WO2015030333A1 - 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체 - Google Patents

폴리머 2차전지 셀용 전극조립체 Download PDF

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separator
unit
secondary battery
battery cell
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안창범
박지원
양영주
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly for a polymer secondary battery cell, and more particularly, in a new type of electrode assembly manufactured only by a lamination process without a folding process, a polymer secondary forming an electrode to be aligned with or similarly to a separator. It relates to an electrode assembly for a battery cell.
  • Secondary batteries may be classified according to the structure of the electrode assembly.
  • the secondary battery may be classified into a stack type structure, a wound type (jelly roll type) structure, and a stack / fold type structure.
  • the stacked structure cuts the anode, the separator, and the cathode to a predetermined size, and then stacks them in order to form an electrode assembly.
  • the separator is disposed between the anode and the cathode.
  • the wound structure forms an anode, a separator, a cathode, and a separator in a sheet shape, and then stacks and winds them sequentially to form an electrode assembly.
  • the stack / foldable structure forms a full cell or bicell and then winds them through a separator sheet to form an electrode assembly.
  • a full cell or bicell can be formed (the full cell or bicell includes one or more positive electrode, separator, and negative electrode, respectively).
  • the electrode units (anode, separator, and cathode) constituting the electrode assembly are stacked separately from each other, it is very difficult to precisely align the electrode assembly, and there are many processes to produce the electrode assembly.
  • the disadvantage is that it is required.
  • the stack / folding structure generally requires two lamination equipment and one folding equipment, there is a disadvantage in that the manufacturing process of the electrode assembly is very complicated.
  • the stack / foldable structure has a disadvantage in that it is difficult to align the full cell or bicell precisely because the full cell or bicell is stacked by folding.
  • Patent Document 1 a manufacturing method capable of improving the productivity as well as precisely aligning the electrode assembly while manufacturing the electrode assembly with only lamination has been proposed by the present applicant.
  • the size of the first polarity electrode 14 and the second polarity electrode 12 is formed to be smaller than that of the separation membrane 16.
  • the first polarity electrode 14 and the second polarity electrode 12 move between 16), and regular alignment is impossible, which causes a safety problem.
  • a separate alignment process was additionally performed.
  • the technical problem to be solved by the present invention for solving the above problems is to form the electrode to be aligned with or similar to the separator, the electrode and the separator can be regularly aligned to ensure the safety, and also
  • An object of the present invention is to provide an electrode assembly for a polymer secondary battery cell having an increased capacity.
  • the electrode assembly for a polymer secondary battery cell according to the first embodiment of the present invention is the first electrode, the first separator, the second electrode and the second separator is sequentially stacked four layers At least one basic unit forming a structure is stacked unit stack, wherein at least one of the first electrode or the second electrode is 99.7% to 100% of the size of the first separation membrane or the second separation membrane And formed to be aligned with or close to an end of the first separator or the second separator.
  • At least one of the first electrode or the second electrode is the same as the first separator or the second separator in either the width or the length, and in the other it is the same as the first separator or the second separator. Or small.
  • the unit stack unit may further include a first auxiliary unit stacked on a first terminal electrode, which is a first electrode positioned at the top or bottom thereof, wherein the first auxiliary unit includes the first electrode as the anode and the second electrode.
  • the cathode is a separator
  • a cathode, a separator, and an anode are sequentially stacked from the first terminal electrode
  • the separator is sequentially from the first terminal electrode and
  • the anode may be formed by stacking.
  • the unit stack part further includes a second auxiliary unit stacked on a second terminal separator, which is a second separator disposed at an uppermost or lowermost part, wherein the second auxiliary unit includes the first electrode being an anode and the second electrode.
  • the cathode may be formed as an anode, and when the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode, a cathode, a separator, and an anode may be sequentially stacked from the second terminal separator.
  • the electrodes and the separator can be stacked more easily, thereby increasing safety, and further increasing the capacity of the electrodes to increase the commerciality of the electrode assembly. It works.
  • FIG. 1 is a view showing an electrode assembly having a stacked structure according to the prior art.
  • Figure 2 is an exploded perspective view showing a first structure of an electrode assembly for a polymer secondary battery cell according to the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view in the width direction in the assembled state of the first structure of the electrode assembly for a polymer secondary battery cell according to the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view in the longitudinal direction in the assembled state of the first structure of the electrode assembly for a polymer secondary battery cell according to the present invention.
  • FIG. 6 is a process chart showing a manufacturing process of the electrode assembly for a polymer secondary battery cell according to the present invention.
  • FIG. 7 is a side view illustrating a first structure of a unit stack unit including a basic unit and a first auxiliary unit according to the present invention
  • FIG. 8 is a side view illustrating a second structure of a unit stack part including a basic unit and a first auxiliary unit according to the present invention.
  • FIG. 9 is a side view illustrating a third structure of a unit stack part including a basic unit and a second auxiliary unit according to the present invention.
  • FIG. 10 is a side view illustrating a fourth structure of a unit stack part including a basic unit and a second auxiliary unit according to the present invention
  • FIG. 11 is a side view illustrating a fifth structure of a unit stack part including a basic unit, a first auxiliary unit, and a second auxiliary unit according to the present invention
  • FIG. 12 is a side view illustrating a sixth structure of a unit stack part including a basic unit and a first auxiliary unit according to the present invention
  • FIG. 13 is a side view illustrating a seventh structure of a unit stack part including a basic unit and a second auxiliary unit according to the present invention.
  • An electrode assembly for a polymer secondary battery cell includes a unit stack part in which at least one basic unit is stacked to form a four-layer structure by sequentially stacking a first electrode, a first separator, a second electrode, and a second separator.
  • the size of the electrode is configured to be aligned to the same or close to the separator to obtain a commercially available improvement due to the stacking efficiency and capacity increase.
  • the electrode assembly for a polymer secondary battery cell includes a unit stack unit, wherein the unit stack unit is formed by stacking at least one basic unit, and the basic unit is formed of a first electrode, a first separator, and a first unit. The second electrode and the second separator are sequentially stacked.
  • the first structure of the basic unit 110 includes the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 sequentially. It is formed by laminating. As described above, the basic unit 110 has a four-layer structure.
  • the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 are sequentially disposed from the top side to the bottom side. It is formed by laminating.
  • the first electrode 111 and the second electrode 113 are opposite electrodes.
  • the first electrode 111 is an anode
  • the second electrode 113 is a cathode. Of course, this may be the opposite.
