WO2014007527A1 - 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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electrical insulation
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홍영진
김철환
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Definitions

  • the present invention relates to battery technology, and more particularly, to an electrode assembly, a battery including the same, and a manufacturing method thereof.
  • a lithium primary battery has a higher voltage and a higher energy density than a conventional aqueous battery, and thus is easy to miniaturize and reduce weight.
  • the lithium primary battery is used for various purposes such as a main power supply for a portable electronic device or a backup power supply.
  • a secondary battery is a battery which can be charged and discharged using the electrode material excellent in reversibility.
  • the secondary battery may be classified into a cylindrical shape and a square shape in appearance, and may be classified into a nickel-hydrogen (Ni-MH) battery, a lithium (Li) battery, a lithium ion (Li-ion) battery, and the like according to a positive electrode and a negative electrode material.
  • Ni-MH nickel-hydrogen
  • Li lithium
  • Li-ion lithium ion
  • These secondary batteries are gradually expanding their applications from small batteries such as mobile phones, notebook PCs, and mobile displays to medium and large batteries used in electric vehicle batteries and hybrid vehicles. Accordingly, the battery is required to have high stability and economical efficiency as well as excellent charge / discharge rate, charge / discharge efficiency and cycle characteristics while being lightweight and high in energy density.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not only high energy density, but also excellent charge and discharge efficiency, charge and discharge speed and cycle characteristics, and further provides an electrode assembly of the battery easy to change the shape, capacity control and winding process. It is.
  • Another technical problem to be solved of the present invention is to provide a battery including an electrode assembly having the above-described advantages, can be easily connected in series or in parallel, and excellent in cooling performance.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a battery having the above-described advantages.
  • the electrical insulation layer having a first main surface and a second main surface opposite thereto; A first electrode formed on the first main surface of the electrical insulation layer; A first lead electrically connected to the first electrode and extending outward of the electrical insulation layer; A second electrode formed on the second main surface of the electrical insulation layer; A second lead electrically connected to the second electrode and extending outward of the electrical insulation layer opposite to the first lead; And a separator in close contact with at least one of the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode may include a first current collecting layer formed on the first main surface; And a first active material layer formed on the first current collecting layer.
  • the first lead may be electrically connected directly to the first current collecting layer.
  • the first lead may be integrally formed with the first current collecting layer.
  • the second leakage preventing part may be formed outside the second electrode and the second lead.
  • the second electrode may include a second current collecting layer formed on the second main surface; And a second active material layer formed on the second current collecting layer.
  • the second lead may be electrically connected directly to the second current collecting layer.
  • the second lead may be integrally formed with the second current collecting layer.
  • the first lead and the second lead may extend to the outside of the separator.
  • the electrical insulation layer may include a natural or synthetic flexible resin material having flexibility.
  • the electrode assembly may be wound such that the electrical insulation layer forms an innermost layer, an intermediate layer, and an outermost layer.
  • the plurality of first leads may be provided to be electrically connected to each other, and the plurality of second leads may be provided to be electrically connected to each other.
  • a battery according to an embodiment of the present invention includes the above electrode assembly; A roll core in which the electrode assembly is wound; And a case accommodating the electrode assembly and the roll core.
  • the roll core may be a cylindrical or angular pipe with an empty interior.
  • the roll core and the case may be formed with an insulating coating on the surface that does not contact the electrode assembly.
  • the electronic device may further include a first terminal part electrically connected to the first lead on one side of the roll core and the case.
  • the first terminal unit may include a first cover covering the roll core and the case; A protrusion extending outward from the first cover; And a first terminal coupled to the first cover and the protrusion and electrically connected to the first lead.
  • the roll core and the other side of the case may further include a second terminal portion electrically connected to the second lead.
  • the second terminal portion includes a second cover covering the roll core and the case; And a second terminal coupled to the cover and electrically connected to the second lead.
  • first terminal portion electrically connected to the first lead on one side of the roll core and the case
  • second terminal portion electrically connected to the second lead on the other side of the roll core and the case
  • the first terminal portion and the second terminal portion may be in the form of mutual coupling and separation.
  • the voltage sensing unit may be coupled to at least one of the first and second terminal units.
  • the temperature sensing unit may be coupled to at least one of the first and second terminal units.
  • a method of manufacturing an electrode assembly includes: an electrical insulation layer having a first main surface and a second main surface opposite thereto; A first electrode formed on the first main surface of the electrical insulation layer; A first lead electrically connected to the first electrode and extending outward of the electrical insulation layer; A second electrode formed on the second main surface of the electrical insulation layer; A second lead electrically connected to the second electrode and extending outward of the electrical insulation layer opposite to the first lead; And forming an electrode assembly including a separator in close contact with at least one of the first electrode and the second electrode. Winding the electrode assembly with a roll core as a winding axis such that the first electrode and the second electrode face each other with the separator interposed therebetween to form an electrochemical reaction region; And coupling the electrode assembly wound on the roll core to the case.
  • the electrode assembly is provided as a single structure including electrodes of different polarities on the first and second main surfaces of the electrical and electrical insulation layer, the first electrode and the second electrode are It is possible to form an electrochemical reaction region only by winding the membrane facing each other with the separator interposed therebetween.
  • the thin but flexible electrical and electrical insulating layer can be a support, as the thickness increases the metal current collector layer is reduced in workability, so as to thin the entire electrode assembly The volume is reduced, and as a result the energy density of the cell can be improved.
  • the roll core functions as a winding shaft, workability may be improved by the roll core when forming an electrode assembly having a roll structure.
  • the present invention by forming a plurality of leads in at least one of the first and second electrodes implemented in the form of a roll to shorten the current path to reduce the internal resistance of the battery, thereby The charging and discharging speed, efficiency, and cycle characteristics can be improved.
  • the battery according to an embodiment of the present invention can pass through the air-cooled or water-cooled refrigerant through the hollow hollow pipe-shaped roll core, it is possible to provide a battery with improved cooling performance or heat dissipation performance.
  • a roll core can function as a central support or a central structure when a plurality of cells are connected to each other to form a module or pack, thereby improving the mechanical rigidity of the cells.
  • the first terminal part and the second terminal part are formed in a form that can be mutually coupled and / or separated, so that a plurality of batteries can be easily connected in parallel or in series.
  • the voltage sensing unit and / or the temperature sensing unit are combined with any one of the first and second terminal units, so that the battery can be easily electrically connected to the battery monitoring system. have.
  • the structure of the electrode assembly is simplified, a thin and flexible electrical and electrical insulating layer serves as a support to thin the metal current collector layer, help the winding of the roll core, battery packaging For the winding process for easy and the shape and capacity of the electrode assembly can be provided a method of manufacturing the capacity is easy.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are a plan view and a bottom view as viewed from the upper side IIA and the lower side IIB of the electrode assembly shown in FIG. 1.
  • Arrow A represents the same winding axis direction as in FIG. 1.
  • FIG. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a roll structure in which an electrode assembly according to an embodiment of the present invention is wound around a winding axis direction
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line IIIA-IIIB shown in FIG. 3A. An enlarged view of.
  • FIG 4 is a cross-sectional view showing a state in which the electrode assembly and the roll core is coupled to the case according to an embodiment of the present invention.
  • VA plan view
  • VB cross-sectional view
  • VIA plan view
  • VIB enlarged cross-sectional view
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of a battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is a perspective view of the battery.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration in which a plurality of batteries are connected in series.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • the term 'separation membrane' as used herein includes a separator generally used in a liquid electrolyte battery using a liquid electrolyte having a small affinity with the separator.
  • a 'membrane' is a concept including an intrinsic solid polymer electrolyte and / or a gel solid polymer electrolyte in which the electrolyte is strongly bound to the separator and the electrolyte and the separator are recognized as the same. Therefore, the separator should be defined in the meaning as defined herein.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention.
  • Arrow A represents the winding axis direction.
  • the electrode assembly 100 may include an electrical insulation layer 110 and a first electrode 120 and a first electrode 120 formed on one main surface of the electrical insulation layer 110.
  • the first lead 130 electrically connected to the second electrode 140, the second electrode 140 formed on the other main surface of the electrical insulation layer 110, the second lead 150 electrically connected to the second electrode 140, and the second electrode ( And a separator 160 disposed on the 140.
  • the separator 160 may be disposed on the first electrode 120.
  • the base portion 113 and the leakage prevention portions 114 by patterning or molding the electrically insulating layer 110 material, to form the leakage protection portions 114, 115 integrally with the base portion 113. 115 may be formed at the same time or separately from the base portion 115 through a process of laminating the leakage preventing portions 114 and 115 on the electrically insulating base portion 115.
  • the first leakage preventing unit 114 prevents external leakage of the first active material layer forming the first electrode 120
  • the second leakage preventing unit 115 is formed of the second active material layer forming the second electrode 140. It prevents external leakage.
  • the thickness of the first and second leakage preventing portions 114 and 115 serves as a mechanical support and an electrical insulator separating the first and second electrodes 120 and 140, which will be described later. It may be relatively thicker than the thickness of the base 113.
  • the first leakage preventing part 114 and the second leakage preventing part 115 may be formed on the base part 113 except for both end sides AA and AB of the winding axis direction A. FIG. This will be described later in more detail.
  • Electrically insulating layer 110 may comprise a flexible material having sufficient mechanical strength while being suitable for processing into a roll structure.
  • the flexible material may include a natural or synthetic flexible resin material.
  • the flexible resin material may be a cellulose resin, a polyester resin such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), a polyethylene resin, a polypropylene resin, or a polyvinyl chloride.
  • polyamide resin may be any one or a combination thereof, the polyamide resin is nylon 6 (nylon 6), Nylon 66, nylon 4, and nylon 6-11.
  • nylon 6 nylon 6
  • Nylon 66 nylon 4
  • nylon 6-11 nylon 6
  • these materials are exemplary only, and the present invention is not limited thereto, and other suitable natural or synthetic flexible resin-based materials may be used.
  • the thickness of the electrical insulation layer 110 may be determined such that the electrical insulation layer 110 supports the first electrode 120 and the second electrode 140 and has a strength suitable for processing into a roll structure.
  • the thickness of the electrical insulation layer 110 may be in the range of about 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably about 1 ⁇ m to 10 ⁇ m. Since the electrical insulation layer 110 can provide excellent mechanical strength and processability while having a thin thickness of about 100 ⁇ m or less, it can contribute to reducing the overall thickness of the electrode assembly 100. The advantages and features of this electrical insulation layer 110 will become more apparent from the following disclosure.
  • the first electrode 120 is formed on the first main surface 111 of the electrical insulation layer 110.
  • the first electrode 120 may be electrically positive or negative.
  • the first electrode 120 may include a first current collector layer 121 formed on the first main surface 111 and a first active material layer 122 formed on the first current collector layer 121.
  • the first current collecting layer 121 may include a metal-based material such as aluminum, stainless steel, titanium, or an alloy of any one thereof, and preferably, aluminum or It may be an alloy thereof.
  • the first current collector layer 121 may be formed of a material other than the metal-based material described above.
  • the first current collector layer 121 may be formed of a conductive resin composition.
  • the conductive resin composition may be a composite material including a resin forming a matrix and conductive fine particles such as metal fine particles or carbon fine particles dispersed in the matrix.
  • the conductive resin composition may be another known resin material capable of electron conduction.
  • the first current collecting layer 121 can be thinned.
  • the thickness of the thinned first current collector layer 121 may be, for example, in a range of about 0.01 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably about 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the first current collector layer 121 including the above-described metal-based material may be formed using a laser pulse deposition (PLD), RF sputtering, RF magnetron sputtering, DC sputtering, or DC capable of forming a thin conductive layer. It can be formed using vapor deposition such as magnetron sputtering, Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) and Molecular Beam Epitaxy (MBE), or a combination thereof. However, this is exemplary and the present invention is not limited thereto.
  • the first current collector layer 121 may also be formed by an electroless plating method in which a thin film is formed by an aqueous solution reaction between the metal ions constituting the first current collector layer 121 and a reducing agent.
  • the first current collecting layer 121 including the metallic material may be a metal long fiber having a thickness in the range of 1 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the long metal fiber may be processed to have a suitable structure by fibrous processing such as a woven structure, a nonwoven fabric structure or a spiral structure to constitute the first current collecting layer 121.
  • the first current collector layer 121 when the first current collector layer 121 includes the above-mentioned conductive resin composition, the solid state conductive film in which the polymer resin and the conductive material such as metal powder and carbon fine particles are mixed is laminated or a liquid conductive composition is applied.
  • the first current collecting layer 121 may be formed by drying the same.
  • the first electrode 120 includes a first current collector layer 121 and a first active material layer 122 sequentially stacked, but this is exemplary, and embodiments of the present invention are not limited thereto. .
  • materials capable of intercalation and deintercalstion of metal ions, such as carbon and carbon nanotubes, and having excellent conductivity can simultaneously function as current collector layers and active material layers.
  • the first current collector layer 121 disposed below the first active material layer 122 may be omitted, and in this case, the thickness of the first electrode 120 may be further reduced.
  • the first active material layer 122 may be formed on the first current collector layer 121.
  • the first active material layer 122 may form the following materials on the first major surface 111 of the electrical insulation layer 110 by a paste, slurry, printing process, spray process, or dry coating method. If necessary, a drying process involving natural drying or a heating process may be further performed.
  • the first current collector layer 121 when manufacturing the first current collector layer 121 in a fibrous structure of metal long fibers, by impregnating the first active material layer 122 in the first current collector layer 121 or by mixing them and applying Substantially, the first current collector layer 121 and the first active material layer 122 may be provided to form a common layer having a predetermined thickness.
  • the first active material layer 122 may include a suitable material depending on whether it is a primary battery or a secondary battery and its polarity.
  • the first active material layer 122 may include manganese oxide, electrolytic manganese dioxide (EMD), nickel oxide, lead oxide, lead dioxide, silver oxide, Iron sulfide, or conductive polymer particles.
  • the first active material layer 122 includes at least one metal of Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, Ce and O, F, S, P, and these It may include a Li compound including at least one non-metallic element selected from the group consisting of a combination of.
  • the positive electrode active material layer has Li a A 1 -b B b D 2 , wherein A is selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and a combination thereof, and B is Al , Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements, and combinations thereof, D is selected from the group consisting of O, F, S, P, and combinations thereof And 0.95 ⁇ a ⁇ 1.1, and 0 ⁇ b ⁇ 0.5.
  • the first active material layer 122 described above may be particles having a size of about 0.01 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the first active material layer 122 may have a size of about 0.1 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • this is merely exemplary and may be appropriately selected depending on the required characteristics of the battery.
  • the first active material layer 122 may further include a conductive material.
  • the conductive material may be added in a weight ratio of approximately 2 to 15% based on the total amount of the first active material layer 122 mixed with the conductive material.
