WO2014077469A1 - 단면 음극을 포함하는 단차를 갖는 전극 조립체 - Google Patents

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WO2014077469A1
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electrode
electrode assembly
coated
cathode
active material
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PCT/KR2013/002146
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권성진
김동명
김기웅
안순호
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주식회사 엘지화학
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly having a step, and more particularly to an electrode assembly with improved design freedom in the direction of the stack thickness of the electrode assembly.
  • the electrode assembly having a step has a structure as shown in FIG. 1.
  • the positive electrode 11 or the negative electrode 13 is disposed on both surfaces thereof as the outermost electrode.
  • the positive electrode active material is applied only to one surface of the positive electrode current collector from the viewpoint of battery safety due to lithium deposition, etc., and the single-side coated positive electrode 11 on which the positive electrode active material is not coated is It is used.
  • the negative electrode 13 is arranged as the outermost electrode, as shown in FIG. 2, the negative electrode active material layer 5 having the negative electrode active material coated on both surfaces of the negative electrode current collector 3. Double-coated cathode 13 comprising a is used.
  • the thickness of the negative electrode active material layer 5 formed by coating an electrode active material on both surfaces of the negative electrode current collector 3 is shown. As much as the battery thickness is increased, it acts as a factor that inhibits the degree of freedom in shape of the electrode assembly 1 in the thickness direction.
  • the electrode active material on one side of the negative electrode 13 disposed on the outermost electrode of the electrode assembly 1 does not contribute to the expression of the battery capacity, the battery capacity expression as much as the thickness of the negative electrode active material layer 5 on one side cannot be expected. As a result, battery capacity loss per unit volume is caused. Furthermore, despite not contributing to the expression of the battery capacity, applying both surfaces with the negative electrode active material increases the amount of the negative electrode active material, causing economic losses.
  • the battery capacity per unit volume is increased by applying the single-side coated negative electrode instead of the conventional double-coated negative electrode, and the amount of the electrode active material can be reduced, and further, the electrode
  • An object of the present invention is to provide an electrode assembly having a relatively high degree of shape freedom in the thickness direction of the assembly.
  • the present invention is to provide an electrode assembly with improved shape freedom in the thickness direction of the electrode assembly, the electrode assembly of the present invention on both sides of at least one positive electrode and the negative electrode current collector is coated on both sides of the positive electrode current collector At least one negative electrode coated with a negative electrode active material alternately stacked in a vertical direction with respect to a plane bordering the separator, wherein the electrode assembly has a different polarity from the first electrode on the first electrode and a different area; And a step formed by stacking second electrodes, wherein at least one of the outermost electrodes positioned on both sides of the electrode assembly is coated with a negative electrode active material on one surface thereof, and the other surface is a single-side coated negative electrode having a plain portion, and the plain portion of the electrode assembly It provides an electrode assembly disposed facing outward.
  • a large area electrode of the first electrode and the second electrode is a cathode.
  • the electrode assembly of the present invention may be formed to include two or more electrode units having different areas, wherein the electrode unit includes a single electrode; At least one unit cell including at least one anode, at least one cathode, and at least one separator; And it may be made of one or more selected from the group consisting of a combination thereof, wherein the unit cell may be selected from the group consisting of jelly-roll type, stack type, lamination and stack type and stack and folding type unit cell
  • the unit cells may have the same polarity or different polarities of two electrodes disposed on outermost both surfaces thereof.
  • the electrode assembly of the present invention may have a structure in which a single electrode and part or all of the unit cells constituting the electrode units are surrounded by at least one long sheet-like separation film.
  • the electrode units of the present invention may include at least one electrode tab, wherein the electrode tabs are electrically connected to electrodes of the same polarity.
  • the electrode tabs may have the same size or may have different sizes depending on the area of the electrode unit.
  • the electrode assembly may be one outermost electrode is coated with a positive electrode active material on one surface, the other surface may be a single-sided coated anode that is a plain portion, the plain portion may be disposed to face the outside of the electrode assembly.
  • the electrode assembly of the present invention may be stacked so that the electrode area is reduced or increased in a direction perpendicular to the plane to form a step.
  • the present invention also provides a secondary battery including the electrode assembly as described above.
  • the electrode assembly may be embedded in a battery case, and in this case, the battery case may be a pouch type case.
  • the secondary battery may be a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery.
  • the present invention provides a battery pack including two or more secondary batteries.
  • the present invention provides a device comprising at least one secondary battery, the device is a mobile phone, portable computer, smart phone, smart pad, netbook, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, hybrid electric vehicle, plug- Phosphorus hybrid electric vehicle, or a power storage device.
  • LEV Light Electronic Vehicle
  • electric vehicle hybrid electric vehicle
  • plug- Phosphorus hybrid electric vehicle or a power storage device.
  • the amount of the negative electrode active material can be reduced by using the single-coated negative electrode coated with the negative electrode active material on only one surface of the negative electrode current collector, and thus the unit body is economical. Appropriate battery capacity can be increased.
  • the thickness of the electrode assembly can be reduced by the thickness of the electrode active material layer, so that an electrode assembly having a relatively excellent shape freedom in the electrode assembly thickness direction can be obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an electrode assembly having a step.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section of a negative electrode having an electrode active material coated on both surfaces of a negative electrode current collector plate.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section of an electrode assembly having a step in which the double-coated cathode of FIG. 2 is applied as an outermost electrode on both sides of the electrode assembly.
  • FIGS 4 to 6 are cross-sectional views schematically showing the cross-section of the electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which the single-coated cathode according to the present invention is used as the outermost electrode on both sides of the electrode assembly.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section of a single-side coated negative electrode coated with a negative electrode active material only on one surface of a negative electrode current collector according to the present invention.
  • 8 to 10 are diagrams showing implementations of lamination and stack unit cells of the present invention.
  • the inventors of the present invention have continued to provide an electrode assembly having improved shape freedom in the thickness direction, and as a result, the use of a single-side coated cathode coated with an electrode active material on only one surface as a cathode located at the outermost part of the electrode assembly allows the shape freedom of the electrode assembly. It has been found that the present invention can be improved and the present invention has been completed.
  • At least one positive electrode 11 coated with a positive electrode active material on both surfaces of a positive electrode current collector and a negative electrode active material layer 5 coated with a negative electrode active material on both sides of a negative electrode current collector 3 are provided.
