WO2015102442A1 - 플렉서블 전지셀 - Google Patents

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WO2015102442A1
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battery cell
cell
battery
flexible
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김성민
이진수
성주환
윤성필
강중구
김주빈
임혜진
우승희
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a flexible battery cell with high flexibility.
  • 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.
  • miniaturization and thinning are strongly demanded.
  • the lithium secondary battery may be classified into a cylindrical battery cell, a square battery cell, a pouch-type battery cell, and the like according to its shape.
  • a pouch-type battery cell that can be stacked with high integration, has a high energy density per weight, and is easy to deform, has attracted much attention.
  • FIG. 1 and 2 schematically show a general structure of a conventional representative pouch type secondary battery as an exploded perspective view.
  • the pouch type secondary battery 10 includes two stacked electrode assemblies 20 having a plurality of electrode tabs 21 and 22 protruding therefrom, and two electrode tabs 21 and 22 respectively connected to the electrode tabs 21 and 22. It comprises a battery case 40 having a structure for accommodating and sealing the electrode lead (30, 31) and the stacked electrode assembly 20 so that a part of the electrode lead (30, 31) is exposed to the outside.
  • the battery case 40 includes a lower case 42 including a recess 41 having a concave shape in which the stacked electrode assembly 20 can be seated, and a stacked electrode assembly 20 as a cover of the lower case 42.
  • the upper case 43 is sealed.
  • the upper case 43 and the lower case 42 are heat-sealed in a state where the stacked 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. ).
  • FIG. 1 the upper case 43 and the lower case 42 are shown as separate members, respectively, but as shown in FIG. 2, a hinged structure in which one end portion is integrated and continuous is also possible.
  • FIG. 1 and 2 illustrate a pouch-type battery cell having a structure in which electrode terminals having electrode structures connected to electrode leads are formed at one end, but electrode terminals are formed at one end and the other end, respectively.
  • the pouch-type battery cell and the like can also be produced in the same manner as above.
  • Figure 1 and Figure 2 but showing a pouch-type battery cell using a stacked electrode assembly, even when using a wound or jelly-roll type electrode assembly can be prepared in the same manner as above.
  • a pouch-type battery cell is generally manufactured in a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the design of the device may not only be in the shape of a cuboid, but may also be a bendable shape.
  • the side surface may be curved to improve the grip, and in the case of a flexible display, it may be bent or bent and manufactured in various forms.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application after repeated in-depth research and various experiments, as described later, when applying the improved electrode and the electrode assembly including the same to the battery cell, the shape of the battery corresponding to the device of various designs It was confirmed that not only is easy to deform, but also safety can be ensured even in deformation of the battery shape, and the present invention has been completed.
  • the flexible electrode may include a first surface on which the electrode current collector is applied, and a second surface on which the electrode active material is applied, and a second surface on which the electrode active material is not applied, wherein the second surface is provided for flexibility of the electrode.
  • a pattern is formed.
  • the battery cell according to the present invention includes an electrode current collector and a flexible electrode including the electrode current collector is formed with a pattern for flexibility of the electrode, it is easy to bend or bend the battery cell, whereby the battery cell is mounted It can respond more precisely to devices of various designs or flexible devices.
  • the flexible electrode may be positioned at the outermost portion of the electrode assembly such that the second surface of the electrode current collector contacts the inner surface of the cell case.
  • a pattern is formed on a second surface located at the outermost part of the electrode assembly, and the second surface appears in a pattern shape in a variable cell case, and thus, a cell relative to an electrode area.
  • the surface area of the case can be made larger, and in this state, in the case of deforming the battery cell in correspondence with devices of various designs, it is possible to minimize the occurrence of unintended wrinkles on the cell case.
  • the cell case may have a wrinkle or a pattern formed on a part of its inner surface to closely contact the pattern of the second surface.
  • the cell case and the second surface may be further in close contact, so that when the battery cell is deformed, The incidence of unintended wrinkles on the case can be significantly lowered.
  • the pattern helps to deform the flexible electrode and the electrode assembly, and may be formed in various forms to prevent wrinkles of the cell case.
  • the pattern may be embossed or engraved, or a porous mesh structure including a plurality of pores. It may be a structure in which an embossed or intaglio and a plurality of pores are mixed.
