WO2023101422A1 - 저항이 감소된 원통형 전지 - Google Patents

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WO2023101422A1
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uncoated portion
battery
tab
electrode assembly
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임혜진
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Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical battery including a jelly roll type electrode assembly. Specifically, it relates to a cylindrical battery structure in which a positive electrode and a negative electrode have a tab structure and a tabless structure, respectively.
  • Secondary batteries which are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density, are common not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. is being applied to
  • Types of secondary batteries that are currently widely used include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, and the like.
  • the operating voltage of the unit secondary battery cell that is, the unit battery cell, is about 2.5V to 4.5V. Therefore, when an output voltage higher than this is required, a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in series. In addition, a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel according to a charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack and the type of electrical connection may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a separator which is an insulator, is interposed between a positive electrode and a negative electrode, and the electrode assembly in the form of a jelly roll is formed by winding the separator, and the electrode assembly is inserted into the battery can to configure the battery.
  • An electrode tab in the form of a strip may be connected to the non-coated portion of each of the positive and negative electrodes, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and an electrode terminal exposed to the outside.
  • the positive electrode terminal is a cap plate of a sealing body sealing the opening of the battery can
  • the negative electrode terminal is the battery can.
  • Resistance and heat generation are not a big issue for a small cylindrical battery cell with the form factor of 18650.
  • a large-capacity cylindrical battery cell has a large internal resistance, a large amount of heat is generated around an electrode tab during a rapid charging process, causing the cylindrical battery cell to ignite.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a cylindrical battery including a jelly roll type electrode assembly having a tab structure.
  • the current flows through the battery can lead 63 only through the positive electrode tab 23 or the negative electrode tab 43 provided at one or two or more locations on each positive electrode 2 and negative electrode 4.
  • the area of the current path is narrow and the resistance is high.
  • the positive electrode 2 is shorter in length than the negative electrode 4, and two positive electrode tabs 23 are positioned in the middle of the positive electrode 2.
  • the negative electrode 4 is relatively longer than the positive electrode 2 because it is wound outward in the radial direction relative to the positive electrode 2, and the negative electrode tabs 43 are inevitably positioned at both ends due to the manufacturing process. Accordingly, resistance of the anode 2 can be greatly reduced by reducing the length of the current path, but in particular, in the case of the cathode 4, other methods of reducing resistance are urgent needed.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a cylindrical battery including a jelly roll-type electrode assembly having a tabless structure.
  • the positive electrode uncoated portion 21, which is not coated with the active material protrudes from one side of the positive electrode 2 in the axial direction
  • the negative electrode uncoated portion 41, which is not coated with the active material protrudes from the other side of the negative electrode 4 in the axial direction. do.
  • Each of the uncoated portions 21 and 41 is welded to the current collector plate 5 and functions as an electrode tab as a whole. As a result, the area of the current path is widened, and resistance can be drastically reduced.
  • each of the uncoated portions 21 and 41 may be bent in a radial direction to form a flat surface in order to improve welding characteristics with the current collector plate 5 .
  • the tabless structure as described above, in the process of welding the uncoated parts 21 and 41 to the current collector 5 or bending the uncoated parts 21 and 41 to improve welding characteristics, the gap between the negative electrode and the positive electrode A short circuit is likely to occur.
  • the tabless structure additionally requires an insulating layer 65 to insulate between the positive electrode current collector plate and the battery can, and the axial length of the battery can is equal to the thickness of the positive electrode uncoated portion 21 and the current collector plate 5. As more is required, there is a problem in that the battery capacity is inevitably reduced.
  • the thickness of the portion where the tab is connected in the jelly roll type electrode assembly is thicker than the portion where the tab is not connected. Accordingly, in the electrode assembly wound in the form of a jelly roll, the radius of the jelly roll at the portion where the tab is located in the circumferential direction is greater than the radius of the jelly roll at the portion where the tab is not located. Due to this difference in radius, the area where the tab is located receives more pressure in the radial direction than the area where the tab is located during the process of repeating charging and discharging of the cell, resulting in collapse of the core core or detaching of the attached layers. Deterioration occurs more rapidly.
  • the present invention has been made under the background of the prior art as described above, and includes a jelly roll type electrode assembly capable of reducing the resistance of the second electrode, which has a limit in reducing resistance only by improving the tab structure of both electrodes, and including the same It is an object to provide a structure of a cylindrical battery that does.
  • an object of the present invention is to provide an economical electrode assembly capable of improving space utilization and increasing capacity by simplifying the structure and manufacturing process as much as possible, and a structure of a cylindrical battery including the same.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly capable of minimizing the possibility of short circuit between the first electrode and the second electrode without adding excessive insulation and a structure of a cylindrical battery including the same.
  • the present invention is to provide an electrode assembly capable of minimizing a phenomenon in which cell deterioration progresses due to the thickness of the tab when one or more tabs are used to reduce resistance, and a cylindrical battery structure including the same.
  • Another object of the present invention is to provide a battery pack including the improved cylindrical battery cell and a vehicle including the battery pack.
  • the present invention winds an electrode laminate in which a first electrode, a second electrode, and a separator are laminated, and the first electrode and the second electrode are alternately stacked in the radial direction with a separator interposed therebetween.
  • the first electrode is provided with a first electrode uncoated portion not coated with an active material, and a first electrode tab electrically connected to the first electrode uncoated portion of the electrode assembly. It protrudes to one side in the axial direction, and an uncoated portion of the second electrode not coated with an active material is provided at the other end of the second electrode in the axial direction to provide a structure of an electrode assembly serving as a tab.
  • the first electrode uncoated portion may be provided in an area corresponding to an area coated with an active material in an axial direction.
  • the first electrode non-coated portion may be provided in a form extending further outward in the axial direction from an axial end of the active material-coated region.
  • the first electrode uncoated portion may be provided in the entire longitudinal direction or a part of the longitudinal direction.
  • the first electrode uncoated portion and the first electrode tab may be provided in one or in plurality.
  • the plurality of first electrode tabs may be overlapped with each other to form one electrically connected tab.
  • the one first electrode tab may be connected to the first electrode at a position avoiding both ends of the first electrode in the winding direction.
  • the two or more first electrode tabs may be connected to the first electrode at positions avoiding both end portions and a central portion in the winding direction of the first electrode.
  • both areas at both ends of the winding direction are avoided when the first electrode is divided along the width direction so that the first electrode is divided into three parts in the winding direction in order to prevent an increase in resistance due to an increase in the current path. It may be electrically connected to the first electrode at the position.
  • first electrode tabs When only two first electrode tabs are provided, in order to prevent an increase in resistance due to an increase in the current path, when the first electrode is divided along the width direction so that the first electrode is divided into four parts in the winding direction, both areas at both ends in the winding direction are avoided.
  • Each of the first electrode tabs may be located in the middle two regions so as to be electrically connected to the first electrode. Even when three or more first electrode tabs are provided, a current path can be reduced by arranging them in a similar manner to the above.
  • the plurality of first electrode tabs may be disposed at different radial positions in the radial direction.
  • positions in a circumferential direction at which the plurality of first electrode tabs are disposed may not overlap each other.
  • the plurality of first electrode tabs are connected to the first electrode uncoated portion extending further outward in the axial direction from the axial end of the active material-coated region, the plurality of first electrode tabs are disposed in a circumferential position may be arranged to overlap each other.
  • the first electrode tab may be connected to the first electrode at an appropriate position so that the electrode stack is easily connected to each other in a wound state.
  • the second electrode uncoated portion may be provided in a continuous shape in the winding direction at the other axial end of the second electrode, or may be provided in a shape intermittently notched in the winding direction.
  • a height protruding in the axial direction of the second electrode uncoated portion may continuously or intermittently increase.
  • the second electrode uncoated portion may be bent in a radial direction to improve welding performance with a current collector plate or a bottom surface of a battery can, which will be described later.
  • a current collector plate may be coupled to the second electrode uncoated portion.
  • a current collector plate may be coupled to the surface of the second electrode uncoated portion bent in the radial direction through welding.
  • the second electrode and the separator may have a longer axial length than the first electrode.
  • An axial end of the first electrode may be positioned lower than an axial end of the second electrode.
  • a distance between one end of each axial direction of the first electrode and the second electrode may be shorter than a distance between the other end of the axial direction of the first electrode and a starting point of the uncoated portion of the second electrode.
  • the present invention also provides a structure of a cylindrical battery including the electrode assembly.
  • the cylindrical battery may include a cylindrical battery can having one side in an axial direction opened.
  • the electrode assembly may be accommodated in the battery can so that the second electrode uncoated portion faces the bottom surface of the battery can, and the second electrode uncoated portion may be electrically connected to the bottom surface of the battery can.
  • the first electrode tab may be electrically connected to a battery can lid (cap) covering an upper portion of the battery can.
  • a beading portion may be provided on the sidewall of the battery can by indenting the sidewall of the battery can radially inward between one end of the electrode assembly in the axial direction and the battery can lead.
  • An insulating layer insulating the first electrode tab from the battery can and the second electrode may be provided at a portion of the first electrode tab.
  • the insulating layer may be provided to cover one side surface of the electrode assembly in an axial direction, and the first electrode may be connected to the battery can lead through the insulating layer.
  • the insulating layer may be provided at a portion of the first electrode tab adjacent to the second electrode.
  • the above problem solving means can also be achieved by a battery pack including the cylindrical battery cell and a vehicle including the battery pack. Since these battery packs and automobiles are already known to those skilled in the art, descriptions thereof are omitted herein.
  • the present invention can provide a structure of a jelly roll-type electrode assembly with reduced resistance by applying a tabless structure to the second electrode, which has a limit in reducing resistance only by improving the tab structure of both electrodes.
  • the improved tab structure to the first electrode that can sufficiently lower the resistance by improving the tab structure, when the tabless structure is applied, the uncoated portion of the first electrode and the current collector plate welded thereto It is possible to prevent a decrease in space utilization and complexity of a manufacturing process due to the addition of thickness and the need to insulate the first electrode uncoated portion and the collector plate from the battery can and the second electrode.
  • one or more tabs applied to reduce resistance are connected in the axial direction to the uncoated portion provided at the end where the tab is out of the active material coating area, so that the tab remains coated with the active material even if the number of tabs increases. Since the tab is not intervened in the subregion, it is possible to prevent deterioration due to uneven thickness of the tab.
  • two or more tabs applied to reduce resistance are disposed at positions corresponding to each other in the circumferential direction when the tabs are connected to the uncoated portion provided at the end outside the active material coating area in the axial direction, so that the tabs are overlapped and welded.
  • the assembly process such as making and connecting tabs to leads, becomes very convenient.
  • two or more tabs applied to reduce resistance are disposed at positions where they do not overlap each other in the circumferential direction even when the tabs are connected to the uncoated portion provided in the region corresponding to the active material coating region in the axial direction. , it is possible to minimize the phenomenon of deterioration due to the heterogeneous thickness of the tab.
  • the present invention also provides a structure of an electrode assembly with improved stability capable of blocking a short circuit between the first electrode and the second electrode at both ends in the axial direction without excessive insulation treatment required when the tabless structure is also applied to the first electrode. can do.
  • the present invention can provide an improved cylindrical battery cell including the improved electrode assembly, a battery pack including the battery cell, and an automobile including the battery pack.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each embodiment, or descriptions of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 shows an electrode laminate in a state before being rolled in a jelly roll form to form an electrode assembly.
  • FIG. 2 is a development view showing a state before winding of the first electrode and the second electrode of the tab structure.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a cylindrical battery including an electrode assembly having a tab structure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a cylindrical battery including an electrode assembly having a tabless structure.
  • FIG. 5 is a development view showing a state before winding of the first and second electrodes according to an embodiment of the present invention in which a continuous uncoated portion is provided at the other end of the second electrode in the axial direction.
  • FIG. 6 is a development view showing a state before winding of the first electrode and the second electrode according to an embodiment of the present invention in which the uncoated portion in the form of intermittent notching is provided at the other end of the second electrode in the axial direction.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which a first electrode is connected to the first electrode and a non-coated portion protruding and bending to the other side in an axial direction is provided on the second electrode.
  • FIG. 8 is an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which a current collecting plate is connected to the second electrode uncoated portion bent in FIG. 7 .
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which the axial length of the first electrode is shorter than the axial length of the second electrode.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which the distance between one end of the active material-coated region in FIG. 9 in the axial direction is shorter than the distance between the other end in the axial direction of the first electrode and the second electrode. .
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention in which one side of an electrode assembly in an axial direction is covered with an insulating layer.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention in which only a portion of the first electrode tab is covered with an insulating layer.
  • 15 to 17 are development views of other embodiments of the first electrode and the second electrode.
  • FIGS. 15 to 17 are perspective views of a jelly-roll type electrode assembly including the first electrode and the second electrode of FIGS. 15 to 17;
  • Fig. 19 is a side sectional view of Fig. 18;
  • 20 is another embodiment of the second electrode.
  • FIG. 21 is an enlarged cross-sectional view of a laminated structure using the second electrode of FIG. 20 .
  • FIG. 22 is a perspective view illustrating a battery pack including cylindrical battery cells according to the present invention.
  • FIG. 23 is a perspective view illustrating a vehicle including the battery pack of FIG. 22 .
  • electrode assembly 2 first electrode 21: first electrode (positive electrode) uncoated portion 22: first electrode (positive electrode) active material 23: first electrode (positive electrode) tab 3: separator 4: second electrode (negative electrode) 41: Second electrode (negative electrode) uncoated portion 42: second electrode (negative electrode) active material 43: second electrode (negative electrode) tab 44: insulating coating layer 5: current collector plate 51: first electrode (positive electrode) current collector plate 52: second electrode ( negative electrode) collector plate 6: battery can 61: side wall 62: bottom 63: lead 631: first electrode terminal 633: vent 64: beading part 65: insulation layer C: battery cell P: battery pack V: car
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless otherwise stated, the first component may be the second component, of course.
  • the arrangement of an arbitrary element on the "upper (or lower)" or “upper (or lower)” of a component means that an arbitrary element is placed in contact with the upper (or lower) surface of the component.
  • ком ⁇ онент when a component is described as “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components may be “interposed” between each component. ", or each component may be “connected”, “coupled” or “connected” through other components.
  • a direction along the longitudinal direction of the winding shaft of the electrode assembly wound in the form of a jelly roll is referred to as an axial direction (Y).
  • a direction surrounding the winding shaft is referred to as a circumferential direction or a circumferential direction (X).
  • a direction closer to or away from the winding axis is referred to as a radial direction or a radial direction (Z).
  • a direction closer to the winding axis is referred to as a centripetal direction
  • a direction away from the winding axis is referred to as a centrifugal direction.
  • the present invention provides a structure of a jelly roll electrode assembly having a structure capable of reducing resistance, increasing space utilization, and preventing a short circuit, and a structure of a cylindrical battery cell including the electrode assembly.
  • a cylindrical battery is manufactured by embedding an electrode assembly wound in a jelly roll shape inside a battery can.
  • the jelly roll type electrode assembly is formed by winding an electrode laminate in which roll sheets of the first electrode 2, the separator 3, the second electrode 4, and the separator 3 are sequentially stacked. It can be.
