WO2023048431A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀 - Google Patents

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WO2023048431A1
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fixing member
separator
electrode
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정수택
정혁
권순관
배상호
이용준
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and a battery cell including the same, and more particularly, to an electrode assembly in which folding of a separator is prevented and a battery cell including the same.
  • a secondary battery capable of charging and discharging is a method for solving air pollution such as existing gasoline vehicles using fossil fuels, electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV), etc., the need for development of secondary batteries is increasing.
  • secondary batteries are classified into cylindrical batteries and prismatic batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch-type case made of an aluminum laminate sheet. .
  • secondary batteries are also classified according to the structure of the electrode assembly having a laminated structure of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • a jelly-roll type (wound type) electrode assembly having a structure in which long sheet-type positive and negative electrodes are wound with a separator interposed therebetween, a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size with a separator interposed therebetween and stacked (stacked) electrode assemblies sequentially stacked.
  • a stack/folding type electrode assembly which is a mixture of the jelly-roll type and stack type, has been developed.
  • 1 is a side view of a conventional electrode assembly.
  • 2 is a photograph of a side of a conventional electrode assembly.
  • 3 is a diagram illustrating a test for the stiffness of a conventional electrode assembly.
  • the electrode assembly is a stacked electrode assembly, and mainly a positive electrode 11, a separator 13, a negative electrode 12, and a separator 13 are stacked, or a negative electrode 12, a separator 13, and a positive electrode. (11), it is formed by stacking unit cells in which the separator 13 is sequentially stacked.
  • the separator 13 is usually formed to be larger than the positive electrode 11 or the negative electrode 12, the end of the separator 13 in the electrode assembly is not adhered to the positive electrode 11 or the negative electrode 12. Accordingly, a problem in which the end of the separator 13 is folded due to an external force may occur, as shown in area A of FIG. 2 .
  • the overall stiffness of the electrode assembly may be reduced, such as being easily bent. In particular, this problem may occur more conspicuously on the long side of the separator 13 than on the short side.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an electrode assembly in which the folding of the separator of the electrode assembly is improved and the overall stiffness is improved, and a battery cell including the same.
  • electrodes and separators are alternately stacked, and in one direction of the electrode assembly, the separator has a structure longer than the electrode, so that the separator protrudes beyond the end of the electrode.
  • a fixing member for fixing between extensions of the separators adjacent to each other along a direction in which the electrode and the separator are stacked is formed.
  • the fixing member may have a web structure including at least one line constituting a plurality of line sections, and the web structure may include at least one intersection formed by two or more line sections.
  • the line width of the strands of the web structure may be 20 to 100 um.
  • Intervals between adjacent strands of the web structure may be 100 to 800 um.
  • the fixing member may include a pattern shape having a plurality of openings.
  • the electrode assembly may have a side surface defined in a direction (Y direction) in which the electrode and the separator are stacked, and the fixing member may be formed by partially applying an adhesive along the stacking direction (Y direction).
  • the electrode assembly may further include an electrode tab protruding from one end of the electrode, and a protruding direction of the electrode tab may be the same as a direction of the electric field.
  • the separator may have a zigzag shape formed by bending a rectangular sheet.
  • a finishing separator may be positioned outside the fixing member.
  • the separation membrane may have long sides facing each other and short sides facing each other, and the fixing member may be formed on the long side of the separation membrane.
  • the fixing member may be formed to cover 70 to 80% of one side surface of the electrode assembly.
  • the electrode includes an anode and a cathode, and an end of the anode may be spaced apart from the fixing member.
  • the fixing member may have a thickness of 100 to 600 um.
  • the fixing member may cover the extension of the separation membrane, and the fixing member may be disposed at the same height as the extension of the separation membrane.
  • the fixing member may include an adhesive.
  • a battery cell according to another embodiment of the present invention includes the above-described electrode assembly.
  • the electrode assembly and the battery cell including the same of the present invention include a fixing member applied to both ends of the electrode assembly, so that the folding phenomenon of the separator can be improved and overall rigidity can be improved.
  • FIG. 1 is a side view of a conventional electrode assembly.
  • FIG. 2 is a photograph of a side of a conventional electrode assembly.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a test for the stiffness of a conventional electrode assembly.
  • FIG 4 and 5 are views showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a test for the stiffness of an electrode assembly.
  • FIG. 8 is a view showing an example of a device for applying an adhesive to an electrode assembly and an applied adhesive.
  • FIG. 9 is a view showing another example of a device for applying an adhesive to an electrode assembly and an applied adhesive.
  • FIGS. 8 and 9 are photographs comparing adhesives applied using the apparatus of FIGS. 8 and 9 .
  • FIG. 11 is an enlarged photograph of region B of FIG. 10 .
  • FIGS. 8 and 9 are photographs taken during a wettability test of an electrode assembly to which the process of FIGS. 8 and 9 is applied.
  • FIG 13 and 14 are views showing an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • planar it means when the corresponding part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross section of the corresponding part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG 4 and 5 are views showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 100 of this embodiment is a power generating device capable of charging and discharging, and may include electrodes 110 and 120 and a separator 130 .
  • the electrodes 110 and 120 included in the electrode assembly 100 may include the positive electrode 110 and the negative electrode 120, and the separator 130 is interposed between the electrodes 110 and 120, so that the electrode assembly 100 has a positive electrode ( 110) / separator 130 / cathode 120 may have a structure in which they are alternately stacked.
  • the positions of the anode 110 and the cathode 120 shown in FIGS. 4 and 5 are shown for convenience, and the positions may be interchanged.
  • the electrode assembly 100 of this embodiment may include a fixing member 140 formed on at least one or both sides.
  • the fixing member 140 may include a fixing member 140 formed on a side surface of a cell stack in which the electrodes 110 and 120 and the separator 130 are alternately stacked.
  • the cell stack refers to a stack of the electrodes 110 and 120 and the separator 130 in the electrode assembly 100 of the present embodiment, and may not include the fixing member 140 .
  • the side of the cell stack refers to the surface where the ends of the plurality of electrodes 110 and 120 and/or the separator 130 are exposed in the cell stack in which the electrodes 110 and 120 and the separator 130 are alternately stacked.
  • the side surface of the cell stack may refer to one side of the cell stack that is elongated along the electric field direction (the Z-axis direction in FIG. 4 or the direction extending long in FIG. 4 ), which is the first direction of the electrode assembly 100 there is.
  • the length (long side length) of the electrode assembly 100 measured along the first direction may be greater than the length (short side length) of the electrode assembly 100 extending along a second direction crossing the first direction. .
  • the size of the separator 130 may be larger than the size of the electrodes 110 and 120 in the long side direction and/or the short side direction, and the ends of the separator 130 extend beyond the ends of the electrodes 110 and 120. may protrude.
  • the separator 130 has a structure longer than the electrodes 100 and 120 in one direction of the electrode assembly 100 (X-axis direction in FIG. 4 or a direction extending laterally in FIG. 4), thereby forming the separator 130 It includes an extension 138 protruding beyond the ends of the silver electrodes 110 and 120 .
  • the extension part 138 may be formed on one of the left and right sides of the electrodes 110 and 120 or formed on both sides so as to face each other.
  • the bent portion of the separator 130 may protrude beyond the ends of the electrodes 110 and 120 .
  • the protruding end of the separation membrane 130 or the bent portion of the separation membrane 130 may be referred to as an 'extension portion 138'.
  • the fixing member 140 may be formed by applying an adhesive.
  • the adhesive may contain a component that is not readily soluble in the electrolyte solution.
  • An example of the adhesive used for the fixing member 140 may include PO, PUR, EVA, and rubber series.
  • other examples include curable adhesives capable of natural curing, moisture curing, UV curing, and the like.
