WO2023075326A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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WO2023075326A1
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cell
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조규만
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and a secondary battery including the same, and more particularly, lithium generated by an electrode sliding phenomenon by changing an outer separator of a half cell located at the outermost part of the electrode assembly to a specific shape and material.
  • An electrode assembly that can solve the precipitation problem, the problem that the outer separator of the half cell is easily folded and torn to expose the electrode, and the problem that it is difficult to check whether the electrode is damaged due to the opaque outer separator of the half cell, and an electrode assembly including the same It's about secondary batteries.
  • secondary batteries having high energy density, discharge voltage, and excellent output stability.
  • secondary batteries include lithium secondary batteries such as lithium-sulfur batteries, lithium ion batteries, and lithium ion polymer batteries.
  • the secondary battery as described above can be classified into a cylindrical shape, a prismatic shape, a pouch type, etc. according to its shape, and among them, interest and demand for pouch type battery cells are gradually increasing.
  • Pouch-type battery cells can be stacked with a high degree of integration, have high energy density per weight, are inexpensive, and are easy to transform. Therefore, the pouch-type battery cell can be manufactured in a shape and size applicable to various mobile devices and automobiles.
  • electrode assemblies including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are stacked and accommodated in a battery case.
  • the electrode assembly accommodated in the battery case is specifically, a jelly-roll type (or winding type) wound with a separator interposed between a sheet-type positive electrode and a negative electrode coated with an active material, a plurality of positive electrodes and negative electrodes It can be classified into a stack type in which cells are sequentially stacked with a separator interposed therebetween, and a stack/folding type in which stack type unit cells are wound with a long separator.
  • the stack-type electrode assembly attaches an electrode cut with strong heat and pressure through a lamination process to a separator to produce a mono cell, sequentially laminates them, and finally puts the half on top. It is being manufactured through a process of providing a cell (half cell). In addition, a process of attaching a tape at regular intervals may also be performed to fix the stacked monocells and half-cells as one unit.
  • the outer separator of the half cell located at the outermost part of the electrode assembly takes a lot of equipment and human hands and is easily folded even with stiffness such as cloth, and is torn when scratched on a hard or pointed part, thereby exposing the electrode occurs.
  • the outer separator of the half cell is opaque (that is, it does not transmit light), it is difficult to determine whether or not the electrode is damaged.
  • the outer separator of the half cell located at the outermost part of the electrode assembly has (1) tensile strength that is not folded and not easily torn, (2) transmits light well, (3) is easy to supply and price competitive (4) does not react chemically when electrolyte penetrates, (5) has excellent thermal stability enough to withstand high temperatures during charging, and (6) is light in weight and does not harm capacity per weight competitiveness. You also need to change.
  • an object of the present invention is to change the outer separator of the half cell located at the outermost part of the electrode assembly to a specific shape and material, so that the lithium precipitation problem caused by the electrode sliding phenomenon, the outer separator of the half cell is easily folded It is to provide an electrode assembly and a secondary battery including the same, which can solve the problem of the electrode being torn and the outer separator of the half cell being opaque, making it difficult to check whether the electrode is damaged.
  • a mono cell formed by sequentially stacking a unit cell in which a separator and a cathode are stacked, and a unit cell in which a separator and a cathode are stacked; A half cell in which a separator, a cathode or anode, and a pressure plate are stacked; And a lapping member in which the mono-cell and the half-cell are laminated and then wound and fixed in the full width direction, wherein the half-cell is laminated so that the separator is positioned on the upper surface of the cathode or anode exposed to the outside of the mono-cell , Different electrodes are positioned on the boundary of the separator, and the pressing plate of the half cell provides an electrode assembly including an inclined portion inclined in an electrode direction at both ends of the electrode facing portion in the electric field direction.
  • the present invention the electrode assembly; and a storage case accommodating the electrode assembly.
  • the half cell by changing the outer separator of the half cell located at the outermost part of the electrode assembly to a specific shape and material, the lithium precipitation problem caused by the electrode sliding phenomenon, the half cell It has the advantage of being able to solve the problem that the outer separator of the cell is easily folded and torn to expose the electrode and the problem that it is difficult to check whether the electrode is damaged due to the opaque outer separator of the half cell.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing an electrode sliding phenomenon appearing in a conventional stacked electrode assembly.
  • FIG. 2 is a schematic side view showing that the area in contact with the separator varies according to the difference in the sliding degree of one end of the positive electrode active material and the negative electrode active material in one monocell.
  • FIG 3 is a schematic side view showing a state in which one end of a positive electrode active material and a negative electrode active material slides in one monocell and the negative electrode active material and the separator are separated from each other.
  • FIG. 4 is a schematic view of a conventional stacked electrode assembly in which the negative electrode active material is designed to be longer than the positive electrode active material.
  • FIG. 5 is a schematic side view showing a problem in that the contact area between the cathode active material and the separator is wider than the contact area between the cathode active material and the separator, even though the anode active material is designed to be longer than the cathode active material.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a conventional stacked electrode assembly is fixed and compressed with a tape.
  • FIG. 7 is a schematic side view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a schematic side view of a pressure plate provided at an outermost part of a half cell of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing an electrode sliding phenomenon appearing in a conventional stacked electrode assembly.
  • an electrode in a viscous liquid state is disposed on one side of a metal current collector (eg, an anode may be aluminum and a cathode may be copper, 10).
  • the active material 20 is applied, and at this time, at both ends of the electrode active material 20 (in the direction in which the tab is located), an inclined portion having a length of several to several tens of mm due to surface tension or heat unevenness during the process ( S) is formed, which is referred to as an electrode sliding phenomenon.
  • FIG. 2 is a schematic side view showing that the area in contact with the separator varies according to the difference in the degree of sliding of one end of the positive electrode active material and the negative electrode active material in one monocell. 50) corresponds to a case where the contact area is larger than the contact area between the positive active material 40 and the separator 50, and in b of FIG. 2, the contact area between the positive active material 40 and the separator 50 is the negative active material This corresponds to a case where the contact area of (30) and the separator 50 is wider than the contact area (vertical lines in the active materials 30 and 40 indicate the starting point of the inclination).
  • a sliding phenomenon occurs. At this time, as shown in b of FIG.
  • the contact area between the negative electrode active material 30 and the separator 50 is ) is smaller than the contact area, lithium inevitably precipitates as much as the narrowed area. Therefore, it is necessary to make the contact area between the negative active material 30 and the separator 50 wider than the contact area between the positive active material 40 and the separator 50 .
  • FIG. 3 is a schematic side view showing a state in which one end of a positive electrode active material and a negative electrode active material slides in one monocell and the negative electrode active material and the separator are separated from each other.
  • the difference in contact area between the active material and the separator causes lithium precipitation. Therefore, there should be no empty space (gap, G) between the negative electrode active material 30 and the separator 50 .
  • FIG. 4 is a schematic view of a conventional stacked electrode assembly in which the negative electrode active material is designed to be longer than the positive electrode active material. Due to the above reasons, as shown in FIG. 4 in the art, the contact area between the negative active material 30 and the separator 50 is larger than the contact area between the positive active material 40 and the separator 50. In addition, the electrolyte is injected so that there is no empty space between the negative active material 30 and the separator 50 and between the positive active material 40 and the separator 50, and then press to prepare a stacked electrode assembly are doing
  • FIG. 5 is a schematic side view showing a problem in that the contact area between the cathode active material and the separator is wider than the contact area between the cathode active material and the separator, even though the anode active material is designed to be longer than the cathode active material.