  • the electrode assembly in the form of a jelly roll has a shape of a circular pipe in which a hollow part is formed at a portion of a winding shaft. That is, the longitudinal direction (X) of the electrode stack corresponds to the winding direction of the cylindrical electrode assembly, that is, the circumferential direction (circumferential direction), and the width direction (Y) of the electrode stack corresponds to the axial direction of the electrode assembly. And, the normal direction (Z) of the electrode stack corresponds to the radial direction (centripetal direction or centrifugal direction) of the electrode assembly.
  • the separator may be made of the same material and of the same shape regardless of where it is stacked.
  • the separator is provided with a material and structure that insulates between both electrodes to prevent electrical shorting between the first electrode 2 and the second electrode 4 in the electrode stack, while allowing the electrolyte to be described below to pass through. It can be.
  • the separator may include a porous polymer substrate; and a porous coating layer located on both sides of the porous polymer substrate and containing inorganic particles and a binder polymer.
  • the porous polymer substrate may be a polyolefin-based porous substrate.
  • the polyolefin porous substrate may be in the form of a film or non-woven web.
  • having a porous structure allows smooth movement of the electrolyte between the anode and the cathode, increases the impregnability of the electrolyte solution of the substrate itself, thereby securing excellent ion conductivity, and prevents an increase in resistance inside the electrochemical device, thereby preventing electrical Performance deterioration of the chemical element can be prevented.
  • any planar porous substrate commonly used in an electrochemical device can be used, and its material or shape can be variously selected according to the purpose.
  • the polyolefin porous substrate may be, but is not limited to, a film or a non-woven web formed of high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, polypropylene, or a mixture of two or more thereof, It is not limited to this.
  • the polyolefin porous substrate may have a thickness of 8 to 30 ⁇ m, but this is merely an example, and a thickness outside the above range may be adopted in consideration of mechanical properties or high rate charge/discharge characteristics of a battery.
  • the nonwoven fabric sheet according to the present invention may be formed of polyethylene (PE), polypropylene (PP), or a mixture of two or more thereof.
  • the nonwoven fabric sheet may be manufactured by fiber spinning.
  • the fiber of the material may be made into a fiber spinning form at a melting point or higher and mixed spinning.
  • the nonwoven fabric sheet may have an elongation of 200 to 400%, more preferably 300 to 400%. If the elongation is less than 200%, the probability of contact between electrodes increases when the nail penetrates, and if it is greater than 400%, the area around the nail penetrates is also elongated, so the barrier property is reduced because the separator is thin. will do
  • a plurality of pores having an average diameter of 0.1 to 10 ⁇ m are formed in the non-woven fabric sheet. If the size of the pores is smaller than 0.1 ⁇ m, smooth movement of lithium ions and/or the electrolyte may not be achieved, and if the size of the pores is larger than 10 ⁇ m, the positive and negative electrodes are separated by the stretching of the nonwoven fabric sheet when the nail penetrates. The effect of the present invention to prevent contact may not be achieved.
  • the non-woven fabric sheet may have a porosity of 40 to 70%. If the porosity is less than 40%, the smooth movement of lithium ions and / or electrolyte may not be achieved, and if the porosity is greater than 70%, the non-woven fabric sheet is stretched during nail penetration to prevent contact between the positive and negative electrodes. The effect of the invention may not be achieved.
  • the nonwoven fabric sheet prepared in this way may have an air permeability of 1 to 20 seconds/100 mL.
  • the non-woven fabric sheet may have a thickness of 10 to 20 ⁇ m, but this is only an example and is not limited thereto. Depending on the permeability of the non-woven fabric sheet, it is possible to adopt a non-woven fabric sheet having a thickness outside the above range.
  • the nonwoven sheet may be bonded to the separator component underlying the nonwoven sheet by lamination.
  • the lamination may be performed at a temperature range of 100 to 150 ° C. When the lamination is performed at a temperature lower than 100 ° C., the lamination effect does not occur, and when the lamination is performed at a temperature higher than 150 ° C., the nonwoven fabric some will melt
  • the separator according to one aspect of the present invention is also a separator in which a layer containing inorganic particles is formed on at least one surface of a film or nonwoven fabric sheet. It has improved resistance to nail penetration when compared to
  • inorganic particles may be bound to each other by the binder polymer in a state in which they are charged and brought into contact with each other, and as a result, an interstitial volume is formed between the inorganic particles to form an interstitial space between the inorganic particles. Stitial volumes can become empty spaces to form pores.
  • inorganic particles that is, inorganic particles that do not undergo oxidation and/or reduction reactions in the operating voltage range of the electrochemical device (eg, 0 to 5V based on Li/Li + ) are further added. and can be used.
  • performance improvement can be achieved by increasing ion conductivity in the electrochemical device.
  • the dissociation degree of an electrolyte salt for example, a lithium salt in the liquid electrolyte may be increased, thereby improving ionic conductivity of the electrolyte solution.
  • the inorganic particles preferably include high dielectric constant inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, preferably 10 or more, inorganic particles having lithium ion transport capability, or a mixture thereof.
  • Non-limiting examples of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more include BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 1 /3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiC or mixtures thereof.
  • the aforementioned BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -Inorganic particles such as PbTiO 3 (PMN-PT) and hafnia (HfO 2 ) not only exhibit high dielectric constant characteristics of 100 or more, but also generate electric charges when they are stretched or compressed by applying a certain pressure, resulting in a potential difference between both sides.
  • PMN-PT PbTiO 3
  • HfO 2 hafnia
  • Inorganic particles having lithium ion transfer ability refer to inorganic particles that contain a lithium element but do not store lithium and have a function of moving lithium ions. Since inorganic particles having lithium ion transfer ability can transfer and move lithium ions due to a kind of defect existing inside the particle structure, the lithium ion conductivity in the battery is improved, thereby improving battery performance.
  • Non-limiting examples of the inorganic particles having the lithium ion transport ability include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3) , lithium aluminum titanium phosphate (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 3), 14Li 2 O-9Al 2 O 3 -38TiO 2 -39P 2 O 5 , such as (LiAlTiP) x O y series glass (0 ⁇ x ⁇ 4, 0 ⁇ y ⁇ 13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ 3 ), lithium germanium thiophosphate ( Li x Ge y P z S w , 0 ⁇ x ⁇ 4
  • the inorganic particle size of the porous coating layer is not limited, but is preferably 0.001 to 10 ⁇ m in order to form a coating layer having a uniform thickness and have an appropriate porosity. If the particle size is less than 0.001 ⁇ m, the dispersibility of the inorganic particles may decrease, and if the particle size exceeds 10 ⁇ m, the thickness of the porous coating layer may increase and mechanical properties may deteriorate, and due to an excessively large pore size, internal short circuit may occur during charging and discharging of the battery. more likely to happen
  • Binder polymers forming the porous coating layer include polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polymethyl polymethylmethacrylate, polybutylacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, ethylene-co-vinyl acetate), polyethylene oxide, polyarylate, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylflurane ( from the group consisting of cyanoethylpullulan, cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan and carboxylmethyl cellulose Any one selected binder polymer or a mixture of two or more of them may be used, but is not limited thereto.
  • PVdF polyvinylidene
  • the composition ratio of the inorganic particles and the binder polymer used in the porous coating layer is preferably in the range of, for example, 50:50 to 99:1, more preferably 70:30 to 95:5. If the content ratio of the inorganic particles to the binder polymer is less than 50:50, the content of the binder polymer increases, and thus thermal stability improvement of the separator may be deteriorated. In addition, the pore size and porosity are reduced due to the decrease in the empty space formed between the inorganic particles, and thus the performance of the final battery may be deteriorated. If the content of the inorganic particles exceeds 99 parts by weight, the peeling resistance of the porous coating layer may be weakened because the content of the binder polymer is too small.
  • the thickness of the porous coating layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.01 to 20 ⁇ m.
  • the pore size and porosity are also not particularly limited, but the pore size is preferably in the range of 0.001 to 10 ⁇ m, and the porosity is preferably in the range of 10 to 90%.
  • the pore size and porosity mainly depend on the size of the inorganic particles. For example, when inorganic particles having a particle size of 1 ⁇ m or less are used, pores formed are also approximately 1 ⁇ m or less. Such a pore structure is filled with an electrolyte solution to be injected later, and the electrolyte solution filled in this way plays a role in ion transfer.
  • the pore size and porosity are less than 0.001 ⁇ m and 10%, respectively, it may act as a resistance layer, and when the pore size and porosity exceed 10 ⁇ m and 90%, respectively, mechanical properties may be deteriorated.
  • the porous coating layer may be formed by dissolving or dispersing a binder polymer in a dispersion medium, adding inorganic particles to obtain a slurry for forming a porous coating layer, coating the slurry on at least one surface of a substrate, and drying it.
  • a dispersion medium it is preferable that the solubility index is similar to that of the binder polymer to be used and the boiling point is low. This is to facilitate uniform mixing and subsequent removal of the dispersion medium.
  • Non-limiting examples of usable dispersion media include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone ( N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), cyclohexane, water or mixtures thereof.
  • the crushing time is appropriately 1 to 20 hours, and the particle size of the crushed inorganic particles is preferably 0.001 to 10 ⁇ m as described above. Conventional methods can be used as a crushing method, and a ball mill method is particularly preferred.
  • the binder polymer dispersion in which the inorganic particles are dispersed is coated on at least one surface of the porous polymer substrate under a humidity condition of 10 to 80% and dried.
  • a conventional coating method known in the art may be used, for example, dip coating, die coating, roll coating, comma Various methods such as coating or mixing methods thereof may be used.
  • additives such as a conductive agent may be further included as components of the porous coating layer.
  • the final manufactured separator according to the present invention may have a thickness of 1 to 100 ⁇ m or 5 to 50 ⁇ m. If the thickness is less than 1 ⁇ m, the function of the separator may not be sufficiently exhibited and mechanical properties may deteriorate, and if the thickness exceeds 100 ⁇ m, the characteristics of the battery may deteriorate during high rate charging and discharging. In addition, it may have a porosity of 40 to 60% and an air permeability of 150 to 300 seconds/100mL.
  • the porous polymer substrate may use a polyethylene or polypropylene series.
  • Al oxide and Si oxide-based coating materials may be used as inorganic particles in the porous coating layer.
  • the porous coating layer is provided on both sides of the porous polymer substrate, a uniform solid electrolyte interface layer can be formed by improving the impregnation performance for the electrolyte solution, and a conventional cross-sectional inorganic material Compared to the coated separator, superior air permeability can be secured. For example, it may be within 120s/100cc. In addition, even when an inorganic porous coating layer is provided on both sides, it is possible to implement a thickness equivalent to that of a conventional single-sided inorganic coating separator. For example, it may be within ⁇ 15.0 ⁇ m.
  • the stability of the separation membrane is improved, so that heat resistance and compression resistance characteristics can be secured. Specifically, it is possible to secure heat resistance with a heat shrinkage of less than 5% based on 180 ° C, and to secure a puncture strength of 550 gf or more, and to secure core deformation during the cycle of a battery employing such a separator. ), damage or penetration of the separator in the stepped portion can be prevented.
  • the first electrode 2 may be an anode
  • the second electrode 4 may be a cathode.
  • each is named as a first electrode and a second electrode.
  • the first electrode 2 may be wound more inside than the second electrode 4 . Accordingly, the first electrode 2 has a shorter radius from the winding axis than the second electrode 4, and thus can have a shorter circumferential length along the winding direction. In this case, the first electrode 2 before winding may have a shorter length in the longitudinal direction than the second electrode 4 before winding.
  • the active materials 22 and 42 may be coated on one or both surfaces of each of the first electrode 2 and the second electrode 4 .
  • the active materials 22 and 42 are coated on the surfaces of the first electrode 2 and the second electrode 4 to store or release ions, thereby participating in an electrode reaction.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode plate and the negative electrode active material coated on the negative electrode plate may be used without limitation as long as they are known in the art.
  • the cathode current collector has a thickness of, for example, 3 to 500 ⁇ m.
  • the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and is, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. , those surface-treated with nickel, titanium, silver, etc. may be used.
  • the electrode current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may have various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
  • a conductive material may be additionally mixed with the positive electrode active material particles. Such a conductive material is added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material, for example.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery, and examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • the negative electrode is manufactured by coating and drying negative electrode active material particles on the negative electrode current collector, and if necessary, components such as the above-described conductive material, binder, solvent, and the like may be further included.
  • the negative current collector has a thickness of, for example, 3 to 500 ⁇ m.
  • the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change to the battery, and for example, the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, copper or stainless steel.
  • an aluminum-cadmium alloy, etc. may be used.
  • fine irregularities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
  • the negative active material may be, for example, carbon such as non-graphitizing carbon or graphite-based carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me'yO z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, Groups 1, 2, and 3 elements of the periodic table, halogens; 0 ⁇ x ⁇ 1;1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8) metal composite oxides; lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloys; tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , oxides such as Bi 2 O 5 ; conductive polymers such as polyacetylene; A Li-Co-Ni
  • the binder polymer usable for the electrode is a component that assists in the binding of the electrode active material particles and the conductive material and the binding to the electrode current collector, for example, in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture containing the electrode active material.
  • binder polymers are polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate), polybutylacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, ethylene-co-vinyl acetate, Polyethylene oxide, polyarylate, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylpullulan, Any one binder selected from the group consisting of cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan and carboxylmethyl cellulose A polymer or a mixture of two or more of them may be used, but is not limited thereto.
  • Non-limiting examples of the solvent used for preparing the electrode include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2 -Pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), cyclohexane, water or mixtures thereof. These solvents provide an appropriate level of viscosity so that a slurry coating layer can be formed at a desired level on the surface of the current collector.
  • the negative electrode may include a current collector; and a negative electrode active material layer located on at least one surface of the current collector and including a negative electrode active material, a binder polymer, and a conductive material, wherein the negative electrode active material layer interviews the current collector and the lower layer region and the negative electrode while interviewing the lower layer region. It consists of an upper layer region extending to the surface of the active material layer, and the lower layer region and the upper layer region may each independently contain at least one of graphite and a silicon-based compound as an anode active material.
  • the lower layer region may include natural graphite as an anode active material, and the upper layer region may include artificial graphite as an anode active material.
  • Each of the lower layer region and the upper layer region may independently further include a silicon-based compound as an anode active material.
  • the silicon-based compound may include at least one of SiO x (0 ⁇ x ⁇ 2) and SiC.
  • a lower layer slurry containing a lower layer negative electrode active material is applied to a current collector and dried to form a lower layer region, and then an upper layer layer containing a negative active material for an upper layer is formed on the lower layer region. It can be prepared by applying and drying a slurry to form an upper layer region.
  • the negative electrode includes the steps of preparing a slurry for a lower layer containing a negative active material for a lower layer and an upper slurry containing a negative electrode active material for an upper layer;
  • Forming an active material layer by simultaneously drying the coated slurry for the lower layer and the slurry for the upper layer;
  • a mixed region (intermixing) in which these different types of active materials are mixed may exist in a portion where the lower layer region and the upper layer region are in contact with each other in the negative electrode.