  • Such a structure of the pattern, embossed or intaglio, or the pores serve to reduce the stress required for deformation of the flexible electrode, it can provide sufficient flexibility required for deformation of the flexible electrode and the electrode assembly including the same.
  • the electrode current collector having the pattern when the electrode current collector having the pattern is located at the outermost side of the electrode assembly, the positive or negative pattern, or the pores of the porous mesh forms a bend on the outer surface of the electrode assembly, so that the electrode area The effect of increasing the surface area of the contrast cell case may be expressed.
  • the embossed or intaglio may be a pattern formed on the electrode collector in various shapes, and in detail, a shape selected from a straight form, a lattice form, or a polygon may be represented as an intaglio or an embossed form.
  • the straight form is a general example of an intaglio or an embossment, and may have a structure in which a plurality of straight intaglios or embosses parallel to each other are formed on the second surface of the flexible electrode. Or in a form specialized for bending.
  • the intaglio or embossment of the lattice form or polygon may be easy to multi-directional bending or bending of the flexible electrode by a plurality of straight lines forming the lattice or polygon.
  • the porous mesh structure is a plurality of pores to form a mesh
  • the pores may exist in the form of a through-hole penetrating vertically through the metal current collector or indented hole of the structure indented in the thickness direction, It is not limited to this form.
  • the porous mesh structure may have a pore diameter of about 0.1 millimeter to about 1 millimeter.
  • the pore diameter is larger than the above range, the mechanical rigidity of the electrode current collector cannot be secured, and the charge is concentrated at the end of the pore having a large diameter, thereby increasing the internal resistance of the flexible electrode. If it is smaller than the range, the stress relaxation effect of the electrode is insignificant, which is not preferable.
  • the porous mesh structure may be formed pores at intervals of 300% to 1000% of the diameter of the pores.
  • the spacing of the pores is larger than the above range, the flexible electrode includes only a small amount of pores, and thus the effect desired in the present invention cannot be achieved.
  • the pore spacing is smaller than the range, the mechanical rigidity of the electrode current collector may not be secured, and charge may be concentrated in a plurality of pores, thereby increasing the internal resistance of the flexible electrode.
  • These patterns may be formed entirely on the second surface, but may be formed only on a portion of the second surface in consideration of the mechanical stiffness of the electrode current collector and the deformation portion of the flexible electrode, wherein the portion of the second surface may be formed on the flexible electrode. It may be a second side except for an area of 1% to 90% of the total area of the second side from the end where the electrode tab is located and the opposite end thereof.
  • the cell case has a flexible characteristic of a battery that can be easily mounted in devices of various designs
  • the cell case is a laminate sheet including a resin layer and a metal layer in order to reflect the bumps on the outer surface of the electrode assembly to the surface of the cell case It may be a pouch type case of.
  • the laminate sheet may be an aluminum laminate sheet, and in detail, a resin outer layer having excellent durability is added to one surface (outer surface) of the metal barrier layer, and a heat-melt resin sealant layer is added to the other surface (inner surface). It may be made of a structure.
  • the resin outer layer should have excellent resistance from the external environment, it is necessary to have a predetermined tensile strength and weather resistance.
  • PET polyethylene terephthalate
  • a stretched nylon film may be preferably used as the polymer resin of the resin outer layer.
  • the metal blocking layer may be used in detail aluminum so as to exert a function of improving the strength of the battery case in addition to the function of preventing the inflow or leakage of foreign substances such as gas, moisture.
  • a polyolefin-based resin having heat sealability (heat adhesion), low hygroscopicity to suppress invasion of the electrolyte solution, and which is not expanded or eroded by the electrolyte solution is preferably used.
  • unstretched polypropylene (CPP) may be used.
  • polyolefin-based resins such as polypropylene have low adhesion to metals, so as a method for improving adhesion to the metal barrier layer, in detail, an adhesive layer is further included between the metal layer and the resin sealant layer. And blocking characteristics can be improved.
  • the material of the adhesive layer include a urethane-based material, an acryl-based material, a composition containing a thermoplastic elastomer, and the like, but are not limited thereto.
  • the electrode assembly embedded in the variable cell case impregnated with the electrolyte may have a structure in which two or more unit cells are sequentially stacked or folded by a long sheet-type separation film.
