WO2014137018A1 - 계단 구조의 전극군 적층체 - Google Patents

계단 구조의 전극군 적층체 Download PDF

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김기웅
김동명
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode group stack incorporated in a battery case of a secondary battery, and more particularly, to an electrode group stack having a stepped structure.
  • Lithium secondary batteries occupy an important position on the basis of development into such a ubiquitous society.
  • the rechargeable lithium battery is widely used as an energy source for wireless mobile devices, and has been proposed as a solution for air pollution of conventional gasoline and diesel vehicles using fossil fuels. It is also used as an energy source for electric vehicles and hybrid electric vehicles.
  • the lithium secondary battery is diversified to provide output and capacity suitable for the device to which the lithium secondary battery is applied.
  • Small mobile devices such as mobile phones, PDAs, digital cameras, notebook computers, and the like are used with one or two or four small and light battery cells per device according to the small size of the products.
  • Medium and large devices such as electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., due to the need for high output and large capacity, medium and large battery modules (medium and large battery packs) electrically connecting a plurality of battery cells are used.
  • Cylindrical battery cells, square battery cells, pouch-type battery cells, etc. are used as unit cells of such a battery module or battery pack, and among them, can be stacked with a high degree of integration, has a high energy density per weight, and is inexpensive. Pouch-type battery cells that are easy to deform have attracted much attention.
  • FIG. 1A and 1B schematically show a general structure of a conventional representative pouch type secondary battery as an exploded perspective view.
  • the pouch-type secondary battery 10 may include two electrode leads connected to the electrode assembly 20 and the electrode tabs 21 and 22, each of which protrudes a plurality of electrode tabs 21 and 22. 30 and 31, and a battery case 40 having a structure for accommodating and sealing the electrode assembly 20 so that a part of the electrode leads 30 and 31 are exposed to the outside.
  • the battery case 40 includes a lower case 42 including a concave accommodating portion 41 in which the electrode assembly 20 can be seated, and a seal of the lower case 42 to seal the electrode assembly 20. It consists of an upper case 43.
  • the upper case 43 and the lower case 42 are heat-sealed in the state in which the electrode assembly 20 is embedded, so that the upper sealing portion 44, the side sealing portions 45 and 46, and the lower sealing portion 47 are formed. Form.
  • the upper case 43 and the lower case 42 are shown as separate members, respectively, but as shown in FIG. 1A.
  • FIG. 1A and 1B illustrate a pouch-type battery cell having a structure in which electrode terminals having an electrode tab and electrode leads connected to each other are formed together at one end, but electrode terminals are formed at one end and the other end, respectively. Pouch-type battery cells and the like can also be produced in the above manner, of course.
  • the electrode assembly is generally manufactured in a substantially rectangular parallelepiped shape, and such electrode assemblies are embedded in a battery case to fabricate a rectangular parallelepiped pouch-shaped battery cell, and the pouch-type battery Cells are stacked to form a rectangular parallelepiped battery pack.
  • the design of a device to which such a rectangular parallelepiped battery cell and a battery pack are applied may not be made only of a rectangular parallelepiped shape.
  • the side may be curved in order to have an excellent grip.
  • a rectangular parallelepiped battery cell or battery pack has a limitation in space utilization inside the device.
  • the present invention to solve the problems of the prior art as described above is to provide a lithium secondary battery comprising an electrode group laminate formed with a step structure that can improve the capacity per volume of the device to the maximum.
  • the present invention is to provide an electrode group stack having a high step yield structure by minimizing the process obstacles occurring in the mass production process of the electrode group stack of the step structure.
  • the electrode group laminate according to the present invention is the electrode group laminate according to the present invention
  • An electrode group including a positive electrode, a negative electrode, and a first separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a second separator interposed between the electrode groups;
  • the electrode groups are stacked in the height direction with respect to the plane,
  • Some or all of the electrode groups have different areas of opposite stacking surfaces at the stacking boundary,
  • T is the thickness of any electrode group, and T sum is the sum of the thicknesses of the respective electrode groups constituting the electrode group stack.
  • the arbitrary electrode group means any one selected from the respective electrode groups constituting the electrode group stack, and may be, for example, a stacked electrode group having the largest area of the stacked surface.
  • the anode may have a structure in which a cathode slurry layer is formed on a cathode current collector.
  • the anode may be a cathode slurry layer is formed only in the area facing the cathode.
  • the side facing the negative electrode may be one side or both sides of the positive electrode current collector.
  • the anode may be a plate-shaped anode, that is, a cathode plate.
  • the edges of the bipolar plate may be right angled or curved.
  • the edges of the rectangular-shaped bipolar plate may be all right angles, and at least one edge may be curved.
  • the maximum thickness of the one side bipolar plate may be 87 to 92 ⁇ m, and the minimum thickness may be 70 to 74 ⁇ m.
  • the loading amount of the positive electrode slurry may be 16 mg / cm 2 or more to 22 mg / cm 2 or less.
  • the maximum thickness of the double-sided bipolar plate may be 128 to 133 ⁇ m, and the minimum thickness may be 91 to 99 ⁇ m.
  • the loading amount of the positive electrode slurry may be 32 mg / cm 2 or more to 44 mg / cm 2 or less.
  • the thickness of the positive electrode current collector of the one positive electrode plate may be thicker than the thickness of the positive electrode current collector of the double-sided positive electrode plate.
  • the thickness ratio may be in the range of 2.5: 1 or more and 1.5: 1 or less.
  • the thickness of the positive electrode current collector of one side of the positive electrode plate thicker than the thickness of the positive electrode current collector of the double-sided positive electrode plate, it is possible to minimize the phenomenon that one side of the positive electrode is bent during the roll pressing process.
  • the negative electrode may have a structure in which a negative electrode slurry layer is formed on a negative electrode current collector.
  • the negative electrode may be a negative electrode slurry layer is formed only in the area facing the positive electrode.
  • the side facing the positive electrode may be one side or both sides of the negative electrode current collector.
  • the negative electrode may be a plate-shaped negative electrode, that is, a negative electrode plate.
  • the edges of the negative plate may be right angled or curved.
  • the edges of the rectangular parallelepiped negative plate may be all right angles, and at least one edge may be curved.
  • the maximum thickness of the negative electrode plate may be 86 to 91 ⁇ m, and the minimum thickness may be 67 to 70 ⁇ m.
  • the loading amount of the negative electrode slurry may be 7.7 mg / cm 2 or more to 10.5 mg / cm 2 or less.
  • the maximum thickness of the double-sided negative electrode plate may be 139 to 149 ⁇ m, and the minimum thickness may be 101 to 108 ⁇ m.
