WO2013176533A1 - 단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스 - Google Patents

단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스 Download PDF

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김영훈
안순호
김동명
김기웅
윤성한
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly having a step, a battery cell, a battery pack and a device using the same, and more particularly, an electrode assembly having a step obtained by stacking two or more unit cells having different sizes, and a battery cell comprising the same, It relates to a battery pack and a device.
  • lithium secondary batteries with high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics are used for various mobile devices as well as various electronic products. It is widely used as an energy source.
  • a lithium secondary battery is formed in a structure that seals an electrode assembly and an electrolyte in a battery case, and is classified into a cylindrical battery, a square battery, and a pouch-type battery according to its appearance, and according to the type of electrolyte, lithium ion battery and lithium. It may be classified into an ionic polymer battery and a lithium polymer battery.
  • a battery having such a step can match the shape of the battery as much as possible according to the shape of the device, thereby minimizing the dead space inside the device to more efficiently utilize the internal space of the device, thereby increasing the overall battery capacity. can do.
  • the present invention seeks to provide an electrode assembly that can implement a variety of designs and is thin and has excellent capacitive properties.
  • the present invention relates to an electrode assembly having a step, the electrode assembly according to an embodiment of the present invention is located at least one separator on both sides of each electrode, at least one cathode and at least one anode alternately stacked
  • the plurality of unit cells are stacked, at least one of the unit cells has an area difference with respect to an adjacent unit cell, and includes at least one step formed by the area difference.
  • the electrode assembly may include one or two steps.
  • the electrode assembly may be stacked at least one single electrode of the cathode or anode.
  • the single electrode may be located at any one of the upper and lower ends of the electrode assembly with respect to the stacking direction, and may form a step with an adjacent unit cell.
  • the unit cell may include at least one stack and folding unit cell, jelly roll type unit cell, lamination and stack type, or a combination of these unit cells, at least one of a single electrode of a cathode or an anode Can be stacked.
  • the stack-and-fold unit cell may be folded by at least one rectangular separator in which unit cells in which at least one cathode, at least one anode, at least one anode, and at least one cathode are alternately stacked on a separator boundary are stacked. It may be formed.
  • the stack and folding unit cell, the jelly roll type unit cell, the lamination and stack type, or a unit cell in combination thereof may have at least one step.
  • the facing electrode of the unit cell having a large area among the facing electrodes facing the two unit cells is a cathode.
  • the negative electrode and the positive electrode constituting the unit cell is coated with a positive electrode active material and a negative electrode active material on one or both surfaces of the negative electrode current collector and the positive electrode current collector, respectively, the area coated with the negative electrode active material on the negative electrode current collector It is preferable that the area of the silver positive electrode current collector is equal to or larger than the coated area.
  • At least one of the electrodes located at the top and bottom of the stacking direction of the electrode assembly may be a cathode or an anode.
  • the anode disposed at the top or the bottom of the electrode assembly may be a cross-coated anode whose one side is a plain portion, and may be disposed so that the plain portion faces the outside.
  • the negative electrode and the positive electrode comprises an electrode tab of the negative electrode and the positive electrode, respectively, it is preferable that the electrode tab is electrically connected to each other for the same polarity.
  • the electrode tabs of the negative electrode and the positive electrode may be attached to the same end of the electrode to protrude in the same direction of the electrode assembly, and may be attached to different ends so as to protrude in different directions from each other, but the electrode tab of the same polarity It is preferably attached to the same end of the electrode.
  • the electrode tabs may have the same size or different sizes.
  • At least one of the unit cells may be different in shape of at least one corner portion.
  • the at least one corner portion may have a curved shape, and when the unit cell includes two or more corners having a curved shape, the curvatures of the corner portions may be identical to each other.
  • the electrode assembly may include two or more unit cells in which the at least one corner portion is curved, and at least one of these unit cells may include a curved corner portion different in curvature from other unit cells.
  • the electrode assembly may be stacked such that at least one of the unit cells adjacent to each other is included in the surface of the other unit cell facing.
  • the electrode assemblies may be stacked in such a manner that the area of the unit cells becomes smaller in the height direction in which the unit cells are stacked, and the electrode assemblies may be stacked in an arrangement in which one corner of each unit cell is matched.
  • the unit cells may be stacked to coincide with the center of each unit cell.
  • each electrode included in the electrode assembly may be the same or different in thickness.
  • the present invention provides a battery cell, wherein the electrode assembly is housed in the battery case.
  • the battery case may be a pouch type case.
  • the battery case accommodates the electrode assembly therein, but may have a stepped or inclined surface corresponding to the shape of the electrode assembly.
  • the battery cell may be a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery.
  • the present invention provides a device including one or more of the battery cells, the device may be a system component of the device in the surplus space of the battery cell.
  • the device may be a mobile phone, a portable computer, a smartphone, a smart pad, a netbook, a light electronic vehicle (LEV), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.
  • LEV light electronic vehicle
  • the dead space of the mobile device generated due to the design elements of the battery can be minimized, so that the space utilization is excellent and the capacity of the entire battery can be increased.
  • the resulting electrode assembly can be formed so that different types of electrodes face at the interface between the unit cells of different sizes, can induce an electrochemical reaction at the interface portion, Relatively high output can be achieved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an electrode assembly schematically showing a stacked form of an electrode assembly having a step obtained by stacking stacked unit cells according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate a stacked form of an electrode assembly having a step according to an embodiment of the present invention, which schematically illustrates an electrode assembly including a single electrode.
  • FIG. 4 to 6 illustrate a stacked form of an electrode assembly having a step according to an embodiment of the present invention, and schematically illustrate an electrode assembly obtained by a combination of a stacked unit cell and another unit cell.
  • FIG. 7 to 9 are views showing a stacked form of a stepped electrode assembly according to an embodiment of the present invention, schematically showing an electrode assembly obtained by a combination of a stacked unit cell and another type of unit cell having a step. to be.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a stacked form of an electrode assembly having a step according to an embodiment of the present invention, and schematically illustrates an electrode assembly obtained by a combination of a stacked unit cell, another unit cell, and a single electrode.
  • 11 to 13 are diagrams schematically showing an example of a lamination and stack type unit cell used as a unit cell in the present invention.
  • FIG. 14 is a view schematically showing an example of an electrode assembly having one step.
  • 15 is a view schematically showing the cross-sectional shape of an electrode assembly having a step obtained by the present invention.
  • 16 to 22 are perspective views of a battery cell having a step according to various embodiments obtained in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 illustrates a stacked form of an electrode tab according to an embodiment of the present invention, where (a) is a plan view and (b) is a front view.
  • 24 and 25 are schematic views illustrating a pouch type secondary battery including the electrode assembly of the present invention.
  • the electrode assembly of the present invention can be obtained by stacking a plurality of unit cells.
  • the unit cell is a cathode and an anode are sequentially stacked, each electrode constituting the unit cell is at least one separator is disposed on both sides.
  • the separator may be interposed between the anode and the cathode, and the separator may be disposed to cover the electrode surface even when another electrode is not disposed on one surface of the electrode, such as an electrode disposed at the outermost part of the electrode assembly. have. Therefore, even if not specifically described below including the separator, it should be understood that the separator may be disposed on both sides of the electrode unless otherwise described.
  • the material of the negative electrode, the positive electrode, and the separator constituting the unit cell is not particularly limited, and may be suitably used in the present invention as long as it is commonly used in the art.
  • the cathode is not limited thereto, and the cathode may include lithium metal, lithium alloy, carbon, petroleum coke, on one or both surfaces of a cathode current collector manufactured by copper, nickel, aluminum, or at least one combination thereof.
  • a cathode current collector manufactured by copper, nickel, aluminum, or at least one combination thereof.
  • One formed by coating one or more negative electrode active materials selected from activated carbon, graphite, silicon compounds, tin compounds, titanium compounds or alloys thereof or combinations thereof may be used.
  • the positive electrode includes lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron phosphate and combinations thereof, or a composite oxide thereof on one or both surfaces of a positive electrode current collector made of aluminum, nickel, copper, or a combination thereof. It may be formed by coating a positive electrode active material such as.
  • the sizes of the cathode and anode electrode current collector plates 21 and 31 are the same.
  • the electrode active materials 22 and 32 are not necessarily limited thereto, but may be coated on the entire surface of the electrode current collector plates 21 and 31, and in some cases, the terminal portions may not be coated. Therefore, when the electrode active materials 22 and 32 are coated on the entire surface of the electrode current collector plates 21 and 31, both electrodes 20 and 30 have the same size.
  • the region in which the positive electrode active material is applied to the positive electrode may be coated to be smaller than the area by applying the negative electrode active material to the negative electrode. As a result, precipitation of lithium from the positive electrode active material 32 can be suppressed.
  • Each electrode may have the same loading amount of the electrode active material coated on the metal current collector, and may be different. By varying the loading amount of the electrode active material, it is possible to form the thickness of the electrode differently.
