전치 권심부 CT이미지를 비교했다.
도 15는 본 명세서의 제1-3 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 16은 충방전 50회 진행한 실시예의 전지의 분해 후 리튬금속 석출 여부를 확인한 사진이다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 9는 전극 조립체(1)의 권취 공정을 나타내고, 도 10은 권취된 전극 적층체의 사시도이다.
먼저, 양극(2), 음극(5) 및 상기 양극(2)과 상기 음극(5) 사이에 구비되는 분리막(4)을 적층할 수 있다.
상기 분리막은 2개의 분리막을 포함할 수 있으며, 도 9와 같이, 음극(5)과 양극(2) 사이의 제1 분리막(4a)과 상기 제1 분리막(4a)과 접하는 양극(2)의 면과 반대면에 추가의 제2 분리막(4b)이 구비될 수 있으며, 구체적으로, 제2 분리막(4b), 양극(2), 제1 분리막(4a) 및 음극(5)을 순차적으로 적층시킬 수 있다.
권취 방향에 있어서, 도 9와 같이 제2 분리막(4b), 양극(2), 제1 분리막(4a) 및 음극(5)이 순차적으로 적층되어 음극(5)측으로 권취할 수 있다. 이와 같이 권취하는 경우 권취된 전극 조립체에서 분리막이 최외각(1b)에 노출될 수 있다.
필요에 따라, 도 9에 예시된 권취방향과 반대로 권취할 수 있다. 이와 같이 권취하는 경우 권취된 전극 조립체에서 음극(5) 또는 음극(5)과 분리막(4)이 함께 최외각(1b)에 노출될 수 있다. 이때, 최외각(1b)에 음극이 노출되는 경우에는 음극 활물질층이 구비되지 않은 외각측 음극 무지부만이 노출되거나, 상기 외각측 음극 무지부와 함께 외각측 음극 유지부도 함께 최외각(1b)에 노출될 수 있다.
도 10과 같이 권취된 전극 조립체(1)는 상기 전극 조립체(1)의 내부(1c)에 점착된 점착 테이프(10)를 포함한다.
본 명세서에서, 점착 테이프가 점착된 내부(1c)는 권취된 전극 조립체에서 최외각(1b)을 제외한 부분을 말한다. 이때, 권취된 전극 조립체를 기둥이라 한다면 최외각(1b)은 외부로 노출된 옆면을 의미하며, 점착 테이프가 점착된 내부(1c)는 옆면을 제외한 기둥의 내측 영역을 모두 포함한다.
상기 양극(2) 및 음극(5)은 각각 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 구비된 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 적어도 일면에 구비된 양극 활물질층(2b)을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질층(2b)은 양극 집전체(2a)의 양면에 구비될 수 있으며, 양극 집전체(2a)의 일면에 구비된 제1 양극 활물질층(2b') 및 상기 제1 양극 활물질층(2b')이 구비된 일면의 반대면에 구비된 제2 양극 활물질층(2b'')을 포함할 수 있다.
상기 양극(2)은 1 이상의 양극탭(2c)을 포함하며, 상기 양극탭(2c)은 상기 양극 활물질층(2b)이 구비되지 않은 양극 무지부(2e)에 위치된다.
일 실시상태에서, 상기 양극(2)은 상기 양극 집전체(2a) 상에 양극 활물질층이 구비된 양극 유지부(2d) 및 양극 집전체(2a)의 일측 또는 양측 말단부에 양극 활물질층이 구비되지 않은 양극 무지부(2e)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 양극탭(2c)은 양극 집전체(2a)의 일측 또는 양측 말단부에 위치하는 양극 무지부(2e)에 위치될 수 있으며, 바람직하게는 일측 말단부의 양극 무지부(2e)에 위치될 수 있다.
다른 실시상태에서, 상기 양극(2)은 상기 양극 집전체(2a)의 외각측 단부에 양극 활물질층이 구비되지 않은 양극 무지부(2e)를 포함하고, 상기 양극 무지부(2e) 상에 양극탭(2c)이 형성될 수 있다.
다른 실시상태에서, 상기 양극(2)은 상기 양극 집전체(2a) 상에 길이방향으로 이격되어 양극 활물질층이 구비된 2 이상의 양극 유지부(2d) 및 상기 2 이상의 양극 유지부(2d) 사이에 양극 활물질층이 구비되지 않은 양극 무지부(2e)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 양극탭(2c)은 상기 2 이상의 양극 유지부(2d) 사이의 양극 무지부(2e)에 위치될 수 있으며, 바람직하게는 2개의 양극 유지부(2d) 사이에 위치하는 양극 무지부(2e)에 위치될 수 있다. 이때, 상기 양극(2)의 양측 말단부는 양극 무지부가 없는 프리에지로 형성될 수 있다.
상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 양면에 구비된 양극 활물질층(2b)을 포함할 수 있으며, 상기 양극 집전체(2a)의 일면에 구비된 제1 양극 활물질층(2b')과, 타면에 구비된 제2 양극 활물질층(2b'')은 서로 구비된 길이가 상이하거나 동일할 수 있다.
상기 음극(5)은 음극 집전체(5a) 및 상기 음극 집전체(5a)의 적어도 일면에 구비된 음극 활물질층(5b)을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질층(5b)은 음극 집전체(5a)의 양면에 구비될 수 있으며, 음극 집전체(5a)의 일면에 구비된 제1 음극 활물질층(5b') 및 상기 제1 음극 활물질층(5b')이 구비된 일면의 반대면에 구비된 제2 음극 활물질층(5b'')을 포함할 수 있다.
상기 음극(5)은 1 이상의 음극탭(5c)을 포함하며, 상기 음극탭(5c)은 상기 음극 활물질층(5b)이 구비되지 않은 음극 무지부에 위치된다.
일 실시상태에서, 상기 음극(5)은 상기 음극 집전체(5a) 상에 음극 활물질층이 구비된 음극 유지부 및 음극 집전체(5a)의 일측 또는 양측 말단부에 음극 활물질층이 구비되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 음극탭(5c)은 음극 집전체(5a)의 일측 또는 양측 말단부에 위치하는 음극 무지부에 위치될 수 있으며, 바람직하게는 양측 말단부의 음극 무지부에 각각 위치될 수 있다.
다른 실시상태에서, 상기 음극(5)은 상기 음극 집전체(5a)의 권심측 단부에 상기 활물질층이 구비되지 않은 음극 무지부를 포함하고, 상기 음극 무지부 상에 음극탭(5c)이 형성될 수 있다.
상기 음극(5)은 음극 집전체(5a) 및 상기 음극 집전체(5a)의 양면에 구비된 음극 활물질층(5b)을 포함할 수 있으며, 상기 음극 집전체(5a)의 일면에 구비된 제1 음극 활물질층(5b')과, 타면에 구비된 제2 음극 활물질층(5b'')은 서로 구비된 길이가 상이하거나 동일할 수 있다.
또 다른 실시상태에서, 상기 양극(2)은 상기 전극 조립체(1)의 권취방향으로 이격되고 상기 양극 집전체(2a)에 상기 양극 활물질층(2b)이 구비된 2개의 양극 유지부(2d', 2d''); 및 상기 2개의 유지부 사이에 상기 양극 집전체(2a)에 상기 양극 활물질층이 구비되지 않은 양극 무지부(2e)를 포함하며, 상기 양극 무지부(2e)에 하나의 양극탭(2c)이 형성되고, 상기 음극(5)은 상기 음극 집전체(5a)의 양측 단부에 각각 상기 음극 활물질층이 구비되지 않은 2개의 음극 무지부를 포함하고, 상기 2개의 음극 무지부 상에 각각 음극탭(5c)이 1개씩 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 7에 도시된 전극 조립체(1)는 권취 전 적층상태이며, 권취방향 A 또는 권취방향 B로 권취될 수 있으며, 권취방향과 각 적층체들의 길이에 따라 권취된 전극 조립체에서 최외각에서 외부로 노출되는 배치가 달라진다.
제1 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극(2)과 상기 분리막(4) 사이 및 상기 음극(5)과 상기 분리막(4) 사이 중 적어도 하나에 점착될 수 있다. 상기 양극(2) 및 음극(5)은 각각 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 상기 분리막(4) 사이 및 상기 음극 활물질층(5b)의 단부와 상기 분리막(4) 사이 중 적어도 하나에 점착될 수 있다.
