WO2013141528A1 - 계단 구조의 전극 조립체 및 복합 전극 조립체 - Google Patents

계단 구조의 전극 조립체 및 복합 전극 조립체 Download PDF

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권성진
안순호
김동명
김기웅
장필규
김영훈
윤성한
박현
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly embedded in a battery case of a secondary battery, and relates to an electrode assembly and a composite electrode assembly having a step structure.
  • Lithium secondary batteries occupy an important position on the basis of development into such a ubiquitous society.
  • the rechargeable lithium battery is widely used as an energy source for wireless mobile devices, and has been proposed as a solution for air pollution of conventional gasoline and diesel vehicles using fossil fuels. It is also used as an energy source for electric vehicles and hybrid electric vehicles.
  • the lithium secondary battery is diversified to provide output and capacity suitable for the device to which the lithium secondary battery is applied.
  • Small mobile devices such as mobile phones, PDAs, digital cameras, notebook computers, and the like are used with one or two or four small and light battery cells per device according to the small size of the products.
  • Medium and large devices such as electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc.
  • medium and large battery modules (medium and large battery packs) electrically connecting a plurality of battery cells are used. Since the weight and weight are directly related to the accommodation space and the output of the medium and large devices, manufacturers are trying to manufacture a battery module that is as small and light as possible.
  • Cylindrical battery cells, square battery cells, pouch-type battery cells, etc. are used as unit cells of such a battery module or battery pack, and among them, can be stacked with a high degree of integration, has a high energy density per weight, and is inexpensive. Pouch-type battery cells that are easy to deform have attracted much attention.
  • FIG. 1A and 1B schematically show a general structure of a conventional representative pouch type secondary battery as an exploded perspective view.
  • the pouch type secondary battery 10 includes two electrode leads connected to the electrode assembly 20 and the electrode tabs 21 and 22, respectively, on which the plurality of electrode tabs 21 and 22 protrude. 30 and 31, and a battery case 40 having a structure for accommodating and sealing the electrode assembly 20 so that a part of the electrode leads 30 and 31 are exposed to the outside.
  • the battery case 40 includes a lower case 42 including a concave accommodating portion 41 in which the electrode assembly 20 can be seated, and a seal of the lower case 42 to seal the electrode assembly 20. It consists of an upper case 43.
  • the upper case 43 and the lower case 42 are heat-sealed in the state in which the electrode assembly 20 is embedded, so that the upper sealing portion 44, the side sealing portions 45 and 46, and the lower sealing portion 47 are formed. Form.
  • FIG. 1A the upper case 43 and the lower case 42 are respectively shown as separate members, but as shown in FIG. 1B, a hinged structure in which one end portion is integrated and continuous is also possible.
  • FIG. 1A and 1B illustrate a pouch-type battery cell having a structure in which electrode terminals having an electrode tab and an electrode lead are connected together at one end, but having electrode terminals formed at one end and the other end, respectively.
  • Pouch-type battery cells and the like can also be produced in the above manner, of course.
  • the electrode assembly is generally manufactured in a substantially rectangular parallelepiped shape, and such electrode assemblies are embedded in a battery case to fabricate a rectangular parallelepiped pouch-shaped battery cell. Cells are stacked to form a rectangular parallelepiped battery pack.
  • the design of a device to which such a rectangular parallelepiped battery cell and a battery pack are applied may not be made only of a rectangular parallelepiped shape.
  • the side may be curved in order to have an excellent grip.
  • a rectangular parallelepiped battery cell or battery pack has a limitation in space utilization inside the device.
  • the inventors of the present application to solve the above problems of the prior art to provide an electrode assembly and a composite electrode assembly is formed with a step structure that can maximize the capacity per volume of the device and a battery cell comprising them.
  • Two or more electrode plates having a structure in which electrode tabs are formed
  • the electrode plates are laminated along the height direction with respect to the plane so that the electrode plates having opposite polarities face each other with the separation film therebetween.
  • the electrode plates may include one or more electrode plates of the same size or different sizes with one or more electrode plates, and the laminated structure of electrode plates of different sizes may form one or more staircase structures having a width and a height. It is characterized by.
  • n electrode groups having different stacking areas when n electrode groups having different stacking areas are stacked, the number of stages may be n single.
  • n is a natural number of 2 or more, n may be appropriately adjusted in consideration of the capacitance of the device, the curvature of the outer peripheral surface of the device, and the like.
  • the electrode plates consist of two or more electrode plates, all of which may differ in size, one electrode plate may differ in size from the other electrode plates of the same size, and the same size electrode plate (A ) May be a combination of two or more and two or more pole plates (B) of the same size different in size from the pole plates (A), and two or more pole plates (A) of the same size and the same size different from the pole plates (A) It may be a combination of two or more pole plates (B) of size and two or more pole plates (C) of the same size different from each other in the pole plates (A) and the pole plates (B).
  • the shape of the electrode plate is not particularly limited, it may be a parallelepiped shape, a planar polygon, a circle, or the like.
  • the electrode plate may be flat or may be curved.
  • the electrode plate may have a parallelepiped shape having a full width, a full length, and a total height.
  • the parallelepiped may have a planar quadrangular shape, wherein the full width may be the length of the side on which the electrode tab protrudes, and the full length may be the length of the side on which the electrode tab does not protrude.
  • the height may be the height of the parallelepiped.
  • the electrode assembly according to the present invention should include at least one or more electrode plates different in length and / or width.
  • electrode plates of different sizes may mean electrode plates of different widths and / or lengths.
  • the number of electrode plates having different widths and / or lengths of the electrode assembly may be flexibly adjusted by those skilled in the art according to the shape and required capacity of the device in which the battery cell is mounted.
  • the electrode assembly consisting of two to three electrode plates, as well as the electrode assembly consisting of four or more electrode plates may be configured.
  • the electrode plate may have a rectangular parallelepiped shape.
  • the electrode plate may have a cube shape.
  • the edges of the electrode plate may be all treated at right angles, or at least one edge may be curved. More specifically, at least one of the four corners of the planar quadrangular pole plate may be curved. When the at least one corner is curved as described above, since the impact applied to the curved corner during the fall can be alleviated, there is an effect that the drop safety is improved.
  • Each of the electrode tabs may have the same size or may be different from each other. Specifically, at least one of the full width, the full length, and the height may be different from each other, and the full width, the full length, and the total height may be the same.
  • the electrode tabs may be combined with an electrode lead to form electrode terminals of a lithium secondary battery.
  • the plane means any plane, it may be the ground or may be a plane perpendicular to the ground. Therefore, the electrode plates may be stacked in the height direction on the ground, or may be stacked in the height direction on a plane perpendicular to the ground.
  • the plane may be considered to refer to the ground.
  • the height direction from the plane may be considered to refer to the direction opposite to gravity, and the direction opposite to the height direction may be considered to refer to the gravity direction.
  • “laminated along the height direction with respect to the plane” may mean that the electrode plates may be laminated from the ground in the direction of gravity and / or in the direction opposite to gravity.
  • the stacking direction of the electrode plates may be in the direction of gravity and / or in the direction opposite to gravity.
  • the electrode plates having a relatively large size may be negative electrode plates.
  • the negative electrode plate acts as a safety member when an object such as a needle or the like pushes or penetrates the battery from the outside.
  • the micro short circuit is primarily induced, and thus, there is an effect of preventing the fire and explosion of the battery.
  • the function as a safety member of the negative electrode plate is particularly important in battery modules and battery packs in which ignition and explosion of one battery constituting the battery module or battery pack can be connected to fire and explosion of the battery module and the battery pack as a whole.
  • the present invention is not limited thereto, and the positive electrode plate may be a relatively large electrode plate.
  • the electrode plates stacked at the lowermost end may be a negative electrode plate or a positive electrode plate, and when the electrode plates stacked at the lowermost end are positive electrode plates, the positive electrode plates may be anodes on only one surface facing the negative electrode plate with a separation film therebetween.
  • the slurry may be applied, and in detail, one surface of the positive electrode plate may be coated with the positive electrode slurry only at a portion of the surface of the positive electrode plate facing the one surface of the negative electrode plate.
  • the surface protruding the electrode tab may be named as the front or rear
  • the surface opposite to the front may be named as the rear surface
  • the surface parallel to the plane may be named as one surface and the opposite surface, respectively
  • the surface parallel to the one surface and the opposite surface and parallel to the height direction may be referred to as one side surface and a surface opposite to the one side surface as an opposite side surface.
  • One side and / or opposite side may be named collectively as a side.
  • the electrode plates may be stacked such that at least one of the front, rear, and side surfaces thereof does not exist on the same plane.
  • the electrode plates may be stacked such that only the front surface is present on the same plane, or the rear plates may be stacked such that only the rear surface is on the same plane, and only one side or only one side and the opposite side are on the same plane. It may be stacked to exist, or may be stacked such that the front, rear, one side, and opposite side do not all exist on the same plane.
  • the electrode assembly according to the present invention may have a square pyramid shape. Since the stacked arrangements of the electrode plates are one specific example according to the present invention, the arrangement of the electrode plates is not limited to the above examples.
  • the pole plates stacked in the height direction with respect to the plane and the pole plates stacked in the direction opposite to the height direction are laminated while being symmetric with each other. Or asymmetrically stacked.
  • the front plates may be stacked such that only the front surface is present on the same plane in the height direction, and in the opposite direction of the height, the rear plates may be stacked on the same plane.
  • the rear plates may be stacked on the same plane.
  • one side and the opposite side of the stacked electrode plates may be present on the same plane, respectively. Since the above arrangements are one specific example according to the present invention, the arrangement of the electrode plates is not limited to the above examples.
  • the electrode assembly according to the present invention has a height
  • the electrode plates laminated in both directions in the direction opposite to the height may be asymmetrically stacked on each other.