  • the separator is, for example, a multilayer film made of polyethylene, polypropylene or a combination thereof having a microporous structure, or polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyacrylonitrile or polyvinylidene fluoride
  • a polymer film for a solid polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte such as a hexafluoropropylene copolymer may be used, and may include a ceramic material.
  • the unit cell is a cathode and an anode are sequentially stacked alternately on the boundary of the separator
  • the cathode and the anode may be a unit cell (monocell) stacked one by one, at least one of the cathode and anode
  • the unit cell may be various types such as the monocell, the A type bicell, or the C type bicell.
  • the unit cell may include one or more anodes, one or more cathodes, and one or more separators, and the configuration thereof is not particularly limited.
  • the unit cell when manufacturing an electrode laminate by lamination and stacking, is configured to include a basic structure consisting of a cathode / separator / anode / separator or a separator / cathode / separator / anode. It is preferable to be.
  • the unit cell may include one or a plurality of basic structures.
  • the electrode stack of the lamination and stack method may be composed of only the electrode unit including the unit cell of the above-described basic structure, or may be used in combination with the electrode unit having the basic structure and the electrode unit of the other structure. .
  • 11 to 13 disclose various examples of electrode stacks manufactured in a lamination and stack manner.
  • FIG. 11 illustrates a lamination and stack electrode stack including electrode units 65 having a basic structure of a separator 50, a cathode 20, a separator 50, and an anode 30.
  • 11 illustrates a basic structure as a separator / cathode / membrane / anode, but may be formed as a basic structure of a separator / anode / membrane / cathode by changing positions of the anode and the cathode.
  • FIG. 11 illustrates a lamination and stack electrode stack including electrode units 65 having a basic structure of a separator 50, a cathode 20, a separator 50, and an anode 30.
  • 11 illustrates a basic structure as a separator / cathode / membrane / anode, but may be formed as a basic structure of a separator / anode / membrane / cathode by changing positions of the anode and the cathode.
  • the anode is exposed to the outermost portion of the electrode stack without the separator, and in the case of using such a basic structure, As the positive electrode exposed to the outer shell, it may be preferable to use a single-side coated positive electrode in which the active material is not coated on the exposed surface when designing an electrode in consideration of capacity.
  • the electrode units are disclosed as having one basic structure, the present invention is not limited thereto, and two or more basic structures may be used as one electrode unit.
  • FIG. 12 illustrates the electrode unit 66 having the basic structure of the separator 50 / the cathode 20, the separator 50, and the anode 20, and the separator 50, the cathode 20, and the separator 50.
  • the electrode stack consisting of stacked electrode units is shown.
  • the anode 30 may be prevented from being exposed to the outside.
  • the advantage is that the capacitance can be increased.
  • an electrode unit having a separator / anode / separator structure may be stacked on top of the electrode unit. In this case, the capacity of the cathode may be maximized.
  • An electrode laminate in which an electrode unit 67 having a structure of 50 / cathode 20 is stacked is shown.
  • the electrode unit 67 having the structure of the cathode 20, the separator 50, the anode 30, the separator 50, and the cathode 20 is stacked on the outermost surface of the electrode stack.
  • the electrode stacks manufactured by the lamination and stack method are different from each other in arrangement and configuration with a single electrode, a separator, or the electrode units together with the electrode units having the above-described basic structure.
  • Unit cells can be used in combination.
  • a single electrode, single-side coating on the outermost side and / or both sides of the electrode stack in terms of improving the battery capacity and / or the side to prevent the anode from being exposed to the outside
  • An electrode, a separator, or a unit cell different in arrangement and configuration from the above electrode units may be disposed.
  • electrode units having different structures are stacked on top of the electrode stack, but embodiments are not limited thereto, and electrode units having other structures may be stacked below the electrode stack as necessary. In addition, electrode units having different structures may be stacked on both top and bottom portions thereof.
  • the unit cell may be a combination of single electrodes as described above, and may be a stack and folding unit cell in which a single electrode or a unit cell is folded and arranged by a rectangular separator. That is, it may be a winding type unit cell obtained by arranging at least one cathode and at least one anode on a rectangular separator having a length capable of arranging at least two electrodes and folding the rectangular separator in one direction. It may be a Z-folding type unit cell obtained by sequentially arranging at least one cathode and at least one anode alternately on one surface or both surfaces of a rectangular separator and folding in a zigzag direction. In addition, it may be a jelly roll type unit cell in which rectangular cathodes and anodes are laminated on both surfaces of a rectangular separator and rolled in a spiral shape.
  • the unit cell has been described as an example, but the present invention is not limited thereto, and at least one negative electrode and at least one positive electrode are cross-laminated. .
  • the electrode assembly of the present invention has a step, and can form a step by stacking unit cells having an area difference between two adjacent unit cells. For example, as illustrated in FIG. 1, by stacking a plurality of unit cells in which an anode 30 and a cathode 20 are stacked in a stack, unit cells having different areas are stacked so that unit cells having an area difference are adjacent to each other. To form a step at the interface. Such a step may be appropriately formed according to the shape of the battery to be obtained, and may include one or more steps.
  • the step of the electrode assembly is not particularly limited as long as it is one or more.
  • an electrode assembly having two steps may be obtained by stacking three electrode stacks having an area difference, and an electrode assembly having one step may be stacked by stacking an electrode stack having two area differences. You can get it.
  • further steps may be formed as necessary.
  • the electrode assembly having two steps will be described, but is not limited thereto.
  • the opposite electrodes facing the two unit cells face different electrodes. It is preferable to stack so as to.
  • battery reaction can be aimed at the boundary part which forms a step
  • the cathode 20 is disposed as a facing electrode of a unit cell having a large area in the facing electrode at the boundary forming the step. That is, when unit cells having different areas face the separator in the electrode assembly 1, part of the surface of the unit cell having the large area faces the outside while the separator is stacked. It is preferable to arrange
  • the positive electrode active material 32 coated on the surface of the positive electrode 30 includes lithium. When the positive electrode 30 faces the outside, lithium metal is precipitated from the surface of the positive electrode 30 to shorten the battery life, or This is because a problem of deterioration of stability may occur.
  • the positive electrode 30 may be disposed on both surfaces of the electrode assembly 1 in addition to the negative electrode 20.
  • the positive electrode 30 may be coated with the positive electrode 30 and the active material 32 on an outer side thereof. It may be a single-sided coated anode 33 having an uncoated portion.
  • the positive electrode 30 and the negative electrode 20 can be obtained by stacking a plurality of unit cells (stack type unit cells) 51 stacked with the separator 40 interposed therebetween. have.
  • the unit cell may be assembled by stacking mono cells as shown in FIG. 1, but may be assembled using A type bicells or C type bicells, as well as monocells and A type bicells.
  • the bicells of the C type can be laminated in appropriate combination.
  • the lamination and stack type unit cells as described above may be used in place of the stacked unit cells.
  • a single electrode 10 may be disposed. That is, such a single electrode 10 may be disposed at the outermost portion of the electrode assembly 1.
  • a single cathode 10 may be disposed as a large area electrode at the bottom of the electrode assembly 1 to form a step with the unit cell 51 stacked on the top.
  • a single anode 10 may be disposed, but may cause problems due to lithium precipitation.
  • a small area single anode 10 may be disposed on the top of the electrode assembly 1 to form a step with the lower unit cell.
  • the single anode 10 is a single-coated single anode, it is preferable that the surface forming the uncoated portion is disposed to face the outside.
  • the single electrode 10 is disposed on the top or the bottom of the electrode assembly 1 .
  • the single electrode 10 is disposed on both sides of the electrode assembly 1 according to the form in which the step is formed. It will be readily understood that steps can be formed with the unit cell.
  • a single electrode 10 may be used in the case where the area of the electrode assembly 1 is stacked so as to become smaller from the both ends of the electrode assembly 1 to the inside.
  • the single electrode 10 may be disposed in the middle of the stack in which the unit cells having the same area are stacked, but in this case, it is not distinguished from the single electrode 10 constituting the unit cell. Can be classified as
  • the electrode assembly 1 having a step of the present invention is a unit cell, and may include a stack and folding unit cell 61 and 62, a jelly roll type cell 63, or a unit cell in combination thereof to form a step. .
  • the stack-and-fold unit cells 61 and 62 are formed by arranging a single electrode 10 or a unit cell on a rectangular separator 40, and folding them, and are wound and zigzag formed by winding in a predetermined direction. It may be any one of the Z-folding type folded in the direction.
  • the winding type unit cell 62 may be wound in one direction, and the winding direction may be changed. For example, it can wind up clockwise and wind up continuously counterclockwise.
  • the electrode assembly 1 shown in FIG. 4 is an example of an electrode assembly 1 having a step manufactured by combining a stacked unit cell 53 and a Z-folding stacked and folded unit cell 61. To indicate.
  • the electrode assembly 1 shown in FIG. 5 shows an example of an electrode assembly 1 having a step manufactured by combining a stack type unit cell 51 and a winding type stack and folding type unit cell 62.
  • 6 is a view showing an example of the electrode assembly 1 having a step manufactured by combining the stacked unit cells 51 and 53 and the jelly roll type unit cell 63.