  • This is to form an active material layer by coating the lower layer slurry containing the lower layer negative electrode active material and the upper layer slurry containing the upper layer negative electrode active material on the current collector simultaneously or continuously with a very short time difference, and then drying at the same time.
  • a predetermined mixing section is generated on the interface where the slurry for the lower layer and the slurry for the upper layer come into contact before drying, and then, while drying, this mixing section is formed in the form of a layer in the mixing area.
  • the weight ratio (or the ratio of the loading amount per unit area) of the upper layer region and the lower layer region is 20:80 to 50:50, specifically 25:75 to 50:50 can
  • the thickness of the lower layer region and the upper layer region of the active material layer of the negative electrode of the present invention may not completely match the thicknesses of the coated slurry for the lower layer and the coated slurry for the upper layer.
  • the thickness ratio of the lower layer region and the upper layer region of the active material layer of the negative electrode of the negative electrode of the present invention finally obtained is the thickness of the coated slurry for the lower layer and the coated slurry for the upper layer. ratio can be matched.
  • the first slurry is coated, and the second slurry is coated on the first slurry at the same time or with a predetermined time difference, and according to one embodiment of the present invention, the predetermined time difference is 0.6 seconds or less, or 0.02 seconds to 0.02 seconds. It may be a time difference of 0.6 seconds, or 0.02 seconds to 0.06 seconds, or 0.02 seconds to 0.03 seconds. Since the time difference between the coating of the first slurry and the second slurry is due to the coating equipment, it may be more preferable to simultaneously coat the first slurry and the second slurry.
  • a method of coating the second slurry on the first slurry may use a device such as a double slot die.
  • the step of forming the active material layer may further include rolling the active material layer after the drying step.
  • the rolling may be performed by a method commonly used in the art, such as roll pressing, and may be performed at, for example, a pressure of 1 to 20 MPa and a temperature of 15 to 30 °C.
  • the step of simultaneously drying the coated slurry for the lower layer and the slurry for the upper layer to form the active material layer may be performed by a method commonly used in the art using a device in which a hot air drying device and an infrared ray drying device are combined.
  • the weight % of the first binder polymer in the solid content of the slurry for the lower layer may be equal to or greater than the weight % of the second binder polymer in the solid content of the slurry for the upper layer.
  • the weight percent of the first binder polymer in the solid content of the slurry for the lower layer is 1.0 to 4.2 times, or 1.5 to 3.6 times the weight percent of the second binder polymer in the solid content of the slurry for the upper layer, or 1.5 to 3 times larger.
  • the binder in the lower layer region is not too small, so the electrode layer is detached does not occur, and since the binder in the upper layer region is not too large, resistance of the upper layer portion of the electrode is reduced and rapid charging performance may be advantageous.
  • the weight percent of the first binder polymer in the solid content of the slurry for the lower layer is 2 to 30% by weight, or 5 to 20% by weight. Or it may be 5 to 20% by weight, and the ratio (wt%) of the second binder polymer to the solid content of the slurry for the upper layer is 0.5 to 20% by weight, or 1 to 15% by weight, or 1 to 10% by weight, or 2 to 5% by weight.
  • a total ratio (wt%) of the first binder polymer and the second binder polymer in the total solid content of the slurry for the lower layer and the slurry for the upper layer may be 2 to 20% by weight or 5 to 15% by weight.
  • the first electrode 2 and the second electrode 4 have a first electrode uncoated portion 21 and a second electrode uncoated portion ( 41) can be provided.
  • the first electrode uncoated portion 21 and the second electrode uncoated portion 41 ( 21) and a first electrode tab 23 and a second electrode tab 43 electrically connected to the second electrode uncoated portion 41 may be provided.
  • Each of the first electrode tab 23 and the second electrode tab 43 may be provided one by one or a plurality of them.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a cylindrical battery including an electrode assembly having a tab structure.
  • the electrode assembly 1 in which the electrode stack is rolled in a jelly roll form is accommodated in a battery can 6 having one side in the axial direction opened.
  • the first electrode tab 23 connected to the first electrode uncoated portion 21 of the electrode assembly 1 is connected to the first electrode terminal 631 provided on the battery can lead 63, so that the first electrode 2 ) to be electrically connected to the battery can lead 63 and the outside.
  • One side surface in the axial direction of the electrode assembly 1 where the first electrode tab 23 protrudes may be covered with an insulating layer 65 .
  • the second electrode tab 43 connected to the second electrode uncoated portion 41 of the electrode assembly 1 is connected to the bottom surface 62 of the battery can, thereby electrically connecting the second electrode to the battery can 6 and the outside. allow it to connect.
  • the battery can lead 63 is connected to the first electrode 2 and the battery can 6 is connected to the second electrode 4, the battery can lead 63 and the battery can 6 )
  • An insulating layer 65 is provided between them to prevent a short circuit.
  • the sidewall 61 of the battery can be provided with a beading portion 64 recessed inward in a radial direction above the electrode assembly 1 .
  • a beading portion 64 By providing such a beading portion 64, the electrode assembly 1 can be stably accommodated in the battery can 6 without vertical clearance.
  • the current path of the first electrode 2 and the second electrode 4 is only the first electrode tab 23 and the second electrode tab 43, so the resistance of this part is very high. High heat may occur, and performance and durability may not be good. Since electrical resistance is proportional to the length of the current path and inversely proportional to the area, it is disadvantageous to reduce resistance if the current path is narrow.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a cylindrical battery including an electrode assembly having a tabless structure.
  • the electrode assembly 1 in which the electrode stack is rolled in a jelly roll form is accommodated in a battery can 6 having one side in the axial direction opened.
  • a first electrode uncoated portion 21 and a second electrode uncoated portion 41 protrude from both sides of the electrode assembly 1 in the axial direction, and the first electrode uncoated portion 21 and the second electrode uncoated portion ( 41) are connected to the current collector plate 5, respectively. At this time, the first electrode uncoated portion 21 and the second electrode uncoated portion 41 are bent in a radial direction to be bonded to the first electrode current collector plate 51 and the second electrode current collector plate 52. It can be arranged to improve performance.
  • the first electrode collector plate 51 connected to the first electrode uncoated portion 21 is connected to the first electrode tab 23, and the first electrode tab 23 connects to the battery through the first electrode terminal 631.
  • the first electrode can be electrically connected to the outside.
  • the second electrode collector plate 52 connected to the second electrode uncoated portion 41 is connected to the bottom surface 62 of the battery can so that the second electrode can be electrically connected to the battery can 6 and the outside.
  • the battery can lead 63 is connected to the first electrode 2 and the battery can 6 is connected to the second electrode 4, the battery can lead 63 and the battery can 6 )
  • An insulating layer 65 is provided between them to prevent a short circuit.
  • the top and side surfaces of the first electrode collector plate 51 are covered with an insulating layer 65.
  • the sidewall 61 of the battery can be provided with a beading portion 64 recessed inward in a radial direction above the electrode assembly 1 .
  • a beading portion 64 By providing such a beading portion 64, the electrode assembly 1 can be stably accommodated in the battery can 6 without vertical clearance.
  • first electrode uncoated portion 21 and the second electrode uncoated portion 41 are bent in the radial direction to improve bonding performance with the current collector plate 5, the second electrode 4 and the second electrode uncoated portion 41, respectively. Stability is also weak because there is a possibility of causing a short circuit with the axial end of the first electrode (2).
  • a current interrupt device (CID) and/or a venting structure may be applied to the lid 63 together.
  • the structure in which the first electrode uncoated portion 21 is bent in the radial direction and the current collector plate 5 is welded thereon prevents the internal pressure of the battery can 6 from fully acting on the CID, , obscuring the venting structure, etc., can affect cell performance.
  • the present invention has the effect of reducing the resistance of the tabless structure and improving the space utilization on the side of the second electrode, while taking advantage of the space utilization of the tab structure on the side of the first electrode that can sufficiently reduce resistance even without the tabless structure. and an improved electrode assembly structure that takes stability against short circuit.
  • both surfaces of the first electrode 2 and the second electrode 4 are coated with active materials 22 and 42 .
  • a first electrode uncoated portion 21 is provided in a portion of the longitudinal direction (X) of the interior (a section where the active material is applied in the axial direction (Y)), and the first electrode uncoated portion 21 is provided.
  • a first electrode tab 23 connected to 21 protrudes to one side of the first electrode 2 in the width direction (axial direction after winding).
  • the second electrode 4 has a second electrode uncoated portion 41 provided and exposed at the other end in the width direction.
  • the first electrode uncoated portion 21 and the first electrode tabs 23 may be provided alone or in plural. When a plurality of first electrode tabs 23 are provided, a current path of the first electrode 2 may be widened, thereby reducing resistance. As will be described later, the plurality of first electrode tabs 23 may be formed such that at least a partial area overlaps each other after winding and is electrically connected to form one tab. This structure makes the connection between the first electrode tab 23 and the lead 63 more convenient.
  • the number of first electrode tabs 23 may be determined as the minimum number at which a resistance value measured in a path leading to the first electrode 2 may fall below a predetermined resistance value. For example, when two first electrode tabs 23 are used, if the measured resistance value is less than a predetermined resistance value, it is enough to use two first electrode tabs 23, and it is not necessary to use more than three first electrode tabs 23.
  • the first electrode uncoated portion 21 and the first electrode tab 23 may be provided at appropriate locations to minimize a current path of the first electrode 2 .
  • the first electrode uncoated portion 21 and the first electrode tab 23 are the first electrode
  • (2) is divided along the width direction so that it is divided into three parts in the longitudinal direction (winding direction), it may be provided at a position avoiding both zones of both ends in the longitudinal direction.
  • the first electrode uncoated portion 21 and the first electrode tab 23 are provided at two locations, respectively, the first electrode uncoated portion 21 and the first electrode tab 23 are When the first electrode 2 is divided along the width direction so that the first electrode 2 is divided into four equal parts in the longitudinal direction (winding direction), one may be provided in each of two zones avoiding both zones of both ends in the longitudinal direction. Even when the first electrode uncoated portion 21 and the first electrode tab 23 are provided at three or more locations, they may be appropriately disposed in a similar manner to the above.
  • the number of first electrode tabs 23 is minimized, and even if the location of the first electrode tab 23 is appropriately selected, if the measured resistance value is higher than the predetermined resistance value due to the selection of the corresponding location, the first electrode tab ( The number of first electrode tabs 23 can be minimized by increasing the number of first electrode tabs 23 by one more and appropriately selecting the location of the first electrode tabs 23 .
  • the second electrode uncoated portion 41 may be provided at the other end of the second electrode 4 in the width direction in a continuous form in the longitudinal direction as shown in FIG. 5, or intermittently notched in the longitudinal direction as shown in FIG. It may also be provided in the form of The notching may be for bending the second electrode uncoated portion 41 to be described later.
  • the first electrode 2 and the second electrode 4 as described above may be stacked and wound with the separator 3 interposed therebetween to form a jelly roll type electrode assembly.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which a first electrode is connected to the first electrode and a second electrode is provided with an uncoated portion protruded and bent to the other side in the axial direction, and FIG. An electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which a current collecting plate is connected to the second electrode uncoated portion.
  • the second electrode uncoated portion 41 may protrude toward the other axial side of the electrode assembly 1 compared to the first electrode 2 and the separator 3 .
  • the second electrode uncoated portion 41 may be bent in a radial direction.
  • the radial direction is a concept that includes both the centrifugal and centripetal directions.
  • the second electrode uncoated portion 41 may be bent in a centripetal direction.
  • the second electrode non-coated portion 41 provides a flat surface at the other side in the axial direction, thereby improving bonding performance in bonding with the current collector plate 5 or the bottom surface 62 of a battery can, which will be described later.
  • the current path can be further widened to lower the resistance.
  • a current collecting plate 5 may be connected to a surface of the bent second electrode uncoated portion 41 .
  • the stability of assembly and bonding can be improved.
  • the first electrode tab 23 protrudes to one side in the axial direction compared to the second electrode 4 and the separator 3 even in a wound state.
  • they may form one tab that is electrically connected by being overlapped with each other. As a result, a current path may be widened and resistance may be reduced.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which the axial length of the first electrode is shorter than the axial length of the second electrode.
  • this short circuit can be prevented by allowing the separator 3 to protrude in both axial directions from the first electrode 2 and the second electrode 4, but the second electrode according to the embodiment of the present invention
  • the second electrode uncoated portion 41 protrudes to the other side in the axial direction compared to the separator 3, and it is difficult to prevent this.
  • the first electrode 2 may be formed shorter than the second electrode 4 in its axial length.
  • the other end of the first electrode 2 in the axial direction is positioned deeper into the separator 3, so that the separator 3 insulates between the second electrode uncoated portion 41 and the first electrode 2. Doing so reduces the chance of a short circuit.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing an electrode assembly according to an embodiment of the present invention in which the distance between one end of the active material-coated region in FIG. 9 in the axial direction is shorter than the distance between the other end in the axial direction of the first electrode and the second electrode. .
  • the distance between one axial end of the first electrode 2 and one axial end of the second electrode 4 is the distance between the other axial end of the first electrode 2 and the second electrode 4 ), the second electrode uncoated portion 41 may be provided shorter than the distance between the starting positions.
  • the first electrode 2 has a tab structure, so the risk of short circuit is small unlike the tabless structure. Since the first electrode 2 is not bent and not pressed separately, and the first electrode tab 23 can be insulated, compared to the case where the second electrode uncoated portion 41 is bent, it is short-circuiting. The risk is remarkably low. Therefore, in the portion where the first electrode tab 23 protrudes, the distance between the axial ends of the first electrode 2 and the second electrode 4 can be narrowed, thereby improving space utilization and increasing capacity.
  • the first electrode 2 has one end in the axial direction positioned parallel to or inward from the end in the axial direction of the second electrode 4, that is, its height is It may be provided to be equal to or lower than the height of one end of the second electrode 4 in the axial direction. This is because the other axial end of the first electrode 2 is located relatively inward compared to the other axial end of the second electrode 4 on the other axial side where the second electrode uncoated portion 41 is located. Unlike avoiding a short circuit with the second electrode 4, one axial end of the second electrode 4 may be provided lower or more inward avoiding the axial end of the first electrode 2. This is because space utilization can be improved and capacity can be increased by not protruding the end of the first electrode 2 toward one side in the axial direction, while the necessity is low.
  • an electrode stack in which a first electrode 2, a separator 3, a second electrode 4, and a separator 3 are sequentially stacked is wound around a winding axis. It is manufactured by winding in the direction (longitudinal direction), wherein the first electrode 2 is an anode, the second electrode 4 is a cathode, and the first electrode 2 is divided into four parts in the longitudinal direction.
  • first electrode tabs 23 are electrically provided on each of the first electrode uncoated portions 21 provided in two areas avoiding the areas at both ends in the longitudinal direction, respectively.
  • the first electrode tab 23 protrudes to one side in the width direction (axial direction)
  • the second electrode 4 is longer than the first electrode 2
  • the second electrode (4) is provided with a second electrode uncoated portion 41 intermittently notched in the longitudinal direction (winding direction) along the other end in the width direction, and the second electrode uncoated portion 41 is the second electrode uncoated portion 41.
