WO2022103227A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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김형권
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and a secondary battery including the same, and more particularly, to an electrode assembly of a jelly roll structure and a secondary battery including the same.
  • secondary batteries are classified according to the structure of an electrode assembly having a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are stacked.
  • the jelly roll-type electrode assembly may be formed by winding a positive electrode and a negative electrode, and in this case, winding with a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • An electrode assembly includes a first electrode, a second electrode, and a separator interposed between the first electrode and the second electrode, wherein the first electrode, the second electrode, and the separator are It is wound together to form a jelly roll structure, and further includes an auxiliary separator disposed between the first electrode and the separator in the center of the jelly roll structure.
  • the auxiliary separator may be wound 0.5 times or more and 1.5 times or less in the jelly roll structure.
  • the coating layer may include ceramic particles including at least one selected from the group consisting of alumina, silica, TiO 2 , SiC and MgAl 2 O 4 .
  • the coating layer positioned in the separator region may be disposed to face the first electrode.
  • the coating layer positioned in the auxiliary separator region may be disposed to face the first electrode.
  • a secondary battery according to another embodiment of the present invention includes the electrode assembly described above.
  • FIG. 7 is a view illustrating a cross-section of an end portion before being wound in an electrode assembly according to another embodiment to which the separator of FIG. 6 is applied.
  • the second electrode 200 may also include an electrode current collector 220 of a thin metal plate and an active material layer 230 formed on the electrode current collector 220 .
  • the active material layer 230 may be formed by applying an electrode active material to the electrode current collector 220 .
  • the second electrode tab 210 may be bonded.
  • the coating layer 301 including such ceramic particles may be formed by applying a mixed slurry of ceramic particles and a binder to the base layer 302 .
  • the safety of the electrode assembly can be enhanced.
  • the coating layer 301 is the first coating layer 301 to prevent problems of cracks and overheating that may occur from the edge 101 of the first electrode 100, which is the anode. It may be disposed to face the electrode 100 .
  • an auxiliary separator 310 is included between the innermost end 101 of the first electrode 100 and the separator 300 .
  • both the auxiliary separator 310 and the coating layer 301 (refer to FIG. 2 ) included in the separator 300 are disposed to face the first electrode 100 .
  • the innermost end 101 of the first electrode 101 may be in contact with the auxiliary separator 310 .
  • the innermost end 101 of the first electrode 100 is configured to be in contact with the double separators 300 and 310 , so that the end of the first electrode 100 is It is possible to prevent the occurrence of cracks and overheating that may occur from That is, as the design requirement for high energy density increases, the density increase of the first electrode 100 , that is, the anode is unavoidable, and thus the stress at the step difference between the anodes is increased.
  • the anode step portion is a portion in which a physical step is formed in the jelly roll electrode assembly as the thickness increases rapidly from 100 ⁇ m to 200 ⁇ m as the anode is interposed at the starting point of the anode, and the innermost end 101 of the first electrode 100 in the drawing ) is the corresponding part.
  • the stress is high, and therefore, if the corresponding portion is continuously pressed during the contraction and expansion process due to charging and discharging, the separator at the portion in contact with it is damaged, and there is a high risk of ignition due to cracks and short circuits.
  • the auxiliary separator 310 may be formed to have the same configuration as the separator 300 , and may be in contact with the innermost end 101 of the first electrode 100 , 0.5 times or more and 1.5 times or less in the jelly roll structure. may be wound up. That is, when the winding core is located in the central portion (C) as shown in FIG. 4 , the winding core may be wound around 0.5 to 1.5 times.
  • the length is not limited thereto, and the length may be adjusted to start winding from the innermost end of the auxiliary separator 310 and wound 0.5 to 1.5 times.
  • the separator 300 ′ includes a base layer 301 and a coating layer 302 as in the previous embodiment, but the position at which the coating layer 302 is disposed is located in the separator region 300P and the auxiliary separator region 310P. are configured to be opposite to each other. That is, as shown in FIG. 6 , in the auxiliary separator region 310P, the coating layer 302 is formed on the surface opposite to the surface on which the coating layer 302 is formed in the separator region 300P. With this configuration, even when the auxiliary separator region 310P is disposed between the separator region 300P and the first electrode 100 by folding as shown in FIG.