  • the electrode plates may be stacked in both directions such that the front, rear, one side, and opposite side thereof are not all coplanar, and in this case, the electrode assembly according to the present invention may have a symmetrical octagonal pyramidal shape. Can be. Of course, even in this case, it can be easily understood by those skilled in the art from the above description that the electrode plates can be stacked to have an asymmetric octagonal pyramidal shape.
  • the electrode tabs of the electrode plates having the same polarity may be formed to protrude from the respective electrode plates so as to be arranged at positions sharing the same virtual vertical line. That is, based on the position where the electrode tabs of the electrode plates of the smallest size are formed among the electrode plates having the same polarity, the remaining electrode tabs may be electrically connected at positions sharing an imaginary vertical line with the electrode tabs of the electrode plates of the smallest size. Can be.
  • each of the positive electrode tabs may be electrically connected at a position sharing a virtual vertical line with the positive electrode tab of the smallest positive electrode plate based on the position where the positive electrode tab of the smallest positive electrode plate is formed.
  • the sheet-type separation film of one unit in order to prevent the short circuit of the positive electrode and the negative electrode, the stack of the electrode plates surrounding one side and the opposite side and one side or the opposite side, or one side and the opposite side of the pole plates having opposite polarity to each other It can be located on the side.
  • the sheet-shaped separation film of one unit may be located on one side and the opposite side of the unit cells, in order to prevent the short circuit of the positive and negative electrodes facing the different unit cells, one side or the opposite side, or one side and the opposite side
  • the tensile force generated when the separation film is wound may provide a pressure to closely contact the interface between the electrode plate and the separation film.
  • the separation film as described above may be formed to have a length surrounding one side and the opposite surfaces of the electrode plates and one side or the opposite side, or both the one side and the opposite side.
  • the separation film may be formed to have a length longer than the above-mentioned length, in this case, the separation film that surrounds all of one side and the opposite side and one side or the opposite side, or one side and the opposite side of the pole plates
  • the entirety of the laminated plates may be wrapped and the ends may be fixed by heat fusion or tape.
  • the separation film as described above covers one side and the opposite surfaces of the pole plates and one side or the opposite side, or one side and the opposite side, the separation film may be in close contact with one side and the opposite side of the pole plates.
  • the separation film is one side, the opposite side, or one side and the opposite side of the electrode plates of different sizes. It may not be in close contact with the sides. Therefore, in this case, the one side, the opposite side, or a portion of the separation film spaced apart from one side and the opposite side is cut or heat treated so that the separation film adheres to one side, the opposite side, or one side and the opposite side. You can do that.
  • the separation film may have one side, the opposite side, or one side of the electrode plates of different sizes. And may not be in close contact with opposite sides. Therefore, even in this case, the separation film is cut or heat-treated to the one side, the opposite side, or one side and the side spaced apart from the opposite side, so that the separation film adheres to one side, the opposite side, or one side and the opposite side. You can do that.
  • the staircase structure may be formed from a laminated structure of electrode plates of different sizes.
  • one step structure is formed when the positive and negative plates of different sizes are laminated in the state where the separation film is interposed, and the one or more sides, the opposite side, or the one side and the opposite side of the positive and negative plates are separated by the separation film.
  • the two staircase structure is that three pole plates of different sizes are laminated with separator plates having different polarities therebetween, and one side, opposite side or one side and opposite side of the respective pole plates with the separator film. It may be formed when wrapping.
  • part in which such a stepped structure is formed is not specifically limited. Specifically, when the pole plates are stacked such that only the front surface is present on the same plane, the staircase structure may be formed at the rear side or one side or the opposite side of the pole plates, and the front side, the rear side, and the side side all exist on the same plane. When not stacked, the staircase structure may be formed at all of the front, rear, and side surfaces of the electrode plates.
  • the site where the stepped structure is formed by the above description can be easily understood by those skilled in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the staircase structure has a width and a height, the width having a length corresponding to the difference in the full width or the full length of the stacked electrode plates, the height may be the sum of the height of each stage, the height of each stage is The length may correspond to the height of the electrode plates.
  • the width and / or the height of the stage may vary depending on the curvature of the device in which the battery cell incorporating the electrode assembly is mounted.
  • the staircase structure may have (i) the same height and different widths, or (ii) both the width and the height of the heights may be different.
  • the separation film is located only on the laminated surface between the pole plates, such as a positive electrode plate or a negative electrode plate, but only a structure surrounding the sides of each of the pole plates has been described, but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • the electrode assembly according to the present invention may include a unit cell in which some of the electrode plates are alternately stacked along the height direction based on a plane of the electrode plates having polarities opposite to each other with the separator interposed therebetween. At this time, the separation film can firmly maintain the interface contact between the electrode plate and the separation plate, the unit cell and the separation film.
  • the electrode plates stacked at the lowermost end may be a positive electrode plate in which a positive electrode slurry is applied only to one surface facing the negative electrode plate with the separator plate interposed therebetween.
  • one surface of the positive electrode plate may be a separator plate.
  • the positive electrode slurry may be applied only to a portion corresponding to one surface of the negative electrode plate stacked between the negative electrode plates.
  • the size of the electrode plates having the same polarity among the electrode plates constituting the unit cell may be the same or different.
  • the electrode plate and the separator plate may be flat or plate-shaped.
  • the electrode assembly according to the present invention includes one or two or more electrode plates having the same size or different size as one or two or more electrode plates, and one unit cell having the same size or different size as one or two or more electrode plates. Or it may include two or more, and may include one or two or more unit cells of the same size or different from one or more than one unit cell.
  • a stack structure of electrode plates of different sizes, a stack structure of electrode plates and unit cells of different sizes, or a stack structure of unit cells of different sizes may form one or more staircase structures having a width and a height.
  • Such unit cells may be manufactured by further adding a separator plate and a pole plate to some or all of the pole plates.
  • the unit cell may have the same polarity of the uppermost and the lowermost pole plates, and may have different polarities of the uppermost and the lowest pole plates.
  • a unit cell having the same polarity of the uppermost and the lowermost pole plates may be a unit cell in which the polarities of the uppermost and the lowermost pole plates are both positive poles, and may also be the unit cells in which the polarities of the uppermost and lowermost pole plates are both negative poles.
  • the present invention provides a composite electrode assembly as follows.
  • An electrode plate having a structure in which electrode tabs are formed
  • a stack-and-foldable electrode assembly stacked in a height direction with respect to the plane so that the electrode plates facing each other; And a stacked electrode assembly in which pole plates having opposite polarities with the separator interposed therebetween are stacked along the stack height direction with respect to the plane.
  • the polar bodies may include one or two or more polar bodies having the same size or different sizes as one or two or more polar bodies, and the stacked structure of the polar bodies having different sizes may include one or two or more widths and heights. It is characterized by forming a staircase structure.
  • the electrode plate having a relatively large size may be a cathode plate or a cathode plate.
  • the electrode plates stacked on the lowermost end may be a negative electrode plate or a positive electrode plate, and in this case, the lowermost positive electrode plate may be coated with a positive electrode slurry only on one surface facing the negative electrode plate with a separation film therebetween.
  • the staircase structure may be: (i) the height of the steps is the same and different widths, or (ii) the width and the height of the steps may all be different, and the width and / or the height of the steps may be a composite electrode assembly. It may vary depending on the curvature of the device equipped with a built-in battery cell.
  • the present invention also provides a lithium secondary battery having the above-described electrode assembly or composite electrode assembly embedded in a battery case and impregnated with an electrolyte and sealed.
  • the electrode terminal of the lithium secondary battery may have a structure in which each of the electrode tabs of the electrode assembly or the composite electrode assemblies is coupled to an electrode lead.
  • Each of the electrode leads may have at least one of full width, full length, and total height, or may have the same full width, full length, and full height.
  • the stacked electrode assembly includes a first electrode group having a structure in which a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator plate are laminated in a laminated state such that any one of the positive electrode plate and the negative electrode plate and the separator plate constitute an outermost angle. can do.
  • the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator plate may include a second electrode group laminated in a stacked state so that the separators constitute an outermost shell.
  • the first electrode group may have a structure in which a cathode plate, a separator plate, a cathode plate, and a separator plate are sequentially stacked in a stacked state, or a cathode plate, separator plate, a cathode plate, and a separator plate are sequentially stacked. It may be a structure.
  • the stacked electrode assembly includes a third electrode group bonded in a state where the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator plate are laminated so that the positive electrode plate and the negative electrode plate constitute an outermost part and the separator plate is interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate. It may include.
  • it may include a fourth electrode group which is bonded in a state in which one of the positive electrode plate and the negative electrode plate and one separator plate are stacked.
  • the stacked electrode assembly may have a structure in which only the first electrode group is stacked, a structure in which only a second electrode group is stacked, a structure in which only third electrode groups are stacked, or a fourth electrode. Only groups may be a stacked structure, or a combination thereof.
  • only the first electrode groups may be stacked.
  • the second electrode group may be stacked on the uppermost or lowermost end of the first electrode group.
  • any one of a positive electrode plate and a negative electrode plate may be interposed between the second electrode groups.
  • the ends of the separating plate may extend longer than the size of the positive electrode plate and the negative electrode plate, that is, the length or length.
  • the ends of the elongated separator plates may be thermally fused to each other.
  • the first to fourth electrode groups may further include a fixing member for more firmly maintaining the stack structure of the positive electrode plate, the separator plate, and the negative electrode plate.
  • the fixing member may be an outer member separate from the first electrode group or the second electrode group, and may be an adhesive tape or an adhesive tape covering part or all of the outer circumferential surface of the first electrode group.
  • the outer circumferential surface of the first electrode group may be a concept including all of side surfaces, planes, front surfaces, and rear surfaces of the first electrode group.
  • the fixing member may be a part of the separating plate constituting the first electrode group or the second electrode group, and in this case, the first electrode group or the second electrode group may be fixed by heat-sealing the ends of the separating plate.
  • the first electrode group or the second electrode group may be fixed by heat-sealing the ends of the separating plate.