  • the first electrode tabs 23 are of the electrode assembly 1. It protrudes to one side in the axial direction and overlaps each other to form one tab.
  • the second electrode uncoated portion 41 is bent in the centripetal direction to form a flat surface, and the second electrode uncoated portion 41 is bent to form a flat surface.
  • the current collector plate 5 may be welded to the surface.
  • the present invention also provides a structure of a cylindrical battery cell including the improved electrode assembly.
  • 11 and 12 are cross-sectional views of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention in which one side of an electrode assembly in an axial direction is covered with an insulating layer and only a part of a first electrode tab is covered with an insulating layer according to an embodiment of the present invention. It is a cross-sectional view of the cylindrical battery according to the example.
  • a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention includes a battery can 6 with one side in an axial direction opened, and the electrode assembly 1 has a second electrode uncoated portion 41. It may be manufactured to be accommodated in the battery can 6 so as to face the bottom surface 62 of the battery can 6 .
  • the second electrode uncoated portion 41 is electrically connected to the battery can bottom surface 62, and at this time, a current collector plate ( 5) may be intervened. At this time, the second electrode uncoated portion 41 may be directly connected to the bottom surface 62 of the battery can without the current collector 5, thereby improving space utilization and increasing capacity.
  • a beading portion 64 in which the sidewall 61 of the battery can 6 is recessed inward to fix it onto the electrode assembly 1 is provided.
  • a battery is provided on the beading portion 64 and is fixed in a crimping manner with the battery can 6 and an insulating layer 65 interposed therebetween, and covering one side opening in the axial direction of the battery can 6 A can lead is provided.
  • the first electrode tab 23 may protrude toward one side of the electrode assembly 1 in the axial direction and be connected to the battery can lid 63 through the first electrode terminal 631 .
  • the first electrode terminal 631 may be provided electrically connected to the lead 63 separately, or may be provided as a part of the lead 63, and the lead 63 itself may be provided as the first electrode terminal. (631).
  • a current interrupt device (CID) and/or a venting structure may be applied to the lead 63 together.
  • the lead 63 may be electrically connected to the first electrode terminal 631 through a current interrupt device (CID) and/or a venting structure.
  • one side surface of the electrode assembly 1 in the axial direction may be covered with the insulating layer 65 while protruding the first electrode tab.
  • the insulating layer 65 may interfere with the second electrode 4 and the first electrode tab 23 other than between the battery can lead 63 and the battery can 6. It may be provided to cover a portion where the first electrode tab 23 is located, preferably to cover a boundary portion protruding from the jelly roll portion of the electrode assembly 1 . By doing this, space utilization is improved and capacity can be increased compared to the method of covering the entire one side of the electrode assembly 1 as shown in FIG. 11 .
  • the electrode assembly 1 according to the embodiment of the present invention is accommodated with the second electrode uncoated portion 41 downward in a battery can with an open top, and the The second electrode uncoated portion 41 is electrically connected to the bottom surface 62 of the battery can 6, and the first electrode tab is connected to the battery can lid 63 covering the top of the battery can 6. It is electrically connected to the lead 63 through the provided first electrode terminal 631, and the portion where the first electrode tab 23 is likely to cause a short circuit with the second electrode 4 and the lead 63 ) and the battery can 6 may be covered with an insulating layer 65.
  • the bottom surface 62 of the battery can 6 may have a structure slightly more concave than the lower end of the sidewall 61 of the battery can 6 .
  • the recessed portion When the recessed portion is welded to the second electrode uncoated portion 41, it can be welded by irradiating a laser to the bottom surface of the bottom surface 62, and the recessed structure of the bottom surface 62 is Prevent damage from contacting the ground.
  • the first electrode terminal 631 may be provided with a structure of a vent 633 having reduced rigidity, such as a notched groove. Referring to FIG. 13 , in contrast to FIG. 4 , it can be seen that a portion of the electrode assembly 1 to which the active material is applied right up to the beading portion 64 is provided, thereby increasing the energy density.
  • the insulating layer 65 crimped together with the lead 63 extends in the axial direction and covers the inner circumference around the beading portion.
  • the inner circumferential surface of the insulating layer 65 guides the electrode tabs 23 to gather radially inward, ensuring that the electrode tabs 23 do not come into contact with the sidewall 61 of the battery can 6.
  • An electrolyte for battery reaction may be filled in the cylindrical battery can 6 .
  • the electrolyte may be a salt having a structure such as A + B - .
  • a + includes alkali metal cations such as Li + , Na + , and K + or ions made of combinations thereof.
  • B - is F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH
  • the electrolyte can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • organic solvent propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate, DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (N- Methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone ( ⁇ -butyrolactone) or mixtures thereof may be used.
  • PC propylene carbonate
  • EC ethylene carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • DPC dipropyl carbonate
  • dimethyl sulfoxide acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofur
  • FIG. 14 shows another embodiment of the electrode assembly 1 . 5 and 6, when the electrode tab 23 is connected to the area where the active material is applied in the axial direction, due to the thick electrode tab 23, the circumferential area where the electrode tab 23 is disposed The radial thickness of the jelly-roll becomes thicker than other areas.
  • a structure in which a plurality of electrode tabs 23 are disposed at different positions in the circumferential direction is exemplified.
  • the plurality of electrode tabs 23 are disposed at different positions in the circumferential direction, it is preferable to arrange them at substantially equal intervals in the circumferential direction. For example, when three electrode tabs 23 are provided as shown, the angle between them may be around 120 degrees.
  • the radial distances of the plurality of electrode tabs 23 located from the center of the electrode assembly 1 may also be different from each other as shown. This has already been described in relation to position selection of the electrode tab 23 in FIGS. 5 and 6 above.
  • a radial distance between the plurality of electrode tabs 23 may gradually decrease from the centripetal to the centrifugal. For example, if the radii of the electrode tabs disposed from the most centripetal side to the centrifugal side are r1, r2, r3, and r4, then (r2-r1) > (r3-r2) > (r4-r3) may have the same relationship.
  • All of the plurality of electrode tabs 23 are elastically deformed in the centripetal direction so that some areas may overlap each other. these at once.
  • the leads 63 may be sequentially welded.
  • the first electrode 2 includes a first electrode uncoated portion 21 on one side in the axial direction, to which the active material 22 is not applied.
  • a plurality of first electrode tabs 23 are fixed to and electrically connected to the first electrode uncoated portion 21 .
  • the second electrode 4 has a second electrode uncoated portion 41 to which the active material 42 is not applied on the other side in the axial direction.
  • the extension length of the second electrode uncoated portion 41 in the axial direction gradually or stepwise increases from the centripetal to the centrifugal.
  • the second electrode uncoated portion 41 may be provided in the form of a notching tab, and the base end of this notching tab may be bent and laid in a radial direction.
  • the most centripetal side and the most centrifugal side may not be provided with notching tabs. Areas where notching tabs are not provided are not bent. The distal one turn can be removed to prevent unintentional deformation of the notched tab during manufacturing.
  • the first electrode tab 23 does not extend in the area where the first electrode active material 22 is applied in the width direction (Y). Then, even if the electrode assembly 1 is constituted by winding the first electrode 2, the second electrode 4, and the separator 3, the active material in which the first electrode tab 23 is tightly adhered in the radial direction ( 22, 42) not intervening in the application area. Then, even if the radius of the jelly-roll repeats expansion and contraction during the charging and discharging process, there is no area where excessive pressure is applied, and thus deterioration can be prevented.
  • first electrode uncoated portion 21 is provided in a form elongated in the longitudinal direction.
  • the risk of short circuit increases, and if the first electrode uncoated portion 21 is too short, it may be disadvantageous in securing a bonding area with the first electrode tab 23.
  • the height of the first electrode uncoated portion 21 is higher only in the region where the first electrode tab 23 is coupled, and the first electrode uncoated portion 21 is kept short in the other region. structure is initiated. In this way, if the height of the first electrode uncoated portion 21 is reduced, the first electrode uncoated portion 21 may not protrude more outward than the separation membrane 3 .
  • the first electrode tabs 23 may be arranged. Therefore, since the first electrode tabs 23 are disposed outside the active material coating layer in the jelly-roll, there is no need to distribute them in the circumferential direction.
  • first electrode tabs 23 in the shape of a plate material are disposed substantially parallel to each other, they may be bent side by side. Therefore, welding with the lead 63 and handling after welding the lead 63 are both easy, in contrast to the case where the plurality of first electrode tabs 23 are distributed in the circumferential direction. In particular, although they are spaced apart from each other in the radial direction, since they are arranged on the same radial line, they still enjoy the effect of reducing internal resistance.
  • the position where the first electrode tab 23 is to be provided is such that the first electrode uncoated portion 21 protrudes to one side in the axial direction, and the first electrode uncoated portion 21 is formed as shown in FIGS. 16 and 17 It is provided higher in a certain section or provided only in a certain section, but the first electrode uncoated portion 21 of the section protrudes to one side in the axial direction, and if the section is set wide by reflecting the winding deviation, first, the electrode assembly (1 ) is wound, and then the first electrode tab 23 is contact-connected to the first electrode uncoated portion 21 protruding in the axial direction, so that the position of the first electrode tab 23 in the circumferential direction can be accurately aligned. do.
  • the insulating layer 65 can be formed to include only the corresponding area, and the It is easy to install, and various advantages such as firmly contacting the first electrode tab 23 to the first electrode uncoated portion 21 through the insulating layer 65 can be enjoyed.
  • This structure of the plurality of first electrode tabs 23 reduces the area of the lead 63 that must be left empty for welding with the first electrode tabs 23 even though the plurality of first electrode tabs 23 are applied. Since it can be minimized and its position can also be determined as a part extending in the radial direction from one position in the circumferential direction (the dotted-dot chain line display area in FIGS. 18 and 19), the plurality of first electrode tabs 23 are lead While connecting to (63), it is convenient to apply CID or vent to lead (63).
  • FIG. 20 is an exploded view of the second electrode 4 in which an insulating coating layer 44 is additionally coated on the second electrode uncoated portion 41 .
  • FIG. 21 is an enlarged view of a state in which the second electrode uncoated portion 41 coated with the insulating coating layer of FIG. 20 is wound and then bent.
  • the insulating coating layer 44 reinforces rigidity near the proximal end of the second electrode uncoated portion 41 . Accordingly, in order to weld the second electrode uncoated portion 41, the second electrode uncoated portion 41 is axially forced by the second electrode collector plate 52 or the bottom surface 62 of the battery can 6. , the proximal end of the second electrode uncoated portion 41 may not buckle.
  • the insulating coating layer 44 provides bending resistance in a process of bending the second electrode uncoated portion 41 in the radial direction. Accordingly, when the second electrode uncoated portion 41 is bent in the radial direction, the section where the insulating coating layer 44 is coated is hardly deformed, and the deformation mainly occurs in the section where the insulating coating layer 44 is not coated. can be made
  • the insulating coating layer 44 covers a predetermined section from the boundary between the coated portion of the second electrode active material 42 and the second electrode uncoated portion 41 toward the end of the second electrode uncoated portion 41 .
  • the insulating coating layer 44 starts from the inner side of the end of the separator 3 in the axial direction and extends further outward than the separator 3 in the axial direction.
  • the insulating coating layer 44 covers the boundary between the coated portion of the second electrode active material 42 and the second electrode uncoated portion 41, it also covers the minute section of the end of the coated portion of the second electrode active material 42.
  • a region where deformation occurs the most due to buckling may be a boundary region between the coated portion of the second electrode active material 42 and the second electrode uncoated portion 41 . Since the insulating coating layer 44 covers the minute section of the end of the coated portion of the second electrode active material 42 at the boundary, It greatly increases the buckling resistance of the boundary area.
  • the insulating coating layer 44 may be coated with a constant thickness or may vary in thickness in an axial direction. 21 shows a structure in which the thickness of the insulating coating layer 44 gradually increases in a glide section (a section in which the thickness becomes thinner) formed at the end of the negative electrode active material.
  • a thickness of the insulating coating layer 44 may be thinner than a thickness of the anode active material layer. Accordingly, as shown, the coating portion of the second electrode active material 42 is in close contact with the separator 3 in the radial direction, but the insulating coating layer 44 is spaced apart from the separator 3 to some extent or even in contact with the separator 3. adhesion may not be possible.
  • the second electrode uncoated portion 41 has a section in which deformation is allowed without affecting the separator 3 by the distance between the insulating coating layer 44 and the separator 3 .
  • the process of welding the second electrode uncoated portion 41 to the second electrode collector plate 52 or the bottom surface 62 of the battery can 6 It is possible to protect the separator 3 from welding heat by preventing heat generated from being directly conducted to the separator 3 through the insulating coating layer 44 .
  • the axial protrusion height of the separator 3 can be shortened due to the insulating coating layer 44, the distance from the position where welding heat is generated to the axial end of the separator 3 can also be made longer, The effect of protecting the separator 3 from welding heat can be increased.
  • the insulating coating area of the second electrode uncoated portion 41 coated with the insulating coating layer 44 also has a cylindrical curved surface.
  • the cylindrical curved surface has resistance to bending by its shape itself.
  • the insulating coating region has a thicker cylindrical curved surface, when bending the region provided on the upper portion of the cylindrical curved surface in the radial direction, the insulating coating region provides higher bending resistance. Accordingly, bending is induced in a portion of the second electrode uncoated portion 41 where the insulating coating is not applied.
  • the thickness of the insulating coating layer 44 is thinner than the thickness of the negative electrode active material layer, so that the surface of the insulating coating layer 44 is spaced apart from the separator 3 in the radial direction, so that the separator ( Even without the support of 3), the bending resistance can be sufficiently exhibited.
  • the front end of the insulating coating layer 44 is coated to maintain a slight gap G with the bent portion F of the second electrode uncoated portion 41 . This exerts an effect of inducing the second electrode uncoated portion 41 to be bent at the bending portion F.
  • the second electrode uncoated portion 41 is deformed from the insulating coating layer 44 with a slight gap G therebetween, it is possible to prevent the insulating coating layer 44 from being damaged due to the bending process of the uncoated portion.
  • FIG. 22 and 23 are perspective views of a battery pack including cylindrical battery cells according to the present invention and a perspective view of a vehicle including the battery pack of FIG. 22 .
  • the electrode assembly and the cylindrical battery cell (C) according to the present invention may also be applied to a battery pack (P) including the same and a vehicle (V) including the battery pack (P). Since the implementation of the battery pack P and the vehicle V is already known to those skilled in the art, a separate description is not provided herein.