  • the auxiliary separator region 310P and the separator region It becomes possible to arrange all the coating layers of 300P to face the anode, that is, the first electrode 100 . Accordingly, even in the electrode assembly according to another embodiment of the present invention, it is possible to effectively prevent cracks and short circuits caused by contraction and expansion of the end 101 of the first electrode 100 and ignition thereof.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 분리막이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성하며, 상기 젤리롤 구조체의 중심부에서 상기 제1 전극과 상기 분리막 사이에 배치되는 보조 분리막을 더욱 포함한다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 11월 16일자 한국 특허 출원 제10-2020-0152524호 및 2021년 11월 9일자 한국 특허 출원 제10-2021-0153233호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 젤리롤 구조체의 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다.
대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤(Jelly Roll, 권취형)형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있다.
젤리롤형 전극 조립체는 양극과 음극이 권취되어 형성되고, 이 때 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취되어 형성될 수 있다. 그런데 수백 내지 수천 회 반복된 충방전 사이클이 진행됨에 따라 젤리롤형 전극 조립체의 수축 및 팽창이 발생하고, 이에 의해 중심부에서의 양극의 단부로부터 굽힘 변형이 발생하여 결국 크랙이 발생하고 단선이나 단락으로 이어져 이차전지의 안전성을 크게 저해할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이차전지의 수축 팽창시 전극에 발생할수 있는 크랙을 방지할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 분리막이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성하며, 상기 젤리롤 구조체의 중심부에서 상기 제1 전극과 상기 분리막 사이에 배치되는 보조 분리막을 더욱 포함한다.
상기 분리막 및 상기 보조 분리막은 각각 기재층 및 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 단부는 상기 보조 분리막의 상기 코팅층과 접촉할 수 있다.
상기 제1 전극은 양극이고, 상기 제2 전극은 음극일 수 있다.
상기 보조 분리막은 상기 젤리롤 구조체에서 0.5회 이상 및 1.5회 이하로 권취될 수 있다.
상기 제2 전극은 집전체 상에 형성된 활물질층, 상기 활물질층이 형성되지 않은 무지부, 및 상기 무지부에 접합된 전극탭을 포함하고, 상기 젤리롤 구조체의 상기 중심부에서, 상기 제1 전극의 단부는 상기 전극탭으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
상기 중심부에서 상기 제1 전극의 단부는 상기 전극 탭의 단부로부터 권취 둘레의 1/4 이상 이격되어 있을 수 있다.
상기 코팅층은 알루미나, 실리카, TiO2, SiC 및 MgAl2O4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
상기 기재층은 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리 에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 상기 코팅층이 상기 제1 전극을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 보조 분리막은, 상기 분리막으로부터 연장되어 상기 분리막과 일체로 형성될 수 있다.
상기 분리막은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막 영역과, 상기 분리막 영역과 상기 제1 전극 사이에 배치되는 보조 분리막 영역을 포함할 수 있다.
상기 분리막은, 기재층, 및 상기 기재층의 어느 한 면에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 분리막 영역과 상기 보조 분리막 영역에서 상기 코팅층은 서로 반대면에 형성될 수 있다.
상기 분리막 영역에 위치하는 상기 코팅층은, 상기 제1 전극을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 보조 분리막 영역에 위치하는 상기 코팅층은, 상기 제1 전극을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 상기의 전극 조립체를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전극 조립체에서 양극의 권취가 시작되는 부분의 단부와 대응되는 부분의 분리막을 2중으로 하는 것에 의해, 양극의 단부와 닿는 부분에서 음극의 크랙을 방지하여 단선이나 단락을 방지함으로써, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 전극 조립체가 권취되기 전 단부 부분의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 전극 조립체의 권취시 중심부 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 하부에서 전극 조립체의 중심부를 확대하여 나타낸 부분도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에서 적용되는 분리막의 일부 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 분리막이 적용된 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 권취되기 전 단부 부분의 단면을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 전극 조립체가 권취되기 전 모습을 분해하여 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 1의 전극 조립체가 권취되기 전 단부 부분의 단면을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 제1 전극(100), 제2 전극(200) 및 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 개재되는 분리막(300)을 포함하고, 제1 전극(100), 제2 전극(200) 및 분리막(300)이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성한다. 젤리롤 구조체를 형성할 때 제1 전극(100)과 제2 전극(200)이 접촉하는 것을 방지하기 위해 제2 전극(200) 아래에 분리막(300)이 추가 배치된다. 아울러, 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)와 분리막(300) 사이에는, 보조 분리막(310)이 배치된다.