  • it is not limited thereto.
  • the fixing member includes all members capable of functioning to fix the first electrode group or the second electrode group.
  • the stacked electrode assembly including the first electrode group and the second electrode group
  • mass productivity and yield can be improved compared to the stacked electrode assembly having a structure in which a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator plate are simply stacked.
  • the positive electrode plate, the separator plate, and the negative electrode plate are bonded to each other by the first electrode group, there is an advantage of minimizing volume expansion due to swelling.
  • the battery case is a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and may include an accommodating part in which a stepped electrode assembly or a composite electrode assembly is built, and the accommodating part may be formed according to the present invention. It may have a shape of a step structure corresponding to the shape of the electrode assembly or the composite electrode assembly of the step structure.
  • the lithium secondary battery may be used as a power source for mobile phones, portable computers, smart phones, smart pads, netbooks, light electronic vehicles (LEVs), electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and power storage devices. have.
  • LEVs light electronic vehicles
  • FIGS. 1A and 1A are exploded perspective views of a typical representative pouch type secondary battery
  • FIG. 2 to 3 schematically show a perspective view and a vertical cross-sectional view of the electrode plate and the separator plate constituting the electrode assembly according to the present invention
  • 4 and 5 are schematic diagrams of vertical cross-sectional views of unit cells having different polarities between the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate;
  • FIG. 6 is a schematic view of a vertical cross-sectional view of a unit cell having the same polarity of the uppermost plate and the lowermost plate;
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a vertical cross-sectional view of an electrode assembly according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of an exploded view of the electrode assembly of FIG. 7;
  • 9-12 are vertical cross-sectional views of an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic view of a vertical cross-sectional view of a composite electrode assembly according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 illustrates a structure of a first electrode group according to an embodiment of the present invention
  • 16 is a schematic diagram illustrating a stacked electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic view of a fixing structure of the first electrode group of FIG. 14;
  • FIG. 18 is a manufacturing process diagram of a first electrode group according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a plan view of an electrode assembly according to still another embodiment of the present invention.
  • the positive electrode plate 130 has a structure in which the positive electrode slurry 132 is coated on the positive electrode current collector 136, and the negative electrode plate 170 has a negative electrode slurry ( 176) is applied.
  • a positive electrode slurry 132 is applied to upper and lower surfaces of the positive electrode current collector 136, and a negative electrode plate 170 is applied to both top and bottom surfaces of the negative electrode current collector 176. It is. 2 to 3 of the positive electrode plate 130 and the negative electrode plate 170 is formed in the shape of a parallel cuboid having a full length (L1), full width (S1), total height (H).
  • the stacked electrode assemblies 210, 220, 230, 240, and 250 have different polarities between the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate among the stacked electrode plates.
  • the stacked electrode assemblies 310, 320, and 330 of FIG. 6 have the same polarity between the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate among the stacked electrode plates.
  • the anode plates stacked on the lowermost end thereof are coated with a cathode slurry only on one surface of direct contact with the separator stacked on the top.
  • FIG. 7 schematically illustrates a vertical cross-sectional view of an electrode assembly in accordance with the present invention consisting solely of the stacked active assemblies of FIGS. 4 and 5.
  • the stacked electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, and 300A having the same full width and the longest widths compared to the stacked electrode assemblies 300B, 300D, 300F, and 300H have a height relative to the plane.
  • Stacked electrode assemblies stacked in order along the direction having a shorter width than the stacked electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, and 300A at the top of the stacked electrode assembly 300A, and having the same width.
  • 300B and 300D are stacked in order, and stacked electrode assemblies 300F and 300H have a shorter width than the electrode assemblies 300B and 300D and have the same full width at the top of the stacked electrode assembly 300D. It is laminated as it is.
  • the lowermost electrode assembly 300I may be the stacked electrode assemblies 220 and 250 of FIGS. 3 and 4.
  • One side or the opposite side of the electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H is stacked such that they are coherent or coplanar.
  • One side and the opposite side and one side and the opposite side of the electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H are wrapped with a separation film 450, and the electrode assemblies 300I,
  • the outer circumferential surface of the structure in which 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, and 300H) is stacked is also surrounded by the separation film 450.
  • the separation film 450 may wrap around the outer circumferential surface of the structure in which the electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, and 300H are stacked, and then be fixed by thermal fusion or tape. have.
  • the separation film 450 wraps around the outer circumferential surface of the structure in which the electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, and 300H are stacked, and then fixed with a tape.
  • FIG. 8 discloses an exploded view of the electrode assembly of FIG. 7.
  • the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I correspond to the electrode assemblies 300A, 300C, 300E, 300I having the largest overall length L1.
  • the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I correspond to the electrode assemblies 300A, 300C, 300E, 300I having the largest overall length L1.
  • L2 the length S2 direction of the separation film 450 on the separation film having a width L2
  • the electrode assembly 300A is spaced apart from the electrode assembly 300B by a distance the sum of its full width S1 and the height of the electrode assembly 300B, and the electrode assembly 300C is the height of the electrode assemblies 300A, 300B.
  • the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, and 300I are spaced apart by a predetermined distance from the electrode assembly 300B by the sum of the thicknesses of the separation films. In this order, the electrode film 300A is positioned at the winding start point, and the electrode assembly 300I is positioned at the winding end point.
  • the electrode assembly of FIG. 7 may be manufactured by winding the separation film in which the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, and 300I are arranged.
  • the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, and 300I have curved surfaces in one of the corners.
  • electrode assembly 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I can be arranged to produce the electrode assembly of FIG.
  • electrode assembly 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I can be arranged to produce the electrode assembly of FIG.
  • electrode assembly 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I can be arranged to produce the electrode assembly of FIG.
  • the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I can be arranged to produce the electrode assembly of FIG.
  • the full width of the electrode tabs of the stacked electrode assemblies 300A, 300C, 300E, 300G, and 300I is larger than the full width of the electrode tabs of the stacked electrode assemblies 300B and 300D.
  • the full width of the electrode tabs of the stacked electrode assemblies 300B and 300D is larger than the full width of the electrode tabs of the stacked electrode assemblies 300F and 300H.
  • the full widths of the positive electrode tabs 138E and 138F of the stacked electrode assembly 300E and the stacked electrode assembly 300F are different from each other.
  • the full widths of the electrode tabs of the electrode assemblies 300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, and 300I may be the same.
  • the separator sheet 450 has a length S2 surrounding one side and the opposite side and one side and the opposite side of the electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, and 300H.
  • the electrode assemblies 300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H may have a length that can cover the outer circumferential surface of the stacked structure. .
  • a space corresponding to the difference between the full widths of the electrode assembly 300A and the electrode assembly 300B is formed on the laminated surface of the electrode assembly 300A and the electrode assembly 300B.
  • a space equal to the difference between the full widths of the electrode assembly 300D and the electrode assembly 300F is also formed in the laminated surface of the electrode assembly 300D and the electrode assembly 300F.
  • a stepped structure having a width and a height is formed on the stacked surfaces of the electrode assemblies 300A, 300B, and 300F.
  • the width may vary depending on the difference in the full width of the electrode assemblies 300A, 300B, 300F.
  • the electrode plate constituting the width of such a step structure is a cathode plate.
  • the positive electrode plate constituting the width of the staircase structure may be the positive electrode plate 130.
  • the electrode assembly of FIG. 7 uses the stacked active assemblies of FIGS. 4 and 5, the electrode assembly of FIG. 7 is merely described as having a different width. Therefore, it will be readily understood by those skilled in the art from the foregoing description that not only the case where the full width is different, but also the width corresponding to the difference in the full length can be formed even when the full length is different.
  • the electrode assembly of FIG. 7 includes a stepped structure having a height difference. As described above, the width and height may vary depending on the curvature of the curved device.
  • FIG. 11 schematically shows a vertical cross-sectional view of an electrode assembly according to the invention comprised of the stacked active assemblies of FIGS. 4 to 6.
  • the difference from the electrode assembly of FIG. 7 is that at the bottom, the stacked electrode assemblies 300E and 400C having the same full width and the longest widths compared to the stacked electrode assemblies 300A, 400B and 400D have a height direction based on a plane.
  • the stacked electrode assembly 300A having a shorter width than that of the stacked electrode assemblies 300E and 400C is stacked on the top of the stacked electrode assembly 400C, and the stacked electrode assembly 300A is stacked on the top of the stacked electrode assembly 400C.
  • the stacked electrode assemblies 400B and 400D are shorter than the electrode assembly 300A and have the same full width.
  • the separation film 450 is in close contact with one side and the opposite side and one side and the opposite side of the electrode assemblies 300E, 400C, 300A, 400B, 400D. Specifically, referring to the circled regions II indicated by the dotted lines, the separation film 450 is in close contact with one side or the opposite surface on which the step structures of the electrode assemblies 300E, 400C, 300A, 400B, and 400D are formed. For example, it can be seen that it is cut.
  • the angle between any vertical line X abutting the opposite side is at an angle between the straight line Z and the vertical line X abutting both the stack of electrode assemblies 400B, 400D and the vertices of electrode assembly 300A. Small compared to However, this angle may change depending on the curvature of the device.
  • FIG. 9 shows electrode assemblies 400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, and 400I having the same polarity of the uppermost and lowermost pole plates with respect to the plane in both directions in the height direction and the height opposite direction. There is a difference from the electrode assembly of FIG. 7 in that they are stacked. At this time, the electrode assemblies 400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I may be a positive electrode plate and a negative electrode plate, respectively.
  • the electrode assemblies 400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I differ in that one side and the opposite side do not exist in a mismatch or on the same plane.
  • FIG. 10 shows a planar electrode assembly in which the electrode assemblies 400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, and 400H having the same polarity of the uppermost and lowermost pole plates are in the height direction or the height opposite direction with respect to the plane. It differs from FIG. 9 in that it is only laminated
  • the separation film 450 is different from the electrode assembly of FIG. 9 in that only one side or the opposite side of the electrode assemblies 400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H surrounds.
