WO2014003481A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

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WO2014003481A1
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separator
basic unit
stack
unit cell
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구대근
김혁수
허준우
이향목
안창범
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and an electrochemical device including the same. More particularly, the present invention relates to an electrode assembly and an electrochemical device including the same, which can be implemented in a lamination process without a folding process and can be precisely aligned and stable.
  • Secondary batteries may be classified according to the structure of the electrode assembly.
  • the secondary battery may be classified into a stack type structure, a wound type (jelly roll type) structure, or a stack / fold type structure.
  • the anode, the separator, and the cathode are cut to a predetermined size, and then stacked in this order to form an electrode assembly.
  • the separator is disposed between the anode and the cathode.
  • the anode, the separator, the cathode, and the separator are formed in a sheet shape, and then stacked and wound in this order to form an electrode assembly.
  • a full cell or bicell is formed, and then they are wound through a separator sheet to form an electrode assembly.
  • the positive electrode, the separator, and the negative electrode are cut to a predetermined size and then stacked in this order, a full cell or bicell may be formed.
  • a full cell or a bicell includes one or more anodes, separators, and cathodes, respectively.
  • the stack / folding structure is described in more detail in Patent Documents 1 and 2.
  • the electrode units (anode, separator, and cathode) constituting the electrode assembly are stacked separately from each other, it is not only very difficult to precisely align the electrode assembly, but also there are many processes to produce the electrode assembly.
  • the disadvantage is that it is required.
  • the stack / foldable structure generally requires two lamination equipment and one folding equipment, the manufacturing process of the electrode assembly is very complicated.
  • the stack / foldable structure has a disadvantage in that it is difficult to align the full cell or bicell precisely because the full cell or bicell is stacked by folding.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2001-0082059
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2001-0082060
  • an object of the present invention is to provide an electrode assembly and an electrochemical device comprising a precise alignment and stable fixing that can be implemented only in a lamination process without a folding process. .
  • the electrode assembly according to the present invention includes a first electrode, a separator, a second electrode, and an electrode stack portion formed by stacking at least one basic unit cell in which a four-layer structure is stacked to form a four-layer structure, and surrounding and fixing the electrode stack portion.
  • An electrode fixing part At this time, the basic unit cell may be repeated four-layer structure to form an eight-layer structure.
  • the basic unit cell includes a bicell formed by sequentially stacking a first electrode, a separator, a second electrode, a separator, and a first electrode, and a separator and a second electrode sequentially from any one of two first electrodes. And an additional cell formed by stacking separators.
  • the basic unit cell includes a bicell formed by sequentially stacking a first electrode, a separator, a second electrode, a separator, and a first electrode, a separator stacked on any one of two first electrodes, and two first electrodes.
  • the separator may further include an additional cell formed by stacking the separator and the second electrode from another one of the electrodes.
  • the electrode assembly since the basic unit cells are repeatedly stacked to form an electrode stack, the electrode assembly may be produced using only a lamination process without a folding process, and as a result, the productivity of the electrode assembly may be improved. have.
  • the electrode assembly according to the present invention has an effect that precise alignment is possible because the electrode assemblies can be aligned as a whole by simply aligning the basic unit cells in the basic unit cell units when the basic unit cells are repeatedly stacked.
  • the electrode assembly according to the present invention has the effect of stable fixing is possible because it wraps and fixes the electrode stack portion through the electrode fixing portion.
  • FIG. 1 is a side view illustrating an electrode stack according to the present invention.
  • FIG. 2 is a side view showing a first structure of the basic unit cell according to the present invention.
  • FIG. 3 is a side view showing a second structure of the basic unit cell according to the present invention.
  • FIG. 4 is a process diagram showing a process of manufacturing the basic unit cell of FIG.
  • Figure 5 is a side view showing a third structure of the basic unit cell according to the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing the basic unit cell of FIG.
  • FIG. 7 is a process chart showing a process of manufacturing the basic unit cell of FIG.
  • FIG. 8 is a side view showing a fourth structure of the basic unit cell according to the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view illustrating the basic unit cell of FIG. 8;
  • FIG. 10 is a process diagram illustrating a process of manufacturing the basic unit cell of FIG. 8.
  • Fig. 11 is a perspective view showing a first embodiment of the electrode holder according to the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a second embodiment of the electrode holder according to the present invention.
  • Fig. 13 is a perspective view showing a third embodiment of the electrode holder according to the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a fourth embodiment of the electrode holder according to the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a fifth embodiment of the electrode holder according to the present invention.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a sixth embodiment of the electrode holding part according to the present invention.
  • the electrode assembly according to the present invention basically includes an electrode stack part and an electrode fixing part.
  • the electrode stack portion (see 100a, etc. of FIG. 1) includes at least one basic unit cell (see 110a, etc. of FIG. 2). That is, the electrode stack unit 100 is formed of one basic unit cell 110 or at least two basic unit cells 110.
  • the electrode stack part 100 is formed by stacking the basic unit cells 110. For example, as illustrated in FIG. 1, another basic unit cell may be stacked on one basic unit cell 110a to form an electrode stack part 100a.
  • the electrode stack unit 100 is formed by stacking the basic unit cells 110 in basic unit cell units. That is, the basic unit cell 110 is formed in advance, and then stacked in this order to form the electrode stack part 100.
  • the electrode stack unit 100 has a basic feature in that the basic unit cells 110 are repeatedly stacked. Forming the electrode stack 100 in this manner, the basic unit cell 110 can be aligned very precisely, and productivity can be improved (for example, the stack / folding type structure The folding process can be omitted) can have advantages.
  • the basic unit cell 110 is formed by stacking a first electrode 111, a separator 112, a second electrode 113, and a separator 112.
  • the basic unit cell 110 basically has a four-layer structure. More specifically, as shown in FIG. 2, the basic unit cell 110 includes the first electrode 111, the separator 112, the second electrode 113, and the separator 112 sequentially stacked from the upper side to the lower side. As shown in FIG. 3, the first electrode 111, the separator 112, the second electrode 113, and the separator 112 may be sequentially stacked from the lower side to the upper side.
  • the first electrode 111 and the second electrode 113 are opposite electrodes. For example, if the first electrode 111 is a cathode, the second electrode 113 is an anode. Of course, this may be the opposite.
  • the first electrode when the basic unit cells are repeatedly stacked to form the electrode stack portion, the first electrode is positioned at the top or bottom of the electrode stack portion.