  • the contact area between the negative electrode active material 30 and the separator 50 is larger than the contact area between the positive electrode active material 40 and the separator 50, and also, the negative electrode active material 30 and the separator 50 ) and between the cathode active material 40 and the separator 50, the electrolyte is injected so that there is no empty space, and then the stacked electrode assembly is manufactured by pressing.
  • the contact area between the positive electrode active material 40 and the separator 50 is wider than the contact area between the negative electrode active material 30 and the separator 50. Occurs. That is, even if the anode active material 30 is designed to be longer than the cathode active material 40, since the slope of the anode active material 30 formed during sliding is more gentle than the slope of the cathode active material 40, the anode active material 30 and the separator The contact area of (50) is narrower than the contact area between the cathode active material 40 and the separator 50. In addition, such a problem is difficult to solve even when compressed as shown in FIG. 5 .
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a conventional stacked electrode assembly is fixed and compressed with a tape.
  • the above problem that is, even if the negative active material 30 is designed to be longer than the positive active material 40, the contact area between the negative active material 30 and the separator 50 is 50) to solve the problem of being narrower than the contact area, as shown in FIG. 6, in addition to compression, a method of fixing and compressing the electrode assembly (half cell + mono cell) with a tape (halogen free, 60) is used. are doing However, due to the structure of the stacked electrode assembly, it is difficult to attach the tape to both ends of the electrode sliding, and as shown in FIG.
  • the tape is attached only to the center and the periphery of the electrode assembly (eg, excluding both ends of the electrode assembly). and attach 3 to 5 tapes with a width of 20 to 30 mm). Therefore, both ends of the electrode assembly on which the inclined portion is formed due to the electrode sliding phenomenon do not receive any force due to the tape, and eventually, even in this case, an explosion or fire accident due to lithium precipitation may occur.
  • the present applicant makes sure that there is no or minimized empty space both between the negative electrode active material and the separator and between the positive electrode active material and the separator, and also, even if the electrode assembly is fixed and compressed with a wrapping member, the negative electrode active material and the separator come into contact.
  • a stacked electrode assembly with a larger contact area than the contact area between the cathode active material and the separator was developed.
  • FIG. 7 is a schematic side view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a schematic side view of a pressure plate provided at the outermost part of a half cell of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention. 7 and 8, the electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention,
  • a monocell 120 formed by sequentially stacking a unit cell in which a separator and a cathode 112 are stacked and a unit cell in which a separator 114 and an anode 116 are stacked are sequentially stacked, a separator 134b, a cathode or anode 132, and a half cell 130 in which a pressing plate 134a is stacked, and a lapping member 150 in which the mono cell 120 and the half cell 130 are stacked, and then wound and fixed in the full width direction.
  • the half-cell 130 is stacked so that the separator 134b is located on the upper surface of the cathode or anode exposed to the outside of the mono-cell 120, and different electrodes are positioned across the separator 134b, and the half-cell 130
  • the pressure plate 134a of the cell 130 is characterized in that electrode facing portions at both ends in the electric field direction include inclined portions P inclined in the direction of the electrodes.
  • the greatest feature of the present invention is the shape of the press plate 134a provided on the outermost part of the half cell 130 of the electrode assembly 100. That is, as shown in FIGS. 7 and 8 , the surface facing the cathode 132 (ie, the electrode facing portion) of the pressing plate 134a located at the outermost part of the half cell 130 is inclined toward the electrode. It has an inclined portion (P) and has a shape that gets closer to the electrode (cathode or anode, 132) toward both ends in the electric field direction, which is a sliding phenomenon that occurs when a viscous electrode active material is applied on a metal current collector. In other words, when applied on the metal current collector, the electrode 132 included in the half cell 130 and the pressure plate are formed through the inclined portion P formed at both ends of the electrode active material included in the electrode. This is to widen the contact area of (134a).
  • the contact area between the cathode 112 and the separator 114 is wider than the contact area between the cathode 116 and the separator 114 (Thus, the contact area between the negative electrode and the separator in the electrode assembly is larger than the contact area between the positive electrode and the separator).
  • the wrapping member 150 surrounds the outer circumferential surfaces of the monocell 120 and the half cell 130 together in their entire width direction and fixes and compresses them, the pressing plate included in the half cell 130 ( The inclined portions P at both ends of 134a) are in close contact with the electrode 132. And, at the same time, both ends of the separator 134b included in the half cell 130 and both ends of the electrode and the separator included in the mono cell 120 are pulled downward together, and each unit mono In the cell 110, the contact area between the negative electrode 112 and the separator 114 is larger than the contact area between the positive electrode 116 and the separator 114. That is, in each unit monocell 110, both ends of the separator 114 facing the inclined portion of both ends of the negative electrode active material included in the negative electrode 112 match.
  • the slopes at both ends of the negative electrode active material included in the negative electrode 112 of the unit monocell 110 correspond to both ends of the separator 114 facing upward, and the positive electrode of the unit monocell 110 ( 116), the inclined portions at both ends of the positive electrode active material do not match both ends of the separator 114 facing downward. Due to this reason, the contact area between the negative electrode 112 and the separator 114 in each unit monocell 110 is larger than the contact area between the positive electrode 116 and the separator 114. At this time, it is also natural that there is no or minimized empty space both between the cathode and the separator and between the anode and the separator in the electrode assembly.
  • the separator positioned to face the upper surface of the negative electrode 112 among the separators included in the mono cell 120 also has a negative electrode 112, similar to the pressure plate 134a included in the half cell 130.
  • the surface opposite to may have a shape adjacent to the negative electrode 112 toward both ends in the electric field direction (ie, may be similar to that shown in FIG. 7). That is, it may have a thicker thickness than the central portion toward both ends (ie, may have an inclined portion).
  • each of both ends of the pressure plate 134a included in the half cell 130 takes a shape approaching the electrode 132 included in the half cell 130 as described above. Accordingly, both ends of the pressure plate 134a included in the half cell 130 inevitably have a thicker thickness than the center portion of the pressure plate 134a included in the half cell 130 .
  • the thickness of each of both ends of the pressure plate 134a included in the half cell 130 may be about 30 to 50 ⁇ m thicker than the thickness of the center (gradually thicker toward the end), which is about
  • the negative electrode can be in contact with the separator included in all unit monocells in a maximum area.
  • the pressing plate 134a should include inclined portions P inclined in the electrode direction at both ends of the pressing plate 134a facing the electrodes.
  • the pressure plate 134a may have a plate shape in which both ends in the electric field direction are bent in the electrode direction.
  • the bent portion of the pressure plate 134a may have a straight shape or a curved shape bent toward the electrode.
  • the pressure plate 134a has a flat plate shape as a basic structure, but may have a structure in which an inclined surface forming structure gradually thickens toward the end portion added to the electrode facing surface at both ends in the longitudinal direction. .
  • the inclined surface may be in the form of a straight line or a curved surface bent in the direction of the electrode.
  • the shape of the pressure plate 134a is not particularly limited as long as the thickness of both ends is thicker than the center, such as the surface facing the electrode may have a curved surface concavely bent in the entire length direction.
  • the pressure plate 134a may include polypropylene resin, and preferably may be made of only polypropylene resin.
  • the melting point of the pressure plate 134a including the polypropylene resin may be about 170 °C, and the specific gravity may be about 0.91 g/cm 3 .
  • the temperature of the heater rises to about 80 ° C.