  • At least one of the first electrode 111 or the second electrode 113 is formed to have a size of 99.7% to 100% of the first separator 112 or the second separator 114, and thus the first electrode 111. ),
  • the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 are stacked, so that the first electrode 111 or the second electrode 113 becomes the first separator 112 or the second separator. It can be regularly aligned while being aligned with or close to the end of 114.
  • the first electrode 111 and the second electrode 113 are formed to have a size of 99.7% to 100% of the first separator 112 and the second separator 114. There is almost no difference between the widthwise lengths of the first electrode 111 and the second electrode 113 and the widthwise lengths of the first separator 112 and the second separator 114 (see FIG. 3), and the first electrode. There is little difference between the lengths of the lengths of the (111) and the second electrodes 113 and the lengths of the lengths of the first separator 112 and the second separator 114 (see FIG. 4).
  • the basic unit 110 may be regularly aligned without a separate alignment process when the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 are stacked. It is possible to secure safety by preventing the phenomenon of the electrode 111 and the second electrode 113 to move, and to improve the performance of the electrode assembly due to the increase in the capacity of the first electrode 111 and the second electrode 113. Can be.
  • the basic unit 110, the first electrode 111 or the second electrode 113 is 99.7% ⁇ of the first separator 112 and the second separator 114 ⁇ It may be formed in a size of 100%, which is applicable when the capacity increase of any one of the first electrode 111 and the second electrode 113 is required or alignment is required.
  • the size of the first electrode 111 or the second electrode 113 is 99.6% or less of the size of the first separator 112 and the second separator 114, the first separator 112 and the second separator ( The first electrode 111 or the second electrode 113 is moved within the 114, there is a problem that needs to perform a separate alignment process.
  • the size of the first electrode 111 or the second electrode 113 is 100.0% or more of the size of the first separator 112 and the second separator 114, the first electrode 111 and the second electrode. Problems may occur due to the contact phenomenon of 113.
  • At least one of the first electrode 111 and the second electrode 113 of the basic unit 110 may have a width or length of the first separation membrane 112. ) Or the same as the second separator 114, and may be smaller than the first separator 112 or the second separator 114 in the other.
  • the basic unit 110 is the same as the width or length of the first separator 112 or the second separator 114 by increasing only one of the width or length of the first electrode 111 or the second electrode 113.
  • the first separator 111 or the second separator 114 may be regularly aligned with one side of the first electrode 111 or the second electrode 113 which is increased.
  • the basic unit 110 is sequentially stacked on the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114, but the first electrode 111 or the second electrode ( By forming the size of at least one of the 113) to 99.7% to 100% of the size of the first separation membrane 112 or the second separation membrane 114, it is possible to increase the alignment, capacity expansion and safety.
  • the stack unit 100 is formed by stacking at least one basic unit unit 110 having such a structure.
  • the unit stack unit 100 includes at least one basic unit 110 as shown in FIG. 7. That is, the unit stack part 100 may be formed of one basic unit 110 or at least two basic units 110. The unit stack unit 100 is formed by stacking the basic units 110.
  • the unit stack unit 100 has a basic feature in that the base unit 110 is repeatedly stacked. Forming the unit stack portion 100 in this manner, it can have the advantage that the basic unit 110 can be aligned very precisely, and the productivity can be improved.
  • the second structure of the base unit 110 ′ has the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 at the lower side. In order to be sequentially stacked upward from the top can be formed.
  • At least one of the first electrode 111 or the second electrode 113 is formed to have a size of 99.7% to 100% of the first separator 112 or the second separator 114 to form the first separator 112 or It may be aligned with or close to the end of the second separator 114.
  • the second structure of the base unit 110 ′ is the first structure of the base unit 110 and the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113 and the second separator ( There is only a difference in the stacking order of 114), and the rest of the configuration is the same, and the overlapping description thereof will be omitted.
  • At least one basic unit 110 ′ having such a structure is stacked to form a unit stack unit 100 ′.
  • the unit stack part 100 ′ includes at least one basic unit 110 ′ as shown in FIG. 11. That is, the unit stack part 100 ′ is formed of one basic unit 110 ′ or at least two basic units 110 ′.
  • the electrode assembly for a polymer secondary battery cell is based on a width or a length of the first separator 112.
  • the second separator 114 may be formed to be smaller than the second separator 114 by 0 to 0.3 mm, and thus aligned with or close to the ends of the first separator 112 or the second separator 114.
  • the electrode assembly for the polymer secondary battery cell according to the second embodiment of the present invention is different from the unit for the electrode assembly for the polymer secondary battery cell according to the first embodiment described above, but the configuration and effect are the same. Is omitted.
  • the basic unit 110 having the stacked structure as described above may be formed by the following process (see FIG. 6).
  • the first electrode material 121, the first separator material 122, the second electrode material 123, and the second separator material 124 are prepared.
  • the electrode materials 121 and 123 are cut to a predetermined size to form the electrodes 111 and 113 as will be described below.
  • separator materials 122 and 124 In order to automate the process, the electrode material and the separator material preferably have a form wound on a roll.
  • the first electrode material 121 is cut to a predetermined size through the cutter C 1 .
  • the second electrode material 123 is also cut into a predetermined size through the cutter C 2 .
  • a first electrode material 121 of a predetermined size is supplied onto the first separator material 122.
  • a second electrode material 123 of a predetermined size is also supplied onto the second separator material 124.
  • all materials are fed together into the laminators (L 1 , L 2 ).
  • the unit stack unit 100 is formed by repeatedly stacking the basic units 110.
  • the electrode and the separator constituting the base unit 110 is separated from each other, it will be very difficult to repeatedly stack the base unit 110. Therefore, when forming the basic unit 110, it is preferable to adhere the electrode and the separator to each other.
  • the laminators L 1 and L 2 are used to bond the electrodes and the separators together. That is, the laminators L 1 and L 2 apply pressure to the materials or heat and pressure to bond the electrode material and the separator material to each other. As such, the electrode material and the separator material are adhered to each other in the laminators L 1 and L 2 . By such adhesion, the basic unit 110 may maintain its shape more stably.
  • the first separator material 122 and the second separator material 124 are cut together to a predetermined size through the cutter C 3 .
  • the basic unit 110 may be formed.
  • various inspections may be performed on the basic unit 110 as necessary. For example, inspections such as thickness inspection, vision inspection, and short inspection may be additionally performed.
  • the separator may be coated with a coating material having an adhesive force.
  • the coating material may be a mixture of inorganic particles and a binder polymer.
  • the inorganic particles may improve thermal stability of the separator. That is, the inorganic particles can prevent the membrane from shrinking at a high temperature.