  • the first electrode eg, the first electrode located on the uppermost side with reference to FIG. 1
  • a separator may be further stacked on the outermost first electrode. This may be implemented through the separator sheet.
  • the electrode stack part may be wrapped with the separator sheet so that the first electrode located at the outermost portion is insulated from the case through the separator sheet.
  • the first electrode located at the outermost part may be insulated from the case through the electrode fixing part to be described later.
  • the basic unit cell 110a may be formed by the following process (see FIG. 4).
  • the electrode materials 121 and 123 are cut to a predetermined size to form the electrodes 111 and 113 as will be described in detail below.
  • separator materials 122 and 124 In order to automate the process, the electrode material and the separator material preferably have a form wound on a roll.
  • the first electrode material 121 is cut to a predetermined size through the cutter C 1 .
  • the second electrode material 123 is also cut into a predetermined size through the cutter C 2 .
  • a first electrode material 121 of a predetermined size is supplied onto the separator material 122.
  • a second electrode material 123 of a predetermined size is also supplied onto the separator material 124. Then all materials are fed together into the laminators (L 1 , L 2 ).
  • the electrode stack unit 100 is formed by repeatedly stacking the basic unit cells 110.
  • the electrode and the separator constituting the base unit cell 110 is separated from each other, it will be difficult to repeatedly stack the base unit cell 110. Therefore, when forming the basic unit cell 110, it is preferable to adhere the electrode and the separator to each other.
  • the laminators L 1 and L 2 are used to bond the electrodes and the separators together. That is, the laminators L 1 and L 2 apply pressure to the materials or heat and pressure to bond the electrode material and the separator material to each other. As such, the electrode material and the separator material are adhered to each other in the laminators L 1 and L 2 . By such adhesion, the basic unit cell 110 can maintain its shape more stably.
  • the membrane material 122 and the membrane material 124 are then cut together to a predetermined size through the cutter C 3 .
  • the basic unit cell 110a may be formed.
  • various inspections may be performed on the basic unit cell 110a as necessary. For example, inspections such as thickness inspection, vision inspection, and short inspection may be additionally performed.
  • the separator may be coated with a coating material having an adhesive force.
  • the coating material may be a mixture of inorganic particles and a binder polymer.
  • Coating with such a coating material is called an SRS coating.
  • the inorganic particles may improve the thermal stability of the separator. That is, the inorganic particles can prevent the membrane from shrinking at a high temperature.
  • the binder polymer may fix the inorganic particles.
  • the inorganic particles may have a predetermined pore structure. Due to the pore structure, ions can smoothly move from the positive electrode to the negative electrode even though the inorganic particles are coated on the separator.
  • the binder polymer may stably maintain the inorganic particles in the separator to improve the mechanical stability of the separator. Moreover, the binder polymer can more stably bond the separator to the electrode.
  • the separator may be formed of a polyolefin-based separator substrate.
  • the separator 112 may be coated on both sides of the coating material, and the separator 112 may be coated on only one surface thereof. That is, the separator 112 may be coated with a coating material on both sides facing the first electrode 111 and the second electrode 113, and the separator 112 may be coated only on one surface facing the second electrode 113. The material can be coated.
  • the separator 112 may be coated on only one surface.
  • the separator 112 since the basic unit cells may also be adhered to each other by a method such as a heat press, the separator 112 may be coated on both sides as necessary. That is, the separator 112 may also be coated with a coating material on one side and the opposite side facing the second electrode 113 as necessary.
  • a coating material having an adhesive force is applied to the separator, it is not preferable to directly press the separator with a predetermined object.
  • the separator typically extends longer than the electrode. Therefore, an attempt may be made to couple the ends of the separator 112 and the ends of the separator 112 with each other. For example, an attempt may be made to fuse the ends of the separator 112 and the ends of the separator 112 with each other by ultrasonic welding. However, such ultrasonic welding needs to press the object directly with a horn. However, when the end of the separator is directly pressed by the horn in this manner, the horn may adhere to the separator due to the coating material having the adhesive force. This can lead to device failure. Therefore, when a coating material having an adhesive force is applied to the separator, it is not preferable to apply a process of directly applying pressure to the separator with a predetermined object.
  • the basic unit cell 110 does not have to have a four-layer structure.
  • the basic unit cell 110 includes the first electrode 111, the separator 112, the second electrode 113, the separator 112, the first electrode 111, the separator 112, and the second electrode. It may have an eight-layer structure formed by sequentially stacking the 113 and the separator 112. That is, the basic unit cell 110 may be repeated four-layer structure to form an eight-layer structure.
  • the basic unit cell 110c may include a bicell 116 and an additional cell 117 to form an eight-layer structure.
  • the bi-cell 116 is the first electrode 111, the separator 112, the second electrode 113, the separator 112 and the first electrode 111 sequentially from the top to the bottom (or from bottom to top). ) Are laminated and formed.
  • the first electrode is an anode
  • such a structure is called an A-type bicell
  • the first electrode is a cathode
  • a structure is called a C-type bicell.
  • the additional cell 117 is sequentially disposed from the first electrode 111 of the bicell 116, that is, the separator 112 and the second electrode 113 outward from the first electrode 111 of the bicell 116.
  • the separator 112 is formed by sequentially stacking.
  • the first electrode 111 of the bicell 116 is the first electrode 111 located at the top of the bicell 116 or the first electrode 111 located at the bottom of the bicell 116.
  • FIG. 5 shows an example in which additional cells are stacked on a first electrode located at the bottom of the bicell.
  • the electrode stack part 100 may be formed. (Of course, the electrode stack portion may be formed of only one basic unit cell.) If the basic unit cell 110c is formed in this way, any one of the A-type or C-type bicells applied to the stack / folding structure may be used.
  • the electrode stack unit 100 may be formed using only the lamination process without using the folding process.
  • the basic unit cell 110c having the eight-layer structure may be formed by the following process (see FIG. 7). First, a first electrode material, a separator material, a second electrode material, a separator material and a first electrode material are prepared. Then, these are laminated in sequence and supplied to the first laminators L 1 and L 2 . In the first laminators L 1 and L 2 , the materials are laminated in a structure corresponding to the bicell 116. (This laminating process is the same as the conventional laminating process.) Then, the separator material, the second electrode material, and the separator material are further supplied to the second laminators L 3 and L 4 successively. In the second laminators L 3 and L 4 , the materials are laminated in a structure corresponding to the basic unit cell 110c.
