WO2013137575A1 - 신규한 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀 - Google Patents

신규한 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀 Download PDF

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monocells
bicell
cell
electrode
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권성진
김동명
김기웅
안순호
이향목
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly having a novel structure and a battery cell including the same, and more particularly, wound in a state in which one bicell and one or more monocells are placed on a continuous separation film.
  • the bicell is a unit cell having the same type of electrode located on both sides in a structure in which at least one positive electrode and at least one negative electrode are laminated with a separator interposed therebetween, and are located on a winding start portion of the separation film.
  • the monocell is a unit cell having different types of electrodes located on both sides in a structure in which one or more anodes and one or more cathodes are laminated with a separator interposed therebetween, and n times the width (w) of the bicell (where , n is an integer of 2 or more), and the electrodes opposite to the electrodes on both sides of the bicell are arranged to face upward at positions spaced apart by a length corresponding to the width w of the bicell,
  • the mono cell in the state relates to an electrode assembly, characterized in that it is bent in a unit length corresponding to the width (w) of the bi-cell.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries is high.
  • secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure.
  • a jelly having a structure in which long sheet-shaped anodes and cathodes are wound with a separator interposed therebetween -Roll (electrode) electrode assembly, a stack (stacked type) electrode assembly in which a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator, and the positive and negative electrodes of a predetermined unit are interposed through a separator
  • a stacked / folding electrode assembly having a structure in which a bi-cell or full-cells stacked in a state are wound.
  • the jelly-roll type electrode assembly is wound around a long sheet-shaped anode and cathode in a dense state to form a cylindrical or oval structure in cross section, stress caused by expansion and contraction of the electrode during charge and discharge accumulates inside the electrode assembly. If the stress accumulation exceeds a certain limit, deformation of the electrode assembly occurs. Due to the deformation of the electrode assembly, the spacing between the electrodes is non-uniform, leading to a problem that the performance of the battery is sharply lowered and the safety of the battery is threatened due to internal short circuit. In addition, since the long sheet-shaped positive electrode and the negative electrode must be wound, it is difficult to quickly wind up while maintaining a constant gap between the positive electrode and the negative electrode, and there is also a problem that productivity is lowered.
  • the stack type electrode assembly has to stack a plurality of positive and negative electrode units in sequence, the electrode plate transfer process is required separately for manufacturing the unit, and the productivity is low because a lot of time and effort are required for the sequential lamination process. Has a problem.
  • an electrode assembly having an advanced structure in which the jelly-roll type and the stack type are mixed, a bi-cell or a full cell in which positive and negative electrodes of a predetermined unit are laminated with a separator therebetween
  • a stack / folding electrode assembly having a structure in which full-cells are wound using a continuous membrane sheet having a long length has been developed, which is disclosed in Korean Patent Application Publication Nos. 2001-0082058, 2001-0082059, and No. 2001-0082060 and the like.
  • FIG. 1 schematically illustrates exemplary manufacturing processes of a conventional stack / foldable electrode assembly
  • FIG. 2 is a graph showing a change in thickness and capacity according to an increase in a stack of the conventional stack / foldable electrode assembly. Is schematically illustrated.
  • the stack / foldable electrode assembly may, for example, arrange the bicells 10, 11, 12, 13, and 14 on the long length separator sheet 20 and the separator sheet 20. It is produced by winding up sequentially starting at one end 21 of.
  • the capacity increases in proportion to the increase in thickness as the number of electrode plates on which the electrode plates are stacked increases.
  • the stack / foldable electrode assembly manufactured by the above method compensates for the disadvantages of the jelly-roll and the stacked electrode assembly.
  • the number of electrode plates to be stacked is limited to an odd number, As shown in FIG. 2, as the number of stacks of electrode plates increases, a section in which the total capacity does not increase proportionally occurs, and as a result, an energy density proportional to the thickness of the battery cell is not satisfied.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • an object of the present invention is to provide a capacity of a battery cell by forming together a bicell wound on a continuous separation film and at least one monocell that can be bent in a desired number corresponding to the width of the bicell. It is to provide an electrode assembly that can increase the energy density significantly.
  • the electrode assembly according to the present invention is composed of a structure wound up with one bicell and one or more monocells (monocells) placed on a continuous separation film,
  • the bi-cell is a unit cell having the same type of electrode located on both sides in a structure in which at least one positive electrode and at least one negative electrode are laminated with a separator interposed therebetween, and are located on a winding start portion of the separation film.
  • the monocell is a unit cell having different types of electrodes located on both sides in a structure in which at least one positive electrode and at least one negative electrode are laminated with a separator interposed therebetween, and n times the width w of the bicell (where n Is an integer of 2 or more), and the electrodes opposite to the electrodes on both sides of the bicell are arranged to face upward at positions spaced apart by a length corresponding to the width w of the bicell,
  • the monocell In the wound state, the monocell includes an electrode assembly that is bent to a unit length corresponding to the width w of the bicell.