  • the conductive material may be, for example, carbon black and ultra fine graphite particles, fine carbon such as acetylene black, nano metal particle paste, or indium tin oxide (ITO) paste.
  • the first lead 130 is electrically connected to the exposed surface of the first current collector layer 121 in which the first active material layer 122 is not formed, and extends a predetermined length to the outside of the electrical insulation layer 110 to protrude. Can be.
  • the first lead 130 may be mechanically coupled to the first current collecting layer 121, or may be fused or welded. The fusion or welding may be performed by resistance, friction, ultrasonic waves, lasers and other known adhesion methods, but the present invention is not limited thereto.
  • the first lead 130 may be a rectangular metal thin film or may have a pattern other than the rectangular shape.
  • the first lead 130 may include aluminum, titanium, stainless steel, gold, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, or an alloy thereof.
  • the first lead 130 may be aluminum or an aluminum alloy.
  • the first lead 130 may be integrally formed with the first current collecting layer 121.
  • the first current collecting layer 121 may protrude by extending a predetermined length to the outside of the electrical insulating layer 110, thereby serving as the first lead 130.
  • the second electrode 140 is formed on the second main surface 112 of the electrical insulation layer 110.
  • the second electrode 140 has a polarity opposite to that of the first electrode 120.
  • the second electrode 140 may include a second current collector layer 141 formed on the second main surface 112 and a second active material layer 142 formed on the second current collector layer 141.
  • the second current collecting layer 141 may be made of a metal-based material such as copper, nickel, stainless steel, or an alloy of any one thereof, and preferably, copper or copper It may be an alloy of.
  • the second current collector layer 141 may be formed of a material other than the metal-based material, similar to the first current collector layer 121 described above.
  • the second current collector layer 141 may be formed of a conductive resin composition.
  • the second current collecting layer 141 made of the conductive resin composition may be formed in a manner similar to the manufacturing method and / or structure of the first current collecting layer 121, which is described with reference to the first current collecting layer 121. See also
  • the thickness of the second current collector layer 141 may be selected within the same range as the range of the thickness of the first current collector layer 121.
  • the thickness of the second current collecting layer 141 may be in the range of about 0.01 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably about 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the second current collector layer 141 including a metal-based material may also be formed of a metal foil formed by various deposition methods such as pulsed laser deposition (PLD), plating, and film formation such as lamination, Or a conductive layer having a woven or nonwoven fabric or a combination thereof using metal long fibers.
  • the second current collector layer 141 may include a conductive resin composition similarly to the first current collector layer 121.
  • the second electrode 140 simultaneously functions as a current collector layer and an active material layer by a material having excellent conductivity while allowing intercalation and deintercalation of metal ions such as carbon and carbon nanotubes. It can be implemented with materials that can be performed.
  • the second current collector layer 141 disposed on the second active material layer 142 may be omitted from the electrode assembly 100 so that the thickness of the second electrode 140 may be further reduced.
  • the second active material layer 142 may be formed on the second current collector layer 141.
  • the second active material layer 142 may form suitable materials on the second main surface 112 of the electrical insulation layer 110 by paste coating or the like, and if necessary, a drying process involving natural drying or heating. This can be done further.
  • the second active material layer 142 may include a suitable material depending on whether or not it is for a primary battery or a secondary battery and polarity.
  • the second active material layer 142 may include zinc, aluminum, iron, lead or magnesium particles.
  • the second active material layer 142 may include a carbon-based material such as low crystalline carbon or high crystalline carbon capable of inserting and detaching lithium ions.
  • the low crystalline carbon may be soft carbon or hard carbon.
  • the highly crystalline carbon is natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, liquid crystal pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, liquid crystal pitch (Mesophase pitches) , High temperature calcined carbon such as petroleum or coal tar pitch derived cokes.
  • the negative electrode active material layer may include a binder, and the binder may be vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, Polymeric materials such as polymethylmethacrylate may be used.
  • the second active material layer 142 may be S, Si Sn, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg capable of alloying and dealloying with lithium. It may also include metal-based or intermetallic compounds such as, As, Ga, Pb and Fe. However, this is exemplary and the present invention is not limited thereto. For example, lithium foil or lithium fibers with improved stability may be used.
  • the second lead 150 may be directly electrically connected to the second current collecting layer 141 on which the second active material layer 142 is not formed, and may be opposite to the first lead 130 of the electrical insulating layer 110. It may extend a certain length to the outside.
  • the second lead 150 may be mechanically coupled to the second current collecting layer 141, or may be fused or welded. Fusion or welding may be made of any one selected from resistance, ultrasonic wave, laser, and equivalents thereof, but the present invention is not limited thereto.
  • the second lead 150 may be integrally formed with the second current collecting layer 141.
  • the second current collector layer 141 extends a predetermined length to the outside of the electrical insulation layer 110, thereby serving as the second lead 150.
  • the second lead 150 may generally be a rectangular metal thin film, a patterned metal thin film, or a metal fiber body.
  • the second lead 150 may include copper, nickel, titanium, stainless steel, gold, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum, or an alloy thereof.
  • the second lead 150 may be copper or a copper alloy.
  • the first and second leads 130 and 150 described above are electrically connected to one edge of the current collector layers 121 and 141 in a direction perpendicular to the winding axis direction AA, which will be described later. Due to the sufficient contact area, a low-resistance junction can be secured, thereby significantly reducing the internal resistance of the battery, and the junction resistance can be constant irrespective of the number of turns of the roll structure, thereby obtaining a high capacity and high efficiency battery. .
  • the separator 160 may be selectively attached to any one or both of the first electrode 120 and the second electrode 140 to be in close contact with each other.
  • the separation membrane 160 may include, for example, a microporous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, an intrinsic solid polymer electrolyte membrane, a gel solid polymer electrolyte membrane, a microporous membrane coated with an inorganic ceramic powder, or a combination thereof.
  • the intrinsic solid polymer electrolyte membrane may include a straight chain polymer material or a crosslinked polymer material.
  • the gel polymer electrolyte membrane may be a combination of any one of a plasticizer-containing polymer, a salt-containing polymer, or a pure polymer containing a salt.
  • the materials listed with respect to the separator 160 described above are exemplary, and any suitable electronic insulation that is easy to change shape as the separator 160 and has excellent mechanical strength so as not to be torn or cracked even in deformation of the electrode assembly 100. Materials may be used and may have suitable ion conductivity as the electronic insulating material.
  • the separator 160 may be a single layer film or a multilayer film, and the multilayer film may be a laminate of the same monolayer film or a stack of monolayer films formed of different materials.
  • the thickness of the separator 160 is about 10 ⁇ m to 300 ⁇ m, preferably about 10 ⁇ m to 40 ⁇ m, and more preferably about 10 ⁇ m to 25 ⁇ m in consideration of durability, shutdown function, and battery safety. .
  • the length of the separator 160 is longer than the length of the electrical insulation layer 110 so that one end of the separator 160 is further out of one side of the electrical insulation layer 110 perpendicular to or in the axial direction of the winding axis A. It may be extended.
  • the extra separator 160 extending further out of the electrical insulation layer 110 provides a margin for strain that may be caused by shrinkage deformation of the electrode assembly 100 that may occur during the chemical reaction of the cell. The short circuit between the first and second electrodes 120 and 140 may be prevented.
  • the extra separator 160 is disposed between the plurality of electrode assemblies 100 to provide the plurality of electrode assemblies ( 100) can be insulated from each other.
  • the structure is simple because the cathode and the anode can be provided as a single structure compared to the conventional electrode assembly 100, in which electrodes of different polarities are separated and provided as two independent structures.
  • the conventional manufacturing process of aligning two separate electrodes may be omitted, thereby simplifying the manufacturing process.
  • the thickness of the metal current collecting layers corresponding to the cathode and the anode is generally designed to be 20 mu m or more. Considering that the thicknesses of the active material layers corresponding to the positive electrode and the negative electrode are approximately 40 ⁇ m to 100 ⁇ m, the total thickness t1 of the electrode assembly described above is approximately 60 ⁇ m to 120 ⁇ m. As a result, in the electrode assembly according to the prior art, the thickness ratio of the first and second current collector layers to the total thickness of the electrode assembly may be 1/3 to 1/6.
  • the first and second current collector layer 121 because the separate electrical insulating layer 110 rather than the first and second current collector layers 121 and 141 serve as a mechanical support structure. , 141 can be reduced in comparison with conventional electrode assembly structures.
  • the thickness of each of the first and second active material layers 122 and 142 is approximately 20 ⁇ m to 50 ⁇ m, which is about the same as that of the conventional electrode assembly, and the thickness of each of the first and second current collector layers 121 and 141 is different.
  • the thickness of the electrical insulation layer 110 is approximately 1 ⁇ m
  • the total thickness of the electrode assembly 100 may be approximately 41 ⁇ m to 101 ⁇ m.
  • the thickness ratio t2 / t1 of each current collector layer t2 to the total thickness t1 of the electrode assembly 100 may be significantly reduced from 1/41 to 1/101 as compared with the conventional electrode assembly. .
  • the volume of the wound electrode assembly 100 is also reduced due to the reduced volume of the electrode assembly 100, so that the energy density can be improved at the same volume as compared to the conventional electrode assembly.
  • the thin and flexible electrical insulating layer 110 can be a support of the electrode assembly 100, so that the first and second current collector layers 121 and 141 can be thinned.
  • the flexibility may be improved to facilitate a winding process for packaging the first and second current collector layers 121 and 141.
  • 2A and 2B are a plan view and a bottom view as seen from the upper side IIA and the lower side IIB of the electrode assembly 100 shown in FIG. 1.
  • Arrow A represents the same winding axis direction as in FIG. 1.
  • the first leakage preventing part 114 of the electrical insulation layer 110 has a winding axis direction A of the first main surface 111 on the first main surface 111 of the base portion 113. It may be formed to surround the remaining edge portion while opening at least a portion of one side (AA) perpendicular to the.
  • the first leakage preventing part 114 may be formed in a substantially “C” shape, and the first electrode 120 and the first lead 130 may be seated therein.
  • the first leakage preventing part 114 has one side parallel to the winding axis of the base portion 113 with the one side perpendicular to the winding axis direction A, and the winding shaft. It may have a form surrounding the other side perpendicular to the direction.
  • the first leakage preventing part 1140 may have an “L” shape.
  • the first active material layer 122 constituting the first electrode 120 has an open side of the first leakage preventing part 114, for example, a portion AA of the winding axis direction A. Except for leaking in the other direction of the winding-axis A direction, for example, at least the other side (AB) direction part of the winding-up-side direction A is not leaked.
  • the electrical insulation layer 110 corresponding to the first lead 130 is opened without the first leakage preventing part 114, so that the thickness of the electrode assembly 100 near the area where the first lead 130 protrudes. Does not increase excessively.
  • the second leakage preventing portion 115 is parallel to the winding axis of the base portion 113 and surrounds one side AA on which the first leakage preventing portion 114 is opened.
  • the other side parallel to the winding axis direction A of the part 113 and the first leakage preventing part 114 is closed may have an open shape.
  • the first leakage preventing part 114 may have an “L” shape.
  • the first lead 130 is formed on one side AA of the winding axis direction A
  • the second lead 150 is formed on the other side AB
  • the winding axis direction A is
  • the first leakage preventing part 114 is present at the other side AB
  • the second leakage preventing part 115 is present at one side AA of the winding axis direction A.
  • the first active material layer 122 constituting the first electrode 120 does not leak to the other side AB in the winding axis direction A
  • the second active material layer 142 constituting the second electrode 140 is Since it does not leak to one side AA of the winding axis direction B, despite the strong rotational compression when forming the roll structure, a short circuit between the first electrode 120 and the second electrode 140 due to the leakage of the active materials occurs. Can be prevented.
  • the first lead 130 and the second lead 150 described above extend in opposite directions in one side AA direction and the other side AB direction of the winding axis direction A, respectively, so that the side surface of the electrical insulation layer 110 is formed. It has a shape protruding from.
  • the winding It is possible to form the positive terminal and the negative terminal in the opposite direction in the battery based on the axis (A).
  • the first lead 130 and the second lead 150 may further extend to the outside of the separator 160 to be electrically connected to terminals to be described later.
  • the first electrode 120 and the second electrode 140 may have different distances from the ends of the electrical insulation layer parallel to the winding axis direction.
  • the electrode disposed on the innermost side of the roll structure provided by winding the electrical insulation layer 110 based on the winding axis direction A may be spaced farther from the winding shaft.
  • the second electrode 140 has a first structure. It may be spaced farther from the winding axis A than the electrode 120.
  • FIG. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a roll structure in which an electrode assembly 100 is wound around a winding axis A, and FIG. 3B is a line IIIIA-IIIB shown in FIG. 3A. An enlarged view of the cross section taken along the line.
  • the roll assembly 100R may be implemented by winding the electrode assembly 100 based on the winding axis direction (A, the direction perpendicular to the paper surface).
  • A the winding axis direction
  • the first electrode 120 and the second main surface (112 of FIG. 1) disposed on the first main surface (111 of FIG. 1) of the electrical insulation layer 110 are formed.
  • the two electrodes 140 may face each other with the separator 160 therebetween.
  • the direction in which the electrode assembly 100 is wound may be defined such that the separator 160 is disposed at the outermost side in the roll structure.
  • the winding direction of the electrode assembly 100 is merely exemplary, and the roll structure may be implemented in the opposite direction so that the electrode assembly 100 may be disposed at the outermost part of the roll structure.
  • the separator 160 may be disposed on the first electrode 120 to form a roll structure.
  • the separator 160 is interposed between the first electrode 120 and the second electrode 140 to separate the separator 160 inside the roll structure.
  • the first and second electrodes 120 and 140 are opposed to each other with each other, so that the electrochemical reaction regions RA1 and RA2 may be formed inside the roll structure.
  • the roll structure may have various shapes.
  • the roll structure may be wound such that its cross section is circular, as shown in FIG. 3A.
  • the cross section of the roll structure may have an ellipse and polygonal shapes such as triangles and squares. Therefore, the shape of the roll structure can be designed to correspond to a battery of various shapes such as a circular battery and a square battery.
  • the lead wire can be substantially extended to one side of the electrode along the winding direction with respect to the entire roll structure, the advantage of reducing the internal resistance to improve the charge and discharge efficiency and speed There is this.
  • FIG 4 is a cross-sectional view illustrating a state in which the electrode assembly 101 and the roll core 210 are coupled to the case 220 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 101 may include a roll core 210 functioning as a winding shaft. That is, the electrode assembly 101 may be wound using the roll core 210 as the winding shaft.
  • the roll core 210 may be rod-shaped, but may be rotated to provide a hollow pipe shape, or may be a hollow rod.
  • the inside of the pipe shape may be utilized as a cooling passage of the battery, which will be described later.
  • 4 illustrates a cross section of a thin plate roll core 210 that can be wound to provide a hollow pipe.