  • the conventional process can be used as it is, and a new process for forming an electrode assembly without a folding process can be introduced, and the cost of equipment investment can be significantly reduced.
  • the basic unit cell 110c may be formed by one continuous laminating process, the process may be simplified.
  • the second laminating process can be performed at a lower temperature and a lower pressure than the first laminating process, there is an advantage that the cost can be reduced.
  • the second laminating process is to laminate the additional cell 117 on one side of the bicell 116, the upper (L 3 ) and the lower (L 4 ) of the second laminator can be operated at different temperatures. Accordingly, there is an advantage that the power consumed by the second laminator can be reduced.
  • the basic unit cell 110d may have an eight-layer structure as shown in FIGS. 8 and 9. That is, as shown in FIG. 8, the basic unit cell 110d includes the first electrode 111, the separator 112, the second electrode 113, the separator 112, and the first electrode 111. Separation membrane 112 is sequentially formed from a bi-cell 116 formed by being sequentially stacked, a separator 112 stacked on any one of two first electrodes 111, and another one of the two first electrodes 111. ) And an additional cell 118 formed by stacking the second electrode 113 may form an eight-layer structure. FIG.
  • FIG. 8 illustrates that the separator 112 is stacked on the first electrode 111 at the top of the bicell 116, and the additional cell 118 is disposed at the first electrode 111 at the bottom of the bicell 116.
  • This laminated example is shown. However, it may be stacked in reverse.
  • the basic unit cell 110d having the eight-layer structure may be formed by the following process (see FIG. 10). First, a first electrode material, a separator material, a second electrode material, a separator material and a first electrode material are prepared. Then, these are laminated in sequence and supplied to the first laminators L 1 and L 2 . In the first laminators L 1 and L 2 , the materials are laminated in a structure corresponding to the bicell 116. (This laminating process is the same as the conventional laminating process.) Then, successively, the separator 112 is stacked on the uppermost first electrode 111 and at the bottom of the bicell 116.
  • the materials are supplied to the second laminators L 3 and L 4 such that the separator 112 and the second electrode 113 are sequentially stacked outward from the first electrode 111 positioned.
  • the materials are laminated in a structure corresponding to the basic unit cell 110d.
  • the process of laminating the electrodes 113 may be performed in a separate laminator.
  • the electrode assembly according to the present invention has a basic feature in that the electrode stack unit 100 is formed only by a lamination process without a folding process. That is, according to the present invention, after the basic unit cell 110 is formed by the laminating process, one or more of them are stacked to form the electrode stack part 100. However, in order to more stably fix the electrode stack 100, the electrode assembly according to the present invention includes an electrode fixing part 200 that wraps and fixes the electrode stack 100.
  • the electrode fixing part 200 may be implemented in various ways as will be described in detail below.
  • the electrode fixing part 200 includes an upper fixing member 211 provided at an upper part of the electrode stack part 100 and a lower fixing member provided at a lower part of the electrode stack part 100. 212.
  • the lower fixing member 212 may be bonded to the upper fixing member 211 and may be in close contact with the electrode stack part 100 together with the upper fixing member 211.
  • the electrode fixing part 200a may fix the electrode stack part 100. That is, if the electrode stack part 100 is positioned between the upper fixing member 211 and the lower fixing member 212, then the upper fixing member 211 and the lower fixing member 212 are joined to each other,
  • the electrode stack part 100 may be fixed by the government part 200a.
  • the lower fixing member 212 may be bonded to the upper fixing member 211 by ultrasonic welding or heat sealing.
  • the finishing part 216 may be formed at the junction between the upper fixing member 211 and the lower fixing member 212.
  • Such finish portion 216 may be formed on both sides.
  • the finishing portion 216 may have a width d of 1 to 5 mm.
  • the welding strength may be 30 ⁇ 100gf.
  • the sealing temperature may be 120 ⁇ 180 °C
  • the sealing thickness is 50 ⁇ 80% of the fabric
  • the sealing strength may be 30 ⁇ 100gf.
  • a sheet-shaped fixing sheet 221 may be formed to surround the electrode stack part 100.
  • one end and one end of the fixing sheet 221 may be bonded to each other by ultrasonic fusion or heat sealing (heat sealing) to surround the electrode stack part 100. That is, when the electrode stack 100 is wrapped with the fixing sheet 221 once and then one end and the end of the fixing sheet 221 contacted with each other are bonded to each other, the electrode stack 100 by the electrode fixing part 200b. Can be fixed.
  • the electrode fixing part 200 may be formed of at least one of a material different from the separator 112, for example, a nonwoven fabric, PP, PE, or PET. More specifically, the electrode fixing part 200 may be formed of a nonwoven fabric having a pore size of 1 ⁇ m or more. Alternatively, the electrode fixing part 200 may be formed of at least one of PP, PE, and PET having a thickness of 20 to 100 ⁇ m.
  • the electrode fixing part 200c extends from the first opening 231, the second opening facing the first opening 231, and the first opening 231 to the second opening, as shown in FIG. 13. And may have a tube shape in which an internal space for accommodating the electrode stack part 100 is provided.
  • the electrode fixing part 200c may be in close contact with the electrode stack part 100 by shrinkage due to heat. That is, when the electrode stack part 100 is accommodated in the internal space of the electrode fixing part 200c and then heat is applied to the electrode fixing part 200c, the electrode fixing part 200c contracts and the electrode stack part 100c is contracted to the electrode stack part 100. In this case, the electrode fixing part 200c may fix the electrode stack part 100.
  • the electrode fixing part 200d may be formed of a porous insulating tape, as shown in FIG. 14. That is, the electrode stack 100 may be fixed by wrapping the electrode stack 100 with a porous insulating tape.
  • the electrode fixing part 200e extends from the top surface of the electrode stack part 100 to the bottom surface of the electrode stack part 100 along the side surface of the electrode stack part 100, thereby extending the electrode stack part.
  • 100 may be fixed.
  • the electrode stack 100 may be fixed through the polymer tape.
  • the polymer tape may be fixed to the electrode stack part 100 by thermal fusion.
  • the electrode fixing part 200f may wrap the electrode stack part 100 at least once as shown in FIG. 16. As such, the electrode fixing part may not completely cover the electrode stack part.
  • the basic unit basically includes a positive electrode and a negative electrode.
  • the basic unit includes a separator between the anode and the cathode.