제1 전극(100)은 금속 박판의 전극 집전체(120) 및 전극 집전체(120) 상에 형성된 활물질층(130)을 포함할 수 있다. 이러한 활물질층(130)은 전극 집전체(120)에 전극 활물질을 도포하여 형성할 수 있다. 또한 활물질을 도포하지 않고 전극 집전체(120)의 일부를 노출시킨 후 제1 전극탭(110)을 접합할 수 있다.
제2 전극(200)도, 마찬가지로, 금속 박판의 전극 집전체(220) 및 전극 집전체(220) 상에 형성된 활물질층(230)을 포함할 수 있다. 이러한 활물질층(230)은 전극 집전체(220)에 전극 활물질을 도포하여 형성할 수 있다. 또한 활물질을 도포하지 않고 전극 집전체(220)의 일부를 노출시킨 후 제2 전극탭(210)을 접합할 수 있다.
제1 전극탭(110)과 제2 전극탭(210)은 젤리롤 구조체의 전극 조립체에 대하여 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 제1 전극(100)은 전극 집전체(120)에 양극 활물질을 도포하여 형성된 양극일 수 있고, 제2 전극(200)은 전극 집전체(220)에 음극 활물질을 도포하여 형성된 음극일 수 있다.
분리막(300)은, 기재층(302) 상에, 세라믹 입자를 포함하는 코팅층(301)을 코팅하여 형성될 수 있다. 보조 분리막(310) 역시 분리막(300)과 동일하게 기재층(302) 및 그 위에 형성된 코팅층(301)을 포함할 수 있다. 기재층(302)은 예를 들여, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리 에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 코팅층(301)은 알루미나, 실리카, TiO2, SiC 및 MgAl2O4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 이러한 세라믹 입자를 포함하는 코팅층(301)은 세라믹 입자와 바인더의 혼합 슬러리를 기재층(302)에 도포하는 것에 의해 형성될 수 있다. 또한 이와 같은 코팅층(301)을 포함하는 것에 의해 전극 조립체의 안전성을 강화할 수 있다. 코팅층(301)은, 양극인 제1 전극(100)의 가장자리(101)로부터 발생될 수 있는 크랙 및 과열의 문제를 방지할 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이 코팅층(301)이 모두 제1 전극(100)을 향하도록 배치될 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 더욱 참고하여, 젤리롤 구조체의 중심부(C)에서의 구조에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 전극 조립체의 권취시 중심부 부분을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 5는 도 1의 하부에서 전극 조립체의 중심부를 확대하여 나타낸 부분도이다. 특히, 도 5에서는 설명의 편의를 위해 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 개재된 분리막(300)의 도시를 생략하였다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 젤리롤 구조체에서는 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)와 분리막(300) 사이에, 보조 분리막(310)을 포함한다. 이 때, 보조 분리막(310)과 분리막(300)에 포함된 코팅층(301, 도 2 참조)은, 모두 제1 전극(100)을 향하도록 배치된다. 제1 전극(101)의 최내측의 단부(101)는 보조 분리막(310)과 접할 수 있다.
