KR20240103441A - 다공성 버퍼층을 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 포함하는 이차전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극 시트, 음극 시트, 및 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극 조립체, 및 전해질을 포함하는 이차전지로서,
상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하는 상기 양극 시트의 일단부 또는 코어부 및 말단부에 위치하는 상기 양극 시트의 양단부의 양면에서 상기 분리막과 상기 양극 시트 사이에 전폭방향으로 다공성 버퍼층이 형성되어 있는 이차전지, 및 이를 제조하는 방법이 제공된다.
상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하는 상기 양극 시트의 일단부 또는 코어부 및 말단부에 위치하는 상기 양극 시트의 양단부의 양면에서 상기 분리막과 상기 양극 시트 사이에 전폭방향으로 다공성 버퍼층이 형성되어 있는 이차전지, 및 이를 제조하는 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 다공성 버퍼층을 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 포함하는 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기 뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리-롤형, 스택형, 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리-롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이에, 최근 고에너지 밀도, 고용량, 고출력을 구현하기 위한 원통형 전지의 필요성이 커짐에 따라, 음극 활물질로서, Si계 물질을 사용하나, Si계 물질의 경우, 음극 스웰링 정도가 크고 이에 따라, 양극과 대면하는 젤리롤 전극 조립체의 코어 단부에서 양극과의 접촉이 증가하여 양극 활물질층의 날카로운 단부에 의해 분리막 천공을 유발하고, 내부 단락 안전성을 저하시키는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 양극 코어부에 양극 활물질층을 형성하지 않는 논프리 엣지(non-free edge) 전극으로 제작하거나, 음극 단부에 1 tab을 사용하거나, 양극의 코어 단부에 테이프를 부착하는 방법 등이 개발되고 있다.
그러나, 이러한 방법은 양극 집전체의 용해, 저항 증가, 또는 리튬 플레이팅 위험 등을 가지는 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 이차전지 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 젤리롤 전극 조립체의 코어부와 말단부에서의 양극과 음극의 접촉에 완충성을 부가하여 물리적 결함을 방지할 뿐 아니라, 리튬 이온을 방지하여 리튬 플레이팅 문제를 해소함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 효과를 나타낼 수 있는 이차전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 양극 시트, 음극 시트, 및 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극 조립체, 및 전해질을 포함하는 이차전지로서,
상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하는 상기 양극 시트의 일단부 또는 코어부 및 말단부에 위치하는 상기 양극 시트의 양단부의 양면에서 상기 분리막과 상기 양극 시트 사이에 전폭방향으로 다공성 버퍼층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 양극 시트는 상기 음극 시트보다 그 권취 길이가 짧아 상기 젤리롤 전극 조립체의 상기 코어부에서 상기 음극 시트가 상기 양극 시트보다 길게 연장되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 젤리롤 전극 조립체의 최내측에는 상기 음극 시트와 상기 분리막만 1회 이상 권취되어 있고, 2회 이상 권취된 부분부터 상기 양극 시트가 위치할 수 있다.
또한, 상기 양극 시트는 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부 및 상기 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 포함하고, 상기 양극 무지부에는 양극 탭이 형성되어 있는 구조를 가질 수 있으며, 상세하게는, 상기 양극 시트는 상기 양극 유지부가 상기 양극 무지부의 양측에 형성되어 있는 프리 엣지(free-edge) 전극일 수 있다.
한편, 상기 다공성 버퍼층은 그 형성 대상에 한정되지 아니하나, 상세하게는 상기 양극 시트의 일단부 또는 양단부의 표면 상에 형성되어 있는 것일 수 있다.
또한, 상기 다공성 버퍼층은 상기 양극 시트의 일단부 또는 양단부의 끝단에서 권취 방향으로 0.5 mm 내지 4.5 mm의 길이로 형성되어 있을 수 있다.
상기 다공성 버퍼층은 공극률이 15 내지 25%인 고분자층일 수 있고, 구체적으로, 상기 다공성 버퍼층은 폴리올레핀계, 불소계, 아크릴레이트계, 스티렌계, 셀룰로오스, 카보네이트계, 아크릴로니트릴계, 에테르계 및 이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 고분자는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 카르복실메틸셀룰로우즈(CMC), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명은 또한, 상기 이차전지의 제조방법을 제공하고,
구체적으로, 상기 이차전지의 제조방법은 양극 시트의 일부에 리튬염 및 고분자를 포함하는 고분자 용액을 전폭 방향으로 도포, 건조하여 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층이 형성된 부분 중 하나가 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하도록 양극 시트, 분리막, 및 음극 시트를 권취한 후, 전지 케이스에 내장하고, 상기 전지 케이스 내에 전해질을 주입하는 과정을 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 양극 시트는 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부 및 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 포함하고, 상기 양극 무지부의 양측에 상기 양극 유지부가 형성되어 있으며, 상기 코팅층은 상기 양극 유지부가 위치하는 일단부 또는 양단부에서 상기 양극 활물질층 상에 상기 고분자 용액을 도포하여 형성되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 고분자 용액은 스프레이 코팅 방식에 의해 도포되어 상기 코팅층을 형성하는 것일 수 있다.