도 1은 본 명세서의 제1-1 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 제1-1 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 음극(5)과 상기 분리막(4) 사이에 점착될 수 있다. 상기 음극(5)은 음극 집전체(5a) 및 상기 음극 집전체(5a)의 적어도 일면에 구비된 음극 활물질층(5b)을 포함하고, 상기 점착 테이프(10)는 상기 음극 활물질층(5b)의 단부와 상기 분리막(4) 사이에 점착될 수 있으며, 바람직하게는 상기 음극 활물질층(5b)의 권심(1a)측 단부와 상기 분리막(4) 사이에 점착될 수 있다. 이때, 음극 활물질층(5b)의 권심(1a)측 단부는 도 1에서 권취방향 A 또는 권취방향 B로 권취가 시작되는 부분을 의미하며, 이는 해당 부분이 권취된 전극 조립체에서 권심(1a)측에 배치되기 때문이다.
도 2는 본 명세서의 제1-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 제1-2 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극(2)과 상기 분리막(4) 사이에 점착될 수 있다. 상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 적어도 일면에 구비된 양극 활물질층(2b)을 포함하고, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 상기 분리막(4) 사이에 점착될 수 있으며, 바람직하게는 상기 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부와 상기 분리막(4) 사이에 점착될 수 있다. 이때, 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부는 도 2에서 권취방향 A 또는 권취방향 B로 권취가 시작되는 부분을 의미하며, 이는 해당 부분이 권취된 전극 조립체에서 권심(1a)측에 배치되기 때문이다.
제2 실시상태에서, 상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 적어도 일면에 구비된 양극 활물질층(2b)을 포함하고, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 근접한 상기 양극 집전체(2a)의 표면을 덮도록 점착될 수 있다.
도 3은 본 명세서의 제2-1 실시상태의 점착 테이프(10)가 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 제2-1 실시상태에서, 상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 양면에 구비된 양극 활물질층(2b)을 포함하고, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 근접한 상기 양극 집전체(2a)의 표면을 덮도록 점착될 수 있다. 이때, 양극탭은 양극 활물질층(2b)이 구비되지 않는 양극 무지부(2e) 중 적어도 한 곳에 구비될 수 있으며, 이를 한정하여 도시하지 않았다. 또한, 점착 테이프(10)는 양극 집전체(2a)를 기준으로 양면에 대응하여 점착될 수 있다.
도 4는 본 명세서의 제2-2 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 제2-2 실시상태에서, 상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 양면에 구비된 양극 활물질층(2b) 및 상기 양극 집전체(2a)의 상에 양극 활물질층(2b)이 구비되지 않는 양극 무지부(2e)에 구비된 양극탭(2c)를 포함하고, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 상기 양극 활물질층(2b)의 단부와 근접한 상기 양극 집전체(2a)의 표면을 덮도록 점착되고, 상기 양극탭(2c)이 구비된 양극 무지부(2e)에도 상기 점착 테이프(10)가 점착될 수 있다.
상기 양극탭(2c)이 구비된 양극 무지부(2e)에서, 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 단부로부터 상기 양극탭(2c)까지 연장되어 점착될 수 있다. 이때, 점착 테이프(10)는 양극 집전체(2a)를 기준으로 양면에 대응하여 점착될 수 있다.
일 실시상태에서, 상기 양극(2) 및 상기 음극(5)은 각각 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 구비된 활물질층을 포함하고, 상기 양극(2) 및 상기 음극(5) 중 적어도 하나는, 상기 전극 조립체의 권취방향으로 이격되고 상기 집전체에 상기 활물질층이 구비된 2 이상의 유지부; 및 상기 2 이상의 유지부 사이에 상기 집전체에 상기 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 점착 테이프(10)는 상기 무지부와 상기 무지부측 활물질층의 단부를 덮도록 점착될 수 있다.
도 5는 본 명세서의 제3 실시상태의 점착 테이프가 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 제3 실시상태에서, 상기 양극(2)은 양극 집전체(2a) 및 상기 양극 집전체(2a)의 양면에 구비된 양극 활물질층(2b)을 포함하고, 상기 양극(2)은, 상기 전극 조립체(1)의 권취방향으로 이격되고 상기 양극 집전체(2a)에 상기 양극 활물질층(2b)이 구비된 2개의 양극 유지부(2d', 2d''); 및 상기 2개의 양극 유지부 사이에 상기 양극 집전체(2a)에 상기 양극 활물질층(2b)이 구비되지 않은 양극 무지부(2e)를 포함하며, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 무지부(2e)와 상기 양극 무지부(2e)측 양극 활물질층(2b)의 단부를 덮도록 점착될 수 있다.
제4 실시상태에서, 상기 양극(2) 및 상기 음극(5)은 각각 집전체, 및 상기 집전체의 양면에 구비된 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 집전체의 일면에 구비된 제1 활물질층과, 타면에 구비된 제2 활물질층은 서로 구비된 길이가 상이하거나 동일할 수 있다. 상기 전극 조립체(1)의 권취방향으로, 상기 분리막(4)의 권심(1a)측 단부로부터, 상기 음극 활물질층(5b)의 권심(1a)측 단부가 상기 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부보다 가까울 수 있다.
상기 음극(5)은, 음극 집전체(5a)에 음극 활물질층(5b)이 구비된 음극 유지부; 및 상기 전극 조립체(1)의 권취방향으로 음극 집전체(5a)의 양단부에 음극 활물질층(5b)이 구비되지 않은 음극 무지부를 포함하며, 상기 점착 테이프(10)는 상기 권심(1a)측 음극 무지부 상에 점착될 수 있다.
제4 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부가 권심(1a)측으로 대면하는 음극 무지부에 점착될 수 있다.
제4 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부가 권심(1a)측으로 대면하는 음극 무지부의 양면 중 권심(1a)측 면에 구비될 수 있다.
도 6은 본 명세서의 제4-1 실시상태의 점착 테이프(10)가 부착된 상태를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 명세서의 제4-2 실시상태의 점착 테이프(10)가 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 제4-2 실시상태의 점착 테이프(10)는 음극탭(5c)까지 점착 테이프가 연장되어 음극탭(5c)을 덮는 점이 제4-1 실시상태의 점착 테이프(10)와 상이하다.
제4-1 및 제4-2 실시상태에서, 상기 음극 집전체(5a)의 일면에 구비된 제1 음극 활물질층(5b')의 권심(1a)측 단부는, 타면에 구비된 제2 음극 활물질층(5b'')의 권심(1a)측 단부보다 짧고, 상기 제1 음극 활물질층(5b')이 구비된 음극 집전체(5a)의 면의 단부에 음극탭(5c)이 구비될 수 있다. 이때, 상기 점착 테이프(10)는 상기 권심(1a)측 음극 무지부 상에 점착될 수 있다.
제4-1 및 제4-2 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부가 권심(1a)측의 제1 분리막(4a)을 기준으로 대면하는 음극 무지부에 점착될 수 있다.
제4 실시상태에서, 상기 점착 테이프(10)는 상기 양극 활물질층(2b)의 권심(1a)측 단부가 권심(1a)측의 제1 분리막(4a)을 기준으로 대면하는 음극 무지부의 양면 중 제1 음극 활물질층(5b')이 구비된 음극 집전체(5a)의 면에 구비될 수 있다.
상기 점착 테이프(10)는 다공성 지지체(12) 및 상기 다공성 지지체(12) 상에 구비된 점착제층(11)을 포함한다.
도 8은 점착 테이프(10)의 단면을 예시적으로 나타낸 도면이다. 점착제층(11)은 다공성 지지체(12) 적어도 일면에 구비될 수 있으며, 도 8(a)와 같이 다공성 지지체(12)의 일면 전체에 구비되거나, 도 8(b)와 같이 다공성 지지체(12)의 일면에 구비된 패턴층일 수 있다.
점착제층(11)이 패턴층으로 구비된다는 것은, 점착제층(11)이 다공성 지지체(12)의 일면 전체에 도포되지 않고 이격되어 구비될 수 있다는 것이고, 구체적으로 점착제가 도포되지 않은 부분과 점착제가 도포된 부분이 구분되는 것을 의미한다. 이때, 점착제가 도포되지 않은 부분과 점착제가 도포된 부분이 반복되어 규칙을 이룰 수 있으며, 예를 들어 점착제가 다공성 지지체(12)의 적어도 일면에 스트라이프, 도트, 물결, 격자무늬 등의 패턴으로 구비될 수 있다.
상기 다공성 지지체(12)는 예를 들어, 아크릴 필름, 폴리올레핀 필름, 폴리아미드 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리우레탄 필름, 셀룰로오스 아세테이트 필름 및 폴리에스테르 필름으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 필름을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다공성 지지체(12)로서, 폴리에스테르 필름을 사용하는 경우에는, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리에틸렌나프탈레이트 필름 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 필름으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 필름을 사용할 수 있으며, 상기 다공성 지지체(12)로서, 셀룰로오스계 다공성 지지체(12)를 사용하는 경우에는, 예를 들면, 셀룰로오스 아세테이트 수지 또는 셀룰로오스 알킬레이트 수지를 포함하는 다공성 지지체(12)로서, 상기 수지를 포함하는 혼합물을 압출 또는 캐스팅 공정에 적용하여 제조된 다공성 지지체(12)를 사용할 수 있다. 상기에서 셀룰로오스 알킬레이트로는, 예를 들면, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate) 또는 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butylate) 등을 사용할 수 있다.