여기서, 젤리롤 구조체의 중심부(C)라 함은, 젤리롤 구조체를 위에서 바라봤을 때 원형 구조의 중심으로써, 권취가 시작된 부분과 대응하는 가상의 영역을 의미한다. 권취 공정시에는, 도 4에 도시된 바와 같이 단면이 원형인 막대 형상의 권심을 포함하여 이를 지지체로서 권취될 수 있고, 해당 권심은 권취 완료시 중심부로부터 제거될 수 있다. 또한 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)는 제1 전극(100)에서 가장 먼저 권취가 시작되는 일측 단부를 의미한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)가 2중의 분리막(300, 310)과 접하도록 구성하는 것에 의해, 제1 전극(100)의 단부로부터 발생할 수 있는 크랙 및 과열의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 고에너지 밀도의 설계 요구가 높아지면서, 제1 전극(100), 즉 양극의 밀도 상승이 불가피하여, 양극 단차부에서의 응력이 높아지게 된다. 여기서 양극 단차부는, 양극의 시작점에서 양극이 개재됨에 따라 두께가 100μm 내지 200μm로 급격히 높아져서 물리적 단차가 젤리롤 전극 조립체 내에 형성되는 부분으로, 도면에서 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)에 대응하는 부분이다. 이와 같은 양극 단차부에서는 응력이 높아지고, 따라서 충방전에 의한 수축 및 팽창 과정에서 해당 부분이 지속적으로 눌리게 되면, 이와 닿는 부분의 분리막이 손상되어 크랙 및 단락에 의한 발화의 위험이 크다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상술한 바와 같이 제1 전극의 최내측의 단부(101)가, 2중의 분리막(300, 310)과 접하기 때문에, 양극 단차부에서의 분리막 손상을 방지하고, 안정적인 완충 작용이 가능한바, 응력이 높은 양극 단부에서의 수축 및 팽창의 반복에 의해 유발되는 크랙 및 단락을 방지하고 따라서 이에 의한 발화 위험을 감소시킬 수 있다.
즉, 반복적인 충방전 사이클이 수백 내지 수천 회 진행됨에 따라, 전극의 수축 및 팽창이 발생할 수 있고 이 때문에 제1 전극(100)의 단부(101)에 굽힘 변형이 발생하고, 이에 의해 전극의 크랙이 발생할 수 있다. 그러나, 보조 분리막(310)을 포함하여 2중의 분리막을 구비하고, 아울러 제1 전극(100)을 향해 분리막(300) 및 보조 분리막(310)의 코팅층(301)이 향하도록 배치하는 것에 의해, 제1 전극(100) 단부(101)의 수축 및 팽창에 따른 크랙 및 단락 발생 및 이에 의한 발화를 방지할 수 있다.
보조 분리막(310)은 분리막(300)과 동일한 구성을 갖도록 형성할 수 있으며, 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)와 접할 수 있도록, 젤리롤 구조체에서 0.5회 이상 1.5회 이하로 권취되어 있을 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 중심부(C)에 권심이 위치하는 경우, 권심의 둘레를 0.5회 내지 1.5회 감도록 형성될 수 있다. 또한 이에 한정되지 않고, 보조 분리막(310)의 최내측의 단부로부터 권취를 시작하여 0.5회 내지 1.5회 권취하도록 그 길이를 조정할 수 있다.
한편, 젤리롤 구조체를 기준으로, 제2 전극(200)의 최내측의 단부가 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)보다 젤리롤 구조체의 중심부(C)에 가까이 위치할 수 있다.
구체적으로, 젤리롤 구조체의 중심부(C)에서, 제2 전극(200)은 제1 전극(100)보다 연장되어 권취될 수 있다. 즉, 제2 전극(200)과 분리막(300)이 먼저 어느 정도 권취가 이루어진 후에 제1 전극(100)이 개재되어 함께 권취가 이루어질 수 있다. 제1 전극(100)과 제2 전극(200)은 각각 양극과 음극일 수 있는데, 리튬이온 전지의 화학반응에서, 음극이 양극의 리튬 이온을 받아줘야 하기 때문에 음극이 양극보다 길이와 폭이 넓게 설계됨이 바람직하다. 만일 양극의 길이나 폭이 더 넓게 형성될 경우, 리튬 이온을 받는 공간이 부족해져 충, 방전이 원활히 이루어질 수가 없으며, 폭발의 위험이 증가할 수 있다. 따라서, 젤리롤 전극 조립체의 권취가 시작되는 그 중심부(C)에서 음극인 제2 전극(200)이 양극인 제1 전극(100)보다 먼저 권취가 이루어짐이 바람직하다. 일례로, 제2 전극(200)이 제1 전극(100)보다 1회 내지 2회 정도 권취가 먼저 이루어진 후 제1 전극(100)이 개재될 수 있다. 이에 따라, 상술한 바대로, 젤리롤 구조체를 기준으로, 제2 전극(200)의 최내측의 단부가 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)보다 젤리롤 구조체의 중심부(C)에 가까이 위치할 수 있다.