  • the loading amount of the negative electrode slurry may be 15.4 mg / cm 2 or more to 21 mg / cm 2 or less.
  • the negative electrode current collector of one side of the negative electrode plate may be thicker than the negative electrode current collector of the double-sided negative electrode plate.
  • the thickness ratio may be in the range of 2.5: 1 or more and 1.5: 1 or less.
  • the thickness of the negative electrode current collector of the one side negative electrode plate thicker than the thickness of the negative electrode current collector of the double side negative electrode plate, the phenomenon in which the one side negative electrode is bent during the rolling pressing process may be minimized.
  • the first separator may be a plate-shaped separator, that is, a separator.
  • the electrode group includes a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a plate-shaped first separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and the positive electrode plate and the negative electrode plate are stacked in a height direction based on a plane with the separator plate interposed therebetween. It may be a type electrode group.
  • the plane may be any plane, for example, the plane or a plane perpendicular to the ground.
  • the stacking direction of the electrode plates may be a gravity direction or a direction opposite to gravity.
  • stacked along the height direction with respect to the plane may mean that the electrode plates may be stacked in the direction of gravity or the direction opposite to gravity from the ground.
  • the second separator interposed between the stacked electrode groups may be a separation sheet.
  • the separation sheet is disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate to isolate the positive electrode and the negative electrode, and is formed to have a predetermined length enough to cover the side of the positive electrode plate or the side of the negative electrode plate on which the positive electrode terminal or the negative electrode terminal is not formed. It can be defined as a separator.
  • the separating sheet may surround side surfaces of the stacked electrode group that is an electrode terminal non-forming part.
  • the separating sheet may be spaced apart from each end forming the staircase structure by a predetermined distance. That is, it may not be in close contact with the outer peripheral surface of each end which forms a staircase structure.
  • the separation sheet may be in close contact with the side surface of the stacked electrode group, specifically, the outer circumferential surface of each end constituting the stepped structure.
  • the thickness of the separation sheet may be 5 to 300 ⁇ m, 5 to 200 ⁇ m, 5 to 100 ⁇ m, 5 to 50 ⁇ m, 5 to 30 ⁇ m, 5 to 25 ⁇ m, 5 to 20 ⁇ m, 10 to 20 ⁇ m, and the separation sheet
  • the thinner is the thickness of the discharge can be increased.
  • the thickness of the separation sheet is very thin, it is not easy to bring the separation sheet into close contact with the outer circumferential surface of each end constituting the staircase structure.
  • the separation sheet can be brought into close contact with the outer circumferential surface of each end by cutting or heat treatment or heat treatment after cutting. That is, it can adhere to the side surface of an electrode group.
  • the separation sheet is interposed between the positive electrode and the negative electrode with the side surface of the electrode group wrapped, the interface contact between the electrode groups and the separation sheet can be firmly maintained despite repeated charging and discharging.
  • the tensile force generated when the separation sheet is wound may provide a pressure for bringing the interface between the electrode group and the separation sheet into close contact.
  • the separation sheet may surround the outer circumferential surface of part or all of the laminate.
  • the ends of the separation sheet may be heat fused or fixed with tape.
  • the electrode groups may be even.
  • the electrode groups may be odd.
  • the electrode groups are stacked in a height direction with respect to a plane, and some or all of the electrode groups have different areas of stacking surfaces facing each other at the stacking boundary.
  • the plane may be any plane and may be a stacked electrode group having the largest area of the plane or the plane of the plane or the stacked plane.
  • the electrode groups may be stacked in a height direction and a height opposite direction based on the electrode group having the largest area of the stack surface.
  • the electrode groups may be stacked symmetrically or asymmetrically.
  • Electrode groups having different areas of the stacking surfaces facing each other at the stacking boundary may form a stepped or stepped structure.
  • the number of stages may be n single.
  • n is a natural number of 2 or more, n may be appropriately adjusted in consideration of the capacity of the device, the curvature of the outer peripheral surface of the device, and the like.
  • the stacked electrode group having the largest area of the stacked surface may be an S stacked electrode group having the same polarity of the electrode stacked on the top and the electrode stacked on the bottom.
  • the S-stacked electrode group may be an SA stacked electrode group in which the polarities of the electrodes stacked on the top and the electrodes stacked on the bottom are both negative electrodes.
  • the S-stacked electrode group may be an SC stacked electrode group in which the polarities of the electrodes stacked on the top and the electrodes stacked on the bottom are both positive.
  • the stacked electrode group having the largest area of the stacked surface may be a D stacked electrode group having different polarities between the electrodes stacked on the top and the electrodes stacked on the bottom.
  • the minimum thickness of the D stacked electrode group may be 0.3 mm.
  • the thickness of the electrode group with the largest area of the laminated surface satisfies Expression 1 above.
  • even or odd stacked electrode groups are arranged on the separator sheet at predetermined intervals and wound up.
  • the electrode group having the largest area of the laminated surface positioned at the starting point that is, the electrode group having the largest area, is repeatedly moved from the winding start point to the winding end point direction in a state of being fixed by the jig of the process equipment used for the folding process. Can be folded or wound into.
  • the jig means a part holding an electrode group such as a forefinger hand for folding or winding.
  • the jig can apply a constant force to the electrode group of the largest area.
  • the thickness of the electrode group of the largest area is less than 50% of the sum of the thicknesses of the electrode groups, it may be broken by the applied pressure.
  • the electrode groups stacked on the electrode group having the largest area of the laminated surface satisfy the following Equation 2.
  • Ta and Tb are arbitrary electrode groups selected from among electrode groups stacked on the electrode group having the largest area of the laminated surface, and n is a natural number.
  • the arbitrary electrode groups may be an S stacked electrode group, a D stacked electrode group, or a combination thereof.
  • the electrode having a large opposing area may be a cathode.
  • dendritic growth during charging can be minimized as compared with the case where the electrode having the large opposing area is the positive electrode.
  • the electrode having a large opposing area may be an anode.
  • the stack type electrode group may include a first unit cell having a structure in which a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator plate are laminated in a stacked state such that any one of the positive electrode plate and the negative electrode plate and the separator plate constitute the outermost part.
  • the stacked electrode group may include a second unit cell that is laminated in a state in which a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator plate are laminated so that the separator plates constitute an outermost part.
  • one of the separators may constitute a second separator.
  • the first unit cell may have a structure in which a cathode plate, a separator plate, a cathode plate, and a separator plate are laminated in a sequentially stacked state or a cathode plate, separator plate, a cathode plate, and a separator plate are sequentially stacked. It may be a structure.