  • the positive electrode may be prepared by, for example, applying a mixture (slurry) of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder onto a positive electrode current collector, and then drying and pressing the positive electrode.
  • the mixture may further include a filler as necessary.
  • the anode may be manufactured in sheet form and mounted on a roll.
  • the positive electrode current collector is generally manufactured to a thickness of 3 to 500 mu m.
  • the positive electrode current collector is usually made of a material having high conductivity without causing chemical change. The most typical of such a material is the surface treatment of carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the positive electrode current collector may form fine irregularities on the surface in order to increase the adhesion of the positive electrode active material.
  • the positive electrode current collector may be manufactured in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • the conductive material is usually made of a material having conductivity without causing chemical change.
  • the most typical of such a material is graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives.
  • the binder is a component that assists the bonding between the active material and the conductive material, the bonding to the current collector, and the like, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • Such binders are typically polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers, and the like.
  • Fillers are optionally used as components to inhibit expansion of the anode. And if it is a fibrous material without causing chemical changes, it can generally be used as a filler. Fillers include, for example, olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; It may be a fibrous material such as glass fiber, carbon fiber.
  • the negative electrode may be prepared by, for example, applying a negative electrode active material onto a negative electrode current collector and then drying and pressing the negative electrode active material. If necessary, a negative electrode active material may optionally include a conductive material, a binder, a filler, and the like.
  • the cathode may be manufactured in sheet form and mounted on a roll.
  • the negative electrode current collector is generally manufactured to a thickness of 3 to 500 mu m.
  • the negative electrode current collector is usually made of a material having conductivity without causing chemical change. Such materials include copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon or carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of copper or stainless steel, or aluminum-cadmium alloys. to be.
  • the negative electrode current collector may form fine irregularities on the surface of the negative electrode current collector in order to increase the bonding strength of the negative electrode active material.
  • the negative electrode current collector may be manufactured in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven fabric, and the like.
  • the separator may be melted by pressure in the laminator, or by heat and pressure, and adhered to the positive electrode or the negative electrode.
  • the electrode and the separator may stably interface with each other. (In addition or separately there may be adhesion through the above-described SRS coating.)
  • the separation membrane (separation membrane sheet) has insulation.
  • the separator has a porous structure for the movement of ions.
  • the separator may generally have a pore diameter of 0.01 to 10 ⁇ m.
  • the separator may have a thickness of generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • Such a separator may be made of a thin film having high ion permeability and high mechanical strength and insulation.
  • the separator (membrane sheet) may be an olefin polymer such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity; It may be a sheet or nonwoven fabric made of glass fiber or polyethylene or the like.
  • the solid electrolyte may serve as a separator.
  • a multilayer film or polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, or polyvinyl film produced by polyethylene film, polypropylene film, or a combination of these films It may be a polymer film for polymer electrolyte or gel polymer electrolyte, such as a polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer.
  • the electrode assembly according to the present invention can be applied to an electrochemical cell that produces electricity by an electrochemical reaction between an anode and a cathode.
  • electrochemical cells are supercapacitors, ultracapacitors, secondary batteries, fuel cells, electrolysis devices, electrochemical reactors, and the like.
  • the electrode assembly according to the present invention is preferably applied to a secondary battery (for example, a lithium secondary battery).
  • Lithium secondary batteries have recently been used as power sources for medium and large devices as well as small devices.
  • a battery module using the secondary battery according to the present invention as one unit cell.
  • a battery pack including such a battery module includes a power tool; Electric vehicles selected from the group consisting of electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); E-bikes; E-scooters; Electric golf carts; Electric trucks; And it can be used as a power source for electric commercial vehicles.
  • the present invention relates to an electrode assembly and an electrochemical device including the same, which can be implemented only by a lamination process without a folding process and can be precisely aligned and stably fixed, and have industrial applicability.

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Abstract

본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 유닛셀이 적어도 1개 적층되어 형성되는 전극 스택부, 및 전극 스택부를 감싸서 고정하는 전극 고정부를 포함한다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능하다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로서 보다 자세하게는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
본 출원은 2012년 6월 28일에 출원된 한국특허출원 제10-2012-0069832호와 2013년 6월 28일에 출원된 한국특허출원 제10-2013-0075040호 에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 또는 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다. 스택형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다. 이때 분리막은 양극과 음극의 사이마다 배치된다. 권취형 구조의 경우 양극, 분리막, 음극, 분리막을 시트 형상으로 형성한 다음에 이들을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 스택/폴딩형 구조의 경우 우선 풀셀 또는 바이셀을 형성한 다음에 이들을 분리막 시트를 통해 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하면, 풀셀 또는 바이셀이 형성될 수 있다. (풀셀 또는 바이셀은 각각 1개 이상의 양극, 분리막, 음극을 포함한다.) 스택/폴딩형 구조에 대해서는 특허문헌 1과 2에 보다 자세히 기재되어 있다.
그런데 스택형 구조는 전극 조립체를 구성하는 전극 단위(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극 조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 전극 조립체를 생산하기 위해 매우 많은 공정이 요구된다는 단점이 있다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 일반적으로 2대의 라미네이션 장비와 1대의 폴딩 장비가 요구되기 때문에, 전극 조립체의 제조공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 특히, 스택/폴딩형 구조는 폴딩을 통해 풀셀이나 바이셀을 적층하기 때문에 풀셀이나 바이셀을 정밀하게 정렬하기 어렵다는 단점도 있다.
(특허문헌 1) 한국공개특허 제2001-0082059호
(특허문헌 2) 한국공개특허 제2001-0082060호
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 유닛셀이 적어도 1개 적층되어 형성되는 전극 스택부, 및 전극 스택부를 감싸서 고정하는 전극 고정부를 포함한다. 이때 기본 유닛셀은 4층 구조가 반복되어 8층 구조를 형성할 수도 있다.
보다 구체적으로 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 제1 전극 중의 어느 하나로부터 순차적으로 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함할 수 있다.
또는 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 제1 전극 중의 어느 하나에 적층되는 분리막과, 2개의 제1 전극 중의 다른 하나로부터 순차적으로 분리막 및 제2 전극이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는, 기본 유닛셀을 반복적으로 적층하여 전극 스택부를 형성하기 때문에, 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 전극 조립체를 생산할 수 있으며, 이의 결과로 전극 조립체의 생산성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전극 조립체는, 기본 유닛셀을 반복적으로 적층할 때 기본 유닛셀들을 기본 유닛셀 단위로 정렬시키는 것만으로 전극 조립체를 전체적으로 정렬시킬 수 있기 때문에, 정밀한 정렬이 가능하다는 효과가 있다.