  • the unit cell used to form the stepped electrode assembly 1 of the present invention the stack and folding unit cells 61 and 62, the jelly roll type unit cell 63, or a unit cell in combination thereof are themselves.
  • the step forming step can be used.
  • FIG. 7 is an example of an electrode assembly 1 having a step manufactured by combining a stacked unit cell 51 and a winding-type stack and folding unit cell 62 having a step. It is a figure which shows.
  • the electrode assembly 1 shown in FIG. 8 is an electrode assembly having a step manufactured by combining the stacked unit cells 51 and 53 and the stacked Z-folding type stack and folding unit cell 61. It is a figure which shows an example of (1).
  • 9 is a view showing an example of an electrode assembly 1 having a step manufactured by combining a stacked unit cell 51 and a stepped jelly roll type unit cell 63.
  • the stepped electrode assembly 1 of the present invention may comprise a single electrode 10. As described above, it is preferable to alternately stack the positive electrode 30 and the negative electrode 20 to increase battery capacity. In some cases, the negative electrode 20 and the negative electrode 20 or the positive electrode 30 and the positive electrode ( 30) may face to face. In this case, the anode 30 and the cathode 20 may be stacked alternately by stacking a single electrode 10 having different polarities between unit cells facing the same electrode.
  • the facing electrode of the relatively large unit cell among the facing electrodes at the boundary forming the step is the cathode 20.
  • the anode 30 has a large area unit cell. It may be arranged as a facing electrode of. Therefore, in such a case, the large-area facing electrode can be changed to the cathode 20 by using the single electrode 10.
  • FIG. 10 shows a stack type unit cell 51 and 53 having a step and a stack type and a folding type unit cell 61 and 62 of a winding type and a Z-folding type to form a step.
  • the electrode assembly 1 having a step formed by disposing a single electrode 10 between the type unit cell 62 and the Z-folding type stack and folding type unit cell 61 is shown.
  • the electrode assembly having two steps is described with reference to the accompanying drawings as an example, but as described above, the electrode assembly of the present invention may form an electrode assembly having one step by stacking two electrode stacks. .
  • An example of the electrode assembly for this is shown in FIG. 14.
  • the electrode assembly 1 of the present invention may have a stacked structure of various forms.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the electrode assembly 1 and schematically illustrates a stacked form of unit cells.
  • the size of the unit cell may be reduced in the stacking direction of the unit cells, that is, the height direction (a), and conversely, the stack of the unit cells may be increased (b). It may also be stacked to decrease after increasing in the stacking direction, and may be stacked to increase after decreasing in the stacking direction, and such stacking may be symmetrical.
  • the lamination may not have a constant pattern as long as it forms a step.
  • FIG. 16 to 19 are perspective views of various examples of the electrode assembly 1 having the stacked form as shown in FIG. 15A.
  • unit cells may be stacked such that one corner coincides.
  • each unit cell forming the electrode assembly 1 may be formed at one end in which unit cells having the same shape and area are stacked, and at another end in which unit cells having the same shape but different areas are stacked. By this, the electrode assembly 1 having a step can be formed.
  • the unit cell may have a vertical edge as shown in FIG. 16, and may have various angles.
  • one corner portion may have a round shape.
  • the unit cell may have two or more round corners, and the curvature of the round corners may also be the same, and may be different.
  • the shape of a corner part may differ.
  • at least one unit cell may have a rounded corner, and the curvatures of the rounded corners may be different from each other as shown in FIG. 19.
  • one side and two corner portions adjacent to the side may have one round shape.
  • a plurality of arcs may be connected or a plurality of straight lines may be connected.
  • the centers of the respective surfaces may be stacked to form a step, and may be included in the stacked surfaces of the large-area unit cell. Unlike FIG. 24, the centers of the surfaces coincide with each other. It may be laminated so as not to.
  • each unit cell has the same length in the longitudinal direction of the electrode assembly 1, but can form a step in the width direction by using a different width direction length.
  • the step may be formed on one side or both sides of the width direction.
  • the electrode assembly 1 may have a step formed in the longitudinal direction.
  • the unit cells can be stacked to include the unit cells of a smaller area in the plane of the large area unit cell, as well as the contact of the facing electrode like a cross (+) shape
  • Some of the faces may be stacked such that some of the surfaces are in contact with each other and some are not in contact with each other.
  • the unit cells of the present invention may have various shapes of corner portions in addition to those shown in the drawings. As such, by forming various stacking shapes of the electrode assembly 1, unit cell shapes, corner shapes, and the like, various types of battery designs may be implemented, and thus, space utilization of the device may be further improved.
  • the unit cells each include a negative electrode tab 25 and / or a positive electrode tab 35, the electrode tabs of the same polarity are electrically connected to each other, The electrode tabs 25 and 35 are inserted into the battery case and then electrically connected to electrodes of the same polarity.
  • the attachment position of the electrode tabs 25 and 35 may be variously selected.
  • the electrode tabs 25 and 35 of the two polarities may be formed at one side end of each electrode, and the electrode tabs 25 and 35 of each polarity may be connected to each other in the same direction.
  • the electrode tabs 25 and 35 may protrude from one side of the electrode assembly 1.
  • the respective electrode tabs 25 and 35 may protrude from two side ends of the electrode assembly 1.
  • the electrode tabs 25 and 35 it is preferable to stack the electrodes so that the electrodes having the same polarity can overlap each other.
  • the electrode tabs 25 and 35 of the small-area electrode are larger in area when the electrode tabs 25 and 35 are attached.
  • the contact with the electrode surface of this large-area electrode can affect battery safety, and it is desirable to block the contact between the electrode tabs 25 and 35 and the electrode surface.
  • an insulating resin may be coated on the surface of the electrode tabs 25 and 35 or may be insulated using an insulating tape or the like.
  • the shape of the electrode tabs 25 and 35 is not particularly limited, and the area of the electrode tabs 25 and 35 may also be variously formed.
  • the electrode tabs 25 and 35 may have the same width and length, or at least one of them may be different.
  • the electrode tabs 25 and 35 having various sizes as described above the electrode tabs 25 and 35 having small areas can be arranged side by side on the one end of the electrode tabs 25 and 35 having a large area.
  • electrode tabs 25 and 35 of different sizes are used, electrode tabs 25 and 35 of the same polarity can be stacked as shown in FIG.
  • the unit cells may be wrapped by at least one rectangular separation membrane 40.
  • the rectangular separation membrane 40 may form an inclined surface of the rectangular separation membrane 40 by the step formed by the upper end of the unit cell 70 having a large area and the upper end of the smaller unit cell.
  • Such an inclined surface may be formed especially when a step is formed by the stack type folding and folding unit cell 1, or when the step formed electrode assembly 1 is wound by a rectangular separator 40.
  • the shape of the electrode case 120 in which the electrode assembly 1 is accommodated may also be formed to correspond to the inclined surface of the separation membrane 40 as described above.
  • the separator 40 is preferably formed to match the shape of the electrode assembly 1 in terms of space utilization. Therefore, when the rectangular separator 40 is spaced apart from the electrode surface or the stacking side of the electrode assembly 1, the rectangular separator 40 is extended by heating or pressing to have the same shape as the external shape of the electrode assembly. Can be formed. In this case, a bend may be formed in the portion where the step is formed. In addition, in the part which has a level
  • the battery cell of this invention is demonstrated.
  • 24 and 25 illustrate one embodiment of the battery cell 100 of the present invention.
  • the battery cell 100 of the present invention has the electrode assembly 1 of the present invention embedded in the battery case 120.
  • the battery case 120 may be a pouch type case.
  • the pouch-type case may be formed of a laminate sheet, wherein the laminate sheet may be formed of an outer resin layer forming an outermost shell, a barrier metal layer preventing penetration of materials, and an inner resin layer for sealing, but is not limited thereto. no.
  • the battery case 120 is preferably formed of a structure in which an electrode lead for electrically connecting the electrical terminals of the unit cells of the electrode assembly 1 is exposed to the outside.
  • An insulating film for protecting the electrode lead may be attached to the upper and lower surfaces.
  • the battery case 120 may vary the shape of the battery case 120 according to the shape of the electrode assembly 1 of the present invention.
  • the shape of the battery case 120 may be formed by deforming the battery case 120 itself. At this time, the shape and size of the battery case 120 does not have to be completely identical to the shape and size of the electrode assembly 1, and the shape and the degree to prevent the internal short circuit due to the sliding phenomenon of the electrode assembly 1 and It may be any size.
  • the shape of the battery case 120 of the present invention is not limited thereto, and the battery case 120 of various shapes and sizes may be used as necessary.
  • the battery case 120 may have a step formed according to the shape of the electrode assembly 1 having the step of the present invention.
  • the battery case 120 may have an inclined surface in the surface where the step of the electrode assembly 1 is formed. That is, in the region forming the step of the electrode assembly 1, the inclined surface can be formed by making the battery case 120 have the same shape as the upper corners and corners of the respective stages.
  • Such inclined surfaces may include curved surfaces, and the inclined surfaces may have two or more inclined surfaces.