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Abstract

본 발명은, 제1전극(양극)은 탭 구조를 갖고, 제2전극(음극)은 탭리스 구조를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 전지에 관한 것이다. 제1전극(2)은 탭 구조를 가지며, 제2전극(4)은 탭리스 구조를 가진다. 즉, 전극 조립체(1)의 축방향 일측으로는 제1전극 탭(23)이 돌출되고, 축방향 타측으로는 제2전극 무지부(41)가 노출된다. 상기 전극 조립체(1)는 전지 캔(6)에 수용되어 상기 제1전극 탭(23)은 상기 전지 캔(6)의 리드(63)에, 상기 제2전극 무지부(41)는 상기 전지 캔(6)에 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 제1전극(2)의 축방향 길이는 상기 제2전극(4)의 축방향 길이보다 짧고, 상기 제1전극(2)과 상기 제2전극(4)의 축방향 일측 단부 간의 거리는 상기 제1전극(2)의 축방향 타측 단부와 상기 제2전극(4)에서 무지부(21, 41)가 시작하는 거리보다 작다. 상기 제1전극 탭(23)은 상기 제2전극(4)과 간섭이 일어날 가능성이 있는 부분만이 절연처리될 수 있다.

Description

저항이 감소된 원통형 전지
본 출원은 2021년 12월 1일자 대한민국 특허출원 제10-2021-0169768호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 젤리롤 형태의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지에 관한 것이다. 구체적으로는, 양극과 음극을 각각 탭 구조와 탭리스 구조로 달리하는 원통형 전지 구조에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형, 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 원통형 배터리 셀의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리 셀에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
18650의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리 셀은 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 대용량의 원통형 배터리 셀은, 내부저항이 클 경우 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리 셀이 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 시도들이 있어왔다. 대표적으로, 전극 탭의 수를 복수 개로 늘려 전류 경로를 넓히는 방법과, 전극 탭의 위치를 권취 전을 기준으로 전극의 가운데 쪽으로 배치하여 전류 경로를 짧게 만드는 방법이 있다. 전기 저항은 전류가 흐르는 경로의 면적에 반비례하고 그 길이에 비례하는 성질이 있기 때문에, 이러한 방법으로 전기 저항을 줄일 수 있다.
도 3은 탭 구조를 가진 젤리롤 형태의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 단면도이다. 양극(2)과 음극(4) 모두에서, 전류는 각 양극(2) 및 음극(4)에 1개소 또는 2개소 이상 마련된 양극 탭(23) 또는 음극 탭(43)만을 통하여 전지 캔 리드(63) 또는 전지 캔(6)과 연결된다. 이 경우 전류 경로의 면적이 좁아 저항이 크다.
도 1 및 도 2는 탭 구조를 가진 젤리롤 형태의 전극 조립체를 이루는 양극과 음극의 권취 전 모습을 나타낸다. 이들 도면을 참조하면, 양극(2)은 음극(4)에 비하여 길이가 짧고, 2개의 양극 탭(23)이 양극(2)의 중간부에 위치한다. 이에 비하여, 음극(4)은 양극(2)에 비하여 상대적으로 반경방향 외측으로 권취되어 양극(2)에 비하여 길이가 길고, 제조공정상 음극 탭(43)이 양끝에 위치할 수밖에 없다. 이에 따라, 양극(2)은 전류 경로의 길이를 줄이는 방법으로 저항을 크게 감소시킬 수 있지만, 특히 음극(4)의 경우 저항을 감소시킬 다른 방법이 절실하다.
저항을 감소시키기 위하여 고안된 또 다른 방법은 전극 탭을 이용하지 않는 탭리스 구조의 젤리롤 전지이다. 도 4는 탭리스 구조를 가진 젤리롤 형태의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 단면도이다. 이를 참조하면, 양극(2)의 축방향 일측으로 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부(21)가 돌출되고, 음극(4)의 축방향 타측으로 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부(41)가 돌출된다. 각 무지부(21, 41)들은 집전판(5)에 용접되어 그 전체로서 전극 탭의 기능을 한다. 이로써 전류 경로의 면적이 넓어져 저항을 획기적으로 줄일 수 있다. 이 때, 상기 각 무지부(21, 41)는 상기 집전판(5)과의 용접 특성 향상을 위하여 반경방향으로 절곡되어 평평한 면을 형성하도록 할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 탭리스 구조는 상기 무지부(21, 41)를 집전판(5)에 용접시키는 과정 또는 용접 특성 향상을 위하여 상기 무지부(21, 41)를 절곡시키는 과정에서 음극과 양극 간의 단락이 일어날 가능성이 높다. 또한, 탭리스 구조는 양극 집전판과 전지 캔 사이를 절연시키기 위한 절연층(65)을 추가로 필요로 하고, 양극 무지부(21)와 집전판(5)의 두께만큼 전지 캔의 축방향 길이를 더 필요로 하게 되어, 전지 용량이 줄어들 수밖에 없는 문제가 있다.
한편, 젤리롤 형태의 전극 조립체에서 탭이 연결된 부분의 두께는, 탭이 연결되지 않은 부분보다 두꺼워진다. 이에 따라 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체에서 둘레방향으로 탭이 위치하는 부위에서의 젤리롤의 반경은, 탭이 위치하지 않는 부위에서의 젤리롤의 반경보다 크다. 이러한 반경의 차이로 인해, 셀이 충전과 방전을 반복하는 과정에서 탭이 위치하는 부위가 그렇지 않은 부위보다 반경방향으로 더 많은 압력을 받게 되어 권심중공부가 무너지거나 부착되었던 층들이 탈리되는 등의 열화가 더욱 빠르게 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 안출된 것으로서, 양 전극 중 탭 구조의 개선만으로는 저항을 감소시키는 것에 한계가 있는 제2전극의 저항을 감소시킬 수 있는 젤리롤 형태의 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 전지의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 한편으로는, 구조 및 제조 공정을 최대한 단순화함으로써 공간 활용성을 제고하고 용량을 증대할 수 있는 경제적인 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 전지의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 과도한 절연 처리를 부가하지 않고도 제1전극과 제2전극 간의 단락이 일어날 가능성을 최소화할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 전지의 구조를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은, 저항을 감소시키기 위해 하나 또는 둘 이상의 탭을 사용함에 있어서 탭의 두께로 인해 셀의 열화가 진행되는 현상을 최소화할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 전지 구조를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한, 상기 개선된 원통형 전지 셀을 포함하는 배터리 팩 및 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제1전극, 제2전극, 및 분리막이 적층된 전극 적층체를 권취하여 상기 제1전극과 제2전극이 서로 분리막을 개재하며 반경방향으로 교대로 적층되는 구조의 젤리롤 형태의 전극 조립체를 구성함에 있어, 상기 제1전극에는 활물질이 코팅되지 않은 제1전극 무지부가 마련되고, 상기 제1전극 무지부에 전기적으로 연결된 제1전극 탭이 상기 전극 조립체의 축방향 일측으로 돌출되며, 상기 제2전극의 축방향 타측 단부에는 활물질이 코팅되지 않은 제2전극 무지부가 마련되어 탭의 역할을 하는 전극 조립체의 구조를 제공한다.
상기 제1전극 무지부는 축방향으로 활물질이 코팅된 영역과 대응하는 영역에 마련될 수 있다.
상기 제1전극 무지부는 활물질이 코팅된 영역의 축방향 단부에서 축방향 외측으로 더 연장된 형태로 마련될 수 있다.
상기 제1전극 무지부는 길이방향 전체 또는 길이방향의 일부에 마련될 수 있다.
상기 제1전극 무지부 및 상기 제1전극 탭은 하나만 마련될 수도 있고, 복수 개 마련될 수도 있다.
상기 복수 개 마련된 제1전극 탭은 서로 포개어져 전기적으로 연결된 하나의 탭을 구성할 수 있다.
상기 하나의 제1전극 탭은 상기 제1전극의 권취방향 양단부를 회피한 위치에서 상기 제1전극과 연결될 수 있다.
상기 둘 이상의 제1전극 탭은 상기 제1전극의 권취방향 양단부 및 중앙부를 회피한 위치에서 상기 제1전극과 연결될 수 있다.
상기 제1전극 탭이 하나만 마련되는 경우, 전류 경로 증가로 인한 저항 증가를 막기 위하여 상기 제1전극이 권취방향으로 3등분되도록 이를 폭방향을 따라 분할하였을 때 상기 권취방향 양단부의 양 구역을 회피한 위치에서 상기 제1전극과 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.
상기 제1전극 탭이 둘만 마련되는 경우, 전류 경로 증가로 인한 저항 증가를 막기 위하여 상기 제1전극이 권취방향으로 4등분되도록 이를 폭방향을 따라 분할하였을 때 상기 권취방향 양단부의 양 구역을 회피한 가운데 2개 구역에 상기 제1전극 탭이 각각 하나씩 위치하여 상기 제1전극과 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 상기 제1전극 탭이 셋 이상 마련되는 경우에도 위와 비슷한 방법으로 이를 배치하여 전류 경로를 줄일 수 있다.
이러한 제1전극 탭 배치 방법에 따라, 복수 개의 상기 제1전극 탭은 반경방향으로 서로 다른 반경 위치에 배치될 수 있다.
복수 개의 상기 제1전극 탭이, 축방향으로 활물질이 코팅된 영역과 대응하는 영역에 연결된 전극 조립체에서, 복수 개의 상기 제1전극 탭이 배치된 원주방향 위치는 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
복수 개의 상기 제1전극 탭이, 활물질이 코팅된 영역의 축방향 단부에서 축방향 외측으로 더 연장된 제1전극 무지부에 연결된 전극 조립체에서, 복수 개의 상기 제1전극 탭이 배치된 원주방향 위치는 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
상기 제1전극 탭은 상기 전극 적층체가 권취된 상태에서 서로 연결되기 용이하도록 적절한 위치에서 상기 제1전극과 연결될 수 있다.
상기 제2전극 무지부는 상기 제2전극의 축방향 타측 단부에서 권취방향으로 연속적인 형상으로 마련될 수 있으며, 권취방향으로 단속적으로 노칭된 형상으로 마련될 수도 있다.
상기 제2전극 무지부는 축방향으로 돌출되는 높이가 연속적으로 또는 단속적으로 증가할 수 있다.
상기 제2전극 무지부는 후술할 집전판 또는 전지 캔 바닥면과의 용접 성능 향상을 위하여 반경방향으로 절곡될 수 있다.
상기 제2전극 무지부에는 집전판이 결합될 수 있다. 가령, 상기 반경방향으로 절곡된 제2전극 무지부의 표면에 집전판이 용접을 통하여 결합될 수 있다.
상기 제2전극 및 분리막은 상기 제1전극보다 그 축방향 길이가 길 수 있다.
상기 제1전극의 축방향 일측 단부는 상기 제2전극의 축방향 일측 단부에 비하여 더 낮게 위치할 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극의 각 축방향 일측 단부 간의 거리는 상기 제1전극의 축방향 타측 단부와 상기 제2전극의 무지부가 시작되는 지점 간의 거리보다 짧을 수 있다.
본 발명은 상기 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 구조 역시 제공한다.
상기 원통형 전지는, 축방향 일측면이 개방된 원통형 전지 캔을 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체는 상기 제2전극 무지부가 상기 전지 캔 바닥면을 향하도록 상기 전지 캔에 수용될 수 있고 상기 제2전극 무지부는 상기 전지 캔 바닥면과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1전극 탭은 상기 전지 캔의 상부를 커버하는 전지 캔 리드(캡)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전지 캔 측벽에는, 상기 전극 조립체의 축방향 일측 단부와 상기 전지 캔 리드 사이의 전지 캔 측벽을 반경방향 내측으로 함입시킨 비딩부가 마련될 수 있다.
상기 제1전극 탭 부위에는 상기 제1전극 탭을 상기 전지 캔 및 상기 제2전극으로부터 절연시키는 절연층이 마련될 수 있다.
상기 절연층은 상기 전극 조립체의 축방향 일측면을 커버하고, 상기 제1전극이 이를 관통하여 상기 전지 캔 리드와 연결되도록 마련될 수 있다.
상기 절연층은 상기 제1전극 탭에서 상기 제2전극에 인접하는 부위에 마련될 수 있다.
상기한 과제 해결 수단은 상기 원통형 전지 셀을 포함하는 배터리 팩 및 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다. 이러한 배터리 팩 및 자동차에 관하여는 이미 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로 본 명세서에서는 설명을 생략한다.
본 발명은, 양 전극 중 탭 구조의 개선만으로는 저항을 감소시키는 것에 한계가 있는 제2전극에 탭리스 구조를 적용함으로써 저항을 감소시킨 젤리롤 형태의 전극 조립체의 구조를 제공할 수 있다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 탭 구조의 개선으로 충분히 저항을 낮출 수 있는 제1전극에는 개선된 탭 구조를 적용함으로써, 탭리스 구조를 적용할 경우 제1전극 무지부 및 이에 용접되는 집전판의 두께의 추가되고 상기 제1전극 무지부와 집접판을 전지 캔과 제2전극으로부터 절연시켜야 함으로 인한 공간 활용성 저하 및 제조 공정의 복잡화를 방지할 수 있다.
본 발명은, 저항을 감소시키기 위해 적용되는 하나 또는 둘 이상의 탭이, 축방향으로 탭이 활물질 코팅 영역을 벗어난 단부에 마련된 무지부에 연결되므로, 탭의 개수가 증가하더라도 탭이 활물질이 코팅된 유지부 영역에 개재되지 않게 되어, 탭의 이질적 두께로 인해 열화가 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명은, 저항을 감소시키기 위해 적용되는 둘 이상의 탭이, 축방향으로 탭이 활물질 코팅 영역을 벗어난 단부에 마련된 무지부에 연결될 때 원주방향으로 상호 대응하는 위치에 배치되도록 함으로써, 탭을 포개어 용접시키고 탭을 리드에 연결시키는 등의 조립 공정이 매우 편리해진다.
본 발명은, 저항을 감소시키기 위해 적용되는 둘 이상의 탭이, 축방향으로 탭이 활물질 코팅 영역과 대응하는 영역에 마련된 무지부에 연결된 경우라 하더라도, 이들이 원주방향으로 상호 중첩되지 않는 위치에 배치되므로, 탭의 이질적 두께로 인해 열화가 발생하는 현상을 최소화할 수 있다.
본 발명은 또한, 탭리스 구조를 제1전극에도 적용할 경우 필요해지는 과도한 절연 처리 없이도 제1전극과 제2전극 간의 단락을 축방향 양단부 모두에서 차단할 수 있는 안정성이 개선된 전극 조립체의 구조를 제공할 수 있다.
본 발명은 상기 개선된 전극 조립체를 포함하는 개선된 원통형 전지 셀, 상기 전지 셀을 포함하는 배터리 팩, 및 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
도 1은 젤리롤 형태로 권취되어 전극 조립체를 이루기 전 상태의 전극 적층체를 나타낸다.
도 2는 탭 구조의 제1전극 및 제2전극이 권취되기 전 상태를 나타내는 전개도이다.
도 3은 탭 구조의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 단면도이다.
도 4는 탭리스 구조의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 단면도이다.
도 5는 제2전극의 축방향 타측 단부에 연속적인 형태의 무지부가 마련된 본 발명의 일 실시예에 따른 제1전극 및 제2전극이 권취되기 전 상태를 나타내는 전개도이다.
도 6은 제2전극의 축방향 타측 단부에 단속적으로 노칭된 형태의 무지부가 마련된 본 발명의 일 실시예에 따른 제1전극 및 제2전극이 권취되기 전 상태를 나타내는 전개도이다.