더욱이 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 스택부를 전극 고정부를 통해 감싸서 고정하기 때문에, 안정적인 고정이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 스택부를 예시하고 있는 측면도
도 2는 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도
도 3은 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도
도 4는 도 2의 기본 유닛셀을 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도
도 5는 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도
도 6은 도 5의 기본 유닛셀을 도시하고 있는 분해 사시도
도 7은 도 5의 기본 유닛셀을 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도
도 8은 본 발명에 따른 기본 유닛셀의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도
도 9는 도 8의 기본 유닛셀을 도시하고 있는 분해 사시도
도 10은 도 8의 기본 유닛셀을 제조하는 공정을 도시하고 있는 공정도
도 11은 본 발명에 따른 전극 고정부의 제1 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 12는 본 발명에 따른 전극 고정부의 제2 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 13은 본 발명에 따른 전극 고정부의 제3 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 14는 본 발명에 따른 전극 고정부의 제4 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 15는 본 발명에 따른 전극 고정부의 제5 실시예를 도시하고 있는 사시도
도 16은 본 발명에 따른 전극 고정부의 제6 실시예를 도시하고 있는 사시도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 기본적으로 전극 스택부와 전극 고정부를 포함한다. 이하에서 우선 전극 스택부에 대해 살펴본다. 전극 스택부(도 1의 도면부호 100a 등 참조)는 적어도 1개의 기본 유닛셀(도 2의 110a 등 참조)를 포함한다. 즉, 전극 스택부(100)는 1개의 기본 유닛셀(110)로 형성되거나, 또는 적어도 2개의 기본 유닛셀(110)로 형성된다. 그리고 전극 스택부(100)는 기본 유닛셀(110)이 적층되어 형성된다. 예를 들어, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 1개의 기본 유닛셀(110a) 위에 다른 1개의 기본 유닛셀이 적층되어 전극 스택부(100a)가 형성될 수 있다. 이와 같이 전극 스택부(100)는 기본 유닛셀(110)이 기본 유닛셀 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 기본 유닛셀(110)을 미리 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 전극 스택부(100)를 형성한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 전극 스택부(100)는 기본 유닛셀(110)이 반복적으로 적층되어 형성된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 방식으로 전극 스택부(100)를 형성하면, 기본 유닛셀(110)을 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다는 장점과, 생산성을 향상시킬 수 있다(예를 들어, 스택/폴딩형 구조에 적용되던 폴딩 공정을 생략할 수 있다)는 장점을 가질 수 있다.
기본 유닛셀(110)은 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 적층되어 형성된다. 이와 같이 기본 유닛셀(110)은 기본적으로 4층 구조를 가진다. 보다 구체적으로 기본 유닛셀(110)은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층되어 형성되거나, 또는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 음극이면 제2 전극(113)은 양극이다. 물론 이의 반대일 수도 있다.
참고로, 기본 유닛셀이 반복적으로 적층되어 전극 스택부가 형성되면, 전극 스택부의 가장 위쪽, 또는 가장 아래쪽에 제1 전극이 위치하게 된다. 이 경우, 제1 전극이 파우치와 같은 케이스에 직접 접촉되지 않도록, 최외곽에 위치하여 외부로 노출되는 제1 전극(예를 들어, 도 1을 기준으로 가장 상측에 위치한 제1 전극)을 케이스와 전기적으로 절연하기 위해, 최외곽에 위치한 제1 전극에 분리막을 추가로 적층할 수 있다. 이는 분리막 시트를 통해 구현될 수도 있다. 예를 들어, 전극 스택부를 분리막 시트로 감싸서 최외곽에 위치한 제1 전극이 분리막 시트를 통해 케이스와 절연되도록 할 수도 있다. 또는 후술할 전극 고정부를 통해 최외곽에 위치한 제1 전극이 케이스와 절연되도록 할 수도 있다.
기본 유닛셀(110a)은 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 4 참조). 먼저 제1 전극 재료(121), 분리막 재료(122), 제2 전극 재료(123) 및 분리막 재료(124)를 준비한다. 여기서 전극 재료(121, 123)는 이하에서 자세히 살펴볼 바와 같이 소정 크기로 절단되어 전극(111, 113)을 형성한다. 이는 분리막 재료(122, 124)도 동일하다. 공정의 자동화를 위해 전극 재료와 분리막 재료는 롤에 권취되어 있는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 재료들을 준비한 다음에 제1 전극 재료(121)를 커터(C1)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그리고 제2 전극 재료(123)도 커터(C2)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 소정 크기의 제1 전극 재료(121)를 분리막 재료(122) 위로 공급한다. 그리고 소정 크기의 제2 전극 재료(123)도 분리막 재료(124) 위로 공급한다. 그런 다음 재료들을 모두 함께 라미네이터(L1, L2)로 공급한다.
전극 스택부(100)는 앞서 살펴본 바와 같이, 기본 유닛셀(110)이 반복적으로 적층되어 형성된다. 그런데 기본 유닛셀(110)을 구성하는 전극과 분리막이 서로 분리된다면, 기본 유닛셀(110)을 반복적으로 적층하는 것이 어려워질 것이다. 따라서 기본 유닛셀(110)을 형성할 때, 전극과 분리막을 서로 접착하는 것이 바람직하다. 라미네이터(L1, L2)는 이와 같이 전극과 분리막을 서로 접착하기 위해 사용된다. 즉, 라미네이터(L1, L2)는 재료들에 압력을 가하거나, 또는 열과 압력을 가하여 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착한다. 이와 같이 전극 재료와 분리막 재료는 라미네이터(L1, L2)에서 서로 접착된다. 이와 같은 접착으로 기본 유닛셀(110)은 보다 안정적으로 자신의 형상을 유지할 수 있다.
그런 다음 분리막 재료(122)와 분리막 재료(124)를 함께 커터(C3)를 통해 소정 크기로 절단한다. 이와 같은 절단으로 기본 유닛셀(110a)이 형성될 수 있다. 추가적으로 필요에 따라 기본 유닛셀(110a)에 대한 각종 검사를 수행할 수도 있다. 예를 들어, 두께 검사, 비전 검사, 쇼트 검사와 같은 검사를 추가적으로 수행할 수도 있다.