  • the binder polymer may fix the inorganic particles. Due to the inorganic particles, a predetermined pore structure may be formed on the coating layer formed on the surface of the separator. Due to the pore structure, even when the inorganic particles are coated on the separator, ions can smoothly move from the positive electrode to the negative electrode.
  • the binder polymer may stably maintain the inorganic particles in the separator to improve the mechanical stability of the separator. Moreover, the binder polymer can more stably bond the separator to the electrode. (This coating is called an SRS coating.)
  • the separator may be formed of a polyolefin-based separator substrate.
  • the electrodes 111 and 113 are positioned on both surfaces of the first separator 112, whereas the electrodes 113 are positioned only on one surface of the second separator 114. Therefore, a coating material may be coated on both surfaces of the first separator 112, and a coating material may be coated on only one surface of the second separator 114. That is, the first separator 112 may be coated with a coating material on both sides facing the first electrode 111 and the second electrode 113, and the second separator 114 may face the second electrode 113. The coating material can be coated only on one side.
  • the second separator 114 may be coated on only one surface thereof.
  • the second separator 114 may be coated on both surfaces as necessary. That is, the second separator 114 may also be coated with a coating material on one surface facing the second electrode 113 and the opposite surface thereof. In such a case, the basic unit positioned on the upper side and the basic unit positioned directly below may be adhered to each other through the coating material on the outer surface of the second separator.
  • a coating material having an adhesive force is applied to the separator, it is not preferable to directly press the separator with a predetermined object.
  • the separator typically extends longer than the electrode. Therefore, an attempt may be made to couple the ends of the first separator 112 and the ends of the second separator 114 with each other. For example, an attempt may be made to fuse the end of the first separator 112 and the end of the second separator 114 with ultrasonic welding. However, such ultrasonic welding needs to press the object directly with a horn. However, when the end of the separator is directly pressed by the horn in this manner, the horn may adhere to the separator due to the coating material having the adhesive force. This can lead to device failure. Therefore, when a coating material having an adhesive force is applied to the separator, it is not preferable to apply a process of directly applying pressure to the separator with a predetermined object.
  • the basic unit 110 does not necessarily have a four-layer structure.
  • the basic unit 110 may include a first electrode 111, a first separator 112, a second electrode 113, a second separator 114, a first electrode 111, and a first separator 112.
  • the second electrode 113 and the second separator 114 may have an eight-layer structure formed by sequentially stacking. That is, the basic unit 110 may have a structure in which a four-layer structure is repeatedly stacked.
  • the unit stack part 100 is formed by repeatedly stacking the basic units 110. Therefore, the unit stack unit 100 may be formed by repeatedly stacking a four-layer structure.
  • the unit stack unit 100 may be formed by repeatedly stacking an eight-layer structure.
  • the unit stack unit 100a may further include at least one of the first auxiliary unit 130 and the second auxiliary unit 140.
  • the basic unit 110 is formed by sequentially stacking the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 from the upper side to the lower side, or from the lower side to the upper side. . Accordingly, when the basic unit 110 is repeatedly stacked to form the unit stack unit 100, the first electrode may be disposed at the top (see FIG. 7) or the bottom (see FIG. 11) of the unit stack 100. (116, hereinafter referred to as 'first terminal electrode') is positioned. (The first end electrode may be an anode or a cathode.) The first auxiliary unit 130 is additionally stacked on the first end electrode 116.
  • the sizes of the first electrode 111 and the second electrode 113 may be formed to be aligned with or similar to the separators 114 and 112, and thus the alignment characteristics and the safety of the first auxiliary unit 130 are improved. Can be secured.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a first structure of a unit stack part including a basic unit and a first auxiliary unit according to the present invention.
  • the unit stack unit 100a includes a first auxiliary unit 130a, and the first auxiliary unit 130a includes the first electrode 111 as the anode and the second unit. If the electrode 113 is a cathode, the separator 114, the cathode 113, and the separator (sequentially) from the first terminal electrode 116, that is, the outer side (upper side based on FIG. 7) from the first terminal electrode 116 ( 112 and the positive electrode 111 are sequentially stacked.
  • FIG. 8 is a view illustrating a second structure of a unit stack part including a basic unit and a first auxiliary unit according to the present invention.
  • the unit stack part 100b may include a first auxiliary unit 130b, and the first auxiliary unit 130b may include a first electrode 111 and a second electrode. If 113 is an anode, the separator 114 and the anode 113 may be sequentially stacked from the first terminal electrode 116, that is, outward from the first terminal electrode 116.
  • the unit stack part 100 may place an anode on the outermost side of the first terminal electrode 116 due to the first auxiliary unit 130.
  • an electrode generally consists of an electrical power collector and the active material layer (active material) apply
  • the first terminal electrode located at the top or bottom of the unit stack unit 100 is the other first electrode.
  • the active material layer may be provided on both surfaces of the current collector.
  • the active material layer located on the outside of the active material layers of the first terminal electrode may not react with other active material layers. Therefore, the problem that the active material layer is wasted is caused.
  • the first auxiliary unit 130 is to solve this problem. That is, the first auxiliary unit 130 is formed separately from the basic unit 110. Therefore, the first auxiliary unit 130 may include a positive electrode having an active material layer formed on only one surface of the current collector. That is, the first auxiliary unit 130 may include a positive electrode coated with an active material layer on only one surface (one surface facing down based on FIG. 7) facing the basic unit 110 on both surfaces of the current collector.
  • the unit stack part 100 is formed by further stacking the first auxiliary unit 130 on the first end electrode 116, the anode coated only on the outermost side of the first end electrode 116 is formed. Can be located. Therefore, the problem of waste of the active material layer can be solved.
  • the positive electrode is configured to emit (for example) nickel ions, it is advantageous for battery capacity to place the positive electrode on the outermost side.
  • the second auxiliary unit 140 basically plays the same role as the first auxiliary unit 130. It demonstrates more concretely.
  • the basic unit 110 is formed by sequentially stacking the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 from the upper side to the lower side, or from the lower side to the upper side. . Accordingly, when the basic unit 110 is repeatedly stacked to form the unit stack unit 100, the second separator may be disposed at the top (see FIG. 11) or the bottom (see FIG. 9) of the unit stack 100. (117, hereinafter referred to as 'second terminal separator').
  • the second auxiliary unit 140 is additionally stacked on the second terminal separation membrane 117.
  • the sizes of the first electrode 111 and the second electrode 113 may be formed to be aligned with or similar to the separators 114 and 112, and thus the alignment characteristics of the second auxiliary unit 140 Safety can be secured.
  • FIG. 9 is a view illustrating a third structure of a unit stack part including a basic unit and a second auxiliary unit according to the present invention.