  • the stack type electrode group may include a third unit cell joined in a state in which a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator plate are laminated so that the positive electrode plate and the negative electrode plate constitute an outermost part, and the separator plate is interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • the stack type electrode group may include a fourth unit cell bonded to one of the positive electrode plate and the negative electrode plate in a stacked state.
  • the stack type electrode group may have a structure in which only the first unit cells are stacked, a structure in which only a second unit cell is stacked, a structure in which only the third unit cells are stacked, or a fourth unit cell. Only these may be a laminated structure, or a combination thereof may be used.
  • a second unit cell may be stacked at the top or bottom of the first unit cell.
  • any one of a positive electrode plate and a negative electrode plate may be interposed between the second unit cells.
  • the first unit cell to the fourth unit cell may further include a fixing member for more firmly maintaining the laminated structure of the positive electrode plate, the separator plate, the negative electrode plate.
  • the fixing member may be an outer member separate from the first unit cell to the fourth unit cell, and may be an adhesive tape or an adhesive tape covering part or all of the outer circumferential surface of the unit cell.
  • the outer circumferential surface of the unit cell may be a concept including all of the side, the plane, the front, and the rear of the unit cell.
  • the fixing member may be a part of the separating plate constituting the unit cell, and in this case, the unit cell may be fixed by heat-sealing the ends of the separating plate.
  • the ends of the separating plate may extend longer than the size of the positive electrode plate and the negative electrode plate, that is, the length or length.
  • the ends of the elongated separator plates may be thermally fused to each other.
  • the fixing member is not limited thereto and may include all members capable of fixing the first unit cell or the second unit cell.
  • the productivity and yield can be improved as compared to the stacked electrode group having a structure in which a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator plate are simply stacked. have.
  • the positive electrode plate, the separator plate, and the negative electrode plate are bonded to each other in units of the first unit cell, there is an advantage of minimizing volume expansion due to swelling.
  • the stack type electrode group including the first unit cell and the second unit cell When the stack type electrode group including the first unit cell and the second unit cell is configured, an alignment defect or a process facility of the electrode assembly implemented by the folding process is removed, and the first unit cell has only one laminator.
  • the formation of the second unit cell may be completed, and the stacked electrode group may be implemented by simple stacking, thereby reducing electrode damage occurring during the folding process, improving electrolyte wettability, and exposing the separator to the outside. Since it is possible to apply a single-sided organic-inorganic composite separator (SRS separator) it is possible to reduce the thickness of the cell and at the same time reduce the process cost.
  • SRS separator single-sided organic-inorganic composite separator
  • the maximum thickness of the electrode group laminate according to the present invention may be 5.5 mm.
  • the present invention can provide a lithium secondary battery, wherein the electrode group laminate is built in a battery case.
  • the battery case may be a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, or a metal can.
  • the battery case may be provided with a receiving portion having an inner surface structure corresponding to the outer surface shape of the electrode group stack.
  • the lithium secondary battery may be a lithium ion battery, a lithium polymer battery or a lithium ion polymer battery.
  • the lithium secondary battery is a device selected from a mobile phone, a portable computer, a smart phone, a smart pad, a netbook, a LEV (Light Electronic Vehicle), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device. It can be used as a power source or power source. However, it is not limited to these.
  • FIGS. 1A and 1B are exploded perspective views of a typical representative pouch type secondary battery
  • FIG. 2 to 3 schematically show a perspective view and a vertical sectional view of an electrode plate and a separating plate constituting the stacked electrode group according to the present invention
  • 4 and 5 are schematic diagrams of vertical sectional views of stacked electrode groups in which the polarities of the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate are different;
  • FIG. 6 is a schematic view of a vertical sectional view of a stacked electrode group in which the polarities of the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate are the same;
  • FIG. 7 is a schematic view of a cross-sectional view of an electrode group stack according to one non-limiting embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of a developed view of the electrode group laminate of FIG. 7;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a first unit cell according to a non-limiting embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a second unit cell according to a non-limiting embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of a stacked electrode group including a first unit cell and a second unit cell of FIGS. 9 and 10;
  • 12A and 12B are schematic views of a fixed structure of the first unit cell of FIG. 9;
  • FIG. 13 schematically illustrates a manufacturing process of a first unit cell according to a non-limiting embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a two-stage staircase structure.
  • the positive electrode plate 130 has a structure in which the positive electrode slurry 132 is coated on the positive electrode current collector 136, and the negative electrode plate 170 has a negative electrode slurry ( 176) is applied.
  • the positive electrode slurry 132 is applied to the upper and lower sides of the positive electrode current collector 136, and the negative electrode plate 170 is applied to the upper and lower sides of the negative electrode current collector 176. It is.
  • 2 to 3 of the positive electrode plate 130 and the negative electrode plate 170 is formed in the shape of a parallel cuboid having a full length (L1), full width (S1), total height (H).
  • the stacked electrode groups 210, 220, 230, 240, and 250 of FIGS. 4 and 5 have different polarities between the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate among the stacked electrode plates.
  • the stacked electrode groups 310, 320, and 330 of FIG. 6 have the same polarity between the uppermost electrode plate and the lowermost electrode plate among the stacked electrode plates.
  • the anode slurry layer is formed only on one surface of the cathode plates stacked on the bottom thereof facing the cathode plates stacked on the top.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of an electrode group stack according to one embodiment of the present invention.
  • the electrode groups constituting the electrode group stack 500 illustrated in FIG. 7 may be a combination of the stacked electrode groups of FIGS. 4 to 6.
  • stacked electrode groups 400A, 300B, 300D, 300F, and 300H having different areas are stacked, and boundaries and stacked electrode groups 300D and 300H of the stacked electrode groups 400A and 300B are stacked. There is a step on the border.
  • the stacked electrode group 400A has a thickness corresponding to 60% of the sum of the thicknesses of the stacked electrode groups 400A, 300B, 300D, 300F, and 300H.
  • the thickness of the stacked electrode groups 300B, 300D, 300F, and 300H is equal.
  • the separation sheet surrounds side surfaces of the stacked electrode groups 400A, 300B, 300D, 300F, and 300H, and surrounds all outer peripheral surfaces of the electrode group stack 500.
  • the end of the separating sheet is fixed with tape.
  • FIG. 9 the schematic diagram of the developed view of the electrode group laminated body of FIG. 8 is shown.
  • the electrode group 400A having the largest area and the thickest thickness is disposed at the right edge where the winding is started, and the electrode group 300B having the smaller area than the electrode group 400A is the electrode group.