  • the outside of the rolled roll structure as shown in FIG. 4 may be coupled to the case 220.
  • the dotted line A indicates the winding axis direction.
  • the electrode assembly 101 is opposed to each major surface of one electrode assembly 100 having the same configuration as the electrode assembly shown in FIG.
  • the electrode assemblies 100_1 and 100_2 may be further provided.
  • the sub-electrode assemblies 100_1 and 100_2 have a configuration similar to that of the electrode assembly 100 described above with reference to FIG. 1, but the leakage preventing portions 114_1 and 115_1 are not formed on the two main surfaces of the base portion 113_1. It is distinguished from an electrode assembly (100 in FIG. 1) having a first electrode and a second electrode opposing each other with a base portion interposed therebetween in that it comprises only a single polarity electrode.
  • the sub-electrode assemblies 100_1 and 100_2 face the main surfaces of the electrode assembly 100 with the separators 160_1 and 160 interposed therebetween, and the polarities of the electrodes of the first and second sub-electrode assemblies 100_1 and 100_2 may be opposite to each other. It has a different polarity than the electrode polarity of the corresponding major surface of the assembly 100. For example, if the electrode of the main surface of the electrode assembly 100 facing the first sub electrode assembly 100_1 is an anode, the electrode 120_1 of the first sub electrode assembly 100_1 may be a cathode.
  • each of the electrodes 120_1 and 140_1 of the sub-electrode assembly 100_1 and 100_2 may have suitable current collector layers 121_1 and 141_1 and active materials 122_1 and 142_1, which are described above. See the disclosure.
  • the electrical insulation layers 110_1 and 110_2 of the sub-electrode assemblies 100_1 and 100_2 may also have base portions 113_1 and 113_2, respectively, and the leakage preventing portions 114_1, respectively on the corresponding main surfaces of the base portions 113_1 and 113_2. 115_1).
  • the leakage preventing parts 114_1 and 115_1 may be integrally formed with the base parts 113_1 and 113_2 in an embossed shape protruding from each main surface of the base parts 113_1 and 113_2.
  • the leakage preventing parts 114_1 and 115_1 may be formed to surround other edge parts while opening at least a part of the edge perpendicular to the winding axis direction A.
  • FIG. The electrode layer and the lead may be seated in the leakage preventing parts 114_1 and 115_1 formed as described above to expose the lead to the outside of the electrical insulation layers 110_1 and 110_2.
  • the leakage preventing portions 114_1 and 115_1 are formed on the edges of the base portions 113_1 and 113_2 to have a “c” pattern or an “L” pattern, as described with reference to FIGS. 2A and 2B. Can be.
  • Such an open direction of the leakage preventing portions 114_1 and 115_1 may be alternated in the roll structure in a direction perpendicular to the winding axis direction A, that is, in the radial direction from the rotation center of the roll core.
  • both ends (or both ends in the winding-axis direction) of the roll structure may have a plurality of lead folds provided by continuously exposing leads connected to each electrode having the same polarity.
  • These lead plies may be electrically connected to each other at each end of the roll structure to be electrically connected to each other to provide the first polarity common lead portion 130A and the second polarity common lead portion 150A.
  • the first polarity common lead part 130A and the second polarity common lead part 150A may further extend outwardly than ends of the roll core 210 and the case 220.
  • Such open directions of the leakage preventing portions 114_1 and 115_1 may be alternated within the roll core structure in a direction perpendicular to the winding axis direction A, that is, in the radial direction from the rotation center of the roll core.
  • a plurality of leads connected to electrodes having the same polarity can be exposed at both ends (or both ends in the winding axis direction) of the roll core structure.
  • These leads may be electrically connected to each other to provide a first polarity common lead portion 130A and a second polarity common lead portion 150A.
  • the first polarity common lead part 130A and the second polarity common lead part 150A may further extend outwardly than ends of the roll core 210 and the case 220.
  • the first polarity common lead part 130A and the second polarity common lead part 150A include leads exposed to the upper direction UP and the lower direction DW (see 130 and 150 of FIGS. 2A and 2B). It can be provided by the manner of bonding.
  • the first polarity common lead portion 130A and the second polarity common lead portion 150A may facilitate packaging of the battery and reduce internal resistance. Such provisional bonding may be provided using a resistor, ultrasonic wave, laser, other fusion, compression, clamp or conductive adhesive, but the present invention is not limited thereto.
  • the electrode assembly 101 has a second electrode 140 (or a first electrode 120) on the surface of the electrical insulation layer 110 in the winding start region (for example, the region in which the roll core 210 is rotated once once). )) Is formed and the first electrode 120 (or the second electrode () is formed on the surface of the electrical insulation layer 110 even in the winding termination region (for example, the region in which the roll core 210 was rotated once once). 140)), the electrochemical reaction zone can be realized.
  • the first electrode 120 is disposed on the outer side adjacent to the separator 160.
  • the second electrode 140 is positioned on the inner side adjacent to the separator 160.
  • an electrochemical reaction zone can be formed over the junction region of the electrode assembly 101 without wasting electrochemical reaction zones.
  • the length (or height) of the roll core 210 and the case 220 is formed to be relatively longer (or higher) than or the same as the length (or height) of the electrode assembly 101, and thus, the first terminal portion to be described later. And the second terminal portion to be easily coupled.
  • VA plan view
  • VB cross-sectional view
  • the first terminal unit 230 may be coupled to one side of the roll structure described above with reference to FIGS. 1 to 4 to serve as an external terminal for a positive electrode or a negative electrode.
  • the first terminal portion 230 may be an external terminal for a positive electrode.
  • the first terminal portion 230 includes a first cover 230A, a protrusion 234, and a first terminal 235.
  • the first terminal 235 may be electrically connected to the first common lead portion (see 130A of FIG. 4).
  • the first cover 230A and the protrusion 234 may be an insulator, and the first terminal 235 may be a conductor.
  • the first cover 230A is connected to the roll core 210, or is connected to the inner cylindrical portion 231 and the case 220 extending from the roll core 210, or the outer cylinder formed to extend from the case 220. It includes a portion 232, the connecting portion 233 for connecting the inner cylindrical portion 231 and the outer cylindrical portion 232. Protrusion 234 is formed in the connecting portion 233 protrudes a predetermined length to the outside, it may be formed in a planar circular.
  • the first terminal 235 is formed in a substantially " ⁇ " shape having one inner wall 235a and two side walls 235b, and one common lead portion (see 130A in FIG. 4) is electrically connected to the inner wall 235a. Can be connected to.
  • the first terminal 235 may have a form surrounding the protrusion 234.
  • the inner wall 235a is positioned below the protrusion 234, and the two side walls 235b are in close contact with both sides of the protrusion 234.
  • the first terminal 235 may have a protrusion shape.
  • two sidewalls 235b of the first terminal 235 may be formed of refractive lines in which a straight, oblique, spiral, curved, or the like pattern is formed to allow a high efficiency charge and discharge current to flow. Accordingly, it may have a spring function.
  • the two side walls 235b may be formed with embossing, protrusions, and other equivalent structures.
  • the insulating terminal 236 may be formed on the upper portion of the protrusion 234 to maintain the insulation in the first terminal 235, but the present invention is not limited thereto.
  • the first terminal 135 may include aluminum, titanium, stainless steel, gold, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum or alloys thereof. have.
  • the first terminal 135 may be aluminum or an aluminum alloy.
  • One or both of the voltage sensing unit 237a and the temperature sensing unit 238a may be coupled to the first terminal unit 230.
  • the voltage sensing unit 237a may be coupled through the external cylindrical portion 232 and the connection portion 233 of the first terminal unit 230, and the voltage sensing unit ( 237a may be electrically connected to the first terminal unit 230.
  • a cell voltage sensing connector unit 237b having a predetermined depth may be formed in the outer cylindrical portion 232.
  • the temperature sensing unit 238a may be coupled to the battery through the external cylindrical portion 232 and the connection unit 233 of the first terminal unit 230, and the temperature sensing unit 238a may be coupled to the battery. May be a thermistor and senses the temperature inside the cell.
  • the cell temperature sensing connector 237b may be exposed to the outer cylindrical portion 232 so as to be electrically connected to the temperature sensing unit 238a.
  • the voltage sensed by the voltage sensing unit 237a and the temperature sensed by the temperature sensing unit 238a are transferred to the battery management device or the battery monitoring system (BMS), so that the overcharge, overdischarge, and temperature states of the battery are efficiently Can be managed.
  • BMS battery monitoring system
  • the shape of the voltage sensing connector 237b and the temperature sensing connector 237b or the surroundings thereof may be different from each other, thereby preventing misinsertion of the connector.
  • VIA plan view
  • VIB enlarged cross-sectional view
  • the second terminal unit 240 may include a second cover 244 and a second terminal 245.
  • the second terminal 245 may be electrically connected to the second lead 150.
  • the second cover 244 may be an insulator and the second terminal 245 may be a conductor.
  • the second terminal unit 240 may be an external terminal for a positive electrode or a negative electrode.
  • the first terminal unit 240 described with reference to FIG. 5 is an external terminal for a positive electrode
  • the second terminal unit 240 may be an external terminal for a negative electrode. It may be a terminal. Or vice versa.
  • the second cover 244 is connected to the roll core 210 or is connected to the case 220 and the inner cylindrical portion 241 formed extending from the roll core 210, or extend from the case 220 It includes an outer cylindrical portion 242 formed, and a connecting portion (not shown) connecting the inner cylindrical portion 241 and the outer cylindrical portion 242.
  • the second terminal 245 may have an “n” shape having one inner wall 245a and two sidewalls 245b.
  • the second common lead part 150B may be electrically connected to the inner wall 245a.
  • the two sidewalls 245b may be in close contact with inner surfaces of the inner cylindrical portion 241 and the outer cylindrical portion 242 forming the second cover 240A. Therefore, as a whole, the second terminal 245 may have a groove configuration.
  • the two sidewalls 245b of the second terminal 245 may be formed of refraction lines in which a straight, diagonal, spiral, curved, or the like pattern is formed to allow a high rate of charge and discharge current to flow. Accordingly, it may have a spring function.
  • the two side walls 245b may be formed with embossing, protrusions, and equivalent structures thereof.
  • the second terminal 145 is an external terminal for a negative electrode, for example, copper, nickel, titanium, stainless steel, gold, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, vanadium, indium, cobalt, tungsten, tin, beryllium, molybdenum Or alloys thereof.
  • the second terminal 145 may be copper or a copper alloy.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of a battery 200 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is a perspective view of a battery 200
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration in which a plurality of batteries 200_1 and 200_2 are connected in series. to be.
  • the battery 200 includes an electrode assembly 100, a roll core 210 in which the electrode assembly 100 is wound, an electrode assembly 100, and a roll core 210. It is mechanically coupled to one end of the outer case 220, the roll core 210, and the outer case 220, and the first common lead 130A is attached to the first electrode 120 of the electrode assembly 100. It is mechanically coupled to the other end of the first terminal portion 230, the roll core 210 and the outer case 220 electrically connected through, the second lead 150B to the second electrode 140 of the electrode assembly 100 It includes a second terminal portion 240 electrically connected through.
  • the first terminal portion 230 and the second terminal portion 240 are formed in the form of the terminal portions shown in FIGS. 6 and 7, respectively, so that the second terminal portion 240 of the battery 200 is replaced with another battery (
  • the first terminal portion 230 of the 200 may be easily coupled and separated in series or in parallel.
  • the second terminal portion 240_1 of the first battery 200_1 may be used to connect the plurality of batteries 200_1 and 200_2 in series.
  • the outer cylindrical portion may be inserted into the outer cylindrical portion of the first terminal portion 230 of the second battery 200_2.
  • the second terminal portion of another battery may be inserted into and coupled to the first terminal portion 230_1 of the first battery 200_1, and the first terminal portion of the other battery may also be coupled to the second terminal portion 240_2 of the second battery 200_1. Can be inserted and combined to achieve series connection of cells.
  • the protrusion 234 of the first terminal portion 230 is coupled to the groove formed by the second terminal portion 240.
  • the first terminal 235 and the second terminal 245 may be electrically connected to each other without a separate bus structure. If necessary, when the first terminal 235 and the second terminal 245 are formed to have a spring function, the strength and fastening of the coupling may be facilitated mechanically.
  • the roll core 210 and / or the inner cylindrical portions 231, 241 of the first and second terminals 235, 245 are connected and may have a pipe shape.
  • a flow path 210 through which an air-cooled or water-cooled refrigerant can pass can be provided for cooling the battery, whereby heat accumulated in the centers of the batteries 200 and 300 is efficiently dissipated, and the battery 200
  • the heat resistance of the batteries 200 and 300 may be improved by maintaining a thermal equilibrium of 300.
  • a continuous flow path 210H may be provided along the center line CL.
  • such a structure may function as a central support or a structure without a separate center pin when a plurality of cells 200 are connected in series or in parallel to form a module or a pack, thereby improving the mechanical rigidity of the module or the pack.
  • An area of the roll core 210 and an area of the case 220 exposed to the outside of the batteries 200 and 300 may be insulated.
  • an insulating film may be formed in an area of the roll core 210 and an area of the case 220 that are exposed to the outside.
  • the roll core 210 and the case 220 are formed of an insulator, such an insulating film may be omitted.
  • the batteries 200 and 300 according to the present invention can reliably ensure electrical insulation with external devices or systems, and electrical short circuits are prevented, thereby facilitating circuit design of external devices or systems.
  • a space surrounded by the roll core 210, the case 220, the first terminal portion 230, and the second terminal portion 240 for example, a space in which the electrode assembly 100 having a roll structure is disposed.
  • An electrolyte may be injected into the.
  • an aqueous electrolyte solution containing salts such as potassium hydroxide (KOH), potassium bromide (KBr), potassium chloride (KCl), zinc chloride (ZnCl 2 ), and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is absorbed into a roll structure,
  • KOH potassium hydroxide
  • KBr potassium bromide
  • KCl potassium chloride
  • ZnCl 2 zinc chloride
  • sulfuric acid H 2 SO 4
  • the electrolyte may be absorbed by the roll structure, and the batteries 200 and 300 may be activated.
  • a suitable battery 200 operating system for controlling stability and / or power supply characteristics during use of the cells 200, 300 may additionally be combined.
  • the manufacturing of the cells 200 and 300 described above may be performed by forming the electrode assembly 110, winding the electrode assembly 110, bonding the electrode assembly 110, bonding the first terminal portion 230, and electrolytic solution. It may be performed by the pouring step and the coupling step of the second terminal portion 240.
  • an electrical insulation layer 110 having a first main surface 111 and a second main surface 112 opposite thereto; A first electrode 120 formed on the first main surface 111 of the electrical insulation layer 110; A first lead 130 electrically connected to the first electrode 120 and extending outward of the electrical insulation layer 110; A second electrode 140 formed on the second main surface 112 of the electrical insulation layer 110; A second lead 150 electrically connected to the second electrode 140 and extending outward of the electrical insulation layer 110 opposite to the first lead 130; And a separator 160 in close contact with at least one of the first electrode 120 and the second electrode 140.