  • the unit cells may include a full cell having a structure in which a first electrode, a separator, and a second electrode are sequentially stacked, or a first electrode, a separator, a second electrode, a separator, and a first electrode in sequence.
  • the stacked structure may be a bi-cell, and in this case, at least one of the unit cells may include a first electrode or a second electrode as a flexible electrode.
  • the electrode refers to both a positive electrode to which a positive electrode active material is applied to a current collector and a negative electrode to which a negative electrode active material is applied to a current collector, wherein the first electrode may be a positive electrode or a negative electrode, and in this case, the second electrode May be a cathode or an anode.
  • the present invention also provides a battery pack including the battery cell as a unit battery.
  • the present invention also provides a device including the battery pack as a power source, the device is a mobile phone, portable computer, smartphone, tablet PC, smart pad, netbook, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, It may be selected from a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • the device is a mobile phone, portable computer, smartphone, tablet PC, smart pad, netbook, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, It may be selected from a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • FIG. 1 and 2 are exploded perspective views of a typical representative pouch type secondary battery
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a unit cell constituting a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an enlarged schematic view of a flexible electrode in the unit cell of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic view from above of a second surface of an electrode current collector in the flexible electrode of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a schematic view showing a modified form of the flexible electrode shown in FIG. 4;
  • FIG. 3 schematically illustrates an example of a unit cell constituting a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 4 to 6 schematically illustrate only flexible electrodes in the unit cell of FIG. 3. It is.
  • the unit cell 200 includes a first electrode 210, a separator 201, a second electrode 220, a separator 201 ′, and a first electrode 230, which are flexible electrodes, in order. It consists of a structure.
  • the first electrodes 210 and 230 and the second electrode 220 mean electrodes having opposite polarities.
  • the unit cell 200 may include a first electrode as an anode, a separator, and a second electrode as a cathode.
  • the first electrode as the separator and the first electrode as the anode may be sequentially stacked, and conversely, the first electrode as the cathode, the separator, the second electrode as the anode, the separator and the first electrode as the cathode may be sequentially stacked.
  • the first electrode 210 positioned at the top of the unit cell among the first electrodes 210 and 230 is set as the flexible electrode, and the description will be made based on this, but the scope of the present invention is limited thereto. no.
  • the flexible electrode 210 is positioned at the top of the unit cell 200 and includes an electrode current collector 240 and an electrode active material layer 280.
  • the electrode current collector 240 of the flexible electrode 210 is divided into a first surface 260 to which the electrode active material is applied and a second surface 250 to which the electrode active material is not applied, and an electrode active material layer 280 on the first surface 260. ) Is applied to a predetermined thickness, and a porous mesh is formed on the second surface 250 including pores 270 vertically penetrating the electrode current collector 240.
  • Electrode tabs 290 and 290 ′ are formed at one end of the electrode current collector 240, and a second surface 250 is formed from an end 291 and the opposite end 292 where the electrode tabs 290 and 290 ′ are positioned.
  • a plurality of pores 270 are formed on the second surface 250 except for an area of about 30% of the total area.
  • the mesh may be formed based on the center of the second surface 250 that is the center of deformation, that is, where stress is largely applied in deformation such as bending or bending.
  • the flexible electrode 210a may have an end portion 291 protruding from the electrode tabs 290 and 290 ′ and an opposite end portion 292 bent upward. It may be deformed into a shape.
  • the flexible electrode 210b may be deformed into a shape in which the other end of the flexible electrode 210b is bent except the end 291 protruding from the electrode tabs 290 and 290 'and the opposite end 292 thereof. have. This is a few examples of the deformation, although not shown in the drawings, of course, the flexible electrode can be deformed into a shape that is bent twice or twisted.
  • the electrode current collector 340 of the flexible electrode 310 has electrode tabs 390 and 390 ′ formed at one end thereof, and the electrode tabs 390 and 390 ′ are positioned at the end. And a plurality of intaglios 370 are formed on the remaining second surface 350 except about 40% of the total area of the second surface 350 from the opposite end thereof.
  • the intaglio 370 is a linear intaglio pattern that crosses the second surface 350 laterally (x-axis), and is formed of the electrode collector 340 in a 'V' shape on a vertical cross section of the electrode collector 340. It is formed on the two surfaces 350.