  • the polypropylene resin having a high melting temperature of about 135 to 160 ° C is included in the press plate 134a as described above, the temperature of the heater increases. Even if it rises to the maximum value, there is also an advantage that the melting of the pressure plate 134a does not occur at all.
  • the outer separator (corresponding to the pressure plate of the present invention) of the half cell located at the outermost part of the electrode assembly is easily folded even with rigidity such as cloth, taking a lot of equipment and human hands, and is not scratched by hard or pointed parts.
  • a problem in that the electrode is exposed due to tearing occurs. And, these problems degrade the performance of the battery and cause a fire. Therefore, the present applicant focuses on the fact that the outer surface of the outer separator included in the half cell is irrelevant to the battery reaction, and instead of conventional general materials, the present applicant not only has stiffness (excellent flexural strength and hardness) but also is not deformed by the electrolyte.
  • the pressing plate 134a is made of a transparent polypropylene resin and a transparent adhesive (eg, epoxy adhesive) is used, the electrode 132 in the half cell 130 is damaged by an external impact. It is even possible to check the condition, such as being able to identify cracks.
  • the lapping member 150 surrounds the outer circumferential surfaces of the mono-cell 120 and the half-cell 130 together in the full width direction, so that both ends of the pressing plate 134a included in the half-cell 130 are stronger. It acts as a pulling force. Therefore, at least one wrapping member 150 should be located at each end of the electrode assembly 100 to surround the outer circumferential surfaces of the mono cell 120 and the half cell 130 . However, it may be desirable to surround the center of the electrode assembly 100 with the wrapping member 150 so that the contact area between the electrode and the separator can be wider. In addition, as long as the contact area between the electrode and the separator can be maximized, there is no particular limitation on the number of the wrapping members 150 to be installed.
  • an adhesive member to which an adhesive component is applied and a non-adhesive member to which it is not may be exemplified.
  • the adhesive member to which the adhesive component is applied the adhesive component may be separately applied to a tape or a member that does not break to an appropriate level even when tensile force is applied.
  • the non-adhesive member a member that does not break to an appropriate level even when tensile force is applied may be exemplified. In this case, since adhesion is impossible, it can be fixed through various methods such as tying both ends after surrounding the electrode assembly there is.
  • grooves capable of accommodating and holding the lapping member 150 may be formed in the entire width direction. This is for more stable fixation and compression, and the grooves (G) are located at least at both ends of the opposite side of the pressure plate (134a) provided at the outermost part of the half cell (130) that is not opposed to the electrode (132). One or more may be formed.
  • the groove portion (G) may be preferably formed to the center of the opposite side of the pressing plate 134a provided at the outermost part of the half cell 130 that does not face the negative electrode 132.
  • the number of the groove portion G for example, 2 to 5 as described above. dogs can be formed. According to the above, the lapping member 150 is characterized in that it is wound to be accommodated in the groove portion (G).
  • the width and depth of the groove part (G) can be variously set according to the width and depth of the lapping member 150, there is no particular limitation on the width and depth of the groove part (G).
  • the thickness of each of both ends of the pressure plate 134a included in the half cell 130 is about 30 to 50 ⁇ m thicker than the thickness of the center (extreme example, both ends of the pressure plate 134a When the thickness is 210 to 230 ⁇ m and the thickness of the central portion of the pressing plate 134a is 180 ⁇ m), it may be preferable to form the depth of the groove portion G to about 22 ⁇ m.
  • the secondary battery includes the electrode assembly of the present invention described above and a storage case accommodating the electrode assembly.
  • the use of the secondary battery is not particularly limited, but may be a vehicle battery.
  • the secondary battery may be any battery capable of accommodating an electrode assembly inside a storage case such as a pouch, but is preferably a lithium-based secondary battery.
  • As the lithium-based secondary battery all lithium-based secondary batteries having a lithium precipitation problem may be exemplified, and more specifically, a lithium ion battery may be exemplified.
  • the secondary battery of the present invention is a lithium ion battery, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.), lithium iron phosphate compound ( LiFePO 4 ) and lithium nickel cobalt manganese positive electrode active material (or lithium NCM positive electrode active material, or NCM based lithium composite transition metal oxide, or High Ni positive electrode material).
  • the positive electrode further includes a binder and a conductive material in addition to the positive electrode active material.
  • the binder is a component that assists in the bonding of the positive electrode material (positive electrode active material) and the conductive material and the bonding to the current collector, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer Polymer (PVdF/HFP), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl(meth)acrylate, polyethyl(meth)acrylate, polytetrafluoroethylene Roethylene (PTFE), polyvinylchloride, polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated At least one selected from the group
  • the binder is typically added in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the binder is less than 1 part by weight, the adhesion between the positive electrode material and the current collector may be insufficient, and if it exceeds 50 parts by weight, the adhesive strength is improved, but the content of the positive electrode material is reduced accordingly, and battery capacity may be lowered.
  • the conductive material included in the positive electrode is not particularly limited as long as it does not cause a side reaction in the internal environment of the battery and has excellent electrical conductivity without causing a chemical change in the battery.
  • graphite or conductive carbon can be used, for example, graphite, such as natural graphite and artificial graphite; carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, denka black, thermal black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; a carbon-based material whose crystal structure is graphene or graphite; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; fluorinated carbon; metal powders such as aluminum powder and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive oxides such as titanium oxide; And conductive polymers such as polyphenylene derivatives; may be used alone or in combination of two or more, but are not necessarily limited thereto.
  • the conductive material is typically added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the conductive material is too small, less than 0.5 parts by weight, it is difficult to expect the effect of improving the electrical conductivity or the electrochemical characteristics of the battery may be deteriorated. This can lead to lower capacity and energy density.
  • a method of including the conductive material in the cathode is not particularly limited, and a conventional method known in the art, such as coating the cathode material, may be used. Also, if necessary, the addition of the above-described conductive material may be substituted by adding a conductive second coating layer to the positive electrode material.
  • a filler may be optionally added to the positive electrode as a component that suppresses its expansion.
  • the filler is not particularly limited as long as it can suppress the expansion of the electrode without causing chemical change in the battery, and examples thereof include olefin-based polymers such as polyethylene and polypropylene; fibrous substances such as glass fibers and carbon fibers; etc. can be used.
  • a positive electrode may be manufactured by dispersing and mixing the positive electrode material, binder, and conductive material in a dispersion medium (solvent) to form a slurry, applying the slurry on a positive electrode current collector, and then drying and rolling.
  • a dispersion medium solvent
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • DMF dimethyl formamide
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • ethanol isopropanol
  • water and mixtures thereof
  • the positive current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), aluminum (Al ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) surface-treated on the surface of aluminum (Al) or stainless steel, etc. may be used, but is not necessarily limited thereto.
  • the shape of the positive electrode current collector may be in the form of a foil, film, sheet, punched one, porous body, foam or the like.
  • the negative electrode can be prepared according to a conventional method known in the art. For example, a slurry is prepared by dispersing and mixing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and, if necessary, a filler, etc. in a dispersion medium (solvent), and then applying the slurry on a negative electrode current collector, followed by drying and rolling to prepare a negative electrode. .
  • a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used as the anode active material.
  • carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and amorphous carbon
  • metallic compounds capable of being alloyed with lithium, such as Si, Al, Sn, Pb, Sb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloy, Sn alloy, or Al alloy
  • metal oxides capable of doping and undoping lithium, such as SiO ⁇ (0 ⁇ ⁇ ⁇ 2), SnO 2 , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide
  • a composite including the metallic compound and the carbonaceous material such as a Si—C composite or a Sn—C composite, and any one or a mixture of two or more of these may be used.