  • An electrode assembly (1) comprising at least one cathode (13) comprising alternately stacked on the separator 19 in a direction perpendicular to the plane, the electrode assembly (1) is the first electrode on the first electrode
  • An object of the present invention is to provide an electrode assembly 1 including a step formed by stacking second electrodes having different polarities and different areas.
  • the boundary where the step is formed is preferably the cathode 13 and the anode 11 facing the separator 19.
  • the battery capacity can be expressed at the boundary portion, and the battery capacity can be increased.
  • the boundary portion at which the step is formed is arranged so that the cathode 13 has an electrode having a relatively large area as shown in FIGS. 4 to 6.
  • the positive electrode 11 contains lithium as a positive electrode active material.
  • the positive electrode 11 is disposed as a large-area electrode, lithium of the positive electrode active material may precipitate during charging and discharging of the battery, thereby impairing battery safety.
  • Battery safety can be attained by arrange
  • FIG. 4 is a view illustrating an example in which the electrode assembly 1 is formed using the bicells 21 and 23, and FIG. 5 is a stack of the lowermost electrode stacks using the bicells 21 and 23.
  • the electrode laminated body of more than a layer is a figure which shows an example assembled using the monocell 25.
  • the negative electrode 13 disposed at the outermost portion of the electrode assembly 1 has a negative electrode active material layer coated with a negative electrode active material only on one surface of the negative electrode current collector 3 as shown in FIG. 7. It is preferable to use the single-side coating negative electrode 15 which is (5) and which is the plain part to which the negative electrode active material is not apply
  • the single-coated cathode 15 is used as the outermost electrode of the electrode assembly 1, as shown in FIGS. 4 to 6, the negative electrode active material layer 5 is separated from the separator ( 19 may be stacked to face the positive electrode active material layer of the positive electrode 11, and the plain portions may face the outside of the electrode assembly 1.
  • the single-coated cathode 15 as proposed in the present invention is the outermost electrode of the electrode assembly 1. Even if used, it does not affect battery capacity.
  • the thickness of the electrode assembly 1 may be made thinner by the thickness of the negative electrode active material applied on the negative electrode current collector 3.
  • the thickness of the electrode assembly 1 is determined by [(double-side coated cathode thickness-cathode current collector thickness). / 2] can be reduced. Therefore, when the single-coated cathode 15 is used, the degree of freedom in shape in the thickness direction can be improved as compared with the case of using the double-coated cathode 13.
  • the electrode assembly 1 having a step when the thickness of each electrode laminate is required to be formed in a special dimension according to the device shape in which the secondary battery is used, it is required by using such a single-coated cathode 15. It is possible to obtain an electrode assembly 1 corresponding to the shape to be able to cope more effectively.
  • the positive electrode 11 when the positive electrode 11 is disposed as the outermost electrode, a single-coated positive electrode having a positive electrode active material coated on only one surface of the positive electrode current collector is used. It is to prevent the problem of precipitating during discharge and deteriorating battery safety, and can be said to have nothing to do with securing shape freedom in the thickness direction.
  • the single-coated negative electrode 15 used in the present invention is not particularly limited as long as the negative electrode active material is coated on only one surface of the negative electrode current collector 3. Therefore, it is possible to use a coating of an active material commonly used as a negative electrode active material on one surface of the negative electrode current collector 3 which is commonly used.
  • the negative electrode current collector 3 that can be used in the present invention, for example, but not limited thereto, one produced by copper, nickel, aluminum, or a combination thereof can be used.
  • the negative electrode active material applied to one surface of the negative electrode current collector 3 is not limited thereto.
  • lithium metal, lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, graphite, silicon compound, tin compound , At least one selected from a titanium compound or an alloy thereof can be used.
  • the cathode 13 may be disposed on both sides of the electrode assembly 1, and the cathode 13 may be disposed only on one surface thereof.
  • the single-coated cathode 15 may be used only on one side according to the shape of the electrode assembly 1 required, and the double-coated negative electrode 13 may be used on the other side, as shown in FIGS. 4 to 6.
  • Single sided coated cathodes 15 may be used on both sides.
  • the outermost electrodes positioned on both surfaces may be single-side coated electrodes.
  • the number of stages of the electrode assembly 1 is not particularly limited.
  • the electrode assembly 1 of the present invention may be composed of three layers as shown in FIGS. 4 and 5, or may be composed of two layers as shown in FIG. 6.
  • the electrode structure which comprises one layer of an electrode assembly is called an electrode unit for convenience. That is, in the present invention, the 'electrode unit' refers to the basic unit constituting one layer in the stepped electrode assembly of the present invention, the electrode assembly 1 of the present invention is shown in FIG. As described above, it may be composed of two kinds of electrode units having different areas, or may be composed of three kinds of electrode units having different areas, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the electrode assembly of the present invention may include four or more electrode units.
  • each of the electrode units includes a single electrode such as a cathode or an anode; At least one unit cell including at least one cathode, at least one anode, and at least one separator; Or a combination thereof.
  • the term 'unit cell' is a concept including all of the electrode stack including at least one cathode, at least one anode and at least one separator, the method of laminating the cathode, anode and separator in a unit cell It is not specifically limited.
  • the term 'unit cell' may include: an electrode laminate manufactured by a jelly-roll method, which is manufactured by spirally winding a sheet-type anode and a sheet-type anode using a separator film; At least one cathode, at least one separator, and at least one anode, in which a stack is manufactured by stacking an electrode; Or a plurality of electrode stacks manufactured by a stack and folding method of disposing a single electrode and / or at least one electrode stack in which at least one anode, separator, and cathode are stacked on a long sheet-type separation film, and then folding the stack. It should be understood.
  • the unit cells such as the structure of the anode / separator / anode / separator / anode or the structure of the cathode / separator / anode / separator / cathode, etc.
  • the electrodes disposed on both sides may have the same polarity (see 21 and 23), and the outermost sides of the unit cell, such as anode / separator / cathode or anode / separator / cathode / separator / anode / separator / cathode
  • the electrodes placed may be of opposite polarities (see 25).
  • the electrode stack manufactured by the stacking method is not only manufactured by the conventional method of sequentially stacking anodes, separators, and cathodes one by one, but also one or more anodes, one or more cathodes, and one or more separators.
  • lamination to form an electrode unit it is to be understood as a concept including an electrode laminate manufactured by a method of stacking the electrode units (hereinafter, referred to as a 'lamination and stack method').
  • the electrode unit when manufacturing an electrode laminate by the lamination and stack method, the electrode unit may be one including at least one anode, at least one cathode and at least one separator, the configuration is not particularly limited.