도 7은 제1전극에는 제1전극이 연결되고 제2전극에는 축방향 타측으로 돌출되어 절곡되는 무지부가 마련된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 단면도이다.
도 8은 도 7에서 절곡된 제2전극 무지부에 집전판이 연결된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체이다.
도 9는 제1전극의 축방향 길이가 제2전극의 축방향 길이보다 짧은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 확대 단면도이다.
도 10은 도 9에서 제1전극과 제2전극에서 활물질이 코팅된 영역의 축방향 일측 단부 간의 거리가 축방향 타측 단부 간의 거리보다 짧은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 확대 단면도이다.
도 11은 전극 조립체의 축방향 일측면이 절연층으로 커버된 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 단면도이다.
도 12는 제1전극 탭의 일부만이 절연층으로 커버된 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 단면도이다.
도 15 내지 도 17은 제1전극과 제2전극의 다른 실시예들의 전개도이다.
도 18은 도 15 내지 도 17의 제1전극과 제2전극을 포함하여 권취한 젤리-롤 형태의 전극 조립체의 사시도이다.
도 19는 도 18의 측면 단면도이다.
도 20은 제2전극의 다른 실시예이다.
도 21은 도 20의 제2전극을 이용한 적층 구조의 확대 단면도이다.
도 22는 본 발명에 따른 원통형 전지 셀을 포함하는 배터리 팩을 나타내는 사시도이다.
도 23은 도 22의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 나타내는 사시도이다.
[부호의 설명]
1: 전극 조립체 2: 제1전극 21: 제1전극(양극) 무지부 22: 제1전극(양극) 활물질 23: 제1전극(양극) 탭 3: 분리막 4: 제2전극(음극) 41: 제2전극(음극) 무지부 42: 제2전극(음극) 활물질 43: 제2전극(음극) 탭 44: 절연 코팅층 5: 집전판 51: 제1전극(양극) 집전판 52: 제2전극(음극) 집전판 6: 전지 캔 61: 측벽 62: 바닥면 63: 리드 631: 제1전극 단자 633: 벤트 64: 비딩부 65: 절연층 C: 배터리 셀 P: 배터리 팩 V: 자동차
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1구성요소는 제2구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향 또는 방사방향(Z)이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
본 발명은 저항을 감소시키고, 공간 활용성을 높이면서도, 단락을 방지할 수 있는 구조의 젤리롤 전극 조립체의 구조 및 상기 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지 셀의 구조를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 설명한다.
먼저 탭 구조 및 탭리스 구조의 원통형 전지의 구조 및 이를 제작하는 방법에 대하여 설명한다. 일반적으로, 원통형 전지는 전지 캔의 내부에 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체를 내장하여 제작된다.
도 1은 젤리롤 형태로 권취되어 전극 조립체를 이루기 전 상태의 전극 적층체를 나타낸다. 이를 참조하면, 상기 젤리롤 형태의 전극 조립체는 제1전극(2), 분리막(3), 제2전극(4), 및 분리막(3)의 롤 시트가 차례로 적층된 전극 적층체를 권취하여 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 젤리롤 형태의 전극 조립체는 권취축 부분에 중공부가 형성된 원형 파이프의 형상을 갖게 된다. 즉, 상기 전극 적층체의 길이방향(X)이 원통형 전극 조립체의 권취방향, 즉 원주방향(둘레방향)과 대응하고, 상기 전극 적층체의 폭방향(Y)이 상기 전극 조립체의 축방향과 대응하며, 상기 전극 적층체의 법선방향(Z)이 상기 전극 조립체의 반경방향(구심방향 또는 원심방향)과 대응한다.
상기 분리막은 적층된 위치를 불문하고 같은 재질 및 같은 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막은 상기 전극 적층체에서 제1전극(2)과 제2전극(4)이 전기적으로 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있도록 양 전극 사이를 절연하면서도, 후술할 전해질은 투과시키는 재질 및 구조로 마련될 수 있다.
상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층;을 가진다.
상기 다공성 고분자 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재일 수 있다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 필름(film) 또는 부직웹(non-woven web) 형태일 수 있다. 이와 같이 다공성 구조를 가짐으로써 양극과 음극 간의 전해액 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 되고, 기재 자체의 전해액 함침성도 증가하게 되어 우수한 이온 전도성이 확보될 수 있으며, 전기화학소자 내부의 저항증가가 방지 되어 전기화학소자의 성능저하가 방지될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리올레핀 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
폴리올레핀 다공성 기재는 비제한적으로 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 도는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 필름(film) 혹은 부직웹(non-woven web)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 8 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 기계적인 물성이나 전지의 고율 충방전 특성을 고려하여 상기 범위를 벗어난 두께도 채택가능하다.
본 발명에 따른 부직포 시트는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 부직포 시트는 섬유 방사에 의해 제조된 것일 수 있다. 예컨대, 멜트 블로운(melt blown) 방법을 사용하여, 상기 소재의 섬유를 융점 이상에서 섬유 방사 형태로 만들어서 혼방 방사하여 제조된 것일 수 있다.
상기 부직포 시트는 200 내지 400 %, 보다 바람직하게는 300 내지 400 %의 연신율을 가질 수 있다. 상기 연신율이 200% 미만인 경우에는 못 관통시 전극과 전극 사이에 접촉할 확률이 증가하게 되고, 400 %보다 큰 경우에는 못 관통 주변 부위도 연신하게 되어 분리막이 얇아져서 barrier성(차단성)이 감소하게 된다.
상기 부직포 시트에는 0.1 내지 10 ㎛의 평균 직경을 갖는 기공이 복수개 형성되어 있다. 기공의 크기가 0.1㎛ 보다 작은 경우에는 리튬 이온 및/또는 전해액의 원활한 이동이 이루어지지 않을 수 있고, 기공의 크기가 10㎛ 보다 큰 경우에는 못 관통시에 부직포 시트의 연신에 의해 양극과 음극의 접촉을 방지하려는 본 발명의 효과가 달성되지 않을 수 있다.
또한, 상기 부직포 시트는 40 내지 70 %의 공극률을 가질 수 있다. 공극률이 40 % 미만인 경우에는 리튬 이온 및/또는 전해액의 원활한 이동이 이루어지지 않을 수 있고, 공극률이 70 %보다 큰 경우에는 못 관통시에 부직포 시트의 연신에 의해 양극과 음극의 접촉을 방지하려는 본 발명의 효과가 달성되지 않을 수 있다. 이와 같이 제조된 부직포 시트는 1 내지 20초/100 mL의 통기도를 가질 수 있다.
또한, 상기 부직포 시트는 10 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다. 부직포 시트의 투과성에 따라 상기 범위를 벗어난 두께의 부직포 시트도 채택이 가능하다.
상기 부직포 시트는 라미네이션에 의해, 부직포 시트 아래에 놓인 분리막 구성요소에 결합될 수 있다. 상기 라미네이션은 100 내지 150℃의 온도 범위에서 수행될 수 있는데, 100℃ 보다 낮은 온도에서 라미네이션이 수행되는 경우에는 라미네이션 효과가 발생하지 않게 되고, 150℃ 보다 높은 온도에서 라미네이션이 수행되는 경우에는 부직포의 일부가 녹게 된다.
상기와 같은 조건하에 라미네이션 결합된, 본 발명의 일 양태에 따른 분리막은, 종래 부직포 시트로 이루어진 분리막과 비교할 때, 또한, 필름이나 부직포 시트의 적어도 일면에 무기물 입자를 포함하는 층이 형성되어 있는 분리막과 비교할 때 못 관통성에 대하여 향상된 저항성을 갖게 된다.
상기 다공성 코팅층에서 무기물 입자들은 서로 충전되어 접촉된 상태에서 상기 바인더 고분자에 의해 서로 결착될 수 있고, 이로 인해 무기물 입자들 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 형성되어 상기 무기물 입자들 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 기공을 형성할 수 있다.
상기 다공성 코팅층 형성에 사용되는 무기물 입자로는 무기물 입자, 즉 전기 화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 무기물 입자들을 더 첨가하여 사용할 수 있다. 특히, 이온 전달능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 바람직하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합체를 포함하는 것이 바람직하다.
유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
특히, 전술한 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT) 및 하프니아(HfO2)와 같은 무기물 입자들은 유전율 상수 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 두 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 전술한 고 유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭한다. 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0< x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y <1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5계열glass(LixPySz,0< x<3, 0<y<3, 0< z<7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
다공성 코팅층의 무기물 입자 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 0.001 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 0.001㎛ 미만인 경우 무기물 입자의 분산성이 저하될 수 있고, 10㎛를 초과하는 경우 다공성 코팅층의 두께가 증가하여 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 또한 지나치게 큰 기공 크기로 인해 전지 충방전시 내부 단락이 일어날 확률이 높아진다.
다공성 코팅층을 형성하는 바인더 고분자로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸 아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리 비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀 룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다공성 코팅층에 사용되는 무기물 입자와 바인더 고분자의 조성비는 예를 들어 50:50 내지 99:1 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 70:30 내지 95:5이다. 바인더 고분자에 대한 무기물 입자의 함량비가 50:50 미만일 경우 바인더 고분자의 함량이 많아지게 되어 분리막의 열적 안전성 개선이 저하될 수 있다. 또한, 무기물 입자들 사이에 형성되는 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기될 수 있다. 무기물 입자의 함량이 99 중량부를 초과할 경우 바인더 고분자 함량이 너무 적기 때문에 다공성 코팅층의 내필링성이 약화될 수 있다. 상기 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 20㎛ 범위가 바람직하다. 또한, 기공 크기 및 기공도 역시 특별한 제한이 없으나, 기공 크기는 0.001 내지 10㎛ 범위가 바람직하며, 기공도는 10 내지 90% 범위가 바람직하다. 기공 크기 및 기공도는 주로 무기물 입자의 크기에 의존하는데, 예컨대 입경이 1㎛ 이하인 무기물 입자를 사용하는 경우 형성되는 기공 역시 대략 1㎛ 이하를 나타내게 된다. 이와 같은 기공 구조는 추후 주액되는 전해액으로 채워지게 되고, 이와 같이 채워진 전해액은 이온 전달 역할을 하게 된다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.001㎛ 및 10% 미만일 경우 저항층으로 작용할 수 있으며, 기공 크기 및 기공도가 10㎛ 및 90%를 각각 초과할 경우에는 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 다공성 코팅층은 분산매에 바인더 고분자를 용해 혹은 분산시킨 후에 무기물 입자를 첨가하여 다공성 코팅층 형성을 위한 슬러리를 수득하고, 이러한 슬러리를 기재의 적어도 일면에 코팅, 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 분산매로는 사용하고자 하는 바인더 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point) 이 낮은 것이 바람직하다. 이는 균일한 혼합과 이후 분산매 제거를 용이하게 하기 위해서이다. 사용 가능한 분산매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
상기 바인더 고분자가 분산매에 분산되어 있는 분산액에 무기물 입자를 첨가한 후, 무기물 입자의 파쇄를 실시하는 것이 바람직하다. 이때 파쇄 시간은 1 내지 20 시간이 적절하며, 파쇄된 무기물 입자의 입도는 전술한 바와 같이 0.001 내지 10㎛가 바람직하다. 파쇄 방법으로는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 특히 볼 밀(ball mill)법이 바람직하다.
그런 다음, 무기물 입자가 분산된 바인더 고분자 분산액을 10 내지 80%의 습도 조건 하에서 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 코팅하고 건조시킨다. 상기 분산액을 다공성 고분자 기재 상에 코팅하는 방법은 당업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.
다공성 코팅층 성분으로 전술한 무기물 입자 및 바인더 고분자 이외에, 도전제 등의 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 최종 제작된 분리막은 1 내지 100㎛ 또는 5 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다. 두께가 1㎛ 미만이면 분리막의 기능이 충분히 발휘되지 못하고 기계적 특성의 열화가 발생할 수 있으며, 100㎛ 초과이면 고율 충방전시 전지의 특성이 열화될 수 있다. 또한, 40 ~ 60% 공극률을 가질 수 있으며, 150 내지 300 초/100mL의 통기도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 고분자 기재는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 계열을 사용할 수 있다. 또한, 다공성 코팅층에서 무기물 입자로는 Al 산화물, Si 산화물 계열의 코팅 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분리막을 사용하는 경우, 다공성 고분자 기재의 양측에 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 전해액에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내일 수 있다. 또 한, 양면에 무기물 다공성 코팅층을 구비하여도 종래 단면 무기물 코팅 분리막 수준의 두께를 구현할 수 있다. 예를 들어 ~15.0㎛ 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막을 사용하는 경우, 분리막의 안정 성이 개선되어 내열 및 내압축 특성을 확보할 수 있다. 구체적으로 180℃ 기준 5% 이내의 열수축 특성을 갖는 내열 특성을 확보할 수 있고, 550gf 이상의 관통 강도(Puncture strength) 물성을 확보할 수 있으며, 이러한 분리막을 채용한 전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차 부에서 분리막의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
상기 제1전극(2)은 양극이고, 상기 제2전극(4)은 음극일 수 있다. 그러나 반대의 경우도 있을 수 있으므로, 본 명세서에서는 각각을 제1전극 및 제2전극으로 명명하였다.
상기 제1전극(2)은 상기 제2전극(4)에 비하여 더 내측에서 권취될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1전극(2)은 상기 제2전극(4)에 비하여 권취축으로부터 더 짧은 반경을 갖게 되고, 이에 따라, 권취방향을 따라서도 더 짧은 원주방향 길이를 갖게 될 수 있다. 이 경우, 권취 전의 제1전극(2)은 권취 전의 제2전극(4)에 비하여 길이방향으로 더 짧은 길이를 가질 수 있다.
도 2는 탭 구조의 제1전극 및 제2전극이 권취되기 전 상태를 나타내는 전개도이다. 이를 참조하면, 각 제1전극(2) 및 제2전극(4)은 일면 혹은 양면에 활물질(22, 42)이 코팅될 수 있다. 상기 활물질(22, 42)은 상기 제1전극(2) 및 상기 제2전극(4)의 표면에 코팅되어 이온을 저장 또는 방출함으로써 전극 반응에 관여한다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하며, 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전 재는 예컨대 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양 한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은 예컨대 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 전극에 사용가능한 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테 트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전극 집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
상기 음극은, 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치하고, 음극활물질, 바인더 고분자, 및 도전재를 포함하는 음극활물질층을 구비하고, 상기 음극활물질층이 상기 집전체와 면접하는 하층 영역과 상기 하층 영역과 면접하면서 음극 활물질층의 표면까지 연장되는 상층 영역으로 이루어지고, 상기 하층 영역 및 상층 영역이 각각 독립적으로 음극활물질로서 흑연 및 규소계 화합물 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 하층 영역이 음극활물질로서 천연흑연을 포함하고, 상기 상층 영역에는 음극활물질로서 인조흑연을 포함할 수 있다.
상기 하층 영역 및 상층 영역이 각각 독립적으로 음극활물질로서 규소계 화 합물을 더 포함할 수 있다.