  • This pattern 370 is a pattern specialized for bending or bending in the longitudinal (y) direction of the flexible electrode 310.
  • the flexible electrode 410 of FIG. 8 has a second side (except an area of approximately 50% of the total area of the second side 450 from the end where the electrode tabs 490 and 490 'are positioned and the opposite end thereof).
  • the lattice-shaped intaglio pattern 470 is formed on the 450, and the lattice-shaped intaglio pattern 470 has a longitudinal (y-axis) and a transverse (x-axis) crossing each other on a part of the second surface 450. Engraved pattern of the form. Compared to the pattern of FIG.
  • the lattice-shaped intaglio pattern 470 may be bent or bent in the transverse (x-axis) direction as well as in the longitudinal (y-axis) direction of the flexible electrode 310. Axis) and bending to the z axis, which is diagonal to the transverse (x axis), is possible.
  • the flexible electrode of FIG. 9 is located on the second side 550 except the area where the electrode tabs 590 and 590 'are positioned and the opposite end thereof, except about 50% of the total area of the second side 550.
  • a polygonal relief pattern 570 is formed.
  • the relief pattern 570 may facilitate bending or bending of the flexible electrode 510.
  • the battery cell according to the present invention includes a flexible electrode that is highly flexible and easily deformable based on the above-described structural features, and thus, deformation such as bending or bending of the battery cell is easy.
  • deformation such as bending or bending of the battery cell is easy.
  • it is possible to solve the safety problems that may occur when the battery cell deformation.
  • a flexible electrode having high flexibility is positioned at the outermost portion of the electrode assembly, and the second surface of the electrode current collector in which the mesh is formed on the flexible electrode is exposed to the variable cell case.
  • the battery cell according to the present invention includes an electrode current collector having a pattern structure for flexibility of the electrode and a flexible electrode including the same, so that the battery cell is easily bent or bent, and thus the battery cell It can respond more precisely to the device or flexible device of the various designs to be mounted.
  • the flexible electrode is positioned at the outermost part of the electrode assembly, the second surface of the electrode current collector on which the pattern is formed is exposed to the variable cell case, and thus the cell case compared to the electrode area.
  • the uneven wrinkles can be minimized on the cell case even when the battery cell is deformed in response to devices of various designs.

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 단위셀들을 포함하는 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 가변적인 셀 케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 단위셀들 중 적어도 하나는 절곡 또는 굴곡이 가능한 유연성 전극(flexible electrode)을 포함하며, 상기 유연성 전극은 그것의 전극 집전체가 전극 활물질이 도포되는 제 1 면 및 제 1 면의 대향 면으로서 전극 활물질이 도포되지 않은 제 2 면을 포함하고, 상기 제 2 면에는 전극의 유연성을 위한 메쉬(mesh)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

플렉서블 전지셀
본 발명은 유연성이 높은 플렉서블 전지셀에 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.
상기한 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
도 1 및 도 2에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 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 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 2에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1 및 도 2는, 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.
또한, 도 1 및 도 2는, 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 휘어질 수 있는 형상일 수도 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있고, 플렉서블 디스플레이 같은 경우에는 휘거나 굽힐 수 있으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다.
이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스 또는 휘어질 수 있는 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩을 디바이스 내부의 공간에 내장하는 것에 한계가 있다는 문제가 있는 바, 최근에는 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착할 수 있는 전지의 유연한 특성이 요구되고 있다.
따라서, 상기 문제를 해결할 뿐만 아니라, 전지의 형상의 변형에도 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 유연성이 향상된 전극 및 이를 포함하는 전극조립체를 전지셀에 적용하는 경우, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지의 형상을 변형하기 용이할 뿐만 아니라, 전지 형상의 변형에도 안전성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
하나 이상의 단위셀들을 포함하는 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 가변적인 셀 케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 단위셀들 중 적어도 하나는 절곡 또는 굴곡이 가능한 유연성 전극(flexible electrode)을 포함하며, 상기 유연성 전극은 그것의 전극 집전체가 전극 활물질이 도포되는 제 1 면 및 제 1 면의 대향 면으로서 전극 활물질이 도포되지 않은 제 2 면을 포함하고, 상기 제 2 면에는 전극의 유연성을 위한 패턴(pattern)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 전극의 유연성을 위한 패턴이 형성되어 있는 전극 집전체와 이를 포함하는 유연성 전극을 포함하는 바, 전지셀의 절곡 또는 굴곡이 용이하고, 그에 따라 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있다.