  • the electrode group 300D is disposed along the winding direction in a state spaced at a predetermined distance from 400A, and the electrode group 300D having a smaller area than the electrode group 300B is spaced apart from the electrode group 300B by a predetermined distance. It is disposed along the winding direction, the electrode group 300F having a smaller area than the electrode group 300D is disposed along the winding direction in a state spaced apart from the electrode group 300D by a predetermined distance, and the electrode group 300F.
  • the electrode group 300H having an area smaller than) is arranged along the winding direction in a state spaced apart from the electrode group 300F by a predetermined distance.
  • FIG. 9 illustrates a schematic cross-sectional view of the first unit cell
  • FIG. 10 illustrates a schematic cross-sectional view of the second unit cell.
  • the first unit cell has a structure in which a separator plate 310, a positive electrode plate 320, a separator plate 330, and a negative electrode plate 340 are laminated in a sequentially stacked state.
  • the second unit cell has a structure in which a separator plate 410, a negative electrode plate 420, and a separator plate 430 are laminated in a stacked state.
  • FIG. 11 illustrates a stacked electrode group having a structure in which the second unit cell of FIG. 10 is stacked on the top of the first unit cell stack in which the first unit cells of FIG. 9 are stacked.
  • FIG. 12A and 12B illustrate an embodiment in which a fixing member is further added to the first unit cell of FIG. 9. Specifically, the fixing member T1 is further added to the side or front surface of the first unit cell 300.
  • fixing may be performed by using a separate member on the side of the stacked structure, and the fixing member may include the first unit cell 300 as illustrated in FIG. 12A. It is possible to implement in a manner of taping the front of the), or as a fixing member (T2) for fixing only the side of the first unit cell 300, as shown in 12B.
  • FIG. 13 is a process schematic diagram illustrating a manufacturing process of a first unit cell according to the present invention.
  • the material of the separator 310, the anode plate 320, the separator 330, and the cathode plate 340 (using a loading unit loaded in a sheet-like structure) is simultaneously loaded and used as an intermediate layer (
  • the cutting plate 320 is cut into a designed size, and then the separator plates 310 and 330 disposed at the top and the bottom thereof are simultaneously loaded, and the negative plate 340 material is loaded together with the laminators L1 and L2.
  • the laminator implements a structure in which two electrode plates and two separator plates are bonded to each other by heat and pressure, that is, a first unit cell, and then cuts through a cutter C3 to complete the first unit cell, and then checks thickness (a). Inspection process, such as vision inspection (b), short inspection (c) may be further performed.
  • the first unit cell thus formed is fixed using a fixing member, or formed into a structure in which a plurality of first unit cells are stacked by lamination, and then the second unit cell of FIG. 10 is stacked and through the fixing member.
  • the fixing process enables the stack type electrode group to be completed.
  • a two-stage staircase structure is schematically illustrated.
  • the electrode group stack according to the present invention includes a step structure that varies according to the curvature of the curved surface of the device, there is an effect of improving the capacity per volume of the device by utilizing the dead space inside the device, unlike a conventional electrode assembly. .

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Abstract

본 발명에 따른 전극군 적층체는, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 제 1 분리막을 포함하는 전극군들 및 상기 전극군들 사이에 개재되어 있는 제 2 분리막을 포함하고, 전극군들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 일부 또는 전부의 전극군들은, 적층 경계에서 대향하는 적층면의 면적이 서로 상이하며, 하기 식 1을 만족하는 전극군을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체에 관한 거이다. T ≥ (T sum × 0.5) (1) 상기 식에서, T 는 임의의 전극군의 두께이고, T sum 은 전극군 적층체를 구성하는 각각의 전극군들의 두께의 총합이다.

Description

계단 구조의 전극군 적층체
본 발명은 이차전지의 전지 케이스 내에 내장되는 전극군 적층체에 관한 것으로서, 상세하게는, 계단 구조의 전극군 적층체에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다.
구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들에는 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 전지셀들이 사용되고 있다.
전기자전거, 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈(중대형 전지팩)이 사용되고 있다.
전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
이러한 전지모듈 또는 전지팩의 단위전지로는 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등이 사용되고 있으며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1A 및 1B에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1A를 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다.
상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1A에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 1B에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1A 및 1B는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
상기한 전극 조립체는, 도 1A 및 도 1B에서와 같이, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이고, 이러한 전극 조립체들이 전지 케이스 내에 내장되어 직육면체 형상의 파우치형 전지셀이 제작되며, 상기 파우치형 전지셀들이 적층되어 직육면체 형상의 전지팩이 완성된다.
그러나, 이러한 직육면체 형상의 전지셀과 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있다.
예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감이 우수하도록 측면이 곡선으로 처리되어 있을 수 있다.
그러나, 이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩은 디바이스 내부의 공간 활용도에 한계가 있다.
즉, 곡선 처리된 부분에는 전지셀 또는 전지팩이 장착될 수 없는 사공간(dead space)이 형성된다. 이러한 사공간은, 종국에는 디바이스 부피 당 용량이 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 디바이스의 부피 당 용량을 최대한 향상시킬 수 있는 계단 구조가 형성된 전극군 적층체와 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 계단 구조의 전극군 적층체를 대량 생산공정에서 발생하는 공정상 장애를 최소화하여 양품률이 높이 계단 구조의 전극군 적층체를 제공하고자 한다.
본 발명의 제 1 측면에서, 본 발명에 따른 전극군 적층체는,
양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 제 1 분리막을 포함하는 전극군들 및 상기 전극군들 사이에 개재되어 있는 제 2 분리막을 포함하고,
전극군들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고,
일부 또는 전부의 전극군들은, 적층 경계에서 대향하는 적층면의 면적이 서로 상이하며,
하기 식 1을 만족하는 전극군을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
T ≥ (T sum × 0.5) (1)
상기 식에서,
T 는 임의의 전극군의 두께이고, T sum 은 전극군 적층체를 구성하는 각각의 전극군들의 두께의 총합이다.
상기 임의의 전극군은 전극군 적층체를 구성하는 각각의 전극군들 중에서 선택된 어느 하나를 의미하는 것이고, 예를 들어, 적층면의 면적이 가장 큰 스택형 전극군일 수 있다.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 슬러리 층이 형성된 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 양극은 음극과 대면하는 면적에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 것일 수 있다.
음극과 대면하는 면은 양극 집전체의 일면 또는 양면일 수 있다.
상기 양극은 판상의 양극, 즉 양극판일 수 있다. 양극판의 모서리들은 직각일 수도 있고, 곡선 처리되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 직육면체 형상의 양극판의 모서리들은 모두 직각일 수도 있고, 적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있을 수도 있다.