상기 규소계 화합물이 SiOx(0≤x≤2) 및 SiC 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음극은 하층용 음극활물질로 포함하는 하층용 슬러리를 집전체에 도포 및 건조하여 하층 영역을 형성하고, 이후 하층 영역 상에 상층용 음극활물질로 포함하는 상층용 슬러리를 도포 및 건조하여 상층 영역을 형성하여 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음극은 하층용 음극활물질을 포함하는 하층용 슬러리;와, 상층용 음극활물질 포함하는 상층용 슬러리;를 준비하는 단계;
음극 집전체의 일면에 상기 하층용 슬러리를 코팅하고, 동시에 또는 소정의 시간차를 두고 상기 하층용 슬러리 위에 상기 상층용 슬러리를 코팅하는 단계; 및
상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
이렇게 후자의 방법으로 제조되는 경우에, 상기 음극에서 하층 영역과 상층 영역이 맞닿는 부분에 이들 상이한 종류의 활물질들이 서로 혼재하는 혼합 영역(인터믹싱, intermixing)이 존재할 수 있다. 이는 하층 음극활물질로 포함하는 하층용 슬러리와 상층 음극활물질로 포함하는 상층용 슬러리를 집전체 상에 동시에 또는 매우 짧은 시간 차이를 두고 연속적으로 코팅을 하고, 이후 동시에 건조하는 방식으로 활물질층을 형성하는 경우에, 하층용 슬러리와 상층용 슬러리가 건조전에 맞 닿은 계면 상에 소정의 혼합 구간이 발생하고 이후 건조되면서 이러한 혼합 구간이 혼합 영역의 층 형태로 형성되기 때문이다.
본 발명의 일 구현예의 음극의 활물질층에서, 상기 상층 영역과 상기 하층 영역의 중량비 (또는 단위 면적당 로딩양의 비)는 20:80 내지 50:50, 상세하게는 25:75 내지 50:50일 수 있다.
본 발명의 음극의 활물질층의 하층 영역 및 상층 영역의 두께는 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상기 코팅된 상층용 슬러리의 두께와 완전히 일치하지는 않을 수 있다. 하지만, 건조 또는 선택적인 압연 공정을 거친 결과, 최종 얻어지는 본 발명의 음극의 음극의 활물질층의 하층 영역 및 상층 영역의 두께의 비율은 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상기 코팅된 상층용 슬러리의 두께의 비율과는 일치할 수 있다.
상기 제1 슬러리를 코팅하고, 동시에 또는 소정의 시간차를 두고 상기 제1 슬러리 위에 상기 제2 슬러리를 코팅하고, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 소정의 시간차는 0.6초 이하, 또는 0.02초 내지 0.6초, 또는 0.02초 내지 0.06초, 또는 0.02초 내지 0.03초의 시간차일 수 있다. 이와 같이 제1 슬러리와 제2 슬러리의 코팅시에 시간차가 발생하는 것은 코팅 장비에 기인하는 것이므로, 상기 제1 슬러리와 제2 슬러리를 동시에 코팅하는 것이 더 바람직할 수 있다. 상기 제1 슬러리 상에 제2 슬러리를 코팅하는 방법은 이중 슬롯 다이(double slot die), 등의 장치를 이용할 수 있다.
상기 활물층을 형성하는 단계에서, 건조 단계 이후 활물질층을 압연시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 압연은 롤 프레싱(roll pressing)와 같이 당업 분야에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 예컨대, 1 내지 20 MPa의 압력 및 15 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계는, 열풍 건조 및 적외선 건조 장치가 조합한 장치를 이용하고, 당업 분야에서 통상적으로 사용되는 방법으로 실시될 수 있다.
상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 중량%과 동일하거나 더 많을 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르며, 상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분 자의 중량%가 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 중량%보다 1.0 내지 4.2배, 또는 1.5 내지 3.6배, 또는 1.5 내지 3 배 클 수 있다.
이때, 상기 코팅된 하층용 슬러리에서 제1 바인더의 중량% 및 상기 코팅된 상층용 슬러리에서 제2 바인더의 중량%의 비율이 이러한 범위를 만족하는 경우에 하층 영역의 바인더가 너무 적지 않아서 전극층의 탈리가 발생하지 않으며, 상층 영역의 바인더가 너무 많지 않아서 전극 상층부의 저항이 감소되고 급속충전성능이 유리할 수 있다.
상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 2 내지 30 중량%, 또는 5 내지 20 중량%. 또는 5 내지 20 중량%일 수 있고, 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 비율(중량%)이 0.5 내지 20 중량%, 또는 1 내지 15 중량%, 또는 1 내지 10 중량%, 또는 2 내지 5 중량%일 수 있다.
상기 하층용 슬러리 및 상기 상층용 슬러리 전체의 고형분에서 제1 바인더 고분자 및 제2 바인더 고분자의 총비율(중량%)이 2 내지 20 중량%, 또는 5 내지 15 중량%일 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 제1전극(2) 및 상기 제2전극(4)에는 각각 상기 활물질(22, 42)이 코팅되지 않은 제1전극 무지부(21) 및 제2전극 무지부(41)가 마련될 수 있다. 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제2전극 무지부(41)에는 상기 제1전극(2) 및 상기 제2전극(4)을 외부에 전기적으로 연결하기 위하여 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제2전극 무지부(41)에 전기적으로 연결된 제1전극 탭(23) 및 제2전극 탭(43)이 각각 마련될 수 있다.
상기 제1전극 탭(23) 및 상기 제2전극 탭(43)은 각각 하나씩 마련될 수도 있고, 복수 개 마련될 수도 있다.
상기 제2전극 무지부(41) 및 제2전극 탭(43)이 제조공정상 상기 제2전극(4)의 양 끝에 마련될 수밖에 없는 경우, 상기 제2전극(4)의 전류 경로가 길어져 저항이 증가하게 된다. 또한, 상기 제2전극(4)이 상기 제1전극(2)에 비하여 더 길이가 긴 경우에는 더욱 그렇다.
도 3은 탭 구조의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 단면도이다. 이를 참조하면, 전극 적층체가 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체(1)가 축방향 일측면이 개방된 전지 캔(6)에 수용된다.
상기 전극 조립체(1)의 제1전극 무지부(21)와 연결된 제1전극 탭(23)은 전지 캔 리드(63)에 마련된 제1전극 단자(631)에 연결됨으로써, 상기 제1전극(2)을 전지 캔 리드(63) 및 외부와 전기적으로 연결되도록 한다. 상기 제1전극 탭(23)이 돌출되는 상기 전극 조립체(1)의 축방향 일측면은 절연층(65)으로 커버될 수 있다.
상기 전극 조립체(1)의 제2전극 무지부(41)와 연결된 제2전극 탭(43)은 전지 캔 바닥면(62)에 연결됨으로써 상기 제2전극을 전지 캔(6) 및 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
상기 전지 캔 리드(63)는 상기 제1전극(2)과 연결되고, 상기 전지 캔(6)은 상기 제2전극(4)과 연결되므로, 상기 전지 캔 리드(63)와 상기 전지 캔(6) 사이에는 절연층(65)이 마련되어 단락을 방지할 수 있다.
상기 전지 캔 측벽(61)에는 상기 전극 조립체(1) 위로 반경방향 내측으로 함입된 비딩부(64)가 마련될 수 있다. 이러한 비딩부(64)가 마련됨으로써, 상기 전극 조립체(1)는 상하로 유격 없이 상기 전지 캔(6)에 안정적으로 수용될 수 있다.
위와 같은 탭 구조는 상기 제1전극(2) 및 상기 제2전극(4)의 전류 경로가 오로지 상기 제1전극 탭(23) 및 상기 제2전극 탭(43) 뿐이어서 이 부분의 저항이 매우 높아 발열이 발생할 수 있고, 성능 및 내구성이 좋지 않을 수 있다. 전기 저항은 전류 경로의 길이에 비례하고, 면적에 반비례하는 성질이 있으므로, 전류 경로가 좁으면 저항 감소에 불리하기 때문이다.
도 4는 탭리스 구조의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지의 단면도이다. 이를 참조하면, 전극 적층체가 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체(1)가 축방향 일측면이 개방된 전지 캔(6)에 수용된다.
상기 전극 조립체(1)의 축방향 양측에는 제1전극 무지부(21)와 제2전극 무지부(41)가 돌출되어 나오고, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제2전극 무지부(41)는 각각 집전판(5)에 연결된다. 이 때, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제2전극 무지부(41)는 반경방향으로 절곡되어 상기 제1전극 집전판(51) 및 상기 제2전극 집전판(52)과의 접합 성능을 향상시키도록 마련될 수 있다.
상기 제1전극 무지부(21)에 연결된 제1전극 집전판(51)은 제1전극 탭(23)과 연결되고, 상기 제1전극 탭(23)은 제1전극 단자(631)를 통해 전지 캔 리드(63)와 연결됨으로써 상기 제1전극이 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
상기 제2전극 무지부(41)에 연결된 제2전극 집전판(52)은 전지 캔 바닥면(62)에 연결됨으로써 상기 제2전극을 전지 캔(6) 및 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
상기 전지 캔 리드(63)는 상기 제1전극(2)과 연결되고, 상기 전지 캔(6)은 상기 제2전극(4)과 연결되므로, 상기 전지 캔 리드(63)와 상기 전지 캔(6) 사이에는 절연층(65)이 마련되어 단락을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제1전극 집전판(51)이 상기 전지 캔(6) 내벽과 단락을 일으키는 것을 막기 위하여, 상기 제1전극 집전판(51)은 그 상면과 측면이 절연층(65)으로 커버될 수 있다.
상기 전지 캔 측벽(61)에는 상기 전극 조립체(1) 위로 반경방향 내측으로 함입된 비딩부(64)가 마련될 수 있다. 이러한 비딩부(64)가 마련됨으로써, 상기 전극 조립체(1)는 상하로 유격 없이 상기 전지 캔(6)에 안정적으로 수용될 수 있다.
위와 같은 탭리스 구조는 상기 제2전극의 경우 제2전극 무지부(41), 제2전극 집전판(52), 및 전지 캔 바닥면(62)을 통해 전류가 흐르게 함으로써 제2전극(4) 측에서는 넓은 전류 경로를 만들어 저항 감소에 유리하다. 그러나, 제1전극(2) 측에서는 어차피 제1전극 탭(23)을 통하여 전류가 흐르기 때문에 저항을 낮추는 데에 도움이 되지 않고, 오히려 제1전극 무지부(21), 제1전극 집전판(51), 및 절연층(65)이 더해져 전지 캔(6)이 상하로 길어져야 한다. 이는 동일한 규격의 원통형 전지 셀에 있어, 전극 조립체(1)의 길이가 짧아져 용량이 감소되는 결과를 낳는다. 또한, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제2전극 무지부(41)가 집전판(5)과의 접합 성능 향상을 위하여 반경방향으로 절곡되는 경우, 각각 제2전극(4) 및 제1전극(2)의 축방향 단부와 단락을 일으킬 가능성도 있어 안정성 역시 취약하다.
한편, 리드(63)에는 열폭주 방지 기구(CID; Current Interrupt Device) 및/또는 벤팅 구조가 함께 적용될 수 있다. 그런데, 위와 같이 제1전극 무지부(21)가 반경방향으로 절곡되고 그 위에 집전판(5)이 용접되어 있는 구조는, 전지 캔(6)의 내부 압력이 CID에 온전히 작용하는 것을 방해하기도 하고, 벤팅 구조를 가리는 등, 전지 성능에 영향을 미칠 수 있다.
이에, 본 발명은 제2전극 측에서는 탭리스 구조의 저항 감소 효과 및 공간 활용성 향상의 효과를 취하면서도, 탭리스 구조를 하지 않아도 충분히 저항을 감소시킬 수 있는 제1전극 측에는 탭 구조의 공간 활용성 및 단락에 대한 안정성을 취하는 개선된 전극 조립체의 구조를 제공한다.
도 5 및 도 6은 각각 제2전극의 축방향 타측 단부에 연속적인 형태와 단속적으로 노칭된 형태의 무지부가 마련된 본 발명의 각 실시예에 따른 제1전극 및 제2전극이 권취되기 전 상태를 나타내는 전개도이다.
이들 도면을 참조하면, 제1전극(2) 및 제2전극(4)의 양면에는 활물질(22, 42)이 코팅되어 있다. 상기 제1전극(2)에는 그 내부(축방향(Y)으로 활물질이 도포된 구간)의 길이방향(X) 일부 구간에 제1전극 무지부(21)가 마련되고, 상기 제1전극 무지부(21)에 연결된 제1전극 탭(23)이 상기 제1전극(2)의 폭방향(권취 후의 축방향) 일측으로 돌출된다. 상기 제2전극(4)에는 그 폭방향 타측 단부에 제2전극 무지부(41)가 마련되어 노출된다.
상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)은 하나만 마련될 수도 있고, 복수 개 마련될 수도 있다. 상기 제1전극 탭(23)이 복수 개 마련되는 경우, 제1전극(2)의 전류 경로가 넓어져 저항 감소 효과가 있을 수 있다. 후술할 바와 같이, 상기 복수 개의 제1전극 탭(23)은 권취 후 적어도 일부 면적이 서로 포개어져 전기적으로 연결되어 하나의 탭을 구성하도록 형성될 수도 있다. 이러한 구조는 제1전극 탭(23)과 리드(63)의 연결을 더욱 편리하게 해준다.
제1전극 탭(23)의 개수는, 제1전극(2)으로 연결되는 경로에서 측정되는 저항 값이 소정의 저항 값 이하로 떨어질 수 있는 최소 개수로 결정될 수 있다. 가령 제1전극 탭(23)을 2개 사용할 경우 측정되는 저항 값이 소정의 저항 값 이하라면, 제1전극 탭(23)은 2개 사용되면 족하고, 3개 이상 사용할 필요는 없다.
상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)은 제1전극(2)의 전류 경로를 최소화하기 위하여 적절한 위치에 마련될 수 있다. 가령, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)이 각각 하나씩 마련되는 경우, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)은 상기 제1전극(2)이 길이방향(권취방향)으로 3등분되도록 이를 폭방향을 따라 분할하였을 때 상기 길이방향 양단부의 양 구역을 회피한 위치에 마련될 수 있다. 또한 가령, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)이 각각 2개소에 마련되는 경우, 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)은 상기 제1전극(2)이 길이방향(권취방향)으로 4등분되도록 이를 폭방향을 따라 분할하였을 때 상기 길이방향 양단부의 양 구역을 회피한 2개 구역에 각각 하나씩 마련될 수 있다. 상기 제1전극 무지부(21) 및 상기 제1전극 탭(23)이 3개소 이상에 마련되는 경우도 위와 유사한 방법으로 이들을 적절히 배치할 수 있다.
제1전극 탭(23)의 개수를 최소화하되, 제1전극 탭(23)의 위치를 적절히 선정하더라도 해당 위치로 선정함으로 인해 측정되는 저항 값이 소정의 저항 값보다 높다면, 제1전극 탭(23)의 개수를 하나 더 늘리고 제1전극 탭(23)의 위치를 적절히 선정하는 방식으로, 제1전극 탭(23)의 개수를 최소화할 수 있다.