  • FIG. 12 is the same as FIG. 11 in that the electrode assembly is composed of the stacked positive assemblies of FIGS. 4 to 6, but the electrode assemblies 300A, 400B, 300C, 400D and 400E are applied by applying heat to the separation film 450. There is a difference in close contact with one side or the opposite side on which the staircase structure is formed (see dashed circle (I)).
  • FIG. 13 shows a positive electrode plate 130 and a separator plate 150 stacked between one of the electrode assemblies 500 according to the present invention and a stacked electrode assembly 310 having polarities of the uppermost and lowermost pole plates interposed therebetween. It is a schematic diagram of the composite electrode assembly 600 which concerns on this invention which interposed and formed the step structure.
  • the composite electrode assembly 600 includes the electrode plate 500 of the positive electrode plate or the negative electrode plate and / or the electrode assembly 500 of the stacked electrode assemblies of FIGS. 3 to 5 and the electrode assembly 500. From the description of 500) those skilled in the art will be able to easily understand the structure.
  • the positive electrode plate 150 facing the lowermost negative electrode of the stacked electrode assembly 310 with the separator plate 150 interposed therebetween has a longer width than the lowermost negative electrode, the positive electrode plate 150 is prevented from directly contacting the electrolyte.
  • the negative electrode plate corresponding to the area of the space corresponding to the difference in the full width may be placed in the space of the step structure corresponding to the difference in the full width of the stacked electrode assembly 310.
  • the first electrode group has a structure in which a separator plate 310, a cathode plate 320, a separator plate 330, and a cathode plate 340 are sequentially stacked in a bonded state.
  • the second electrode group has a structure in which the separator 410, the cathode plate 420, and the separator 430 are laminated in a state of being sequentially stacked.
  • FIG. 16 illustrates a stacked electrode assembly having a structure in which the second electrode group of FIG. 15 is stacked on top of the first electrode group stack in which the first electrode groups of FIG. 14 are stacked.
  • FIG. 16 illustrates an embodiment in which a fixing member is further added to the first electrode group of FIG. 14. Specifically, the fixing member T1 is further added to the side surface or the front surface of the first electrode group 300.
  • fixing may be performed by using a separate member on the side of the stacked structure, and the fixing member may have a first electrode as shown in FIG.
  • the front surface of the group 300 may be implemented by taping, or as shown in 16 (b), it may be implemented by a fixing member (T2) for fixing only the side of the first electrode group (300).
  • 17 is a process schematic diagram showing the manufacturing process of the first electrode group according to the present invention.
  • the material of the separator 310, the anode plate 320, the separator 330, and the cathode plate 340 (using a loading unit loaded in a sheet-like structure) is simultaneously loaded and used as an intermediate layer (
  • the cutting plate 320 is cut into a designed size, and then the separator plates 310 and 330 disposed at the top and the bottom thereof are simultaneously loaded, and the negative plate 340 material is loaded together with the laminators L1 and L2.
  • the laminator implements a structure in which two electrode plates and two separation plates are bonded to each other by heat and pressure, that is, a first electrode group, and then cuts through a cutter C3 to complete the first electrode group, and then inspects the thickness (a). Inspection process, such as vision inspection (b), short inspection (c) may be further performed.
  • the first electrode group thus formed is fixed using a fixing member, or formed into a structure in which a plurality of first electrode groups are stacked by lamination, and then the second electrode group of FIG.
  • the fixing process is to complete the stacked electrode assembly.
  • 19 is a plan view schematically showing an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 700 includes a first electrode group 710 and a second electrode group 720.
  • the rest of the structure except for the number of electrode groups constituting the electrode assembly 400 is the same as the structure of the above-described embodiments, other detailed description thereof will be omitted.
  • the electrode assembly and the composite electrode assembly according to the present invention includes a staircase structure that varies according to the curvature of the device, and thus, unlike the conventional electrode assembly, the capacity per volume of the device is utilized by utilizing the dead space inside the device. Has the effect of improving.

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Abstract

본 발명은 이차전지의 전지 케이스 내에 내장되는 전극 조립체에 관한 것으로서, 계단 구조의 전극 조립체 및 복합 전극 조립체에 관한 것으로서, 상기 계단 구조는 디바이스의 곡률을 따라 형성되어, 종래의 전극 조립체와 달리 디바이스 내부의 사공간을 활용함으로써, 디바이스의 부피당 용량을 향상시킬 수 있다.

Description

계단 구조의 전극 조립체 및 복합 전극 조립체
본 발명은 이차전지의 전지 케이스 내에 내장되는 전극 조립체에 관한 것으로서, 계단 구조의 전극 조립체 및 복합 전극 조립체에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들에는 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 전지셀들이 사용되고 있다.
전기자전거, 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈(중대형 전지팩)이 사용되고 있다.전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
이러한 전지모듈 또는 전지팩의 단위전지로는 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등이 사용되고 있으며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1a 및 1b에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1a를 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1a에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 1b에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1a 및 1b는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
상기한 전극 조립체는, 도 1a 및 도 1b에서와 같이, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이고, 이러한 전극 조립체들이 전지 케이스 내에 내장되어 직육면체 형상의 파우치형 전지셀이 제작되며, 상기 파우치형 전지셀들이 적층되어 직육면체 형상의 전지팩이 완성된다.
그러나, 이러한 직육면체 형상의 전지셀과 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감이 우수하도록 측면이 곡선으로 처리되어 있을 수 있다.
그러나, 이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩은 디바이스 내부의 공간 활용도에 한계가 있다.
즉, 곡선 처리된 부분에는 전지셀 또는 전지팩이 장착될 수 없는 사공간(dead space)이 형성된다. 이러한 사공간은, 종국에는 디바이스 부피 당 용량이 저하시키는 문제가 있다.
본 출원의 발명자들은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시킬 수 있는 계단 구조가 형성된 전극 조립체 및 복합 전극 조립체와 이들을 포함하는 전지셀을 공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전극 조립체는,
전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 극판들 2 개 이상; 및
상기 극판들의 일면 및 대향면과 전극 탭 비형성 부위인 극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 시트형 분리 필름;을 포함하고,
상기 극판들은 상기 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대 극성을 갖는 극판들이 대면하도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있으며,
상기 극판들은, 하나 또는 둘 이상의 극판들과 크기가 서로 동일하거나 다른 극판을 하나 또는 둘 이상 포함하고, 서로 다른 크기의 극판들의 적층 구조는, 폭과 높이가 있는 하나 또는 둘 이상의 계단 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 계단 구조는 적층면의 면적이 서로 다른 n 개의 전극군들이 적층된 경우, 단의 개수는 n 단일 수 있다. 이때, n은 2이상의 자연수이고, n은 디바이스의 용량 내지 디바이스의 외주면의 곡률 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있을 것이다.
상게하게는, 상기 극판들은 2 개 이상의 극판들로 이루어져 있고, 이것들은 모두 크기가 상이할 수도 있고, 하나의 극판이 동일한 크기의 나머지 극판들과 크기가 상이할 수도 있으며, 동일한 크기의 극판(A) 2개 이상과 상기 극판(A)와 크기가 다른 동일한 크기의 극판(B) 2개 이상의 조합일 수도 있으며, 동일한 크기의 극판(A) 2개 이상과 상기 극판(A)와 크기가 다른 동일한 크기의 극판(B) 2개 이상 및 상기 극판(A) 및 극판(B)와 서로 크기가 다른 동일한 크기의 극판(C) 2개 이상의 조합일 수도 있다.
상기 극판의 형상은, 특별히 한정되지 않으므로, 평행 육면체 형상일수도 있고, 평면상 다각형, 원형 등일 수 있다. 상기 극판은 평판상일 수도 있고, 곡면을 가진 판상일 수도 있다.
상세하게는, 상기 극판은, 전폭, 전장 및 전고를 갖는 평행 육면체 형상일 수 있다. 상기 평행 육면체는 평면상 사각형 형상일 수 있고, 이 때, 상기 전폭은, 전극탭이 돌출되어 있는 변의 길이일 수 있으며, 상기 전장은, 전극탭이 돌출되지 않은 변의 길이일 수 있다. 또한, 상기 전고는, 상기 평행 육면체의 높이일 수 있다.
상기 계단 구조가 형성되기 위해서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 전장 및/또는 전폭이 서로 상이한 극판들을 적어도 하나 이상 포함하여야 한다.
따라서, 크기가 다른 극판들은, 전폭 및/또는 전장이 다른 극판들을 의미할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극조립체가 포함하는 전폭 및/또는 전장이 서로 다른 극판들의 수는, 당업자가 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상 및 필요한 용량에 따라 유연하게 그 수를 조정할 수 있다. 2개 내지 3개의 극판들로 구성된 전극조립체는 물론, 4개 이상의 극판들로 이루어진 전극조립체를 구성할 수도 있음은 물론이다.
더욱 구체적인 예에서, 상기 극판은, 직육면체 형상일 수 있다. 또한, 상기 극판은, 정육면체 형상일 수도 있다.
상기 극판의 모서리들은 모두 직각으로 처리되어 있을 수도 있고, 적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있을 수도 있다. 더욱 구체적으로, 평면상 사각형 형상의 극판의 4개의 모서리들 중 적어도 하나는 곡선을 이루고 있을 수 있다. 상기와 같이 적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있는 경우, 낙하 시 곡선 처리된 모서리에 가해지는 충격이 완화될 수 있으므로, 낙하 안전성이 향상되는 효과가 있다.
상기 전극탭들 각각의 크기는 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다. 구체적으로, 전폭, 전장, 전고 중 하나 이상이 서로 상이할 수도 있고, 전폭, 전장, 전고가 모두 동일할 수 있다. 상기 전극탭들은, 전극리드와 결합하여 리튬 이차전지의 전극 단자를 형성할 수 있다.