한편, 상기 코팅층에 포함되어 있던 리튬염은 상기 전해질의 주입에 의해 용해되어 공극을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 이차전지는, 상기 젤리롤 전극 조립체의 상기 코어부에 위치하는 상기 양극 시트의 일단부 또는 코어부 및 말단부에 위치하는 상기 양극 시트의 양단부의 양면에서 상기 분리막과 상기 양극 시트 사이에 상기 다공성 버퍼층을 도입함으로써, 권취에 따라 상기 음극 시트와 대면하는 상기 양극 시트의 코어부와 말단부에 완충성을 부여할 수 있으므로, 코어부와 말단부에서의 접촉 증가에도 불구하고 물리적 단락을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 코어부와 말단부에서의 리튬 이온의 이동을 막아 상기 음극 시트에서의 리튬 플레이팅 발생 문제도 해소할 수 있는 바, 이차전지 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 권취 전 젤리롤 전극 조립체의 일부 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 권취 후 젤리롤 전극 조립체가 이차전지 케이스에 내장되어 있는 형상을 모식적으로 도시한 이차전지의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 권치 전 젤리롤 전극 조립체의 모식도이다.
도 4는은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지 제조방법 중 다공성 버퍼층 형성 방법을 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 버퍼층의 형성과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 권취 후 젤리롤 전극 조립체가 이차전지 케이스에 내장되어 있는 형상을 모식적으로 도시한 이차전지의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 권치 전 젤리롤 전극 조립체의 모식도이다.
도 4는은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지 제조방법 중 다공성 버퍼층 형성 방법을 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 버퍼층의 형성과정을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극 시트, 음극 시트, 및 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극 조립체, 및 전해질을 포함하는 이차전지로서,
상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하는 상기 양극 시트의 일단부 또는 코어부 및 말단부에 위치하는 상기 양극 시트의 양단부의 양면에서 상기 분리막과 상기 양극 시트 사이에 전폭방향으로 다공성 버퍼층이 형성되어 있는 이차전지가 제공된다.
이러한 이차전지에 대해 더욱 자세히 설명하기 위해, 이하에서는 도면을 참조하여, 상기 이차전지의 구성요소들 및 제조방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 권취 전 젤리롤 전극 조립체(100)의 일부가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 상기 젤리롤 전극 조립체가 전지 케이스(210)에 내장되어 있는 상태의 단면 상면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 젤리롤 전극 조립체(100)은 양극 시트(110), 및 음극 시트(120)와, 이들 사이에 개재되는 분리막들(130)이 일방향으로 권취(화살표 방향)되어 제조된다.
따라서, 도 1에서 좌측 단부가 젤리롤 전극 조립체(100)의 코어부가 된다.
이때, 젤리롤 전극 조립체(100)의 코어부에 위치하는 양극 시트(110)의 일단부 양면에는, 분리막(130)과 양극 시트(110) 사이에 전폭 방향으로 다공성 버퍼층(141, 142)이 형성되어 있는 구조를 가진다.
여기서, 전폭 방향이라고 함은 양극 시트(110), 음극 시트(120), 및 분리막(130)이 권취되는 길이 방향에 수직하는 방향에서 이들의 적층방향을 제외한 방향으로, 양극 활물질층(111), 음극 활물질층(121)이 형성되는 양극 시트(110), 음극 시트(120)의 폭을 의미한다.
이차전지에서는 보통 음극이 양극보다 크게 형성되는 바, 본 발명의 젤리롤 전극 조립체(100) 역시 양극 시트(110)는 음극 시트(120)보다 그 권취 길이가 짧아(l2<ll1), 젤리롤 전극조립체(100)의 코어부에서 음극 시트(120)이 양극 시트(110)보다 길게 연장되어 있을 수 있다.