  • the fixing member 140 may fix the shape of the separator 130 by contacting the extension 138 of the separator 130 that is not in contact with the electrodes 110 and 120 .
  • the separation membrane 130 and at least one other separation membrane 130 adjacent thereto may be connected to each other by a fixing member 140 .
  • a plurality of or all of the separators 130 of the electrode assembly 100 may be connected using at least one fixing member 140 .
  • the fixing member 140 may contact the separator 130 .
  • the fixing member 140 may be formed between the separation membranes 130 as shown in FIG. 4 so that its position corresponds to the extension 138 of the separation membrane 130, or as shown in FIG. 5, the separation membrane 130 It may be formed to cover the extension part 138 of the outside.
  • the fixing member 140 may be disposed at the same height as the extension 138 of the separation membrane 130 .
  • the fixing member 140 may be coupled to each other over several levels in the stacking direction, and this coupling extends to the periphery of the outermost portion of the separator 130 ( 142).
  • the fixing member 140 may preferably not contact the anode 110 . That is, the end of the anode 110 may be spaced apart from the fixing member 140 . This may be because the fixing member 140 hinders the flow of ions moving from the anode 110 to the cathode 120 . In addition, it is preferable that the fixing member 140 does not contact the negative electrode 120, but since the negative electrode 120 is not a direct charging area, the positive electrode 110 and the fixing member 140 have a greater influence than contact. can write
  • the fixing member 140 may be formed on all sides of the electrode assembly 100, but may be preferably formed only on some side surfaces. This may be because, when the fixing member 140 is formed on both sides of the electrode assembly 100, the release of gas from the electrode assembly 100 is prevented by the fixing member 140 in the process of impregnating the electrodes 110 and 120 with the electrolyte or activating the electrodes 110 and 120. can
  • the face facing the elongated long side direction may be referred to as a front face or a rear face.
  • the face facing in the direction of the short side extending laterally may be referred to as a left face or a right face.
  • the fixing member 140 may be formed to cover all of one side surface of the electrode assembly 100 or may be formed to cover 70 to 80% of the side surface. In particular, it is possible to cover the entire height of the side surface in the stacking direction.
  • the side surface of the electrode assembly 100 may have a 'height' formed through lamination.
  • the side of the electrode assembly 100 may have a 'width' corresponding to the length of the long side or the short side.
  • the fixing member 140 may be formed to cover 70 to 80% of the side width of the electrode assembly 100 . Since the fixing member 140 does not cover all of the side surfaces of the electrode assembly 100, the gas discharge of the electrode assembly 100 is prevented from being hindered by the fixing member 140 during the electrode impregnation or activation process of the electrodes 110 and 120. It can be.
  • the adhesive member 140 may be formed on a side surface of the electrode assembly 100 where the long side of the separator 130 is located.
  • the fixing member 140 may be formed on the long side of the separator 130 . This may be because a folding phenomenon occurs more frequently on the longer side of the separation membrane 130 than on the short side. However, this description does not completely exclude that the fixing member 140 may be formed on the short side of the separator 130 .
  • FIG. 6 is a photograph taken of the side of the electrode assembly.
  • 7 is a diagram illustrating a test for the stiffness of an electrode assembly.
  • the folding phenomenon in the region A of FIG. 2 is improved by forming the fixing member 140 on the side surface of the electrode assembly 100 .
  • a phenomenon in which a part of the electrode assembly 100 sags does not occur, and the minimum rigidity required for the electrode assembly 100 is secured by the fixing member 140. was able to confirm that As such, since the rigidity of the electrode assembly 100 is supplemented, excessive deformation of the electrode assembly 100 may be prevented when an external force is applied.
  • FIG. 8 is a view showing an example of a device for applying an adhesive to an electrode assembly and an applied adhesive.
  • 9 is a view showing another example of a device for applying an adhesive to an electrode assembly and an applied adhesive.
  • the fixing member 140 of this embodiment may be formed of adhesive material strands 144 in a network form such as a web structure.
  • the strands 144 of adhesive material include a plurality of nodes or points of intersection 146 where one strand 144 of adhesive material intersects another strand 144 of adhesive material. or cross each other.
  • the web structure may be implemented by a pattern method.
  • the pattern method is implemented using one or more, for example, four printing units, and the four printing units can be driven on the side provided with the fixing member according to a random or predetermined pattern.
  • the pattern method may mean applying the adhesive so that the adhesive 10 applied to the target location has a predetermined pattern.
  • the pattern shown is a pig tail pattern, but other patterns may be applied as well.
  • the pattern-based adhesive application device 200 may include a housing 210 and a nozzle 220 .
  • the adhesive 10 may be supplied from the outside of the device 200 and accommodated in the housing 210 , and the adhesive 10 passing through the nozzle 220 may be discharged in the form of a line.
  • the applied adhesive 10 may have a specific pattern according to the movement of the nozzle 220 .
  • the bottom of FIG. 8 shows that the adhesive 10 has a web structure shape in which a plurality of circles overlap each other as the adhesive 10 is spirally applied. This web structure shape may also be referred to as a pig tail shape or a pig tail pattern.
  • the fixing member 140 of this embodiment may be formed in the form of a shaving cloth.
  • the shaving cloth method may mean applying the adhesive at a high density so that the adhesive 10 is applied to the target location without gaps.
  • the shaving cloth type adhesive application device 300 may apply the adhesive 10 so that the adhesive 10 covers the entire target area, as shown in the photo below in FIG. 9 .
  • the shaving cloth type adhesive application device 300 may apply adhesive through a spray, slot, or other method.
  • the shaving cloth type adhesive application device 300 includes a housing 310, a nozzle 320, a tube 330 through which the adhesive 10 is supplied into the housing 310, and a nozzle connected to the tube 330.
  • the adhesive 10 When the adhesive 10 is sprayed through the 320, it may include an air pipe 340 for injecting compressed air.
  • the adhesive application device 300 of the shaving cloth type of FIG. 9 uses compressed air, etc., there is a possibility that the adhesive 10 may scatter when the adhesive 10 is sprayed.
  • the thickness of the fixing member 140 is to be formed thick, there is a disadvantage in that the uniformity of the fixing member 140 is poor.
  • the adhesive application device 200 of FIG. 8 discharges the adhesive 10 in the form of a line, scattering of the adhesive due to air or the like can be minimized and contamination of the device can be minimized. Also, in the device 200 of FIG. 8 , the density and thickness of the fixing member 140 can be relatively freely adjusted by adjusting the spacing between the lines. The device 200 of FIG. 8 applies the adhesive 10 more uniformly than the adhesive application device 300 of FIG. 9 even when the thickness of the fixing member 140 is to be formed thickly by applying the adhesive 10 in a certain pattern. can be distributed.
  • the device 200 of FIG. 8 may minimize the thickness of the fixing member 140 compared to the device 300 of FIG. 9 .
  • the thickness of the fixing member 140 formed through the device 200 of FIG. 8 is about 100 um or more, whereas the thickness of the fixing member 140 formed through the device 300 of FIG. 9 is about 200 ⁇ m. can be more than um. This may be because the device 200 of FIG. 8 applies the adhesive 10 in the form of a line, as described above.
  • the thickness of the fixing member 140 formed on the electrode assembly 100 may be variously set according to design.
  • the thickness of the fixing member 140 may be designed to be smaller than that in consideration of the size of the separation space between the electrode assembly 100 inside the battery cell and the battery case.
  • the separation distance between the electrode assembly 100 and the battery case may be around 600 um.
  • the thickness of the fixing member 140 formed on the electrode assembly 100 may be 600 um or less, 500 um or less, 400 um or less, 300 um or less, or 200 um or less.
  • the thickness of the fixing member 140 formed on the electrode assembly 100 may be 100 to 600 um, 100 to 500 um, 100 to 400 um, 100 to 300 um, or 100 to 200 um.