상기에서, 평면은 임의의 평면을 의미하므로, 지면일 수도 있고, 지면에 수직한 평면일 수도 있다. 따라서, 상기한 극판들은 지면에서 높이방향으로 적층되어 있을 수 있고, 지면에 수직한 평면에서 높이방향을 따라 적층되어 있을 수도 있다.
이해의 편의를 위하여, 이하에서는, 상기 평면은 지면을 지칭하는 것으로 생각할 수 있다. 이 경우, 상기 평면으로부터의 높이 방향은 중력과 반대 방향을 지칭하고, 높이 방향과 반대 방향은 중력 방향을 지칭하는 것으로 생각할 수 있다.
예를 들어, 상기에서, "평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층된다"는 것은, 극판들이 지면으로부터 중력 방향 및/또는 중력 반대 방향으로 적층될 수 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 극판들의 적층 방향은 중력 방향 및/또는 중력 반대 방향일 수 있다.
상기 극판들의 적층 구조에서, 서로 다른 크기의 극판들이 분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 경우, 상대적으로 크기가 큰 극판은 음극판일 수 있다.
분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판이 음극판인 경우에는, 상기 음극판은, 외부로부터 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 관통하게 되는 경우, 안전 부재로 작용하여, 일차적으로 미세 단락을 유발하므로, 전지의 발화 및 폭발을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이러한 음극판의 안전 부재로서의 기능은, 전지모듈 또는 전지팩을 구성하는 하나의 전지의 발화 및 폭발이 전지모듈 및 전지팩 전체의 발화 및 폭발로 연결될 수 있는 전지모듈 및 전지팩에서 특히 중요하다.
또한, 분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판이 음극판인 경우에는, 분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판이 양극판인 경우에 비해, 충방전 시 수지상 성장을 최소화할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상대적으로 크기가 큰 극판이 양극판일 수도 있다.
또한, 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 음극판 또는 양극판일 수 있고, 상기 최하단에 적층된 극판이 양극판인 경우, 상기 양극판은, 분리 필름을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있을 수 있고, 상세하게는, 상기 양극판의 일면은, 분리 필름을 사이에 두고 적층되어 있는 음극판의 일면과 대면하는 부위에만 양극 슬러리가 도포되어 있을 수 있다.
상기에서, 전극탭이 돌출된 면을 전면 또는 후면으로 명명할 수 있고, 상기 전면에 대향하는 면을 후면으로 명명할 수 있으며, 상기 평면과 평행한 면을 일면과 대향면으로 각각 명명할 수 있고, 상기 일면과 대향면과 수직이고, 상기 높이 방향에 평행한 면을 일측면과 상기 일측면에 대향하는 면을 대향 측면으로 명명할 수 있다. 일측면 및/또는 대향 측면은 측면으로 통일하여 명명할 수 있다.
상기 극판들은, 전면, 후면, 측면 중에서 적어도 하나가 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 극판들은, 전면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층될 수도 있고, 후면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층될 수도 있으며, 일측면 만이 또는 일측면과 대향 측면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층될 수도 있고, 전면, 후면, 일측면, 대향 측면이 모두 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수도 있다. 전면, 후면, 일측면, 대향 측면이 모두 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층되는 경우, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 사각뿔대 형상을 가질 수 있다. 상기한 극판들의 적층 배열들은, 본 발명에 따른 하나의 구체적인 예이므로, 극판들의 배열이 상기한 예들에 한정되는 것은 아니다.
상기 극판들이 평면을 기준으로 높이 방향 및 그 반대 방향으로 양 방향 적층되는 경우, 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되는 극판들과 상기 높이 방향과 반대 방향으로 적층되는 극판들은, 서로 대칭을 이루면서 적층되거나 또는 비대칭적으로 적층될 수 있다.
구체적으로, 상기 극판들이 대칭적으로 양 방향 적층되는 경우, 높이방향으로는 전면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층될 수 있고, 높이 반대 방향으로는, 후면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층될 수 있으며, 또한, 높이방향 및 높이 반대 방향으로, 적층되는 극판들의 일측면 및 대향 측면이 각각 동일 평면 상에 존재할 수도 있다. 상기한 배열들은, 본 발명에 따른 하나의 구체적인 예이므로, 극판들의 배열이 상기한 예들에 한정되는 것은 아니다.
상기에서와 같이, 극판들이 높이방향으로는 전면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층되고, 높이 반대 방향으로는, 후면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층되는 경우, 본 발명에 따른 전극 조립체는 높이 방향과 높이 반대 방향으로 양 방향 적층된 극판들이 서로 비대칭적으로 적층되어 있을 수 있다.
또한, 상기 극판들은, 양 방향으로, 전면, 후면, 일측면, 대향 측면이 모두 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층될 수 있고, 이 경우, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 대칭적인 팔각뿔대 형상일 수 있다. 물론, 이 경우에도 비대칭적인 팔각뿔대 형상을 갖도록 극판들이 적층될 수 있음은 상기한 설명들로부터 당업자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
상기한 극판들의 적층 구조에서, 동일한 극성을 가진 극판들의 각각의 전극탭들은 동일한 가상의 수직선을 공유하는 위치에 배열되도록 각각의 극판들로부터 돌출되어 형성되어 있을 수 있다. 즉, 동일한 극성을 가진 극판들 중에서 가장 작은 크기의 극판의 전극탭이 형성된 위치를 기준으로, 나머지 전극탭들은 상기한 가장 작은 크기의 극판의 전극탭과 가상의 수직선을 공유하는 위치에서 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 각각의 양극탭들은, 가장 크기가 작은 양극판의 양극탭이형성된 위치를 기준으로, 상기 가장 작은 크기의 양극판의 양극탭과 가상의 수직선을 공유하는 위치에서 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 일 단위의 시트형 분리 필름은, 양극과 음극의 단락을 방지하기 위하여, 서로 반대되는 극성을 가진 극판들의 일면 및 대향면과 일측면 또는 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면을 감싸면서 극판들의 적층면에 위치할 수 있다.
상기 일 단위의 시트형 분리 필름은, 서로 다른 단위셀들의 대면하는 양극과 음극의 단락을 방지하기 위하여, 단위셀들의 일면 및 대향면에 위치할 수 있고, 일측면 또는 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면을 감쌈으로써, 반복되는 충방전으로 인해 극판과 분리 필름 간의 계면 접촉을 견고하게 유지할 수 있다. 구체적으로, 분리 필름을 권취할 때 발생하는 인장력은 극판과 분리 필름 간의 계면을 밀착하는 압력을 제공할 수 있다.
상기와 같은 분리 필름은, 상기한 극판들의 일면 및 대향면들과 일측면 또는 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면을 모두 감싸는 길이로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 분리 필름은, 상기한 길이보다 긴 길이로 형성되어 있을 수도 있고, 이 경우, 극판들의 일면 및 대향면들과 일측면 또는 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면을 모두 감싸고 남은 분리 필름은, 적층된 극판들 전체를 감싸고 말단이 열융착되거나 테이프가 붙여져 고정될 수 있다.
상기와 같은 분리 필름으로 극판들의 일면 및 대향면들과 일측면 또는 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면을 모두 감싸는 경우, 분리 필름은 극판들의 일면 및 대향면에 밀착되어 있을 수 있다.
다만, 상기 분리 필름으로 극판들의 일면 및 대향면들과 측면을 감싼 후 적층된 극판들 전체를 다시 감싸는 경우에는, 상기 분리 필름은 서로 다른 크기의 극판들의 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면에 밀착되어 있지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우에는, 상기 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면으로부터 이격되어 있는 분리 필름의 부위를 절단하거나 열처리하여 상기 분리 필름이 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면에 밀착되도록 할 수 있다.
또한, 상기 분리 필름으로 극판들의 일면 및 대향면들과 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면만을 감싸는 경우에도, 상기 분리 필름은 서로 다른 크기의 극판들의 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면에 밀착되어 있지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우에도, 상기 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면으로부터 이격되어 있는 분리 필름의 부위를 절단하거나 열처리하여 상기 분리 필름이 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면에 밀착되도록 할 수 있다.
상기 계단 구조는, 서로 다른 크기의 극판들의 적층 구조로부터 형성될 수 있다.
구체적으로, 하나의 계단 구조는 서로 다른 크기의 양극판과 음극판이 분리 필름이 개재된 상태에서 적층되고, 분리 필름으로 양극판 및 음극판의 일측면, 대향 측면, 또는 일측면 및 대향 측면을 감싸는 경우에 형성될 수 있다.
또한, 두 개의 계단 구조는, 서로 다른 크기의 3 개의 극판들이 분리 필름을 사이에 두고 서로 다른 극성을 갖는 극판들이 적층되고, 분리 필름으로 각각의 극판들의 일측면, 대향 측면 또는 일측면 및 대향 측면을 감싸는 경우에 형성될 수 있다.
상기한 설명으로 세 개 이상의 계단 구조가 형성되는 경우는 당업자가 쉽게 이해할 수 있으므로, 이에 대해서는, 더 이상의 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이러한 계단 구조가 형성되는 부위는 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로, 상기 극판들이, 전면만이 동일 평면 상에 존재하도록 적층되는 경우, 계단 구조는 극판들의 후면 또는 일측면 또는 대향 측면에서 형성될 수 있고, 전면, 후면, 측면이 모두 동일 평면 상에 존재하지 않도록 적층되는 경우에는, 계단 구조는 극판들의 전면, 후면, 측면에서 모두 형성될 수 있다. 상기한 설명으로 계단 구조가 형성되는 부위는 당업자가 쉽게 이해할 수 있으므로, 이에 대해서는, 더 이상의 자세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 계단 구조는, 폭과 높이를 가지며, 상기 폭은 적층된 극판들의 전폭 또는 전장의 차이에 대응하는 길이를 갖고, 상기 높이는 각각의 단의 높이의 합일 수 있으며, 상기 단의 높이는 적층된 각각의 극판들의 높이에 대응하는 길이일 수 있다. 상기 폭 및/또는 단의 높이는 전극 조립체를 내장한 전지셀이 장착된 디바이스의 곡률에 따라 변할 수 있다.