구체적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 젤리롤 전극 조립체(100)의 최내측에는 음극 시트(120)과 분리막(130)만 1회 이상 권취되어 있고, 2회 이상 권취된 부분부터 양극 시트(110)가 위치할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 양극 시트(110)는 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부(111)와 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부(112)를 포함하고, 양극 무지부(112)에 양극 탭(113)이 형성된 구조를 가지며, 여기서, 양극 유지부(111)는 양극 무지부(112)의 양측에 형성되어 있는 프리 엣지 전극일 수 있다.
즉, 양극 시트(110)는 코어부에 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부(111)가 존재할 수 있다.
반면, 음극 시트(120)는 음극 활물질층이 형성된 음극 무지부(121)와 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부(122)를 포함하고, 음극 무지부(122)에 음극 탭(123)이 형성된 구조를 가지며, 여기서, 음극 유지부(121)는 음극 무지부(122)에 일측에 형성되고, 권취 시점을 기준으로 음극 무지부(122), 음극 유지부(121) 순으로 배열되는 비 프리 엣지(non-free edge) 전극일 수 있다.
따라서, 이러한 구조의 젤리롤 전극 조립체(100)는, 코어부에 위치하는 양극 시트(110)의 일단부의 양면에는 양극 유지부(111)가 형성되고 이러한 양극 시트(110)가 권취에 따라 음극 시트(120)와 분리막(130)의 중간부터 형성되는 바, 상기 일단부에 형성된 양극 활물질층이 음극 시트(120)와 분리막(130)의 권취 중간에 위치하므로, 음극 시트(120)의 음극 활물질층이 형성된 음극 유지부(121)과 대면하고, 이에 따라, 양극 시트(110)의 양극 활물질층의 날카로운 단부에 의해 분리막의 천공이 유발되면서 음극 시트(121)의 음극 유지부(121)과 접촉함으로써 내부 단락 안전성 저하를 야기시키는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코어부의 양극 시트(110)의 단부에서 양극 시트(110)와 분리막(130) 사이에는 다공성 버퍼층(141, 142)이 형성되어 있다.
이때, 다공성 버퍼층(141, 142)은 그 형성 대상이 한정되지 아니하고, 양극 시트(110) 또는 분리막(130)에 형성될 수 있으나, 양극 활물질층의 날카로운 단부가 문제가 있는 것이므로, 정확한 위치에 형성할 수 있도록 상세하게는 양극 시트(110)의 일단부 표면 상에 형성되어 있을 수 있다.
또한, 다공성 버퍼층(141, 142)는 양극 시트(110)의 단부에서 충분한 완충성을 확보하면서도, 용량 저하의 문제를 고려하여 각각 젤리롤 전극 조립체(100)의 코어부에서 양극 시트(110)의 일단부의 끝단에서 권취 방향으로 0.5_mm 내지 4.5 mm의 길이(D) 상세하게는, 1 mm 내지 3 mm의 길이로 형성되어 있을 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 너무 짧은 길이로 형성되어 있는 경우, 양극 시트(110)의 단부에서 발생할 수 있는 분리막 천공, 내부 단락 문제를 충분히 해소할 수 없고, 더 나아가, 단부에서 발생되는 리튬 플레이팅 문제도 여전히 존재할 수 있다. 반면, 너무 긴 경우에는 활물질층을 많이 덮게 되어 용량 저하가 발생할 수 있는 바, 바람직하지 않다.
더 나아가, 다공성 버퍼층(141, 142)은 공극률이 10 내지 30%인 고분자층일 수 있고, 상세하게는, 상기 고분자층은 공극률이 15 내지 25%일 수 있다.
여기서, 상기 고분자는 이차전지의 작동에 영향을 미치지 않는 것이라면 한정되지 아니하나, 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 카르복실메틸셀룰로우즈(CMC), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상세하게는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 폴리이미드(PI)일 수 있다.
즉, 이차전지 내부에 사용되므로, 이차전지의 작동에 영향을 미치면 되지 아니하므로, 절연 필름, 바이더 등에 사용될 수 있는 고분자가 사용됨이 바람직하다.
또한, 다공성 버퍼층(141, 142)는 양극 시트(110)의 단부에 완충성을 부가해 충격을 흡수해야 하므로, 공극을 포함하는 다공성임이 바람직하다.
따라서, 상기 범위를 벗어나, 공극률이 너무 작은 경우, 완충성 역할을 충분히 할 수 없고, 너무 큰 경우에는 리튬 이온의 이동을 방지할 수 없어, 다공성 버퍼층(141, 142)의 적용에도 불구하고 리튬 플레이팅 문제가 여전히 존재할 수 있는 바, 바람직하지 않다.