  • the battery cell 100 may be preferably a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery, but is not limited thereto.
  • the battery cell 100 of the present invention as described above may be used alone, or may be used in the form of a battery pack including at least one battery cell 100.
  • a battery cell and / or battery pack of the present invention is a variety of devices, for example, mobile phones, portable computers, smart phones, smart pads, netbooks, light electronic vehicles (LEV), electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid It can be usefully used in electric vehicles, or power storage devices. Since the structure of these devices and their fabrication methods are known in the art, detailed description thereof is omitted herein.
  • the system parts of the device can be located in the surplus space formed due to the structure of the battery cell or the battery pack of the present invention. Since the battery cell or the battery pack of the present invention is formed of electrode assemblies 1 having different sizes, the electrode assembly 1 itself is formed in a stepped form, and the battery case is formed according to the electrode shape, and the device is mounted thereon. In this case, a surplus space that does not exist in the conventional rectangular or oval battery cells or battery packs is generated.
  • the system parts of the device When the system parts of the device are mounted in such a surplus space, the system parts of the device and the battery cells or battery packs can be flexibly arranged, thereby improving the space utilization and reducing the thickness or volume of the entire device. A slim design can be realized.
  • electrode assembly 10 single electrode
  • battery cell 120 battery case

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Abstract

본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로서, 각 전극의 양면에 적어도 하나의 분리막이 위치하며, 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 교대로 순차 적층된 복수의 유닛셀이 적층되고, 상기 유닛셀의 적어도 하나는 인접하는 유닛셀에 대하여 면적 차를 가지며, 상기 면적 차에 의해 형성된 단차를 하나 이상 포함하는 전극 조립체를 제공한다. 또한, 상기 전극 조립체를 포함하는 전지셀, 전지 팩 및 디바이스를 제공한다.

Description

단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스
본 발명은 단차를 갖는 전극 조립체, 이를 이용한 전지셀, 전지팩 및 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 크기가 상이한 2종 이상의 유닛셀을 적층함으로써 얻어지는 단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 전지 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되며, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
특히, 모바일 기기의 소형화와 함께, 디자인이 다양화되고 있다. 이와 같은 기술환경의 변화 하에서, 종래와 같은 동일한 유닛셀이 적층된 전지를 모바일 기기에 적용하는 경우에는 전지와 기기의 형상이 부합하지 않게 되고, 이로 인해 전지기기 내부에 데드 스페이스(Dead Space)를 야기하게 되어, 공간을 효율적으로 활용할 수 없게 되는 문제가 생기게 된다. 이에, 모바일 기기에 장착되는 전지 역시 다양한 형상을 가질 것이 요구되고 있다.
이에 따라, 단차를 갖는 전지에 대한 수요가 증대되고 있다. 이러한 단차를 갖는 전지는 디바이스의 형상에 따라 전지의 형상을 최대한 부합시킬 수 있게 되어, 디바이스 내부의 데드 스페이스를 최소화하여 디바이스 내부 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있으며, 이로 인해, 전체적인 전지 용량 증대를 도모할 수 있다.
따라서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 다양한 전지 디자인을 구현할 수 있고, 보다 높은 전지 용량 특성을 발휘할 수 있는 전극 조립체 및 이를 이용한 전지에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 다양한 디자인을 구현할 수 있고, 박형이면서, 우수한 전기 용량 특성을 갖는 전극 조립체를 제공하고자 한다.
나아가, 상기 제조된 전극 조립체를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명은 단차를 갖는 전극 조립체에 관한 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 조립체는 각 전극의 양면에 적어도 하나의 분리막이 위치하며, 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 교대로 순차 적층된 복수의 유닛셀이 적층되고, 상기 유닛셀의 적어도 하나는 인접하는 유닛셀에 대하여 면적 차를 가지며, 상기 면적 차에 의해 형성된 단차를 하나 이상 포함한다.
예를 들어, 상기 전극 조립체는 단차를 1 또는 2개 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극 또는 양극의 단일 전극이 적어도 하나 적층될 수 있다. 이때, 상기 단일 전극은 적층 방향에 대하여 전극 조립체의 상단 및 하단 중 어느 하나에 위치할 수 있으며, 인접하는 유닛셀과 단차를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 유닛셀은 스택 앤 폴딩형 유닛셀, 젤리롤형 유닛셀, 라미네이션 앤 스택형 또는 이들이 조합된 유닛셀을 적어도 하나 포함할 수 있으며, 음극 또는 양극의 단일 전극이 적어도 하나 적층될 수 있다.
이때, 상기 스택 앤 폴딩형 유닛셀은 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 유닛셀이 적어도 하나의 장방형 분리막에 의해 폴딩되어 형성된 것일 수 있다.
상기 스택 앤 폴딩형 유닛셀, 젤리롤형 유닛셀, 라미네이션 앤 스택형 또는 이들이 조합된 유닛셀은 적어도 하나의 단차를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 유닛셀과 그에 인접하는 유닛셀이 대면하여 단차를 형성함에 있어서, 두 유닛셀이 대면하는 대면 전극 중, 면적이 큰 유닛셀의 대면 전극은 음극인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 유닛셀을 구성하는 음극과 양극은 각각 음극 집전체 및 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질 및 음극 활물질이 코팅되되, 상기 음극 집전체 상의 음극 활물질이 코팅된 면적은 양극 집전체 상의 양극 활물질이 코팅된 면적과 동일하거나, 보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극 조립체의 적층 방향의 상단 및 하단에 위치하는 전극은 적어도 하나가 음극 또는 양극이 배치될 수 있다. 이때, 상기 전극 조립체의 상단 또는 하단에 배치되는 양극은 일면이 무지부인 단면코팅 양극일 수 있으며, 또한, 상기 무지부가 외부를 향하도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 음극 및 양극은 각각 음극 및 양극의 전극 탭을 포함하며, 상기 전극 탭은 동일한 극성 별로 서로 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 음극 및 양극의 전극 탭은 전극 조립체의 동일한 방향으로 돌출되도록 전극의 동일한 단부에 부착될 수 있으며, 또한, 서로 상이한 방향으로 돌출되도록 상이한 단부에 부착될 수 있으나, 동일한 극성의 전극 탭은 전극의 동일한 단부에 부착되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극 탭은 크기가 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 유닛셀의 적어도 하나는 적어도 하나의 코너부 형상이 상이할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 코너부 형상은 곡면 형상일 수 있으며, 상기 유닛셀에 곡면 형상의 코너부를 2 이상 포함하는 경우, 상기 코너부의 곡률은 서로 동일할 수 있음은 물론 상이할 수 있다.
나아가, 상기 전극 조립체는 상기 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 유닛셀을 2 이상 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나의 유닛셀은 다른 유닛셀과 곡률이 상이한 곡면 형상의 코너부를 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전극 조립체는 상호 인접하는 유닛셀 중 적어도 하나는 대면하는 다른 유닛셀의 면 내에 포함되도록 적층될 수 있다.
예를 들어, 상기 전극 조립체는 상기 유닛셀이 적층되는 높이 방향으로 유닛셀의 면적이 작아지도록 적층될 수 있으며, 또, 상기 전극 조립체는 각 유닛셀의 일 모서리가 일치되는 배열로 적층될 수 있고, 나아가, 각 유닛셀의 중심부가 일치되도록 적층될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 조립체에 포함되는 각 전극은 두께가 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
본 발명은 전지셀을 제공하며, 상기 전지셀은 상기 전극 조립체가 전지 케이스에 수납되어 있다. 이때, 상기 전지 케이스는 파우치형 케이스일 수 있다. 또한, 상기 전지 케이스는 상기 내부에 전극 조립체를 수납하되, 전극 조립체의 형상에 대응하여 단차 또는 경사면을 가질 수 있다.
상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는 상기 전지셀의 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치할 수 있다. 이때, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 다양한 형태의 전극 조립체를 제공할 수 있어, 급격한 모바일 기기의 디자인 변화에 대하여 보다 효과적으로 대처할 수 있으며, 따라서, 다양한 디자인의 전지를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 전지의 디자인적인 요소 때문에 발생하는 모바일 기기의 데드 스페이스(Dead Space)를 최소화할 수 있어 공간 활용도가 우수하며, 전체 전지의 용량 증대를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 얻어지는 전극 조립체는 크기가 다른 유닛셀들 간의 계면에서도 서로 다른 종류의 전극이 대면하도록 형성할 수 있어, 계면 부분에서도 전기 화학적 반응을 유도할 수 있고, 상대적으로 높은 출력을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 스택형 유닛셀을 적층함으로써 얻어지는 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 형태를 개략적으로 나타낸 전극 조립체의 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 형태를 나타내는 것으로서, 단일 전극을 포함하는 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 형태를 나타내는 것으로서, 스택형 유닛셀과 다른 형태의 유닛셀의 조합으로 얻어진 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 형태를 나타내는 것으로서, 스택형 유닛셀과 단차를 갖는 다른 형태의 유닛셀의 조합으로 얻어진 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 단차를 갖는 전극 조립체의 적층 형태를 나타내는 것으로서, 스택형 유닛셀과 다른 형태의 유닛셀 및 단일 전극의 조합으로 얻어진 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11 내지 13은 본 발명에서 유닛셀로 사용되는 라미네이션 앤 스택형 유닛셀의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 하나의 단차를 갖는 전극 조립체의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15은 본 발명에 의해 얻어진 단차를 갖는 전극 조립체의 단면 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16 내지 도 22은 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 다양한 구현예에 따른 단차를 갖는 전지셀의 사시도이다.