  • the fixing member 140 may be formed by repeatedly stacking lines by the apparatus 200 of FIG. 8 .
  • the adhesive 10 provided through the adhesive application device may have a predetermined temperature. This may be because the adhesive application device controls the temperature of the adhesive 10 so that the adhesive 10 is easily applied.
  • the operating temperature of the device 200 of FIG. 8 is 110° C., and the temperature of the adhesive 10 discharged from the device 200 may be in the range of 40° C. to 50° C.
  • the operating temperature of the device 300 of FIG. 9 is 160°C, and the temperature of the adhesive 10 discharged from the device 200 may be in the range of 60°C to 70°C. If the temperature of the adhesive 10 is high, the separator 130 is likely to shrink. Therefore, it is preferable that the device 200 of FIG. 8 is used to form the fixing member 140 of this embodiment rather than the device 300 of FIG. 9. You will be able to.
  • FIG. 10 is a photograph comparing adhesives applied using the apparatus of FIGS. 8 and 9 .
  • FIG. 11 is an enlarged photograph of region B of FIG. 10 .
  • the application shapes of the adhesive according to the devices of FIGS. 8 and 9 may be compared.
  • the corresponding shape may be the shape of the fixing member 140 applied to the side surface of the electrode assembly 100 .
  • the fixing member 140 formed by the pattern method may have a pattern in which at least two lines intersect.
  • structures formed by one or more strands, in particular planar structures, some of which constitute intersecting line sections may be generally referred to as web structures.
  • the web structure may include at least one intersection formed by two or more line sections.
  • the fixing member 140 formed by the pattern method may include a plurality of openings.
  • the line width of the patterned adhesive 10 may be 20 to 100 um, and the interval between the lines may be 100 to 800 um.
  • the fixing member 140 has a pig tail pattern. It was confirmed from the photograph that the first line width d1 was 50 um and the first line spacing w1 was 600 um.
  • FIG. 10(b) is based on a shaving cloth method, and may be formed by the device 300 of FIG. 9 .
  • 10(b) shows that there is no gap between the adhesives 10 and they are applied to form one surface.
  • no pattern formed by crossing at least two lines was found, and it was confirmed that no opening was formed in the fixing member 140.
  • the fixing member 140 of the present embodiment is formed on the side surface of the electrode assembly 100, the fixing member 140 prevents contact between the electrodes 110 and 120 and the electrolyte solution absorbed through the side surface of the electrode assembly 100. can do. Accordingly, the fixing member 140 may be formed in such a way as to minimize degradation of electrolyte absorption.
  • FIG. 12 is a photograph taken during a wettability test of an electrode assembly to which the process of FIGS. 8 and 9 is applied. Specifically, FIG. 12 is a disassembly of the electrode assembly 100 having the fixing member 140 formed through the process of FIGS. 8 and 9 after being impregnated with an electrolyte solution. Through the photograph, the portion of the electrodes 110 and 120 where the electrolyte is not absorbed can be identified as a non-wetting region 20, and based on this, the wettability of the electrodes 110 and 120 with respect to the electrolyte is confirmed by the fixing member 140. ), it can be checked whether or not it is lowered by Here, the smaller the non-wetting area 20 may mean that the contact between the electrodes 110 and 120 and the electrolyte is sufficient.
  • the electrodes 110 and 120 of FIG. 12(a) to which the pattern method of FIG. 8 is applied are more non-wetting than the electrodes 110 and 120 of FIG. 12(b) to which the shaving cloth method of FIG. 9 is applied. ) region 20 is formed small.
  • the fixing member 140 formed by FIG. 8 may not hinder absorption of the electrolyte solution more than the fixing member 140 formed by FIG. 9 .
  • the pattern application method of FIG. 8 has a pattern in which a plurality of lines cross each other, it may be formed to include a plurality of openings in the fixing member 140 .
  • the electrolyte can be absorbed into the electrode assembly 100 through the opening, so the fixing member 140 by the pattern application method is better than the fixing member 140 by the shaving cloth method. Deterioration of permeation of the electrolyte solution can be minimized.
  • the absorption rate of the electrolyte may be increased by partially forming the fixing member 140 on the side surface of the electrode assembly 100 .
  • the fixing member 140 is partially formed in this way, since the rigidity of the electrode assembly 100 may decrease as shown in FIG. can do.
  • the electrode assembly of this embodiment is the same as the above-described electrode assembly except that the shape of the cell stack is different. Therefore, even if there is no separate mention, the electrode assembly according to the present embodiment can be described as including all of the contents of the electrode assembly of FIGS. 4 to 12 described above.
  • FIG 13 and 14 are views showing an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 100 of the present embodiment includes a cell stack in which positive electrode 110/separator 130/negative electrode 120 are alternately stacked and a finished separator covering the side of the cell stack. (132,134).
  • the separator 130 has a zigzag shape formed by bending a rectangular separator sheet, and the zigzag-bent separator 130 may be interposed between the positive electrode 110 and the negative electrode 120 .
  • the separator 130 may cover the side surfaces of the cell stack at least once through the finishing separators 132 and 134 , whereby the side surfaces of the cell stack may be finished.
  • the positions of the anode 110 and the cathode 120 shown in FIGS. 13 and 14 are shown for convenience, and the positions may be interchanged.
  • a fixing member 140 may be formed on a side surface of the cell stack.
  • the fixing member 140 may contact the extension 138 of the separation membrane 130 and fix the shape of the separation membrane 130 by connecting the extension 138 .
  • the fixing member 140 may fix the overall shape of the separation membrane 130 by connecting the bent portion of the separation membrane 130, that is, the bent portion 138B of the separation membrane 130.
  • the overall shape of the cell stack, including the separator 130, is fixed by the fixing member 140, and minimum rigidity can be guaranteed.
  • the fixing member 140 may be formed on all sides of the cell stack as described above, but may be formed on both sides where the bent separator 130 is located, as shown in FIGS. 13 and 14 . Also, unlike FIGS. 13 and 14, it may be possible to form the other side of the cell stack. However, since the release of gas from the electrode assembly 100 may be hindered by the fixing member 140 in the electrolyte impregnation or activation process of the electrodes 110 and 120, the location of the fixing member 140 needs to be properly designed. It may not be desirable to be formed to cover all sides of the laminate. Also, the fixing member 140 may be formed to cover all of one side surface of the electrode assembly 100 or may be formed to cover 70 to 80% of the side surface.
  • the finished separators 132 and 134 may be formed outside the fixing member 140 .
  • the finished separators 132 and 134 may cover side surfaces of the cell stack on which the fixing member 140 is formed.
  • the finished separator 132 may be wrapped once around the side of the cell stack by wrapping the circumference of the cell stack once and then finished.
  • the finished separators 132 and 134 may wrap the side surfaces of the cell stack two or more times by surrounding the circumference of the cell stack two or more times, and then may be subjected to finishing treatment.
  • the side surface of the cell stack may be finished by attaching an adhesive means such as heat fusion or adhesive tape, and the finishing method is as described above.
  • an adhesive means such as heat fusion or adhesive tape
  • the electrodes 110 and 120 and the separator 130 are alternately stacked to form a cell stack (S1100), and the adhesive 10 is applied to the side of the cell stack.
  • a step (S1200) and a step (S1300) of forming a fixing member 140 for fixing the separation membrane 130 may be included.
  • the step of forming a cell stack is the order of the positive electrode 110, separator 130, negative electrode 120, separator 130, or negative electrode 120, separator 130, positive electrode 110, As long as the electrodes and the separator are laminated in the order of the separator 130, any known method may be used.
  • the cell stack may be manufactured in a stack type as shown in FIGS. 4 and 5 or in a zigzag form as shown in FIGS. 13 and 14 .
  • the device 200 of FIG. 8 or the application device 300 of FIG. 9 may be used.