이러한 다공성 버퍼층(141, 142)의 적용에 의해 본원은 코어부에서의 접촉 증가에도 불구하고 물리적 단락을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 코어 단부에서의 리튬 이온의 이동을 막아 상기 음극 시트에서의 리튬 플레이팅 발생 문제도 해소할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 도 3에는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 젤리롤 전극 조립체(200)은 양극 시트(210), 및 음극 시트(220)와, 이들 사이에 개재되는 분리막들(230)이 일방향으로 권취(화살표 방향)되어 제조된다.
따라서, 도 3에서 좌측 단부가 젤리롤 전극 조립체(200)의 코어부가 된다.
이때, 젤리롤 전극 조립체(200)의 코어부와 말단부에 위치하는 양극 시트(210)의 양단부에는, 분리막(230)과 양극 시트(210) 사이에 전폭 방향으로 다공성 버퍼층(241, 242, 243, 244)이 형성되어 있는 구조를 가진다.
여기서, 전폭 방향이라고 함은 양극 시트(210), 음극 시트(220), 및 분리막(230)이 권취되는 길이 방향에 수직하는 방향에서 이들의 적층방향을 제외한 방향으로, 양극 활물질층(211), 음극 활물질층(221)이 형성되는 양극 시트(210), 음극 시트(220)의 폭을 의미한다.
이와 같이 양단부에 다공성 버퍼층(241, 242, 243, 244)을 형성하는 경우, 코어부 뿐 아니라, 말단부에서도, 상기와 같은 문제를 해소할 수 있어, 더욱 안정성을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이차전지를 제조하는 방법으로서,
양극 시트의 일부에 리튬염 및 고분자를 포함하는 고분자 용액을 전폭 방향으로 도포, 건조하여 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층이 형성된 부분 중 하나가 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하도록 양극 시트, 분리막, 및 음극 시트를 권취한 후, 전지 케이스에 내장하고, 상기 전지 케이스 내에 전해질을 주입하는 과정을 포함하는 이차전지의 제조방법이 제공된다.
여기서, 코팅층을 형성하는 방법이 도 4에 모식적으로 도시되었다.
도 4를 참조하면, 양극 시트(110)는 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부(111) 및 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부(112)를 포함하는데, 이때, 상기에서 설명한 바와 같이, 본원의 양극 시트(110)는 양극 유지부(111)가 양극 무지부(112)의 양측에 형성되어 있는 구조를 가진다.
이때, 코팅층(151, 152, 153, 154)는 양극 유지부(111)의 양극 활물질층 상에, 리튬염 및 고분자를 포함하는 고분자 용액을 도포하여 형성된다.
한편, 여기서, 상기와 같이 코팅층(151, 152, 153, 154)을 형성하고, 하나의 단위 시트로 양극 시트를 커팅하는 경우, 코팅층을 커팅하는 방법에 따라, 일단부에만 코팅층이 형성된 형태(a), 양단부에 코팅층이 형성된 형태(b)로 제조할 수 있다.
여기서, 고분자 용액의 도포는, 다양한 방법, 예를 들어, 다이 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 코팅 등 다양하게 사용될 수 있으나, 양극 활물질층 상에 형성해야 하므로, 양극 활물질층에 영향을 최소화하기 위해, 도 3에서 도시한 바와 같이, 스프레이(301, 302, 303, 304)를 사용하여 스프레이 코팅 방식에 의해 이루어질 수 있다.
상기 건조는 고분자 용액이 고체화될 수 있도록 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 섭씨 60도 내지 120도에서 1분 내지 5분동안 수행될 수 있다.
한편, 이차전지는, 도 4에서와 같이, 코팅층(151, 152)을 양극 시트(110)의 일부에 형성하고, 커팅함으로써 양극 시트(110)의 제조를 완료하고, 도 2에서 도시한 바와 같이, 이후 코팅층(151, 152)이 형성된 부분이 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하도록 양극 시트(110), 분리막(130), 및 음극 시트(120)를 권취한 후, 전지 케이스(210)에 내장하고, 전지 케이스(210) 내에 전해질을 주입하는 과정을 포함하여 제조된다.
한편, 결과적 구성에서의 다공성 버퍼층(141, 142)의 다공성, 즉, 공극의 형성은 상기 전해질의 주입에 의해 이루어진다.
이를 설명하기 위해, 도 5에는 코팅층으로부터 다공성 버퍼층이 형성되는 과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 상기 리튬염 및 고분자를 포함하는 고분자 용액을 도포 및 건조하여 형성된 코팅층(151)은 공극이 충분히 형성되어 있지 않은 필름형태이다. 그러나, 상기 전해질의 주입에 의해 고분자 용액의 리튬염이 용해되며, 리튬염이 존재하였던 자리가 공극(141’b)이 되어, 다수의 공극(141’b)을 포함하는 고분자층(141’a)인 다공성 버퍼층(141’)이 형성되게 되는 것이다.