도 23는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 탭의 적층 형태를 나타내는 것으로서, (a)는 평면도이며, (b)는 정면도이다.
도 24 및 도 25은 본 발명의 전극 조립체를 포함하는 파우치형 이차 전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기 도면은 본 발명의 이해를 돕기 하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위가 이들 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 이하의 도면은 발명의 원활한 이해를 위해 일부 구성요소가 과장, 축소 또는 생략되어 표현될 수 있다.
본 발명의 전극 조립체는 복수의 유닛셀을 적층함으로써 얻을 수 있다. 이때, 상기 유닛셀은 음극과 양극이 교대로 순차 적층되어 있는 것으로서, 상기 유닛셀을 구성하는 각각의 전극은 양면에 적어도 하나의 분리막이 배치된다. 따라서, 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있으며, 또한, 전극 조립체의 최외각에 배치되는 전극과 같이 전극의 일면에 다른 전극이 배치되지 않는 경우에도 상기 분리막은 전극 표면을 덮도록 배치될 수 있다. 따라서, 이하 분리막을 포함함에 대하여 특별히 기재하지 않더라도 이와 다른 설명이 없는 한 전극은 그 양면에 분리막이 배치될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
상기 유닛셀을 구성하는 음극, 양극 및 분리막의 재질은 특별히 한정되지 않는 것으로서, 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적절하게 사용될 수 있다.
예를 들면, 이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종의 조합에 의해 제조된 음극 전류 집전체의 일면 또는 양면에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유 코크, 활성화 카본, 그라파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금 또는 이들의 조합으로부터 선택된 1종 이상의 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것을 사용할 수 있다.
또, 양극은 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들의 조합에 의해 제조된 양극 전류 집전체의 일면 또는 양면에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬 인산철 및 이들의 조합 또는 이들의 복합 산화물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.
이때, 도 1에 나타낸 바와 같이, 동일한 면적을 갖는 유닛셀에 있어서 상기 음극 및 양극 전극 집전판(21, 31)의 사이즈는 동일하다. 한편, 전극 활물질(22, 32)은 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 전극 집전판(21,31) 표면의 전체에 대하여 코팅될 수 있으며, 경우에 따라서는 말단 일부 영역은 코팅되지 않을 수 있다. 따라서, 전극 집전판(21, 31) 전면에 전극 활물질(22,32)이 코팅되는 경우에는 양 전극(20, 30)은 사이즈가 동일하게 된다.
그러나 이 경우, 전지 반응 중에 양극 활물질(32)에 포함된 리튬이 석출되어 나오는 경우가 있는바, 전지 성능 저하를 초래할 우려가 있다. 따라서, 경우에 따라서는 양극 활물질이 양극 전극에 도포되는 영역은 음극 전극에 음극 활물질이 도포되어 면적보다 작도록 코팅될 수 있다. 이에 의해 양극 활물질(32)로부터 리튬이 석출되는 것을 억제할 수 있다.
상기 각 전극은 금속 집전체에 코팅되는 전극 활물질의 로딩량을 동일하게 할 수 있으며, 상이하게 할 수 있다. 전극 활물질의 로딩량을 달리 함으로써 전극의 두께를 상이하게 형성할 수 있다.
또한, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름을 사용될 수 있으며, 세라믹 재질을 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유닛셀은 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 순차 적층되어 있는 것으로서, 상기 음극 및 양극이 하나씩 적층된 유닛셀(모노셀)일 수 있으며, 음극 및 양극 중 적어도 하나는 복수개일 수 있다. 즉, 양면에 음극이 배치되고, 상기 음극 사이에 양극이 배치되는 유닛셀(C 타입 바이셀) 또는 양면에 양극이 배치되고, 상기 양극 사이에 음극이 배치된 유닛셀(A 타입 바이셀)일 수 있다. 나아가, 상기 모노셀, A 타입 바이셀 또는 C 타입 바이셀이 복수개 조합되어 있는 것과 같은 다양한 형태의 유닛셀일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기와 같은 전통적인 방식으로 제조되는 것뿐만 아니라, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 분리막을 라미네이션(lamination)하여 전극셀을 형성한 후, 이 전극셀들을 적층(stacking)하는 방식(이하 '라미네이션 앤 스택 방식'으로 지칭됨)으로 제조된 전극 적층체를 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우, 상기 유닛셀은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 포함하는 것이면 되고, 그 구성이 특별히 제한되는 것은 아니다.
그러나, 공정의 간편성 및 경제성의 관점에서, 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우에는 유닛셀은 음극/분리막/양극/분리막 또는 분리막/음극/분리막/양극으로 이루어진 기본 구조를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 유닛셀은 하나 또는 복수개의 기본 구조를 포함할 수 있다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체는 상기한 기본 구조의 유닛셀을 포함하는 전극 유닛만으로 구성되어도 되고, 상기 기본 구조를 갖는 전극 유닛과 다른 구조의 전극 유닛을 조합하여 사용하여도 무방하다.
도 11 내지 도 13에는 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체들의 다양한 예들이 개시되어 있다.
도 11에는 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)/양극(30)의 기본구조를 갖는 전극 유닛들(65)로 이루어진 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 11에는 기본 구조가 분리막/음극/분리막/양극으로 개시되어 있으나, 양극과 음극의 위치를 바꿔 분리막/양극/분리막/음극의 기본 구조로 형성하여도 무방하다. 한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 전극 유닛의 기본 구조가 분리막/음극/분리막/양극인 경우에는 전극 적층체의 최외각에 분리막 없이 양극이 노출되게 되므로, 이러한 기본 구조를 사용하는 경우에는 최외각에 노출되는 양극은 노출되는 면에 활물질이 코팅되지 않는 단면 코팅 양극을 사용하는 것이 용량 등을 고려한 전극 설계 시 바람직할 수도 있다. 한편, 도 11에는 전극 유닛들이 하나의 기본 구조를 갖는 것으로 개시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기본 구조가 2개 이상 반복하여 적층되어 있는 것을 하나의 전극 유닛으로 사용할 수도 있다.
도 12에는 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)/양극(20)의 기본구조를 갖는 전극 유닛(66)들과 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)구조로 이루어진 전극 유닛이 적층(stacking)되어 이루어진 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 12와 같이, 최외각면에 분리막(50)/음극(20)/분리막(50)구조로 이루어진 전극 유닛을 적층할 경우, 양극(30)이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기 용량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 이와 유사하게, 전극 단위체의 최외각에 음극이 위치하는 배열의 경우에는, 그 상부에 분리막/양극/분리막 구조로 이루어진 전극 유닛을 적층할 수 있으며, 이 경우, 음극의 용량을 최대한 사용할 수 있다는 점에서 장점이 있다.
도 13에는 음극(20)/분리막(50)/양극(30)/분리막(50)의 기본구조를 갖는 전극 유닛(68)들과 음극(20)/분리막(50)/양극(30)/분리막(50)/음극(20)의 구조를 갖는 전극 유닛(67)이 적층(stacking)되어 이루어진 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 13과 같이, 전극 적층체의 최외각면에 음극(20)/분리막(50)/양극(30)/분리막(50)/음극(20)의 구조를 갖는 전극 유닛(67)을 적층할 경우, 양극이 외부로 노출하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기 용량도 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 12 및 도 13에 예시된 바와 같이, 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체들은 상기한 기본 구조를 갖는 전극 유닛들과 함께, 단일 전극, 분리막 또는 상기한 전극 유닛들과 배열 및 구성이 상이한 유닛셀들을 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 기본 구조를 갖는 전극 유닛들을 적층하였을 때, 외부로 양극이 노출되는 것을 방지하기 위한 측면 및/또는 전지 용량의 향상 측면에서 전극 적층체의 최외각 일면 및/또는 양면에 단일 전극, 단면 코팅 전극, 분리막 또는 상기한 전극 유닛들과 배열 및 구성이 상이한 유닛셀을 배치할 수 있다. 한편, 도 12 및 도 13에는 전극 적층체의 상부에 다른 구조의 전극 유닛이 적층되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 전극 적층체의 하부에 다른 구조의 전극 유닛이 적층될 수도 있고, 상부와 하부에 모두 다른 구조의 전극 유닛이 적층될 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서 유닛셀은 상기와 같은 단일 전극들의 조합일 수 있음은 물론, 단일 전극 또는 유닛셀이 장방형의 분리막에 의해 배열되어 폴딩된 스택 앤 폴딩형 유닛셀일 수 있다. 즉, 적어도 2개 이상의 전극을 배열할 수 있는 길이를 갖는 장방형의 분리막 상에 적어도 하나의 음극 및 적어도 하나의 양극을 배열하고 장방형의 분리막을 일 방향으로 폴딩함으로써 얻어진 와인딩 타입의 유닛셀일 수 있으며, 장방형의 분리막의 일면 또는 양면에 적어도 하나의 음극 및 적어도 하나의 양극을 교대로 순차 배열하고, 지그재그 방향으로 폴딩함으로써 얻어진 Z-폴딩 타입의 유닛셀일 수 있다. 또한, 장방형의 분리막의 양면에 장방형의 음극 및 양극을 적층하여 나선형상으로 말아놓은 젤리롤 타입의 유닛셀일 수도 있다.