  • the electrode unit when manufacturing the electrode stack by lamination and stack method, is the first electrode / separator / second electrode / separator or separator / first electrode / separator / second electrode It is preferably configured to include a basic structure consisting of.
  • the electrodes having different polarities of the first electrode and the second electrode may be an anode or a cathode, and the electrode unit may include one or a plurality of basic structures.
  • the electrode laminate of the lamination and stack method may be composed of only the electrode unit including the above-described basic structure, or may be used in combination with the electrode unit having the basic structure and an electrode structure of a different structure.
  • FIG. 8 illustrates a lamination and stack type electrode stack including electrode units 710 having a basic structure of a separator 60, a cathode 50, a separator 60, and an anode 40.
  • the basic structure is disclosed as a separator / cathode / separator / anode in FIG. 8, the basic structure of the separator / anode / separator / cathode may be formed by changing positions of the anode and the cathode. Meanwhile, as shown in FIG.
  • the anode when the basic structure of the electrode unit is a separator / cathode / separator / anode, the anode is exposed to the outermost portion of the electrode stack without a separator, and thus, when using such a basic structure,
  • the positive electrode exposed to the outer shell may be preferable to use a single-side coated positive electrode that is not coated with the active material on the exposed surface when designing an electrode in consideration of capacity.
  • the electrode units are disclosed as having one basic structure, the present invention is not limited thereto, and two or more basic structures may be used as one electrode unit.
  • FIG. 9 illustrates the electrode unit 810 having the basic structure of the separator 60, the cathode 50, the separator 60, and the anode 40, and the separator 60, the cathode 50, and the separator 60.
  • An electrode stack is shown in which the electrode structures that are made are stacked.
  • the anode 50 may be prevented from being exposed to the outside.
  • an electrode structure composed of a separator / anode / separator structure may be stacked on top of the electrode unit, in which case the capacity of the cathode may be used to the maximum.
  • FIG. 10 illustrates electrode units 810 ′ having a basic structure of a cathode 50, a separator 60, an anode 40, and a separator 60, and a cathode 50, a separator 60, and an anode 40.
  • An electrode laminate in which an electrode structure 820 'having a structure of a separator 60 / cathode 50 is stacked is shown.
  • an electrode structure 820 ′ having a structure of a cathode 50, a separator 60, an anode 40, a separator 60, and a cathode 50 may be stacked on the outermost surface of the electrode stack. In this case, not only can the anode be prevented from being exposed to the outside, but also the electric capacity can be increased.
  • the electrode stacks manufactured by the lamination and stack method are different from each other in arrangement and configuration with a single electrode, a separator, or the above-described electrode units together with the electrode units having the above-described basic structure.
  • Unit cells may be used in combination.
  • a single electrode, single-side coating on the outermost side and / or both sides of the electrode laminate in terms of improving the battery capacity and / or side to prevent the positive electrode is exposed to the outside Unit cells different in arrangement and configuration from an electrode, a separator, or the above electrode units may be disposed.
  • 9 and 10 illustrate that electrode structures having different structures are stacked on top of the electrode stack.
  • the present invention is not limited thereto, and electrode structures having other structures may be stacked below the electrode stack as necessary.
  • electrode structures having different structures may be stacked on both top and bottom portions thereof.
  • the term 'stack and folding', the first electrode and / or at least one or more of the positive electrode, the separator, the negative electrode stacked on the sheet-like separation film is placed and folded
  • the folding method is not particularly limited, and various folding methods well known in the art, for example, folding a sheet-like separation film in a zigzag form (referred to as Z-folding or folding type), At least one negative electrode and the positive electrode are laminated on one surface of the sheet-shaped separation film via a separator, and then rolled or rolled, or single electrodes are alternately arranged on both sides of the sheet-type separation film, and then the sheet-type separation film is
  • Z-folding or folding type folding a sheet-like separation film in zigzag form
  • At least one negative electrode and the positive electrode are laminated on one surface of the sheet-shaped separation film via a separator, and then rolled or rolled, or single electrodes are alternately arranged on both sides of the sheet-type separation film, and then the sheet-type separation film is
  • a unit cell manufactured by a jelly-roll method is a jelly-roll-type unit cell
  • a unit cell manufactured by a stack method is a stack-type unit cell
  • a unit cell manufactured by a stack-and-fold method is a stack-folding unit. This is referred to as a cell.
  • the difference in the area of the electrode units may be a level that can form a step when the electrode units are stacked, and is not particularly limited, and may be freely adjusted in consideration of a desired battery design and the like.
  • a relatively narrow electrode unit when comparing two electrode units included in an electrode assembly, is about 100% of an area of a relatively large electrode unit. It may have an area in the range of 20% to 95%, preferably in the range of about 30 to 90%.
  • each electrode unit may be the same or different from each other, and is not particularly limited.
  • an electrode unit having a relatively large area may have a thickness thinner than an electrode unit having a relatively small area, or may have a thick thickness.
  • the electrode assembly of the present invention by disposing the electrodes of different polarities at the interface between the electrode units having different areas, it is possible to store electricity at the interface between the electrode units, resulting in an increase in capacitance Bring it.
  • the term “opposed” means that the two electrodes are disposed to face each other, and the two opposing electrodes do not have to be in contact with each other, and other components between the two electrodes, for example, a separator and It is a concept encompassing the case where the sheet-type separation film is interposed.
  • the electrode units may include at least one electrode tab.
  • the electrode unit is configured as a single electrode, only one electrode tab is provided.
  • both the negative electrode tab and the positive electrode tab are generally provided.
  • the electrode tabs are electrically connected to electrodes of the same polarity.
  • the area, the arrangement position, and the like of the electrode tabs are not particularly limited.
  • taping may be performed on the electrode tab portion for the purpose of protecting the electrode tab or exposing the electrode tab to the outside.
  • the electrode tabs provided in the respective electrode units may have the same or different areas.
  • the electrode units included in the electrode assembly have the same area, it was common to use electrode tabs having the same area.
  • two or more types of electrode units having different areas are included, and thus the electrode tabs optimized for each electrode unit are optimized. May vary in size. Therefore, in the electrode assembly of the present invention, it may be more advantageous to maximize the capacitance by selecting electrode tabs having different areas depending on the area of the electrode unit.
  • the electrode tabs may be disposed at various positions, for example, some or all of the electrode tabs having the same polarity may be disposed to overlap.