한편, 분리막(분리막 재료)은 접착력을 가지는 코팅 물질로 표면이 코팅될 수 있다. 이때 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물일 수 있다. (이와 같은 코팅 물질에 의한 코팅을 SRS 코팅이라고 한다.) 여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시킬 수 있다. 이로 인해 무기물 입자는 소정의 기공 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 기공 구조로 인해, 무기물 입자가 분리막에 코팅되어 있더라도 양극으로부터 음극으로 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 또한 바인더 고분자는 무기물 입자를 분리막에 안정적으로 유지시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 더욱이 바인더 고분자는 분리막을 전극에 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다. 참고로, 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재로 형성될 수 있다.
그런데 도 2와 도 3에서 자세히 도시하고 있는 것과 같이, 분리막(112)은 양면에 전극(111, 113)이 위치하는데 반해, 분리막(112)은 일면에만 전극(113)이 위치한다. 따라서 분리막(112)은 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 분리막(112)은 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 즉, 분리막(112)은 제1 전극(111)과 제2 전극(113)을 바라보는 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 분리막(112)은 제2 전극(113)을 바라보는 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다.
이와 같이 코팅 물질에 의한 접착은 기본 유닛셀 내에서 이루어지는 것으로 충분하다. 따라서 앞서 살펴본 바와 같이 분리막(112)은 일면에만 코팅이 이루어져도 무방하다. 다만, 기본 유닛셀끼리도 heat press 등의 방법으로 서로 접착될 수 있으므로, 필요에 따라 분리막(112)도 양면에 코팅이 이루어질 수 있다. 즉, 분리막(112)도 필요에 따라 제2 전극(113)을 바라보는 일면과 그 반대면에 코팅 물질이 코팅될 수 있다.
참고로, 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 것은 바람직하지 않다. 분리막은 통상적으로 전극보다 외측으로 길게 연장된다. 따라서 분리막(112)의 말단과 분리막(112)의 말단을 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 예를 들어, 분리막(112)의 말단과 분리막(112)의 말단을 초음파 융착으로 서로 융착시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 이와 같은 초음파 융착은 혼(horn)으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 이와 같이 혼으로 분리막의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅 물질로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다. 따라서 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 공정을 적용하는 것은 바람직하지 않다.
추가적으로, 기본 유닛셀(110)이 반드시 4층 구조를 가져야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 기본 유닛셀(110)은 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113), 분리막(112), 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 순차적으로 적층되어 형성되는 8층 구조를 가질 수도 있다. 즉, 기본 유닛셀(110)은 4층 구조가 반복되어 8층 구조를 형성할 수도 있다.
보다 구체적으로 설명한다. 도 5와 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 유닛셀(110c)은 바이셀(116)과 추가셀(117)을 포함하여 8층 구조를 형성할 수 있다. 여기서 바이셀(116)은 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113), 분리막(112) 및 제1 전극(111)이 순차적으로 상측에서 하측으로 (또는 하측에서 상측으로) 적층되어 형성된다. 일반적으로 제1 전극이 양극이면 이와 같은 구조를 A형 바이셀이라 칭하고, 제1 전극이 음극이면 이와 같은 구조를 C형 바이셀이라 칭한다.
그리고 추가셀(117)은 바이셀(116)의 제1 전극(111)으로부터 순차적으로, 즉 바이셀(116)의 제1 전극(111)으로부터 외측으로 분리막(112), 제2 전극(113) 및 분리막(112)이 차례로 적층되어 형성된다. 이때 바이셀(116)의 제1 전극(111)은 바이셀(116)의 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)이거나, 또는 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)일 수 있다. (도 5는 바이셀의 가장 하측에 위치한 제1 전극에 추가셀이 적층된 예를 도시하고 있다.)
이와 같이 8층 구조를 가지는 기본 유닛셀(110c)을 기본 유닛셀 단위로 반복적으로 적층하면 전극 스택부(100)를 형성할 수 있다. (물론 1개의 기본 유닛셀만으로 전극 스택부를 형성할 수도 있다.) 그리고 이와 같이 기본 유닛셀(110c)을 형성하면, 스택/폴딩형 구조에 적용되던 A형 바이셀 또는 C형 바이셀 중의 어느 하나를 그대로 활용하면서도 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 전극 스택부(100)를 형성할 수 있다.
이와 같은 8층 구조의 기본 유닛셀(110c)은 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 7 참조). 먼저 제1 전극 재료, 분리막 재료, 제2 전극 재료, 분리막 재료 및 제1 전극 재료를 준비한다. 그런 다음 이들을 차례로 적층하여 제1 라미네이터(L1, L2)로 공급한다. 제1 라미네이터(L1, L2)에서 재료들은 바이셀(116)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다. (이와 같은 라미네이팅 공정은 종래의 라미네이팅 공정과 동일하다.) 그런 다음 이에 연속하여 분리막 재료, 제2 전극 재료 및 분리막 재료를 추가로 제2 라미네이터(L3, L4)로 공급한다. 제2 라미네이터(L3, L4)에서 재료들은 기본 유닛셀(110c)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다.
이와 같은 공정으로 기본 유닛셀(110c)을 형성하면, 종래의 공정을 그대로 활용할 수 있기 때문에, 폴딩 공정 없이 전극 조립체를 형성할 수 있는 새로운 공정을 도입하면서도 설비 투자에 소요되는 비용을 현저하게 절감할 수 있다는 장점이 있다. 또한 하나의 연속적인 라미네이팅 공정으로 기본 유닛셀(110c)을 형성할 수 있기 때문에, 공정을 단순화시킬 수 있다는 장점도 있다. 특히, 두 번째 라미네이팅 공정은 첫 번째 라미네이팅 공정에 비해 낮은 온도와 낮은 압력에서 수행될 수 있기 때문에, 비용을 절감할 수 있다는 장점도 있다. 더욱이, 두 번째 라미네이팅 공정은 바이셀(116)의 일측에 추가셀(117)을 라미네이팅 하면 되기 때문에, 제2 라미네이터의 상부(L3)와 하부(L4)를 서로 다른 온도에서 작동시킬 수 있으며, 이에 따라 제2 라미네이터가 소비하는 전력도 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한 기본 유닛셀(110d)은 도 8과 도 9에서 도시하고 있는 것과 같이 8층 구조를 형성할 수도 있다. 즉, 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이, 기본 유닛셀(110d)은, 제1 전극(111), 분리막(112), 제2 전극(113), 분리막(112) 및 제1 전극(111)이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀(116)과, 2개의 제1 전극(111) 중의 어느 하나에 적층되는 분리막(112)과, 2개의 제1 전극(111) 중의 다른 하나로부터 순차적으로 분리막(112) 및 제2 전극(113)이 적층되어 형성되는 추가셀(118)을 포함하여 8층 구조를 형성할 수도 있다. 도 8은 바이셀(116)의 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)에 분리막(112)이 적층되고, 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)에 추가셀(118)이 적층된 예를 도시하고 있다. 그러나 이와 반대로 적층되어도 무방하다.