  • the structure is wound in a state in which the bi-cell and the specific mono-cell (s) is placed on the continuous separation film, it is possible to provide a capacity increase in proportion to the increase in the number of bent wound unit cells, As a result, the energy density of the electrode assembly can be greatly improved.
  • the number of electrode tabs can be significantly reduced despite the increase in the number of bent wound unit cells, thereby greatly improving the weldability of the electrode tabs.
  • the bicell is a unit cell having the same type of electrode positioned on both sides in a structure in which one or more anodes and one or more cathodes are laminated with a separator interposed therebetween, so that the anode (cathode) / It may be a basic laminated structure of a separator / cathode (anode) / separator / anode (cathode).
  • the number of stacked electrodes is not particularly limited.
  • the winding start portion of the separation film in which the bicell is located means substantially the separation film end of the winding start point.
  • the monocell is a unit cell having different types of electrodes located on both sides in a structure in which one or more anodes and one or more cathodes are laminated with a separator interposed therebetween, so that the anode (cathode) / membrane / cathode
  • It may be a structure having a basic laminated structure of (anode).
  • the monocell may be a structure including one anode and one cathode, that is, a cathode / separator / cathode cell, but an anode / separator / cathode / separator / anode / separator / cathode cell. Of course, this may vary as.
  • the monocell has a length n times (n: an integer of 2 or more) of the width w of the bicell, and is bent to a unit length corresponding to the width w of the bicell in a wound state.
  • n an integer of 2 or more
  • the monocell (s) having a length n times longer than the width w of the bicell is bent to the width w of the bicell to form a stacked structure.
  • the first monocell based on the winding direction may be spaced apart by a length corresponding to the width (w) of the bi-cell on the separation film so that the structure of the anode and the cathode may be implemented in the entire electrode assembly. It is positioned so that the electrodes opposite to the electrodes on both sides of the bicell are directed upward.
  • the bicell is wound in a state in which the bicell is wrapped by the separation film of the portion spaced between the first monocell and, for example, when the bipolar electrode of the bicell is the anode, the monocell (s)
  • the cathode is disposed on the separation film so that the cathode faces to the top side and the anode faces to the bottom side and then wound up.
  • the number of monocells is not particularly limited, and in one preferred example, may be a structure including two or more monocells.
  • the two or more monocells may have a structure in which the two or more monocells are wound and arranged on the separation film in a state spaced apart from each other at intervals corresponding to the height of the electrode assembly increasing in the winding process.
  • the folding thickness increases as the plurality of monocells are sequentially wound, correspondingly, the folding thickness is increased to facilitate the winding and to improve the structural stability of the electrode assembly after winding.
  • the two or more monocells may be a structure composed of one type of monocells having the same length, or may be a structure composed of two or more kinds of monocells having different lengths.
  • the monocells may be a structure located on the separation film in an arrangement in which the length of the monocells sequentially increases from the winding start site to the winding end site, but is not limited thereto. It is a matter of course that the monocells are arranged in an alternating or random manner and positioned on the separation film.
  • one side or both sides of the monocell may have a structure in which a notch is formed at a portion that is bent in the winding process. This notch can make winding easier.
  • the separation film is preferably, the excess is formed in the outermost end of the wound, it can be easily fixed to the separation film by the excess, this fixing, for example, by heat fusion or tape Can be achieved.
  • the separation film may be made of the same properties and materials as the separation membrane of the bicell or monocell, or may be different.
  • an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength may be used, and the separation film may have a pore diameter of 0.01 to 10 ⁇ m and a thickness of 5 to 300 ⁇ m, but is not limited thereto. It is not.
  • a sheet or a nonwoven fabric made of an olefin-based polymer such as polypropylene of chemical resistance and hydrophobicity, glass fiber or polyethylene, or the like may be used.
  • polyethylene film containing fine pores Preferably, polyethylene film containing fine pores; Polypropylene film; Multilayer films made by a combination of these films; And a polymer film for polymer electrolyte of polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, or polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer.
  • both surfaces of the separator may have a structure in which inorganic powder is coated by a binder.
  • the inorganic powder may be selected from the group consisting of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, inorganic particles having lithium ion transfer ability, and mixtures thereof, and may have a particle diameter of 0.001 to 10 ⁇ m.
  • the dielectric constant is an element that contributes to an increase in the dissociation degree of lithium salts such as electrolyte salts in the electrolyte and improves the ionic conductivity of the electrolyte.
  • the inorganic particles having the dielectric constant of 5 or more for example, BaTiO 3 , Pb ( Zr, Ti) O 3 , Pb 1 - x La x Zr 1-y Ti y O 3 (0 ⁇ x, y ⁇ 1), PB (Mg 3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 , Hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , SiO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiC, TiO 2 , or a mixture of two or more thereof. have.