  • the electrode tabs having the same polarity in order to facilitate the electrical connection of the electrode tabs after insertion of the battery case, it was common to arrange the electrode tabs having the same polarity to overlap. In this case, however, when the number of electrode stacks increases, the thickness of the electrode tabs becomes thick, which may cause a problem of inferior bonding between the electrode tabs. If only some of the electrode tabs are not overlapped with each other, the above problems may be substantially reduced.
  • the shape of the electrode assembly having a step provided by the present invention is not particularly limited, but may have a form of decreasing the electrode area in the vertical direction with respect to the plane, of course, may have a form of increasing.
  • the electrode area of the central portion may have a laminated form in which the electrode area becomes smaller as it goes to the outside, and may have a laminated form in which the electrode area becomes smaller toward the center.
  • the stacked form of the electrode assembly 1 may be regular, such as having a predetermined pattern, but may be irregular, and is not particularly limited.
  • the battery cell of a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery can be manufactured.
  • the electrode assembly may be embedded in a battery case, and the battery case may be a pouch type.
  • the pouch-type case may be formed of a laminate sheet, wherein the laminate sheet may be formed of an outer resin layer forming an outermost shell, a barrier metal layer preventing penetration of materials, and an inner resin layer for sealing. It doesn't happen.
  • the battery case is preferably formed of a structure in which an electrode lead for electrically connecting the electrical terminals of the electrode units of the electrode assembly is exposed to the outside, and although not shown, the electrode lead is protected on the upper and lower surfaces of the electrode lead. An insulating film for attaching may be attached.
  • the battery case may be formed in a shape corresponding to the shape of the electrode assembly of the present invention
  • the shape of the battery case may be formed in a manner that is formed by deforming the battery case itself.
  • the shape and size of the battery case do not have to be exactly the same as the shape and size of the electrode assembly, and may be any shape and size that can prevent the internal short circuit caused by the sliding of the electrode assembly.
  • the shape of the battery case of the present invention is not limited thereto, and battery cases of various shapes and sizes may be used as necessary.
  • a battery pack including two or more battery cells including the electrode assembly of the present invention can be obtained, and a device including one or more of the battery cells can be obtained.
  • the device may be a mobile phone, a portable computer, a smartphone, a smart pad, a netbook, a LEV (Light Electronic Vehicle), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.
  • LEV Light Electronic Vehicle

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Abstract

본 발명은 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 양극과 음극 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 평면에 대하여 수직 방향으로 교대로 적층된 전극 조립체로서, 상기 전극 조립체는 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 극성이 상이하며, 면적이 상이한 제2 전극이 적층되어 형성된 단차를 포함하며, 상기 전극 조립체의 양면에 위치하는 최외각 전극의 적어도 하나는 일면에 음극 활물질이 코팅되고, 타면은 무지부인 단면 코팅 음극이며, 상기 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치된 전극 조립체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 전극 조립체의 두께 방향으로의 형상 자유도를 보다 향상시킬 수 있어, 다양한 디바이스 형상에 보다 정밀하게 부합하는 이차 전지를 제공할 수 있다.

Description

단면 음극을 포함하는 단차를 갖는 전극 조립체
본 발명은 단차를 갖는 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전극 조립체의 적층 두께 방향으로의 디자인 자유도가 향상된 전극 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 단차를 갖는 전극 조립체는 도 1과 같은 구조를 갖는다. 이와 같은 단차를 갖는 전극 조립체(1)는 양면에 최외각 전극으로 양극(11) 또는 음극(13)이 배치되고 있다.
이때, 최외각 전극이 양극(11)인 경우에는 리튬 석출 등으로 인한 전지 안전성 관점에서 양극 집전체의 일면에만 양극 활물질이 도포되고, 다른 면에는 양극 활물질이 도포되지 않은 단면 코팅 양극(11)이 사용되고 있다. 한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 음극(13)이 최외각 전극으로 배치되는 경우에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(3)의 양면에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질층(5)을 포함하는 양면 코팅 음극(13)이 사용되고 있다.
그러나, 도 2와 같은 양면 코팅 음극(13)이 전극 조립체(1)의 최외각 전극으로 배치되는 경우에는 음극 집전체(3)의 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질층(5)의 두께만큼의 배터리 두께가 증대되어 전극 조립체(1)의 두께 방향으로의 형상 자유도를 저해하는 요인으로 작용하고 있다.
또한, 전극 조립체(1)의 최외각 전극에 배치되는 음극(13)의 일면의 전극 활물질은 전지 용량 발현에 기여하지 않으므로 인해 일면의 음극 활물질층(5) 두께만큼의 전지 용량 발현을 기대할 수 없어, 단위 체적당 전지 용량 손실을 초래하게 된다. 나아가, 전지 용량 발현에 기여하지 않음에도 불구하고, 양면을 음극 활물질로 도포함으로써 음극 활물질의 사용량을 증대시켜 경제적 손실을 야기한다.
따라서, 단위 체적당 전지 용량 증대 및 음극 활물질 사용량 감소는 물론, 전극 조립체(1) 두께 방향으로의 형상 자유도 증대를 위한 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 음극이 전극 조립체의 최외각 전극으로 배치되는 경우, 종래의 양면 코팅 음극 대신 단면 코팅 음극을 적용함으로써 단위 체적당 전지 용량이 증대되고, 전극 활물질의 사용량을 감소시킬 수 있으며, 나아가, 전극 조립체 두께 방향으로의 형상 자유도가 상대적으로 우수한 전극 조립체를 제공하고자 한다.
본 발명은 전극 조립체의 두께 방향으로의 형상 자유도가 향상된 전극 조립체를 제공하고자 하는 것으로서, 본 발명의 전극 조립체는 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 양극과 음극 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 평면에 대하여 수직 방향으로 교대로 적층된 전극 조립체로서, 상기 전극 조립체는 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 극성이 상이하며, 면적이 상이한 제2 전극이 적층되어 형성된 단차를 포함하며, 상기 전극 조립체의 양면에 위치하는 최외각 전극의 적어도 하나는 일면에 음극 활물질이 코팅되고, 타면은 무지부인 단면 코팅 음극이며, 상기 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치된 전극 조립체를 제공한다.