  • the unit stack part 100c may include a second auxiliary unit 140a, and the second auxiliary unit 140a may be a first electrode 111 and an anode. If the electrode 113 is a cathode, it may be formed as an anode 111.
  • FIG. 10 is a view illustrating a fourth structure of a unit stack part including a basic unit and a second auxiliary unit according to the present invention.
  • the unit stack unit 100d may include a second auxiliary unit 140b, and the second auxiliary unit 140b may include a first electrode 111 and a second electrode. If 113 is the anode, the cathode 111, separator 112, and anode 113 are sequentially from the second terminal separator 117, that is, from the second terminal separator 117 to the outer side (the lower side based on FIG. 10). These may be stacked in turn. Similar to the first auxiliary unit 130, the second auxiliary unit 140 also has an active material layer coated on only one surface (one surface facing upward based on FIG. 10) facing the basic unit 110 in both surfaces of the current collector. An anode may be provided. As a result, when the second stack unit 100 is additionally stacked on the second terminal separation membrane 117 to form the unit stack part 100, the anode having only one end surface coated on the outermost side of the second terminal separation membrane 117 is positioned. You can.
  • the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 sequentially move from top to bottom.
  • the case of lamination is illustrated.
  • the case in which the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 are sequentially stacked from the lower side to the upper side may be described in the same manner as described above.
  • the first auxiliary unit 130 and the second auxiliary unit 140 may further include a separator at the outermost side as necessary.
  • the first auxiliary unit 130 and the second auxiliary unit 140 may further include a separator outside the anode.
  • a separator may be further included in the anode exposed to the opposite side of the side in which the second auxiliary units 140 are stacked (that is, the uppermost side of the unit stack of FIG. 10).
  • 11 and 12 illustrate a fifth structure and a sixth structure of a unit stack part including a basic unit, a first auxiliary unit, and a second auxiliary unit according to the present invention.
  • a unit stack unit 100e may be formed, and the unit stack unit 100e may include a base unit 110 ′, a first auxiliary unit 130c, and a second auxiliary unit 140c. It includes.
  • the basic unit 110 ′ may be formed by sequentially stacking the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 from the lower side to the upper side.
  • the first electrode 111 may be an anode and the second electrode 113 may be a cathode.
  • the first auxiliary unit 130c is sequentially stacked from the first terminal electrode 116, that is, the separator 114, the cathode 113, the separator 112, and the anode 111 are stacked from top to bottom with respect to FIG. 8. Can be formed.
  • the active material layer may be formed only on one surface of the positive electrode 111 of the first auxiliary unit 130c facing the basic unit 110 '.
  • the second auxiliary unit 140c is sequentially formed from the second terminal separation membrane 117, that is, from the lower side to the upper side based on FIG. 11, the anode 111, the separator 112, the cathode 113, and the separator ( 114 and the anode 118 (the second anode) may be formed by being stacked.
  • the active material layer may be formed only on one surface of the positive electrode 118 (the second positive electrode) located at the outermost side of the positive electrode of the second auxiliary unit 140c facing the basic unit 110 '.
  • the auxiliary unit includes a separator, it is advantageous to align the unit.
  • the unit stack unit 100f may be formed, and the unit stack unit 100f may include a base unit 110 ′ and a first auxiliary unit under the base unit 110 ′. 130d.
  • the basic unit 110 ′ may be formed by sequentially stacking the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 from the lower side to the upper side.
  • the first electrode 111 may be an anode and the second electrode 113 may be a cathode.
  • the first auxiliary unit 130d may be formed by sequentially stacking the separator 114, the cathode 113, and the separator 112 from the first terminal electrode 116.
  • the second auxiliary unit may not be provided.
  • the cathode may cause a reaction with the aluminum layer of the electrode case (eg, a pouch) due to the potential difference. Therefore, the cathode is preferably insulated from the electrode case through the separator.
  • FIG. 13 is a view illustrating a seventh structure of a unit stack part including a basic unit and a second auxiliary unit according to the present invention.
  • the unit stack unit 100g may be formed, and the unit stack unit 100g may include the base unit 110 and a second auxiliary unit 140d below the base unit 110. ).
  • the basic unit 110 may be formed by stacking the first electrode 111, the first separator 112, the second electrode 113, and the second separator 114 from the upper side to the lower side.
  • the first electrode 111 may be a cathode and the second electrode 113 may be an anode.
  • the second auxiliary unit 140d may be formed by sequentially stacking the cathode 111, the separator 112, the anode 113, the separator 114, and the cathode 119 from the second terminal separator 117. have. In this case, the first auxiliary unit may not be provided.

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Abstract

본 발명은 전극조립체에 관한 것으로, 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리머 2차전지 셀용 전극조립체
본 발명은 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴딩 공정 없이 적층 공정만으로 제조되는 새로운 타입의 전극조립체에 있어, 전극을 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체에 관한 것이다.
이차전지는 전극 조립체의 구조에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 일례로 이차전지는 스택형 구조, 권취형(젤리롤형) 구조 및 스택/폴딩형 구조로 분류될 수 있다.
여기서 스택형 구조는 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하여 전극 조립체를 형성한다. 이때 분리막은 양극과 음극의 사이마다 배치된다.
권취형 구조는 양극, 분리막, 음극, 분리막을 시트 형상으로 형성한 다음에 이들을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 형성한다.
스택/폴딩형 구조는 풀셀 또는 바이셀을 형성한 다음에 이들을 분리막 시트를 통해 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 양극, 분리막, 음극을 소정 크기로 절단한 다음에 이들을 차례로 적층하면, 풀셀 또는 바이셀을 형성할 수 있다(풀셀 또는 바이셀은 각각 1개 이상의 양극, 분리막, 음극을 포함한다.).
그런데 스택형 구조는 전극조립체를 구성하는 전극단위(양극, 분리막 및 음극)가 서로 별개로 적층되기 때문에, 전극조립체를 정밀하게 정렬하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 전극조립체를 생산하기 위해 매우 많은 공정이 요구된다는 단점이 있다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 일반적으로 2대의 라미네이션 장비와 1대의 폴딩 장비가 요구되기 때문에, 전극조립체의 제조공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다. 특히, 스택/폴딩형 구조는 폴딩을 통해 풀셀이나 바이셀을 적층하기 때문에 풀셀이나 바이셀을 정밀하게 정렬하기 어렵다는 단점도 있다.
이와 같은 단점을 보완하기 위해 최근 적층만으로 전극조립체를 제조하면서도 전극조립체를 정밀하게 정렬시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생산성을 향상시킬 수 있는 제조방법이 본 출원인에 의해 제안된 바 있다(특허문헌 1).