  • the roll core 210 is wound up so that the first electrode 120 and the second electrode 140 face each other with the separator 160 therebetween to form an electrochemical reaction region.
  • the electrode assembly 110 can be wound.
  • the electrode assembly 110 wound around the roll core 210 is coupled to the case 220.
  • the first terminal unit 230 (or the second terminal unit) is mechanically coupled to one end of the roll core 210 and the case 220, and the electrode assembly 110 is connected. It may be electrically connected to the first terminal unit 230.
  • electrolyte injection step electrolyte may be injected into a space defined by the roll core 210, the case 220, and the first terminal 230, that is, an internal space in which the electrode assembly 110 is disposed.
  • the electrode assembly 110 is mechanically coupled to the second terminal part 240 (or the first terminal part) at the other end of the roll core 210 and the case 220. It is electrically connected to the second terminal unit 240.
  • the electrolyte pouring step may be performed by injecting an electrolyte solution into a pouring hole provided separately in the case 220, the first terminal part 230, or the second terminal part 240 after the coupling of the first and second terminal parts 230 and 240. In some embodiments, when the separator 160 itself includes an electrolyte, this electrolyte pouring step may be omitted.
  • the battery according to the embodiment of the present invention is applied as a small battery of a small electronic device such as a computer, a display device, a mobile phone due to improved energy density and processability, or by increasing the volume by increasing the capacity of a medium-large battery for power source or power storage of an automobile It may be applied as.
  • a small electronic device such as a computer, a display device, a mobile phone
  • the foregoing disclosures may be practiced with a plurality of embodiments being substituted or combined with each other.
  • the roll structure including the roll structure of FIG. 1 and the sub electrode assembly of FIG. 4 may be implemented interchangeably, and the sub electrode assembly may be one or three or more, in which case the electrode assembly may be replaced. Repeated stacking and sub-electrode assemblies may be provided on one or both sides.
  • Second electrode 141 Second electrode 141; 2nd collector layer
  • Second active material layer 150 Second active material layer 150; 2nd lead
  • First terminal portion 230A First cover
  • First terminal 235a inside wall
  • Second terminal portion 240A second cover
  • Second terminal 245a inside wall

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Abstract

본 발명은 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 제 1 주면 및 상기 제 1 주면에 반대되는 제 2 주면을 갖는 베이스부를 포함하는 전기 절연층; 상기 전기 절연층의 상기 제 1 주면에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 1 리드; 상기 전기 절연층의 상기 제 2 주면에 형성되고 상기 제 1 전극과 극성이 다른 제 2 전극; 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 리드의 연장 방향과 반대방향으로 연장된 제 2 리드; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나 상에 분리막을 포함한다.

Description

전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 이의 제조 방법
본 발명은 전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전지 산업은 최근 반도체 제조 기술 및 통신 기술의 발달에 따른 휴대용 전자 장치에 관한 산업이 팽창하고, 환경 보존과 자원의 고갈로 인한 대체 에너지의 개발 요구에 따라 활발히 연구되고 있다. 대표적인 전지로서, 리튬 일차 전지는, 종래의 수용액계 전지에 비해서 고전압이고 에너지 밀도가 높기 때문에 소형화 및 경량화에 용이하다. 이러한 리튬 일차 전지는 휴대용 전자 장치의 주전원이나 백업용 전원 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
이차 전지는 가역성이 우수한 전극 재료를 사용하여 충방전이 가능한 전지이다. 상기 이차 전지는 외관상 원통형과 각형으로 구분되고 양극 및 음극 물질에 따라 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬(Li) 전지, 리튬 이온(Li-ion) 전지 등으로 구분될 수 있다. 이러한 이차 전지는 휴대폰, 노트북형 PC, 이동형 디스플레이와 같은 소형 전지에서부터 전기 자동차용 배터리, 하이브리드 자동차에 사용되는 중·대형 전지에 이르기까지 그 적용분야가 점차로 확대되고 있다. 이에 따라, 전지는 경량이고 에너지 밀도가 높으면서도, 우수한 충방전 속도, 충방전 효율 및 사이클 특성뿐만 아니라, 높은 안정성과 경제성을 가질 것이 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 충방전 효율, 충방전 속도 및 사이클 특성이 우수하고, 나아가, 형상 변화, 용량 조절 및 권취 공정이 용이한 전지의 전극 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 전극 조립체를 포함하고, 직렬 또는 병렬로 용이하게 연결할 수 있으며, 냉각 성능이 우수한 전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 조립체는, 제 1 주면 및 이의 반대인 제 2 주면을 갖는 전기 절연층; 상기 전기 절연층 중 상기 제 1 주면에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 1 리드; 상기 전기 절연층 중 상기 제 2 주면에 형성된 제 2 전극; 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 리드와 반대인 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 2 리드; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나에 밀착된 분리막을 포함한다.
상기 전기 절연층은 상기 제 1 주면 및 상기 제 2 주면을 갖는 베이스부; 상기 베이스부 중 상기 제 1 주면의 가장 자리를 따라 상대적으로 두껍게 형성된 제 1 누설 방지부; 및 상기 베이스부 중 상기 제 2 주면의 가장 자리를 따라 상대적으로 두껍게 형성된 제 2 누설 방지부를 포함할 수 있다. 상기 제 1 누설 방지부는 상기 제 1 전극 및 상기 제 1 리드의 외측에 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극은 상기 제 1 주면에 형성된 제 1 집전층; 및 상기 제 1 집전층에 형성된 제 1 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 리드는 상기 제 1 집전층에 직접 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제 1 리드는 상기 제 1 집전층과 일체로 형성될 수 있다. 상기 제 2 누설 방지부는 상기 제 2 전극 및 상기 제 2 리드의 외측에 형성될 수 있다.
상기 제 2 전극은 상기 제 2 주면에 형성된 제 2 집전층; 및 상기 제 2 집전층에 형성된 제 2 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 제 2 리드는 상기 제 2 집전층에 직접 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제 2 리드는 상기 제 2 집전층과 일체로 형성될 수 있다.
상기 제 1 리드 및 상기 제 2 리드는 상기 분리막의 외측으로 연장될 수 있다. 상기 전기 절연층은 가요성을 갖는 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료를 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 전기 절연층이 최내층, 중간층 및 최외층을 이루도록 권취될 수 있다. 상기 제 1 리드는 다수가 구비되어 상호간 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 리드는 다수가 구비되어 상호간 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지는 상술한 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 권취되는 롤 코어; 및 상기 전극 조립체 및 상기 롤 코어를 수용하는 케이스를 포함한다.
상기 롤 코어는 내부가 비어 있는 원통형 또는 각형의 파이프일 수 있다. 상기 롤 코어 및 상기 케이스는 상기 전극 조립체와 접촉하지 않는 표면에 절연 피막이 형성될 수 있다.
상기 롤 코어 및 상기 케이스의 일측에 상기 제 1 리드와 전기적으로 연결된 제 1 단자부를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 단자부는 상기 롤 코어 및 상기 케이스를 덮는 제 1 커버; 상기 제 1 커버로부터 외측으로 연장된 돌기; 및 상기 제 1 커버 및 상기 돌기에 결합되고, 상기 제 1 리드에 전기적으로 연결된 제 1 단자를 포함한다.
상기 롤 코어 및 상기 케이스의 타측에 상기 제 2 리드와 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 단자부는 상기 롤 코어 및 상기 케이스를 덮는 제 2 커버; 및 상기 커버에 결합되고, 상기 제 2 리드에 전기적으로 연결된 제 2 단자를 포함할 수 있다.
상기 롤 코어 및 상기 케이스의 일측에 상기 제 1 리드와 전기적으로 연결된 제 1 단자부를 더 포함하고, 상기 롤 코어 및 상기 케이스의 타측에 상기 제 2 리드와 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 더 포함하며, 상기 제 1 단자부 및 상기 제 2 단자부는 상호간 결합 및 분리 가능한 형태일 수 있다.
상기 제 1,2 단자부 중 적어도 어느 하나에 전압 센싱부가 결합될 수 있다. 상기 제 1,2 단자부 중 적어도 어느 하나에 온도 센싱부가 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은 제 1 주면 및 이의 반대인 제 2 주면을 갖는 전기 절연층; 상기 전기 절연층 중 상기 제 1 주면에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 1 리드; 상기 전기 절연층 중 상기 제 2 주면에 형성된 제 2 전극; 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 리드와 반대인 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 2 리드; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나에 밀착된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 형성하는 단계; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 서로 대향하여 전기 화학적 반응 영역을 형성하도록, 롤 코어를 권취축으로 하여 상기 전극 조립체를 권취하는 단계; 및, 상기 롤 코어에 권취된 전극 조립체를 케이스에 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 조립체가 전기 전기 절연층의 제 1 주면과 제 2 주면에 서로 다른 극성의 전극들을 포함하는 단일 구조체로서 제공되기 때문에, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 대향하도록 권취하는 것만으로도 전기 화학적 반응 영역을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속과 달리 얇으면서도 가요성을 가진 전기 전기 절연층이 지지체가 될 수 있기 때문에, 두께가 증가할수록 가공성이 저하되는 금속 집전층을 박막화하여, 전극 조립체 전체의 부피가 감소되고, 그 결과 전지의 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 또한, 롤 코어가 권취축으로 기능을 하기 때문에, 롤 구조의 전극 조립체 형성 시 상기 롤 코어에 의해 가공성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 롤 형태로 구현되는 제 1, 2 전극 중 적어도 어느 하나에 리드를 복수 개로 형성함으로써 전류 경로를 짧게 하여 전지의 내부 저항을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 전지의 충방전 속도 및 효율, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는 속이 비어 있는 파이프 형태의 롤 코어를 통해 공냉식 또는 수냉식 냉매가 지나갈 수 있음으로써, 냉각 성능 또는 방열 성능이 향상된 전지를 제공할 수 있다. 더욱이, 이러한 롤 코어는 다수의 전지가 상호간 연결되어 모듈 또는 팩을 이룰 때 중심 지지체 또는 중심 구조체로 기능을 하여 전지의 기구적 강성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는 제 1 단자부 및 제 2 단자부가 상호간 결합 및/또는 분리 가능한 형태로 형성됨으로써, 다수의 전지가 병렬 또는 직렬로 용이하게 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는 제 1,2 단자부 중 어느 하나에 전압 센싱부 및/또는 온도 센싱부가 결합함으로써, 전지가 전지 관리 장치(Battery Monitoring System)에 용이하게 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극 조립체의 구조가 단순화되고, 얇으면서도 가요성을 가진 전기 전기 절연층이 지지체가 되어 금속 집전층을 박막화할 수 있고, 롤 코어의 권취를 도와, 전지 패키징을 위한 권취 공정이 용이하고 형상과 용량 조절이 용이한 전극 조립체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 전극 조립체의 상부측(IIA) 및 하부측(IIB)에서 바라본 평면도 및 저면도이다. 화살표 A는 도 1과 동일한 권취축 방향을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취축 방향을 중심으로 권취된 롤 구조를 도시하는 단면도이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 선 ⅢA-ⅢB을 따라 절취된 단면의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 및 롤 코어가 케이스에 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤 구조를 포함하는 전지의 일 측에 제공된 제 1 단자부를 도시한 평면도(VA)와 선VB-Vb'를 따라 절취된 확대 단면도(VB)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤 구조를 포함하는 전지의 타 측에 제공된 제 2 단자부(240)를 도시한 평면도(VIA)와 선 VIB-VIB'를 따라 절취한 확대 단면도(VIB)이다.
도 7a은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 단면도이고, 도 7b는 전지의 사시도이다.
도 8은 복수의 전지들이 직렬 연결된 구성을 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'이란 용어는 상기 분리막과 친화성이 작은 액체 전해질을 사용하는 액체 전해질 전지에서 일반적으로 통용되는 분리막을 포함한다. 나아가, 본 명세서에서 사용되는 '분리막'은, 전해질이 분리막에 강하게 속박되어 전해질과 분리막이 동일한 것으로 인식되는 진성 고체 폴리머 전해질, 및/또는 겔 고체 폴리머 전해질을 포함하는 개념이다. 따라서, 상기 분리막은 본 명세서에서 정의하는 바에 따라 그 의미가 정의되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)를 도시한 단면도이다. 화살표 A는 권취축 방향을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 전기 절연층(110), 전기 절연층(110)의 일 주면에 형성된 제 1 전극(120), 제 1 전극(120)에 전기적으로 연결된 제 1 리드(130), 전기 절연층(110)의 타 주면에 형성된 제 2 전극(140), 제 2 전극(140)에 전기적으로 연결된 제 2 리드(150), 및 제 2 전극(140) 상에 배치된 분리막(160)을 포함한다. 다른 실시예에서, 분리막(160)은 제 1 전극(120) 상에 배치될 수도 있다.
전기 절연층(110)은 제 1 주면(111) 및 제 1 주면(111)의 반대면으로서 제 2 주면(112)을 포함하는 베이스부(113)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기 절연층(110)은 베이스부(113)의 제 1 주면(111)의 가장자리의 일부에 형성된 제 1 누설 방지부(114) 및 제 2 주면(112)의 가장자리의 일부에 형성된 제 2 누설 방지부(115)를 포함할 수 있다. 제 1 누설 방지부(114) 및 제 2 누설 방지부(115)는 베이스부(115)의 각 주면으로부터 돌출된 양각 형태를 가질 수 있으며, 베이스부(113)와 일체로 형성될 수 있다. 다른 측면에서, 누설 방지부들(114, 115)을 제외한 베이스부(113)의 다른 영역들이 누설 방지부들(115, 115)에 비하여 음각 형태를 갖는 것으로 이해될 수도 있다.
일 실시예에서, 누설 방지부들(114, 115)을 베이스부(113)와 일체로 형성하기 위해 전기 절연층(110) 재료를 패터닝 또는 몰딩에 의해 베이스부(113)와 누설 방지부들(114, 115)을 동시에 형성하거나, 전기 절연성 베이스부(115) 상에 누설 방지부들(114, 115)을 라미네이팅하는 공정을 통해 베이스부(115)와 별개로 형성할 수도 있다. 제 1 누설 방지부(114)는 제 1 전극(120)을 이루는 제 1 활물질층의 외부 누설을 방지하고, 제 2 누설 방지부(115)는 제 2 전극(140)을 이루는 제 2 활물질층의 외부 누설을 방지하는 역할을 한다.