이때, 상기 제1 전극과 제2 전극 중 면적이 큰 대면적 전극이 음극인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는 면적이 상이한 2 이상의 전극 유닛을 포함하여 형성될 수 있으며, 이때, 상기 전극 유닛은 단일 전극; 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 단위셀은 젤리-롤형, 스택형, 라미네이션 앤 스택형 및 스택 앤 폴딩형 단위셀로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 상기 단위셀은 최외각 양면에 배치되는 2개의 전극의 극성이 서로 동일하거나, 상이할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 본 발명의 전극 조립체는, 상기 전극 유닛들을 구성하는 단일 전극 및 단위셀의 일부 또는 전부가 적어도 하나의 길이가 긴 시트형 분리 필름에 의해 감싸져 있는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 전극 유닛들은 적어도 하나 이상의 전극탭을 구비할 수 있으며, 이때, 상기 전극탭들은 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다. 이때, 상기 전극탭들은 그 크기가 동일할 수도 있고, 전극 유닛의 면적에 따라 서로 상이한 크기를 가질 수도 있다.
또한, 상기 전극 조립체는 하나의 최외각 전극이 일면에 양극 활물질이 코팅되고, 타면은 무지부인 단면 코팅 양극일 수 있으며, 상기 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 전극 조립체는 평면에 대하여 수직 방향으로 전극 면적이 감소하거나 또는 증가하도록 적층되어 단차가 형성된 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다. 상기 전극 조립체는 전지 케이스에 내장되어 있는 것일 수 있으며, 이때, 상기 전지 케이스는 파우치형 케이스일 수 있다. 또한, 상기 이차 전지는 리튬이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지일 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 이차 전지를 2 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.
한편, 본 발명은 상기 이차 전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 최외각 전극으로 음극이 배치되는 경우, 음극 집전체의 일면에만 음극 활물질이 코팅된 단면 코팅 음극을 사용함으로써 음극 활물질 사용량을 감소시킬 수 있어 경제적이며, 또한, 단위 체적당 전지 용량을 증대시킬 수 있다.
나아가, 전극 조립체의 두께를 전극 활물질 층 두께만큼 감소시킬 수 있어, 전극 조립체 두께 방향으로의 형상 자유도가 상대적으로 우수한 전극 조립체를 얻을 수 있다.
도 1은 단차를 갖는 전극 조립체를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 음극 집전판의 양면에 전극 활물질이 도포된 음극의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 양면 코팅 음극이 전극 조립체의 양면에 최외각 전극으로 적용된 단차를 갖는 전극 조립체의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 단면 코팅 음극이 전극 조립체의 양면에 최외각 전극으로 사용된 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 조립체의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따라 음극 집전체의 일면에만 음극 활물질이 코팅된 단면 코팅 음극의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 라미네이션 앤 스택형 단위셀의 구현예들을 보여주는 도면이다.
본 발명자들은 두께 방향으로의 형상 자유도가 향상된 전극 조립체를 제공하고자 연구를 거듭한 결과, 전극 조립체의 최외각에 위치하는 음극으로 일면에만 전극 활물질이 도포된 단면 코팅 음극을 사용함으로써 전극 조립체의 형상 자유도를 향상시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 양극(11)과 음극 집전체(3)의 양면에 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질층(5)을 포함하는 적어도 하나의 음극(13)이 평면에 대하여 수직 방향으로 분리막(19)을 경계로 교대로 적층된 전극 조립체(1)로서, 상기 전극 조립체(1)는 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 극성이 상이하며, 면적이 상이한 제2 전극이 적층되어 형성된 단차를 포함하는 전극 조립체(1)를 제공하고자 한다.
상기 단차가 형성되는 경계부는 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 음극(13)과 양극(11)이 분리막(19)을 경계로 대면하는 것이 바람직하다. 이와 같이 음극(13)과 양극(11)이 대면함으로써 경계부에서도 전지 용량을 발현할 수 있어 전지 용량 증대를 도모할 수 있다.
이때, 상기 단차가 형성되는 경계부는 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 면적이 상대적으로 큰 전극이 음극(13)이 오도록 배치하는 것이 바람직하다. 양극(11)은 양극 활물질로서 리튬을 포함하고 있는데, 양극(11)이 대면적 전극으로 배치되는 경우에는 양극 활물질의 리튬이 전지의 충방전 중에 석출되어 전지 안전성을 저해할 수 있는바, 대면적 전극으로 음극(13)이 배치되도록 함으로써 전지 안전성을 도모할 수 있다.
한편, 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(1)의 최외각 전극 역시 상기와 같은 이유로 음극(13)이 배치되는 것이 바람직하다. 도 4는 전극 조립체(1)를 바이셀(21, 23)을 사용하여 형성된 일 예를 나타내는 도면이며, 도 5는 최하층의 전극 적층체는 바이셀(21, 23)을 사용하여 적층되고, 2층 이상의 전극 적층체는 모노셀(25)을 이용하여 조립된 일 예를 나타내는 도면이다. 도 3과 도 4를 대비하면, 도 3에 비하여 음극 활물질층(5)의 두께만큼 전극 조립체의 두께를 감소시킬 수 있어, 형상 자유도를 보다 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 전극 조립체(1)의 최외각에 배치되는 음극(13)은 도 7에 나타낸 바와 같이 음극 집전체(3)의 일면에만 음극 활물질이 도포된 음극 활물질층(5)을 포함하고, 음극 집전체(3)의 타면에는 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부인 단면 코팅 음극(15)을 사용하는 것이 바람직하다. 전극 조립체(1)의 최외각 전극으로 단면 코팅 음극(15)이 사용되는 경우, 도 4 내지 6에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(1)의 적층면을 향하여 상기 음극 활물질층(5)이 분리막(19)을 경계로 양극(11)의 양극 활물질층과 대면하며, 상기 무지부가 전극 조립체(1)의 외부를 향하도록 적층될 수 있다.
전극 조립체의 최외각에 배치되는 최외각 전극의 외부를 향하는 면은 전지의 충방전 반응에 관여하지 않으므로 본 발명에서 제안하는 바와 같은 단면 코팅 음극(15)을 전극 조립체(1)의 최외각 전극으로 사용하더라도 전지 용량에는 영향을 끼치지 않는다.
나아가, 이와 같은 단면 코팅 음극(15)을 전극 조립체(1)의 최외각 전극으로 활용함으로써 음극 집전체(3) 상에 도포되는 음극 활물질의 두께만큼 전극 조립체(1)의 두께를 보다 얇게 형성할 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(1)의 일면에 배치되는 음극(13)으로 단면 코팅 음극(15)을 사용하는 경우, 전극 조립체(1)의 두께를 [(양면 코팅 음극 두께-음극 집전체 두께)/2]만큼 줄일 수 있다. 따라서, 단면 코팅 음극(15)을 사용하는 경우 양면 코팅 음극(13)을 사용하는 경우에 비하여 두께 방향으로의 형상 자유도를 향상시킬 수 있다.