상기 계단 구조는, (i) 단의 높이는 동일하고 폭이 상이하거나, 또는 (ii) 폭과 단의 높이가 모두 상이할 수 있다.
상기에서는, 분리 필름이, 양극판 또는 음극판과 같은 극판들 사이의 적층면에 위치하면서 극판들 각각의 측면을 감싸고 있는 구조에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전극 조립체는, 상기 극판들 중 일부가 분리판을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 극판들이 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 교대로 적층된 단위셀을 포함할 수 있다. 이 때, 분리 필름은 극판과 분리판, 단위셀과 분리 필름 간의 계면 접촉을 견고하게 유지할 수 있다.
이 경우, 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 분리판을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 양극판일 수 있고, 구체적으로, 상기 양극판의 일면은, 분리판을 사이에 두고 적층되어 있는 음극판의 일면에 대응하는 부위에만 양극 슬러리가 도포되어 있을 수 있다.
단위셀을 구성하는 극판들 중에서 동일한 극성을 가진 극판들의 크기는 동일할 수도 상이할 수도 있다.
상기 극판, 분리판은 평판상일 수도 있고, 곡면을 가진 판상일 수도 있다.
이 때, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 하나 또는 둘 이상의 극판들과 크기가 서로 동일하거나 다른 극판을 하나 또는 둘 이상 포함하고, 하나 또는 둘 이상의 극판들과 크기가 서로 동일하거나 다른 단위셀을 하나 또는 둘 이상 포함하며, 하나 또는 둘 이상의 단위셀들과 크기가 서로 동일하거나 다른 단위셀을 하나 또는 둘 이상 포함하고 있을 수 있다.
이 때, 서로 다른 크기의 극판들의 적층 구조, 서로 다른 크기의 극판과 단위셀의 적층 구조 또는 서로 다른 크기의 단위셀들의 적층 구조 등은 폭과 높이가 있는 하나 또는 둘 이상의 계단 구조를 형성할 수 있다.
이러한 단위셀들은 상기 극판들 중 일부 또는 전부에 분리판과 극판들을 더 부가함으로써 제작할 수 있다.
구체적으로, 상기 단위셀은, 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 상호 동일할 수도 있고, 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 상호 상이할 수도 있다. 또한, 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 상호 동일한 단위셀은 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 모두 양극인 단위셀일 수 있고, 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 모두 음극인 단위셀일 수도 있다.
또한, 본 발명은, 하기와 같은 복합 전극 조립체를 제공한다.
본 발명에 따른 복합 전극 조립체는,
전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 극판;
크기가 동일한 극판들 2 개 이상 및 상기 극판들의 적층면과 전극 탭 비형성 부위인 극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 시트형 분리 필름을 포함하고, 상기 극판들은 상기 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대 극성을 갖는 극판들이 대면하도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있는 스택 앤 폴딩형 전극 조립체; 및 분리판을 사이에 두고 서로 반대 극성을 가진 극판들이 평면을 기준으로 적층 높이 방향을 따라 적층되어 있는 적층형 전극 조립체; 로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 극성체들이,
분리판 또는 시트형의 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 극판들이 배열되도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있고,
상기 극성체들은, 하나 또는 둘 이상의 극성체들과 크기가 서로 동일하거나 다른 극성체를 하나 또는 둘 이상 포함하고 있고, 서로 다른 크기의 극성체들의 적층 구조는, 폭과 높이가 있는 하나 또는 둘 이상의 계단 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리판 또는 분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판은 음극판 또는 양극판일 수 있다.
또한, 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 음극판 또는 양극판일 수 있고, 이 경우, 최하단 양극판은, 분리 필름을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있을 수 있다.
전술한 바와 마찬가지로, 상기 계단 구조는, (i) 단의 높이는 동일하고 폭이 상이하거나, 또는 (ii) 폭과 단의 높이가 모두 상이할 수 있고, 상기 폭 및/또는 단의 높이는 복합 전극 조립체를 내장한 전지셀이 장착된 디바이스의 곡률에 따라 변할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기한 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체가 전지 케이스 내에 내장되어 전해질로 함침되고 밀봉된 구조로 이루어진 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 리튬 이차전지의 전극 단자는, 상기 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체들의 각각의 전극 탭들 각각이 전극 리드에 결합된 구조일 수 있다.
상기 전극 리드들 각각은 전폭, 전장, 전고 중 하나 이상이 서로 상이하거나, 전폭, 전장, 전고가 모두 동일할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층형 전극조립체는 양극판과 음극판 중 어느 하나와 분리판이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 1 전극군을 포함할 수 있다.
두 번째 구체적인 예에서, 분리판들이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 제 2 전극군을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극군은, 양극판, 분리판, 음극판, 분리판이 순차적으로 스택된 상태로 접합(laminate)된 구조 또는 음극판, 분리판, 양극판, 분리판이 순차적으로 스택된 상태로 접합된 구조일 수 있다.
세 번째 구체적인 예에서, 상기 적층형 전극조립체는, 양극판과 음극판이 최외각을 구성하고, 분리판이 양극판과 음극판 사이에 개재되도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 3 전극군을 포함할 수 있다.
네 번째 구체적인 예에서, 양극판과 음극판 중 어느 하나와 하나의 분리판이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 4 전극군을 포함할 수 있다.
상기 상기 적층형 전극조립체는, 상기 제 1 전극군만이 적층된 구조일 수도 있고, 제 2 전극군만이 적층된 구조일 수도 있으며, 제 3 전극군들만이 적층된 구조일 수도 있고, 제 4 전극군들만이 적층된 구조일 수도 있으며, 이들의 조합일 수도 있다.
예를 들어, 상기 적층형 전극조립체는, 상기 제 1 전극군들만이 스택되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전극군의 최상단 또는 최하단에는 제 2 전극군이 스택되어 있을 수 있다.
제 2 전극군들만이 적층되어 있는 구조는 제 2 전극군들 사이에 양극판 또는 음극판 중 어느 하나가 개재되어 있을 수 있다.
상기 분리판의 말단은 양극판과 음극판의 크기, 즉, 가로길이 또는 세로길이에 비해 길게 연장되어 있을 수 있다. 연장된 분리판의 말단은 서로 열융착될 수 있다.
한편, 상기 제 1 전극군 내지 제 4 전극군에는 양극판, 분리판, 음극판의 스택 구조를 더욱 견고히 유지하는 고정 부재가 더 부가되어 있을 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 전극군 또는 제 2 전극군과는 별개의 외부 부재로서, 제 1 전극군의 외주면의 일부 또는 전부를 감싸고 있는 점착 테이프 또는 접착 테이프일 수 있다.
상기 제 1 전극군의 외주면은, 제 1 전극군의 측면, 평면, 전면, 후면 등을 모두 포함하는 개념일 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 전극군 또는 제 2 전극군을 구성하는 분리판의 일부일 수 있고, 이 경우, 분리판의 말단을 열융착시킴으로써 제 1 전극군 또는 제 2 전극군을 고정시킬 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고정부재는, 제 1 전극군 또는 제 2 전극군을 고정시킬 수 있는 기능을 할 수 있는 부재를 모두 포함한다.
상기한 제 1 전극군과 제 2 전극군을 포함하여 적층형 전극조립체를 구성하는 경우, 양극판, 음극판, 분리판이 단순히 스택되어 있는 구조의 적층형 전극조립체에 비해 양산성 내지 양품률을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 전극군 단위로 양극판, 분리판, 음극판이 서로 접합되어 있는 상태이므로, 스웰링으로 인한 부피팽창을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기한 제 1 전극군과 제 2 전극군을 포함하여 적층형 전극조립체를 구성하는 경우, 폴딩 공정으로 구현되는 전극조립체의 어라인 불량이나 공정설비를 제거하고, 하나의 라미네이터만을 가지고 제 1 전극군 또는 제 2 전극군의 형성을 완료하고, 단순 스택으로 적층형 전극조립체를 구현할 수 있게 되는 바, 폴딩 공정시 발생하는 전극 손상이 감소되며, 전해액 젖음성이 향상될 수 있고, 외부로 노출되는 분리판을 단면 유무기 복합 분리막(SRS 분리막)을 적용할 수 있게 되어 셀의 두께가 감소함과 동시에 공정 비용을 절감할 수 있게 된다.
상기 전지 케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스로서, 본 발명에 따른 계단 구조의 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체가 내장되는 수납부가 형성되어 있을 수 있고, 상기 수납부는 본 발명에 따른 계단 구조의 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체의 형상에 대응하는 계단 구조의 형상을 가질 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등의 전원으로 사용될 수 있다.
도 1a 및 1a는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체를 구성하는 극판과 분리판의 사시도와 수직 단면도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 4 및 도 5는 최상단 극판과 최하단 극판의 극성이 상이한 단위셀의 수직 단면도의 모식도이다;
도 6은 최상단 극판과 최하단 극판의 극성이 동일한 단위셀의 수직 단면도의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 조립체의 수직 단면도의 모식도이다;
도 8은 도 7의 전극 조립체의 전개도의 모식도이다;
도 9 내지 도 12는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전극 조립체의 수직 단면도이다;
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 복합 전극 조립체의 수직 단면도의 모식도이다;
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극군의 구조를 도시한 것이다;
도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 전극군의 구조를 도시한 것이다;
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극조립체를 도시한 모식도이다;
도 17은 도 14의 제 1 전극군의 고정구조의 모식도이다;
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극군의 제조공정도를 도시한 것이다;
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 3에는 본 발명에 따른 전극 조립체를 구성하는 양극판(130), 음극판(170) 및 분리판(150)이 모식적으로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 양극판(130)은 양극 집전체(136)상에 양극 슬러리(132)가 도포되어 있는 구조이고, 음극판(170)은 음극 집전체(172)에 음극 슬러리(176)가 도포되어 있는 구조이다.