  • Examples of the inorganic particles having the lithium ion transport ability include Li 3 PO 4 , Li x Ti y (PO 4 ) 3 (0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3), and Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 (0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 3), (LiAlTiP) x O y series glass (0 ⁇ x ⁇ 4, 0 ⁇ y ⁇ 13), Li x La y TiO 3 (0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3), Li x Ge y P z S w (0 ⁇ x ⁇ 4, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1, 0 ⁇ w ⁇ 5) , Li x N y (0 ⁇ x ⁇ 4, 0 ⁇ y ⁇ 2), SiS 2 (Li x Si y S z : 0 ⁇ x ⁇ 3, 0 ⁇ y ⁇ 2, 0 ⁇ z ⁇ 4)
  • binder for example, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoro Ethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like can be used.
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • sulfonated EPDM styrene butylene rubber
  • fluorine rubber various copolymers and the like
  • the mixing ratio of the inorganic powder and the binder is preferably 50:50 to 99: 1 by weight.
  • the thickness of the coating layer is preferably in the range of 0.001 to 10 ⁇ m for uniform coating thickness formation and proper porosity.
  • the coating layer may also be formed in the separation film.
  • the inorganic powder may be coated with a binder on one surface of the separation film in contact with the bicell and the monocell.
  • the uncoated section is increased by the increased width (w) of the monocell in the process of winding the bicell and the monocell (s), thereby reducing the cost. And improve productivity.
  • the coating method of the inorganic powder is not particularly limited, and may be, for example, dip coating, die coating, roll coating, comma coating, or a mixture thereof.
  • the present invention also provides a battery cell comprising the above electrode assembly.
  • the battery cell may include a secondary battery, and among them, a lithium secondary battery using lithium ions is preferable.
  • the lithium secondary battery may be classified into a cylindrical battery, a square battery, and a pouch-type battery according to the shape of the electrode assembly and the structure and shape of the battery case.
  • the present invention may be particularly preferably applied to the square battery and the pouch-type battery.
  • the pouch type secondary battery has, for example, a structure in which an electrode assembly is built in a pouch type case of a laminate sheet including a metal layer and a resin layer, and a case of an aluminum laminate sheet may be generally used.
  • the present invention also provides a battery module including two or more of the battery cells as a unit battery.
  • FIG. 1 is a perspective view of an exemplary manufacturing process of a conventional conventional stack / foldable electrode assembly
  • FIG. 2 is a graph showing a change in thickness and capacity with increasing stack of a conventional stack / foldable electrode assembly
  • FIG. 3 is a schematic diagram of bicells and monocells of a stack / foldable electrode assembly in accordance with one embodiment of the present invention
  • FIGS. 4 and 5 are schematic diagrams of a manufacturing process of a stack / foldable electrode assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows bicells and monocells of a stack / foldable electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the stack / foldable electrode assembly includes, for example, a bicell 100 having a stacked structure of a cathode / separator / anode / separator / cathode, one anode, and one cathode.
  • the bicell 100 has a width W that is a basic winding unit, and the monocell 110 and the monocell 120 each have twice the width (W) of the basic width w of the bicell 100. And a width of three times the width (3W).
  • FIGS. 4 and 5 schematically illustrate perspective views of an exemplary manufacturing process of a stack / foldable electrode assembly according to exemplary embodiments of the present invention.
  • a bicell 100 which is a unit cell having a stacked structure of a cathode / separator / anode / separator / cathode, is placed on a long continuous separator film 200.
  • the bicells 100 and the monocells are arranged such that the positive electrode tabs 101 and the negative electrode tabs 102 face each other at their lamination interfaces upon winding up (arrow direction).
  • the monocells 110 and 120 are sequentially arranged at portions spaced apart by the basic width W of the bicell 100.
  • the monocells 110 and 120 are bent and wound, they have one anode B and one cathode A, respectively, and the notches 113 and 123 are formed to guide the split to the same area. It is done easily.
  • the number of the monocells 110 and 120 and the number of the anode B and the cathode A according to the arrangement thereof are shown in Table 2 below.
  • the combination of the bicell 100 and the monocell 110 is composed of three positive electrodes (B) and four negative electrodes (A). That is, as the monocells 110 having the same length increase, the positive electrode B and the negative electrode A increase by 2N + 1 and 2N + 2, respectively.
  • the combination of the bicell 100 and the monocell 120 is composed of four anodes (B) and five cathodes (A). That is, as the monocell 120 having the same length increases, the positive electrode B and the negative electrode A increase by 3N + 1 and 3N + 2, respectively.
  • the combination of the bicell 100 and the monocell 110 is composed of two positive electrode tabs 101 and 111 and three negative electrode tabs 102 and 112. That is, as the monocells 110 having the same length increase, the anodes 101 and 111 and the cathodes 102 and 112 increase by N + 1 and N + 2, respectively.
  • bicell 100 and monocell 120 is composed of two positive electrode tabs 101, 111 and three negative electrode tabs 102, 112. That is, as the monocell 120 increases, it can be seen that the anodes 101 and 111 and the cathodes 102 and 112 increase by N + 1 and N + 2, respectively.