또한, 최근 이차 전지를 사용하는 디바이스의 소형화 및 정밀화로 인해 이차 전지의 형상에 대한 정밀한 제어가 요구되고 있으며, 두께 방향에 대한 치수 정밀도 또한 함께 엄격하게 요구되는 경향에 있는바, 전극 조립체(1)의 두께 방향으로 요구되는 치수 정밀도에 대하여 형상 자유도를 확보할 수 있어, 보다 적극적으로 대응할 수 있다.
특히, 단차를 갖는 전극 조립체(1)에 있어서 이차 전지가 사용되는 디바이스 형상에 따라 각 전극 적층체의 두께를 특별한 치수로 형성될 것이 요구되는 경우, 이와 같은 단면 코팅 음극(15)을 사용함으로써 요구되는 형상에 부합하는 전극 조립체(1)를 얻을 수 있어 보다 효과적으로 대처할 수 있다.
종래의 전극 조립체(1)에서 양극(11)이 최외각 전극으로 배치되는 경우에 양극 집전체의 일면에만 양극 활물질이 도포된 단면 코팅 양극이 사용되었으나, 이는 양극 활물질에 포함된 리튬이 전지의 충방전 중에 석출되어 전지 안전성을 해하는 문제를 방지하기 위한 것으로서, 두께 방향으로의 형상 자유도 확보와는 관련이 없다고 할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 단면 코팅 음극(15)은 음극 집전체(3)의 일면에만 음극 활물질이 도포된 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 따라서, 통상적으로 사용되는 음극 집전체(3)의 일면에 음극 활물질로서 통상적으로 사용되는 활물질 재료가 도포된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 음극 집전체(3)로는, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들의 조합에 의해 제조된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 음극 집전체(3)의 일면에 도포되는 음극 활물질로는, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유 코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 전극 조립체(1)는 적층 형태에 따라 양면에 음극(13)이 배치될 수 있으며, 일면에만 음극(13)이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 단면 코팅 음극(15)은 요구되는 전극 조립체(1)의 형상에 따라 일면에만 사용되고, 타면에는 양면 코팅 음극(13)이 사용될 수 있음은 물론, 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 양면 모두에 단면 코팅 음극(15)이 사용될 수 있다. 또한, 일면에 음극(13)이 배치되고, 다른 일면에 양극(11)이 배치되는 경우, 양면에 위치하는 최외각 전극은 모두 단면 코팅 전극일 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 전극 조립체(1)의 단수는 특별히 한정되는 않는다. 예를 들면, 본 발명의 전극 조립체(1)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 3층으로 구성될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 2층으로 구성될 수도 있다. 본 발명에서는 편의상, 전극 조립체의 1층을 구성하는 전극 구조체를 전극 유닛이라고 칭하기로 한다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 '전극 유닛'은 본 발명의 단차가 있는 전극 조립체에 있어서의 한 층을 구성하는 기본 단위를 지칭하는 것으로, 본 발명의 전극 조립체(1)는 도 6에 도시된 바와 같이, 면적이 상이한 2종의 전극 유닛으로 구성될 수도 있고, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 면적이 상이한 3종의 전극 유닛으로 구성될 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 본 발명의 전극 조립체는 4종 이상의 전극 유닛을 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 각각의 전극 유닛들은 음극 또는 양극과 같은 단일 전극; 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 '단위셀'이라는 용어는 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 분리막을 포함하는 전극 적층체를 모두 포함하는 개념으로, 단위셀에서의 음극, 양극 및 분리막의 적층 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 상기 '단위셀'이라는 용어는, 시트형 음극 및 시트형 양극을 분리막 필름을 이용하여 격막한 후, 나선형으로 감아서 제조되는 젤리-롤 방식으로 제조된 전극 적층체; 적어도 하나 이상의 음극, 적어도 하나 이상의 분리막, 적어도 하나 이상의 양극을 순차적으로 적층하여 제조되는 스택 방식으로 제조된 전극 적층체; 또는 단일 전극 및/또는 적어도 하나 이상의 양극, 분리막, 음극들이 적층된 전극 적층체들을 길이가 긴 시트형 분리 필름 상에 배치한 다음 폴딩하는 스택 앤 폴딩 방식으로 제조되는 전극 적층체들을 모두 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 단위셀들은 도 5에 도시된 바와 같이, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 구조 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 구조 등과 같이 단위셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 동일한 극성을 갖는 것일 수(21 및 23 참조)도 있고, 양극/분리막/음극 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극과 같이 단위셀의 최외각의 양면에 배치되는 전극들이 반대의 극성을 갖는 것(25 참조)일 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 스택 방식으로 제조된 전극 적층체는, 양극, 분리막, 음극을 하나씩 순차적으로 적층하는 전통적인 방식으로 제조되는 것뿐 아니라, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 라미네이션(lamination)하여 전극 단위체를 형성한 다음, 이 전극 단위체들을 적층(stacking)하는 방식(이하 '라미네이션 앤 스택 방식'으로 지칭됨)으로 제조된 전극 적층체를 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우, 상기 전극 단위체는 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 포함하는 것이면 되고, 그 구성이 특별히 제한되는 것은 아니다.
그러나, 공정의 간편성 및 경제성의 관점에서, 라미네이션 앤 스택 방식으로 전극 적층체를 제조할 경우에는 전극 단위체는 제1전극/분리막/제2전극/분리막 또는 분리막/제1전극/분리막/제2전극으로 이루어진 기본 구조를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1전극과 제2전극의 서로 다른 극성을 갖는 전극으로, 양극 또는 음극일 수 있으며, 상기 전극 단위체는 하나 또는 복수개의 기본 구조를 포함할 수 있다.
한편, 상기 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체는 상기한 기본 구조를 포함하는 전극 단위체만으로 구성되어도 되고, 상기 기본 구조를 갖는 전극 단위체와 다른 구조의 전극 구조체를 조합하여 사용하여도 무방하다.
도 8 내지 도 10에는 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체들의 다양한 예들이 개시되어 있다.