도 2의 양극판(130)은 양극 슬러리(132)가 양극 집전체(136)의 상하 양면에 도포되어 있고, 음극판(170)은 음극 슬러리(172)가 음극 집전체(176)의 상하 양면에 도포되어 있다. 도 2의 내지 도 3의 양극판(130) 및 음극판(170)은 전장(L1), 전폭(S1), 전고(H)를 가진 평행 직육면체의 형상으로 이루어져 있다.
도 4 내지 도 6에는 도 3의 양극판(130)과 음극판(170)이 분리판(150)을 사이에 두고 적층면과 평행한 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 교대로 적층되어 있는 적층형 전극 조립체들(300, 400)의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4 및 도 5의 적층형 전극 조립체들(210, 220, 230, 240, 250)은 적층된 극판들 중에서 최상단의 극판과 최하단의 극판의 극성이 서로 상이하다. 도 6의 적층형 전극 조립체들(310, 320, 330)은 적층된 극판들 중에서 최상단의 극판과 최하단의 극판의 극성이 서로 동일하다.
적층형 전극 조립체(220, 250,330)은 최하단에 적층되어 있는 양극판은, 상단에 적층된 분리판과 직접 접촉하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있다.
도 7에는 도 4 및 도 5의 적층형 적극 조립체들로만 구성한 본 발명에 따른 전극 조립체의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 최하단에는, 동일한 전폭을 가지고 적층형 전극 조립체들(300B, 300D, 300F, 300H)에 비해 가장 전폭이 긴 적층형 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A)가 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 순서대로 적층되어 있고, 적층형 전극 조립체(300A)의 상단에는, 적층형 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A)에 비해 전폭이 짧고, 동일한 크기의 전폭을 갖는 적층형 전극 조립체들(300B, 300D)가 순서대로 적층되어 있으며, 적층형 전극 조립체(300D)의 상단에는, 전극 조립체들(300B, 300D)에 비해 전폭이 짧고 동일한 전폭을 갖는 적층형 전극 조립체들(300F, 300H)가 순서대로 적층되어 있다.
이 때, 최하단의 전극 조립체(300I)는 도 3 및 도 4의 적층형 전극 조립체들(220, 250)일 수 있다.
전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 일측면 또는 대향면이 일치 또는 동일 평면 상에 존재하도록 적층되어 있다.
전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 일면 및 대향면과 일측면 및 대향 측면은 분리 필름(450)으로 감싸여 있고, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면 또한 분리 필름(450)으로 감싸여 있다.
분리 필름(450)은 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면을 감싼 후, 열 융착으로 고정되거나, 테이프로 고정될 수 있다. 도 7에서, 분리 필름(450)은 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면을 감싼 후, 테이프로 고정되어 있다.
도 8에는, 도 7의 전극 조립체의 전개도가 개시되어 있다. 구체적으로, 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)는, 가장 큰 전장(L1)을 가진 전극 조립체들(300A, 300C, 300E, 300I)에 대응하는 폭(L2)를 가진 분리 필름 상에 분리 필름(450)의 길이(S2) 방향을 따라,
전극 조립체(300A)가 그것의 전폭(S1) 및 전극 조립체(300B)의 높이를 합한 거리만큼, 전극 조립체(300B)와 이격되고, 전극 조립체(300C)가 전극 조립체들(300A, 300B)의 높이와 분리 필름의 두께를 합한 거리만큼 전극 조립체(300B)와 이격되는 방식으로, 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)가 소정의 거리로 이격된 상태로, 순서대로 분리 필름(450)에 배열되어 있고, 전극 조립체(300A)가 권취 개시점에 위치하며, 전극 조립체(300I)가 권취 종료점에 위치되어 있다.
이렇게 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)가 배열되어 있는 분리 필름을 권취함으로써, 도 7의 전극 조립체를 제작할 수 있다.
도 8에서 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)는, 평면 상, 모서리들 중 하나가 곡선을 이루고 있다. 물론, 평면 상 모서리들이 직각을 이루고 있는 경우에도 도 8과 같이 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)를 배열하여 도 7의 전극 조립체를 제작할 수 있음은 물론이다.
도 8에서, 적층형 전극 조립체들(300A, 300C, 300E, 300G, 300I)의 전극탭들의 전폭은, 적층형 전극 조립체들(300B, 300D)의 전극탭들의 전폭에 비해 크다. 마찬가지로, 적층형 전극 조립체들(300B, 300D)의 전극탭들의 전폭은 적층형 전극 조립체들(300F, 300H)의 전극탭들의 전폭에 비해 크다.
구체적으로, 적층형 전극 조립체(300E)와 적층형 전극 조립체(300F)의 각각의 양극탭들(138E, 138F)의 전폭은 서로 상이하다. 다만, 전극 조립체들(300A, 300B, 300C, 300D, 300E, 300F, 300G, 300H, 300I)의 전극탭들의 전폭은 동일할 수도 있다.
도 8에는 분리 시트(450)가 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 일면 및 대향면과 일측면 및 대향 측면을 감싸는 길이(S2)를 갖는 것처럼 표현되어 있으나, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있는 구조물의 외주면을 감쌀 수 있는 길이를 가질 수 있음은 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.
도 7에서, 전극 조립체(300A)와 전극 조립체(300B)의 적층면에는, 전극 조립체(300A)와 전극 조립체(300B)의 전폭의 차이만큼의 공간이 형성된다. 또한, 전극 조립체(300D)와 전극 조립체(300F)의 적층면에도, 전극 조립체(300D)와 전극 조립체(300F)의 전폭의 차이만큼의 공간이 형성된다. 따라서, 전극 조립체들(300A, 300B, 300F)의 적층면에는, 폭과 높이가 있는 계단 구조가 형성된다. 폭은 전극 조립체들(300A, 300B, 300F)의 전폭의 차이에 따라 변할 수 있다. 이러한 계단 구조의 폭을 구성하는 극판은 음극판이다. 다만, 도 13의 복합 전극 조립체의 양극판(130)과 같이, 계단 구조의 폭을 구성하는 극판은 양극판(130)일 수 있다.
이와 관련하여, 도 7의 전극 조립체는, 도 4 및 도 5의 적층형 적극 조립체들을 사용한 경우이므로, 전폭이 다른 경우로 설명된 것일 뿐이다. 따라서, 전폭이 상이한 경우뿐만 아니라, 전장이 상이한 경우에도 전장의 차이만큼의 폭이 형성될 수 있음은 상기한 설명으로부터 당업자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 도 7에서, 전극 조립체들(300I, 300G, 300E, 300C, 300A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 높이가 모두 동일하므로, 2개의 전극 조립체들(300B, 300D)의 높이의 합은, 4개의 전극 조립체들(300I, 300G, 300C, 300A)의 높이의 합보다 작다. 그 결과, 도 7의 전극 조립체는 높이 차이가 있는 계단 구조를 포함하고 있다. 이러한 폭과 높이는, 곡선 처리된 디바이스의 곡률에 따라 변화할 수 있음은 전술한 바와 같다.
이와 관련하여, 도 11을 참조하면, 도 11에는 도 4 내지 도 6의 적층형 적극 조립체들로 구성한 본 발명에 따른 전극 조립체의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7의 전극 조립체와의 차이점은, 최하단에는, 동일한 전폭을 가지고 적층형 전극 조립체들(300A, 400B, 400D)에 비해 가장 전폭이 긴 적층형 전극 조립체들(300E, 400C)가 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 순서대로 적층되어 있고, 적층형 전극 조립체(400C)의 상단에는, 적층형 전극 조립체들(300E, 400C)에 비해 전폭이 짧은 적층형 전극 조립체(300A)가 적층되어 있으며, 적층형 전극 조립체(300A)의 상단에는, 전극 조립체(300A)에 비해 전폭이 짧고 동일한 전폭을 갖는 적층형 전극 조립체들(400B, 400D)가 순서대로 적층되어 있다는 점이다.
또한, 분리 필름(450)이 전극 조립체들(300E, 400C, 300A, 400B, 400D)의 일면 및 대향면과 일측면 및 대향 측면에 밀착되어 있다는 점이다. 구체적으로, 점선으로 표시된 원 영역(II)들을 참조하면, 분리 필름(450)은 전극 조립체들(300E, 400C, 300A, 400B, 400D)의 계단 구조가 형성되어 있는 일측면 또는 대향면에 밀착하기 위해, 절단되어 있음을 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 전극 조립체들(300E, 400C)의 적층 구조물과 전극 조립체(300A)의 꼭지점에 모두 접하는 직선(Y)와 가장 큰 전폭을 갖는 전극 조립체들(300E, 400C)의 일측면 또는 대향 측면에 접하는 임의의 수직선( X) 사이의 각도는, 전극 조립체들(400B, 400D)의 적층 구조물과 전극 조립체(300A)의 꼭지점에 모두 접하는 직선(Z)와 수직선(X) 사이의 각도에 비해 작다. 그러나, 이러한 각도는, 디바이스의 곡률에 따라 변할 수 있는 것이다.
도 9는, 평면을 기준으로, 최상단과 최하단의 극판의 극성이 동일한 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I)이 높이 방향 및 높이 반대 방향의 양방향으로 적층되어 있는 점에서 도 7의 전극 조립체와 차이가 있다. 이 때, 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I)은 각각, 양극판, 음극판일 수도 있다.
또한, 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H, 400I)은 일측면 및 대향 측면이 불일치 또는 동일 평면 상에 존재하지 않는다는 점에서 차이가 있다.
도 10은, 평면의 전극 조립체는, 최상단과 최하단의 극판의 극성이 동일한 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H)이 평면을 기준으로 높이 방향 또는 높이 반대 방향으로만 적층되어 있는 점에서 도 9와 차이가 있다.