  • the excess portion 300 is formed at the outermost end, that is, the winding end portion of the separation film 200, is fixed by heat fusion or tape.
  • the battery cell according to the present invention by forming a bi-cell wound on the continuous separation film and one or more monocells that can be bent in a desired number corresponding to the width of the bi-cell together, as a result Increasing the capacity of the battery cell can greatly improve the energy density.
  • the number of electrode tabs can be greatly reduced compared to a conventional stack / foldable battery cell by configuring monocells that can be bent many times with a width corresponding to the width w of the bicell, thereby greatly improving welding processability. .

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Abstract

본 발명은 연속적인 분리필름 상에 1개의 바이셀과 1개 이상의 모노셀(monocell)을 위치시킨 상태로 권취한 구조로 이루어져 있고, 상기 바이셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 유닛셀이고, 분리필름의 권취 개시 부위 상에 위치하며, 상기 모노셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 유닛셀이고, 바이셀의 폭(w)의 n배(여기서, n은 2 이상의 정수임)의 길이를 가지며, 바이셀의 폭(w)에 대응하는 길이만큼 이격된 위치에서 바이셀의 양면의 전극에 반대되는 전극이 윗면을 향하도록 배열되어 있고, 권취된 상태에서 상기 모노셀은 바이셀의 폭(w)에 대응하는 단위 길이로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

신규한 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀
본 발명은 신규한 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연속적인 분리필름 상에 1개의 바이셀과 1개 이상의 모노셀(monocell)을 위치시킨 상태로 권취한 구조로 이루어져 있고, 상기 바이셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 유닛셀이고, 분리필름의 권취 개시 부위 상에 위치하며, 상기 모노셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 유닛셀이고, 바이셀의 폭(w)의 n배(여기서, n은 2 이상의 정수임)의 길이를 가지며, 바이셀의 폭(w)에 대응하는 길이만큼 이격된 위치에서 바이셀의 양면의 전극에 반대되는 전극이 윗면을 향하도록 배열되어 있고, 권취된 상태에서 상기 모노셀은 바이셀의 폭(w)에 대응하는 단위 길이로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(bi-cell) 또는 풀셀(full-cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 전극조립체는 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 되므로, 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극조립체의 변형이 발생하게 된다. 상기 전극조립체의 변형으로, 전극간의 간격이 불균일해져 전지의 성능이 급격히 저하되고 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래한다. 또한, 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어렵게 되어 생산성이 저하되는 문제점도 있다.
둘째, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 하므로, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달 공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full-cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호 등에 개시되어 있다.
도 1에는 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 제조과정들이 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 스택(Stack) 증가에 따른 두께 및 용량 변화를 보여주는 그래프가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 스택/폴딩형 전극조립체는, 예를 들어, 긴 길이의 분리막 시트(20) 상에 바이셀들(10, 11, 12, 13, 14)을 배열하고 분리막 시트(20)의 일 단부(21)에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 제조된다.
여기서, 전극판이 적층(stack)되는 전극판의 수가 증가할수록 두께 상승에 비례하여 용량이 증가된다.
상기의 방법으로 제조된 스택/폴딩형 전극조립체는 상기 젤리-롤과 스택형 전극조립체의 단점들을 보완하고 있지만, 바이셀의 경우, 적층되는 전극판의 개수가 홀수로 제한되어 있을 뿐만 아니라, 도 2에 도시된 바와 같이, 전극판의 적층 개수가 증가함에 따라 전체 용량이 비례적으로 증가하지 못하는 구간이 발생하여, 결과적으로 전지셀의 두께에 비례하는 에너지 밀도가 충족되지 못하는 문제점이 있다.
더욱이, 하기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 상기 전극판의 증가에 따라 전극 탭의 수도 비례하여 증가됨을 확인할 수 있다. 따라서, 전지셀의 제조 과정에서 전극 탭들을 일괄적으로 용접해야 하므로, 전극 탭의 용접 공정성 및 효율성이 크게 저하되는 문제점이 있다.
<표 1>
Figure PCTKR2013001691-appb-I000001
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 연속적인 분리필름 상에 권취되는 바이셀과 상기 바이셀의 폭에 대응하여 소망하는 개수로 절곡이 가능한 하나 이상의 모노셀을 함께 구성함으로써, 결과적으로 전지셀의 용량을 높여 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 스택/폴딩형 전극조립체에 대비 전극 탭들의 개수를 현저히 감소시킴으로써, 용접 공정성이 크게 향상된 전극조립체를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 연속적인 분리필름 상에 1개의 바이셀과 1개 이상의 모노셀(monocell)을 위치시킨 상태로 권취한 구조로 이루어져 있고,
상기 바이셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 유닛셀이고, 분리필름의 권취 개시 부위 상에 위치하며,
상기 모노셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 유닛셀이고, 바이셀의 폭(w)의 n배(여기서, n은 2 이상의 정수임)의 길이를 가지며, 바이셀의 폭(w)에 대응하는 길이만큼 이격된 위치에서 바이셀의 양면의 전극에 반대되는 전극이 윗면을 향하도록 배열되어 있고,
권취된 상태에서 상기 모노셀은 바이셀의 폭(w)에 대응하는 단위 길이로 절곡되어 있는 전극조립체를 포함하여 구성되어 있다.