상기 수지를 사용하여 다공성 지지체(12)를 제조하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 수지 및 필요에 따라 공지의 첨가제를 포함하는 원료를 압출 또는 캐스팅과 같은 통상의 필름 또는 시트 성형 방식을 사용할 수 있다.
상기와 같은 다공성 지지체(12)가 시트 또는 필름 형상인 경우, 다공성 지지체(12)의 두께는, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 10 내지 200 ㎛, 10 내지 100 ㎛, 10 내지 50 ㎛, 15 내지 30 ㎛ 또는 15 내지 20 ㎛ 정도일 수 있다.
상기 점착 테이프(10)는 점착제층(11)을 포함하며, 상기 점착제층(11)은 전해액과 접촉 후에, 상기 전해액을 흡수하고 팽창하며, 이에 따라, 상기 점착 테이프(10)는 이온이동로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 점착제층(11)은 전해액과 접촉 시에, 상기 점착제층(11)의 두께 방향 및/또는 길이 방향으로 팽창할 수 있으며, 이에 따라, 입체 구조를 형성할 수 있다. 상기에서 점착 테이프(10)의 「입체 구조」는 전해질과 접촉한 점착 테이프(10)의 점착제층(11)의 팽창력과 다공성 지지체(12)과의 박리력의 작용을 통하여 형성되는 것으로서, 상기 점착제층(11)이 전극 조립체로부터 탈착되도록 할 수 있는 모든 구조를 포함하는 개념일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 입체 구조는 상기 점착제층의 길이 방향과 수평하지 않은 방향으로, 바람직하게는 수직한 방향으로 돌출된 형상을 복수개 포함할 수 있다. 상기에서 「길이 방향」은, 상기 점착제층을 평평하게 유지시켰을 때에 상기 점착제층의 두께 방향과 수직인 방향을 의미할 수 있다. 또한, 상기 「수직」 또는 「수평」은, 목적하는 효과를 손상시키지 않는 범위에서의 실질적인 수직 또는 수평을 의미하고, 예를 들면, ±10도, ±5도, 또는 ±3도 정도의 오차를 포함할 수 있다.
상기와 같이 전해액과 접촉한 후에 복수개의 돌출된 형상을 포함하는 입체 구조를 형성하는 점착제층 표면의 중심선 평균 거칠기(Ra)는 100 내지 250 ㎛, 예를 들어, 150 내지 240 ㎛ 또는 155 내지 230 ㎛일 수 있다. 상기 중심선 평균 거칠기(Ra)는 상기 전해액과 접촉한 시점으로부터 24 시간 경과 후에 측정된 값일 수 있다. 본 출원의 점착제층이 형성하는 입체 구조의 중심선 평균 거칠기가 전술한 범위 내에서 조절되는 경우, 전극 조립체의 내부(1c)의 부착면으로부터 상기 점착 테이프가 효율적으로 탈리될 수 있다. 상기 「중심선 평균 거칠기」는 예를 들어, 입체구조를 형성하는 점착제층의 단면을 촬영하고, 상기 촬영된 사진을 통하여 3차원 구조의 단면을 수학적으로 리모델링하여 조도 곡선을 얻은 후에, 상기 조도 곡선에서 평균선의 방향으로 기준 길이 L만큼 추출하고, 평균선 방향을 x축으로, 높이 방향을 y축으로 하여, 조도 곡선을 y=f(x)로 표시 하였을 때, 하기 식 1로부터 구할 수 있는 값을 마이크로 미터로 나타낸 것을 의미한다.
[식 1]
상기 중심선 평균 거칠기는 ASTM D4417의 규격 하에서 측정되거나, JIS B0031 또는 JIS B0601에서 정의된 바에 따라 구할 수 있다.
이러한 3차원 입제 구조의 변화를 통해, 이온이동로가 형성될 수 있는 점착 테이프를 구비함으로써, 테이프 부착으로 이온이동을 방해하지 않아 전지의 용량을 감소시키지 않거나 용량 손실이 적다.
하나의 예시에서, 상기 점착제층(11)은 점착제 조성물의 경화물을 포함할 수 있으며, 상기 점착제 조성물에 포함되는 중합체를 가교된 형태로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 점착제 조성물은 (메타)아크릴산 에스테르 단량체, 극성 관능기를 가지는 단량체 및 가교성 관능기를 함유하는 가교성 단량체로부터 유도된 중합 단위를 가지는 중합체를 포함한다. 하나의 예시에서, 상기 점착제 조성물에 의하여 형성된 점착제층을 포함하는 점착 테이프가 상기 점착제층을 매개로 하여 전극 조립체에 부착되고, 상기 전극 조립체가 전지 캔 내부에 삽입되어 제조된 이차전지의 경우, 상기 점착제층은 이차전지 내부에 주입되는 전해질과 접촉시에, 상기 점착제층 내에 존재하는 상기 극성 관능기를 가지는 단량체의 상기 극성 관능기의 존재에 의하여, 변형, 예를 들어 팽윤 또는 팽창(swelling)된다. 이 때, 상기 점착 테이프는 이온이동로를 형성하고, 상기 점착제층의 표면이 특정 범위의 표면 조도 값을 가지게 되며, 이에 따라 상기 전극 조립체와 점착제층 사이의 접착력 또는 박리력이 감소하기 때문에, 상기 점착제층이 상기 전극 조립체로부터 탈리됨으로써, 결과적으로 전극 조립체의 등방성 부피 팽창과 수축을 유도하여 테이프 부착으로 이온이동을 방해하지 않아 전지의 용량을 감소시키지 않거나 용량 손실이 적은 장점이 있다.
상기 점착제 조성물은, 중합 단위를 가지는 중합체를 포함하며, 하나의 예시에서, 상기 중합체는, 예를 들면, (메타)아크릴산 에스테르 단량체, 극성 관능기를 가지는 단량체 및 가교성 관능기를 가지는 가교성 단량체를 중합된 형태로 포함하는 것일 수 있다.
상기 중합체에 중합 단위로 포함되는 (메타)아크릴산 에스테르 단량체로는, 예를 들면, 알킬 (메타)아크릴레이트를 사용할 수 있고, 점착제의 응집력이나, 유리전이온도 또는 점착성 등을 고려하여, 탄소수가 1 내지 14인 알킬기를 가지는 알킬 (메타)아크릴레이트를 사용할 수 있다. 이러한 단량체로는, 메틸 (메타)아크릴레이트, 에틸 (메타)아크릴레이트, n-프로필 (메타)아크릴레이트, 이소프로필 (메타)아크릴레이트, n-부틸 (메타)아크릴레이트, t-부틸 (메타)아크릴레이트, sec-부틸 (메타)아크릴레이트, 펜틸 (메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실 (메타)아크릴레이트, 2-에틸부틸 (메타)아크릴레이트, n-옥틸 (메타)아크릴레이트, 이소옥틸 (메타)아크릴레이트, 이소노닐 (메타)아크릴레이트, 라우릴 (메타)아크릴레이트 및 테트라데실 (메타)아크릴레이트 등의 1종 또는 2종 이상이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서, 「(메타)아크릴레이트」는 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트를 의미하며, 「(메타)」가 사용된 다른 용어 또한 마찬가지이다.
상기 극성 관능기를 가지는 단량체는, 전해질과 친화력이 우수한 단량체로서, 상기 점착제 조성물에 의하여 제조된 점착제층이 전해질과 접촉시에 변형, 예를 들어 팽윤 또는 팽창(swelling)되어, 전극 조립체와 점착제층 사이의 접착력 또는 박리력을 감소시키기 위하여, 상기 점착제 조성물의 중합체에 중합 단위로 포함된다. 또한, 본 출원에서는, 상기 극성 관능기를 가지는 단량체로서, 특정한 구조를 가지는 단량체를 적용함으로써, 상기 점착 테이프가 전해액과 접촉 시 특정 표면 조도를 가지는 입체 구조를 형성하도록 할 수 있고, 이에 따라, 상기 점착 테이프가 전극 조립체로부터 우수한 효율로 탈리됨으로써, 전극 조립체의 등방성 부피 팽창과 수축을 유도하여 테이프 부착으로 이온이동을 방해하지 않아 전지의 용량을 감소시키지 않거나 용량 손실이 적은 장점이 있다.