적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있는 경우, 곡선 처리된 모서리로 자유 낙하하는 경우, 충격이 완화될 수 있으므로, 낙하 안정성이 향상되는 효과가 있다.
일면 양극판의 최대 두께는 87 내지 92 ㎛ 일 수 있고, 최소 두께는 70 내지 74 ㎛ 일 수 있다. 이 때, 양극 슬러리의 로딩량의 범위는 16 mg/cm2 이상 내지 22 mg/cm2 이하일 수 있다.
양면 양극판의 최대 두께는 128 내지 133 ㎛ 일 수 있고, 최소 두께는 91 내지 99 ㎛ 일 수 있다. 이 때, 양극 슬러리의 로딩량의 범위는 32 mg/cm2 이상 내지 44 mg/cm2 이하일 수 있다.
일면 양극판의 양극 집전체의 두께는 양면 양극판의 양극 집전체의 두께보다 두꺼울 수 있다. 두께 비의 범위는 2.5 : 1 이상 내지 1.5 : 1 이하일 수 있다.
일면 양극판의 양극 집전체의 두께를 양면 양극판의 양극 집전체의 두께보다 두껍게 함으로써, 일면 양극이 압연(roll pressing)공정 시 벤딩(beding)되는 현상을 최소화할 수 있다.
이는 양품성 및 공정성을 향상시키는 장점이 있다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 슬러리 층이 형성된 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 음극은 양극과 대면하는 면적에만 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 것일 수 있다. 양극과 대면하는 면은 음극 집전체의 일면 또는 양면일 수 있다.
상기 음극은 판상의 음극, 즉 음극판일 수 있다. 음극판의 모서리들은 직각일 수도 있고, 곡선 처리되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 직육면체 형상의 음극판의 모서리들은 모두 직각일 수도 있고, 적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있을 수도 있다.
적어도 하나의 모서리가 곡선 처리되어 있는 경우, 곡선 처리된 모서리로 자유낙하하는 경우, 충격이 완화될 수 있으므로, 낙하 안정성이 향상되는 효과가 있다.
일면 음극판의 최대 두께는 86 내지 91 ㎛ 일 수 있고, 최소 두께는 67 내지 70 ㎛ 일 수 있다. 이 때, 음극 슬러리의 로딩량의 범위는 7.7 mg/cm2 이상 내지 10.5 mg/cm2 이하일 수 있다.
양면 음극판의 최대 두께는 139 내지 149 ㎛ 일 수 있고, 최소 두께는 101 내지 108 ㎛ 일 수 있다. 이 때, 음극 슬러리의 로딩량의 범위는 15.4 mg/cm2 이상 내지 21 mg/cm2 이하일 수 있다.
일면 음극판의 음극 집전체의 두께는 양면 음극판의 음극 집전체의 두께보다 두꺼울 수 있다. 두께 비의 범위는 2.5 : 1 이상 내지 1.5 : 1 이하일 수 있다.
일면 음극판의 음극 집전체의 두께를 양면 음극판의 음극 집전체의 두께보다 두껍게 함으로써, 일면 음극이 압연(roll pressing)공정 시 벤딩(beding)되는 현상을 최소화할 수 있다.
이는 양품성 및 공정성을 향상시키는 장점이 있다.
제 1 분리막은 판상의 분리막, 즉 분리판일 수 있다.
상기 전극군은, 양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 개재되어 있는 판상의 제 1 분리막을 포함하고, 양극판과 음극판이 분리판을 사이에 두고 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있는 스택(stack)형 전극군일 수 있다.
상기에서, 평면은 임의의 평면일 수 있고, 예를 들어, 지면 또는 지면에 수직한 평면일 수 있다.
전극판들의 적층 방향은 중력 방향 또는 중력 반대 방향일 수 있다.
예를 들어, "평면을 기준으로 높이 방향을 따라 적층된다"는 것은, 전극판들이 지면으로부터 중력 방향 또는 중력 반대 방향으로 적층될 수 있음을 의미할 수 있다.
이는, 전극판들이 평면을 기준으로 높이 반대 방향으로 적층되어 있는 경우에도 마찬가지이다.
스택형 전극군들 사이에 개재되어 있는 제 2 분리막은 분리 시트일 수 있다.
상기 분리 시트는, 양극판과 음극판의 사이에 배치되어 양극과 음극을 격리하는 동시에 적어도 양극 단자 또는 음극 단자가 형성되어 있지 않은 양극판의 측면 또는 음극판의 측면을 감쌀 수 있을 정도의 소정의 길이로 형성되어 있는 분리막으로 정의할 수 있다.
상기 분리 시트는 전극 단자 비형성 부위인 스택형 전극군의 측면을 감싸고 있을 수 있다.
즉, 분리 시트는 계단 구조를 형성하는 각각의 단(段)으로부터 소정의 거리로 이격되어 있을 수 있다. 즉, 계단 구조를 형성하는 각각의 단(段)의 외주면에 밀착되어 있지 않을 수 있다.
이 경우, 본 발명에 따른 전극군 적층체를 포함하는 리튬 이차전지의 외주면을 리튬 이차전지가 내장되는 디바이스의 곡면의 곡률을 따라 형성하기 어려울 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리 시트는 스택형 전극군의 측면, 구체적으로는 계단 구조를 구성하는 각각의 단(段)의 외주면에 밀착되어 있을 수 있다.
분리 시트의 두께는 5 ~ 300 ㎛, 5 ~ 200 ㎛, 5 ~ 100 ㎛, 5 ~ 50 ㎛, 5 ~ 30 ㎛, 5 ~ 25 ㎛, 5 ~ 20 ㎛, 10 ~ 20 ㎛ 일 수 있고, 분리 시트의 두께가 얇을수록 방전용량을 증가시킬 수 있다.
전술한 분리판의 경우에도 마찬가지이다.
분리 시트의 두께가 매우 얇으므로, 분리 시트를 계단 구조를 구성하는 각각의 단(段)의 외주면에 밀착시키는 것이 용이하지 않다.
본 발명에 따르면, 상기 분리 시트는 절단 또는 열처리 또는 절단 후 열처리에 의해서 각각의 단(段)의 외주면에 밀착시킬 수 있다. 즉, 전극군의 측면에 밀착시킬 수 있다.
분리 시트는, 전극군의 측면을 감싼 상태로 양극과 음극 사이에 개재되므로, 반복되는 충방전에도 불구하고 전극군들과 분리 시트 간의 계면 접촉을 견고하게 유지할 수 있다.
분리 시트를 권취할 때 발생하는 인장력은 전극군과 분리 시트 간의 계면을 밀착하는 압력을 제공할 수 있다.