따라서, 연속적인 분리필름 상에 바이셀과 특정한 모노셀(들)을 위치시킨 상태에서 권취한 구조로 이루어져 있어서, 절곡 권취된 유닛셀들의 개수 증가에 따라 비례적으로 용량 증가를 제공할 수 있으므로, 결과적으로 전극조립체의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 종래의 스택/폴딩형 전극조립체와 비교하여, 절곡 권취된 유닛셀들의 개수 증가에도 불구하고 전극 탭들의 개수를 현저히 줄일 수 있으므로, 전극 탭들의 용접성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 바이셀(bicell)은, 앞서 정의한 바와 같이, 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 유닛셀이므로, 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 기본 적층 구조일 수 있다. 적층되는 전극의 개수는 특별히 제한되지 않는다.
바이셀이 위치하는 분리필름의 상기 권취 개시 부위는 실질적으로 권취 개시점의 분리필름 단부를 의미한다.
상기 모노셀은, 앞서 정의한 바와 같이, 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 유닛셀이므로, 양극(음극)/분리막/음극(양극)의 기본 적층 구조를 가진 구조일 수 있다. 이러한 기본 적층 구조를 기반으로, 상기 모노셀은 1개의 양극과 1개의 음극을 포함하고 있는 구조, 즉, 양극/분리막/음극 셀일 수 있지만, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀과 같이 다양할 수 있음은 물론이다.
본 발명에서의 모노셀은 바이셀의 폭(w)의 n배(n: 2 이상의 정수)의 길이를 가지고, 권취된 상태에서 바이셀의 폭(w)에 대응하는 단위 길이로 절곡되어 있다는 특징을 갖는다. 결과적으로, 바이셀의 폭(w)에 대해 n배의 긴 길이를 가진 모노셀(들)이 바이셀의 폭(w) 크기로 절곡되어 적층 구조를 이루게 된다.
또한, 전극조립체 전체 구조에서 양극과 음극의 대면 구조가 구현될 수 있도록, 권취 방향을 기준으로 적어도 첫 번째 모노셀은 바이셀의 폭(w)에 대응하는 길이만큼 이격된 위치에서 분리필름 상에 위치하게 되고, 또한 바이셀의 양면의 전극에 반대되는 전극이 윗면을 향하도록 배열된다. 따라서, 바이셀은 첫 번째 모노셀과 사이에 이격된 부위의 분리필름에 의해 바이셀이 감싸인 상태로 권취되고, 예를 들어, 바이셀의 양면 전극이 양극인 경우, 모노셀(들)은 음극이 윗면을 향하고 양극이 아랫면을 향하도록 분리필름 상에 배치된 후 권취된다.
이상의 조건을 만족하는 것이라면, 모노셀의 개수는 특별히 한정되지 않으며, 하나의 바람직한 예에서, 2개 이상의 모노셀을 포함하는 구조일 수 있다.
이 경우, 2개 이상의 모노셀들은 권취 과정에서 증가하는 전극조립체의 높이에 대응하는 간격으로 상호 이격된 상태로 분리필름 상에 배열되어 권취되는 구조일 수 있다.
즉, 다수의 모노셀들이 순차적으로 권취됨에 따라 폴딩 두께는 증가하므로, 이에 대응하여 모노셀들의 배열을 조절하여 권취를 더욱 용이하게 하고 권취 후 전극조립체의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 2개 이상의 모노셀들은 길이가 동일한 한 종류의 모노셀들로 이루어진 구조일 수도 있고, 길이가 다른 두 종류 이상의 모노셀들로 이루어진 구조일 수도 있다.
후자의 구조에서, 상기 모노셀들은 권취 개시 부위로부터 권취 종료부위 방향으로 모노셀의 길이가 순차적으로 증가하는 배열로 분리필름 상에 위치되어 있는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 길이가 다른 모노셀들이 교번 또는 랜덤(Random) 방식으로 배열되어 분리필름 상에 위치되어 있는 구조일 수도 있음은 물론이다.
경우에 따라서는, 상기 모노셀의 일면 또는 양면에는 권취 과정에서 절곡되는 부위에 노치가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 노치에 의해 권취가 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 분리필름은, 바람직하게는, 권취된 최외각 말단에 잉여부가 형성되어 있어서, 상기 잉여부에 의해 분리필름에 용이하게 고정될 수 있으며, 이러한 고정은, 예를 들어, 열융착 또는 테이프에 의해 달성될 수 있다.