  • the step (S1200) is the step of determining the application pattern of the adhesive 10, and/or applying the adhesive pattern by moving the nozzle 220 to the determined pattern.
  • the step of determining the application pattern of the adhesive 10 may be performed before the step of forming the cell stack (S1100).
  • forming the fixing member 140 may include drying the adhesive 10 .
  • the adhesive 10 may be solidified by thermal curing or UV curing, and in this case, the step of forming the fixing member 140 (S1300) cures the adhesive 10 steps may be included.
  • the manufacturing method described above may further include a step of finishing the side surface of the cell stack (S1400). .
  • finished separators 132 and 134 may be formed on the side surfaces of the cell stack.
  • the finished separation membranes 132 and 134 may wrap the side surfaces of the cell stack at least once and then perform a finishing process.
  • the finished separators 132 and 134 may cover the side surfaces of the cell stack once as shown in FIG. 13 or may cover the side surfaces of the cell stack two or more times as shown in FIG. 14 .
  • the method of manufacturing the electrode assembly 100 according to the present embodiment may further include, after forming the finished separators 132 and 134, pressing along one direction (X-axis direction) toward the side of the cell stack. . If this step is added, the final separators 132 and 134 and the fixing member 140 adhere to each other, so that the overall stiffness of the electrode assembly can be further improved. In addition, the finishing separators 132 and 134 have an effect of more strongly winding the electrode assembly. Accordingly, it is possible to prevent the battery cell from being bent.
  • the electrode assembly 100 of the present embodiment described above may be stored in a cell case together with an electrolyte solution and provided as a battery cell.
  • a battery cell includes an electrode assembly 100 in which a plurality of electrodes and a plurality of separators are alternately stacked, an electrode lead connected to an electrode tab extending from the plurality of electrodes, and one end of the electrode lead protruding.
  • a cell case for sealing the electrode assembly may be included.
  • the above-described battery cells may be stacked in one direction to form a battery cell stack, and are modularized into battery modules to manage the temperature or voltage of the battery.
  • Battery packs can be applied to a variety of devices.
  • a device to which the battery pack is applied may be a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle.
  • the above-described device is not limited thereto, and the battery pack according to the present embodiment may be used in various devices other than the above-described examples, which also fall within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 전극 및 분리막이 교대로 적층되고, 상기 전극 조립체의 일방향으로, 상기 분리막은 상기 전극의 단부를 넘어 돌출되는 연장부를 포함하고, 상기 전극 조립체에 포함되는 복수의 분리막 중에서, 상기 전극과 상기 분리막이 적층되는 방향을 따라 서로 이웃하는 상기 분리막의 연장부들 사이를 고정하기 위한 고정 부재가 형성된다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 09월 27일자 한국 특허 출원 제10-2021-0127163호 및 2022년 09월 08일자 한국 특허 출원 제10-2022-0114320호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 분리막의 접힘 현상이 방지된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.
이차 전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극 들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되기도 하였다.
도 1은 종래의 전극 조립체의 측면도이다. 도 2는 종래의 전극 조립체의 측면을 촬영한 사진이다. 도 3은 종래의 전극 조립체의 강성에 관한 테스트를 도시화한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전극 조립체는 스택형 전극 조립체로써, 주로 양극(11), 분리막(13), 음극(12), 분리막(13)이 적층되거나, 음극(12), 분리막(13), 양극(11), 분리막(13)이 순차적으로 적층된 단위셀들이 적층됨으로써 형성된다.
한편 통상적으로 분리막(13)은 양극(11) 또는 음극(12) 보다 크게 형성되므로, 전극 조립체에서 분리막(13)의 끝단은 양극(11) 또는 음극(12)과 접착되지 않은 상태로 존재하고, 이에 따라 도 2의 A 영역과 같이 외력에 의해 분리막(13)의 끝단이 접히는 문제가 발생할 수 있다. 또, 도 3과 같이, 전극 조립체에 불균등한 힘이 가해지는 경우 쉽게 휘어지는 등 전극 조립체의 전체적인 강성(stiffness)이 저하될 수도 있다. 특히 이러한 문제점은 분리막(13)의 단변 보다 장변에 더욱 두드러지게 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 조립체의 분리막 접힘 현상이 개선되고, 전체적인 강성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀을 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 전극 및 분리막이 교대로 적층되고, 상기 전극 조립체의 일방향으로, 상기 분리막은 상기 전극보다 긴 구조를 가짐으로써 상기 분리막은 상기 전극의 단부를 넘어 돌출되는 연장부를 포함하고, 상기 전극 조립체에 포함되는 복수의 분리막 중에서, 상기 전극과 상기 분리막이 적층되는 방향을 따라 서로 이웃하는 상기 분리막의 연장부들 사이를 고정하기 위한 고정 부재가 형성된다.
상기 고정 부재는 복수의 라인 섹션을 구성하는 적어도 하나의 선을 포함하는 웹 구조를 가지고, 상기 웹 구조는 2개 이상의 라인 섹션으로 형성된 적어도 하나의 교차점을 포함할 수 있다.
상기 웹 구조의 가닥의 선폭은 20 내지 100 um일 수 있다.
상기 웹 구조의 서로 이웃하는 가닥들의 간격은 100 내지 800 um일 수 있다.
상기 고정 부재는 다수의 개구를 가지는 패턴 형상을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 전극과 상기 분리막이 적층되는 방향(Y 방향)에서 정의되는 측면을 갖고, 상기 고정 부재는 상기 적층 방향(Y 방향)을 따라 부분적으로 접착제를 도포하여 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 전극의 일단부에서 돌출되어 있는 전극 탭을 더 포함하고, 상기 전극 탭이 돌출되는 방향은 전장 방향과 동일할 수 있다.
상기 분리막은 장방형의 시트가 절곡됨으로써 형성된 지그재그 형태를 가질 수 있다.
상기 고정 부재의 외측에는 마감 분리막이 위치할 수 있다.
상기 분리막은 서로 마주보는 장변 및 서로 마주보는 단변을 가지고, 상기 고정 부재는 상기 분리막의 장변 상에 형성될 수 있다.
상기 고정 부재는 상기 전극 조립체의 일 측면의 70 내지 80%를 커버하도록 형성될 수 있다.
상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극의 말단은 상기 고정 부재로부터 이격될 수 있다.
상기 고정 부재의 두께는 100 내지 600 um일 수 있다.
상기 고정 부재는 상기 분리막의 연장부를 덮고, 상기 고정 부재는 상기 분리막의 연장부와 동일 높이에 배치될 수 있다.
상기 고정부재는 접착제를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀은 상술한 전극 조립체를 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명의 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀은 전극 조립체 양단에 도포된 고정 부재를 포함함으로써, 분리막 접힘 현상이 개선되고, 전체적인 강성이 향상될 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 종래의 전극 조립체의 측면도이다.
도 2는 종래의 전극 조립체의 측면을 촬영한 사진이다.
도 3은 종래의 전극 조립체의 강성에 관한 테스트를 도시화한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 6는 전극 조립체의 측면을 촬영한 사진이다.
도 7은 전극 조립체의 강성에 관한 테스트를 도시화한 도면이다.
도 8은 전극 조립체에 접착제를 도포하는 장치 및 도포된 접착제의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9은 전극 조립체에 접착제를 도포하는 장치 및 도포된 접착제의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 10는 도 8 및 도 9의 장치를 이용하여 도포된 접착제를 비교한 사진이다.
도 11은 도 10의 B영역을 확대한 사진이다.