본 발명에 있어서, 유닛셀을 상기와 같이 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것이 아니며, 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 교차 적층되어 있는 것이라면 본 발명의 유닛셀에 해당되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 전극 조립체는 단차를 갖는 것으로서, 인접하는 두 유닛셀 간에 면적 차를 갖는 유닛셀들을 적층함으로써 단차를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극(30)과 음극(20)이 교차 적층된 유닛셀을 복수개 적층하되 면적이 상이한 유닛셀을 적층함으로써, 면적차를 갖는 유닛셀이 서로 인접하여 적층되어 그 경계면에서 단차를 형성할 수 있다. 이와 같은 단차는 얻고자 하는 전지의 형상에 따라 적절하게 형성될 수 있으며, 하나 이상의 단차를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체의 단차는 1 이상이라면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 3개의 면적차를 갖는 전극 적층체를 적층함으로써 2개의 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있음은 물론, 2개의 면적차를 갖는 전극 적층체를 적층함으로써 하나의 단차를 갖는 전극 조립체를 얻을 수 있다. 나아가, 필요에 따라서는 그 이상의 단차가 형성될 수도 있다. 이하, 2개의 단차를 갖는 전극 조립체를 중심으로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극 조립체(1)에 있어서, 하나의 유닛셀과 그에 인접하는 면적 차를 갖는 다른 유닛셀이 대면하여 단차를 형성하는 경계부에 있어서는, 상기 두 유닛셀이 대면하는 대면전극은 서로 상이한 전극이 대면하도록 적층되는 것이 바람직하다. 이와 같이 서로 다른 전극이 대면함으로써 단차를 형성하는 경계부에서도 전지반응을 도모할 수 있어, 전지 용량을 증대시킬 수 있다.
이때, 상기 단차를 형성하는 경계부에서의 대면전극은 면적이 큰 유닛셀의 대면전극으로 음극(20)이 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 전극 조립체(1)에서 면적이 상이한 유닛셀이 분리막을 경계로 대면하는 경우, 분리막이 적층된 상태로 면적이 큰 유닛셀의 표면 일부가 외부를 향하게 되는데, 이때, 상기 외부를 향하는 유닛셀의 전극이 음극(20)이 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 이는 양극(30)의 표면에 코팅되는 양극 활물질(32)은 리튬을 포함하는데, 양극(30)이 외부를 향하게 되는 경우 양극(30) 표면으로부터 리튬 금속이 석출되어 전지 수명이 단축되거나, 전지의 안정성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
이와 동일한 이유로 도 1에 나타낸 바와 같이, 유닛셀의 적층에 의해 얻어진 전극 조립체(1)에 있어서, 전극 조립체(1)의 상단 및 하단의 양면에는 음극(20)이 위치하도록 유닛셀을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 전극 조립체(1)의 양면에는 상기 음극(20) 이외에 양극(30)이 배치될 수 있으나, 이 경우에는 상기 양극(30)은 외부를 향하는 면에 양극(30) 활물질(32)이 코팅되지 않은 무지부를 갖는 단면 코팅 양극(33)일 수 있다.
본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)는 상기한 바와 같은 다양한 유닛셀이 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극(30)과 음극(20)이 분리막(40)이 개재된 상태로 적층된 유닛셀(스택형 유닛셀)(51)을 복수개 적층함으로써 얻어질 수 있다. 이때, 상기 유닛셀은 도 1에 나타낸 바와 같이 모노셀을 적층함으로써 조립할 수 있으나, A 타입의 바이셀 또는 C 타입의 바이셀을 사용하여 조립할 수 있음은 물론, 모노셀, A 타입의 바이셀 및 C 타입의 바이셀을 적절히 조합하여 적층할 수 있다. 또한, 상기 스택형 유닛셀을 대신하여 상기한 바와 같은 라미네이션 앤 스택형의 유닛셀을 사용할 수도 있다.
이때, 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 단일 전극(10)이 배치될 수도 있다. 즉, 이와 같은 단일 전극(10)은 전극 조립체(1)의 최외각에 배치될 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 단일 음극(10)을 전극 조립체(1) 하단의 대면적 전극으로 배치하여 상부에 적층되는 유닛셀(51)과 단차를 형성할 수 있다. 물론, 단일 양극(10)이 배치될 수 있을 것이나, 리튬 석출에 따른 문제를 야기할 수 있다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 소면적 단일 양극(10)이 전극 조립체(1)의 상단에 배치되어 하부의 유닛셀과 단차를 형성할 수 있다. 이때, 상기 단일 양극(10)은 편면 코팅된 단일 양극으로서, 무지부를 형성하는 면이 외부를 향하도록 배치되는 것이 바람직하다.
도면에서는 단일 전극(10)이 전극 조립체(1)의 상단 또는 하단에 배치되는 경우만을 도시하였으나, 이외에도 전극 조립체(1)에서 단차가 형성되는 형태에 따라 단일 전극(10)이 그 양면에 배치되는 유닛셀과 단차를 형성할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 전극 조립체(1)의 양 말단에서 내부로 갈수록 면적이 작아지도록 적층되는 경우에 단일 전극(10)을 사용할 수 있다.
한편, 단일 전극(10)을 동일한 면적을 갖는 유닛셀이 적층되어 있는 적층체 중간에도 배치될 수 있으나, 이 경우, 유닛셀을 구성하는 단일 전극(10)과 구별되지 않는바, 여기서는 편의상 유닛셀로 분류될 수 있다.
본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)는 유닛셀로서, 스택 앤 폴딩형 유닛셀(61, 62), 젤리롤형 유닛셀(63) 또는 이들이 조합된 유닛셀을 포함하여 단차를 형성할 수 있다. 상기 스택 앤 폴딩형 유닛셀(61, 62)은 장방형의 분리막(40) 상에 단일 전극(10) 또는 유닛셀을 배열하고, 이를 폴딩함으로써 형성된 것으로서, 일정한 방향으로 권취하여 형성되는 와인딩 타입과 지그재그 방향으로 접어 형성되는 Z-폴딩 타입의 어느 것일 수 있다. 이때, 상기 와인딩 타입의 유닛셀(62)은 일방향으로 권취될 수 있음은 물론, 권취 방향이 변경될 수 있다. 예를 들어, 시계 방향으로 권취하고, 연속하여 반시계 방향으로 권취할 수도 있다.
이에 대한 일 예를 도 4 내지 도 6에 나타내었다. 도 4에 나타낸 전극 조립체(1)는 스택형의 유닛셀(53)과 Z-폴딩 타입의 스택앤 폴딩형 유닛셀(61)을 조합하여 제조된 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 일 예를 나타내는 것이다. 도 5에 나타낸 전극 조립체(1)는 스택형의 유닛셀(51)과 와인딩 타입의 스택앤 폴딩형 유닛셀(62)을 조합하여 제조된 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 일 예를 나타내는 것이며, 또한, 도 6은 스택형 유닛셀(51, 53)과 젤리롤 타입의 유닛셀(63)을 조합하여 제조된 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 일 예를 나타내는 도면이다.
한편, 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)를 형성하는데 사용되는 유닛셀로서, 스택 앤 폴딩형 유닛셀(61, 62), 젤리롤형 유닛셀(63) 또는 이들이 조합된 유닛셀은 그 자체로서 단차를 형성하는 것을 사용할 수 있다. 이에 대한 예시로서, 도 7 내지 도 9에 나타내었다. 도 7에 나타낸 전극 조립체(1)는 스택형의 유닛셀(51)과 단차를 갖는 와인딩 타입의 스택앤 폴딩형 유닛셀(62)을 조합하여 제조된 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 일 예를 나타내는 도면이다. 또, 도 8에 나타낸 전극 조립체(1)는 스택형의 유닛셀(51, 53)과 단차를 갖는 Z-폴딩 타입의 스택앤 폴딩형 유닛셀(61)을 조합하여 제조된 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 일 예를 나타내는 도면이다. 또한, 도 9는 스택형 유닛셀(51)과 단차를 갖는 젤리롤 타입의 유닛셀(63)을 조합하여 제조된 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 일 예를 나타내는 도면이다.
나아가, 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)는 단일 전극(10)을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 전지 용량 증대를 위해 양극(30)과 음극(20)이 교대로 적층되도록 하는 것이 바람직한데, 경우에 따라서는 음극(20)과 음극(20) 또는 양극(30)과 양극(30)이 대면하는 경우가 있다. 이 경우에는 상기 동일한 전극이 대면하는 유닛셀 사이에 극성이 상이한 단일 전극(10)을 적층함으로써 양극(30)과 음극(20)이 교차로 적층되도록 할 수 있다.