일부 실시예에서, 제 1 누설 방지부(114) 및 제 2 누설 방지부(115)의 두께는 기계적 지지체 및 후술하는 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)을 분리하는 전기 절연체로서 역할하는 베이스부(113)의 두께보다 상대적으로 더 두꺼울 수 있다. 제 1 누설 방지부(114) 및 제 2 누설 방지부(115)는 권취축 방향(A)의 양 단부 측(AA, AB)을 제외한 베이스부(113) 상에 형성될 수 있다. 이에 관하여는 더욱 상세히 후술하도록 한다.
전기 절연층(110)은 롤 구조로 가공되기에 적합하면서도 충분한 기계적 강도를 갖는 가요성 소재를 포함할 수 있다. 상기 가요성 소재는, 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 가요성 수지계 재료는, 셀룰로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)와 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)과 같은 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 염화비닐수지, 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 황화 폴리페닐렌(PPS), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(Tri-acetyl cellulose), 폴리비닐알코올(polyvinyl alchol), 에틸렌-비닐알콜 공중합체(ethylene-vinylalchhol copolymer), 및 폴리아마이드(polyamide)계 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있고, 상기 폴리아마이드계 수지는 나일론 6(nylon 6), 나일론 66(nylon 66), 나일론 4(bylon 4) 및 나일론 6-11(nylon 6-11)일 수 있다. 그러나, 이들 재료들은 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니고, 다른 적합한 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료가 사용될 수도 있다.
전기 절연층(110)이 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140)을 지지하는 동시에 롤 구조로 가공되기에 적합한 강도를 갖도록 전기 절연층(110)의 두께가 결정될 수 있다. 예를 들면, 전기 절연층(110)의 두께는, 대략 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는, 대략 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위 내일 수 있다. 전기 절연층(110)은 대략 100 ㎛ 이하의 얇은 두께를 가지면서도 우수한 기계적 강도와 가공성을 제공할 수 있기 때문에, 전극 조립체(100)의 전체 두께를 감소시키는데 기여할 수 있다. 이러한 전기 절연층(110)의 이점과 특징들은 하기 개시 사항으로부터 더욱 분명해 질 것이다.
제 1 전극(120)은 전기 절연층(110)의 제 1 주면(111)에 형성된다. 제 1 전극(120)은 전기적으로 양극 또는 음극일 수 있다. 제 1 전극(120)은 제 1 주면(111)에 형성된 제 1 집전층(121)과, 제 1 집전층(121)에 형성된 제 1 활물질층(122)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(120)이 전기적으로 양극일 경우, 제 1 집전층(121)은 알루미늄, 스테인리스강, 티탄 또는 이들 중 어느 하나의 합금과 같은 금속계 재료를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 알루미늄 또는 이의 합금일 수 있다.
다른 실시예에서, 제 1 집전층(121)은 전술한 금속계 재료가 아닌 다른 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 집전층(121)은 도전성 수지 조성물로 형성될 수 있다. 상기 도전성 수지 조성물은 매트릭스를 형성하는 수지 및 상기 매트릭스 내에 분산된 금속 미립자 또는 탄소 미립자와 같은 도전성 미립자를 포함하는 복합 재료일 수 있다. 또는, 상기 도전성 수지 조성물은 전자 전도가 가능한 공지의 다른 수지계 재료일 수도 있다.
전기 절연층(110)이 제 1 집전층(121)을 지지하고, 롤 구조의 형성을 위한 기계적 강도를 제공할 수 있기 때문에, 제 1 집전층(121)은 박막화가 가능하다. 박막화된 제 1 집전층(121)의 두께는, 예를 들면, 대략 0.01 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 대략 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛ 내의 범위 일 수 있다.
전술한 금속계 재료를 포함하는 제 1 집전층(121)은 박막화된 도전층 형성이 가능한 레이저 펄스 증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), RF 스퍼터링(Sputtering), RF 마그네트론(magnetron) 스퍼터링, DC 스퍼터링, DC 마그네트론 스퍼터링, 유기금속 화학증착법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 및 분자선 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 또는 이들의 조합과 같은 기상 증착법을 사용하여 형성될 수 있다. 그러나 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 집전층(121)을 구성하는 해당 금속 이온과 환원제 사이의 수용액 반응에 의해 박막을 형성하는 무전해 도금법에 의해서도 제 1 집전층(121)이 형성될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 금속계 재료를 포함하는 제 1 집전층(121)은 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 금속 장섬유일 수도 있다. 상기 금속 장섬유는 직조 구조, 부직포 구조 또는 나선 구조와 같은 섬유적 가공에 의한 적합한 조직을 갖도록 가공되어 제 1 집전층(121)을 구성할 수도 있다.
다른 실시예에서, 제 1 집전층(121)이 전술한 도전성 수지 조성물을 포함하는 경우, 해당 고분자 수지와 금속 분말 및 탄소 미립자와 같은 도전재가 혼합된 고상 도전성 필름을 라미네이팅하거나, 액상 도전성 조성물을 도포하고 이를 건조시키는 것에 의해 제 1 집전층(121)을 형성할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 전극(120)은 순차적으로 적층된 제 1 집전층(121) 및 제 1 활물질층(122)을 포함하나, 이는 예시적이며, 본 발명의 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 카본 및 탄소 나노 튜브와 같이 금속 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalstion)가 가능하면서도 우수한 도전성을 갖는 재료는 집전층과 활물질층으로서의 기능을 동시에 수행할 수 있으므로, 이들 재료를 이용하여 전극을 구성하는 경우, 제 1 활물질층(122)의 하부에 배치되는 제 1 집전층(121)은 생략될 수 있으며, 이 경우 제 1 전극(120)의 두께는 더욱 감소될 수 있다.
전기 절연층(110)의 제 1 주면(111) 상에 제 1 집전층(121)을 형성한 후에, 제 1 집전층(121) 상에 제 1 활물질층(122)을 형성할 수 있다. 제 1 활물질층(122)은 하기의 재료들을 페이스트, 슬러리, 인쇄 공정, 스프레이 공정 또는 건식 코팅 방법으로 전기 절연층(110) 중 제 1 주면(111)에 형성할 수 있다. 필요에 따라, 자연 건조 또는 가열 공정을 수반하는 건조 공정이 더 수행될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 금속 장섬유의 섬유적 구조로 제 1 집전층(121)을 제조하는 경우, 제 1 집전층(121) 내에 제 1 활물질층(122)을 함침하거나 이들을 혼합하여 도포함으로써 실질적으로 제 1 집전층(121)과 제 1 활물질층(122)이 소정의 두께를 갖는 공통 층을 형성하도록 제공될 수도 있다.
제 1 활물질층(122)은 일차 전지 또는 이차 전지인지에 따라, 그리고 그 극성에 따라 적합한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 1 전극(12)이 양극인 경우, 일차 전지에 있어, 제 1 활물질층(122)은 망간 산화물, EMD(electrolytic manganese dioxide), 니켈 산화물, 산화납, 이산화납, 은산화물, 황화철, 또는 전도성 고분자 입자를 포함할 수 있다.
이차 전지의 경우, 제 1 활물질층(122)은 Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, Ce 중 적어도 하나 이상의 금속과 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 Li 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질층은 [화학식] LiaA1-bBbD2을 가지며, 상기 화학식에서, A는 Ni, Co, Mn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, D는 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5인 화합물일 수 있다.
전술한 제 1 활물질층(122)은 대략 0.01 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기를 갖는 입자들일 수 있다. 바람직하게는, 제 1 활물질층(122)은 대략 0.1 ㎛ 내지 15 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 전지의 요구 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 제 1 활물질이, 흑연 입자와 같은 탄소 계열의 물질을 포함하지 않을 경우, 제 1 활물질층(122)은 도전재를 더 포함할 수도 있다. 상기 도전재는 제 1 활물질층(122)과의 혼합 총량에 대하여 대략 2 내지 15 % 의 중량비로 첨가될 수 있다. 상기 도전재는 예를 들면, 카본 블랙 및 초미세 그라파이트 입자, 아세틸렌 블랙과 같은 파인 카본(fine carbon), 나노 금속 입자 페이스트, 또는 ITO(indium tin oxide) 페이스트일 수도 있다.
제 1 리드(130)는 제 1 활물질층(122)이 형성되지 않은 제 1 집전층(121)의 노출된 표면에 전기적으로 접속되고, 전기 절연층(110)의 외측으로 일정 길이 연장되어 돌출될 수 있다. 제 1 리드(130)는 제 1 집전층(121)에 기계적으로 결합되거나, 융착 또는 용접될 수 있다. 상기 융착 또는 용접은 저항, 마찰, 초음파, 레이저 및 공지의 다른 접착 방법에 의해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
제 1 리드(130)는 사각 형태의 금속 박막이거나, 사각 형태가 아닌 다른 패턴을 갖는 형태일 수도 있다. 또한, 제 1 리드(130)는 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게 제 1 리드(130)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 리드(130)는 제 1 집전층(121)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 1 집전층(121)이 전기 절연층(110)의 외측으로 일정 길이 더 연장되어 돌출됨으로써, 제 1 리드(130)의 역할을 할 수도 있다.
제 2 전극(140)은 전기 절연층(110) 중 제 2 주면(112)에 형성된다. 제 2 전극(140)은 제 1 전극(120)과 반대의 극성을 갖는다. 제 2 전극(140)은 제 2 주면(112)에 형성된 제 2 집전층(141)과, 제 2 집전층(141)에 형성된 제 2 활물질층(142)을 포함할 수 있다. 제 2 전극(140)이 전기적으로 음극일 경우, 제 2 집전층(141)은 구리, 니켈, 스테인리스강 또는 이들 중 어느 하나의 합금과 같은 금속계 재료가 사용될 수 있으며, 바람직하게는, 구리 또는 구리의 합금일 수 있다.
다른 실시예에서, 제 2 집전층(141)은, 전술한 제 1 집전층(121)과 유사하게, 금속계 재료가 아닌 다른 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제 2 집전층(141)은 도전성 수지 조성물로 형성될 수 있다. 이러한 도전성 수지 조성물로 된 제 2 집전층(141)은 제 1 집전층(121)의 제조 방법 및/또는 구조와 유사하게 형성될 수 있으며, 이에 관한 사항은 제 1 집전층(121)에 관하여 설명된 사항을 참조할 수 있다.
제 2 집전층(141)의 두께는 제 1 집전층(121)의 두께의 범위와 같은 동일 범위 내에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 제 2 집전층(141)의 두께는 대략 0.01 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 대략 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위 내일 수 있다. 제 1 집전층(121)과 마찬가지로 금속계 재료를 포함하는 제 2 집전층(141)도 레이저 펄스 증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition) 등의 다양한 증착법, 도금법 및 라미네이션과 같은 막 형성법으로 형성되는 금속 포일, 또는 금속 장섬유를 이용한 직조, 부직포 또는 이의 조합된 구조를 갖는 도전층일 수 있다. 또한, 제 2 집전층(141)은 제 1 집전층(121)과 마찬가지로 도전성 수지 조성물을 포함할 수도 있다.
다른 실시예에서, 제 2 전극(140)은 카본 및 탄소 나노튜브와 같이 금속 이온의 삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalstion)가 가능하면서도 우수한 도전성을 갖는 재료에 의해 집전층과 활물질층으로서의 기능을 동시에 수행할 수 있는 재료로 구현될 수 있다. 예를 들면, 제 2 활물질층(142)의 상부에 배치되는 제 2 집전층(141)은 전극 조립체(100)에서 생략될 수 있어 제 2 전극(140)의 두께가 더욱 감소될 수 있다.
전기 절연층(110)의 제 2 주면(112) 상에 제 2 집전층(141)을 형성한 후에, 제 2 집전층(141) 상에 제 2 활물질층(142)을 형성할 수 있다. 제 2 활물질층(142)은 적합한 재료들을 페이스트 코팅 등의 방법으로 전기 절연층(110)의 제 2 주면(112)에 형성할 수 있으며, 필요에 따라, 자연 건조 또는 가열 공정을 수반하는 건조 공정이 더 수행될 수 있다.
제 2 활물질층(142)은 일차 전지 또는 이차 전지용인지의 여부 및 극성에 따라 적합한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 2 전극(140)이 음극인 경우, 일차 전지라면, 제 2 활물질층(142)은 아연, 알루미늄, 철, 납 또는 마그네슘 입자들을 포함할 수 있다. 또한, 이차 전지의 경우, 제 2 활물질층(142)은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 저결정 탄소 또는 고결정성 탄소와 같은 탄소계 재료를 포함할 수 있다. 상기 저결정성 탄소는 연화 탄소(soft carbon) 또는 경화 탄소(hard carbon)일 수 있다. 상기 고결정성 탄소는 천연 흑연, 키시 흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolyticcarbon), 액정 피치계 탄소 섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정 피치(Mesophase pitches), 석유 또는 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes)와 같은 고온 소성 탄소일 수 있다. 음극 활물질층은 결합재를 포함할 수 있으며, 상기 결합재는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate)와 같은 고분자 재료가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 고용량의 이차 전지를 제공하기 위하여, 제 2 활물질층(142)은 리튬과 합금화 및 탈합금화가 가능한 S, Si Sn, Sb, Zn, Ge, Al, Cu, Bi, Cd, Mg, As, Ga, Pb 및 Fe와 같은 금속계 또는 금속간 화합물(intermetallic compounds)을 포함할 수도 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 안정성이 개선된 리튬 포일 또는 리튬 섬유가 사용될 수도 있다.
또한, 제 2 활물질층(142)은 제 1 활물질층(122)과 같이 대략 0.01 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기를 갖는 입자들일 수 있다. 바람직하게는, 제 2 활물질층(142)은 대략 0.1 ㎛ 내지 15 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 전지의 요구 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 또한, 제 1 활물질층(122)과 같이 제 2 활물질층(142)은 흑연 입자와 같은 탄소 계열의 물질이 아닌 경우, 도전재를 더 포함할 수도 있다. 이러한 도전재의 중량비 및 종류는 제 1 활물질층(122)에 관한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.
제 2 리드(150)는 제 2 활물질층(142)이 형성되지 않은 제 2 집전층(141)에 직접 전기적으로 연결될 수 있고, 또한 제 1 리드(130)의 반대인 전기 절연층(110)의 외측으로 일정 길이 연장될 수 있다. 제 2 리드(150)는 제 2 집전층(141)에 기계적으로 결합되거나, 융착 또는 용접될 수 있다. 융착 또는 용접은 저항, 초음파, 레이저 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예로서, 제 2 리드(150)는 제 2 집전층(141)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 2 집전층(141)이 전기 절연층(110)의 외측으로 일정 길이 연장되어 돌출됨으로써, 제 2 리드(150)의 역할을 할 수도 있다.
제 2 리드(150)는 일반적으로 사각 형태의 금속 박막이거나, 패턴화된 금속 박막, 또는 금속 섬유체일 수도 있다. 또한, 제 2 리드(150)는 구리, 니켈, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제 2 리드(150)는 구리 또는 구리 합금일 수 있다.