  • a metal lithium thin film may be used as the anode active material.
  • both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used. Soft carbon and hard carbon are typical examples of low crystalline carbon.
  • High crystalline carbon includes amorphous, platy, scale, spherical or fibrous natural graphite, artificial graphite, or kish graphite. graphite, pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch High-temperature calcined carbon such as derived cokes is representative.
  • the binder and the conductive material used in the negative electrode may be the same as those described in the positive electrode.
  • the anode current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), copper (Cu) ), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof , carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti), or silver (Ag) surface-treated on the surface of copper (Cu) or stainless steel, etc. may be used, but is not necessarily limited thereto.
  • the form of the negative electrode current collector may be in the form of a foil, film, sheet, punched one, porous body, foam or the like.
  • olefin polymers such as polyethylene and polypropylene, glass fibers, etc. are used as sheets, multilayers, microporous films, woven and nonwoven fabrics, etc. It can be used in the form of, but is not necessarily limited thereto. However, it may be preferable to apply a porous polyethylene or a porous glass fiber nonwoven fabric (glass filter) as a separator, and it may be more preferable to apply a porous glass filter (glass fiber nonwoven fabric) as a separator.
  • the solid electrolyte when a solid electrolyte such as a polymer (eg, organic solid electrolyte, inorganic solid electrolyte, etc.) is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator. Specifically, an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator may generally range from 0.01 to 10 ⁇ m, and the thickness may generally range from 5 to 300 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • carbonate, ester, ether, or ketone may be used alone or in combination of two or more, but is not necessarily limited thereto.
  • a lithium salt may be further added to the electrolyte and used (so-called non-aqueous electrolyte containing lithium salt), and the lithium salt is a known material that is easily dissolved in a non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4-phenyl borate lithium, lithium imide, and the like, but are not necessarily limited thereto.
  • LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 LiPF 6 , LiCF 3
  • non-aqueous electrolyte for the purpose of improving charge/discharge characteristics, flame retardancy, etc., for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, glyme-based compound, hexaphosphate triamide, nitrobenzene derivative , sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added.
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included to impart incombustibility, and carbon dioxide gas may be further included to improve high-temperature storage properties.
  • the secondary battery may be manufactured according to a conventional method in the art. For example, it can be prepared by inserting a porous separator between an anode and a cathode and injecting a non-aqueous electrolyte.
  • the lithium secondary battery according to the present invention is applied to a battery cell used as a power source for a small device, and can be particularly suitably used as a unit cell of a battery module that is a power source for a medium or large device.
  • the present invention also provides a battery module including two or more secondary batteries electrically connected (serial or parallel).
  • the number of secondary batteries included in the battery module may be variously adjusted in consideration of the use and capacity of the battery module.
  • the present invention provides a battery pack in which the battery modules are electrically connected according to conventional techniques in the art.
  • the battery module and battery pack may include a power tool; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); electric truck; electric commercial vehicles; Alternatively, it can be used as a power supply for one or more medium or large sized devices among power storage systems, but is not necessarily limited thereto.

Abstract

전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막을 특정 형태 및 소재로 변경함으로써, 전극 슬라이딩 현상에 의해 발생하는 리튬 석출 문제, 하프셀의 외측 분리막이 쉽게 접히고 찢어져 전극이 노출되는 문제 및 하프셀의 외측 분리막이 불투명하여 전극의 손상 여부를 확인하기 어려운 문제를 복합적으로 해소할 수 있는, 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지가 개시된다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지
본 출원은 2021년 10월 27일자 한국 특허 출원 제10-2021-0144435호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막을 특정 형태 및 소재로 변경함으로써, 전극 슬라이딩 현상에 의해 발생하는 리튬 석출 문제, 하프셀의 외측 분리막이 쉽게 접히고 찢어져 전극이 노출되는 문제 및 하프셀의 외측 분리막이 불투명하여 전극의 손상 여부를 확인하기 어려운 문제를 복합적으로 해소할 수 있는, 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기 및 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 높은 에너지 밀도와 방전 전압 및 우수한 출력 안정성을 가지는 이차전지에 대해 보다 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지로는 리튬-황 전지, 리튬이온 전지 및 리튬이온 폴리머 전지 등의 리튬 이차전지 등을 예시할 수 있다. 아울러, 상기와 같은 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있으며, 그 중 파우치형 전지셀에 대한 관심 및 수요가 점진적으로 높아지고 있다. 파우치형 전지셀은 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 또한 저렴하고 변형이 용이하다. 따라서, 파우치형 전지셀은 다양한 모바일 기기 및 자동차에 적용 가능한 형태 및 크기로 제작될 수 있다.
통상의 이차전지는 양극, 음극 및 양극과 음극의 사이에 개재(介在)되는 분리막을 포함하는 전극 조립체가 적층되어 전지 케이스에 수용된다. 이와 같이, 전지 케이스에 수용되는 전극 조립체는 구체적으로, 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형(Jelly-roll type, 또는 권취형), 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층시키는 스택형, 그리고, 스택형의 단위 셀들을 길이가 긴 분리막으로 권취하는 스택/폴딩형 등으로 분류할 수 있다.
이 중, 스택형의 전극 조립체는, 라미네이션 공정을 통해 강한 열과 압력으로 커팅(cutting)된 전극을 분리막에 부착하여 모노셀(mono cell)을 제작하고, 이를 순차적으로 적층시킨 후 마지막으로 최상부에 하프셀(half cell)을 구비시키는 공정을 통해 제조되고 있다. 아울러, 적층된 모노셀들과 하프셀을 하나의 단위체로 고정시키기 위해, 일정 간격으로 테이프(tape)를 부착하는 공정 또한 이루어질 수 있다.
하지만, 현재 적용 중인 스택형의 전극 조립체는, 전극 슬라이딩(Sliding) 현상에 의한 양극 및 음극의 접촉 면적 간 차이에 의해 해당 슬라이딩 부분에 리튬(Li)이 석출되는 문제를 내포하고 있다. 그리고, 이 리튬 석출 문제는 전지의 수명 저하를 유발하며, 더 나아가서는 폭발 및 화재 사고까지 야기할 수 있다. 따라서, 상기의 문제점들을 해소할 수 있는 신규한 스택형 전극 조립체의 개발이 절실히 요구된다.