여기서, 종래기술에 따른 스택형 전극조립체는 도 1을 참조하면, 제1 극성 전극(14) 및 제2 극성 전극(12)의 크기가 분리막(16)의 크기 보다 많이 작게 형성되며, 이에 분리막(16) 사이에 제1 극성 전극(14) 및 제2 극성 전극(12)이 움직이게 되고, 규칙적인 정렬이 불가능하여 안전성에 문제가 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 별도의 정렬공정을 추가로 수행해야 하는 문제가 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전극을 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성하며, 이에 전극과 분리막의 규칙적인 정렬이 가능하여 안전성을 확보할 수 있고, 더불어 전극의 용량이 증대되는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이 중의 어느 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하고, 다른 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하거나 작게 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이를 기준으로 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막보다 0~0.3mm만큼 작게 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 한다.
상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제1 전극인 제1 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 제1 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막 및 양극이 적층되어 형성될 수 있다.
상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며, 상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 양극으로 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극을 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성함으로써 전극과 분리막을 보다 용이하게 적층시킬 수 있어 안전성을 증대시키고, 더욱이 전극의 용량이 증대되어 전극조립체의 상품성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스택형 구조를 가지는 전극조립체를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제1 구조를 도시한 분리 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제1 구조의 조립된 상태에서 폭방향으로의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제1 구조의 조립된 상태에서 길이방향으로의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제2 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 제조공정을 도시한 공정도.
도 7은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제1 구조를 도시하고 있는 측면도
도 8은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제2 구조를 도시하고 있는 측면도.
도 9는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제3 구조를 도시하고 있는 측면도.
도 10은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제4 구조를 도시하고 있는 측면도.
도 11은 본 발명에 따른 기본 단위체, 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제5 구조를 도시하고 있는 측면도
도 12는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제6 구조를 도시하고 있는 측면도.
도 13은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제7 구조를 도시하고 있는 측면도.
본 발명에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하되, 상기 전극의 크기는 분리막에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성하여 적층 효율성과 용량 증대로 인한 상품성 향상을 얻을 수 있는 구성이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체]
본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 단위체 스택부를 포함하며, 상기 단위체 스택부는 기본 단위체를 적어도 1개 적층되어 형성되고, 기본 단위체는 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극, 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 형성된다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 구성을 보다 명확히 설명한다.
기본 단위체(110)의 제1 구조는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 이와 같이 기본 단위체(110)는 기본적으로 4층 구조를 가진다.
즉, 기본 단위체(110)는 도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층되어 형성된다. 이때 제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 서로 반대되는 전극이다. 예를 들어, 제1 전극(111)이 양극이면 제2 전극(113)은 음극이다. 물론 이의 반대일 수도 있다.
여기서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성되며, 이에 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)을 적층하면, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)이 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 단부에 일치되게 또는 근접되게 정렬되면서 규칙적으로 정렬시킬 수 있다.
일례로, 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)는 도 2를 참조하면, 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성되며, 이에 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)의 폭방향 길이와 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 폭방향 길이의 차이가 거의 없게 되며(도 3 참조), 또한 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)의 길이방향 길이와 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 길이방향 길이의 차이가 거의 없게 된다(도 4 참조).
따라서 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114) 적층시 별도의 정렬과정 없이도 규칙적으로 정렬시킬 수 있고, 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)이 움직이는 현상을 방지하여 안전성을 확보할 수 있으며, 더욱이 제1 전극(111) 및 제2 전극(113)의 용량 증대로 인해 전극조립체의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 첨부된 도면에서는 도시하지 않았지만, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)을 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성할 수 있으며, 이는 제1 전극(111) 및 제2 전극(113) 중 어느 하나의 용량 증대가 필요하거나 또는 정렬이 필요할 경우 적용 가능하다.
여기서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 크기가 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 99.6% 이하 크기로 형성될 경우 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114) 내에서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)이 움직이게 되며, 이에 별도의 정렬과정을 수행해야 하는 문제가 있다.
또한, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 크기가 제1 분리막(112) 및 제2 분리막(114)의 100.0% 이상 크기로 형성될 경우 제1 전극(111)과 제2 전극(113)의 접촉현상으로 인해 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명에 첨부된 도면에서는 도시하지 않았지만, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이 중의 어느 하나에 있어 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)과 동일하고, 다른 하나에 있어 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114) 보다 작게 형성할 수 있다.
즉, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 폭 또는 길이 중 어느 하나만을 증대하여 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 폭 또는 길이에 동일하게 형성되며, 이에 증대된 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113)의 어느 한 변을 통해 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)과 규칙적으로 정렬시킬 수 있다.
따라서 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114) 순차적으로 적층하되, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중 적어도 어느 하나의 크기를 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 99.7%~100% 크기로 형성함으로써 정렬성, 용량확대 및 안전성을 증대시킬 수 있다.
그리고 이와 같은 구조를 가지는 기본 단위체(110)를 적어도 1개 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성한다.
즉, 단위체 스택부(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 1개의 기본 단위체(110)를 포함한다. 즉, 단위체 스택부(100)는 1개의 기본 단위체(110)로 형성되거나, 또는 적어도 2개의 기본 단위체(110)로 형성된다. 그리고 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 적층되어 형성된다.
예를 들어, 1개의 기본 단위체(110) 위에 다른 1개의 기본 단위체(110)가 적층되어 단위체 스택부(100)가 형성될 수 있다. 이와 같이 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 기본 단위체 단위로 적층되어 형성된다. 즉, 기본 단위체(110)를 미리 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 형성된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 이와 같은 방식으로 단위체 스택부(100)를 형성하면, 기본 단위체(110)를 매우 정밀하게 정렬시킬 수 있다는 장점과, 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
한편, 기본 단위체(110')의 제2 구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
여기서 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬될 수 있다.
한편, 기본 단위체(110')의 제2 구조는 전술한 기본 단위체(110)의 제1 구조와 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 적층되는 순서에서 차이가 있을 뿐, 나머지의 구성은 동일하며, 이에 중복되는 설명은 생략한다.
그리고 이와 같은 구조를 가지는 기본 단위체(110')를 적어도 1개 적층하여 단위체 스택부(100')를 형성한다.
즉, 단위체 스택부(100')는 도 11에 도시된 바와 같이, 적어도 1개의 기본 단위체(110')를 포함한다. 즉, 단위체 스택부(100')는 1개의 기본 단위체(110')로 형성되거나, 또는 적어도 2개의 기본 단위체(110')로 형성된다.