전술한 제 1 및 제 2 리드(130, 150)는 후술하는 권취축 방향(AA)에 수직한 방향으로 집전층들(121, 141)의 일 가장자리부에 전범위적으로 전기적으로 접속되기 때문에 그 충분한 접촉 면적으로 인하여 저저항 접합을 확보할 수 있어 전지의 내부 저항을 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이러한 접합 저항은 롤 구조의 감음 회수에 무관하게 일정할 수 있으므로, 고용량 및 고효율 전지를 얻을 수 있다.
분리막(160)은 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140) 중 어느 하나 상에 선택적으로 또는 이들 모두에 위치하여 밀착될 수 있다. 이러한 분리막(160)은, 예를 들면, 미세 다공막, 직포, 부직포, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔 고체 고분자 전해질막, 무기 세라믹 분말이 코팅된 미세 다공막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 진성 고체 고분자 전해질막은, 직쇄 폴리머 재료, 또는 가교 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 상기 겔 고분자 전해질막은, 염을 포함하는 가소제 함유 폴리머, 필러 함유 폴리머 또는 순 폴리머 중 어느 하나 이들의 조합일 수 있다. 전술한 분리막(160)에 관하여 열거된 재료들은 예시적이며, 분리막(160)으로서 형상 변화가 용이하고, 기계적 강도가 우수하여 전극 조립체(100)의 변형에도 찢어지거나 균열되지 않는 임의의 적합한 전자 절연성 재료가 사용될 수 있으며, 전자 절연성 재료로서 적합한 이온 전도성을 가질 수도 있다. 분리막(160)은 단층막 또는 다층막일 수 있으며, 상기 다층막은 동일 단층막의 적층체이거나 다른 재료로 형성된 단층막의 적층체일 수 있다.
분리막(160)의 두께는 내구성, 셧다운 기능, 전지의 안전성을 고려하면, 대략 10 ㎛ 내지 300 ㎛이고, 바람직하게는, 대략 10 ㎛ 내지 40㎛이며, 더욱 바람직하게는 대략 10 ㎛ 내지 25 ㎛이다. 분리막(160)의 길이는 전기 절연층(110)의 길이보다 더 길도록 분리막(160)의 어느 일단부가 권취축(A)의 축방향으로 또는 이에 수직한 전기 절연층(110)의 일측 밖으로 더 연장될 수도 있다. 이와 같이, 전기 절연층(110)의 밖으로 더 연장된 여분의 분리막(160)은 전지의 화학 반응 동안 발생할 수 있는 전극 조립체(100)의 수축 변형에 의해 발생될 수 있는 변형률에 대한 마진을 제공하여, 제 1 및 제2 전극(120,140) 간의 단락을 방지할 수 있다. 또한, 전지를 고용량화 하기 위해 하나의 전지를 복수의 전극 조립체(100)로 구현하는 경우에, 상기 여분의 분리막(160)은 상기 복수의 전극 조립체(100) 사이에 배치되어 상기 복수의 전극 조립체(100)를 상호 간에 절연시킬 수 있다.
전술한 실시예의 전극 조립체(100)에 따르면, 서로 다른 극성의 전극들이 분리되어 2개의 독립된 구조체로서 제공되는 종래의 전극 조립체(100)에 비해 음극과 양극이 단일 구조체로 제공될 수 있으므로 구조가 단순해 질 수 있으며, 전지(200) 형성 공정에서 2장의 분리된 전극을 정렬하는 종래의 제조 공정이 생략되어 제조 과정이 단순화될 수 있다.
또한, 금속 집전층이 해당 전극의 지지 구조로서 기능하는 종래의 전극 조립체 구조의 경우에는, 음극 및 양극에 해당되는 금속 집전층들의 두께가 일반적으로 20 ㎛이상의 크기로 설계된다. 양극 및 음극에 해당되는 활물질층들의 두께가 대략 40 ㎛ 내지 100 ㎛임을 고려할 때, 전술한 전극 조립체의 전체 두께(t1)는 대략 60 ㎛ 내지 120 ㎛에 이른다. 결과적으로, 종래 기술에 따른 전극 조립체에 있어서, 전극 조립체의 전체 두께에 대한 제 1 및 제 2 집전층의 두께 비는 1/3 내지 1/6일 수 있다.
그러나, 전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 집전층(121,141)이 아닌 별도의 전기 절연층(110)이 기계적 지지 구조로서 역할을 하기 때문에 제 1 및 제 2 집전층(121, 141)의 두께가 종래의 전극 조립체 구조에 비하여 감소될 수 있다. 예를 들면, 각 제 1, 2 활물질층(122, 142)의 두께가 종래 전극 조립체와 동일한 정도인 대략 20 ㎛ 내지 50㎛이고, 제 1 및 제 2 집전층(121, 141) 각각의 두께가 대략 0.01 ㎛이며, 전기 절연층(110)의 두께가 대략 1 ㎛인 경우를 가정하면, 전극 조립체(100)의 전체 두께는 대략 41 ㎛ 내지 101 ㎛가 될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(100)의 전체 두께(t1)에 대한 각 집전층(t2)의 두께 비(t2/t1)는, 1/41 내지 1/101로 종래의 전극 조립체에 비하여 현저히 감소될 수 있다. 결과적으로, 전극 조립체(100)의 감소된 부피로 인하여 권취된 전극 조립체(100)의 부피 또한 감소되므로, 종래의 전극 조립체에 비해 동일 부피에서 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 얇으면서도 가요성을 가진 전기 절연층(110)이 전극 조립체(100)의 지지체가 될 수 있으므로, 제 1 및 제 2 집전층(121, 141)을 박막화할 수 있어, 가요성이 향상되어 제 1 및 제 2 집전층(121, 141)들을 패키징 하기 위한 권취 공정을 용이하게 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 전극 조립체(100)의 상부측(IIA) 및 하부측(IIB)에서 바라본 평면도 및 저면도이다. 화살표 A는 도 1과 동일한 권취축 방향을 나타낸다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 전기 절연층(110)의 제 1 누설 방지부(114)는 베이스부(113)의 제 1 주면(111) 상에서 제 1 주면(111)의 권취축 방향(A)에 수직한 일 측(AA)의 적어도 일부를 개방하면서 나머지 가장자리 부분을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 1 누설 방지부(114)는 대략 "ㄷ"자 형태로 형성되고, 그 내측에 제 1 전극(120) 및 제 1 리드(130)가 안착될 수 있다. 다른 실시예에서, 도시하지는 않았지만, 제 1 누설 방지부(114)는 베이스부(113)의 권취축에 평행한 일 측이, 권취축 방향(A)에 수직한 상기 일측과 함께 개방되고 권취축 방향에 수직한 타 측을 둘러싸는 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 제 1 누설 방지부(1140는 "L" 자 형태를 가질 수 있다.
그 결과, 제 1 전극(120)을 이루는 제 1 활물질층(122)이 제 1 누설 방지부(114)의 개방된 측, 예를 들면, 권취축 방향(A)의 일 측(AA) 부분을 제외하고는 권취축(A) 방향의 다른 방향, 예를 들면, 적어도 권취측 방향(A)의 타 측(AB) 방향 부분으로는 누설되지 않게 된다. 또한, 제 1 리드(130)와 대응되는 전기 절연층(110)에는 제 1 누설 방지부(114)가 없이 개방됨으로써, 제 1 리드(130)가 돌출된 영역 부근에서 전극 조립체(100)의 두께가 과도하게 증가하지 않게 된다.
도 2b를 참조하면, 전기 절연층(110)의 제 2 누설 방지부(115)는 베이스부(113)의 제 2 주면(112) 상에서 제 2 주면(112)의 권취축 방향(A)에 수직한 타 측(AB)의 적어도 일부를 개방하면서 나머지 가장자리 부분을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 2 누설 방지부(115)는 "ㄷ"자 형태로 형성되고, 그 내측에 제 1 전극(120) 및 제 1 리드(130)가 안착될 수 있다.
다른 실시예에서, 도시하지는 않았지만, 제 2 누설 방지부(115)는 베이스부(113)의 권취축에 평행하고 제 1 누설 방지부(114)가 개방된 일 측(AA)은 둘러싸며, 베이스부(113)의 권취 축 방향(A)에 평행하고 제 1 누설 방지부(114)가 폐쇄된 타 측은 개방된 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 누설 방지부(114)는 "L" 자 형태를 가질 수 있다. 어느 경우에나, 권취축 방향(A)의 일 측(AA)로는 제 1 리드(130)가 형성되고, 타 측(AB)으로는 제 2 리드(150)가 형성되며, 권취축 방향(A)의 타측(AB)에는 제 1 누설 방지부(114)가 존재하고 권취축 방향(A)의 일 측(AA)에는 제 2 누설 방지부(115)가 존재하게 된다. 이에 의해, 1 전극(120)을 이루는 제 1 활물질층(122)이 권취축 방향(A)의 타측(AB)으로 누설되지 않고, 제 2 전극(140)을 이루는 제 2 활물질층(142)이 권취축 방향(B)의 일측(AA)으로 누설되지 않아, 롤 구조의 형성 시 강한 회전 압착에도 불구하고, 상기 활물질들의 누설에 의한 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)의 단락이 방지될 수 있다. 전술한 제 1 리드(130)와 제 2 리드(150)는 각각 권취축 방향(A)의 일측(AA) 방향과 타측(AB) 방향으로 서로 반대 방향으로 연장되어 전기 절연층(110)의 측면으로부터 돌출된 형태를 갖는다. 따라서, 제 1 리드(130)가 제 1 전극(120, 예를 들면, 양극)에 접속되고, 제 2 리드(150)가 제 2 전극(140, 예를 들면, 음극)에 접속될 경우, 권취축(A)을 기준으로 전지에서 양극 단자 및 음극 단자를 서로 반대 방향으로 형성할 수 있게 된다. 일부 실시예에서, 이러한 제 1 리드(130)와 제 2 리드(150)는 분리막(160)의 외측으로 더 연장됨으로써, 후술하게 될 단자들에 각각 전기적으로 용이하게 접속될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)은 권취축 방향에 평행한 전기 절연층의 끝단으로부터의 이격 거리가 서로 상이할 수 있다. 권취축 방향(A)을 기준으로 전기 절연층(110)을 권취하여 제공되는 롤 구조의 최내측에 배치되는 전극은 권취축으로부터 더 멀리 이격될 수 있다. 예를 들면, 제 2 전극(140)이 형성된 제 2 주면(112)이 내부가 되도록 권취축 방향으로 전극 조립체(100)를 권취하여 롤 구조를 형성하는 경우, 제 2 전극(140)은 제 1 전극(120)에 비하여 권취축(A)로부터 더 멀리 이격될 수 있다. 그 결과, 롤 구조 내에서 전극을 구성하는 활물질의 낭비없이 정확한 전극 간 대향 면적을 확보할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)가 권취축(A)을 중심으로 권취된 롤 구조를 도시하는 단면도이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 선 IIIIA-IIIB을 따라 절취된 단면의 확대도이다.
도 3a및 도 3b를 참조하면, 권취축 방향(A, 종이면에 수직한 방향임)을 기준으로 전극 조립체(100)가 권취되어 롤 구조(100R)가 구현될 수 있다. 그 결과, 상기 롤 구조에 있어서, 전기 절연층(110)의 제 1 주면(도 1의 111) 상에 배치된 제 1 전극(120)과 제 2 주면(도 1의 112) 상에 배치된 제 2 전극(140)이 분리막(160)을 사이에 두고 서로 대향할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(100)가 권취되는 방향은 상기 롤 구조에서 분리막(160)이 최외곽으로 배치되도록 정의될 수 있다. 그러나, 전극 조립체(100)의 상기 권취 방향은 예시적인 것일 뿐, 전극 조립체(100)는 상기 롤 구조에서 제 1 전극(120)이 최 외곽에 배치되도록 반대 방향으로 롤 구조가 구현될 수도 있다. 또한, 분리막(160)이 제 1 전극(120) 상에 배치되어 롤 구조가 형성될 수 있음도 전술한 바와 같다.
상술한 두 가지의 권취 방향들 어느 경우에라도, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140) 사이에 분리막(160)이 개재되어 상기 롤 구조 내부에서 분리막(160)을 사이에 두고 제 1 및 제 2 전극들(120, 140)이 서로 대향하고, 이에 따라 상기 롤 구조 내부에서 전기 화학적 반응 영역(RA1, RA2)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가요성이 우수한 전기 절연성 필름(110), 박막화된 제 1 및 제 2 집전층들(121, 141)이 제공되므로 권취 공정이 용이하므로, 상기 롤 구조의 형상이 다양해질 수 있다. 예를 들면, 상기 롤 구조는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 그 단면이 원형이 되도록 권취될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 롤 구조의 단면은 타원, 및 삼각형과 사각형과 같은 다각형 형상을 가질 수 있다. 따라서, 원형 전지 및 각형 전지와 같이 다양한 형상의 전지에 대응하도록 상기 롤 구조의 형상을 설계할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 롤 구조 전체에 대하여 권취 방향을 따라 리드선이 실질적으로 전극의 일측에 전면적으로 확장될 수 있으므로, 내부 저항을 감소시켜 충방전 효율 및 속도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(101) 및 롤 코어(210)가 케이스(220)에 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 조립체(101)는 권취축으로 기능하는 롤 코어(210)를 포함할 수 있다. 즉, 전극 조립체(101)는 롤 코어(210)를 권취축으로 하여 권취될 수 있다. 롤 코어(210)는 막대 형상일 수도 있지만, 회전되어 속이 빈 파이프 형상을 제공하거나, 속이 빈 막대일 수도 있다. 파이프 형상의 내부는 전지의 냉각 유로로 활용될 수 있으며, 이에 관하여는 후술하도록 한다. 도 4는 권취되어 속이 빈 파이프를 제공할 수 있는 얇은 판재형 롤 코어(210)의 단면을 예시한다. 일부 실시예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이 권취된 롤 구조의 외부가 케이스(220)에 결합될 수 있다. 점선(A)는 권취축 방향을 나타낸다.
일부 실시예에서는, 전지 용량을 증대시키기 위하여, 전극 조립체(101)는, 도 1에 도시된 전극 조립체와 동일한 구성을 갖는 일 전극 조립체(100)의 각 주면에 대향하여, 제 1 및 제 2 서브 전극 조립체(100_1, 100_2)가 더 제공될 수 있다. 서브 전극 조립체(100_1, 100_2)는, 도 1을 참조하여 전술한 전극 조립체(100)와 유사한 구성을 갖지만, 베이스부(113_1)의 양 주면이 아닌 하나의 주면에만 누설 방지부(114_1, 115_1)를 갖고, 단일 극성의 전극만을 포함하는 점에서, 베이스부를 사이에 두고 서로 대향하는 제 1 전극과 제 2 전극을 갖는 전극 조립체(도 1의 100)와 구별된다.