아울러, 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막은, 설비 및 사람의 손을 많이 타고 헝겊과 같은 강성으로도 쉽게 접히며, 단단하거나 뾰족한 부분에 긁히는 경우 찢어지게 되어 전극이 노출되는 문제가 발생한다. 뿐만 아니라, 하프셀의 외측 분리막이 불투명하기 때문에(즉, 빛을 투과하지 않기 때문에) 전극의 손상 여부를 확인하기 어려운 문제도 있다. 따라서, 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막을, (1) 접히지 않고 쉽게 찢기지 않는 인장강도를 가지고 있고, (2) 빛을 잘 투과하고, (3) 공급이 용이하고 가격 경쟁력이 있고, (4) 전해액이 침투할 때 화학적으로 반응하지 않고, (5) 충전 중 고온을 견딜 정도로 열 안정성이 우수하고, (6)무게가 가벼워 무게당 용량 경쟁력에 해를 끼치지 않는 소재로 변경할 필요도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막을 특정 형태 및 소재로 변경함으로써, 전극 슬라이딩 현상에 의해 발생하는 리튬 석출 문제, 하프셀의 외측 분리막이 쉽게 접히고 찢어져 전극이 노출되는 문제 및 하프셀의 외측 분리막이 불투명하여 전극의 손상 여부를 확인하기 어려운 문제를 복합적으로 해소할 수 있는, 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 분리막 및 음극이 적층된 단위셀과 분리막 및 양극이 적층된 단위셀이 순차로 적층되어 형성된 모노셀; 분리막, 음극 또는 양극, 및 가압 플레이트가 적층된 하프셀; 및 상기 모노셀과 하프셀을 적층시킨 후, 이들을 전폭방향으로 감아서 고정시킨 랩핑부재를 포함하며, 상기 하프셀은 상기 모노셀의 외부로 노출된 음극 또는 양극 상부면에 분리막이 위치하도록 적층되고, 상기 분리막을 경계로 서로 다른 전극이 위치되며, 상기 하프셀의 가압 플레이트는 전장방향 양단부의 전극 대면부가 전극방향으로 경사진 경사부를 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수납 케이스;를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 의하면, 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막을 특정 형태 및 소재로 변경함으로써, 전극 슬라이딩 현상에 의해 발생하는 리튬 석출 문제, 하프셀의 외측 분리막이 쉽게 접히고 찢어져 전극이 노출되는 문제 및 하프셀의 외측 분리막이 불투명하여 전극의 손상 여부를 확인하기 어려운 문제를 복합적으로 해소할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 통상의 스택형 전극 조립체에서 나타나는 전극 슬라이딩 현상을 보여주는 측면 모식도이다.
도 2는 하나의 모노셀에서 양극 활물질과 음극 활물질의 일 끝단이 슬라이딩 된 정도의 차이에 따라 분리막과 접촉하는 면적이 달라짐을 보여주는 측면 모식도이다.
도 3은 하나의 모노셀에서 양극 활물질과 음극 활물질의 일 끝단이 슬라이딩 된 동시에 음극 활물질과 분리막이 이격되게 존재하는 모습을 보여주는 측면 모식도이다.
도 4는 음극 활물질을 양극 활물질보다 길게 설계한 통상의 스택형 전극 조립체를 모식화 한 도면이다.
도 5는 음극 활물질을 양극 활물질보다 길게 설계함에도 양극 활물질과 분리막이 접촉하는 면적이 음극 활물질과 분리막이 접촉하는 면적보다 넓어지는 문제점을 보여주는 측면 모식도이다.
도 6은 통상의 스택형 전극 조립체를 테이프로 고정 및 압축시킨 모습을 보여주는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 측면 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 하프셀 중 최외곽에 구비된 가압 플레이트의 측면 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 통상의 스택형 전극 조립체에서 나타나는 전극 슬라이딩 현상을 보여주는 측면 모식도이다. 통상적인 스택형의 전극 조립체에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 집전체(예를 들어, 양극은 알루미늄일 수 있고 음극은 구리일 수 있다, 10)의 일면에는 점성을 가지는 액체 상태의 전극 활물질(20)이 도포되고, 이때, 전극 활물질(20)의 양 끝단(탭(Tab)이 위치하는 방향) 각각에는 표면장력 또는 공정 시의 열 불균일에 기인한 수 내지 수십 mm 길이의 경사부(S)가 형성되는데, 이를 전극 슬라이딩 현상이라고 일컫는다.
도 2는 하나의 모노셀에서 양극 활물질과 음극 활물질의 일 끝단이 슬라이딩 된 정도의 차이에 따라 분리막과 접촉하는 면적이 달라짐을 보여주는 측면 모식도로서, 도 2의 a는 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 넓은 경우에 해당되고, 도 2의 b는 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 넓은 경우에 해당된다(활물질(30, 40) 내 세로 선은, 경사가 시작되는 지점을 의미함). 앞서 언급한 바와 같이, 전극 활물질이 도포되면 슬라이딩 현상이 나타나는데, 이때 도 2의 b에 도시된 바와 같이 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 좁으면, 그 좁아진 면적만큼 리튬이 필연적으로 석출되기 마련이다. 따라서, 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 넓게 제작할 필요가 있다.
도 3은 하나의 모노셀에서 양극 활물질과 음극 활물질의 일 끝단이 슬라이딩 된 동시에 음극 활물질과 분리막이 이격되게 존재하는 모습을 보여주는 측면 모식도이다. 아울러, 도 3에 도시된 바와 같이, 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 이격되게 존재하는 경우 또한, 활물질과 분리막의 접촉 면적 차이에 따른 경우와 마찬가지로 리튬 석출의 원인이 된다. 따라서, 음극 활물질(30)과 분리막(50)의 사이에는 빈 공간(gap, G)이 없어야 한다. 그리고, 도 3은 일 예시로서, 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 이격되게 존재하는 경우에도 리튬 석출이 될 수 있으므로, 음극 활물질(30)과 분리막(50)의 사이 및 양극 활물질(40)과 분리막(50)의 사이 모두에는 빈 공간이 없도록 제작하여야 한다.
도 4는 음극 활물질을 양극 활물질보다 길게 설계한 통상의 스택형 전극 조립체를 모식화 한 도면이다. 상기와 같은 이유에 기인하여, 당업계에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 넓고, 또한, 음극 활물질(30)과 분리막(50)의 사이 및 양극 활물질(40)과 분리막(50)의 사이 모두에 빈 공간이 없도록 전해액을 주입한 후 압착(Press)하여 스택형 전극 조립체를 제조하고 있다.
도 5는 음극 활물질을 양극 활물질보다 길게 설계함에도 양극 활물질과 분리막이 접촉하는 면적이 음극 활물질과 분리막이 접촉하는 면적보다 넓어지는 문제점을 보여주는 측면 모식도이다. 위에서 설명한 대로, 당업계에서는 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 넓고, 또한, 음극 활물질(30)과 분리막(50)의 사이 및 양극 활물질(40)과 분리막(50)의 사이 모두에 빈 공간이 없도록 전해액을 주입한 후 압착(Press)하여 스택형 전극 조립체를 제조하고 있다. 하지만, 이와 같이 제조하더라도, 실제로는 도 5에 도시된 바와 같이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 넓어지는 문제가 발생한다. 즉, 음극 활물질(30)을 양극 활물질(40)보다 길게 설계하더라도 슬라이딩 시 형성되는 음극 활물질(30)의 경사가 양극 활물질(40)의 경사보다 완만하게 이루어지기 때문에, 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 좁아지는 것이다. 또한, 이와 같은 문제는, 도 5에 도시된 바와 같이 압착하더라도 해결에 어려움이 있는 실정이다.
도 6은 통상의 스택형 전극 조립체를 테이프로 고정 및 압축시킨 모습을 보여주는 모식도이다. 또한, 당업계에서는, 상기의 문제점, 즉, 음극 활물질(30)을 양극 활물질(40)보다 길게 설계해도 음극 활물질(30)과 분리막(50)이 접촉하는 면적이 양극 활물질(40)과 분리막(50)이 접촉하는 면적보다 좁아지는 문제점을 해결하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 압착 이외에 테이프(halogen free, 60)로 전극 조립체(하프셀 + 모노셀)를 고정 및 압축시키는 방법까지 이용하고 있다. 하지만, 스택형 전극 조립체의 구조상 전극 슬라이딩 된 양 끝단에까지 테이프를 부착하는 것이 어려워, 도 6과 같이 전극 조립체의 중심부 및 이의 주변부에만 테이프를 부착시키고 있다(예를 들어, 전극 조립체의 양 끝단을 제외하고, 20~30 mm 너비로 3~5개의 테이프를 부착함). 따라서, 전극 슬라이딩 현상이 발생하여 경사부가 형성된 전극 조립체의 양 끝단은, 테이프에 의한 힘을 전혀 받지 못하게 되고, 결국 이 경우에도 리튬 석출에 따른 폭발 및 화재 사고로 이어질 수 있다.