분리 시트는, 상기한 적층체의 일부 또는 전부의 외주면을 감싸고 있을 수 있다.
분리 시트의 말단은 열융착되거나 테이프로 고정될 수 있다.
상기 전극군들은 짝수 개일 수 있다.
상기 전극군들은 홀수 개일 수 있다.
상기 전극군들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 일부 또는 전부의 전극군들은, 적층 경계에서 대향하는 적층면의 면적이 서로 상이하다.
전술한 바와 같이, 상기 평면은 임의의 평면일 수 있고, 지면 또는 지면에 수직한 평면 또는 적층면의 면적이 가장 큰 스택형 전극군일 수 있다.
상기 전극군들은, 적층면의 면적이 가장 큰 전극군을 기준으로 높이 방향 및 높이 반대 방향으로 적층되어 있을 수 있다. 이때, 대칭 또는 비대칭으로 전극군들이 적층될 수 있다.
적층 경계에서 대향하는 적층면의 면적이 서로 다른 전극군들은 단차 또는 계단 구조를 형성할 수 있다.
상기 계단 구조는 적층면의 면적이 서로 다른 n 개의 전극군들이 적층된 경우, 단의 개수는 n 단일 수 있다. 이 때, n은 2이상의 자연수이고, n은 디바이스의 용량 내지 디바이스의 외주면의 곡률 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있을 것이다.
적층면의 면적이 가장 큰 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 동일한 S 스택형 전극군일 수 있다.
상기 S 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 모두 음극인 SA 스택형 전극군일 수 있다.
상기 S 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 모두 양극인 SC 스택형 전극군일 수 있다.
적층면의 면적이 가장 큰 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 상이한 D 스택형 전극군일 수 있다.
상기 D 스택형 전극군의 최소 두께는 0.3 mm 일 수 있다.
적층면의 면적이 가장 큰 전극군의 두께는, 상기 식 1을 만족한다.
분리 시트를 폴딩 또는 권취하여 본 발명의 비제한적인 일 실시예에 따른 전극군 적층체를 제조하는 경우, 짝수 또는 홀수 개의 스택형 전극군들은 소정의 간격으로 이격된 채로 분리 시트에 배열되고, 권취 개시점에 위치하는 적층면의 면적이 가장 큰 전극군, 즉 최대면적의 전극군은, 폴딩 공정에 사용되는 공정 기기의 지그(zig)로 고정된 상태에서, 권취 개시점으로부터 권취 종료점 방향으로 반복적으로 폴딩 또는 권취될 수 있다.
상기 지그는 폴딩 또는 권취를 위해서 집게 손과 같이 전극군을 잡고 있는 부품을 의미한다.
폴딩 또는 권취 공정 중 최대면적의 전극군이 지그로부터 이탈하는 경우, 양품률 내지 공정성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 지그는 최대면적의 전극군에 일정한 힘을 가할 수 있다.
최대면적의 전극군의 두께가 전극군들의 두께의 총합의 50% 미만인 경우에는 가해진 압력에 의해서 파손될 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에서, 상기 적층면의 면적이 가장 큰 전극군 상에 적층되어 있는 전극군들은 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 한다.
Ta = n × Tb (2)
상기 식에서,
Ta, Tb 는 적층면의 면적이 가장 큰 전극군 상에 적층되어 있는 전극군들 중에서 선택된 임의의 전극군이고, n은 자연수다.
상기 임의의 전극군들은 S 스택형 전극군, D 스택형 전극군 또는 이들의 조합일 수 있다.
전극군들의 경계에서 대향하는 양극과 음극 중에서, 대향 면적이 큰 전극은 음극일 수 있다. 이 경우, 대향 면적이 큰 전극이 양극인 경우에 비해, 충전 시 수지상 성장을 최소화할 수 있다.
전극군들의 경계에서 대향하는 양극과 음극 중에서, 대향 면적이 큰 전극은 양극일 수 있다.
상기 스택형 전극군은, 양극판과 음극판 중 어느 하나와 분리판이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 1 단위셀을 포함할 수 있다.
상기 스택형 전극군은, 분리판들이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 제 2 단위셀을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 분리판들 중 하나는 제 2 분리막을 구성하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 단위셀은, 양극판, 분리판, 음극판, 분리판이 순차적으로 적층된 상태로 접합(laminate)된 구조 또는 음극판, 분리판, 양극판, 분리판이 순차적으로 스택된 상태로 접합된 구조일 수 있다.
상기 스택형 전극군은, 양극판과 음극판이 최외각을 구성하고, 분리판이 양극판과 음극판 사이에 개재되도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 3 단위셀을 포함할 수 있다.
상기 스택형 전극군은, 양극판과 음극판 중 어느 하나와 하나의 분리판이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 4 단위셀을 포함할 수 있다.
상기 스택형 전극군은, 상기 제 1 단위셀들 만이 적층된 구조일 수도 있고, 제 2 단위셀 만이 적층된 구조일 수도 있으며, 제 3 단위셀들 만이 적층된 구조일 수도 있고, 제 4 단위셀들 만이 적층된 구조일 수도 있으며, 이들의 조합일 수도 있다.
상기 제 1 단위셀의 최상단 또는 최하단에는 제 2 단위셀이 적층되어 있을 수 있다.
제 2 단위셀들만이 적층되어 있는 구조는 제 2 단위셀들 사이에 양극판 또는 음극판 중 어느 하나가 개재되어 있을 수 있다.
상기 제 1 단위셀 내지 제 4 단위셀에는 양극판, 분리판, 음극판의 적층 구조를 더욱 견고히 유지하는 고정 부재가 더 부가되어 있을 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 단위셀 내지 제 4 단위셀과는 별개의 외부 부재로서, 단위셀의 외주면의 일부 또는 전부를 감싸고 있는 점착 테이프 또는 접착 테이프일 수 있다.
상기 단위셀의 외주면은, 단위셀의 측면, 평면, 전면, 후면 등을 모두 포함하는 개념일 수 있다.
상기 고정부재는, 단위셀을 구성하는 분리판의 일부일 수 있고, 이 경우, 분리판의 말단을 열융착시킴으로써 단위셀을 고정시킬 수 있다.
상기 분리판의 말단은 양극판과 음극판의 크기, 즉, 가로길이 또는 세로길이에 비해 길게 연장되어 있을 수 있다. 연장된 분리판의 말단은 서로 열융착될 수 있다.
상기 고정부재는, 이에 한정되지 않고, 제 1 단위셀 또는 제 2 단위셀을 고정시킬 수 있는 기능을 할 수 있는 부재를 모두 포함할 수 있다.