하나의 예시에서, 상기 극성 관능기를 가지는 단량체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1은 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 나타내고,
R2는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기를 나타내며,
R3은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬기, 탄소수 6 내지 24의 아릴기 또는 탄소수 6 내지 48의 아릴알킬기를 나타내고,
n은 0 이상이다.
상기 화학식 1에서, R1은 수소, 또는 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, 예를 들어, 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 등이 예시될 수 있으며, 바람직하게는 수소 또는 메틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 화학식 1에서, R2는 탄소수 1 내지 6, 1 내지 4 또는 1 내지 2의 알킬렌기이고, 예를 들어, 에틸렌 또는 프로필렌일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 R3은 수소; 탄소수 1 내지 12, 1 내지 8, 1 내지 6 또는 1 내지 4의 알킬기; 탄소수 6 내지 24, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 18 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기; 또는 탄소수 6 내지 48, 탄소수 6 내지 30, 탄소수 6 내지 24 또는 탄소수 6 내지 18의 아릴알킬기를 나타내며, 예를 들어, 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 페닐기, 나프탈기, 부틸페놀기, 펜틸페놀기, 헥실페놀기, 헵틸페놀기, 옥틸페놀기 또는 노닐페놀기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 n은 0 이상, 예를 들어, 1 이상, 바람직하게는 2 이상일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체는 하기 화학식 2의 단량체일 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, R1 및 R3은 상기에서 정의한 바와 같고,
p + q는 1 이상이고,
p 는 0 내지 100이며, q는 0 내지 100이다.
상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 단량체로는, 예를 들어, 메톡시에틸 (메타)아크릴레이트, 메톡시에톡시에틸 (메타)아크릴레이트, 에톡시에톡시에틸 (메타)아크릴레이트, 에톡시트리에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜메틸에테르 (메타)아크릴레이트, 에톡시레이티드노닐페놀 (메타)아크릴레이트, 프로폭시레이티드노닐페놀 (메타)아크릴레이트, 에톡시레이티드페놀 (메타)아크릴레이트, 및 폴리프로필렌글리콜 (메타)아크릴레이트을 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 메톡시에틸 (메타)아크릴레이트, 메톡시에톡시에틸 (메타)아크릴레이트, 에톡시에톡시에틸 (메타)아크릴레이트, 에톡시트리에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트, 또는 폴리에틸렌글리콜메틸에테르 (메타)아크릴레이트가 예시될 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 단량체는, 적어도 하나 이상의 산소 원자를 포함하며, 상기 산소 원자의 높은 전기 음성도에 의하여, 상기 단량체는 매우 높은 극성을 띠게 되므로, 상기 단량체를 포함하는 점착제층은 극성의 전해액과 높은 친화도를 가지며, 상기 전해질과 접촉 시에 팽창할 수 있다. 한편, 상기에서 용어 「전해액」은, 예를 들면, 이차전지 등에서 사용되는 이온 전도의 매체를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 전해질은 액체 상태의 매체인 전해액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 명세서에서 전해액은 전해질로 표현되기도 한다.
상기 중합체는 (메타)아크릴산 에스테르 단량체 100 중량부에 대하여 상기 화학식 1로 표시되는 단량체 30 중량부 내지 300 중량부, 예를 들어, 40 내지 280 중량부 또는 44 내지 250 중량부를 중합된 형태로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 단량체는 상기 중합체에 중합 단위로 포함되는 전체 단량체 100 중량부에 대하여 25 내지 80 중량부, 예를 들어, 25 내지 75 중량부 또는 30 내지 70 중량부로 포함될 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 단량체가 지나치게 적게 포함될 경우, 점착제층이 전해질과 접촉시 전극 조립체로부터 탈리되기에 충분할 만큼 팽창하기 어려우며, 지나치게 많이 포함될 경우, 상기 중합체의 중합 반응에서 겔화(gelation)가 지나치게 일어나, 점착제의 점착성을 구현하기 어려울 수 있으므로, 이러한 점을 고려하여, 전술한 범위 내로 극성 관능기를 가지는 단량체의 함량을 조절할 수 있다. 본 명세서에서, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 「중량부」는 상대적인 「중량 비율」을 의미한다.
상기 가교성 관능기를 가지는 가교성 단량체는, 상기 (메타)아크릴산 에스테르 단량체 또는 중합체에 포함되는 다른 단량체와 공중합될 수 있고, 공중합된 후에 중합체의 주쇄에 다관능성 가교제와 반응할 수 있는 가교점을 제공할 수 있는 단량체이다. 상기에서 가교성 관능기는 히드록시기, 카복실기, 이소시아네이트기, 글리시딜기 또는 아미드기 등일 수 있으며, 경우에 따라서는 아크릴로일기 또는 메타크릴로일기 등과 같은 광가교성 관능기일 수 있다. 광가교성 관능기의 경우, 상기 공중합성 단량체에 의해 제공된 가교성 관능기에 광가교성 관능기를 가지는 화합물을 반응시켜 도입할 수 있다. 상기 히드록시기를 포함하는 가교성 단량체로는 예를 들어, 히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 히드록시프로필 (메타)아크릴레이트, 히드록시부틸 (메타)아크릴레이트, 히드록시헥실 (메타)아크릴레이트, 히드록시옥틸 (메타)아크릴레이트, 히드록시에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트, 글리세롤 (메타)아크릴레이트 또는 히드록시프로필렌글리콜 (메타)아크릴레이트 등과 같은 히드록시기를 포함하는 단량체를 사용할 수 있으며, 또한, 이 중 1종 이상이 혼합된 단량체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 카르복실기 함유 단량체로서는, 예를 들면 (메타)아크릴산, 카르복시에틸 (메타)아크릴레이트, 카르복시펜틸 (메타)아크릴레이트, 이타콘산, 말레산, 푸마르산, 크로톤산 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 글리시딜기를 포함하는 가교성 단량체로는 예를 들어, 글리시딜 (메타)아크릴레이트, 에폭시알킬 (메타)아크릴레이트 또는 에폭시시클로헥실메틸 (메타)아크릴레이트와 같은 에폭시시클로알킬알킬 (메타)아크릴레이트 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 이소시아네이트기를 포함하는 가교성 단량체는 예를 들어, 2-이소시아네이토에틸 (메타)아크릴레이트, 1,1-비스(아크릴로일옥시메틸)에틸 이소시아네이트, (메타)아크릴로일옥시 에틸 이소시아네이트, 메타-이소프로페닐-α,α-디메틸벤질이소시아네이트, 메타크릴로일이소시아네이트 또는 알릴 이소시아네이트; 디이소시아네이트 화합물 또는 폴리이소시아네이트 화합물을 (메타)아크릴산 2-히드록시에틸과 반응시켜 얻어지는 아크릴로일 모노이소시아네이트 화합물; 디이소시아네이트 화합물 또는 폴리이소시아네이트 화합물, 폴리올화합물 및 (메타)아크릴산 2-히드록시에틸을 반응시켜 얻어지는 아크릴로일 모노이소시아네이트 화합물 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 아미드기 함유 단량체로서는, 예를 들면 (메타)아크릴아미드, 디에틸아크릴아미드, N-비닐피롤리돈, N,N-디메틸(메타)아크릴아미드, N,N-디에틸(메타)아크릴아미드, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드, N,N-디메틸아미노프로필아크릴아미드, N,N-디메틸아미노프로필메타크릴아미드, 디아세톤(메타)아크릴아미드 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 아미노기 함유 단량체로서는, 예를 들면 아미노에틸(메타)아크릴레이트, N,N-디메틸아미노에틸(메타)아크릴레이트, N,N-디메틸아미노프로필(메타)아크릴레이트 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알콕시실릴기 함유 단량체로는, 트리메톡시실릴프로필 (메타)아크릴레이트 또는 알릴옥시에틸 (메타)아크릴레이트 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중합체는 (메타)아크릴산 에스테르 단량체 100 중량부에 대하여 가교성 단량체 0.1 중량부 내지 10 중량부, 예를 들어, 2.5 내지 10 중량부, 2.9 내지 9 중량부 또는 2.9 내지 8 중량부를 중합된 형태로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 가교성 단량체는 상기 중합체에 중합 단위로 포함되는 전체 단량체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부, 예를 들어, 0.5 내지 3 중량부 또는 1 내지 2 중량부로 포함될 수 있다. 상기 가교성 단량체가 지나치게 많이 포함될 경우에는, 박리력이 지나치게 낮아 점착제층이 전극 조립체를 고정하기 어려운 문제가 발생할 수 있으며, 지나치게 적게 포함될 경우, 점착제층이 전해질과 접촉시 전극 조립체로부터 탈리되기에 충분할 만큼 팽창하기 어려우므로, 이러한 점을 고려하여, 전술한 범위 내로 가교성 단량체의 함량을 조절할 수 있다.