도 8에는 분리막(60)/음극(50)/분리막(60)/양극(40)의 기본구조를 갖는 전극 단위체들(710)로 이루어진 라미네이션 앤 스택 방식의 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 8에는 기본 구조가 분리막/음극/분리막/양극으로 개시되어 있으나, 양극과 음극의 위치를 바꿔 분리막/양극/분리막/음극의 기본 구조로 형성하여도 무방하다. 한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 전극 단위체의 기본 구조가 분리막/음극/분리막/양극인 경우에는 전극 적층체의 최외각에 분리막 없이 양극이 노출되게 되므로, 이러한 기본 구조를 사용하는 경우에는 최외각에 노출되는 양극은 노출되는 면에는 활물질이 코팅되지 않는 단면 코팅 양극을 사용하는 것이 용량 등을 고려한 전극 설계 시 바람직할 수도 있다. 한편, 도 8에는 전극 단위체들이 하나의 기본 구조를 갖는 것으로 개시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기본 구조가 2개 이상 반복하여 적층되어 있는 것을 하나의 전극 단위체로 사용할 수도 있다.
도 9에는 분리막(60)/음극(50)/분리막(60)/양극(40)의 기본구조를 갖는 전극 단위체(810)들과 분리막(60)/음극(50)/분리막(60)구조로 이루어진 전극 구조체가 적층(stacking)되어 이루어진 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 9와 같이, 단위셀의 최외각면에 분리막(60)/음극(40)/분리막(60)구조로 이루어진 전극 구조체를 적층할 경우, 양극(50)이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기 용량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 이와 유사하게, 전극 단위체의 최외각에 음극이 위치하는 배열의 경우에는, 그 상부에 분리막/양극/분리막 구조로 이루어진 전극 구조체를 적층할 수 있으며, 이 경우, 음극의 용량을 최대한 사용할 수 있다는 점에서 장점이 있다.
도 10에는 음극(50)/분리막(60)/양극(40)/분리막(60)의 기본구조를 갖는 전극 단위체(810')들과 음극(50)/분리막(60)/양극(40)/분리막(60)/음극(50)의 구조를 갖는 전극 구조체(820')가 적층(stacking)되어 이루어진 전극 적층체가 도시되어 있다. 도 10과 같이, 전극 적층체의 최외각면에 음극(50)/분리막(60)/양극(40)/분리막(60)/음극(50)의 구조를 갖는 전극 구조체(820')를 적층할 경우, 양극이 외부로 노출하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 전기 용량도 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 9 및 도 10에 예시된 바와 같이, 라미네이션 앤 스택 방식으로 제조된 전극 적층체들은 상기한 기본 구조를 갖는 전극 단위체들과 함께, 단일 전극, 분리막 또는 상기한 전극 단위체들과 배열 및 구성이 상이한 단위셀들을 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 기본 구조를 갖는 전극 단위체들을 적층하였을 때, 외부로 양극이 노출되는 것을 방지하기 위한 측면 및/또는 전지 용량의 향상 측면에서 전극 적층체의 최외각 일면 및/또는 양면에 단일 전극, 단면 코팅 전극, 분리막 또는 상기한 전극 단위체들과 배열 및 구성이 상이한 단위셀들을 배치할 수 있다. 한편, 도 9 및 10에는 전극 적층체의 상부에 다른 구조의 전극 구조체가 적층되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 전극 적층체의 하부에 다른 구조의 전극 구조체가 적층될 수도 있고, 상부와 하부에 모두 다른 구조의 전극 구조체가 적층될 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 '스택 앤 폴딩'이라는 용어는, 길이가 긴 시트형 분리 필름 상에 단일 전극 및/또는 적어도 하나 이상의 양극, 분리막, 음극들이 적층된 전극 적층체들을 배치한 다음 폴딩하는 방식을 통칭하는 것으로, 폴딩 방식은 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 폴딩 방식, 예를 들면, 시트형 분리 필름을 지그재그 형태로 접는 방식(Z-폴딩형 또는 병풍형으로 지칭됨), 시트형 분리 필름의 일면에 적어도 하나 이상의 음극과 양극을 분리막을 개재하여 적층시킨 전극 적층체들을 배치한 다음 감아서 마는 방식, 또는 시트형 분리 필름의 양면에 단일 전극들을 교대로 배치한 다음 시트형 분리 필름을 감아서 마는 방식 등과 같은 다양한 폴딩 방식들을 모두 포괄하는 개념으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서는 편의상 젤리-롤 방식으로 제조된 단위셀을 젤리-롤형 단위셀로, 스택 방식으로 제조된 단위셀을 스택형 단위셀로, 스택 앤 폴딩 방식으로 제조된 단위셀을 스택 앤 폴딩형 단위셀로 지칭하기로 한다.
본 발명의 전극 조립체는 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛을 단차가 형성되도록 적층함으로써, 종래에 비해 다양한 형상의 전지를 구현할 수 있도록 한다. 본 발명에 있어서, 상기 전극 유닛들의 면적의 차이는, 전극 유닛들이 적층되었을 때, 단차를 형성할 수 있는 정도이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니며, 원하는 전지의 디자인 등을 고려하여 자유롭게 조절될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 구현예에서, 전극 조립체에 포함되는 두 개의 전극 유닛을 비교할 때, 상대적으로 면적이 좁은 전극 유닛은 상대적으로 면적이 넓은 전극 유닛의 면적을 100%라 할 때, 약 20% 내지 95%의 범위, 바람직하게는 약 30 내지 90%의 범위의 면적을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 각각의 전극 유닛의 두께는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에 있어서, 상대적으로 면적이 큰 전극 유닛이 상대적으로 면적이 작은 전극 유닛보다 얇은 두께를 가질 수도 있고, 두꺼운 두께를 가질 수도 있다.
한편, 본 발명의 전극 조립체는 서로 면적이 상이한 전극 유닛들 사이의 경계면에서 서로 다른 극성의 전극이 대향되도록 배치함으로써, 전극 유닛 간의 경계면에서도 전기를 저장할 수 있게 되고, 그 결과 전기 용량이 증가하는 효과를 가져온다. 이때, 상기 '대향'이라는 용어는 서로 마주 보는 방향에 배치되어 있는 것을 의미하는 것으로, 대향되는 두 전극이 서로 접촉하고 있을 필요는 없으며, 두 전극 사이에 다른 구성요소들, 예를 들면, 분리막 및/또는 시트형 분리 필름이 개재되어 있는 경우를 포괄하는 개념이다.