이에 따라, 다공성 버퍼층(141’)은 다수의 공극(141’b)을 가지게 되고, 양극 시트의 일단부에서 날카로운 양극 활물질층에 완충성을 주어 분리막 천공, 및 이에 따른 내부 단락 문제를 해소하면서 리튬 이온의 이동을 방지하여 리튬 플레이팅 형성을 억제시킬 수 있는 효과를 가지게 된다.
따라서, 본 발명에 일 실시예에 따른 이차전지는, 매우 간단한 방법으로, 내부 단락에 의한 위험성을 제거하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
100: 젤리롤 전극 조립체,
110: 양극 시트,
120: 음극 시트,
130: 분리막,
141, 142: 다공성 버퍼층,
200: 이차전지,
210: 전지 케이스,
301, 302: 스프레이
151, 152: 코팅층
110: 양극 시트,
120: 음극 시트,
130: 분리막,
141, 142: 다공성 버퍼층,
200: 이차전지,
210: 전지 케이스,
301, 302: 스프레이
151, 152: 코팅층
Claims (14)
- 양극 시트, 음극 시트, 및 상기 양극 시트와 상기 음극 시트 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 젤리롤 전극 조립체, 및 전해질을 포함하는 이차전지로서,
상기 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하는 상기 양극 시트의 일단부 또는 코어부 및 말단부에 위치하는 상기 양극 시트의 양단부의 양면에서 상기 분리막과 상기 양극 시트 사이에 전폭방향으로 다공성 버퍼층이 형성되어 있는 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극 시트는 상기 음극 시트보다 그 권취 길이가 짧아 상기 젤리롤 전극 조립체의 상기 코어부에서 상기 음극 시트가 상기 양극 시트보다 길게 연장되어 있는 이차전지. - 제2항에 있어서,
상기 젤리롤 전극 조립체의 최내측에는 상기 음극 시트와 상기 분리막만 1회 이상 권취되어 있고, 2회 이상 권취된 부분부터 상기 양극 시트가 위치하는 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극 시트는 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부 및 상기 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 포함하고, 상기 양극 무지부에는 양극 탭이 형성되어 있는 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극 시트는 상기 양극 유지부가 상기 양극 무지부의 양측에 형성되어 있는 프리 엣지 전극인 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 버퍼층은 상기 양극 시트의 일단부 또는 양단부 표면 상에 형성되어 있는 것인 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 버퍼층은 상기 양극 시트의 일단부 또는 양단부의 끝단에서 권취 방향으로 0.5 mm 내지 4.5 mm의 길이로 형성되어 있는 것인 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 버퍼층은 공극률이 15 내지 25 %인 고분자층인 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 버퍼층은 폴리올레핀계, 불소계, 아크릴레이트계, 스티렌계, 셀룰로오스, 카보네이트계, 아크릴로니트릴계, 에테르계 및 이미드계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것인 이차전지. - 제9항에 있어서
상기 고분자는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 카르복실메틸셀룰로우즈(CMC), 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 이차전지. - 제1항에 따른 이차전지의 제조방법으로서,
양극 시트의 일부에 리튬염 및 고분자를 포함하는 고분자 용액을 전폭 방향으로 도포, 건조하여 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층이 형성된 부분 중 하나가 젤리롤 전극 조립체의 코어부에 위치하도록 양극 시트, 분리막, 및 음극 시트를 권취한 후, 전지 케이스에 내장하고, 상기 전지 케이스 내에 전해질을 주입하는 과정을 포함하는 이차전지의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 양극 시트는 양극 활물질층이 형성된 양극 유지부 및 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부를 포함하고, 상기 양극 무지부의 양측에 상기 양극 유지부가 형성되어 있으며, 상기 코팅층은 상기 양극 유지부가 위치하는 일단부 및 양단부에서 상기 양극 활물질층 상에 상기 고분자 용액을 도포하여 형성되는 이차전지의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 고분자 용액은 스프레이 코팅 방식에 의해 도포되어 상기 코팅층을 형성하는 이차전지의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 코팅층에 포함되어 있던 리튬염은 상기 전해질의 주입에 의해 용해되어 공극을 형성하는 이차전지의 제조방법.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240103441A true KR20240103441A (ko) | 2024-07-04 |
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