상기한 제 1 단위셀과 제 2 단위셀을 포함하여 스택형 전극군을 구성하는 경우, 양극판, 음극판, 분리판이 단순히 적층되어 있는 구조의 스택형 전극군에 비해 양산성 내지 양품률을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 단위셀 단위로 양극판, 분리판, 음극판이 서로 접합되어 있는 상태이므로, 스웰링으로 인한 부피팽창을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기한 제 1 단위셀과 제 2 단위셀을 포함하여 스택형 전극군을 구성하는 경우, 폴딩 공정으로 구현되는 전극조립체의 어라인 불량이나 공정설비를 제거하고, 하나의 라미네이터만을 가지고 제 1 단위셀 또는 제 2 단위셀의 형성을 완료하고, 단순 적층으로 스택형 전극군을 구현할 수 있게 되는 바, 폴딩 공정시 발생하는 전극 손상이 감소되며, 전해액 젖음성이 향상될 수 있고, 외부로 노출되는 분리판을 단면 유무기 복합 분리막(SRS 분리막)을 적용할 수 있게 되어 셀의 두께가 감소함과 동시에 공정 비용을 절감할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 전극군 적층체의 최대 두께는 5.5 mm일 수 있다.
전술한 특징들의 다양한 조합은 본 발명의 범위 내이다.
본 발명은 상기한 전극군 적층체가 전지 케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
상기 전지케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스, 또는 금속 캔일 수 있다.
상기 전지케이스에는 상기 전극군 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가진 수납부가 형성되어 있는 것일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 하나의 디바이스의 전원 또는 동력원으로 사용될 수 있다. 다만 이들에 한정되는 것은 아니다.
전지셀의 구조 및 제작방법 또는 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1A 및 1B는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 스택형 전극군을 구성하는 전극판과 분리판의 사시도와 수직 단면도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 4 및 도 5는 최상단 전극판과 최하단 전극판의 극성이 상이한 스택형 전극군의 수직 단면도의 모식도이다;
도 6은 최상단 전극판과 최하단 전극판의 극성이 동일한 스택형 전극군의 수직 단면도의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 비제한적인 하나의 실시예에 따른 전극군 적층체의 단면도의 모식도이다;
도 8은 도 7의 전극군 적층체의 전개도의 모식도이다;
도 9는 본 발명의 비제한적인 일 실시예에 따른 제 1 단위셀의 구조를 모식적으로 도시한 단면도이다;
도 10은 본 발명의 비제한적인 일 실시예에 따른 제 2 단위셀의 구조를 모식적으로 도시한 단면도이다;
도 11은 도 9 및 도 10의 제 1 단위셀과 제 2 단위셀로 이루어진 적층형 전극군의 구조를 모식적으로 도시한 단면도이다;
도 12A 및 12B는 도 9의 제 1 단위셀의 고정구조의 모식도이다;
도 13은 본 발명의 비제한적인 일 실시예에 따른 제 1 단위셀의 제조공정을 모식적으로 도시한 것이다;
도 14는 2단의 계단 구조를 도시한 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 3에는 본 발명에 따른 전극군을 구성하는 양극판(130), 음극판(170) 및 분리판(150)이 모식적으로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 양극판(130)은 양극 집전체(136)상에 양극 슬러리(132)가 도포되어 있는 구조이고, 음극판(170)은 음극 집전체(172)에 음극 슬러리(176)가 도포되어 있는 구조이다.
도 2의 양극판(130)은 양극 슬러리(132)가 양극 집전체(136)의 상하 양면에 도포되어 있고, 음극판(170)은 음극 슬러리(172)가 음극 집전체(176)의 상하 양면에 도포되어 있다.
도 2의 내지 도 3의 양극판(130) 및 음극판(170)은 전장(L1), 전폭(S1), 전고(H)를 가진 평행 직육면체의 형상으로 이루어져 있다.
도 4 내지 도 6에는 도 3의 양극판(130)과 음극판(170)이 분리판(150)을 사이에 두고 적층면과 평행한 평면을 기준으로 높이 방향을 따라 교대로 적층되어 있는 적층형 전극군들(300, 400)의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4 및 도 5의 스택형 전극군들(210, 220, 230, 240, 250)은 적층된 전극판들 중에서 최상단의 전극판과 최하단의 전극판의 극성이 서로 상이하다.
도 6의 스택형 전극군들(310, 320, 330)은 적층된 전극판들 중에서 최상단의 전극판과 최하단의 전극판의 극성이 서로 동일하다.
스택형 전극군(220, 250, 330)은 최하단에 적층되어 있는 양극판이, 상단에 적층된 음극판과 대면하는 일면에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극군 적층체의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 전극군 적층체(500)을 구성하는 전극군들은 도 4 내지 도 6의 스택형 전극군들의 조합일 수 있다.
이를 참조하면, 면적이 상이한 스택형 전극군들(400A, 300B, 300D, 300F, 300H)이 적층되어 있고, 스택형 전극군들(400A, 300B)의 경계와 스택형 전극군들(300D, 300H)의 경계에는 단차가 있다.
스택형 전극군(400A)는 스택형 전극군들(400A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 두께의 총합의 60 % 에 해당하는 두께를 가진다.
스택형 전극군들(300B, 300D, 300F, 300H)의 두께의 같다.
분리 시트는 스택형 전극군들(400A, 300B, 300D, 300F, 300H)의 측면을 감싸고 있고, 전극군 적층체(500)의 외주면을 모두 감싸고 있다. 분리 시트의 말단은 테이프로 고정되어 있다.
도 9에는, 도 8의 전극군 적층체의 전개도의 모식도가 도시되어 있다.
이를 참조하면, 가장 면적이 크고 가장 두께가 두꺼운 전극군(400A)가 와인딩(winding)이 개시되는 우측 가장자리에 배치되어 있고, 전극군(400A)에 비해 면적이 작은 전극군(300B)가 전극군(400A)로부터 소정의 거리로 이격된 상태에서 와인딩 방향을 따라 배치되어 있으며, 전극군(300B)에 비해 면적이 작은 전극군(300D)가 전극군(300B)로부터 소정의 거리로 이격된 상태에서 와인딩 방향을 따라 배치되어 있고, 전극군(300D)에 비해 면적이 작은 전극군(300F)가 전극군(300D)로부터 소정의 거리로 이격된 상태에서 와인딩 방향을 따라 배치되어 있으며, 전극군(300F)에 비해 면적이 작은 전극군(300H)가 전극군(300F)로부터 소정의 거리로 이격된 상태에서 와인딩 방향을 따라 배치되어 있다.
도 9는 제 1 단위셀의 모식적인 단면도를 도시하고 있고, 도 10은 제 2 단위셀의 모식적인 단면도를 도시하고 있다.