또한, 분리 필름(450)이 전극 조립체들(400A, 400B, 400C, 400D, 400E, 400F, 400G, 400H)의 일측면 또는 대향 측면만을 감싸고 있는 점에서 도 9의 전극 조립체와 차이가 있다.
도 12는 도 4 내지 도 6의 적층형 적극 조립체들로 전극 조립체를 구성한 점에서는, 도 11과 동일하지만, 분리 필름(450)에 열을 가하여 전극 조립체들(300A, 400B, 300C, 400D, 400E)의 계단 구조가 형성되어 있는 일측면 또는 대향 측면에 밀착시킨 점에서 차이가 있다(점선 원(I) 참조).
도 13은, 본 발명에 따른 전극 조립체들 중 하나(500)와 최상단과 최하단의 극판의 극성이 사이한 적층형 전극 조립체(310)을 적층하면서 그 사이에 양극판(130)과 분리판(150)을 개재시켜 계단 구조를 형성시킨 본 발명에 따른 복합 전극 조립체(600)의 모식도이다.
복합 전극 조립체(600)은 양극판 또는 음극판의 극판, 및/또는 도 3 내지 도 5의 적층형 전극 조립체들과 전극 조립체(500)를 조합하여 계단 구조를 형성시킨 것을 제외하고는, 전술한 전극 조립체(500)에 대한 설명들로부터 당업자는 그 구조에 대해 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
분리판(150)을 사이에 두고 적층형 전극 조립체(310)의 최하단 음극과 대면하는 양극판(150)이 최하단 음극에 비해 긴 전폭을 가지므로, 전해질과 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해, 앙극판(150)과 적층형 전극 조립체(310)의 전폭의 차이에 해당하는 계단 구조의 공간에는, 상기한 전폭의 차이만큼의 공간의 면적에 해당하는 음극판이 놓여질 수 있다.
제 1 전극군은 도 14에 도시된 구조와 같이 분리판(310), 양극판(320), 분리판(330), 음극판(340)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
제 2 전극군은, 도 15에 도시되는 구조와 같이, 분리판(410), 음극판(420), 분리판(430)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
도 16은 도 14의 제 1 전극군들이 적층된 제 1 전극군 적층체의 최상단에 도 15의 제 2 전극군이 적층된 구조의 적층형 전극조립체가 도시되어 있다.
도 16에는, 도 14의 제 1 전극군에 고정부재가 더 부가된 실시예가 도시되어 있다. 구체적으로 제 1 전극군(300)의 측면 또는 전면에는 고정부재(T1)가 더 부가되어 있다.
단순 적층구조로 인해 적층의 안정성을 확보하기 위해, 적층된 구조의 측면에 별개의 부재를 이용하여 고정을 수행할 수 있으며, 이러한 고정부재는 도 16 (a)에 도시된 것과 같이, 제 1 전극군(300)의 전면을 테이핑하는 방식으로 구현하거나, 16 (b)에 도시된 것과 같이, 제 1 전극군(300)의 측면만을 고정하는 고정부재(T2)로 구현하는 것이 가능하다.
도 17은 본 발명에 따른 제 1 전극군의 제조공정을 도시한 공정 모식도이다.
도시된 것과 같이, 분리판(310), 양극판(320), 분리판(330), 음극판(340)의 재료(시트형 구조로 로딩되는 로딩유닛을 이용)를 동시에 로딩하며, 중간층으로 이용되는 양극판(320)을 설계된 크기로 절단하여 로딩하며, 이후 상부와 하부에 배치된 분리판(310, 330)이 동시에 로딩됨과 동시에 음극판(340) 재료가 함께 라미네이터(L1, L2)로 로딩되게 된다.
이후 라미네이터에서는 열과 압력으로 2개의 전극판과 2개의 분리판이 접착된 구조체 즉 제 1 전극군으로 구현하게 되며, 이후 절단기(C3)를 통해 절단하여 제 1 전극군을 완성 후, 두께검사(a), 비전검사(b), 쇼트검사(c) 등의 검사 공정이 추가로 수행될 수 있다.
이후, 이렇게 형성된 제 1 전극군은 고정부재를 이용하여 고정하거나, 적층을 통해 다수의 제 1 전극군이 적층된 구조물로 형성한 후, 도 15의 제 2 전극군을 적층하고, 고정부재를 통해 고정하는 공정을 통해 적층형 전극조립체를 완성할 수 있도록 한다.
도 19에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 19를 참조하면, 전극조립체(700)는 제 1 전극군(710) 및 제 2 전극군(720)로 이루어져 있다. 이러한 전극조립체(400)를 구성하는 전극군들의 수를 제외한 나머지 구조는 앞서 설명한 실시예들의 구조와 동일하므로, 이에 관한 기타 자세한 설명은 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체 및 복합 전극 조립체는, 디바이스의 곡률에 따라 변화하는 계단 구조를 포함하고 있으므로, 종래의 전극 조립체와 달리 디바이스 내부의 사공간을 활용하여 디바이스의 부피당 용량을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (30)

  1. 전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 극판들 2 개 이상; 및
    상기 극판들의 일면 및 대향면과 전극 탭 비형성 부위인 극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 시트형 분리 필름;을 포함하고,
    상기 극판들은 상기 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대 극성을 갖는 극판들이 대면하도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있으며,
    상기 극판들은, 하나 또는 둘 이상의 극판들과 크기가 서로 동일하거나 다른 극판을 하나 또는 둘 이상 포함하고 있고, 서로 다른 크기의 극판들의 적층 구조는, 폭과 높이가 있는 하나 또는 둘 이상의 계단 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 극판들과 대칭 또는 비대칭적으로 상기 높이 방향과 반대 방향으로, 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 극판들이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 극판들 중 일부 또는 전부에는, 분리판과 극판들이 더 부가되어, 분리판을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 극판들이 적층 방향을 따라 교대로 적층되는 단위셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀은, 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 상호 동일한 단위셀인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀은, 최상단과 최하단의 극판들의 극성이 상호 상이한 단위셀인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 계단 구조는, 전극 탭 비 형성 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 계단 구조는, 전극 탭 형성 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판은 음극판인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 음극판인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 분리 필름을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 양극판인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 분리 필름을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 양극판이고, 상기 양극판의 일면은, 분리 필름을 사이에 두고 적층되어 있는 음극판의 일면에 대응하는 부위에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 극판은, 전극탭 형성부위의 길이인 전폭, 전극탭 비형성 부위의 길이인 전장, 및 극판의 높이인 전고를 갖는 평행 육면체 형상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 극판은, 직육면체 형상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 극판은, 정육면체 형상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 극판은 모서리들 중 적어도 하나의 모서리가 곡선을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 계단 구조는, (i) 단의 높이는 동일하고 폭이 상이하거나, 또는 (ii) 단의 폭과 높이가 모두 상이한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 폭 및/또는 단의 높이는 전극 조립체를 내장한 전지셀이 장착된 디바이스의 곡률에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 폭은 적층된 극판들의 전폭 또는 전장의 차이에 대응하고, 상기 단의 높이는 적층된 극판들의 높이에 해당하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 필름은, 상기 극판들의 적층면과 전극 탭 비형성 부위인 극판의 적어도 하나의 측면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 필름은 적층된 극판들 전체를 감싸고 말단이 열융착되거나 테이프가 붙여져 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제 3 항에 있어서, 상기 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 분리판을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 양극판인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제 3 항에 있어서, 상기 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 분리판을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 양극판이고, 상기 양극판의 일면은, 분리판을 사이에 두고 적층되어 있는 음극판의 일면에 대응하는 부위에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 전극 탭이 형성되어 있는 구조를 갖는 극판;
    크기가 동일한 극판들 2 개 이상 및 상기 극판들의 일면 및 대향면과 전극 탭 비형성 부위인 극판의 측면을 감싸고 있는 일 단위의 시트형 분리 필름을 포함하고, 상기 극판들은 상기 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대 극성을 갖는 극판들이 대면하도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있는 스택 앤 폴딩형 전극 조립체; 및
    분리판을 사이에 두고 서로 반대 극성을 가진 극판들이 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있는 적층형 전극 조립체; 로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 극성체들이,
    분리판 또는 시트형의 분리 필름을 사이에 두고 서로 반대되는 극성을 가진 극판들이 배열되도록 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층되어 있고,
    상기 극성체들은, 하나 또는 둘 이상의 극성체들과 크기가 서로 동일하거나 다른 극성체를 하나 또는 둘 이상 포함하고 있고, 서로 다른 크기의 극성체들의 적층 구조는, 폭과 높이가 있는 하나 또는 둘 이상의 계단 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 전극 조립체.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 분리판 또는 분리 필름을 사이에 두고 인접하고 있는 극판들 중에서, 상대적으로 크기가 큰 극판은 음극판인 것을 특징으로 하는 복합 전극 조립체.
  25. 제 23 항에 있어서, 적층된 극판들 중에서, 최하단에 적층되어 있는 극판은 분리판 또는 분리 필름을 사이에 두고 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리가 도포되어 있는 양극판인 것을 특징으로 하는 복합 전극 조립체.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 계단 구조는, (i) 단의 높이는 동일하고 폭이 상이하거나, 또는 (ii) 폭과 단의 높이가 모두 상이한 것을 특징으로 하는 복합 전극 조립체.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 폭 및/또는 단의 높이는 복합 전극 조립체를 내장한 전지셀이 장착된 디바이스의 곡률에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 복합 전극 조립체.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 하나에 따른 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체가 전지 케이스 내에 내장되어 전해질로 함침되고 밀봉된 구조로 이루어진 리튬 이차전지.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 전극 조립체 또는 복합 전극 조립체들의 각각의 전극 탭들 각각에는 전극 리드가 결합되어 전극 단자가 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 전극 탭들 각각은 전폭, 전장, 전고 중 하나이상이 서로 상이하거나, 전폭, 전장, 전고가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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