아울러, 도 5에 도시된 바와 같이, 전극 조립체의 하단부에서 바라볼 때, 외측으로 돌출된 제2 전극탭(210)은, 중심부(C)에서 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)와 중첩하지 않도록 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 제2 전극탭(210)은 외부와 전기적으로 연결되는 부분으로, 해당 부분에서 열의 발생이 많이 일어날 수 있는데, 이 경우 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)가 발열량이 높은 제2 전극탭(210)과 접할 경우, 충방전 사이클 반복시 수축, 팽창에 의한 굽힘 변형 스트레스 및 크랙 발생 확률이 높아지게 된다. 그러나 도 5에 도시된 바와 같이 제2 전극탭(210)과 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)가 중첩하지 않도록 배치하는 것에 의해 이와 같은 위험 발생 확률을 낮출 수 있다.
특히, 이를 위하여, 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)는 제2 전극탭(210)의 단부로부터 권취 둘레를 따라 권취 둘레의 1/4 이상 이격되어 있는 것이 바람직하다. 이는 도 5에서, 제2 전극탭(210)의 단부로부터, 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)까지의 거리가, 제1 전극(100)의 해당 부분에서의 권취 둘레의 1/4 이상임을 의미한다. 이와 같이 제2 전극탭(210)으로부터 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)를 충분히 이격시키는 것에 의해, 발열량이 높고, 아울러 두께에 의한 단차가 발생하는 부분인 제2 전극탭(210)과, 제1 전극(100)의 최내측의 단부(101)가 접촉하는 것을 차단할 수 있기 때문에, 충방전 사이클 반복시 수축, 팽창에 의한 굽힘 변형 스트레스 및 크랙 발생 확률이 낮아지고 따라서 이에 의한 내부 단락 내지 발화 발생 확률을 현저히 낮출 수 있다. 또한 이와 같은 구성은, 권취시 권취 시작점, 즉 중심부(C)에서의 제2 전극(200), 제2 전극탭(210) 및 제1 전극(100)의 상대적인 위치를 조정하여 권취하는 것에 의해 얻어질 수 있다.
다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에서 적용되는 분리막의 일부 단면을 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 분리막이 적용된 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 권취되기 전 단부 부분의 단면을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는, 분리막(300’)이 폴딩되어 분리막(300’)으로부터 일체로 연장된 단부가 보조 분리막이 되도록 구성된다. 이를 제외한 다른 구성은 앞선 실시예와 동일한 바 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에서는, 분리막(300’)의 일부는 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 배치되는 분리막 영역(300P)을 구성하고, 나머지 일부는, 이러한 분리막 영역(300P)과 제1 전극(100) 사이에 배치되는 보조 분리막 영역(310P)을 구성한다. 이와 같은 분리막 영역(300P)과 보조 분리막 영역(310P)은, 일체로 형성된 분리막(300’)을 구성하고, 권취되기 이전에, 도 7에 도시한 바와 같이 보조 분리막 영역(310P)이 분리막 영역(300P) 상에 오도록 폴딩되어, 분리막 영역(300P)과 제1 전극(100) 사이에 보조 분리막 영역(310P)이 배치되도록 한다. 이와 같은 구성에 의해, 보조 분리막을 별도로 구비하지 않고 분리막으로부터 일체로 연장하여 폴딩에 의해 보조 분리막 역할을 하도록 할 수 있는바, 보다 간단한 구조에 의해 양극 단부와 닿는 부분의 분리막을 2중으로 하여 양극의 단부와 닿는 부분에서 음극의 크랙을 방지하여 단선이나 단락을 방지함으로써, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이 때, 분리막(300’)은 앞선 실시예와 마찬가지로 기재층(301)과 코팅층(302)을 포함하되, 코팅층(302)이 배치된 위치를 분리막 영역(300P)과 보조 분리막 영역(310P)에서 서로 반대가 되도록 구성된다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 보조 분리막 영역(310P)에서는, 분리막 영역(300P)에서 코팅층(302)이 형성된 면과 반대되는 면에 코팅층(302)이 형성되도록 한다. 