도 12는 도 8 및 도 9의 공정이 적용된 전극 조립체의 젖음성에 관한 테스트를 촬영한 사진이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 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 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 관하여 설명한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예의 전극 조립체(100)는 충방전이 가능한 발전소자로써, 전극(110,120) 및 분리막(130)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(100)에 포함된 전극(110,120)은 양극(110) 및 음극(120)을 포함할 수 있고, 각 전극(110,120) 사이에 분리막(130)이 개재됨으로써 전극 조립체(100)는 양극(110)/분리막(130)/음극(120)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 도 4 및 도 5에 표시된 양극(110)과 음극(120)의 위치는 편의에 따라 도시한 것으로써, 그 위치는 상호 변경될 수 있다.
또한, 본 실시예의 전극 조립체(100)는 적어도 일측면 또는 양 측면에 형성된 고정 부재(140)를 포함할 수 있다. 고정 부재(140)는 전극 조립체(100)는 전극(110,120) 및 분리막(130)이 교대로 적층된 셀 적층체의 측면에 형성된 고정 부재(140)를 포함할 수 있다. 여기서 셀 적층체란, 본 실시예의 전극 조립체(100)에서 전극(110,120) 및 분리막(130)의 적층체를 의미하는 것으로, 고정 부재(140)를 포함하지 않을 수 있다. 또, 여기서 셀 적층체의 측면이란, 전극(110,120) 및 분리막(130)이 교대로 적층된 셀 적층체에서 다수의 전극(110,120) 및/또는 분리막(130)의 말단이 드러난 면을 지칭하는 것일 수 있다. 또한, 셀 적층체의 측면이란, 전극 조립체(100)의 제1 방향인 전장 방향(도 4의 Z축 방향 또는 도 4에서 길게 뻗어 있는 방향)을 따라 길게 뻗어 있는 셀 적층체의 일면을 가리킬 수 있다. 상기 제1 방향을 따라 측정되는 전극 조립체(100)의 길이(장변 길이)는, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 뻗어 있는 전극 조립체(100)의 길이(단변 길이)보다 클 수 있다.
전극 조립체(100) 제조 시 장변 방향 및/또는 단변 방향으로 분리막(130)의 크기는 전극(110,120)의 크기보다 크게 제공될 수 있고, 분리막(130)의 말단은 전극(110,120)의 말단을 넘어 돌출될 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체(100)의 일방향(도 4의 X축 방향 또는 도 4에서 옆으로 뻗는 방향)으로, 분리막(130)이 전극(100, 120)보다 긴 구조를 가짐으로써, 분리막(130)은 전극(110, 120)의 단부를 넘어 돌출되는 연장부(138)를 포함한다. 이때, 연장부(138)는 전극(110, 120)의 좌우측 중 하나에 형성되거나 서로 대향하도록 양쪽에 형성될 수도 있다.
또, 후술하겠지만, 전극 조립체(100)가 지그재그 적층을 통해 형성되는 경우, 분리막(130)의 절곡부는 전극(110,120)의 말단을 넘어 돌출될 수 있다. 여기서, 돌출된 분리막(130)의 말단 또는 분리막(130)의 절곡부는 ‘연장부(138)’로 지칭될 수 있다.
고정 부재(140)는 접착제를 도포함으로써 형성될 수 있다. 접착제는 전해액에 쉽게 용해되지 않는 성분을 포함할 수 있다. 고정 부재(140)에 사용되는 접착제의 일 예로는 PO, PUR, EVA, rubber 계열을 들 수 있다. 또, 다른 예로는 자연 경화, 습기 경화, UV경화 등이 가능한 경화성 접착제를 들 수 있다.
고정 부재(140)는 전극(110,120)과 접촉되지 않는 분리막(130)의 연장부(138)와 접촉함으로써, 분리막(130)의 형태를 고정하는 것일 수 있다. 분리막(130) 및 그와 인접한 적어도 하나의 다른 분리막(130)은 고정 부재(140)에 의해 서로 연결될 수 있다. 전극 조립체(100)의 복수의 또는 모든 분리막(130)은 적어도 하나의 고정 부재(140)를 사용하여 연결될 수 있다.
고정 부재(140)는 분리막(130)과 접촉할 수 있다. 이 때, 고정 부재(140)는 도 4와 같이 분리막(130) 사이에 형성됨으로써 분리막(130)의 연장부(138)와 그 위치가 대응되도록 형성될 수도 있고, 도 5와 같이 분리막(130)의 연장부(138) 외부까지 커버하도록 형성될 수도 있다. 이때, 고정 부재(140)는 분리막(130)의 연장부(138)와 동일 높이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 고정 부재(140)는 적층 방향으로 여러 레벨들에 걸쳐서 서로 결합할 수 있고, 이러한 결합은 분리막(130)의 최외각 부분 주변까지 확장된 고정 부재 부분(142)에 의해 이루어질 수 있다.
고정 부재(140)는 양극(110)과 접촉하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 양극(110)의 말단은 고정 부재(140)로부터 이격되어 있을 수 있다. 이는 고정 부재(140)가 양극(110)으로부터 음극(120)으로 이동하는 이온의 흐름을 방해하기 때문일 수 있다. 또한, 고정 부재(140)는 음극(120)과 접촉하지 않는 것이 바람직하나, 음극(120)은 직접적인 충전 영역이 아닌 바, 양극(110)과 고정 부재(140)가 접촉하는 것 보다는 그 영향이 적을 수 있다.
고정 부재(140)는 전극 조립체(100)의 모든 측면에 형성될 수도 있으나, 일부 측면에만 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 고정 부재(140)가 전극 조립체(100)의 측면에 모두 형성되는 경우, 전극(110,120)의 전해액 함침 또는 활성화 공정에서 전극 조립체(100)의 가스 방출이 고정 부재(140)에 의해 방해되기 때문일 수 있다.
도면들에 도시된 실시예들을 참고할 때, 길게 뻗어 있는 장변 방향으로 마주보는 면은 전면 또는 후면으로 지칭될 수 있다. 옆으로 뻗어 있는 단변 방향으로 마주보는 면은 좌측면 또는 우측면으로 지칭될 수 있다.
고정 부재(140)는 전극 조립체(100)의 일 측면을 모두 덮도록 형성될 수도 있고, 측면의 70 내지 80%를 덮도록 형성될 수도 있다. 특히, 적층 방향으로 상기 측면의 전체 높이를 커버할 수 있다. 여기서, 전극 조립체(100)의 측면은 적층을 통해 형성된 ‘높이’를 가질 수 있다. 또, 전극 조립체(100)의 측면은 장변 또는 단변의 길이와 대응되는 ‘폭’을 가질 수 있다. 이 때, 고정 부재(140)는 전극 조립체(100)의 측면의 폭을 70 내지 80%를 가리도록 형성될 수 있다. 고정 부재(140)가 전극 조립체(100)의 측면을 모두 가리지 않음으로써, 전극(110,120)의 전해액 함침 또는 활성화 공정에서 전극 조립체(100)의 가스 방출이 고정 부재(140)에 의해 방해되는 것이 방지될 수 있다.
접착부재(140)는 전극 조립체(100)의 측면 중 분리막(130)의 장변이 위치한 면에 형성될 수 있다. 고정 부재(140)는 분리막(130)의 장변 상에 형성될 수 있다. 이는 분리막(130)의 단변 보다 상대적으로 길이가 긴 장변에 접힘 현상 등이 더욱 빈번하게 발생하기 때문일 수 있다. 그러나 이러한 설명이 분리막(130)의 단변에 고정 부재(140)가 형성될 수 있음을 완전히 배제하는 것은 아니다.
도 6는 전극 조립체의 측면을 촬영한 사진이다. 도 7은 전극 조립체의 강성에 관한 테스트를 도시화한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 고정 부재(140)에 의해 분리막(130)의 끝단이 접히는 현상이 방지될 수 있고, 전극 조립체(100)의 강성이 보완될 수 있다.