[본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체]
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체로서, 제1 전극(111) 또는 제2 전극(113) 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이를 기준으로 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114) 보다 0~0.3mm만큼 작게 형성될 수 있으며, 이에 제1 분리막(112) 또는 제2 분리막(114)의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬된다. 여기서 본 발명의 제2 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체는 전술한 제1 실시예에 따른 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체와 단위에서 차이가 있을 뿐 구성 및 효과는 동일하며, 이에 자세한 설명은 생략한다.
[기본 단위체의 제조공정]
이와 같은 적층 구조를 가지는 기본 단위체(110)는 다음과 같은 공정으로 형성될 수 있다(도 6 참조).
먼저 제1 전극 재료(121), 제1 분리막 재료(122), 제2 전극 재료(123) 및 제2 분리막 재료(124)를 준비한다. 여기서 전극 재료(121, 123)는 이하에서 살펴볼 바와 같이 소정 크기로 절단되어 전극(111, 113)을 형성한다. 이는 분리막 재료(122, 124)도 동일하다. 공정의 자동화를 위해 전극 재료와 분리막 재료는 롤에 권취되어 있는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 재료들을 준비한 다음에 제1 전극 재료(121)를 커터(C1)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그리고 제2 전극 재료(123)도 커터(C2)를 통해 소정 크기로 절단한다. 그런 다음 소정 크기의 제1 전극 재료(121)를 제1 분리막 재료(122) 위로 공급한다. 그리고 소정 크기의 제2 전극 재료(123)도 제2 분리막 재료(124) 위로 공급한다. 그런 다음 재료들을 모두 함께 라미네이터(L1, L2)로 공급한다.
단위체 스택부(100)는 앞서 살펴본 바와 같이, 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 형성된다. 그런데 기본 단위체(110)를 구성하는 전극과 분리막이 서로 분리된다면, 기본 단위체(110)를 반복적으로 적층하는 것이 매우 어려워질 것이다. 따라서 기본 단위체(110)를 형성할 때, 전극과 분리막을 서로 접착하는 것이 바람직하다. 라미네이터(L1, L2)는 이와 같이 전극과 분리막을 서로 접착하기 위해 사용된다. 즉, 라미네이터(L1, L2)는 재료들에 압력을 가하거나, 또는 열과 압력을 가하여 전극 재료와 분리막 재료를 서로 접착한다. 이와 같이 전극 재료와 분리막 재료는 라미네이터(L1, L2)에서 서로 접착된다. 이와 같은 접착으로 기본 단위체(110)는 보다 안정적으로 자신의 형상을 유지할 수 있다.
마지막으로 제1 분리막 재료(122)와 제2 분리막 재료(124)를 함께 커터(C3)를 통해 소정 크기로 절단한다. 이와 같은 절단으로 기본 단위체(110)가 형성될 수 있다. 추가적으로 필요에 따라 기본 단위체(110)에 대한 각종 검사를 수행할 수도 있다. 예를 들어, 두께 검사, 비전 검사, 쇼트 검사와 같은 검사를 추가적으로 수행할 수도 있다.
한편, 분리막(분리막 재료)은 접착력을 가지는 코팅 물질로 표면이 코팅될 수 있다. 이때 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물일 수 있다. 여기서 무기물 입자는 분리막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 무기물 입자는 고온에서 분리막이 수축하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 바인더 고분자는 무기물 입자를 고정시킬 수 있다. 이와 같은 무기물 입자들로 인해 분리막 표면에 형성되는 코팅층에는 소정의 기공 구조가 형성될 수 있다. 이와 같은 기공 구조로 인해 무기물 입자가 분리막에 코팅되어 있더라도 양극으로부터 음극으로 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 또한 바인더 고분자는 무기물 입자를 분리막에 안정적으로 유지시켜 분리막의 기계적 안정성도 향상시킬 수 있다. 더욱이 바인더 고분자는 분리막을 전극에 보다 안정적으로 접착시킬 수 있다. (이와 같은 코팅을 SRS 코팅이라 한다.) 참고로, 분리막은 폴리올레핀 계열의 분리막 기재로 형성될 수 있다.
그런데 도 2와 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 분리막(112)은 양면에 전극(111, 113)이 위치하는데 반해, 제2 분리막(114)은 일면에만 전극(113)이 위치한다. 따라서 제1 분리막(112)은 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 제2 분리막(114)은 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 즉, 제1 분리막(112)은 제1 전극(111)과 제2 전극(113)을 바라보는 양면에 코팅 물질이 코팅될 수 있고, 제2 분리막(114)은 제2 전극(113)을 바라보는 일면에만 코팅 물질이 코팅될 수 있다.
이와 같이 코팅 물질에 의한 접착은 기본 단위체 내에서 이루어지는 것으로 충분하다. 따라서 앞서 살펴본 바와 같이 제2 분리막(114)은 일면에만 코팅이 이루어져도 무방하다. 다만, 기본 단위체끼리도 heat press 등의 방법으로 서로 접착될 수 있으므로, 필요에 따라 제2 분리막(114)도 양면에 코팅이 이루어질 수 있다. 즉, 제2 분리막(114)도 제2 전극(113)을 바라보는 일면과 그 반대면에 코팅 물질이 코팅될 수 있다. 이와 같은 경우 상측에 위치하는 기본 단위체와 이의 바로 아래에 위치하는 기본 단위체는 제2 분리막 외면의 코팅 물질을 통해 서로 접착될 수 있다.
참고로, 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 것은 바람직하지 않다. 분리막은 통상적으로 전극보다 외측으로 길게 연장된다. 따라서 제1 분리막(112)의 말단과 제2 분리막(114)의 말단을 서로 결합시키려는 시도가 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 분리막(112)의 말단과 제2 분리막(114)의 말단을 초음파 융착으로 서로 융착시키려는 시도가 있을 수 있다. 그런데 이와 같은 초음파 융착은 혼(horn)으로 대상을 직접 가압할 필요가 있다. 그러나 이와 같이 혼으로 분리막의 말단을 직접 가압하면, 접착력을 가지는 코팅 물질로 인해 분리막에 혼이 들러붙을 수 있다. 이로 인해 장치의 고장이 초래될 수 있다. 따라서 접착력을 가지는 코팅 물질을 분리막에 도포한 경우, 소정의 물체로 분리막에 직접 압력을 가하는 공정을 적용하는 것은 바람직하지 않다.
추가적으로, 기본 단위체(110)가 반드시 4층 구조를 가져야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113), 제2 분리막(114), 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 순차적으로 적층되어 형성되는 8층 구조를 가질 수도 있다. 즉, 기본 단위체(110)는 4층 구조가 반복적으로 적층되어 형성되는 구조를 가질 수도 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 단위체 스택부(100)는 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 형성된다. 따라서 4층 구조를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성할 수도 있지만, 예를 들어 8층 구조를 반복적으로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성할 수도 있다.