상기 중합체는 필요에 따라서 다른 기능성 공단량체를 중합된 형태로 추가로 포함할 수 있는데, 그 예로는, 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체를 들 수 있다.
[화학식 3]
상기 식에서, R6 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 알킬기를 나타내고, R9는 시아노; 알킬로 치환 또는 비치환된 페닐; 아세틸옥시; 또는 COR10를 나타내며, 이 때 R10은 알킬 또는 알콕시알킬로 치환 또는 비치환된 아미노, 또는 글리시딜옥시를 나타낸다.
상기 식의 R6 내지 R10의 정의에서 알킬 또는 알콕시는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬 또는 알콕시를 의미하며, 바람직하게는 메틸, 에틸, 메톡시, 에톡시, 프로폭시 또는 부톡시이다.
상기 화학식 3의 단량체의 구체적인 예로는 (메타)아크릴아미드, N-부톡시 메틸 (메타)아크릴아미드, N-메틸 (메타)아크릴아미드, (메타)아크릴로니트릴, N-비닐 피롤리돈 또는 N-비닐카프로락탐 등의 질소 함유 단량체; 스티렌 또는 메틸 스티렌과 같은 스티렌계 단량체; 글리시딜 (메타)아크릴레이트; 카프로락톤, 또는 비닐 아세테이트와 같은 카르복실산의 비닐 에스테르 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중합체는, 다관능성 가교제에 의해 가교된 형태로 상기 조성물에 포함될 수 있다. 상기 중합체가 가교된 형태로 포함될 경우, 상기 조성물로부터 제조된 점착제층은 전해질과 접촉 시에 팽창 또는 팽윤하는 특성을 가질 수 있으며, 이에 따라, 전극의 단선을 방지할 수 있다. 또한, 상기 중합체가 가교된 형태로 포함됨으로써, 상기 점착제 조성물로부터 제조된 점착제층은 적절한 응집력을 확보할 수 있다.
상기 중합체를 가교시키고 있는 다관능성 가교제의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 이소시아네이트 가교제, 에폭시 가교제, 아지리딘 가교제, 금속 킬레이트 가교제 또는 광가교제 등의 공지의 가교제 중에서 중합체에 존재하는 가교성 관능기의 종류에 따라 적절한 가교제가 선택될 수 있다. 상기에서 이소시아네이트 가교제의 예로는 톨리렌 디이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트, 디페닐메탄 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소보론 디이소시아네이트, 테트라메틸크실렌 디이소시아네이트 또는 나프탈렌 디이소시아네이트 등과 같은 디이소시아네이트나, 상기 디이소시아네이트와 폴리올과의 반응물 등을 들 수 있고, 상기에서 폴리올로는 트리메틸롤 프로판 등이 사용될 수 있다. 에폭시 가교제로는 에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, 트리글리시딜에테르, 트리메틸올프로판 트리글리시딜에테르, N,N,N',N'-테트라글리시딜 에틸렌디아민 또는 글리세린 디글리시딜에테르 등을 사용할 수 있고, 아지리딘 가교제로는, N,N'-톨루엔-2,4-비스(1-아지리딘카르복사미드), N,N'-디페닐메탄-4,4'-비스(1-아지리딘카르복사미드), 트리에틸렌 멜라민, 비스이소프로탈로일-1-(2-메틸아지리딘) 또는 트리-1-아지리디닐포스핀옥시드 등을 들 수 있으며, 금속 킬레이트 가교제로는, 아세틸 아세톤 또는 아세토아세트산 에틸 등의 화합물에 다가 금속이 배위된 화합물을 들 수 있고, 상기에서 다가 금속으로는 알루미늄, 철, 아연, 주석, 티탄, 안티몬, 마그네슘 또는 바나듐 등을 들 수 있으며, 광가교제로는 다관능성 아크릴레이트 등을 사용할 수 있다. 상기에서 중합체에 포함되어 있는 가교성 관능기의 종류를 고려하여, 1종 또는 2종 이상의 가교제가 사용될 수 있다.
점착제 조성물에서 상기 다관능성 가교제의 중량 비율은, 예를 들면, 목적하는 박리력 또는 후술하는 겔 분율이 확보될 수 있는 범위로 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 가교제는 전체 조성물 100 중량부에 대하여 0.001 내지 10 중량부, 예를 들어, 0.1 내지 5 중량부 또는 0.5 내지 4 중량부의 함량으로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다관능성 가교제의 비율이 지나치게 적으면, 점착제층의 응집력이 적절하게 확보되지 않고, 지나치게 높으면, 점착 물성이 떨어질 수 있으므로, 이를 고려하여 적절한 범위가 선택될 수 있다.
상기 점착제 조성물에 포함되는 중합체는, 상기와 같은 단량체의 혼합물을 용액 중합(solution polymerization), 광중합(photo polymerization), 괴상 중합(bulk polymerization), 현탁 중합(suspension polymerization) 또는 유화 중합(emulsion polymerization) 등과 같은 중합 공정에 적용하여 제조할 수 있다.
상기 중합체는 중량평균분자량(Mw, Weight Average Molecular Weight)이 30만 내지 250만, 40만 내지 200만, 40만 내지 150만, 40만 내지 100만, 50만 내지 200만, 80만 내지 180만, 60만 내지 120만, 70만 내지 140만 또는 60만 내지 80만 정도일 수 있다. 본 명세서에서 중량평균분자량은, GPC(Gel Permeation Chromatograph)로 측정한 표준 폴리스티렌에 대한 환산 수치를 의미할 수 있고, 특별하게 달리 규정하지 않는 한, 분자량은 중량평균분자량을 의미할 수 있다. 상기 중합체의 분자량이 너무 낮으면, 점착제층의 응집력이 저하될 수 있고, 지나치게 높으면 점착 물성이 저하될 수 있으므로, 이러한 점을 고려하여 적절한 분자량이 선택될 수 있다.
점착제 조성물에는, 상기 성분 외에도 필요에 따라서 이 분야에서 공지된 다양한 첨가제가 추가로 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 점착제 조성물은, 점착 부여제를 추가로 포함할 수 있다. 점착 부여제로는, 예를 들면, 로진 에스테르계 또는 스티렌계 점착 부여제가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 필요에 따라서 적절한 종류가 선택, 사용될 수 있다. 상기 점착 부여제의 함량도 특별히 제한되지 않으며, 전극 조립체와의 박리력 등을 고려하여 조절될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 점착 부여제는, 상기 중합체 100 중량부 대비 1 중량부 내지 25 중량부의 비율로 사용될 수 있다.
상기 점착제 조성물은 또한, 목적하는 효과에 영향을 미치지 않는 범위에서, 열개시제 또는 광개시제와 같은 개시제; 에폭시 수지; 경화제; 자외선 안정제; 산화 방지제; 조색제; 보강제; 충진제; 소포제; 계면 활성제; 다관능성 아크릴레이트와 같은 광중합성 화합물; 또는 가소제 등과 같은 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 점착제 조성물에 포함되는 중합체는 일반적으로 잘 알려진 적절한 광개시제의 선정에 의하여 광중합법에 의하여 제조될 수도 있다. 상기 광개시제는 예를 들어, 벤조일퍼옥사이드, 1,1-비스(터셔리-부틸퍼옥시)-3,3,5-트라이에틸시클로헥산, 터셔리부틸퍼옥시아세테이트, 터셔리부틸퍼옥시벤조에이트, 터셔리부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, 터셔리부틸 퍼옥시아이소프로필카보네이트, 다이-2-에틸헥실퍼옥시 디카보네이트, 다이아이소프로필퍼옥시 디카보네이트, 다이-3-메톡시부틸퍼옥시 디카보네이트, 디-3,3,5-트리메틸헥사노일 퍼옥사이드, 다이-터셔리-부틸 퍼옥사이드, 라우로일 퍼옥사이드, 다이쿠밀퍼옥사이드, 메틸에텔케톤퍼옥사이드 등의 유기 과산화물; 부틸 하이드로 퍼옥사이드, 큐밀 하이드로 퍼옥사이드 등의 하이드로 과산화물; 과산화수소, 과산화이황산암모늄, 질산 및 그의 염, 과염소산 및 그의 염, 황산 및 그의 염, 하이포염소산 및 그의 염, 과망간산 및 그의 염, 크롬산 및 그의 염, 이산화납, 이산화망간, 산화구리, 염화철, 플루오르, 염소, 브롬, 요오드 등의 산화제; 소디움브로하이드라이드, 포름알데히드, 아세트알데히드, 아민, 하이드라진 등의 환원제; 아조비스이소부티로나이트릴(azobisisobutyronnitrile, 이하 AIBN) 등과 같은 아조 화합물; 열, 빛 자외선 또는 고 에너지의 파장을 조사하는 수단; 전해질 내에서의 전자 이동; 등에 의하여 상기 광중합법에 적용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광 개시제의 함량은, 특별히 제한되는 것은 아니나, 전체 단량체 혼합물 100 중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부, 예를 들어, 0.01 내지 1 중량부, 0.01 중량부 내지 0.5 중량부의 양으로 포함될 수 있다.