이 때, 상기 유연성 전극은 전극 집전체의 제 2 면이 셀 케이스의 내면과 맞닿도록, 전극조립체의 최외각에 위치할 수 있다.
일반적으로, 전지셀의 변형 시, 셀 케이스에는 전극조립체의 최외각 면에 접촉하는 일부에서 의도하지 않은 주름 또는 접힘 현상이 발생할 수 있다. 이러한 셀 케이스의 주름 또는 접힘은 전지셀의 변형이 반복될수록 마모되면서, 종국에는 셀 케이스를 파손시켜, 셀 케이스 내부로부터 전해액이 누액되거나, 셀 케이스가 절연의 기능을 상실하는 심각한 안전성 문제를 유발할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 최외각에 위치한 제 2 면에 패턴이 형성되어 있는 바, 상기 제 2 면은 가변적인 셀 케이스에서 패턴 형상으로 나타나며, 그에 따라, 전극 면적 대비 셀 케이스의 표면적을 더 크게 할 수 있고, 이 상태에서, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지셀을 변형하는 경우에, 셀 케이스 상에 의도하지 않은 주름 발생을 최소화할 수 있다.
마찬가지로, 상기 셀 케이스에도 그것의 내면 일부에 제 2 면의 패턴에 밀착하기 위한 주름 또는 패턴이 형성될 수 있으며, 이 경우, 셀 케이스와 제 2 면이 더욱 밀착하여, 전지셀의 변형 시, 셀 케이스 상에 의도하지 않은 주름의 발생 빈도를 현저히 낮출 수 있다.
이러한 패턴은 유연성 전극 및 전극조립체의 변형에 도움을 주고, 셀 케이스의 주름 방지를 위해 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 상세하게는, 상기 패턴은 양각 또는 음각, 또는 다수의 기공들을 포함하는 다공성 메쉬 구조, 또는 양각 또는 음각과 다수의 기공들이 혼재된 구조일 수 있다.
이 같은 패턴의 구조는, 양각 또는 음각, 또는 기공들이 유연성 전극의 변형에 필요한 응력을 감소시키는 역할을 하므로, 유연성 전극 및 이를 포함하는 전극조립체의 변형에 필요한 충분한 유연성을 제공할 수 있다. 또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 패턴이 형성되어 있는 전극 집전체가 전극조립체의 최외각에 위치하는 경우, 양각 또는 음각의 패턴, 또는 다공성 메쉬의 기공들이 전극조립체 외면에 굴곡을 형성하므로, 전극 면적 대비 셀 케이스의 표면적을 더 크게 하는 효과를 발현 할 수도 있다.
여기서, 상기 양각 또는 음각은 다양한 형상으로 전극집전체 상에 형성된 패턴일 수 있고, 상세하게는 일자 형태, 격자 형태, 또는 다각형에서 선택되는 형상을 음각 또는 양각으로 나타낸 것일 수 있다.
상기 일자 형태는 음각 또는 양각의 일반적인 예로서, 서로 평행한 다수의 일직선의 음각 또는 양각이 유연성 전극의 제 2 면에 형성된 구조일 수 있고, 이러한 일자 형태의 음각 또는 양각은 유연성 전극의 일 방향성 절곡 또는 굴곡에 특화된 형태일 수 있다. 반면, 격자 형태 또는 다각형의 음각 또는 양각은 격자 또는 다각형을 이루는 다수의 직선들에 의해, 유연성 전극의 다 방향성 절곡 또는 굴곡에 용이한 형태일 수 있다.
한편, 상기 다공성 메쉬 구조는 다수의 기공들이 메쉬를 이루는 것으로, 상기 기공은 금속 집전체를 수직으로 관통하는 관통공 또는 금속 집전체를 두께 방향으로 만입한 구조의 만입공의 형태로 존재할 수 있으나, 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 다공성 메쉬 구조는 기공의 직경이 0.1 밀리미터 내지 1 밀리미터일 수 있다. 상기 기공의 직경이 상기 범위보다 클 경우에는 전극 집전체의 기계적 강성을 담보할 수 없고, 전하가 직경이 큰 기공의 단부에 집중되어 유연성 전극의 내부저항이 증가할 수 있으며, 기공의 직경이 상기 범위보다 작은 경우에는 전극의 응력 완화 효과가 미미하므로, 바람직하지 않다.