이와 같은 8층 구조의 기본 유닛셀(110d)은 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 10 참조). 우선, 제1 전극 재료, 분리막 재료, 제2 전극 재료, 분리막 재료 및 제1 전극 재료를 준비한다. 그런 다음 이들을 차례로 적층하여 제1 라미네이터(L1, L2)로 공급한다. 제1 라미네이터(L1, L2)에서 재료들은 바이셀(116)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다. (이와 같은 라미네이팅 공정은 종래의 라미네이팅 공정과 동일하다.) 그런 다음 이에 연속하여, 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)에 분리막(112)이 적층되도록, 그리고 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)으로부터 외측으로 분리막(112)과 제2 전극(113)이 차례로 적층되도록, 재료들을 제2 라미네이터(L3, L4)로 공급한다. 제2 라미네이터(L3, L4)에서 재료들은 기본 유닛셀(110d)에 대응되는 구조로 라미네이팅 된다. 참고로, 가장 상측에 위치한 제1 전극(111)에 분리막(112)을 라미네이팅 하는 공정과, 바이셀(116)의 가장 하측에 위치한 제1 전극(111)으로부터 외측으로 분리막(112)과 제2 전극(113)을 차례로 라미네이팅 하는 공정을 별도의 라미네이터에서 진행할 수도 있다.
전극 스택부(100)에 이어 전극 고정부(200)에 대해 살펴본다. 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 전극 스택부(100)를 형성한다는 점에 기본적인 특징이 있다. 즉, 본 발명에 따르면 라미네이팅 공정으로 기본 유닛셀(110)을 형성한 다음에, 이를 1개 이상 적층하여 전극 스택부(100)를 형성한다. 그런데 이와 같은 전극 스택부(100)를 보다 안정적으로 고정하기 위해, 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 스택부(100)를 감싸서 고정하는 전극 고정부(200)를 포함한다. 이와 같은 전극 고정부(200)는 이하에서 자세히 살펴볼 바와 같이 다양하게 구현될 수 있다.
우선 전극 고정부(200)는 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극 스택부(100)의 상부에 구비되는 상부 고정부재(211)와, 전극 스택부(100)의 하부에 구비되는 하부 고정부재(212)를 포함할 수 있다. 여기서 하부 고정부재(212)는 상부 고정부재(211)에 접합되어 상부 고정부재(211)와 함께 전극 스택부(100)에 밀착될 수 있다. 이와 같은 밀착으로 전극 고정부(200a)는 전극 스택부(100)를 고정시킬 수 있다. 즉, 상부 고정부재(211)와 하부 고정부재(212)의 사이에 전극 스택부(100)를 위치시킨 다음에, 상부 고정부재(211)와 하부 고정부재(212)를 서로 접합시키면, 전극 고정부(200a)에 의해 전극 스택부(100)가 고정될 수 있다.
이때 하부 고정부재(212)는 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 상부 고정부재(211)에 접합될 수 있다. 이와 같은 접합으로 상부 고정부재(211)와 하부 고정부재(212)의 접합부에 마감부(216)가 형성될 수 있다. 이와 같은 마감부(216)는 양측에 형성될 수 있다. 여기서 마감부(216)는 1~5mm의 폭(d)을 가질 수 있다. 그리고 초음파 융착을 사용할 경우, 융착 강도는 30~100gf일 수 있다. 또한 가열 접착을 사용할 경우, 실링 온도는 120~180℃, 실링 두께는 원단의 50~80%, 그리고 실링 강도는 30~100gf일 수 있다.
또는 전극 고정부(200b)가 도 12에서 도시하고 있는 것과 같이, 시트 형상의 고정 시트(221)가 전극 스택부(100)를 감싸서 형성될 수도 있다. 이때 고정 시트(221)는 일단과 말단이 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 서로 접착되어 전극 스택부(100)를 감쌀 수 있다. 즉, 고정 시트(221)로 전극 스택부(100)를 한 바퀴 감싼 다음에 서로 맞닿은 고정 시트(221)의 일단과 말단을 서로 접합하면, 전극 고정부(200b)에 의해 전극 스택부(100)가 고정될 수 있다.
참고로, 전극 고정부(200)는 분리막(112)과 서로 다른 재료, 예를 들어 부직포, PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 전극 고정부(200)는 공극 사이즈(pore size)가 1um 이상인 부직포로 형성될 수 있다. 또는 전극 고정부(200)는 두께가 20~100um인 PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한 전극 고정부(200c)는 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 개구(231), 제1 개구(231)에 대향하는 제2 개구, 및 제1 개구(231)에서 제2 개구까지 연장되어 전극 스택부(100)를 수용하는 내부 공간을 마련한 튜브 형상을 가질 수도 있다. 이와 같은 전극 고정부(200c)는 열에 의한 수축으로 전극 스택부(100)에 밀착될 수 있다. 즉, 전극 고정부(200c)의 내부 공간에 전극 스택부(100)를 수납한 다음에 전극 고정부(200c)에 열을 가하면, 전극 고정부(200c)가 수축되면서 전극 스택부(100)에 밀착될 수 있으며, 이와 같은 밀착으로 전극 고정부(200c)가 전극 스택부(100)를 고정할 수 있다.
전극 고정부(200d)는 도 14에서 도시하고 있는 것과 같이, 다공성의 절연 테이프로 형성될 수도 있다. 즉, 다공성의 절연 테이프로 전극 스택부(100)를 감싸는 것으로 전극 스택부(100)를 고정할 수도 있다.