[본 발명의 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체의 다른 실시예]
한편, 단위체 스택부(100a)는 제1 보조 단위체(130)와 제2 보조 단위체(140) 중의 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 우선, 제1 보조 단위체(130)에 대해 살펴본다. 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로, 또는 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성된다. 따라서 이와 같은 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 단위체 스택부(100)가 형성되면, 단위체 스택부(100)의 가장 위쪽(도 7 참조), 또는 가장 아래쪽(도 11 참조)에 제1 전극(116, 이하 '제1 말단 전극'이라 한다)이 위치하게 된다. (제1 말단 전극은 양극일 수도 있고 음극일 수도 있다.) 제1 보조 단위체(130)는 이와 같은 제1 말단 전극(116)에 추가적으로 적층된다.
여기서 제1 전극(111)과 제2 전극(113)의 크기는 분리막(114)(112)에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성될 수 있으며, 이에 제1 보조 단위체(130)의 정렬특성과 안전성을 확보할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제1 구조를 도시한 도면이다.
구체적으로 설명하면, 단위체 스택부(100a)은 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 보조 단위체(130a)를 포함하며, 제1 보조 단위체(130a)는 제1 전극(111)이 양극이고 제2 전극(113)이 음극이면, 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로, 즉 제1 말단 전극(116)으로부터 외측(도 7을 기준으로 상측)으로 분리막(114), 음극(113), 분리막(112) 및 양극(111)이 차례로 적층되어 형성된다.
도 8은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제1 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제2 구조를 도시한 도면이다.
또한, 단위체 스택부(100b)은 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 보조 단위체(130b)를 포함할 수 있으며, 제1 보조 단위체(130b)은 제1 전극(111)이 음극이고 제2 전극(113)이 양극이면, 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로, 즉 제1 말단 전극(116)으로부터 외측으로 분리막(114) 및 양극(113)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다.
따라서, 단위체 스택부(100)는 도 7 및 8을 참조하면, 제1 보조 단위체(130)로 인하여 제1 말단 전극(116) 측의 가장 외측에 양극을 위치시킬 수 있다.
한편, 전극은 일반적으로 집전체와 집전체의 양면에 도포되는 활물질층(활물질)으로 구성된다. 이에 따라 도 7을 기준으로 양극의 활물질층 중 집전체의 아래쪽에 위치한 활물질층은 분리막을 매개로 음극의 활물질층 중 집전체의 위쪽에 위치한 활물질층과 서로 반응한다. 그런데 기본 단위체(110)를 동일하게 형성한 다음에 이를 차례로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성하면, 단위체 스택부(100)의 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치한 제1 말단 전극은 다른 제1 전극과 동일하게 집전체의 양면에 활물질층을 구비할 수밖에 없다. 그러나 제1 말단 전극이 집전체의 양면에 활물질층을 도포한 구조를 가지면, 제1 말단 전극의 활물질층 중 외측에 위치한 활물질층은 다른 활물질층과 반응할 수 없다. 따라서 활물질층이 낭비되는 문제가 초래된다.
제1 보조 단위체(130)는 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, 제1 보조 단위체(130)는 기본 단위체(110)와 별개로 형성된다. 따라서 제1 보조 단위체(130)는 집전체의 일면에만 활물질층이 형성된 양극을 구비할 수 있다. 즉, 제1 보조 단위체(130)는 집전체의 양면 중에 기본 단위체(110)를 바라보는 일면(도 7을 기준으로 아래쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅된 양극을 구비할 수 있다. 결과적으로, 제1 말단 전극(116)에 추가적으로 제1 보조 단위체(130)를 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성하면, 제1 말단 전극(116) 측의 가장 외측에 단면만 코팅된 양극을 위치시킬 수 있다. 따라서 활물질층이 낭비되는 문제를 해결할 수 있다. 그리고 양극은 (예를 들어) 니켈 이온을 방출하는 구성이므로, 가장 외측에 양극을 위치시키는 것이 전지 용량에 유리하다.
다음으로 제2 보조 단위체(140)에 대해 살펴본다.
제2 보조 단위체(140)는 기본적으로 제1 보조 단위체(130)와 동일한 역할을 수행한다. 보다 구체적으로 설명한다. 기본 단위체(110)는 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로, 또는 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되어 형성된다. 따라서 이와 같은 기본 단위체(110)가 반복적으로 적층되어 단위체 스택부(100)가 형성되면, 단위체 스택부(100)의 가장 위쪽(도 11 참조), 또는 가장 아래쪽(도 9 참조)에 제2 분리막(117, 이하 '제2 말단 분리막'이라 한다)이 위치하게 된다. 제2 보조 단위체(140)는 이와 같은 제2 말단 분리막(117)에 추가적으로 적층된다.
여기서 상기 제1 전극(111)과 제2 전극(113)의 크기는 분리막(114)(112)에 동일하게 또는 근접하게 정렬되도록 형성될 수 있으며, 이에 제2 보조 단위체(140)의 정렬특성과 안전성을 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제3 구조를 도시한 도면이다.
보다 구체적으로 단위체 스택부(100c)는 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 보조 단위체(140a)를 포함할 수 있으며, 제2 보조 단위체(140a)는 제1 전극(111)이 양극이고 제2 전극(113)이 음극이면, 양극(111)으로 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제4 구조를 도시한 도면이다.
또한 단위체 스택부(100d)는 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 보조 단위체(140b)를 포함할 수 있으며, 제2 보조 단위체(140b)는 제1 전극(111)이 음극이고 제2 전극(113)이 양극이면, 제2 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로, 즉 제2 말단 분리막(117)으로부터 외측(도 10을 기준으로 하측)으로 음극(111), 분리막(112) 및 양극(113)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 제2 보조 단위체(140)도 제1 보조 단위체(130)와 동일하게 집전체의 양면 중에 기본 단위체(110)를 바라보는 일면(도 10을 기준으로 위쪽을 바라보는 일면)에만 활물질층이 코팅된 양극을 구비할 수 있다. 결과적으로 제2 말단 분리막(117)에 제2 보조 단위체(140)를 추가적으로 적층하여 단위체 스택부(100)를 형성하면, 제2 말단 분리막(117) 측의 가장 외측에 단면만 코팅된 양극을 위치시킬 수 있다.