상기 분리필름은 바이셀 또는 모노셀의 분리막과 동일한 성상 및 소재로 이루어질 수도 있고 다를 수도 있다.
예를 들어, 분리필름은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리필름의 기공 직경은 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 5 ~ 300 ㎛일 수 있지만, 그것으로 한정되는 것은 아니다. 상기 분리필름의 소재로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 고분자, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 미세 기공을 포함하는 폴리에틸렌 필름; 폴리프로필렌 필름; 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름; 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 분리막의 양면에는 무기물 분말이 바인더에 의해 코팅되어 있는 구조일 수 있다.
상기 무기물 분말은, 예를 들어, 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 입경이 0.001 내지 10 ㎛일 수 있다.
일반적으로, 유전율 상수는 전해질 내의 전해질 염 등의 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시키는 요소로서, 상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자로는, 예를 들어, BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (0≤x,y≤1), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3, 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiO2, Y2O3, Al2O3, SiC, TiO2 등이나 이들의 둘 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로는, 예를 들어, Li3PO4, LixTiy(PO4)3 (0<x<2, 0<y<3), LixAlyTiz(PO4)3 (0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0<x<4, 0<y<13), LixLayTiO3 (0<x<2, 0<y<3), LixGeyPzSw (0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), LixNy (0<x<4, 0<y<2), SiS2 (LixSiySz: 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) 계열 glass, P2S5 (LixPySz: 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7) 계열 glass 등이나 이들의 둘 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 바인더로는, 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기물 분말과 바인더의 혼합 비율은 중량비로 50:50 내지 99:1인 것이 바람직하다.
코팅층의 두께는, 균일한 두께의 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 0.001 내지 10 ㎛ 범위인 것이 바람직하다.
이러한 코팅층은 분리필름에도 형성될 수 있는 바, 하나의 바람직한 예에서, 상기 분리필름의 양면 중에 바이셀 및 모노셀이 접하는 일면에 무기물 분말이 바인더에 의해 코팅되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 분리필름의 타면에는 무기물 분말이 코팅되어 있지 않으므로, 바이셀과 모노셀(들)을 권취하는 과정에서 모노셀의 증가된 폭(w) 만큼 미코팅 구간이 증가됨으로써, 이에 따른 원가를 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다.
무기물 분말의 코팅 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(Roll) 코팅, 콤마(Comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식일 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 제공한다.
상기 전지셀의 대표적인 예로는 이차전지를 들 수 있으며, 그 중에서도 리튬이온을 매개로 하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
상기 리튬 이차전지는 전극조립체의 형태 및 전지케이스의 구조 및 형태에 따라, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되기도 하는데, 본 발명은 특히 각형 전지와 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 파우치형 이차전지는, 예를 들어, 금속층과 수지층을 포함하고 있는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로서, 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트의 케이스가 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 둘 또는 그 이상 포함하는 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈의 구조 및 그것을 구성하는 성분들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 종래의 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 제조과정의 사시도들이다;
도 2는 종래의 스택/폴딩형 전극조립체의 스택(Stack) 증가에 따른 두께 및 용량 변화를 보여주는 그래프이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 바이셀 및 모노셀들의 모식도이다;
도 4 및 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 제조 과정의 모식도들이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 바이셀 및 모노셀들이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 스택/폴딩형 전극조립체에는, 예를 들어, 음극/분리막/양극/분리막/음극의 적층 구조를 가진 바이셀(100)과, 1개의 양극과 1개의 음극으로 구성된 다양한 크기의 모노셀들(110, 120, 130)이 사용된다.
바이셀(100)은 기본 권취 단위가 되는 폭(W)을 가지고, 모노셀(110) 및 모노셀(120)은 각각 바이셀(100)의 기본 폭(w) 대비 2배의 폭(2W) 및 3배의 폭(3W)의 폭을 가지는 구조이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 스택/폴딩형 전극조립체의 예시적인 제조과정의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3과 함께 참조하면, 우선, 음극/분리막/양극/분리막/음극의 적층 구조를 가진 유닛셀인 바이셀(100)을 긴 길이의 연속적인 분리필름(200) 상에 위치시킨다. 바이셀(100)과 모노셀들은 권취 시(화살표 방향), 이들의 적층 계면에서 양극 탭(101)과 음극 탭(102)이 서로 대면하도록, 배열한다. 여기서, 바이셀(100)의 기본 폭(W)만큼 이격된 부위에 모노셀들(110, 120)을 순차적으로 배열한다.
모노셀들(110, 120)은 절곡되어 권취됨에도 각각 1개의 양극(B) 및 1개의 음극(A)을 가지고 있으며, 동일한 면적으로 분할되도록 안내하는 노치(113, 123)가 형성되어 있어서 권취가 용이하게 이루어진다.