상기와 같은 점착제층(11)은, 예를 들면, 상기와 같은 중합체와 다관능성 가교제를 배합한 코팅액을 상기 다공성 지지체(12) 위에 코팅하고, 적정한 조건에서 상기 중합체와 다관능성 가교제의 가교 반응을 유도하여 형성할 수 있다.
상기 점착제층(11)의 두께는 적용되는 용도, 예를 들면, 목적하는 박리력 등에 따라서 적절하게 선택될 수 있는 것으로, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 점착제층(11)은, 예를 들면, 2 ㎛ 내지 100 ㎛, 3 ㎛ 내지 50 ㎛, 4 ㎛ 내지 25 ㎛, 2 ㎛ 내지 15 ㎛, 4 ㎛ 내지 10 ㎛, 4 ㎛ 내지 9 ㎛, 4 ㎛ 내지 7 ㎛, 5 ㎛ 내지 9 ㎛ 또는 5 ㎛ 내지 7 ㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성할 수 있으나, 이는 목적에 따라서 변경될 수 있다.
상기 점착 테이프(10)는 이차전지 내에서 전극 조립체의 내부(1c)에 부착되는 점착 테이프(10)일 수 있다. 또한, 본 출원의 구현예들에 의한 점착 테이프(10)는 상기 점착제층(11)의 초기 박리력이 지나치게 높지 않으며, 전술한 극성 관능기를 가지는 단량체를 포함하는 점착제층(11)을 포함함으로써, 이차전지 내에서 상기 점착 테이프(10)가 전해액과 접촉 시에 상기 점착제층(11)이 전해액을 흡수하고 팽창함으로써, 상기 점착제층(11)의 박리력이 전극 조립체로부터 탈리될 수 있을 정도로 낮게 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 점착 테이프(10)는, 상기 전극 조립체를 고정함과 동시에 전해질과 접촉 시에 상기 전극 조립체로부터 탈리되기에 충분한 초기 박리력을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체의 초기 박리력이 지나치게 높으면, 상기 점착제층(11)이 전해질과 접촉 후에도, 전극 조립체(22)로부터 탈착하기가 어려워질 수 있다. 예를 들어, 상기 점착제층(11)은 유리에 대하여, 5 mm/sec의 박리 속도 및 180도의 박리 각도로 측정한 상온에서의 박리력이 370 gf/25mm 이하, 예를 들어, 350 gf/25mm 이하, 315 gf/25mm 이하 또는 312 gf/25mm 이하일 수 있다. 상기 점착제층(11)의 유리에 대한 박리력의 하한 값은, 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 매우 낮은 초기 박리력을 가질 경우, 상기 점착제층은, 전해액과 접촉시 점착력을 잃어버리게 되고, 이에 따라 상기 점착 테이프가 전극조립체로부터 탈리됨으로써, 전극의 단선을 방지할 수 있다. 다만, 상기 점착제층(11)의 초기 박리력이 지나치게 낮으면, 상기 전극 조립체가 캔에 수납되기 전에 전해액과 접촉되지 않은 상태에서 풀려버릴 수 있으며, 이러한 점을 고려하면, 상기 점착제층(11)의 유리에 대한 박리력의 하한 값은 5 gf/25mm 이상, 예를 들어, 10 gf/25mm 이상, 20 gf/25mm 이상, 30 gf/25mm 이상, 40 gf/25mm 이상, 50 gf/25mm 이상, 60 gf/25mm 이상, 70 gf/25mm 이상, 80 gf/25mm 이상, 85 gf/25mm 이상 또는 88 gf/25mm 이상으로 조절될 수 있다. 상기 점착제층(11)이, 유리에 대하여 상기와 같은 범위의 박리력을 가질 경우, 상기 점착제층(11)이 전극 조립체(1)의 내부(1c)에 부착되었을 경우에도, 전해액과 접촉 시에 탈리되기 위한 적절한 초기 박리력을 나타낼 수 있으며, 상기 점착 테이프(10)가 전해액과 접촉한 경우, 특정 표면 조도를 가지는 입체 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 출원의 점착 테이프(10)는, 전해액과 접촉 시에, 상기 점착제층(11)이 전해액을 흡수하고 팽창함으로써 입체 구조를 형성하며, 상기 점착제층(11)의 박리력이 전극 조립체로부터 탈리될 수 있을 정도로 낮게 조절될 수 있으며, 이에 따라 상기 점착제층(11)은 전극 조립체의 내부(1c)의 부착면으로부터 탈리될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 점착 테이프(10)는, 전해액과 접촉 후에, 상기 전극 조립체의 부착면으로부터 탈리될 수 있으며, 바람직하게는, 상기 전극 조립체의 내부(1c)에 상기 점착 테이프(10)가 부착된 면적의 50% 이상, 예를 들어, 60% 이상, 70% 이상 또는 80% 이상이 탈리될 수 있다.
상기 점착 테이프(10)의 두께는, 목적하는 박리력 등에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 점착 테이프(10)는, 예를 들면, 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 15 ㎛ 내지 75 ㎛, 20 ㎛ 내지 45 ㎛, 15 ㎛ 내지 40 ㎛, 20 ㎛ 내지 40 ㎛, 20 ㎛ 내지 30 ㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성할 수 있으나, 이는 목적에 따라서 변경될 수 있다. 상기 점착 테이프(10)의 두께가 너무 얇으면, 점착 테이프(10)의 점착제층(11)의 팽창에 따른 효과가 발휘되기 어려울 수 있으며, 반대로 두께가 너무 두꺼우면, 그 만큼 전극 조립체의 두께가 증가하여 전지케이스에 삽입 시 공정성 저하로 인한 전극 조립체의 손상이 크거나 동일 규격의 크기에서 용량 저하를 초래할 수 있다.
상기 점착 테이프(10)는, 상기 테이프의 사용 전까지 점착제층(11)을 보호하기 위하여 상기 점착제층(11)에 부착되어 있는 이형 시트를 추가로 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상술한 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 이차 전지를 제공한다. 이때, 이차 전지는 전극 조립체를 권취하는 형태, 전지 케이스의 형태 및 권취된 전극 조립체를 밀봉하는 방법에 따라서 결정되며, 이를 고려하여 다양한 형태의 이차 전지로 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 이차 전지는 원통형 이차 전치, 각형 이차 전지 또는 파우치형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시상태에서, 상기 전극 조립체는 권심축의 수직단면이 원인 롤형일 수 있다.
상기 전극 조립체(22)가 수납되는 캔(21)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 이 분야의 공지의 종류로서 원통형의 캔(21) 등이 예시될 수 있다.
상기 이차전지(20)는, 예를 들어 전극 조립체(22)에 상기 점착 테이프(10)를 부착한 후에 캔(21) 내부에 수납하고, 상기 캔(21) 내부에 전해질을 주입한 후 캔(21)을 밀봉하는 방식으로 제조될 수 있다.