참고로, 도 7과 도 8, 그리고 도 9과 도 10은 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 상측에서 하측으로 순차적으로 적층된 경우를 예시하고 있다. 이와는 반대로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 하측에서 상측으로 순차적으로 적층된 경우도 앞서 설명된 바와 동일하게 설명될 수 있다. 그리고 제1 보조 단위체(130)와 제2 보조 단위체(140)는 필요에 따라 가장 외측에 분리막을 더 포함할 수도 있다. 일례로 가장 외측에 위치한 양극이 케이스와 전기적으로 절연될 필요가 있을 경우 제1 보조 단위체(130)와 제2 보조 단위체(140)는 양극의 외측에 분리막을 더 포함할 수 있다. 같은 이유에서, 도 9과 같이 제2 보조 단위체(140)가 적층되어 있는 쪽의 반대쪽(즉, 도 10의 단위체 스택부의 최상측)에 노출되어 있는 양극에도 분리막이 더 포함될 수 있다.
한편, 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 단위체 스택부를 형성하는 것이 바람직하다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 기본 단위체, 제1 보조 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제5 구조 및 제6 구조를 도시한 도면이다.
우선, 도 11에 도시된 바와 같이 단위체 스택부(100e)를 형성할 수 있으며, 단위체 스택부(100e)는 기본 단위체(110')와 제1 보조 단위체(130c)와 제2 보조 단위체(140c)를 포함한다.
즉, 기본 단위체(110')는 하측에서 상측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 양극일 수 있고 제2 전극(113)은 음극일 수 있다.
제1 보조 단위체(130c)는 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로, 즉 도 8을 기준으로 상측에서 하측으로 분리막(114), 음극(113), 분리막(112) 및 양극(111)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 보조 단위체(130c)의 양극(111)은 기본 단위체(110')를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다.
제2 보조 단위체(140c)는 제2 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로, 즉 도 11을 기준으로 하측에서 상측으로 양극(111, 제1 양극), 분리막(112), 음극(113), 분리막(114) 및 양극(118, 제2 양극)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제2 보조 단위체(140c)의 양극 중 가장 외측에 위치한 양극(118, 제2 양극)은 기본 단위체(110')를 바라보는 일면에만 활물질층이 형성될 수 있다. 참고로, 보조 단위체가 분리막을 포함하면 단위체의 정렬에 유리하다.
다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이 단위체 스택부(100f)를 형성할 수 있으며, 단위체 스택부(100f)는 기본 단위체(110')와, 기본 단위체(110')의 하부에 제1 보조 단위체(130d)를 포함한다.
기본 단위체(110')는 하측에서 상측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 양극일 수 있고 제2 전극(113)은 음극일 수 있다.
그리고 제1 보조 단위체(130d)는 제1 말단 전극(116)으로부터 순차적으로 분리막(114), 음극(113) 및 분리막(112)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제2 보조 단위체는 구비되지 않아도 무방하다. 참고로, 음극은 전위차로 인해 전극 케이스(예를 들어, 파우치)의 알루미늄층과 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 음극은 분리막을 통해 전극 케이스로부터 절연되는 것이 바람직하다.
도 13은 본 발명에 따른 기본 단위체와 제2 보조 단위체를 포함한 단위체 스택부의 제7 구조를 도시한 도면이다.
마지막으로, 도 13에 도시된 바와 같이 단위체 스택부(100g)를 형성할 수 있으며, 단위체 스택부(100g)은 기본 단위체(110)와, 기본 단위체(110)의 하부에 제2 보조 단위체(140d)를 포함한다.
기본 단위체(110)는 상측에서 하측으로 제1 전극(111), 제1 분리막(112), 제2 전극(113) 및 제2 분리막(114)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(111)은 음극일 수 있고 제2 전극(113)은 양극일 수 있다.
그리고 제2 보조 단위체(140d)는 제2 말단 분리막(117)으로부터 순차적으로 음극(111), 분리막(112), 양극(113), 분리막(114) 및 음극(119)이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이때 제1 보조 단위체는 구비되지 않아도 무방하다.
또한, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 99.7%~100%의 크기로 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  2. 제1 전극, 제1 분리막, 제2 전극 및 제2 분리막이 순차적으로 적층되어 4층 구조를 형성하는 기본 단위체가 적어도 1개 적층되는 단위체 스택부를 포함하며,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이를 기준으로 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막보다 0~0.3mm만큼 작게 형성되어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막의 단부에 일치되게 또는 근접하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중의 적어도 어느 하나는 폭 또는 길이 중의 어느 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하고, 다른 하나에 있어 상기 제1 분리막 또는 상기 제2 분리막과 동일하거나 작은 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 단위체는 상기 전극과 상기 분리막이 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극과 상기 분리막의 접착은, 상기 전극과 상기 분리막에 압력을 가하는 것에 의한 접착, 또는 상기 전극과 상기 분리막에 압력과 열을 가하는 것에 의한 접착인 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 분리막은 접착력을 가지는 코팅 물질이 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 코팅 물질은 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 분리막은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 바라보는 양면에 상기 코팅 물질이 코팅되고, 상기 제2 분리막은 상기 제2 전극을 바라보는 일면에만 상기 코팅 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 분리막은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 바라보는 양면에 상기 코팅 물질이 코팅되고, 상기 제2 분리막은 상기 제2 전극을 바라보는 일면과 그 반대면에 상기 코팅 물질이 코팅되며,
    상기 단위체 스택부는 2개 이상의 기본 단위체가 적층되어 형성되되, 상기 제2 분리막의 코팅 물질에 의해 기본 단위체끼리 서로 접착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 단위체는 상기 4층 구조가 반복적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제1 전극인 제1 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제1 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막, 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막 및 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 보조 단위체의 양극은 집전체, 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제1 전극인 제1 말단 전극에 적층되는 제1 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제1 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제1 말단 전극으로부터 순차적으로 분리막, 음극 및 분리막이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 양극으로 형성되고, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 음극, 분리막 및 양극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 보조 단위체의 양극은 집전체, 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 양극이고 상기 제2 전극이 음극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 제1 양극, 분리막, 음극, 분리막 및 제2 양극이 적층되어 형성되며,
    상기 제2 보조 단위체의 제2 양극은 집전체, 및 상기 집전체의 양면 중에 상기 기본 단위체를 바라보는 일면에만 코팅되는 활물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
  17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위체 스택부는 가장 위쪽 또는 가장 아래쪽에 위치하는 제2 분리막인 제2 말단 분리막에 적층되는 제2 보조 단위체를 더 포함하며,
    상기 제2 보조 단위체는, 상기 제1 전극이 음극이고 상기 제2 전극이 양극일 때 상기 제2 말단 분리막으로부터 순차적으로 음극, 분리막, 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 2차전지 셀용 전극조립체.
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