또한, 상기 다공성 메쉬 구조는 기공의 직경 대비 300% 내지 1000 %의 간격으로 기공이 형성될 수 있다. 상기 기공의 간격이 상기 범위보다 클 경우에는 유연성 전극이 소량의 기공만을 포함하게 되므로, 본 발명에서 소망하는 효과를 달성할 수 없다. 반면에, 상기 기공의 간격이 상기 범위보다 작은 경우에는 전극 집전체의 기계적 강성을 담보할 수 없고, 전하가 다수의 기공들에 집중되어 유연성 전극의 내부저항이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
이러한 패턴들은 제 2 면 전체적으로 형성될 수도 있으나, 전극 집전체의 기계적 강성과 유연성 전극의 변형 부위를 고려하여, 제 2 면의 일부에만 형성될 수도 있으며, 이때, 상기 제 2 면의 일부는 유연성 전극의 전극 탭이 위치한 단부 및 그 대향 단부로부터 제 2 면의 전체 면적 대비 1% 내지 90%의 면적을 제외한 나머지 제 2 면일 수 있다.
한편, 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착할 수 있는 전지의 유연한 특성을 갖고, 전극조립체의 외면에 울퉁불퉁한 굴곡을 셀 케이스의 표면에까지 반영시키기 위해, 상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.
이때, 상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 전해액에 함침된 상태로 가변적인 셀 케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 둘 이상의 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있거나 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조일 수 있다.
이 때, 상기 단위셀들은, 상세하게는 제 1 전극, 분리막 및 제 2 전극이 차례로 적층된 구조의 풀셀(full cell), 또는 제 1 전극, 분리막, 제 2 전극, 분리막 및 제 1 전극이 차례로 적층된 구조의 바이셀(bi-cell)일 수 있고, 이 경우, 상기 단위셀들 중의 적어도 하나는 제 1 전극 또는 제 2 전극이 유연성 전극으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 전극은 집전체에 양극 활물질이 도포되어 있는 양극 및 집전체에 음극 활물질이 도포되어 있는 음극을 모두 지칭하는 바, 상기 제 1 전극은 양극 또는 음극일 수 있고, 이 경우, 제 2 전극은 음극 또는 양극일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 구성하는 단위셀의 예를 도시한 모식도이다;
도 4은 도 3의 단위셀에서, 유연성 전극을 확대한 모식도이다;
도 5은 도 4의 유연성 전극에서 전극 집전체의 제 2 면을 상부에서 바라본 모식도이다;
도 6은 도 4에 도시된 유연성 전극이 변형된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 7 내지 도 9는 유연성 전극의 또 다른 예를 나타낸 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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 구성하는 단위셀의 예가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4 내지 도 6에는 도 3의 단위셀에서, 유연성 전극만을 구체적으로 나타낸 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 단위셀(200)은 유연성 전극인 제 1 전극(210), 분리막(201), 제 2 전극(220), 분리막(201') 및 제 1 전극(230)이 차례로 적층된 구조로 이루어져 있다.
여기서 제 1 전극들(210, 230)과 제 2 전극(220)은 상호 반대 극성의 전극을 의미하며, 예를 들어, 단위셀(200)은 양극인 제 1 전극, 분리막, 음극인 제 2 전극, 분리막 및 양극인 제 1 전극이 차례로 적층된 구조일 수 있고, 이와 반대로, 음극인 제 1 전극, 분리막, 양극인 제 2 전극, 분리막 및 음극인 제 1 전극이 차례로 적층된 구조일 수 있다.
이하에서는, 제 1 전극들(210, 230) 중, 단위셀의 최상단에 위치하는 제 1 전극(210)을 유연성 전극으로 설정하고, 이를 기준으로 설명하나, 본 발명의 범주가 이것으로 한정되는 것은 아니다.
유연성 전극(210)은 단위셀(200)의 최상단에 위치하고 있고, 전극 집전체(240) 및 전극 활물질층(280)으로 이루어져 있다.