서브 전극 조립체(100_1, 100_2)는 각각 전극 조립체(100)의 주면에 분리막(160_1, 160)을 사이에 두고 대향하며, 제 1 및 제 2 서브 전극 조립체(100_1, 100_2)의 전극의 극성은 전극 조립체(100)의 해당 주면의 전극 극성과 다른 극성을 갖는다. 예를 들면, 제 1 서브 전극 조립체(100_1)가 대향하는 전극 조립체(100)의 주면의 전극이 양극이라면, 제 1 서브 전극 조립체(100_1)의 전극(120_1)은 음극일 수 있다. 유사하게, 제 2 서브 전극 조립체(100_1)가 대향하는 전극 조립체(100)의 타 주면의 전극이 음극이라면, 제 2 서브 전극 조립체(100_2)의 전극(140_1)은 양극일 수 있다. 이를 위하여, 상기 서브 전극 조립체(100_1, 100_2)의 각 전극들(120_1, 140_1)은 적합한 집전층(121_1, 141_1)과 활물질(122_1, 142_1)을 가질 수 있으며, 이들 재료에 관하여는, 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.
서브 전극 조립체(100_1, 100_2)의 전기 절연층(110_1, 110_2)도 각각 베이스부(113_1, 113_2)를 가질 수 있으며, 베이스부(113_1, 113_2)의 해당 주면 상에 각각 누설 방지부(114_1, 115_1)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 누설 방지부(114_1, 115_1)는 베이스부(113_1, 113_2)의 각 주면으로부터 돌출된 양각 형태로 베이스부(113_1, 113_2)와 일체로 형성될 수 있다.
누설 방지부(114_1, 115_1)는 권취축 방향(A)에 수직한 가장자리의 적어도 일부를 개방하면서 다른 가장자리 부분을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 누설 방지부(114_1, 115_1) 내부에 해당 전극층과 리드가 안착되어 전기 절연층(110_1, 110_2) 외부로 리드가 노출될 수 있다. 일부 실시예에서, 누설 방지부(114_1, 115_1)는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이, "ㄷ" 패턴 또는 "L" 패턴을 갖도록 베이스부(113_1, 113_2)의 가장자리 상에 형성될 수 있다.
이와 같은 누설 방지부(114_1, 115_1)의 개방된 방향은 권취축 방향(A)에 수직한 방향, 즉, 롤 코어의 회전 중심에서 직경 방향으로 롤 구조 내에서 교번할 수 있다. 그 결과, 롤 구조의 양 단부(또는, 권취축 방향의 양단부)는 동일 극성을 갖는 각 전극에 접속된 리드가 연속적으로 노출되어 제공되는 복수의 리드겹을 가질 수 있다. 이들 리드겹을 롤 구조의 각 단부에서 서로 물리적으로 접촉시켜 전기적으로 연결함으로써 제 1 극성 공통 리드부(130A) 및 제 2 극성 공통 리드부(150A)를 제공할 수 있다. 이러한 제 1 극성 공통 리드부(130A) 및 제 2 극성 공통 리드부(150A)는 롤 코어(210) 및 케이스(220)의 끝단보다 외측으로 더 연장될 수 있다.
이와 같은 누설 방지부(114_1, 115_1)의 개방된 방향은 권취축 방향(A)에 수직한 방향, 즉, 롤 코어의 회전 중심에서 직경 방향으로 롤 코어 구조 내에서 교번할 수 있다. 그 결과, 롤 코어 구조의 양 단부(또는, 권취축 방향의 양단부)에는 동일 극성을 갖는 전극에 접속된 복수의 리드들이 노출될 수 있다. 이들 리드들은 서로 전기적으로 연결되어 제 1 극성 공통 리드부(130A) 및 제 2 극성 공통 리드부(150A)를 제공할 수 있다. 이러한 제 1 극성 공통 리드부(130A) 및 제 2 극성 공통 리드부(150A)는 롤 코어(210) 및 케이스(220)의 끝단보다 외측으로 더 연장될 수 있다.
제 1 극성 공통 리드부(130A) 및 제 2 극성 공통 리드부(150A)는 상부 방향(UP)과 하부 방향(DW)으로 노출된 리드들(도 2a 및 도 2b의 130, 150 참조)을 가접합하는 방식에 의해 제공될 수 있다. 이러한 제 1 극성 공통 리드부(130A) 및 제 2 극성 공통 리드부(150A)는 전지의 패키징을 용이하게 하고, 내부 저항을 감소시킬 수 있다. 이러한 가접합은 저항, 초음파, 레이저, 다른 융착, 압착, 클램프 또는 도전성 접착제를 이용하여 제공될 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
전극 조립체(101)는 권취 시작 영역(예를 들면, 최초로 롤 코어(210)를 1회 회전한 영역)에서는 전기 절연층(110)의 표면에 제 2 전극(140)(또는 제 1 전극(120))만이 형성되고, 권취 종단 영역(예를 들면, 마지막으로 롤 코어(210)를 1회 회전한 영역)에서도 전기 절연층(110)의 표면에 제 1 전극(120)(또는 제 2 전극(140))만이 형성됨으로써, 전기 화학적 반응 영역이 구현될 수 있다. 다른 관점에서, 권취 시작 영역에서 제 2 전극(140)이 위치된다면, 이와 인접한 외측에는 분리막(160)을 경계로 제 1 전극(120)이 배치된다. 또한, 권취 종단 영역에서 제 1 전극(120)이 위치된다면, 이와 인접한 내측에서는 분리막(160)을 경계로 제 2 전극(140)이 위치된다. 따라서, 낭비되는 전기 화학적 반응 영역 없이, 전극 조립체(101)의 접합 영역에 걸쳐 전기 화학적 반응 영역이 형성될 수 있다.
롤 코어(210) 및 케이스(220)의 길이(또는 높이)는 전극 조립체(101)의 길이(또는 높이)보다 상대적으로 더 길게(또는 높게) 형성되거나 또는 동일하게 형성됨으로써, 후술될 제 1 단자부 및 제 2 단자부가 용이하게 결합되도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤 구조를 포함하는 전지의 일 측에 제공된 제 1 단자부(230)를 도시한 평면도(VA)와 선VB-Vb'를 따라 절취된 확대 단면도(VB)이다.
도 5를 참조하면, 제 1 단자부(230)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 롤 구조의 일 측에 결합되어 양극 또는 음극용 외부 단자로서 역할을 할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 단자부(230)은 양극용 외부 단자일 수 있다.
제 1 단자부(230)는 제 1 커버(230A), 돌기(234) 및 제 1 단자(235)를 포함한다. 제 1 단자(235)는 제 1 공통 리드부(도 4의 130A 참조)에 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 제 1 커버(230A) 및 돌기(234)는 절연체일 수 있고, 제 1 단자(235)는 도전체일 수 있다.
제 1 커버(230A)는 롤 코어(210)에 연결되거나, 롤 코어(210)로부터 연장되어 형성된 내부 원통부(231) 및 케이스(220)에 연결되거나, 케이스(220)로부터 연장되어 형성된 외부 원통부(232)와, 내부 원통부(231) 및 외부 원통부(232)를 연결하는 연결부(233)를 포함한다. 돌기(234)는 연결부(233)에 형성되어 외측으로 일정 길이 돌출되며, 이는 평면상 원형으로 형성될 수 있다.
제 1 단자(235)는 하나의 내벽(235a) 및 2 개의 측벽(235b)을 갖는 대략 "∪"자 형태로 형성되며, 내벽(235a)에 1 공통 리드부(도 4의 130A 참조)가 전기적으로 접속될 수 있다. 제 1 단자(235)는 돌기(234)를 감싸는 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 내벽(235a)이 돌기(234)의 하부에 위치되고, 2 개의 측벽(235b)이 돌기(234)의 양측에 밀착된다. 그 결과, 제 1 단자(235)는 돌기 형태의 외형을 가질 수 있다.
일부 실시예에서는, 제 1 단자(235) 중 2 개의 측벽(235b)이 고효율의 충방전 전류가 흐를 수 있도록 직선형, 사선형, 나선형, 곡선형 등의 패턴이 형성된 굴절선으로 형성될 수 있고, 이에 따라 스프링 기능을 가질 수 있다. 또한, 이러한 2 개의 측벽(235b)에는 엠보싱, 돌기 및 다른 등가 구조물이 형성될 수도 있다. 일부 실시예에서, 제 1 단자(235)는 평상시 절연을 유지하도록 돌기(234)의 상부에 절연 마감부(236)가 형성될 수도 있으나, 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
일부 실시예에서, 제 1 단자(135)는 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게 제 1 단자(135)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
이러한 제 1 단자부(230)에는 전압 센싱부(237a) 및 온도 센싱부(238a) 중 어느 하나 또는 이들 모두가 결합될 수 있다. 예를 들면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 단자부(230)의 외부 원통부(232) 및 연결부(233)를 관통하여 전압 센싱부(237a)가 결합될 수 있으며, 이러한 전압 센싱부(237a)는 제 1 단자부(230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 전압 센싱부(237a)에 전기적으로 연결될 수 있도록 외부 원통부(232)에는 일정 깊이의 셀 전압 센싱 커넥터부(237b)가 형성될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 온도 센싱부(238a)는 제 1 단자부(230)의 외부 원통부(232) 및 연결부(233)를 관통하여 전지에 결합될 수 있으며, 이러한 온도 센싱부(238a)는 서미스터일 수 있으며, 전지 내부의 온도를 감지한다. 이러한 온도 센싱부(238a)에 전기적으로 연결될 수 있도록 외부 원통부(232)에는 셀 온도 센싱 커넥터부(237b)가 노출 형성될 수 있다.
이와 같이, 전압 센싱부(237a)로부터 감지된 전압과 온도 센싱부(238a)로부터 감지된 온도는 전지 관리 장치 또는 BMS(Battery Monitoring System)에 전달됨으로써, 전지의 과충전, 과방전 및 온도 상태가 효율적으로 관리될 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 센싱 커넥터부(237b) 및 온도 센싱 커넥터부(237b)의 형상 또는 그 주변을 서로 다르게 형성됨으로써, 해당 커넥터의 오삽입을 방지할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤 구조를 포함하는 전지의 타 측에 제공된 제 2 단자부(240)를 도시한 평면도(VIA)와 선 VIB-VIB'를 따라 절취한 확대 단면도(VIB)이다.
도 6을 참조하면, 제 2 단자부(240)는 제 2 커버(244) 및 제 2 단자(245)를 포함할 수 있다. 제 2 단자(245)는 제 2 리드(150)에 전기적으로 접속될 수 있다. 제 2 커버(244)는 절연체일 수 있으며, 제 2 단자(245)는 도전체일 수 있다. 제 2 단자부(240)는 양극 또는 음극용 외부 단자일 수 있으며, 바람직하게는 도 5를 참조하여 설명한 제 1 단자부(240)가 양극용 외부 단자인 경우, 제 2 단자부(240)는 음극용 외부 단자일 수 있다. 또는, 그 역일 수도 있다.
제 2 커버(244)는 롤 코어(210)에 연결되거나, 또는 롤 코어(210)로부터 연장되어 형성된 내부 원통부(241)와, 케이스(220)에 연결되거나, 또는 케이스(220)로부터 연장되어 형성된 외부 원통부(242)와, 내부 원통부(241) 및 외부 원통부(242)를 연결하는 연결부(미도시)를 포함한다.
제 2 단자(245)는 하나의 내벽(245a) 및 두개의 측벽(245b)을 갖는 "n"자 형태를 가질 수 있다. 내벽(245a)에 제 2 공통 리드부(150B)가 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 2 개의 측벽(245b)은 제 2 커버(240A)를 이루는 내부 원통부(241) 및 외부 원통부(242)의 내측면에 밀착될 수 있다. 따라서, 전체적으로 제 2 단자(245)는 요홈 구성을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 제 2 단자(245) 중 2 개의 측벽(245b)은 고율의 충방전 전류가 흐를 수 있도록 직선형, 사선형, 나선형, 곡선형 등의 패턴이 형성된 굴절선으로 형성될 수 있고, 이에 따라 스프링 기능을 가질 수 있다. 또한, 이러한 2 개의 측벽(245b)에는 엠보싱, 돌기 및 이의 등가 구조물이 형성될 수 있다.
제 2 단자(145)가 음극용 외부 단자인 경우, 예를 들면, 구리, 니켈, 티타늄, 스테인리스강, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제 2 단자(145)는 구리 또는 구리 합금일 수 있다.
도 7a은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지(200)의 단면도이고, 도 7b는 전지(200)의 사시도이며, 도 8은 복수의 전지들(200_1,200_2)이 직렬 연결된 구성을 도시하는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명에 따른 전지(200)는 전극 조립체(100), 전극 조립체(100)가 권취된 롤 코어(210), 전극 조립체(100) 및 롤 코어(210)가 결합된 외부 케이스(220), 롤 코어(210) 및 외부 케이스(220)의 일단에 기구적으로 결합되고, 전극 조립체(100) 중 제 1 전극(120)에 제 1 공통 리드부(130A)를 통하여 전기적으로 연결된 제 1 단자부(230), 롤 코어(210) 및 외부 케이스(220)의 타단에 기구적으로 결합되고, 전극 조립체(100) 중 제 2 전극(140)에 제 2 리드(150B)를 통하여 전기적으로 연결된 제 2 단자부(240)를 포함한다.
일부 실시예에서는, 제 1 단자부(230)와 제 2 단자부(240)를 도 6 및 도 7에 도시된 단자부의 형태로 각각 형성함으로써, 전지(200)의 제 2 단자부(240)가 다른 전지(200)의 제 1 단자부(230)에 직렬 또는 병렬로 용이하게 결합 및 분리될 수 있다. 이에 관하여는, 도 8을 참조하면, 예를 들면, 복수의 전지들(200_1, 200_2)의 직렬 연결을 위해, 화살표 K로 나타낸 바와 같이, 제 1 전지(200_1)의 제 2 단자부(240_1)의 외부 원통부가 제 2 전지의(200_2)의 제 1 단자부(230)의 외부 원통부의 내측에 삽입 결합될 수 있다. 마찬가지로, 제 1 전지(200_1)의 제 1 단자부(230_1)에도 다른 전지의 제 2 단자부가 삽입 결합될 수 있으며, 제 2 전지(200_1)의 제 2 단자부(240_2)에도 다른 전지의 제 1 단자부가 삽입 결합되어 전지들의 직렬 연결을 달성할 수 있다.
제 1 단자부(230)의 돌기(234)가 제 2 단자부(240)가 이루는 요홈에 결합된다. 그 결과, 제 1 단자(235) 및 제 2 단자(245)가 상호간 접촉함으로써, 제 1 단자(235) 및 제 2 단자(245)가 별도의 버스 구조 없이 상호간 전기적으로 연결될 수 있다. 필요에 따라, 제 1 단자(235) 및 제 2 단자(245)가 스프링 기능을 갖도록 형성된 경우, 상호간 기구적으로 결합의 강도와 체결을 용이하게 할 수도 있다.