상기에서 점착 테이프(10)의 점착제층(11)을 변형, 예를 들면, 팽창시키는 유체인 전해액의 종류도 특별히 제한되지 않으며, 전지의 종류에 따라서 이 분야의 공지의 전해액이 사용된다. 예를 들어, 상기 전지가 리튬 이차전지인 경우, 상기 전해질은 예를 들면, 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. 상기에서 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진시킬 수 있다. 리튬염의 예로는, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수), LiCl, LiI, 및 리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bisoxalate borate) 등의 일종 또는 이종 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함하는 것을 들 수 있다. 전해질에서 리튬염의 농도는, 용도에 따라 변화될 수 있는 것으로, 통상적으로는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용한다. 또한, 상기 유기 용매는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로서, 그 예로는, 벤젠, 톨루엔, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠(iodobenzene), 1,2-디이오도벤젠, 1,3-디이오도벤젠, 1,4-디이오도벤젠, 1,2,3-트리이오도벤젠, 1,2,4-트리이오도벤젠, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디이오도톨루엔, 1,3-디이오도톨루엔, 1,4-디이오도톨루엔, 1,2,3-트리이오도톨루엔, 1,2,4-트리이오도톨루엔, R-CN(여기에서, R은 탄소수 2 내지 50의 직쇄상, 분지상 또는 고리상 구조의 탄화 수소기로서, 상기 탄화수소기는 이중결합, 방향족 고리 또는 에테르 결합 등을 포함할 수 있다), 디메틸포름아마이드, 디메틸아세테이트, 크실렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 사이클로헥사논, 에탄올, 이소프로필 알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, γ-부티로락톤, 설포란(sulfolane), 발레로락톤, 데카놀라이드 또는 메발로락톤의 일종 또는 이종 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 이차 전지는 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 0.4 보다 큰 원통형 이차 전지일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 이차 전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 원통형 이차 전지는, 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 46mm이고, 그 높이는 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 48mm이고, 그 높이는 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 48mm이고, 그 높이는 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 48mm이고, 그 높이는 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 46mm이고, 그 높이는 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상술한 전극 조립체(1) 및 상기 전극 조립체(1)를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
도 11을 통해, 권취된 전극 조립체(1)가 수용된 전지케이스에 수용된 이차전지(20)를 예시했다. 상기 전극 조립체(1)는 권심축의 수직단면이 원이며, 상기 전지케이스는 원통형일 수 있다. 전지케이스는 캔(21)과 캡 어셈블리(22)를 포함할 수 있다.
캔(21)은 내부에 공간이 형성된 기둥 구조로 구비될 수 있다. 캔(21)은 내부 공간에 전극과 분리막을 포함하는 전지 조립체(1) 및 전해액(도시되지 않음)이 수용될 수 있다. 캔(21)의 일측은 개구된 구조를 가질 수 있고, 타측은 밀봉된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 캔(21)의 일측 및 타측은 중력 방향 또는 캔(21)의 중심축을 따라 상부 및 하부에 위치된 단부를 의미한다.
캔(21)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성될 수 있다.
캡 어셈블리(22)는 캔(21) 상부에 결합될 수 있고, 탑 캡, 안전 벤트 및 전류차단소자를 포함할 수 있다.
탑 캡은 캡 어셈블리(22)의 가장 상부에 돌출되어 외부와 전기적으로 접속되도록 전극 단자 역할을 할 수 있다. 안전 벤트는 내압 상승으로 내부에서 가스가 일정 수준 이상으로 발생하면 고압가스를 배출할 수 있고, 전류차단소자는 전지 내압의 상승 시 전류를 차단할 수 있다.
탑 캡은 캔(21)의 상부와 결합될 수 있다. 즉, 탑 캡은 캔(21)의 최상부에 위치된 크림핑부와 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지(20)는 크림핑부와 탑 캡 사이 가스켓이 포함될 수 있다. 가스켓은 케이스의 밀폐력을 증가시킬 수 있다.
탑 캡은 중력 방향의 상측으로 돌출되는 돌출부, 가스켓과 결합되는 테두리부 및 돌출부와 테두리부를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
안전 벤트는 탑 캡의 하측에 위치되고, 탑 캡의 끝 단부와 결합될 수 있다. 안전 벤트는 탑 갭의 끝 단부와 일정 길이 접촉되고, 접촉 길이를 제외한 부분은 탑 캡과 일정 거리 이격되어 위치될 수 있다.
안전 벤트는 적어도 한 번 이상 절곡되어 구비될 수 있다. 예를 들어, 안전 벤트는 탑 캡과 접촉되지 않는 부분에 두 개의 노치가 구비될 수 있다. 즉, 안전 벤트(12)는 노치에 의해 절곡되고, 안전 벤트의 중앙은 함몰되어 만입형 중앙부가 형성될 수 있다. 그리고, 안전 벤트는 탑 캡과 접촉되는 끝 단부와 만입형 중앙부를 연결하는 벤팅부가 형성될 수 있다.
전류차단소자는 안전 벤트 하측에 위치되고, 안전 벤트와 적어도 일부가 접촉될 수 있다.
전류차단소자는 안전 벤트 방향으로 돌출된 중앙부 및 중앙부 외측에 위치되는 CID 필터부를 포함할 수 있다. 따라서, 캡 어셈블리(22)는 전류차단소자의 중앙부와 안전 벤트의 만입형 중앙부가 접촉될 수 있다.
본 발명에 따른 캡 어셈블리(22)는 CID 필터부 끝 단부에 CID 가스켓이 구비될 수 있다. CID 가스켓은 안전 벤트가 전류차단소자의 중앙부 이외의 부분에서 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상술한 이차 전지를 2 이상 포함하는 배터리 팩을 제공한다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 이차 전지 셀(201)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(202)을 포함한다. 원통형 이차전지 셀(201)은 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리 셀(201)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
본 명세서의 또 다른 실시상태는 상술한 배터리 팩(200)을 포함하는 운송 수단을 제공한다. 상기 운송 수단은 짐, 사람 등을 이동시키거나 이동하며 작업하는 모든 것이며, 자전거, 중장비, 농업 장비, 자동차, 버스, 비행기 등일 수 있다.
상기 배터리 팩(200)은 자동차(V)에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차(V)는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다. 도 13은 도 12의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차(V)를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 자동차(V)는, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 배터리 팩(200)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[제조예 1]
중합체의 제조
질소가스가 환류되고 온도조절이 용이하도록 냉각장치를 설치한 1000 cc 반응기에 n-부틸 아크릴레이트(n-Butyl Acrylate, n-BA) 58 중량부, 메톡시 에틸 아크릴레이트(Methoxy Ethyl Acrylate, MEA) 40 중량부 및 하이드록시부틸 아크릴레이트(HydroxyButyl Acrylate, HBA) 2 중량부 로 구성되는 단량체 혼합물과 연쇄 이동제인 n-도데칸티올(n-dodecanethiol) 0.02 중량부를 투입하고, 용매로 에틸아세테이트(Ethyl Acetate, EAc) 150 중량부를 투입하였다. 그 다음, 산소를 제거하기 위하여 60℃에서, 질소가스를 60 분간 퍼징한 후, 60℃로 유지하였다. 혼합물을 균일하게 한 후, 반응개시제로 아조비스이소부티로니트릴(Azobisisobutyronitrile, AIBN) 0.04중량부를 투입하였다. 혼합물을 8 시간 동안 반응시켜 중량평균분자량이 80 만인 중합체를 제조하였다. 상기에서 중량부는 wt%를 의미한다.
상기 제조한 중합체 100 중량부에 대하여 다관능성 이소시아네이트계 가교제로 트리메틸올프로판의 톨리렌디이소시아네이트 부가물 0.3 중량부를 에틸아세테이트 용액에 투입한 후, 코팅성을 고려하여 적정의 농도로 희석하여 균일하게 혼합하여, 점착제 조성물의 제조했다.
이형 필름 일면에 상기 점착제 조성물을 3 μm 두께로 코팅 및 건조했다. 이를 다공성 지지체에 전사시킨 후 이형필름을 제거하여 두께 19 μm, 길이 60mm, 폭 10mm인 점착 테이프를 제조하였다.
이때, 상기 다공성 지지체는 기공도 47%, 두께 16μm, 기계방향(MD, mechanical direction) 인장강도(Tensile strength) 2040kgf/cm2, MD방향 인장신율(Tensile elongation) 125%인 폴리에틸렌(PE) 다공성 지지체이다.
[실험예 1]
전극 조립체 및 전지의 제조
도 15와 같이 음극, 양극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 적층하면서, 도 15의 점착 테이프 위치에 제조된 점착 테이프를 부착하고, 적층이 완료된 전극 조립체를 권취하여 단면 지름이 17.2mm인 젤리-롤(J/R)을 제조했다.
젤리-롤형 조립체를 원통형의 캔(단면 지름: 17.5mm)에 삽입하였다. 이어서 상기 캔의 내부에 카보네이트계 전해질을 주입하고, 밀봉하여 실시예(Test)의 전지를 완성하였다.
반면, 상기 실시예의 전지에서 점착 테이프를 부착하지 않은 전지를 비교예(Ref)로서 사용했다.
상기 실시예 및 비교예의 전지를 하기 조건으로 20회 및 50회 충방전 후 젤리롤의 변형(deformation)여부를 관찰하였다.
< Test Condition >
Temperature: 25℃
Charge: 4.25V 1C 50mA cut, rest 10min
Discharge: 1C 2.5V cut, rest 20min
20회 및 50회 충방전 후 전지의 변형을 확인하기 위해, 실시예(Test)와 비교예(Ref)를 각각 같은 방법으로 2개씩 제조하여 #1과 #2로 구분하여, XSCAN-8225 장비로 225kV, Frame rate 3fps에서 CT 촬영했으며, 그 결과를 도 14에 도시했다.