특히, 상기한 바와 같이, 단차를 형성하는 경계부에서는 대면 전극 중, 상대적으로 대면적인 유닛셀의 대면전극은 음극(20)인 것이 바람직한데, 경우에 따라서는 양극(30)이 면적이 큰 유닛셀의 대면전극으로 배치되는 경우가 있다. 따라서, 이와 같은 경우에 단일 전극(10)을 사용함으로써 면적이 큰 대면전극을 음극(20)으로 변경할 수 있다.
이에 대한 일 예를 도 10에 나타내었다. 도 10은 단차를 갖는 스택형 유닛셀(51, 53)과 와인딩 타입 및 Z-폴딩 타입의 스택 앤 폴딩형 유닛셀(61, 62)이 조합되어 단차를 형성하되, 상기 와인딩 타입의 스택 앤 폴딩형 유닛셀(62) 및 Z-폴딩 타입의 스택 앤 폴딩형 유닛셀(61) 사이에 단일 전극(10)이 배치되어 형성된 단차를 갖는 전극 조립체(1)를 나타내고 있다.
이상에서는 2개의 단차를 갖는 전극 조립체에 대하여 첨부 도면을 예로 들어 설명하였으나, 상기한 바와 같이, 본 발명의 전극 조립체는 2개의 전극 적층체를 적층하여 하나의 단차를 갖는 전극 조립체를 형성할 수 있다. 이에 대한 전극 조립체의 예를 도 14에 나타내었다.
본 발명의 전극 조립체(1)는 다양한 형태의 적층 구조를 가질 수 있다. 도 15는 전극 조립체(1)의 단면을 나타내는 것으로서, 유닛셀의 적층 형태를 개략적으로 나타내고 있다. 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 유닛셀의 적층 방향, 즉, 높이 방향으로 유닛셀의 크기가 작아질 수 있으며(a), 반대로, 유닛셀의 크기가 증가하도록 적층될 수 있다(b). 또한, 적층 방향으로 증가한 후에 감소하도록 적층될 수 있으며, 적층 방향으로 감소한 후에 증가하도록 적층될 수 있으며, 이러한 적층은 대칭을 이룰 수도 있다. 물론, 단차를 형성하는 것이라면 적층 형태는 일정한 패턴을 갖지 않을 수도 있다.
도 16 내지 도 19는 도 15의 (a)와 같은 적층 형태를 갖는 전극 조립체(1)의 다양한 예에 대한 사시도이다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 하나의 모서리가 일치하도록 유닛셀들이 적층될 수 있다. 이때, 도 16 또는 도 17과 같이 전극 조립체(1)를 형성하는 각 유닛셀들은 동일한 형상과 면적을 갖는 유닛셀이 적층된 하나의 단과 형상은 동일하나 면적이 상이한 유닛셀이 적층된 다른 단에 의해 단차를 갖는 전극 조립체(1)를 형성할 수 있다.
이때, 유닛셀은 도 16에 나타낸 바와 같이 모서리가 수직일 수 있으며, 이외에 다양한 각을 갖는 것일 수 있다. 또한, 도 17에 나타낸 바와 같이, 하나의 코너부가 라운드 형상을 가질 수도 있다. 또한 상기 유닛셀은 이러한 라운드 형상의 코너부를 2 이상 가질 수도 있으며, 상기 코너부 라운드의 곡률 역시 동일할 수 있으며, 상이할 수 있다.
또한, 도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이, 코너부의 형상이 상이할 수도 있다. 예를 들어, 도 18에 나타낸 바와 같이 적어도 하나의 유닛셀은 코너부가 라운드 형상일 수 있으며, 이때, 코너부 라운드의 곡률은 도 19에 나타낸 바와 같이 서로 상이할 수 있다.
한편, 도 20에 나타낸 바와 같이, 하나의 변과 그 변에 인접하는 두 코너부가 하나의 라운드 형상을 가질 수도 있다. 도 20에는 하나의 곡선에 의한 호 형상으로 표현되었으나, 이외에도, 복수의 호가 연결된 형상을 가질 수도 있고, 복수의 직선이 연결된 형상을 가질 수도 있다.
또 다른 예로서, 도 24에 나타낸 바와 같이 각 면의 중심이 일치되도록 적층되어 단차를 형성할 수도 있으며, 대면적 유닛셀의 적층 면에 내 포함되되, 도 24와는 달리, 각 면의 중심이 일치하지 않도록 적층될 수도 있다.
나아가, 도 21에 나타낸 바와 같이, 각 유닛셀은 전극 조립체(1)의 세로 방향으로 길이가 동일하나, 폭 방향 길이가 상이한 것을 사용함으로써 폭 방향으로 단차를 형성할 수 있다. 이때, 단차는 폭 방향의 일측 또는 양측에 형성될 수 있다. 또한, 도 22에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(1)는 길이 방향으로 단차가 형성될 수도 있다.
또한, 상기와 같은 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유닛셀은 대면적 유닛셀의 면 내에 보다 작은 면적의 유닛셀이 포함되도록 적층될 수 있음은 물론, 십자가(+) 형상과 같이 대면 전극의 접촉 면 중 일부가 서로 접촉하고, 일부는 서로 접촉하지 않도록 적층될 수도 있다.
본 발명의 유닛셀들은 상기 도면으로 나타낸 형태 이외에 다양한 형태의 코너부 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 전극 조립체(1)의 적층 형태 및 유닛셀의 형상, 코너부 형상 등을 다양하게 형성함으로써, 다양한 형태의 배터리 디자인을 구현할 수 있으며, 이로 인해, 디바이스의 공간 활용도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체(1)에 있어서, 상기 유닛셀들은 각각 음극 전극 탭(25) 및/또는 양극 전극 탭(35)을 포함하며, 동일한 극성의 전극 탭은 서로 전기적으로 연결되며, 상기 전극 탭(25, 35)들은 전지 케이스에 삽입된 후 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다.
상기 전극 탭(25, 35)들의 부착 위치는 다양하게 선택할 수 있다. 상기 두 극성의 전극 탭(25, 35)을 각 전극의 일 측단부에 형성하고, 각 극성의 전극 탭(25, 35)을 동일한 방향으로 향하도록 서로 연결할 수 있다. 예를 들어, 도 16 내지 도 21 및 도 24에 나타낸 바와 같이 전극 조립체(1)의 일 측면에 전극 탭(25, 35)이 돌출되도록 할 수 있다. 또한, 도 24와 같이 전극 조립체(1)의 두 측단부에 각각의 전극 탭(25, 35)이 돌출되도록 할 수도 있다.
다만, 전지 케이스(120) 삽입 후 전극 탭(25, 35)들의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해서는, 동일한 극성의 전극들끼리 중첩될 수 있도록 전극들을 적층하는 것이 바람직하다.
한편, 도 22 또는 도 24와 같이, 전극 탭이 부착되는 단부의 방향으로 단차가 형성되는 경우, 전극 탭(25, 35)을 부착함에 있어서는 소면적 전극의 전극 탭(25, 35)이 보다 면적이 큰 대면적 전극의 전극면과 접촉하게 되어, 전지 안전성에 영향을 끼칠 수 있는바, 전극 탭(25, 35)과 전극면과의 접촉은 차단하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 경우에 따라서는 전극 탭(25, 35) 표면에 절연성 수지를 코팅하거나, 절연 테이프 등을 이용하여 절연시킬 수 있다.
상기 전극 탭(25, 35)의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 상기 전극 탭(25, 35)의 면적 역시 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전극 탭(25, 35)들은 그 폭 및 길이가 동일하거나, 이 중 적어도 하나가 상이할 수 있다. 이와 같이 다양한 사이즈의 전극 탭(25, 35)을 사용함으로써 면적이 큰 일단의 전극 탭(25, 35) 위에 면적이 작은 전극 탭(25, 35)을 나란히 배열하여 적층할 수도 있다. 예를 들어, 상이한 크기의 전극 탭(25, 35)을 사용하는 경우, 동일한 극성의 전극 탭(25, 35)을 도 23에 나타낸 바와 같이 적층할 수 있다.
한편, 유닛셀들의 일부 또는 모든 유닛셀들이 적어도 하나의 장방형 분리 막(40)에 의해 감싸질 수 있다. 이때, 상기 장방형의 분리막(40)은 면적이 큰 유닛셀(70)의 상단과 보다 작은 유닛셀의 상단이 형성하는 단차에 의해 장방형의 분리막(40)이 경사면을 형성할 수 있다. 이와 같은 경사면은 특히 와인딩 타입의 스택 앤 폴딩형 유닛셀(1)에 의해 단차가 형성되거나, 또는 단차가 형성된 전극 조립체(1)를 장방형의 분리막(40)으로 감는 경우에 형성될 수 있을 것이다.