이에 본 출원인은, 음극 활물질과 분리막의 사이 및 양극 활물질과 분리막의 사이 모두에 빈 공간이 없거나 최소화되도록 하고, 또한, 랩핑(Wrapping)부재로 전극 조립체를 고정 및 압축시키더라도 음극 활물질과 분리막이 접촉하는 면적이 양극 활물질과 분리막이 접촉하는 면적보다 넓은 스택형 전극 조립체를 개발해 내었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 측면 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 하프셀 중 최외곽에 구비된 가압 플레이트의 측면 모식도이다. 도 7 및 8을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는,
분리막 및 음극(112)이 적층된 단위셀과 분리막(114) 및 양극(116)이 적층된 단위셀이 순차로 적층되어 형성된 모노셀(120), 분리막(134b), 음극 또는 양극(132), 및 가압 플레이트(134a)가 적층된 하프셀(130) 및 상기 모노셀(120)과 하프셀(130)을 적층시킨 후, 이들을 전폭방향으로 감아서 고정시킨 랩핑부재(150)를 포함하며, 상기 하프셀(130)은 상기 모노셀(120)의 외부로 노출된 음극 또는 양극 상부면에 분리막(134b)이 위치하도록 적층되고, 상기 분리막(134b)을 경계로 서로 다른 전극이 위치되며, 상기 하프셀(130)의 가압 플레이트(134a)는 전장방향 양단부의 전극 대면부가 전극방향으로 경사진 경사부(P)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가장 큰 특징은, 상기 전극 조립체(100)의 하프셀(130) 최외곽에 구비된 가압 플레이트(134a)의 형태에 있다. 즉, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 상기 하프셀(130)의 최외곽에 위치한 가압 플레이트(134a) 중 음극(132)에 대향되는 면(즉, 전극 대면부)이 전극방향으로 경사진 경사부(P)를 가져, 전장방향 양 끝단으로 갈수록 전극(음극 또는 양극, 132)에 가까워지는 형태를 가지는 것인데, 이는, 점성을 가지는 전극 활물질을 금속 집전체 상에 도포할 시 발생하는 슬라이딩 현상, 즉 다시 말해, 금속 집전체 상에 도포할 시 전극에 포함된 전극 활물질의 양 끝단에 각각 형성되는 경사부(P)를 통해, 상기 하프셀(130)에 포함되는 전극(132)과 가압 플레이트(134a)가 접촉하는 면적을 넓게 하기 위함이다.
보다 궁극적으로, 상기 하프셀(130)의 최외곽에 위치한 가압 플레이트(134a) 중 전극(132)에 대향되는 면이 전장방향 양 끝단으로 갈수록 전극(132)에 가까워지는 형태를 가지도록 한 것은, 상기 하프셀(130)의 하부에 위치한 각각의 단위 모노셀(110) 내에서 음극(112)과 분리막(114)이 접촉하는 면적이 양극(116)과 분리막(114)이 접촉하는 면적보다 넓게 하기 위한 것이다(따라서, 전극 조립체 내에서 음극과 분리막이 접촉하는 면적이 양극과 분리막이 접촉하는 면적보다 넓다).
즉, 상기 랩핑부재(150)로 상기 모노셀(120)과 하프셀(130)의 외주면을 이들의 전폭방향으로 함께 둘러싸서 고정 및 압축시키게 되면, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)의 양 끝단 경사부(P)가 전극(132)에 밀착된다. 그리고, 이와 동시에, 상기 하프셀(130)에 포함되는 분리막(134b)의 양 끝단과 상기 모노셀(120)에 포함된 전극과 분리막 각각의 양 끝단까지 함께 하부 방향으로 끌어당겨져, 각각의 단위 모노셀(110) 내에서 음극(112)과 분리막(114)이 접촉하는 면적이 양극(116)과 분리막(114)이 접촉하는 면적보다 넓어지는 것이다. 즉, 다시 말해, 각각의 단위 모노셀(110) 내에서도 음극(112)에 포함된 음극 활물질의 양 끝단 경사부에 이와 마주한 분리막(114)의 양 끝단이 부합된다.
이러한 이유는, 도 2, 3 및 5에 도시된 바와 같이, 음극 활물질(30)이 슬라이딩 되어 형성된 경사부가 윗쪽을 향하고 있는 반면, 양극 활물질(40)이 슬라이딩 되어 형성된 경사부는 아랫쪽을 향하고 있기 때문이다. 즉, 다시 말해, 상기 단위 모노셀(110)의 분리막(114) 양 끝단이 랩핑부재(150)에 의해 끌어당겨지면 경사부가 윗쪽을 향하고 있는 음극(112)의 형태에 부합되지만, 경사부가 아랫쪽을 향하고 있는 양극(116)의 형태에는 부합되지 않는다. 즉, 상기 단위 모노셀(110)의 음극(112)에 포함된 음극 활물질의 양 끝단 경사부가 윗쪽을 향하여 이와 마주한 분리막(114)의 양 끝단에 부합되고, 상기 단위 모노셀(110)의 양극(116)에 포함된 양극 활물질의 양 끝단 경사부가 아랫쪽을 향하여 이와 마주한 분리막(114)의 양 끝단에 부합되지 않는 것이다. 이러한 이유에 기인하여, 각각의 단위 모노셀(110) 내에서 음극(112)과 분리막(114)이 접촉하는 면적이 양극(116)과 분리막(114)이 접촉하는 면적보다 넓어지는 것이다. 이때, 전극 조립체 내 음극과 분리막의 사이 및 양극과 분리막의 사이 모두에 빈 공간이 없거나 최소화되는 점 또한 당연하다.
아울러, 상기 모노셀(120)에 포함되는 분리막 중 음극(112)의 상부면에 대면되게 위치하는 분리막 또한, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)와 동일하게, 음극(112)에 대향되는 면이 전장방향 양 끝단으로 갈수록 음극(112)에 인접하는 형태를 가질 수 있다(즉, 도 7에 도시된 모습과 유사할 수 있다). 즉, 양 끝단으로 갈수록 중심부에 비해 두꺼운 두께를 가질 수 있다(즉, 경사부를 가질 수 있다).
한편, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)의 양 끝단 각각은, 상술한 바와 같이 하프셀(130)에 포함되는 전극(132)에 가까워지는 형태를 취하고 있다. 따라서, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)의 양 끝단 각각은, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)의 중심부에 비해 두꺼운 두께를 가질 수밖에 없다. 예를 들어, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)의 양 끝단 각각의 두께가 중심부의 두께보다 약 30 내지 50 ㎛ 두꺼울 수 있고(말단으로 갈수록 점진적으로 두꺼워지는 형태), 이를 약 20개(Stack)의 단위 모노셀을 포함하는 전극 조립체에 적용하는 경우에는, 모든 단위 모노셀에 포함된 분리막에 음극이 최대한의 면적으로 접촉될 수 있다.