마지막으로 전극 고정부(200e)는 도 15에서 도시하고 있는 것과 같이 전극 스택부(100)의 상면으로부터 전극 스택부(100)의 측면을 따라 전극 스택부(100)의 하면까지 연장되어 전극 스택부(100)를 고정할 수도 있다. 예를 들어, 전극 스택부(100)의 상면에 고분자 테이프의 일단을 고정한 다음에, 고분자 테이프의 타단을 전극 스택부(100)의 측면을 따라 잡아당겨 전극 스택부(100)의 하면에 고정하면, 고분자 테이프를 통해 전극 스택부(100)를 고정할 수 있다. 이때 고분자 테이프는 열 융착으로 전극 스택부(100)에 고정될 수 있다. 또는 전극 고정부(200f)는 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극 스택부(100)를 적어도 한 바퀴 감쌀 수도 있다. 이와 같이 전극 고정부는 전극 스택부를 전면적으로 감싸지 않아도 무방하다.
이하에서 본 발명에 따른 전극 조립체에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
양극 구조
기본 단위체(기본 유닛셀)는 기본적으로 양극과 음극을 구비한다. 그리고 기본 단위체는 양극과 음극의 사이에 분리막을 구비한다. 여기서 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물(슬러리)을 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 이때 혼합물은 필요에 따라 충진제를 더 포함할 수도 있다. 양극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
[양극 집전체]
양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조된다. 양극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 높은 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것이 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것이다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 양극 집전체는 양극 활물질의 접착력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 양극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
[양극 활물질]
양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등일 수 있다. 다만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 도전재는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것이 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이다.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합 등에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 이와 같은 바인더는 대표적으로 폴리불화비닐리덴, 폴리 비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등일 수 있다.
충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용된다. 그리고 화학적 변화를 유발하지 않고 섬유상 재료라면 일반적으로 충진제로 사용될 수 있다. 충진제는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질일 수 있다.
음극 구조
음극은 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 필요에 따라 음극 활물질에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등을 포함시킬 수 있다. 음극은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
[음극 집전체]
음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조된다. 음극 집전체는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것인 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 구리 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금 등이다. 또한 음극 집전체는 음극 활물질의 결합력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
[음극 활물질]
음극 활물질은 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0=x=1), LixWO2(0=x=1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐;0<x=1; 1=y=3; 1=z=8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등일 수 있다.
분리막 구조
분리막(분리막 시트)은 라미네이터에서 압력에 의해, 또는 열과 압력에 의해 용융되어 양극이나 음극에 접착될 수 있다. 라미네이터에서 압력이 가해지면 전극과 분리막(분리막 시트)이 서로 안정적으로 계면 접촉할 수 있다. (이에 더해서 또는 이와는 별도로 전술한 SRS 코팅을 통해 접착이 이루어질 수 있다.)
분리막(분리막 시트)은 절연성을 가진다. 또한 분리막은 이온의 이동을 위해 다공성 구조를 가진다. 분리막은 일반적으로 기공의 직경이 0.01 ~ 10 ㎛일 수 있다. 그리고 분리막은 두께가 일반적으로 5 ~ 300 ㎛일 수 있다. 이와 같은 분리막은 이온 투과도와 기계적 강도가 높고 절연성을 가지는 얇은 박막으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 분리막(분리막 시트)은 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등일 수 있다.
전해질로서 폴리머와 같은 고체 전해질이 사용되는 경우 고체 전해질이 분리막을 겸할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름 또는 이들 필름의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드 (polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리 아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 전극 조립체가 적용될 수 있는 전기화학소자에 대하여 보다 상술한다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 양극과 음극 사이의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있다. 전기화학셀의 대표적인 예는 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 이차전지, 연료전지, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등이다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 특히 이차전지(예를 들어, 리튬 이차전지)에 적용되는 것이 바람직하다.
리튬 이차전지는 최근에 소형 디바이스뿐만 아니라, 중대형 디바이스에도 전원으로 사용되고 있다. 그런데 중대형 디바이스에 전원으로 사용되려면, 본 발명에 따른 이차전지를 하나의 단위 전지로 하여 전지 모듈을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지 팩은, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등에 전원으로 사용될 수 있다.
본 발명은, 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 구현이 가능하면서도 정밀한 정렬과 안정적인 고정이 가능한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로서, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (21)

  1. 제1 전극, 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 유닛셀이 적어도 1개 적층되어 형성되는 전극 스택부, 및 상기 전극 스택부를 감싸서 고정하는 전극 고정부를 포함하는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기본 유닛셀은 상기 4층 구조가 반복되어 8층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 상기 제1 전극 중의 어느 하나로부터 순차적으로 분리막, 제2 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 유닛셀은, 제1 전극, 분리막, 제2 전극, 분리막 및 제1 전극이 순차적으로 적층되어 형성되는 바이셀과, 2개의 상기 제1 전극 중의 어느 하나에 적층되는 분리막과, 2개의 상기 제1 전극 중의 다른 하나로부터 순차적으로 분리막 및 제2 전극이 적층되어 형성되는 추가셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기본 유닛셀은 상기 전극과 상기 분리막이 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막의 접착은, 상기 전극과 상기 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리막은 접착력을 가지는 코팅 물질이 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 상기 전극 스택부의 상부에 구비되는 상부 고정부재, 및 상기 전극 스택부의 하부에 구비되되, 상기 상부 고정부재에 접합되어 상기 상부 고정부재와 함께 상기 전극 스택부에 밀착되는 하부 고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하부 고정부재는 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 상기 상부 고정부재에 접합되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 시트 형상의 고정 시트가 상기 전극 스택부를 감싸서 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 고정 시트는 일단과 말단이 초음파 융착 또는 가열 접착(heat sealing)으로 서로 접착되어 상기 전극 스택부를 감싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 제1 개구, 상기 제1 개구에 대향하는 제2 개구, 및 상기 제1 개구에서 상기 제2 개구까지 연장되어 상기 전극 스택부를 수용하는 내부 공간을 마련하는 튜브 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전극 고정부는 열에 의한 수축으로 상기 전극 스택부에 밀착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 상기 전극 스택부의 상면으로부터 상기 전극 스택부의 측면을 따라 상기 전극 스택부의 하면까지 연장되어 상기 전극 스택부를 고정하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 전극 고정부는 상기 전극 스택부를 적어도 한 바퀴 감싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 고정부는 부직포, PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극 고정부는 공극 사이즈(pore size)가 1um 이상인 부직포로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 전극 고정부는 두께가 20~100um인 PP, PE, PET 중의 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 스택부는 최외곽에 위치하여 외부로 노출되는 제1 전극에 적층되는 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 하나의 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
PCT/KR2013/005760 2012-06-28 2013-06-28 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 WO2014003481A1 (ko)

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