구체적으로, 고정 부재(140)가 전극 조립체(100)의 측면에 형성됨으로써, 상술한 도 2의 A영역에서 나타나던 접힘 현상이 개선되는 것이 확인되었다. 또, 도 3에서 수행된 것과 동일한 테스트에서도 도 7에서는 전극 조립체(100)의 일부가 처지는 현상이 발생하지 않은 바, 고정 부재(140)에 의해 전극 조립체(100)에 요구되는 최소한의 강성이 확보된 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 전극 조립체(100)의 강성이 보완됨으로써, 외력이 가해질 때 전극 조립체(100)의 과도한 변형이 방지될 수 있을 것이다.
도 8은 전극 조립체에 접착제를 도포하는 장치 및 도포된 접착제의 일 예를 도시한 도면이다. 도 9는 전극 조립체에 접착제를 도포하는 장치 및 도포된 접착제의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 8, 도 10, 및 도 11을 참고하면, 본 실시예의 고정 부재(140)는 웹(web) 구조와 같은 네트워크 형태의 접착 물질 가닥들(144)로 형성될 수 있다. 상기 접착 물질 가닥들(144)은 복수의 노드들 또는 서로 교차하는 지점(146)들을 포함하고, 이러한 교차 지점(146)은 하나의 접착 물질 가닥(144)이 다른 접착 물질 가닥(144)과 교차하거나 서로를 가로지를 수 있다.
상기 웹 구조는 패턴 방식에 의해 구현될 수 있다. 패턴 방식은 하나 이상의, 예를 들어 4개의 프린팅 유닛을 사용하여 구현되고, 4개의 프린팅 유닛은 랜덤 또는 기설정된 패턴에 따라 고정 부재가 제공되는 측면에서 구동될 수 있다. 여기서, 패턴 방식이란, 표적 위치에 도포된 접착제(10)가 소정의 패턴을 가지도록 접착제를 도포하는 것을 의미할 수 있다. 도시된 패턴은 피그테일(pig tail) 패턴이지만, 다른 패턴도 마찬가지로 적용될 수 있다.
패턴 방식의 접착제 도포 장치(200)는 하우징(210) 및 노즐(220)을 포함하 할 수 있다. 접착제(10)는 장치(200)의 외부로부터 공급되어 하우징(210)에 수용될 수 있고, 노즐(220)을 통과한 접착제(10)는 선의 형태로 토출될 수 있다. 도포된 접착제(10)는 노즐(220)의 움직임에 따라 특정 패턴을 가질 수 있다. 일 예로, 도 8의 아래에는 접착제(10)가 나선형으로 도포됨으로써 다수의 원형이 겹쳐진 웹 구조 형상을 가지는 것이 도시되었다. 이러한 웹 구조 형상은 돼지 꼬리(pig tail) 형상 또는 돼지 꼬리 패턴으로 지칭될 수도 있다.
도 9을 참고하면, 본 실시예의 고정 부재(140)는 면도포 방식으로 형성될 수 있다. 여기서, 면도포 방식이란, 표적 위치에 접착제(10)가 빈틈없이 도포되도록 접착제를 밀도 높게 도포하는 것을 의미할 수 있다.
면도포 방식의 접착제 도포 장치(300)는 도 9의 아래 사진과 같이 접착제(10)가 표적 부분을 모두 덮도록 접착제(10)를 도포할 수 있다. 면도포 방식의 접착제 도포 장치(300)는 스프레이, 슬롯 또는 그 밖의 방법을 통해 접착제를 도포할 수 있다. 일 예로, 면도포 방식의 접착제 도포 장치(300)는 하우징(310), 노즐(320) 및 하우징(310) 내부로 접착제(10)가 공급되는 관(330) 및 상기 관(330)과 연결된 노즐(320)을 통해 접착제(10)가 분사될 때, 압축공기를 주입하는 에어관(340)을 포함할 수 있다.
한편, 도 9의 면도포 방식의 접착제 도포 장치(300)는 압축 공기등을 이용하므로 접착제(10) 분사 시 접착제(10)가 흩날리는 비산 현상이 발생할 우려가 있다. 또한, 고정 부재(140)의 두께를 두껍게 형성하고자 하는 경우, 고정 부재(140)의 균일성이 떨어지는 단점이 있다.
반면, 도 8의 접착제 도포 장치(200)는 선의 형태로 접착제(10)를 토출하므로 에어 등에 의한 접착제 비산 현상이 최소화될 수 있고, 장치의 오염이 최소화될 수 있다. 또, 도 8의 장치(200)는 선 사이의 간격을 조절함으로써 고정 부재(140)의 밀도 및 두께를 비교적 자유롭게 조절할 수도 있다. 도 8의 장치(200)는 일정한 패턴으로 접착제(10)를 도포함으로, 고정 부재(140)의 두께를 두껍게 형성하고자 하는 경우에도 도 9의 접착제 도포 장치(300) 보다 균일하게 접착제(10)를 도포할 수 있다.
도 8의 장치(200)는 도 9의 장치(300) 보다 고정 부재(140)의 두께를 최소화할 수 있다. 구체적으로, 도 8의 장치(200)를 통해 형성되는 고정 부재(140)의 두께는 약 100 um 이상인데 반해, 도 9의 장치(300)를 통해 형성되는 고정 부재(140)의 두께는 약 200 um 이상일 수 있다. 이는 상술한 것과 같이 도 8의 장치(200)가 선의 형태로 접착제(10)를 도포하기 때문일 수 있다.
전극 조립체(100)에 형성되는 고정 부재(140)의 두께는 설계에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(140)의 두께는 전지셀 내부의 전극 조립체(100)와 전지케이스 사이의 이격 공간의 크기를 고려하여, 그 이하로 설계될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 고정 부재(140)이 형성되지 않은 상태에서 전극 조립체(100)가 전지케이스에 내장될 때, 전극 조립체(100)와 전지케이스와의 이격 거리는 600 um 내외일 수 있다. 이러한 경우, 전극 조립체(100)에 형성되는 고정 부재(140)의 두께는 600 um 이하, 500 um 이하, 400 um 이하, 300 um 이하, 200 um 이하일 수 있다. 또, 전극 조립체(100)에 형성되는 고정 부재(140)의 두께는 100 내지 600 um, 100 내지 500 um, 100 내지 400 um, 100 내지 300 um, 또는 100 내지 200 um일 수 있다. 이 때, 고정 부재(140)은 도 8의 장치(200)에 의해 선이 반복 적층됨으로써 형성될 수 있다.
접착제 도포 장치를 통해 제공되는 접착제(10)는 소정의 온도를 가질 수 있다. 이는 접착제(10)가 용이하게 도포되도록, 접착제 도포 장치가 접착제(10)의 온도를 조절하기 때문일 수 있다. 도 8의 장치(200)의 동작 온도는 110℃ 이고, 장치(200)로부터 토출되는 접착제(10)의 온도는 40℃ 내지 50℃ 수준일 수 있다. 도 9의 장치(300)의 동작 온도는 160℃ 이고, 장치(200)로부터 토출되는 접착제(10)의 온도는 60℃ 내지 70℃ 수준일 수 있다. 접착제(10)의 온도가 높으면 분리막(130)이 수축될 가능성이 높으므로, 도 9의 장치(300) 보다는 도 8의 장치(200)가 본 실시예의 고정 부재(140) 형성에 사용되는 것이 바람직할 수 있을 것이다.
도 10는 도 8 및 도 9의 장치를 이용하여 도포된 접착제를 비교한 사진이다. 도 11은 도 10의 B영역을 확대한 사진이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 도 8 및 도 9의 장치에 따른 접착제의 도포 형상을 비교할 수 있다. 해당 형상은 전극 조립체(100)의 측면에 도포된 고정 부재(140)의 형상일 수 있다.