따라서, 상기 가압 플레이트(134a)는 전장방향 양단부의 전극 대면부가 전극방향으로 경사진 경사부(P)를 포함하여야 한다. 이때, 상기 가압 플레이트(134a)는 전장방향 양단부가 전극방향으로 휘어진 플레이트 형상을 갖는 것일 수 있다. 또한, 상기 가압 플레이트(134a)의 휘어진 부분은 직선 형태이거나 전극방향으로 굽어지는 곡면 형태일 수 있다. 한편, 상기 가압 플레이트(134a)는 도 8에 도시된 바와 같이 평면의 플레이트 형태를 기본구조로 하되, 전장방향 양단부의 전극 대향면에 말단부로 가면서 점차 두꺼워지는 경사면 형성 구조가 부가된 형태일 수도 있다. 이때, 경사면은 직선 형태이거나 전극방향으로 굽어지는 곡면 형태일 수 있다. 이 외에, 상기 가압 플레이트(134a)는 전극 대향면이 전장방향으로 오목하게 굽어진 곡면을 갖는 것일 수도 있는 등, 중심부보다 양단의 두께가 두껍기만 하다면 그 형태에는 특별한 제한이 없다.
상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)가 우수한 굴곡강도와 경도를 가질 경우 이상에서 설명한 효과가 보다 현저하게 나타날 수 있다. 이를 위해, 상기 가압 플레이트(134a)는 폴리프로필렌 수지(polypropylene resin)를 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌 수지만으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 폴리프로필렌 수지를 포함하는 가압 플레이트(134a)의 녹는점은 약 170 ℃일 수 있고, 비중은 약 0.91 g/cm3일 수 있다. 아울러, 관련 공정 중 히터(Heater)의 온도가 약 80 ℃까지 상승하게 되는데, 상기와 같이 가압 플레이트(134a)에 용해 온도가 약 135 내지 160 ℃로 높은 폴리프로필렌 수지를 포함시키면, 히터의 온도가 최대치까지 상승하더라도 가압 플레이트(134a)가 녹는 현상이 전혀 발생하지 않는 이점도 가지게 된다.
통상, 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 하프셀의 외측 분리막(본 발명의 가압 플레이트에 해당)은, 설비 및 사람의 손을 많이 타고 헝겊과 같은 강성으로도 쉽게 접히며, 단단하거나 뾰족한 부분에 긁히는 경우 찢어지게 되어 전극이 노출되는 문제가 발생한다. 그리고, 이러한 문제점은 전지의 성능을 저하시키고, 화재를 유발하기도 한다. 이에, 본 출원인은, 하프셀에 포함되는 외측 분리막의 바깥면이 전지 반응과 무관한 점에 착안하여, 기존의 일반적인 소재 대신, 강성(우수한 굴곡강도 및 경도)을 가질 뿐만 아니라 전해액에 의해서도 변형이 일어나지 않는(즉, 우수한 화학 안정성(상온에서의 산성 및 알칼리성)) 안정화된 폴리프로필렌 수지로 소재를 변경한 것이며, 이에 따라, 기존의 소재가 가지고 있던 문제점들을 해소할 수 있다. 뿐만 아니라, 투명 폴리프로필렌 수지로 가압 플레이트(134a)를 구성하고, 또한 투명한 접착제(예를 들어, 에폭시계 접착제)까지 활용하는 경우에는, 하프셀(130) 내의 전극(132)이 외부 충격에 의해 깨지는 것을 파악할 수 있는 등 상태의 확인까지도 가능하다.
상기 랩핑부재(150)는 상기 모노셀(120)과 하프셀(130)의 외주면을 전폭방향으로 함께 둘러싸서, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a) 등의 양 끝단을 보다 강한 힘으로 끌어당기는 역할을 한다. 따라서, 상기 랩핑부재(150)는 최소한 전극 조립체(100)의 양 끝단 각각에 하나 이상씩 위치하여 상기 모노셀(120)과 하프셀(130)의 외주면을 둘러싸아야 한다. 다만, 전극과 분리막의 접촉 면적이 보다 넓어질 수 있도록, 상기 전극 조립체(100)의 중심부도 랩핑부재(150)로 둘러싸는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 전극과 분리막의 접촉 면적을 최대한으로 넓힐 수만 있다면, 상기 랩핑부재(150)의 설치 개수에는 특별한 제한이 없다.
이러한 랩핑부재(150)로는 접착 성분이 부여된 접착부재와 그렇지 않은 비 접착부재를 예시할 수 있다. 상기 접착 성분이 부여된 접착부재로는 테이프(Tape) 또는 인장력을 가해도 적정 수준까지 끊어지지 않는 부재에 접착 성분을 별도로 부여한 것일 수 있다. 그리고, 상기 비 접착부재로는 인장력을 가해도 적정 수준까지 끊어지지 않는 부재를 예시할 수 있고, 이 경우에는 접착이 불가능하므로 전극 조립체를 둘러싼 후 양 말단을 묶는 등의 다양한 방법을 통해 고정시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 하프셀(130)의 최외곽에 구비된 가압 플레이트(134a)에서 전극(132)에 대향되지 않는 반대 면(즉, 외부면)에는, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 랩핑부재(150)를 수용 및 거치할 수 있는 홈부(또는 음각 패턴, G)가 전폭방향으로 형성될 수 있다. 이는, 보다 안정적인 고정 및 압축을 위한 것으로서, 상기 홈부(G)는 최소한 하프셀(130)의 최외곽에 구비된 가압 플레이트(134a)에서 전극(132)에 대향되지 않는 반대 면의 양 끝단 각각에 하나 이상씩 형성될 수 있다. 또한, 상기 홈부(G)는 하프셀(130)의 최외곽에 구비된 가압 플레이트(134a) 중 음극(132)에 대향되지 않는 반대 면의 중심부에까지 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 아울러, 상기 홈부(G)에 수용 및 거치되는 랩핑부재(150)에 의한 효과를 극대화시킬 수만 있다면, 상기 홈부(G)의 개수에는 특별한 제한이 없으며, 예를 들어, 상술한 바에 따라 2 내지 5개 형성될 수 있다. 이상에 따라, 상기 랩핑부재(150)는 상기 홈부(G)에 수용되도록 감긴 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 홈부(G)의 너비 및 깊이는 상기 랩핑부재(150)의 너비 및 깊이에 따라 다양하게 설정될 수 있으므로, 상기 홈부(G)의 너비 및 깊이에도 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 다만, 일 예로, 상기 하프셀(130)에 포함되는 가압 플레이트(134a)의 양 끝단 각각의 두께가 중심부의 두께보다 약 30 내지 50 ㎛ 두꺼운 경우(극단적인 예로, 가압 플레이트(134a)의 양 끝단 두께가 210 내지 230 ㎛이고, 가압 플레이트(134a)의 중심부 두께가 180 ㎛인 경우)에는, 상기 홈부(G)의 깊이가 약 22 ㎛로 형성되도록 하는 것이 바람직할 수는 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 이차전지에 대하여 설명한다. 상기 이차전지는 이상에서 설명한 본 발명의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수납 케이스를 포함한다. 그리고, 상기 이차전지는 용도에 특별한 제한을 두는 것은 아니나, 자동차용 배터리인 것이 바람직할 수 있다. 상기 이차전지는 전극 조립체를 파우치 등의 수납 케이스 내부에 수용할 수 있는 모든 전지일 수 있으나, 리튬계 이차전지인 것이 바람직하다. 상기 리튬계 이차전지로는 리튬 석출 문제를 내포하고 있는 리튬계 이차전지 모두를 예시할 수 있고, 보다 구체적으로는 리튬 이온 전지를 예시할 수 있다.