이와 같은 구성에 의해, 도 7에 도시된 바와 같이 폴딩에 의해 보조 분리막 영역(310P)이 분리막 영역(300P)과 제1 전극(100) 사이에 배치되도록 하더라도, 보조 분리막 영역(310P)과 분리막 영역(300P)의 코팅층이 모두 양극, 즉 제1 전극(100)을 향하도록 배치하는 것이 가능해진다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에서도, 제1 전극(100) 단부(101)의 수축 및 팽창에 따른 크랙 및 단락 발생 및 이에 의한 발화를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 전극 조립체는 전해액과 함께 전지 케이스에 수납되어 이차전지를 형성할 수 있고, 이러한 이차전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 제1 전극
200: 제2 전극
300: 분리막
310: 보조 분리막
301: 코팅층

Claims (16)

  1. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 분리막이 함께 권취되어 젤리롤 구조체를 형성하며,
    상기 젤리롤 구조체의 중심부에서 상기 제1 전극과 상기 분리막 사이에 배치되는 보조 분리막을 더욱 포함하는 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 분리막 및 상기 보조 분리막은 각각 기재층 및 코팅층을 포함하는 전극 조립체.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전극의 단부는 상기 보조 분리막의 상기 코팅층과 접촉하는 전극 조립체.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 양극이고, 상기 제2 전극은 음극인 전극 조립체.
  5. 제1항에서,
    상기 보조 분리막은 상기 젤리롤 구조체에서 0.5회 이상 및 1.5회 이하로 권취되는 전극 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 전극은 집전체 상에 형성된 활물질층, 상기 활물질층이 형성되지 않은 무지부, 및 상기 무지부에 접합된 전극탭을 포함하고,
    상기 젤리롤 구조체의 상기 중심부에서, 상기 제1 전극의 단부는 상기 전극탭으로부터 이격되어 배치되는 전극 조립체.
  7. 제6항에서,
    상기 중심부에서 상기 제1 전극의 단부는 상기 전극 탭의 단부로부터 권취 둘레의 1/4 이상 이격되어 있는 전극 조립체.
  8. 제2항에서,
    상기 코팅층은 알루미나, 실리카, TiO2, SiC 및 MgAl2O4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 세라믹 입자를 포함하는 전극 조립체.
  9. 제2항에서,
    상기 기재층은 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리 에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 전극 조립체.
  10. 제2항에서,
    상기 분리막은 상기 코팅층이 상기 제1 전극을 향하도록 배치되는 전극 조립체.
  11. 제1항에서,
    상기 보조 분리막은, 상기 분리막으로부터 연장되어 상기 분리막과 일체로 형성되어 있는 전극 조립체.
  12. 제11항에서,
    상기 분리막은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 분리막 영역과, 상기 분리막 영역과 상기 제1 전극 사이에 배치되는 보조 분리막 영역을 포함하는 전극 조립체.
  13. 제12항에서,
    상기 분리막은, 기재층, 및 상기 기재층의 어느 한 면에 형성된 코팅층을 포함하고,
    상기 분리막 영역과 상기 보조 분리막 영역에서 상기 코팅층은 서로 반대면에 형성되어 있는 전극 조립체.
  14. 제13항에서,
    상기 분리막 영역에 위치하는 상기 코팅층은, 상기 제1 전극을 향하도록 배치되는 전극 조립체.
  15. 제13항에서,
    상기 보조 분리막 영역에 위치하는 상기 코팅층은, 상기 제1 전극을 향하도록 배치되는 전극 조립체.
  16. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지.
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