유연성 전극(210)의 전극 집전체(240)는 전극 활물질이 도포되는 제 1 면(260)과 도포되지 않는 제 2 면(250)으로 구분되며, 제 1 면(260)에는 전극 활물질층(280)이 소정의 두께로 도포되어 있고, 제 2 면(250)에는 전극 집전체(240)를 수직으로 관통하는 기공들(270)이 포함된 다공성 구조의 메쉬가 형성되어 있다.
전극 집전체(240)의 일측 단부에는 전극 탭들(290, 290') 이 형성되어 있고, 전극 탭들(290, 290')이 위치한 단부(291)와 그 대향 단부(292)로부터 제 2 면(250)의 전체 면적 대비 대략 30 %의 면적을 제외한 나머지 제 2 면(250)상에 다수의 기공(270)들이 형성되어 있다.
이는, 전극 집전체(240)의 기계적 강성을 고려한 것으로, 전극 집전체(240)의 제 2 면(250) 전체에 기공(270)이 형성되는 경우, 유연성 전극(210)의 변형 특성은 향상될 수 있지만, 변형에 따른 전극 집전체(240)의 파손, 또는 전극 집전체(240) 및 전극 활물질층(240)간의 접촉 면적이 감소하여 전극 활물질층(280)이 전극 집전체(240) 표면으로부터 쉽게 이탈될 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 절곡 또는 굴곡과 같은 변형에서 응력의 적용이 큰 부위, 즉 변형의 중심이 되는 제 2 면(250)의 중심부를 기준으로 메쉬를 형성시킬 수 있다.
이러한 유연성 전극은 도 6에서와 같이 변형될 수 있는데, 구체적으로, 유연성 전극(210a)은 전극 탭들(290, 290')이 돌출된 단부(291)와 그 대향 단부(292)가 상향으로 절곡되는 형상으로 변형될 수 있다. 반면에, 유연성 전극은(210b) 전극 탭들(290, 290')이 돌출된 단부(291)와 그 대향 단부(292)를 제외한 유연성 전극(210b)의 나머지 단부가 절곡되는 형상으로도 변형될 수 있다. 이는, 변형의 몇 가지 예로서, 도면상에는 도시하지 않았지만, 유연성 전극이 두 번 절곡되는 형상 또는 트위스트형상으로도 변형될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 7 내지 도 9에는 유연성 전극의 또 다른 예들이 모식적으로 도시되어 있다.
먼저, 도 7을 참조하면, 유연성 전극(310)의 전극 집전체(340)는 그것의 일측 단부에 전극 탭들(390, 390')이 형성되어 있고, 전극 탭들(390, 390')이 위치한 단부와 그 대향 단부로부터 제 2 면(350)의 전체 면적 대비 대략 40 %의 면적을 제외한 나머지 제 2 면(350)상에 다수의 음각(370)들이 형성되어 있다.
음각(370)은 제 2 면(350)을 횡(x축)으로 가로지르는 일자 형태의 음각 패턴이며, 전극 집전체(340)의 수직 단면상 'V'자 형태로 전극 집전체(340)의 제 2 면(350)에 형성되어 있다. 이러한 패턴은(370)은 유연성 전극(310)의 종(y) 방향으로의 절곡 또는 굴곡에 특화된 패턴이다.
반면에, 도 8의 유연성 전극(410)은 전극 탭들(490, 490')이 위치한 단부와 그 대향 단부로부터 제 2 면(450)의 전체 면적 대비 대략 50 %의 면적을 제외한 나머지 제 2 면(450)상에 격자 형태의 음각 패턴(470)이 형성되어 있으며, 격자 형태의 음각 패턴(470)은 제 2 면(450)의 일부에서 종(y축) 및 횡(x축)이 서로 교차하는 형태의 음각 패턴이다. 격자 형태의 음각 패턴(470)은 도 7의 패턴과 비교하여, 유연성 전극(310)의 종(y축) 방향뿐만 아니라, 횡(x축) 방향으로의 절곡 또는 굴곡도 가능하며, 종(y축) 및 횡(x축)에 대해 대각 축인 z축으로의 절곡 또는 굴곡이 가능하다.