여기서, 모노셀들(110, 120)의 수 및 이들의 배열에 따른 양극(B) 및 음극(A)의 수를 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure PCTKR2013001691-appb-I000002
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 바이셀(100)과 모노셀(110)의 조합은 3개의 양극(B)과 4개의 음극(A)으로 구성된다. 즉, 동일한 길이를 가진 모노셀(110)이 증가함에 따라 양극(B)과 음극(A)은 각각 2N+1 및 2N+2 만큼 증가한다.
마찬가지로, 바이셀(100)과 모노셀(120)의 조합은 4개의 양극(B)과 5개의 음극(A)으로 구성된다. 즉, 동일한 길이를 가진 모노셀(120)이 증가함에 따라 양극(B)과 음극(A)은 각각 3N+1 및 3N+2 만큼 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 모노셀들(110, 120)의 개수 및 이들의 배열에 따른 전극 탭들(111, 112,121,122)의 개수를 양극 탭과 음극 탭으로 구분하여 하기 표 3에 나타내었다.
표 3
Figure PCTKR2013001691-appb-I000003
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 바이셀(100)과 모노셀(110)의 조합은 2개의 양극 탭(101,111)과 3개의 음극 탭(102,112)으로 구성된다. 즉, 동일한 길이를 가진 모노셀들(110)이 증가함에 따라 양극(101,111)과 음극(102,112)은 각각 N+1 및 N+2 만큼 증가한다.
마찬가지로, 바이셀(100)과 모노셀(120)의 조합은 2개의 양극 탭(101,111)과 3개의 음극 탭(102,112)으로 구성된다. 즉, 모노셀(120)이 증가함에 따라 양극(101,111)과 음극(102,112)은 각각 N+1 및 N+2 만큼 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 구성은, 종래의 스택/폴딩형 전극 조립체에서 전극이 적층에 따른 전극 탭들의 개수를 나타내는 표 1에 비해 전극 수가 현저히 감소되는 것을 확인 할 수 있다.
한편, 분리필름(200)의 최외측 단부, 즉 권취 종료 부위에는 잉여부(300)가 형성되어, 열융착 또는 테이프에 의해 고정된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 연속적인 분리필름 상에 권취되는 바이셀과 상기 바이셀의 폭에 대응하여 소망하는 개수로 절곡이 가능한 하나 이상의 모노셀을 함께 구성함으로써, 결과적으로 전지셀의 용량을 높여 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 바이셀의 폭(w)에 대응하는 폭으로 다수회 절곡이 가능한 모노셀들을 구성하여 종래의 스택/폴딩형 전지셀에 대비 전극 탭들의 수를 크게 감소시킬 수 있어서 용접 공정성을 크게 향상된다.

Claims (20)

  1. 연속적인 분리필름 상에 1개의 바이셀과 1개 이상의 모노셀(monocell)을 위치시킨 상태로 권취한 구조로 이루어져 있고,
    상기 바이셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 유닛셀이고, 분리필름의 권취 개시 부위 상에 위치하며,
    상기 모노셀은 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 유닛셀이고, 바이셀의 폭(w)의 n배(여기서, n은 2 이상의 정수임)의 길이를 가지며, 바이셀의 폭(w)에 대응하는 길이만큼 이격된 위치에서 바이셀의 양면의 전극에 반대되는 전극이 윗면을 향하도록 배열되어 있고,
    권취된 상태에서 상기 모노셀은 바이셀의 폭(w)에 대응하는 단위 길이로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이셀은 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 기본 적층 구조를 가진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모노셀은 양극(음극)/분리막/음극(양극)의 기본 적층 구조를 가진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 모노셀은 1개의 양극과 1개의 음극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 2개 이상의 모노셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 2개 이상의 모노셀들은 권취 과정에서 증가하는 전극조립체의 높이에 대응하는 간격으로 상호 이격된 상태로 분리필름 상에 배열되어 권취되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 2개 이상의 모노셀들은 길이가 동일한 한 종류의 모노셀들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 2개 이상의 모노셀들은 길이가 다른 두 종류 이상의 모노셀들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 모노셀들은 권취 개시 부위로부터 권취 종료부위 방향으로 모노셀의 길이가 순차적으로 증가하는 배열로 분리필름 상에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 모노셀의 일면 또는 양면에는 권취 과정에서 절곡되는 부위에 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 권취된 최외각 말단에 잉여부가 형성되어 열융착 또는 테이프에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 미세 기공을 포함하는 폴리에틸렌 필름; 폴리프로필렌 필름; 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름; 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 양면에는 무기물 분말이 바인더에 의해 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름의 양면 중에 바이셀 및 모노셀이 접하는 일면에는 무기물 분말이 바인더에 의해 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 무기물 입자들은 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되고, 입경이 0.001 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 1 항에 따른 전극조립체를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지셀은 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온을 매개로 하는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 이차전지는 금속층과 수지층을 포함하고 있는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 16 항에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102278444B1 (ko) 2016-09-06 2021-07-16 삼성에스디아이 주식회사 적층형 전극 조립체 및 이를 포함하는 플렉서블 이차 전지