일부 실시예에서는, 롤 코어(210) 및/또는 제 1, 2 단자(235, 245)의 내부 원통부(231,241)는 연결되어 있으며, 파이프 형태를 가질 수 있다. 그 결과, 전지의 냉각을 위해 공냉식 또는 수냉식 냉매가 통과할 수 있는 유로(210)가 제공될 수 있으며, 이에 따라 전지(200, 300)의 중심부에 축적되는 열이 효율적으로 발산되고, 전지(200, 300)의 열적 평형을 유지하여 전지(200, 300)의 내열성이 향상될 수 있다. 또한, 복수의 전지들이 직렬로 연결되더라도 도 8에 도시된 바와 같이, 중심선(CL)을 따라 연속적인 유로(210H)가 제공될 수 있다.
또한, 이러한 구조는 다수의 전지(200)가 직렬 또는 병렬로 연결되어 모듈 또는 팩을 이룰 때, 별도의 중심 핀 없이 중심 지지체 또는 구조체 기능을 하여, 모듈 또는 팩의 기구적 강성을 향상시킬 수도 있다.
전지(200, 300)의 외부로 노출되는 롤 코어(210)의 영역 및 케이스(220)의 영역은 절연 처리될 수 있다. 롤 코어(210) 및 케이스(220)가 도전체로 형성될 경우, 외부로 노출되는 롤 코어(210)의 영역 및 케이스(220)의 영역에는 절연 피막이 형성될 수 있다. 그러나, 롤 코어(210) 및 케이스(220)가 절연체로 형성될 경우 이러한 절연 피막은 생략될 수도 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 전지(200, 300)는 외부의 기기 또는 시스템과의 전기적 절연을 신뢰성있게 확보할 수 있으며, 전기적 단락이 방지되어 외부의 기기 또는 시스템의 회로 설계가 쉬워 진다.
일부 실시예에서, 롤 코어(210), 케이스(220), 제 1 단자부(230) 및 제 2 단자부(240)로 둘러 싸여진 공간, 예를 들면, 롤 구조의 전극 조립체(100)가 배치되는 공간에는 전해액이 주입될 수 있다. 예를 들면, 수산화칼륨(KOH), 브롬화칼륨(KBr), 염화칼륨(KCl), 염화아연(ZnCl2) 및 황산(H2SO4)과 같은 염을 포함하는 수계 전해액을 롤 구조에 흡습시켜, 전지(200, 300)를 활성화할 수도 있다. 또한, 프로필렌카보네이트 또는 에틸렌카보네이트 등의 고유전율 카보네이트 용매와, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트 또는 디메틸카보네이트 등의 저점도 카보네이트 용매와의 혼합용매에 LiBF4, LiPF6 등의 리튬 전해질을 혼합한 비수계 전해액이 롤 구조에 흡습되어, 전지(200, 300)가 활성화될 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 전지(200, 300) 사용 중의 안정성 및/또는 전력 공급 특성을 제어하기 위한 적합한 전지(200) 운영 시스템(battery managing system)이 추가적으로 결합될 수 있다.
전술한 전지(200, 300)의 제조는 전극 조립체(110)의 형성 단계, 전극 조립체(110)의 권취 단계, 전극 조립체(110)의 결합 단계, 제 1 단자부(230)의 결합 단계, 전해액의 주액 단계 및 제 2 단자부(240)의 결합 단계에 의해 수행될 수 있다. 전극 조립체(110)의 형성 단계에서는, 제 1 주면(111) 및 이의 반대인 제 2 주면(112)을 갖는 전기 절연층(110); 전기 절연층(110) 중 제 1 주면(111)에 형성된 제 1 전극(120); 제 1 전극(120)에 전기적으로 연결되고, 전기 절연층(110)의 외측으로 연장된 제 1 리드(130); 전기 절연층(110) 중 제 2 주면(112)에 형성된 제 2 전극(140); 제 2 전극(140)에 전기적으로 연결되고, 제 1 리드(130)와 반대인 전기 절연층(110)의 외측으로 연장된 제 2 리드(150); 및 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140) 중 적어도 어느 하나에 밀착된 분리막(160)으로 이루어진 전극 조립체(110)를 제공할 수 있다. 전극 조립체(110)의 권취 단계에서는 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)이 분리막(160)을 사이에 두고 서로 대향하여 전기 화학적 반응 영역을 형성하도록, 롤 코어(210)를 권취축으로 하여 전극 조립체(110)가 권취될 수 있다.
전극 조립체(110)의 결합 단계에서는, 롤 코어(210)에 권취된 전극 조립체(110)가 케이스(220)에 결합된다. 제 1 단자부(230)의 결합 단계에서는, 롤 코어(210) 및 케이스(220)의 일단에 제 1 단자부(230)(또는 제 2 단자부)를 기구적으로 결합하는 동시에, 전극 조립체(110)를 제 1 단자부(230)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전해액 주액 단계에서는, 롤 코어(210), 케이스(220) 및 제 1 단자부(230)에 의해 정의된 공간 즉, 전극 조립체(110)가 배치한 내부 공간에 전해액이 주입될 수 있다.
제 2 단자부(240)의 결합 단계에서는, 롤 코어(210) 및 케이스(220)의 타단에 제 2 단자부(240)(또는 제 1 단자부)를 기구적으로 결합하는 동시에, 전극 조립체(110)가 제 2 단자부(240)에 전기적으로 연결된다. 전해액 주액 단계는 제 1,2 단자부(230,240)의 결합 이후, 케이스(220), 제 1 단자부(230) 또는 제 2 단자부(240)에 별도로 구비된 주액구에 전해액을 주액하여 이루어질 수도 있다. 일부 실시예에서, 분리막(160) 자체가 전해액을 포함하는 경우, 이러한 전해액 주액 단계는 생략될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전지는, 향상된 에너지 밀도와 가공성 때문에 컴퓨터, 디스플레이 장치, 휴대폰과 같은 소형 전자 장치의 소형 전지로서 응용되거나, 부피를 증가시킴으로써 고용량화하여 자동차의 동력원 또는 전력 저장을 위한 중대형 전지로서 응용될 수 있을 것이다. 전술한 개시 사항들은 모순되지 않는 한, 복수의 실시예들이 서로 대체되거나 조합되어 실시될 수 있다. 예를 들면, 도 1의 롤 구조와 도 4의 서브 전극 조립체를 포함하는 롤 구조는 상호 교환적으로 실시될 수 있으며, 서브 전극 조립체는 1개 또는 3개 이상일 수 있으며, 이 경우, 전극 조립체를 반복 적층하고 일 측 또는 양 측에 서브 전극 조립체가 제공될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
부호의 설명
100; 전극 조립체 100_1, 100_2: 서브 전극 조립체
110; 전기 절연층 111; 제 1 주면
112; 제 2 주면 113; 베이스부
114; 제 1 누설 방지부 115; 제 2 누설 방지부
120; 제 1 전극 121; 제 1 집전층
122; 제 1 활물질층 130; 제 1 리드
140; 제 2 전극 141; 제 2 집전층
142; 제 2 활물질층 150; 제 2 리드
160; 분리막 200; 본 발명에 따른 전지
210; 롤 코어 220; 케이스
230; 제 1 단자부 230A: 제 1 커버
231; 내부 원통부 232; 외부 원통부
233; 연결부 234; 돌기
235; 제 1 단자 235a; 내벽
235b; 측벽 236; 절연 마감부
237a; 전압 센싱부 237b; 전압 센싱 커넥터부
238a; 온도 센싱부 238b; 온도 센싱 커넥터부
240; 제 2 단자부 240A: 제 2 커버
241; 내부 원통부 242; 외부 원통부
245; 제 2 단자 245a; 내벽
245b; 측벽

Claims (29)

  1. 제 1 주면 및 상기 제 1 주면에 반대되는 제 2 주면을 갖는 베이스부를 포함하는 전기 절연층;
    상기 전기 절연층의 상기 제 1 주면에 형성된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 1 리드;
    상기 전기 절연층의 상기 제 2 주면에 형성되고 상기 제 1 전극과 극성이 다른 제 2 전극;
    상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 리드의 연장 방향과 반대방향으로 연장된 제 2 리드; 및
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나 상에 분리막을 포함하며,
    상기 전기 절연층은 베이스부의 상기 제 1 주면의 가장자리의 적어도 일부를 따라 형성된 제 1 누설 방지부 및 상기 제 2 주면의 가장자리의 적어도 일부를 따라 형성된 제 2 누설 방지부를 포함하며,
    상기 전기 절연층이 상기 제 1 리드와 상기 제 2 리드의 연장 방향과 평행한 권취축을 기준으로 적어도 1회 이상 권취된 롤 구조를 갖는 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 누설 방지부는 상기 베이스부의 가장자리 중 적어도 상기 권취축의 상기 제 2 리드의 연장 방향 측에 수직한 가장자리를 둘러싸고,
    상기 제 2 누설 방지부는 상기 베이스부의 가장자리 중 적어도 상기 권취축의 상기 제 1 리드의 연장 방향 측에 수직한 가장자리를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 누설 방지부는 상기 제 1 리드가 배치되는 가장자리를 제외한 나머지 가장자리를 둘러싸도록 형성되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 1 리드가 상기 제 1 누설 방지부의 내측에 안착되고,
    상기 제 2 누설 방지부는 상기 제 2 리드가 배치되는 가장자리를 제외한 나머지 가장자리를 둘러싸도록 형성되고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 2 리드가 상기 제 2 누설 방지부의 내측에 안착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은,
    상기 제 1 주면에 형성된 제 1 집전층; 및
    상기 제 1 집전층에 형성된 제 1 활물질층을 포함함을 특징을 하는 전극 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 리드는 상기 제 1 집전층에 직접 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 리드는 상기 제 1 집전층과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은,
    상기 제 2 주면에 형성된 제 2 집전층; 및
    상기 제 2 집전층에 형성된 제 2 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 리드는 상기 제 2 집전층에 직접 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 리드는 상기 제 2 집전층과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는
    베이스부를 포함하는 전기 절연층; 상기 전기 절연층의 일 주면 상에 형성되고, 상기 전극 조립체의 상기 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 어느 하나에 대향하며 반대 극성을 갖는 제 3 전극; 및 상기 제 3 전극에 전기적으로 연결되고 상기 전기 절연층의 외측으로 연장되어 돌출된 제 3 리드를 포함하는 서브 전극 조립체와 상기 전극 조립체의 해당 전극 사이에 추가적인 분리막을 사이에 두고 권취되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 서브 전극 조립체는, 상기 서브 전극 조립체의 상기 전기 절연층의 일 주면의 가장자리의 적어도 일부를 따라 형성된 누설 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤 구조의 양 단부에 각각 연속적으로 노출된 상기 제 1 리드 및 상기 제 2 리드 중 적어도 어느 하나에 의해 제공되는 복수의 리드겹을 서로 물리적으로 접촉시켜 전기적으로 연결함으로써 공통 리드부를 제공하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 상기 롤 구조의 최내측에 배치되는 전극은 다른 전극에 비하여 상기 권취축으로부터 더 멀리 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연층은 가요성을 갖는 천연 또는 합성의 가요성 수지계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 기재된 전극 조립체;
    상기 전기 절연층의 일단에 상기 권취축과 평행한 방향으로 배치되는 롤 코어; 및
    상기 전극 조립체 및 상기 롤 코어를 수용하는 케이스를 포함함을 특징으로 하는 전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 롤 코어는 내부가 비어 있는 원통형 또는 각형의 파이프인 것을 특징으로 하는 전지.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 롤 코어는 내부가 비어 있는 원통형 또는 각형의 파이프인 것을 특징으로 하는 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 롤 코어의 내부는 상기 전지를 냉각시키기 위한 냉각 유로를 제공하는 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 롤 코어 및 상기 케이스는 상기 전극 조립체와 접촉하지 않는 표면에 절연 피막이 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 롤 코어 및 상기 케이스의 일측에 상기 제 1 리드와 전기적으로 연결된 제 1 단자부를 더 포함함을 특징으로 하는 전지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 단자부는,
    상기 롤 코어 및 상기 케이스를 덮는 제 1 커버;
    상기 제 1 커버로부터 외측으로 연장된 돌기; 및
    상기 제 1 커버 및 상기 돌기에 결합되고, 상기 제 1 리드에 전기적으로 연결된 제 1 단자를 포함함을 특징으로 하는 전지.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 롤 코어 및 상기 케이스의 타측에 상기 제 2 리드와 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 더 포함함을 특징으로 하는 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 단자부는,
    상기 롤 코어 및 상기 케이스를 덮는 제 2 커버; 및
    상기 커버에 결합되고, 상기 제 2 리드에 전기적으로 연결된 제 2 단자를 포함함을 특징으로 하는 전지.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 롤 코어 및 상기 케이스의 일측에 상기 제 1 리드와 전기적으로 연결된 제 1 단자부; 및
    상기 롤 코어 및 상기 케이스의 타측에 상기 제 2 리드와 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 더 포함하며,
    상기 제 1 단자부 및 상기 제 2 단자부는 상호간 삽입 결합 및 분리 가능한 요홈을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 단자부 중 적어도 어느 하나에 전압 센싱부가 결합된 것을 특징으로 하는 전지.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 단자부 중 적어도 어느 하나에 온도 센싱부가 결합된 것을 특징으로 하는 전지.
  27. 제 1 주면 및 상기 제 1 주면에 반대되는 제 2 주면을 갖는 베이스부를 포함하는 전기 절연층; 상기 전기 절연층의 상기 제 1 주면에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전기 절연층의 외측으로 연장된 제 1 리드; 상기 전기 절연층의 상기 제 2 주면에 형성되고 상기 제 1 전극과 극성이 다른 제 2 전극; 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 리드의 연장 방향과 반대방향으로 연장된 제 2 리드; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 어느 하나에 밀착된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 상기 분리막을 사이에 두고 서로 대향하여 전기 화학적 반응 영역을 형성하도록, 롤 코어를 권취축으로 하여 롤 구조를 갖도록 상기 전극 조립체를 권취하는 단계; 및,
    상기 롤 코어에 권취된 전극 조립체를 케이스에 결합하는 단계를 포함하는 지의 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 전기 절연층은 베이스부의 상기 제 1 주면의 가장자리의 적어도 일부를 따라 형성된 제 1 누설 방지부 및 상기 제 2 주면의 가장자리의 적어도 일부를 따라 형성된 제 2 누설 방지부를 포함하는 전지의 제조 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 롤 구조의 양 단부에 각각 연속적으로 노출된 상기 제 1 리드 및 상기 제 2 리드 중 적어도 어느 하나에 의해 제공되는 복수의 리드겹을 서로 물리적으로 접촉시켜 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 제조 방법.
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