한편, 본 발명의 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 유닛들은 적어도 하나 이상의 전극탭을 구비할 수 있다. 전극 유닛이 단일 전극으로 구성될 경우에는 하나의 전극탭만 구비하며, 단위셀을 포함하여 구성될 경우에는 음극 전극탭과 양극 전극탭을 모두 구비하는 것이 일반적이다. 상기 전극탭들은 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다. 한편, 본 발명에 있어서, 상기 전극탭들의 면적이나 배열 위치 등은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 전극탭 보호 또는 전극탭을 외부로 더 많이 노출시키기 위한 목적으로 상기 전극탭 부분에 테이핑(Taping)이 수행될 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 각각의 전극 유닛에 구비되는 전극탭들은 그 면적이 서로 동일하거나, 상이할 수 있다. 종래에는 전극 조립체에 포함되는 전극 유닛들의 면적이 동일하였으므로 동일한 면적의 전극탭을 사용하는 것이 일반적이었으나, 본 발명의 경우, 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛을 포함하므로, 전극 유닛마다 최적화된 전극탭의 크기가 다를 수 있다. 따라서, 본 발명의 전극 조립체에 있어서는 전극 유닛의 면적에 따라 각기 다른 면적을 갖는 전극탭을 선택하는 것이 전기 용량을 최대화하는데 보다 유리할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전극탭들은 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 예를 들면, 동일한 극성의 전극탭들의 일부 또는 전부가 중첩되도록 배치될 수 있다. 종래의 전극 조립체들의 경우, 전지 케이스 삽입 후 전극 탭들의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해서는, 동일한 극성의 전극탭들이 전부 중첩되도록 배치하는 것이 일반적이었다. 다만 이 경우, 전극 적층수가 많아질 경우 전극탭의 두께가 두꺼워지면서 전극탭간의 접합성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 전극탭들의 전부 중첩되게 배치하지 않고 일부만 중첩되게 배치할 경우, 상기와 같은 문제점을 상당 부분 감소시킬 수 있을 것이다.
특히, 본 발명의 전극 조립체와 같이, 면적이 상이한 두 종류 이상의 전극 유닛을 사용하는 경우라면, 전극 유닛의 면적에 따라 면적이 상이한 전극탭을 사용하고, 이들 전극탭들이 일부만 중첩되도록 배열함으로써, 전기 용량을 극대화하면서, 전극탭의 접합성도 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 의해 제공되는 단차를 갖는 전극 조립체의 형상을 특별히 한정하지 않으나, 평면에 대하여 수직 방향으로 전극 면적이 감소하는 형태를 가질 수 있음은 물론, 반대로 증가하는 형태를 가질 수 있다. 또한, 중심부의 전극 면적이 크고 외부로 갈수록 전극 면적이 작아지는 적층 형태를 가질 수 있으며, 중심부로 갈수록 전극 면적이 작아지는 적층 형태를 가질 수도 있다. 이와 같은 전극 조립체(1)의 적층 형태는 일정한 패턴을 갖는 등 규칙적일 수 있으나, 불규칙적일 수도 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다.
본 발명에서 제공하는 전극 조립체를 사용함으로써 리튬이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지의 전지 셀을 제조할 수 있다. 이때, 상기 전극 조립체는 전지 케이스에 내장될 수 있으며, 상기 전지 케이스는 파우치형일 수 있다.
한편, 상기 파우치형 케이스는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 이때 상기 라미네이트 시트는 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 밀봉을 위한 내측 수지층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전지 케이스는 전극 조립체의 전극 유닛들의 전기 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드가 외부로 노출된 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 도시되지는 않았으나, 상기 전극 리드의 상하면에는 전극 리드를 보호하기 위한 절연 필름이 부착될 수 있다.
또한, 상기 전지 케이스는, 본 발명의 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있으며, 이러한 전지케이스의 형상은 전지케이스 자체를 변형하여 형성하는 방식으로 형성될 수 있다. 이때, 전지케이스의 형상 및 크기가 전극 조립체의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다. 한편, 본 발명의 전지 케이스의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 전지 케이스가 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 전극 조립체를 포함하는 전지셀을 2 이상 포함하는 전지팩을 얻을 수 있으며, 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 얻을 수 있다. 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치일 수 있다.

Claims (18)

  1. 양극 집전체의 양면에 양극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 양극과 음극 집전체의 양면에 음극 활물질이 코팅된 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 평면에 대하여 수직 방향으로 교대로 적층된 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체는 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 극성이 상이하며, 면적이 상이한 제2 전극이 적층되어 형성된 단차를 포함하며,
    상기 전극 조립체의 양면에 위치하는 최외각 전극의 적어도 하나는 일면에 음극 활물질이 코팅되고, 타면은 무지부인 단면 코팅 음극이며, 상기 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치된 전극 조립체.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 중 면적이 큰 대면적 전극이 음극인 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 단일 전극; 적어도 하나의 양극, 적어도 하나의 음극, 적어도 하나의 분리막을 포함하는 적어도 하나 이상의 단위셀; 또는 이들의 조합으로 이루어지는 전극 유닛을 적어도 2 이상 포함하는 것인 전극 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단위셀은 젤리-롤형, 스택형, 라미네이션 앤 스택형 및 스택 앤 폴딩형 단위셀로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 전극 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전극 유닛들을 구성하는 단일 전극 및 단위셀의 일부 또는 전부가 적어도 하나의 길이가 긴 시트형 분리 필름에 의해 감싸져 있는 구조로 이루어지는 전극 조립체.
  6. 제3항에 있어서, 상기 단위셀은 최외각 양면에 배치되는 전극의 극성이 동일한 것인 전극 조립체.
  7. 제3항에 있어서, 상기 단위셀은 최외각 양면에 배치되는 전극의 극성이 상이한 것인 전극 조립체.
  8. 제3항에 있어서, 상기 전극 조립체는 평면에 대하여 수직 방향으로 전극 면적이 감소하거나 또는 증가하도록 적층되어 단차가 형성된 전극 조립체.
  9. 제3항에 있어서, 상기 전극 조립체는 면적이 상이한 2종의 전극 유닛으로 이루어지는 전극 조립체.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 전극 조립체는 하나의 최외각 전극이 일면에 양극 활물질이 코팅되고, 타면은 무지부인 단면 코팅 양극이며, 상기 무지부가 전극 조립체의 외부를 향하도록 배치된 전극 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 면적이 상이한 3종 이상의 전극 유닛으로 이루어지는 전극 조립체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전극 조립체는 전지 케이스에 내장되어 있는 이차 전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전지 케이스는 파우치형 케이스인 이차 전지.
  15. 제12항에 있어서, 상기 이차 전지는 리튬이온 이차 전지 또는 리튬이온 폴리머 이차 전지인 이차 전지.
  16. 제12항의 이차 전지를 2 이상 포함하는 전지팩.
  17. 제12항의 이차 전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 디바이스.
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