KR102068710B1 (ko) * 2016-11-08 2020-01-22 주식회사 엘지화학 전극 조립체 및 그 제조방법
KR102256302B1 (ko) 2017-03-09 2021-05-26 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지
KR102217444B1 (ko) 2017-04-06 2021-02-22 주식회사 엘지화학 전극조립체 및 그 전극조립체의 제조 방법
KR102499545B1 (ko) * 2017-10-23 2023-02-14 삼성에스디아이 주식회사 배터리모듈 및 그 제조방법
KR102287768B1 (ko) * 2018-01-29 2021-08-10 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 제조방법 및 이차전지 제조방법
KR102311950B1 (ko) * 2018-11-19 2021-10-14 주식회사 엘지에너지솔루션 전극조립체
KR20210055186A (ko) * 2019-11-07 2021-05-17 주식회사 엘지화학 폴딩형 전극조립체 및 그 제조 방법

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010082060A (ko) 2000-02-08 2001-08-29 성재갑 다중 중첩 전기화학 셀 및 그의 제조방법
KR20010082059A (ko) 2000-02-08 2001-08-29 성재갑 중첩 전기화학 셀 및 그의 제조 방법
KR20010082058A (ko) 2000-02-08 2001-08-29 성재갑 중첩 전기 화학 셀
US6287721B1 (en) * 1998-09-24 2001-09-11 Thomas & Betts International, Inc. Process for manufacturing electrochemical cells
KR20080015159A (ko) * 2006-08-14 2008-02-19 주식회사 엘지화학 열안전성이 향상된 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를포함하고 있는 전기화학 셀
KR20080072112A (ko) * 2007-02-01 2008-08-06 주식회사 엘지화학 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
WO2010087123A1 (ja) * 2009-01-28 2010-08-05 株式会社村田製作所 電池とその製造方法
KR20110048132A (ko) * 2009-11-02 2011-05-11 삼성에스디아이 주식회사 이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69927556T2 (de) * 1998-07-21 2006-06-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Flache Zellen
US20040142235A1 (en) * 2003-01-22 2004-07-22 Mohammad Parsian Lithium polymer battery design
CN100590909C (zh) * 2006-01-20 2010-02-17 深圳市比克电池有限公司 一种卷绕型电池
KR100873308B1 (ko) * 2006-06-05 2008-12-12 주식회사 엘지화학 두 개 이상의 유닛 셀들을 포함하고 있는 고용량 전지셀
KR100987300B1 (ko) * 2007-07-04 2010-10-12 주식회사 엘지화학 스택-폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법
KR101150265B1 (ko) * 2007-07-16 2012-06-12 주식회사 엘지화학 신규한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법
KR101002161B1 (ko) * 2007-11-29 2010-12-17 주식회사 엘지화학 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자
KR101014817B1 (ko) * 2007-12-14 2011-02-14 주식회사 엘지화학 안전 부재를 포함하고 있는 스택/폴딩형 전극조립체 및그것의 제조방법
US20090317707A1 (en) * 2008-06-20 2009-12-24 Seungyeob Cha Lithium secondary battery
KR101199125B1 (ko) 2010-09-02 2012-11-09 삼성에스디아이 주식회사 벤딩영역을 갖는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6287721B1 (en) * 1998-09-24 2001-09-11 Thomas & Betts International, Inc. Process for manufacturing electrochemical cells
KR20010082060A (ko) 2000-02-08 2001-08-29 성재갑 다중 중첩 전기화학 셀 및 그의 제조방법
KR20010082059A (ko) 2000-02-08 2001-08-29 성재갑 중첩 전기화학 셀 및 그의 제조 방법
KR20010082058A (ko) 2000-02-08 2001-08-29 성재갑 중첩 전기 화학 셀
KR20080015159A (ko) * 2006-08-14 2008-02-19 주식회사 엘지화학 열안전성이 향상된 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를포함하고 있는 전기화학 셀
KR20080072112A (ko) * 2007-02-01 2008-08-06 주식회사 엘지화학 출력 특성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
WO2010087123A1 (ja) * 2009-01-28 2010-08-05 株式会社村田製作所 電池とその製造方法
KR20110048132A (ko) * 2009-11-02 2011-05-11 삼성에스디아이 주식회사 이차전지용 전극조립체 및 그 전극조립체를 구비하는 이차전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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Publication number Publication date
EP2827429A1 (en) 2015-01-21
US20140342215A1 (en) 2014-11-20
US11177510B2 (en) 2021-11-16
JP5930499B2 (ja) 2016-06-08
EP2827429A4 (en) 2015-06-10
KR101332282B1 (ko) 2013-11-22
JP2015510677A (ja) 2015-04-09
US20190148777A1 (en) 2019-05-16
US10199690B2 (en) 2019-02-05
EP2827429B1 (en) 2016-03-02
CN104106169A (zh) 2014-10-15
CN104106169B (zh) 2016-05-18
KR20130104544A (ko) 2013-09-25

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