제 1 단위셀은 도 9에 도시된 구조와 같이 분리판(310), 양극판(320), 분리판(330), 음극판(340)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
제 2 단위셀은, 도 10에 도시되는 구조와 같이, 분리판(410), 음극판(420), 분리판(430)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
도 11은 도 9의 제 1 단위셀들이 적층된 제 1 단위셀 적층체의 최상단에 도 10의 제 2 단위셀이 적층된 구조의 스택형 전극군이 도시되어 있다.
도 12A 및 12B에는, 도 9의 제 1 단위셀에 고정부재가 더 부가된 실시예가 도시되어 있다. 구체적으로 제 1 단위셀(300)의 측면 또는 전면에는 고정부재(T1)가 더 부가되어 있다.
단순 적층구조로 인해 적층의 안정성을 확보하기 위해, 적층된 구조의 측면에 별개의 부재를 이용하여 고정을 수행할 수 있으며, 이러한 고정부재는 도 12A에 도시된 것과 같이, 제 1 단위셀(300)의 전면을 테이핑하는 방식으로 구현하거나, 12B에 도시된 것과 같이, 제 1 단위셀(300)의 측면만을 고정하는 고정부재(T2)로 구현하는 것이 가능하다.
도 13은 본 발명에 따른 제 1 단위셀의 제조공정을 도시한 공정 모식도이다.
도시된 것과 같이, 분리판(310), 양극판(320), 분리판(330), 음극판(340)의 재료(시트형 구조로 로딩되는 로딩유닛을 이용)를 동시에 로딩하며, 중간층으로 이용되는 양극판(320)을 설계된 크기로 절단하여 로딩하며, 이후 상부와 하부에 배치된 분리판(310, 330)이 동시에 로딩됨과 동시에 음극판(340) 재료가 함께 라미네이터(L1, L2)로 로딩되게 된다.
이후 라미네이터에서는 열과 압력으로 2개의 전극판과 2개의 분리판이 접착된 구조체 즉 제 1 단위셀로 구현하게 되며, 이후 절단기(C3)를 통해 절단하여 제 1 단위셀을 완성 후, 두께검사(a), 비전검사(b), 쇼트검사(c) 등의 검사 공정이 추가로 수행될 수 있다.
이후, 이렇게 형성된 제 1 단위셀은 고정부재를 이용하여 고정하거나, 적층을 통해 다수의 제 1 단위셀이 적층된 구조물로 형성한 후, 도 10의 제 2 단위셀을 적층하고, 고정부재를 통해 고정하는 공정을 통해 스택형 전극군을 완성할 수 있도록 한다.
도 14에는 2단의 계단 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 전극군 적층체는, 디바이스의 곡면의 곡률에 따라 변화하는 계단 구조를 포함하고 있으므로, 종래의 전극 조립체와 달리 디바이스 내부의 사공간을 활용하여 디바이스의 부피당 용량을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 공정상 장애를 해결하여 양품률이 높은 전극군 적층체를 제공할 수 있다. 그 결과, 공정성이 향상되고, 가격 경쟁력이 향상된다.

Claims (30)

  1. 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 제 1 분리막을 포함하는 전극군들 및 상기 전극군들 사이에 개재되어 있는 제 2 분리막을 포함하고,
    전극군들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고,
    일부 또는 전부의 전극군들은, 적층 경계에서 대향하는 적층면의 면적이 서로 상이하며,
    하기 식 1을 만족하는 전극군을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체:
    T ≥ (T sum × 0.5) (1)
    상기 식에서,
    T 는 임의의 전극군의 두께이고, T sum은 전극군 적층체를 구성하는 각각의 전극군들의 두께의 총합이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극군은, 양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 개재되어 있는 판상의 제 1 분리막을 포함하고, 양극판과 음극판이 분리판을 사이에 두고 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있는 스택(stack)형 전극군인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  3. 제 2 항에 있어서, 스택형 전극군들 사이에 개재되어 있는 제 2 분리막은 일 단위의 분리 시트이고, 상기 분리 시트는 전극 단자 비형성 부위인 스택형 전극군의 측면을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 분리 시트는 스택형 전극군의 측면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  5. 제 4 항에 있어서, 적층면의 면적이 가장 큰 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 동일한 S 스택형 전극군인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 S 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 모두 음극인 SA 스택형 전극군인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 S 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 모두 양극인 SC 스택형 전극군인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  8. 제 4 항에 있어서, 적층면의 면적이 가장 큰 스택형 전극군은, 최상단에 적층된 전극과 최하단에 적층된 전극의 극성이 상이한 D 스택형 전극군인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 D 스택형 전극군의 최소 두께는 0.3 mm 인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 임의의 전극군은 적층면의 면적이 가장 큰 전극군인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 적층면의 면적이 가장 큰 전극군 상에 적층되어 있는 전극군들은 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체:
    Ta = n × Tb (2)
    상기 식에서,
    Ta, Tb 는 적층면의 면적이 가장 큰 전극군 상에 적층되어 있는 전극군들중에서 선택된 임의의 전극군이고,
    n은 자연수다.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 임의의 전극군들은 S 스택형 전극군, D 스택형 전극군 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 음극과 대면하는 면적에만 양극 슬러리 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 양극과 대면하는 면적에만 음극 슬러리 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  15. 제 1 항에 있어서, 최대 두께가 5.5 mm인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  16. 제 1 항에 있어서, 전극군들의 경계에서 대향하는 양극과 음극 중에서, 대향 면적이 큰 전극이 음극인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  17. 제 1 항에 있어서, 전극군들의 경계에서 대향하는 양극과 음극 중에서, 대향 면적이 큰 전극이 양극인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  18. 제 2 항에 있어서, 상기 스택형 전극군은, 양극판과 음극판 중 어느 하나와 분리판이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판들은 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 1 단위셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 스택형 전극군은, 분리판들이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 2 단위셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 분리판들 중 하나는 제 2 분리막을 구성하는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 분리판들 중 하나는 제 2 분리막을 구성하는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 전극군들은, 적층면의 면적이 가장 큰 전극군을 기준으로 높이 방향 및 높이 반대 방향으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 전극군들의 개수는 짝수 개인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 전극군들의 개수는 홀수 개인 것을 특징으로 하는 전극군 적층체.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 하나에 따른 전극군 적층체가 전지 케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스, 또는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 전지케이스에는 상기 전극군 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가진 수납부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  28. 제 25 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 리튬 이온 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  29. 제 25 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  30. 제 25 항에 있어서, 상기 리튬 이차전지는 리튬 이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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