한편, 도 9의 유연성 전극은 전극 탭들(590, 590')이 위치한 단부와 그 대향 단부로부터 제 2 면(550)의 전체 면적 대비 대략 50 %의 면적을 제외한 나머지 제 2 면(550)상에 다각형의 양각 패턴(570)이 형성되어 있다.
이러한 양각 패턴(570)은 앞선 도 7 및 도 8의 패턴(370, 470)들과 마찬가지로, 유연성 전극(510)의 절곡 또는 굴곡을 용이하게 할 수 있다.
이상, 도면을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전술한 구조적 특징에 기반하여 유연성이 높고 변형이 용이한 유연성 전극을 포함하는 바, 전지셀의 굴곡 또는 절곡과 같은 변형이 용이할 뿐만 아니라, 하기와 같은 또 다른 특징에 기반하여, 전지셀의 변형 시 발생할 수 있는 안전성 문제를 해결할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 최외각에 유연성이 높은 유연성 전극이 위치하고, 유연성 전극에서 메쉬가 형성되어 있는 전극 집전체의 제 2 면이 가변적인 셀 케이스에 그대로 드러나게 하는 바, 전극 면적 대비 셀 케이스의 표면적을 더 크게 하여, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지셀을 변형하는 경우에, 셀 케이스의 일부가 제 2 면의 메쉬에 대응하면서 셀 케이스 상에 의도하지 않은 주름 발생을 최소화할 수 있다.
따라서, 전지셀의 변형 시, 셀 케이스의 주름으로 인한 나타나는 금속층의 노출로 인한 절연 파괴 또는 전해액 누출 현상을 효과적으로 방지하여 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극의 유연성을 위한 패턴 구조의 전극 집전체와 이를 포함하는 유연성 전극을 포함하는 바, 전지셀의 절곡 또는 굴곡이 용이하고, 그에 따라 전지셀이 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀은, 유연성 전극이 전극조립체의 최외각에 위치하여, 패턴이 형성되어 있는 전극 집전체의 제 2 면이 가변적인 셀 케이스에 그대로 드러나게 되는 바, 전극 면적 대비 셀 케이스의 표면적을 더 크게 하여, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지셀을 변형하더라도 셀 케이스 상에 의도하지 않은 주름이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.

Claims (17)

  1. 하나 이상의 단위셀들을 포함하는 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 가변적인 셀 케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 단위셀들 중 적어도 하나는 절곡 또는 굴곡이 가능한 유연성 전극(flexible electrode)을 포함하며, 상기 유연성 전극은 그것의 전극 집전체가 전극 활물질이 도포되는 제 1 면 및 제 1 면의 대향 면으로서 전극 활물질이 도포되지 않은 제 2 면을 포함하고, 상기 제 2 면에는 전극의 유연성을 위한 패턴(pattern)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 둘 이상의 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있거나 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 제 1 전극, 분리막 및 제 2 전극이 차례로 적층된 구조의 풀셀(full cell), 또는 제 1 전극, 분리막, 제 2 전극, 분리막 및 제 1 전극이 차례로 적층된 구조의 바이셀(bi-cell)인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀들 중의 적어도 하나는 제 1 전극 또는 제 2 전극이 유연성 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유연성 전극은 전극 집전체의 제 2 면이 셀 케이스의 내면과 맞닿도록, 전극조립체의 최외각에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 패턴는 양각 또는 음각, 및/또는 다수의 기공들을 포함하는 다공성 메쉬 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 양각 또는 음각은 일자 형태, 격자 형태, 또는 다각형에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 메쉬 구조의 기공은 금속 집전체를 수직으로 관통하는 관통공 또는 금속 집전체를 두께 방향으로 만입한 구조의 만입공인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 메쉬 구조는 기공의 직경이 0.1 밀리미터 내지 1 밀리미터인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 메쉬 구조는 기공의 직경 대비 300% 내지 1000 %의 간격으로 기공이 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 패턴은 제 2 면의 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 면의 일부는 유연성 전극의 전극 탭이 위치한 단부 및 그 대향 단부로부터 제 2 면의 전체 면적 대비 1% 내지 90%의 면적을 제외한 나머지 제 2 면인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 그것의 내면 일부에 제 2 면의 패턴에 밀착하기 위한 주름 또는 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 따른 전지셀을 단위전지로서 포함하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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