이 경우, 전극 조립체(1)가 수납되는 전극 케이스(120)의 형상 역시 상기와 같은 분리막(40)의 경사면에 대응하여 경사면이 형성될 수 있는데, 이 경우, 필요 이상으로 공간을 차지할 수 있으므로, 상기 분리막(40)은 전극 조립체(1)의 형상에 부합하도록 형성되는 것이 공간 활용면에서 바람직하다. 따라서, 장방형의 분리막(40)이 전극 조립체(1)의 전극면 또는 적층측면으로부터 이격되어 있는 경우에는 장방형의 분리막(40)을 가열 또는 가압에 의해 신장하여 전극 조립체의 외부 형상과 동일한 형상을 갖도록 형성할 수 있다. 이 경우, 단차가 형성된 부분에서는 굴곡이 형성될 수 있다. 또한, 단차를 갖는 부분에 있어서는 분리막(40)을 절단함으로써 전극 조립체(1)의 형상과 동일한 형상으로 형성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 전지셀에 대해 설명한다. 도 24 및 도 25에는 본 발명의 전지셀(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전지셀(100)은 전지 케이스(120) 내부에 본 발명의 전극 조립체(1)가 내장되어 있다. 이때, 상기 전지 케이스(120)는 파우치형 케이스일 수 있다.
상기 파우치형 케이스는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전지 케이스(120)는 전극 조립체(1)의 유닛셀들의 전기 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드가 외부로 노출된 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 도시되지는 않았으나, 상기 전극 리드의 상하면에는 전극 리드를 보호하기 위한 절연 필름이 부착될 수 있다.
또한, 상기 전지 케이스(120)는, 본 발명의 전극 조립체(1)의 형상에 따라 전지 케이스(120)의 형상을 다양하게 할 수 있다. 이러한 전지 케이스(120)의 형상은 전지 케이스(120) 자체를 변형하여 형성하는 방식으로 형성될 수 있다. 이때, 전지케이스(120)의 형상 및 크기가 전극 조립체(1)의 형상 및 크기와 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체(1)의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다. 한편, 본 발명의 전지 케이스(120)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 전지 케이스(120)가 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 전지 케이스(120)는 도 24에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 단차를 갖는 전극 조립체(1)의 형상에 따라 단차가 형성될 수 있다. 나아가, 도 25에 나타낸 바와 같이, 상기 전지 케이스(120)는 전극 조립체(1)가 갖는 단차가 형성되는 면에서 경사면을 가질 수 있다. 즉, 전극 조립체(1)의 단차를 형성하는 영역에 대하여는 전지 케이스(120)가 각 단의 상측 모서리 및 코너부 형상과 동일하게 함으로써 경사면을 형성할 수 있다. 이와 같은 경사면은 곡면을 포함할 수 있으며, 경사면은 기울기가 2개 이상일 수 있다.
상기 전지셀(100)은 바람직하게는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 본 발명의 전지셀(100)은 단독으로 사용될 수도 있고, 전지셀(100)을 적어도 하나 이상 포함하는 전지팩의 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 본 발명의 전지셀 및/또는 전지팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩이 상기와 같은 디바이스에 장착될 경우, 본 발명의 전지셀 또는 전지팩의 구조로 인해 형성된 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하도록 할 수 있다. 본 발명의 전지셀 또는 전지팩은 크기가 상이한 전극 조립체(1)로 형성되기 때문에 전극 조립체(1) 자체가 단차가 있는 형태로 형성되며, 전지 케이스를 전극 형상에 맞춰 형성하고, 이를 디바이스 장착할 경우, 종래의 각형 또는 타원형 전지셀 또는 전지팩에는 없었던 잉여의 공간이 발생하게 된다.
이와 같은 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품을 장착할 경우, 디바이스의 시스템 부품과 전지셀 또는 전지팩을 유연하게 배치할 수 있으므로 공간 활용도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 전체 디바이스의 두께나 부피를 감소시켜 슬림한 디자인을 구현할 수 있다.
1: 전극 조립체 10: 단일 전극
20: 음극 21: 음극 집전판
22: 음극 활물질 25: 음극 전극 탭
30: 양극 31: 양극 집전판
32: 양극 활물질 33: 단면 코팅 양극
35: 양극 전극 탭 40: 분리막
51: 모노셀
52: A-타입 바이셀 53: C-타입 바이셀
61: 스택 앤 폴딩형 유닛셀 (Z-폴딩 타입)
62: 스택 앤 폴딩형 유닛셀 (와인딩 타입)
63: 젤리롤형 유닛셀
65, 66, 67, 68: 라미네이션 앤드 스택형 유닛셀
80: 코너부 90: 단차
100: 전지셀 120: 전지 케이스
125: 음극 단자 135: 양극 단자

Claims (30)

  1. 각 전극의 양면에 적어도 하나의 분리막이 위치하며, 적어도 하나의 음극과 적어도 하나의 양극이 교대로 순차 적층된 복수의 유닛셀이 적층되고,
    상기 유닛셀의 적어도 하나는 인접하는 유닛셀에 대하여 면적 차를 가지며, 상기 면적 차에 의해 형성된 단차를 하나 이상 포함하는 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단차를 1 또는 2개 포함하는 전극 조립체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극 또는 양극의 단일 전극이 적어도 하나 적층된 전극 조립체.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 단일 전극은 적층 방향에 대하여 전극 조립체의 상단 및 하단 중 어느 하나에 위치하며, 인접하는 유닛셀과 단차를 형성하는 것인 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유닛셀은 스택 앤 폴딩 타입의 유닛셀, 젤리롤 타입의 유닛셀, 라미네이션 앤 스택 타입 유닛셀 또는 이들이 조합된 유닛셀을 적어도 하나 포함하는 전극 조립체.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 스택 앤 폴딩 타입의 유닛셀은 적어도 하나의 음극; 적어도 하나의 양극; 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 유닛셀; 또는 이들의 조합이 적어도 하나의 장방형 분리막에 의해 폴딩되어 형성된 것인 전극 조립체.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 스택 앤 폴딩 타입의 유닛셀, 젤리롤 타입의 유닛셀, 라미네이션 앤 스택 타입 유닛셀 또는 이들이 조합된 유닛셀은 적어도 하나의 단차를 갖는 것인 전극 조립체.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극 또는 양극의 단일 전극이 적어도 하나 적층된 전극 조립체.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 단차를 형성하는 유닛셀과 그에 인접하는 유닛셀 중 면적이 큰 유닛셀의 대면 전극이 음극인 전극 조립체.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 음극의 활물질이 코팅된 면적이 양극의 활물질이 코팅된 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체의 적층 방향의 상단 및 하단에 위치하는 전극은 적어도 하나가 음극 또는 양극이되, 상기 양극은 일면이 무지부인 단면 코팅 양극이며, 상기 무지부가 외부를 향하도록 배치되는 전극 조립체.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 음극 및 양극은 각각 음극 및 양극의 전극 탭을 포함하며, 상기 전극 탭은 동일한 극성 별로 서로 전기적으로 연결된 전극 조립체.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 음극 및 양극의 전극 탭은 전극 조립체의 동일한 단부에 위치하도록 부착되거나 서로 상이한 단부에 위치하도록 부착되되, 동일한 극성의 전극 탭끼리는 전극의 동일한 단부에 부착되는 전극 조립체.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 전극 탭은 크기가 서로 동일하거나 상이한 것인 전극 조립체.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 유닛셀의 적어도 하나는 적어도 하나의 코너부 형상이 상이한 유닛셀인 전극 조립체.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 유닛셀을 하나 이상 포함하는 전극 조립체.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 유닛셀은 곡면 형상의 코너부를 2 이상 포함하며, 상기 코너부의 곡률은 서로 동일 또는 상이한 것인 전극 조립체.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 적어도 하나의 코너부가 곡면 형상인 유닛셀을 2 이상 포함하며, 적어도 하나의 유닛셀은 다른 유닛셀과 곡률이 상이한 곡면 형상의 코너부를 갖는 전극 조립체.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상호 인접하는 전극 중 적어도 하나는 대면하는 다른 전극의 면 내에 포함되도록 적층된 전극 조립체.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 유닛셀이 적층되는 높이 방향으로 유닛셀의 면적이 작아지도록 적층된 전극 조립체.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 각 유닛셀의 일 모서리가 일치되는 배열로 적층되어 있는 전극 조립체.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 적층체는 각 유닛셀의 중심부가 일치되도록 적층된 전극 조립체.
  23. 제 1항에 있어서, 상기 유닛셀은 두께가 서로 동일 또는 상이한 것인 전극 조립체.
  24. 제 1항 내지 제 23항 중 어느 한 항의 전극 조립체가 전지 케이스에 수납되어 있는 전지셀.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 전지 케이스는 파우치형 케이스인 전지셀.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 전지 케이스는 상기 전극 조립체를 수납하되, 전극 조립체의 형상에 대응하여 단차 또는 경사면을 갖는 전지셀.
  27. 제 24항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지인 전지셀.
  28. 제 24항의 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 전지셀의 잉여 공간에 디바이스의 시스템 부품이 위치하는 디바이스.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 디바이스.
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