도 10(a)은 패턴 방식에 의한 것으로, 도 8의 장치(200)에 의해 형성된 것일 수 있다. 도 10(a)에서는 선 형상으로 토출된 접착제(10)가 반복되고, 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이 선 형상이 나선형 또는 원형으로 반복됨으로 패턴을 형성한다. 패턴 방식에 의해 형성된 고정 부재(140)은 적어도 두 개의 선이 교차되는 패턴을 가질 수 있다. 특히, 일부가 교차하는 라인 섹션을 구성하는 하나 이상의 가닥에 의해 형성된 구조, 특히 평면 구조는 일반적으로 웹 구조로 지칭될 수 있다. 상기 웹 구조는 2개 이상의 라인 섹션으로 형성된 적어도 하나의 교차점을 포함할 수 있다.
패턴 방식에 의해 형성된 고정 부재(140)은 다수의 개구를 포함할 수 있다. 패턴 방식에 의한 접착제(10)의 선폭은 20 내지 100 um 일 수 있고, 선 사이의 간격은 100 내지 800 um일 수 있다.
도 11을 참조하면, 고정 부재(140)이 돼지 꼬리 패턴을 가지는 것이 보다 명확하게 확인되었다. 사진으로부터 측정된 제1 선폭(d1)은 50 um, 제1 선 간격(w1)은 600 um로 확인되었다.
반면, 도 10(b)는 면도포 방식에 의한 것으로, 도 9의 장치(300)에 의해 형성된 것일 수 있다. 도 10(b)는 접착제(10) 사이의 간격이 없고, 하나의 면을 이루도록 도포되어 있다. 도 10(b)에서는 도 10(a)와 달리 적어도 두 개의 선이 교차됨으로써 형성되는 패턴이 발견되지 않았으며, 고정 부재(140)에 개구가 형성되지 않음이 확인되었다.
한편, 본 실시예의 고정 부재(140)는 전극 조립체(100)의 측면에 형성되므로, 고정 부재(140)이 전극 조립체(100)의 측면을 통해 흡수되는 전해액과 전극(110,120)이 접촉하는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 고정 부재(140)은 전해액의 흡수 저하가 최소화하는 방식으로 형성되어야 할 수 있다.
도 12는 도 8 및 도 9의 공정이 적용된 전극 조립체의 젖음성에 관한 테스트를 촬영한 사진이다. 구체적으로, 도 12은 도 8 및 도 9의 공정을 통해 형성된 고정 부재(140)를 가지는 전극 조립체(100)를 전해액에 함침시킨 후 분해한 것이다. 사진을 통해 전극(110,120)에서 전해액이 흡수되지 않은 부분은 논-웻팅(non-wetting) 영역(20)으로 확인될 수 있고, 이에 기초하여 전해액에 대한 전극(110,120)의 젖음성이 고정 부재(140)에 의해 저하되는지 여부를 확인할 수 있다. 여기서, 논-웻팅 영역(20)이 작을 수록 전극(110,120)과 전해액과의 접촉이 충분했음을 의미할 수 있다.
도 12을 참조하면, 도 8의 패턴 방식이 적용된 도 12(a)의 전극(110,120)은 도 9의 면도포 방식이 적용된 도 12(b)의 전극(110,120) 보다 논-웻팅(non-wetting) 영역(20)이 작게 형성된 것을 확인할 수 있다. 다시 말해서, 도 8에 의해 형성된 고정 부재(140)가, 도 9에 의해 형성된 고정 부재(140) 보다 전해액의 흡수를 방해하지 않을 수 있다.
도 8의 패턴 도포 방식은 다수의 선이 교차된 패턴을 가지므로, 고정 부재(140) 내에 다수의 개구를 포함하도록 형성될 수 있다. 전극 조립체(100)가 전해액에 함침되면, 개구를 통해 전해액이 전극 조립체(100) 내부로 흡수될 수 있으므로, 패턴 도포 방식에 의한 고정 부재(140)는 면도포 방식에 의한 고정 부재(140) 보다 전해액의 침투 저하가 최소화될 수 있다.
전해액이 전극(110,120)에 잘 흡수되지 않으면, 전극 조립체(100)의 출력 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 도 9의 면도포 방식에 의해 고정 부재(140)을 형성하는 경우에도, 전극 조립체(100)의 측면에 고정 부재(140)를 부분적으로 형성함으로써 전해액의 흡수율을 높일 수도 있다. 그러나 이처럼 고정 부재(140)를 부분적으로 형성하는 경우에는 도 3에 도시된 것과 같이 전극 조립체(100)의 강성이 저하될 수 있으므로, 고정 부재(140)의 도포 위치 및 도포 수준이 보다 까다롭게 설계되어야 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 관하여 설명한다.
설명에 앞서, 본 실시예의 전극 조립체는 셀 적층체의 형상이 다른 것 외에는 상술한 전극 조립체의 내용과 동일함을 밝혀 둔다. 따라서, 별도의 언급이 없더라도 본 실시예에 따른 전극 조립체는 상술한 도 4 내지 도 12의 전극 조립체에 관한 내용을 모두 포함하는 것으로 설명될 수 있을 것이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 실시예의 전극 조립체(100)는 양극(110)/분리막(130)/음극(120)이 교대로 적층된 셀 적층체 및 셀 적층체의 측면을 감싸는 마감 분리막(132,134)를 포함할 수 있다. 여기서 분리막(130)은 장방형의 분리막 시트가 절곡됨으로써 형성된 지그재그 형태를 가지고, 지그재그로 절곡된 분리막(130)은 양극(110) 및 음극(120) 사이에 개재될 수 있다. 지그재그 적층이 완료된 후 분리막(130)은 마감 분리막(132,134)을 통해 셀 적층체의 측면을 적어도 한번 이상 감쌀 수 있고, 이에 의해 셀 적층체의 측면이 마감될 수 있다. 이 때, 도 13 및 도 14에 표시된 양극(110)과 음극(120)의 위치는 편의에 따라 도시한 것으로써, 그 위치는 상호 변경될 수 있다.
셀 적층체의 측면에는 고정 부재(140)가 형성될 수 있다. 고정 부재(140)는 분리막(130)의 연장부(138)와 접촉하고, 연장부(138)를 연결함으로써 분리막(130)의 형태를 고정할 수 있다. 고정 부재(140)는 분리막(130)의 절곡된 부분, 즉 분리막(130)의 절곡부(138B)를 연결함으로써, 분리막(130)의 전체적인 형태를 고정할 수 있다. 고정 부재(140)에 의해 분리막(130)을 비롯한 셀 적층체의 전체적인 형상이 고정되고, 최소한의 강성이 보장될 수 있다.
고정 부재(140)는 상술한 것과 같이 셀 적층체의 모든 측면에 형성될 수 있으나, 도 13 및 도 14와 같이 절곡된 분리막(130)이 위치하는 양 측면에 형성될 수 있다. 또, 도 13 및 도 14와 달리 셀 적층체의 다른 측면에 형성되는 것도 가능할 수 있다. 그러나, 전극(110,120)의 전해액 함침 또는 활성화 공정에서 전극 조립체(100)의 가스 방출이 고정 부재(140)에 의해 방해될 수 있으므로, 고정 부재(140)의 위치는 적절히 설계될 필요가 있으며, 셀 적층체의 모든 측면을 가리도록 형성되는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 또, 고정 부재(140)는 전극 조립체(100)의 일 측면을 모두 덮도록 형성될 수도 있고, 측면의 70 내지 80%를 덮도록 형성될 수도 있다.
셀 적층체에 고정 부재(140)가 형성된 후, 고정 부재(140)의 외측으로 마감 분리막(132,134)이 형성될 수 있다. 마감 분리막(132,134)은 고정 부재(140)가 형성된 셀 적층체의 측면을 감쌀 수 있다. 이 때, 마감 분리막(132)은 도 13과 같이 셀 적층체의 둘레를 전체적으로 한 바퀴 둘러쌈으로써 셀 적층체의 측면을 한번 감싼 다음 마감될 수 있다. 또, 마감 분리막(132,134)은 도 14와 같이 셀 적층체의 둘레를 두 바뀌 이상 둘러쌈으로써 셀 적층체의 측면을 두번 이상 감싼 다음 마감 처리될 수도 있다.