도 14를 살펴보면, 비교예(Ref)의 전지는 충방전 시 전극 팽창에 의한 권심측 변형(deformation)이 발생하나, 점착 테이프가 적용된 실시예(Test)의 전지는 분리막이 점착 테이프에 의해 물리적으로 보강되어 변형이 억제되는 것을 확인했다. 이때, 권심(core)측 변형은 전극을 손상시킴으로써 배터리 성능을 저하시키고, 심한 경우에 분리막의 손상까지 야기시켜 내부 쇼트(short)를 발생시킬 수 있어 변형을 줄이는 것이 중요하다.
[실험예 2]
분해 후 리튬금속 석출 확인
실험예 1에서, 충방전 50회 진행한 실시예(Test) 전지를 4.2V 만충 상태에서 분해하여 리튬금속(Li metal)의 석출 여부를 관찰했으며, 이를 확인한 사진을 도 16에 나타냈다.
충전 전 음극은 카본의 검은색이지만 충전 후 리튬금속이 인터칼레이션(intercalation)되면 황색으로 변하며, 리튬금속(Li metal)이 석출되는 경우 회색을 나타낸다.
실시예의 전지에서 점착 테이프를 부착한 부위는 양극과 대면한 음극으로 전해액을 흡수하고 팽창하여 이온교환로를 형성하지 못하는 일반적인 테이프를 부착하는 경우 리튬 이온의 이동을 방해하여 주변에 리튬금속 석출을 야기시킨다. 반면, 제조예에서 만든 점착 테이프는 이온의 이동이 가능한 이온 이동로를 형성하므로 리튬금속의 석출이 발생하지 않음을 도 15를 통해 확인했다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 전극 조립체
1a: 권심
1b: 최외각 1c: 내부
2: 양극
2a: 양극 집전체 2b: 양극 활물질층
2b': 제1 양극 활물질층 2b'': 제2 양극 활물질층
2c: 양극탭 2d: 양극 유지부
2d': 제1 양극 유지부 2d'': 양극 유지부
2e: 양극 무지부
4: 분리막
4a: 제1 분리막 4b: 제2 분리막
5: 음극
5a: 음극 집전체 5b: 음극 활물질층
5b': 제1 음극 활물질층 5b'': 제2 음극 활물질층
5c: 음극탭
10: 점착 테이프
11: 점착제층
12: 다공성 지지체
20: 이차전지
21: 캔
22: 캡 어셈블리
200: 배터리 팩
201: 원통형 배터리 셀
202: 팩 하우징
V: 운송 수단
1a: 권심
1b: 최외각 1c: 내부
2: 양극
2a: 양극 집전체 2b: 양극 활물질층
2b': 제1 양극 활물질층 2b'': 제2 양극 활물질층
2c: 양극탭 2d: 양극 유지부
2d': 제1 양극 유지부 2d'': 양극 유지부
2e: 양극 무지부
4: 분리막
4a: 제1 분리막 4b: 제2 분리막
5: 음극
5a: 음극 집전체 5b: 음극 활물질층
5b': 제1 음극 활물질층 5b'': 제2 음극 활물질층
5c: 음극탭
10: 점착 테이프
11: 점착제층
12: 다공성 지지체
20: 이차전지
21: 캔
22: 캡 어셈블리
200: 배터리 팩
201: 원통형 배터리 셀
202: 팩 하우징
V: 운송 수단
Claims (16)
- 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비되는 분리막이 적층되어 권취된 전극 조립체에 있어서,
상기 권취된 전극 조립체의 내부에 점착된 점착 테이프를 더 포함하고,
상기 점착 테이프는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 상에 전해액과 접촉 후에 상기 전해액을 흡수하고 팽창하여 이온이동로를 형성하는 점착제층을 포함하는 것인 전극 조립체. - 청구항 1에 있어서, 상기 점착 테이프는 상기 양극과 상기 분리막 사이 및 상기 음극과 상기 분리막 사이 중 적어도 하나에 점착된 것인 전극 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 양극 및 음극은 각각 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 구비된 활물질층을 포함하고,
상기 점착 테이프는 상기 양극의 활물질층의 권심측 단부와 상기 분리막 사이 및 상기 음극의 활물질층의 권심측 단부와 상기 분리막 사이 중 적어도 하나에 점착된 것인 전극 조립체. - 청구항 1에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 구비된 양극 활물질층을 포함하고,
상기 점착 테이프는 상기 양극 활물질층의 단부와 상기 양극 활물질층의 단부와 근접한 상기 양극 집전체의 표면을 덮도록 점착된 것인 전극 조립체. - 청구항 1에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 구비된 양극 활물질층을 포함하고,
상기 양극은, 상기 전극 조립체의 권취방향으로 이격되고 상기 양극 집전체에 상기 양극 활물질층이 구비된 2 이상의 유지부; 및 상기 2 이상의 유지부 사이에 상기 양극 집전체에 상기 양극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며,
상기 점착 테이프는 상기 무지부와 상기 무지부측 양극 활물질층의 단부를 덮도록 점착된 것인 전극 조립체. - 청구항 1에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극은 각각 집전체, 및 상기 집전체의 양면에 구비된 활물질층을 포함하는 것인 전극 조립체.
- 청구항 6에 있어서, 상기 전극 조립체의 권취방향으로, 상기 분리막의 권심측 단부로부터, 상기 음극 활물질층의 권심측 단부가 상기 양극 활물질층의 권심측 단부보다 가까운 것인 전극 조립체.
- 청구항 7에 있어서, 상기 음극은, 상기 집전체에 상기 활물질층이 구비된 유지부; 및 상기 전극 조립체의 권취방향으로 상기 집전체의 양단부에 상기 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며,
상기 점착 테이프는 상기 음극의 권심측 무지부 상에 점착된 것인 전극 조립체. - 청구항 8에 있어서, 상기 점착 테이프는,
상기 양극 활물질층의 권심측 단부가 권심측으로 대면하는 음극의 권심측 무지부에 점착된 것인 전극 조립체. - 청구항 9에 있어서, 상기 점착 테이프는,
상기 양극 활물질층의 권심측 단부가 권심측으로 대면하는 음극의 권심측 무지부의 양면 중 권심측 면에 구비된 것인 전극 조립체. - 청구항 6에 있어서, 상기 음극은 상기 음극 집전체의 권심측 단부에 음극탭이 형성된 것인 전극 조립체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 점착제층은 에틸렌 옥사이드 측쇄를 갖는 아크릴레이트계 점착제를 포함하는 것인 전극 조립체.
- 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 전지케이스를 포함하는 이차 전지.
- 청구항 13에 있어서, 상기 전극 조립체는 권심축의 수직단면이 원이며, 상기 전지케이스는 원통형인 것인 이차 전지.
- 청구항 13의 이차 전지를 2 이상 포함하는 배터리 팩.
- 청구항 15의 배터리 팩을 포함하는 운송 수단.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220154682A KR20240072738A (ko) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단 |
| CA3238495A CA3238495A1 (en) | 2022-11-17 | 2023-10-13 | Electrode assembly, and secondary battery, battery pack, and transportation means including the same |
| PCT/KR2023/015806 WO2024106758A1 (ko) | 2022-11-17 | 2023-10-13 | 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220154682A KR20240072738A (ko) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240072738A true KR20240072738A (ko) | 2024-05-24 |
Family
ID=91085001
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220154682A KR20240072738A (ko) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 운송 수단 |
Country Status (3)
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|---|---|
| KR (1) | KR20240072738A (ko) |
| CA (1) | CA3238495A1 (ko) |
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Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102155163B1 (ko) * | 2016-07-15 | 2020-09-11 | 주식회사 엘지화학 | 전극 조립체 |
| KR102422921B1 (ko) * | 2017-04-07 | 2022-07-20 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 경화 방지 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 원통형 전지셀 |
| KR102484705B1 (ko) * | 2017-09-19 | 2023-01-03 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차전지 |
| JP2023516122A (ja) | 2020-03-13 | 2023-04-18 | パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカ | 複数のリソースユニットの組合せを介して送信する通信装置および通信方法 |
| KR20220015707A (ko) * | 2020-07-31 | 2022-02-08 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 버튼형 이차전지 |
-
2022
- 2022-11-17 KR KR1020220154682A patent/KR20240072738A/ko unknown
-
2023
- 2023-10-13 CA CA3238495A patent/CA3238495A1/en active Pending
- 2023-10-13 WO PCT/KR2023/015806 patent/WO2024106758A1/ko active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024106758A1 (ko) | 2024-05-23 |
| CA3238495A1 (en) | 2024-05-23 |
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