본 발명의 이차전지가 리튬 이온 전지인 경우, 양극 활물질로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물(LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4) 및 리튬 니켈코발트망간계 양극 활물질(또는 리튬 NCM계 양극 활물질, 또는 NCM계 리튬 복합 전이금속 산화물, 또는 High Ni 양극재) 등을 예시할 수 있다. 또한 양극에는, 상기 양극 활물질 이외에 바인더 및 도전재 등을 더 포함한다.
상기 바인더는 양극재(양극 활물질)와 도전재 등의 결합 및 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예컨대, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-폴리헥사플루오로프로필렌 공중합체(PVdF/HFP), 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 알킬화 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리에틸(메트)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐피롤리돈, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 술폰화 EPDM 고무, 스틸렌-부틸렌 고무, 불소 고무, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더는 통상적으로 양극 총 중량 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부 첨가된다. 상기 바인더의 함량이 1 중량부 미만이면 양극재와 집전체와의 접착력이 불충분해질 수 있고, 50 중량부를 초과하면 접착력은 향상되지만 그만큼 양극재의 함량이 감소하여 전지 용량이 낮아질 수 있다.
상기 양극에 포함되는 도전재는 전지의 내부 환경에서 부반응을 유발하지 않고 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 우수한 전기전도성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 대표적으로는 흑연 또는 도전성 탄소를 사용할 수 있으며, 예컨대, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 뎅카 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 결정구조가 그라펜이나 그라파이트인 탄소계 물질; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본; 알루미늄 분말, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 고분자;를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 전체 중량 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 30 중량부로 첨가된다. 도전재의 함량이 0.5 중량부 미만으로 너무 적으면 전기전도성 향상 효과를 기대하기 어렵거나 전지의 전기화학적 특성이 저하될 수 있으며, 도전재의 함량이 50 중량부를 초과하여 너무 많으면 상대적으로 양극재의 양이 적어져 용량 및 에너지 밀도가 저하될 수 있다. 양극에 도전재를 포함시키는 방법은 크게 제한되지 않으며, 양극재에의 코팅 등 당분야에 공지된 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 양극재에 도전성의 제2 피복층이 부가됨으로 인해 상기와 같은 도전재의 첨가를 대신할 수도 있다.
또한, 양극에는 그 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전극의 팽창을 억제할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소 섬유 등의 섬유상 물질; 등을 사용할 수 있다.
상기 양극재, 바인더 및 도전재 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연함으로써 양극을 제조할 수 있다. 상기 분산매로는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(Dimethyl formamide), DMSO(Dimethyl sulfoxide), 에탄올, 이소프로판올, 물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 알루미늄(Al) 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.
음극은 해당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질, 도전재, 바인더, 필요에 따라 충진제 등을 분산매(용매)에 분산, 혼합시켜 슬러리를 만들고, 이를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 음극을 제조할 수 있다. 상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Sb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또한, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성 탄소가 대표적이다.
또한, 상기 음극에 사용되는 바인더 및 도전재는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다. 상기 음극 집전체로는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 카본(C), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), ITO(In doped SnO2), FTO(F doped SnO2), 및 이들의 합금과, 구리(Cu) 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본(C), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 또는 은(Ag)을 표면 처리한 것 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 음극 집전체의 형태는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등의 형태일 수 있다.
전극 조립체 내 하프셀의 최외곽에 위치한 가압 플레이트(134a)를 제외한 나머지 내측 분리막으로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머, 유리섬유 등을 시트, 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등의 형태로 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 다공성의 폴리에틸렌 또는 다공성의 유리섬유 부직포(glass filter)를 분리막으로 적용하는 것이 바람직할 수 있고, 다공성의 glass filter(유리섬유 부직포)를 분리막으로 적용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
한편, 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질(예컨대, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등)이 사용되는 경우에는 상기 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 구체적으로는, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막을 사용한다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛ 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전해질 또는 전해액으로는 비수계 전해액(비수계 유기 용매)으로서 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 인산 트리에스테르, 디부틸 에테르, N-메틸-2-피롤리디논, 1,2-디메톡시 에탄, 2-메틸 테트라하이드로퓨란과 같은 테트라하이드로퓨란 유도체, 디메틸설폭시드, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥솔란 및 그 유도체, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산 메틸, 트리메톡시 메탄, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기 용매가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액에는 리튬염을 더 첨가하여 사용할 수 있으며(이른바, 리튬염 함유 비수계 전해액), 상기 리튬염으로는 비수계 전해액에 용해되기 좋은 공지의 것, 예를 들어 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF3(CF2CF3)3, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬 이미드 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 (비수계) 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, 글라임계 화합물, 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 필요에 따라서는, 불연성을 부여하기 위해 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위해 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
한편, 이차전지는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들어, 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막을 넣고, 비수 전해액을 투입함으로써 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지 셀에 적용됨은 물론, 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 본 발명은 또한 2개 이상의 이차전지가 전기적으로 연결(직렬 또는 병렬)되어 포함된 전지모듈을 제공한다. 상기 전지모듈에 포함되는 이차전지의 수량은, 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.
나아가, 본 발명은 당 분야의 통상적인 기술에 따라 상기 전지모듈을 전기적으로 연결한 전지팩을 제공한다. 상기 전지모듈 및 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용 가능하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을, 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
[부호의 설명]
10: 금속 집전체
20: 전극 활물질 (S: 경사부)
30: 음극 활물질
40: 양극 활물질
50: 분리막
60: 테이프
100: 전극 조립체
110: 단위 모노셀 (112: 음극, 114: 분리막, 116: 양극)
120: 모노셀
130: 하프셀 (132: 전극, 134a: 가압 플레이트, 134b: 분리막, G: 홈부)
150: 랩핑부재

Claims (15)

  1. 분리막 및 음극이 적층된 단위셀과 분리막 및 양극이 적층된 단위셀이 순차로 적층되어 형성된 모노셀;
    분리막, 음극 또는 양극, 및 가압 플레이트가 적층된 하프셀; 및
    상기 모노셀과 하프셀을 적층시킨 후, 이들을 전폭방향으로 감아서 고정시킨 랩핑부재를 포함하며,
    상기 하프셀은 상기 모노셀의 외부로 노출된 음극 또는 양극 상부면에 분리막이 위치하도록 적층되고, 상기 분리막을 경계로 서로 다른 전극이 위치되며,
    상기 하프셀의 가압 플레이트는 전장방향 양단부의 전극 대면부가 전극방향으로 경사진 경사부를 포함하는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트는 양 끝단 각각의 두께가 중심부의 두께보다 약 30 내지 50 ㎛ 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트는 전장방향 양단부가 전극방향으로 휘어진 플레이트 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 플레이트의 휘어진 부분은 직선 형태이거나 전극방향으로 굽어지는 곡면 형태인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트는 평면의 플레이트 형태를 기본구조로 하며, 전장방향 양단부의 전극 대향면에 말단부로 가면서 점차 두꺼워지는 경사면 형성 구조가 부가된 형태인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 경사면은 직선 형태이거나 전극방향으로 굽어지는 곡면 형태인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트는 전극 대향면이 전장방향으로 오목하게 굽어진 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트는 외부면에 상기 랩핑부재를 수용하는 홈부가 전폭방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 홈부가 2 내지 5개 형성된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 랩핑부재는 상기 홈부에 수용되도록 감긴 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체 내에서 음극과 분리막이 접촉하는 면적이 양극과 분리막이 접촉하는 면적보다 넓은 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트가 폴리프로필렌 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 가압 플레이트가 폴리프로필렌 수지만으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  14. 청구항 1의 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수납 케이스;를 포함하는 이차전지.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 이차전지는 리튬계 이차전지인 것을 특징으로 하는, 이차전지.
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