한편, 전극 조립체(100)에서 마감 분리막(132,134)를 형성하지 않고서도, 셀 적층체의 측면은 열융착 도는 접착테이프와 같은 접착수단을 붙여서 마무리될 수 있으며, 마감되는 방법은 상술한 바와 같은 실시예 외에도, 얼마든지 다양하게 변경하여 실시될 수 있을 것이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법에 관하여 설명한다.
본 실시예의 전극 조립체의 제조 방법(S1000)은, 전극(110,120) 및 분리막(130)이 교대로 적층된 셀 적층체를 형성하는 단계(S1100),셀 적층체의 측면에 접착제(10)를 도포하는 단계(S1200) 및 상기 분리막(130)을 고정하는 고정 부재(140)를 형성하는 단계(S1300)를 포함할 수 있다.
여기서, 셀 적층체를 형성하는 단계(S1100)는 양극(110), 분리막(130), 음극(120), 분리막(130)의 순서 또는 음극(120), 분리막(130), 양극(110), 분리막(130)의 순서로 전극 및 분리막을 적층하는 것이라면 공지된 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다. 예를 들어, 셀 적층체는 도 4 및 도 5와 같이 스택형으로 제조될 수도 있고, 도 13 및 도 14와 같이 지그재그 형태로 제조될 수도 있다.
여기서, 셀 적층체의 측면에 접착제를 도포하는 단계(S1200)에는, 도 8의 장치(200)가 사용될 수도 있고, 도 9의 도포 장치(300)가 사용될 수 있다. 도 8의 장치(200)를 사용하는 경우, 상기 단계(S1200)는 접착제(10)의 도포 패턴을 결정하는 단계, 및/또는 상기 결정된 패턴으로 노즐(220)을 이동시킴으로써 접착제를 패턴 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 접착제(10)의 도포 패턴을 결정하는 단계는 셀 적층체를 형성하는 단계(S1100) 이전에 수행될 수도 있다.
접착제(10)는 점성이 있는 상태로 도포되므로, 접착제 내의 용매 또는 수분을 제거함으로써 접착제(10)의 형태가 고정되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 고정 부재(140)를 형성하는 단계(S1300)는, 접착제(10)를 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 또, 접착제(10) 고유에 성질에 따라 접착제(10)가 열경화 또는 UV경화에 의해 고체화될 수도 있고, 이러한 경우에 고정 부재(140)를 형성하는 단계(S1300)는 접착제(10)를 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예가 도 13 및 도 14에서 도시된 지그재그형 전극 조립체(100)의 제조 방법인 경우, 상술한 제조 방법은 셀 적층체의 측면을 마감 처리하는 단계(S1400)를 더 포함할 수 있다. 본 단계를 통해 셀 적층체의 측면에는 마감 분리막(132,134)이 형성될 수 있다. 마감 분리막(132,134)은 셀 적층체의 측면을 적어도 한번 이상 감싼 다음 마감 처리될 수 있다. 마감 분리막(132,134)은 도 13과 같이 셀 적층체의 측면을 한번 감쌀 수도 있고, 도 14와 같이 셀 적층체의 측면을 두 번 이상 감쌀 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100) 제조 방법은, 마감 분리막(132, 134) 형성 후에, 셀 적층체의 측면을 향하는 일방향(X축 방향)을 따라 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 단계가 추가되면, 마감 분리막(132, 134)과 고정 부재(140)가 서로 접착하게 되어 전극 조립체의 전체적인 강성(stiffness)이 더 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 마감 분리막(132, 134)이 전극 조립체를 더 강하게 감는 효과도 있다. 이에 따라, 전지셀이 휘어지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 실시예의 전극 조립체(100)는 전해액과 함께 셀 케이스 내에 수납되어 전지셀로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀은 다수개의 전극 및 다수개의 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체(100), 다수개의 전극으로부터 연장되는 전극 탭과 연결된 전극 리드 및 전극 리드의 일단이 돌출된 상태로 전극 조립체를 밀봉하는 셀 케이스를 포함할 수 있다.
또 한편, 상술한 전지셀은, 일 방향으로 적층되어 전지셀 적층체를 형성할 수 있으며, 전지 모듈로 모듈화 되어 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등과 함께 전지 팩을 형성할 수 있다. 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 전극 조립체
110: 양극
120: 음극
130: 분리막
132, 134: 마감 분리막
138: 연장부
140: 고정 부재
144: 접착 물질 가닥
146: 교차 지점
200, 300: 도포 장치
210, 310: 하우징
220, 320: 노즐
340: 에어관

Claims (16)

  1. 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체에 있어서,
    상기 전극 조립체의 일방향으로, 상기 분리막은 상기 전극보다 긴 구조를 가짐으로써 상기 분리막은 상기 전극의 단부를 넘어 돌출되는 연장부를 포함하고,
    상기 전극 조립체에 포함되는 복수의 분리막 중에서, 상기 전극과 상기 분리막이 적층되는 방향을 따라 서로 이웃하는 상기 분리막의 연장부들 사이를 고정하기 위한 고정 부재가 형성되는 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 고정 부재는 복수의 라인 섹션을 구성하는 적어도 하나의 선을 포함하는 웹 구조를 가지고,
    상기 웹 구조는 2개 이상의 라인 섹션으로 형성된 적어도 하나의 교차점을 포함하는 전극 조립체.
  3. 제2항에서,
    상기 웹 구조의 가닥의 선폭은 20 내지 100 um인 전극 조립체.
  4. 제2항에서,
    상기 웹 구조의 서로 이웃하는 가닥들의 간격은 100 내지 800 um인 전극 조립체.
  5. 제1항에서,
    상기 고정 부재는 다수의 개구를 가지는 패턴 형상을 포함하는 전극 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 전극 조립체는 상기 전극과 상기 분리막이 적층되는 방향(Y 방향)에서 정의되는 측면을 갖고,
    상기 고정 부재는 상기 적층 방향(Y 방향)을 따라 부분적으로 접착제를 도포하여 형성되는 전극 조립체.
  7. 제6항에서,
    상기 전극의 일단부에서 돌출되어 있는 전극 탭을 더 포함하고,
    상기 전극 탭이 돌출되는 방향은 전장 방향과 동일한 전극 조립체.
  8. 제1항에서,
    상기 분리막은 장방형의 시트가 절곡됨으로써 형성된 지그재그 형태를 가지는 전극 조립체.
  9. 제8항에서,
    상기 고정 부재의 외측에는 마감 분리막이 위치하는 전극 조립체.
  10. 제1항에서,
    상기 분리막은 서로 마주보는 장변 및 서로 마주보는 단변을 가지고,
    상기 고정 부재는 상기 분리막의 장변 상에 형성되는 전극 조립체.
  11. 제1항에서,
    상기 고정 부재는 상기 전극 조립체의 일 측면의 70 내지 80%를 커버하도록 형성되는 전극 조립체.
  12. 제1항에서,
    상기 전극은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 양극의 말단은 상기 고정 부재로부터 이격되어 있는 전극 조립체.
  13. 제1항에서,
    상기 고정 부재의 두께는 100 내지 600 um인 전극 조립체.
  14. 제1항에서,
    상기 고정 부재는 상기 분리막의 연장부를 덮고, 상기 고정 부재는 상기 분리막의 연장부와 동일 높이에 배치되는 전극 조립체.
  15. 제1항에서,
    상기 고정부재는 접착제를 포함하는 전극 조립체.
  16. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전지셀.
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