상기 제2전극 무지부(41)는 상기 제2전극(4) 폭방향 타측 단부에 도 5와 같이 그 길이방향으로 연속하는 형태로 마련될 수도 있고, 도 6과 같이 그 길이방향으로 단속적으로 노칭된 형태로 마련될 수도 있다. 상기 노칭은 후술할 상기 제2전극 무지부(41)의 절곡을 위한 것일 수 있다.
위와 같은 제1전극(2)과 제2전극(4)은 분리막(3)을 개재하며 적층 및 권취되어 젤리롤 형태의 전극 조립체를 구성할 수 있다.
도 7은 제1전극에는 제1전극이 연결되고 제2전극에는 축방향 타측으로 돌출되어 절곡되는 무지부가 마련된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 단면도이고, 도 8은 도 7에서 절곡된 제2전극 무지부에 집전판이 연결된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체이다.
도 7을 참조하면, 상기 제2전극 무지부(41)는 상기 제1전극(2) 및 상기 분리막(3)에 비하여 전극 조립체(1)의 축방향 타측으로 돌출될 수 있다. 상기 제2전극 무지부(41)는 반경방향으로 절곡될 수 있다. 반경방향이라 함은 원심방향과 구심방향을 모두 포함하는 개념이다. 실시예에 따르면, 보다 바람직하게, 상기 제2전극 무지부(41)는 구심방향으로 절곡될 수 있다. 이로써, 상기 제2전극 무지부(41)는 축방향 타측에서 평평한 면을 제공하여 후술할 집전판(5) 또는 전지 캔 바닥면(62)과의 접합에 있어 접합 성능을 제고할 수 있다. 또한, 이를 통해 전류 경로를 더 넓혀 저항을 낮출 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 절곡된 제2전극 무지부(41)는 그 표면에 집전판(5)이 연결될 수 있다. 상기 전극 조립체(1)를 후술할 전지 캔(6)에 수용함과 동시에 상기 제2전극 무지부(41)가 상기 전지 캔(6)의 바닥면(62)과 전기적으로 연결되게 함에 있어서, 상기 집전판(5)을 개재함으로써 조립 및 접합의 안정성을 제고할 수 있다.
상기 제1전극 탭(23)은 권취된 상태에서도 상기 제2전극(4) 및 분리막(3)에 비하여 축방향 일측으로 돌출된다. 상기 제1전극 탭(23)이 복수 개 마련된 경우 이들은 서로 포개어져 전기적으로 연결된 하나의 탭을 구성할 수도 있다. 이로써, 전류 경로가 넓어져 저항이 감소할 수 있다.
도 9는 제1전극의 축방향 길이가 제2전극의 축방향 길이보다 짧은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 확대 단면도이다. 이를 참조하면, 특히 상기 제2전극 무지부(41)가 절곡되는 과정에서, 상기 제2전극(4)과 상기 제1전극이 서로 단락을 일으킬 가능성이 있다. 이러한 단락은 일반적인 젤리롤 전극 조립체인 경우 분리막(3)이 제1전극(2) 및 제2전극(4)보다 축방향 양방으로 돌출되도록 함으로써 방지할 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 제2전극(4) 측과 같은 탭리스 구조에서는 상기 제2전극 무지부(41)가 상기 분리막(3)에 비하여도 축방향 타측으로 돌출되어 나오는바, 이를 방지하기가 어렵다.
위와 같은 단락 문제를 해결하기 위하여, 상기 제1전극(2)은 상기 제2전극(4)보다 그 축방향 길이가 짧게 형성될 수 있다. 이로써 상기 제1전극(2)의 축방향 타측 단부가 분리막(3) 내로 더 깊이 위치하여, 상기 분리막(3)이 상기 제2전극 무지부(41)와 상기 제1전극(2) 간을 절연함으로써 단락이 일어날 가능성이 줄어든다.
도 10은 도 9에서 제1전극과 제2전극에서 활물질이 코팅된 영역의 축방향 일측 단부 간의 거리가 축방향 타측 단부 간의 거리보다 짧은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 확대 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 제1전극(2)의 축방향 일측 단부와 상기 제2전극(4)의 축방향 일측 단부 간의 거리는 상기 제1전극(2)의 축방향 타측 단부와 상기 제2전극(4)에서 상기 제2전극 무지부(41)가 시작하는 위치 간의 거리에 비하여 짧게 마련될 수 있다.
이는 상기 제1전극(2) 측은 탭 구조를 함으로써 탭리스 구조와는 달리 단락의 위험이 적기 때문이다. 상기 제1전극(2)은 절곡되지 않고, 별도로 가압되지 않으며, 상기 제1전극 탭(23)에는 절연처리가 될 수 있으므로, 상기 제2전극 무지부(41)가 절곡되는 경우에 비하여 단락의 위험이 현저히 낮다. 따라서 상기 제1전극 탭(23)이 돌출되는 부위에서는 상기 제1전극(2) 및 상기 제2전극(4)의 축방향 단부 간의 거리를 좁혀 공간 활용성 제고 및 용량 증대를 달성할 수 있다.
또한, 공간 활용성을 높이기 위하여, 상기 제1전극(2)은 그 축방향 일측 단부가 상기 제2전극(4)의 축방향 일측 단부와 나란히 위치하거나 그보다 내측에 오도록, 즉, 그 높이가 상기 제2전극(4)의 축방향 일측 단부의 높이와 같거나 그보다 낮도록 마련될 수 있다. 이는 상기 제2전극 무지부(41)가 있는 축방향 타측에서 상기 제1전극(2)의 축방향 타측 단부가 상기 제2전극(4)의 축방향 타측 단부에 비하여 상대적으로 내측으로 위치하여 상기 제2전극(4)과의 단락을 피하는 것과는 다르게, 상기 제2전극(4)의 축방향 일측 단부는 상기 제1전극(2)의 축방향 일측 단부를 피하여 더 낮게, 또는 더 내측에 마련될 필요성이 낮은 반면, 이렇게 상기 제1전극(2)의 단부를 축방향 일측을 향하여 돌출시키지 않음으로써 공간 활용성을 제고하고 용량을 증대시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 제1전극(2), 분리막(3), 제2전극(4), 및 분리막(3)을 순차로 적층한 전극 적층체를 권취축을 중심으로 권취방향(길이방향)으로 권취하여 제조되는 것으로서, 상기 제1전극(2)은 양극, 상기 제2전극(4)은 음극이고, 상기 제1전극(2)이 길이방향으로 4등분되도록 상기 제1전극(2)을 폭방향을 따라 나누었을 때 그 길이방향 양단부의 구역을 회피한 2개 구역에 각각 하나씩 마련되는 제1전극 무지부(21)에 각각 제1전극 탭(23)이 하나씩 전기적으로 연결되어 마련되고, 상기 제1전극 탭(23)은 폭방향(축방향) 일측으로 돌출되며, 상기 제2전극(4)은 상기 제1전극(2)에 비하여 길이가 길고, 상기 제2전극(4)에는 그 폭방향 타측 단부를 따라 길이방향(권취방향)으로 단속적으로 노칭된 형태의 제2전극 무지부(41)가 마련되고, 상기 제2전극 무지부(41)는 상기 제2전극(4)의 폭방향 타측으로 노출되며, 상기 전극 적층체에서 상기 제1전극(2)의 폭방향 일측 단부의 높이는 상기 제2전극의 폭방향 일측 단부의 높이와 같고, 상기 제2전극(4)의 축방향 타측 단부 및 분리막(3)은 상기 제1전극(2)의 축방향 타측 단부에 비하여 상대적으로 축방향 타측으로 돌출 연장되어, 상기 제1전극(2)의 축방향 길이는 상기 제2전극(4)의 축방향 길이보다 짧고 그 중심이 상기 제2전극(4)의 중심에 비하여 상방에 위치하고, 권취된 후에는, 상기 제1전극 탭(23)들은 상기 전극 조립체(1)의 축방향 일측으로 돌출되어 서로 포개어져 하나의 탭을 구성하고, 상기 제2전극 무지부(41)는 구심방향으로 절곡되어 평평한 면을 이루고, 상기 제2전극 무지부(41)가 절곡되어 이루는 평평한 면에는 집전판(5)이 용접되는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 개선된 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지 셀의 구조를 제공한다.
도 11 및 도 12는 각각 전극 조립체의 축방향 일측면이 절연층으로 커버된 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 단면도 및 제1전극 탭의 일부만이 절연층으로 커버된 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는 축방향 일측면이 개방된 전지 캔(6)을 포함하고, 상기 전극 조립체(1)는 그 제2전극 무지부(41)가 상기 전지 캔(6)의 바닥면(62)을 향하도록 상기 전지 캔(6)에 수용되어 제조될 수 있다. 상기 제2전극 무지부(41)는 상기 전지 캔 바닥면(62)과 전기적으로 연결되고, 이 때, 상기 제2전극 무지부(41)와 상기 전지 캔 바닥면(62) 사이에 집전판(5)이 개재될 수 있다. 이 때, 상기 제2전극 무지부(41)는 집전판(5) 없이 바로 상기 전지 캔 바닥면(62)과 연결될 수도 있고, 이를 통해 공간 활용성을 높이고 용량을 증대시킬 수 있다.
전극 조립체(1)가 수용된 전지 캔(6)의 축방향 일측에는 상기 전극 조립체(1) 위로 이를 고정하기 위하여 상기 전지 캔(6)의 측벽(61)을 내측으로 함입시킨 비딩부(64)가 마련되고, 상기 비딩부(64) 위로는 상기 전지 캔(6)과 그 사이에 절연층(65)을 개재하며 크림핑 방식으로 고정되며 상기 전지 캔(6)의 축방향 일측 개방부를 커버하는 전지 캔 리드가 마련된다.
상기 제1전극 탭(23)은 상기 전극 조립체(1)의 축방향 일측으로 돌출되어 제1전극 단자(631)를 통해 상기 전지 캔 리드(63)에 연결될 수 있다. 상기 제1전극 단자(631)는 상기 리드(63)에 별도로 전기적으로 연결되어 마련될 수도 있고, 상기 리드(63)의 일부로서 마련될 수도 있으며, 상기 리드(63) 자체가 상기 제1전극 단자(631)일 수도 있다.
상기 리드(63)에는 열폭주 방지 기구(CID; Current Interrupt Device) 및/또는 벤팅 구조가 함께 적용될 수 있다. 상기 리드(63)는 상기 열폭주 방지 기구(CID; Current Interrupt Device) 및/또는 벤팅 구조를 통해 제1전극 단자(631)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이 때 상기 전극 조립체(1)의 축방향 일측면은 상기 제1전극 탭을 돌출시키며 절연층(65)으로 커버될 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 절연층(65)은 상기 전지 캔 리드(63)와 상기 전지 캔(6) 사이 이외에 상기 제1전극 탭(23)이 상기 제2전극(4)과 간섭을 일으킬 우려가 있는 곳을 커버하도록, 바람직하게는 제1전극 탭(23)이 상기 전극 조립체(1)의 젤리롤 부분에서 돌출되어 나오는 경계 부분을 커버하도록, 마련될 수 있다. 이렇게 함으로써 도 11에서와 같이 상기 전극 조립체(1)의 일측면을 전부 커버하는 방식에 비하여 공간 활용성이 좋아지고 용량을 키울 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 셀은, 상방이 개방된 전지 캔에, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(1)가 제2전극 무지부(41)를 하방으로 하여 수용되고, 상기 제2전극 무지부(41)는 상기 전지 캔(6)의 바닥면(62)에 전기적으로 연결되고, 제1전극 탭은 상기 전지 캔(6)의 상부를 커버하는 전지 캔 리드(63)에 마련된 제1전극 단자(631)를 통하여 상기 리드(63)에 전기적으로 연결되고, 상기 제1전극 탭(23)이 상기 제2전극(4)과 단락을 일으킬 우려가 있는 부위 및 상기 리드(63)와 전지 캔(6) 사이가 절연층(65)으로 커버된 것일 수 있다.
도 13에는 전극 조립체(1)의 제2전극 무지부(41)가 절곡되어 중첩된 상태에서, 전지 캔(6)의 바닥면(62)에 직접 용접되고, 2개의 제1전극 탭(23)이 반경방향으로 서로 다른 위치에서 축방향으로 돌출되고 제1전극 단자(631)에 용접된 구조가 예시된다.
전지 캔(6)의 바닥면(62)은 전지 캔(6)의 측벽(61)의 하단부보다 약간 오목하게 함몰된 구조를 가질 수 있다. 이렇게 함몰된 부위가 제2전극 무지부(41)와 용접될 때에는 바닥면(62)의 저면에 레이저를 조사하는 방식으로 용접될 수 있으며, 상기 바닥면(62)의 함몰 구조는 이러한 용접부위가 지면에 접하여 손상이 발생하는 일을 방지한다.
상기 제1전극 단자(631)에는 노칭 홈과 같이 강성을 약화시킨 벤트(633) 구조가 마련될 수 있다. 도 13을 참조하면, 도 4와 대비하여 확실히 비딩부(64) 직전까지 활물질이 도포된 전극 조립체(1) 부위가 마련되어 에너지 밀도를 더 높였음을 확인할 수 있다.
상기 리드(63)와 함께 크림핑되는 절연층(65)은 축방향으로 연장되어 비딩부 둘레의 내주를 덮는다. 아울러 상기 절연층(65)의 내주면은 전극 탭(23)이 반경방향 내측으로 모이도록 안내하여, 전극 탭(23)이 전지 캔(6)의 측벽(61)과 닿는 일이 없도록 보장한다.
상기 원통형 전지 캔(6)에는 전지 반응을 위한 전해질이 채워질 수 있다. 전해질은 A +B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li +, Na+, K+ 와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리 고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2) 2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루 어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이 트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드(dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄(dimethoxyethane), 디에톡시에탄(diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸 메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
도 14는 전극 조립체(1)의 다른 실시예가 도시된다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 축방향으로 활물질이 도포된 영역에 전극 탭(23)을 연결한 경우, 두꺼운 전극 탭(23)으로 인해, 전극 탭(23)이 배치된 원주방향 영역의 젤리-롤의 반경방향 두께가 다른 부위보다 더 두꺼워진다. 실시예에 따르면, 이러한 두께 편차를 최소화하기 위해, 복수 개의 전극 탭(23)이 원주방향으로 서로 다른 위치에 배치되도록 한 구조가 예시된다. 복수 개의 전극 탭(23)이 원주방향으로 서로 다른 위치에 배치될 때에는, 이들이 원주방향으로 실질적으로 등간격 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 가령 도시된 바와 같이 3개의 전극 탭(23)이 마련된 경우, 이들 간의 사잇각은 120도 내외일 수 있다.
물론 이들 복수 개의 전극 탭(23)이 전극 조립체(1)의 중심으로부터 위치하는 반경방향 거리 역시 도시된 바와 같이 서로 다를 수 있다. 이에 대해서는 이미 앞서 도 5 및 도 6에서 전극 탭(23)의 위치 선정과 관련하여 설명한바 있다. 복수 개의 전극 탭(23)의 반경방향 간격은, 구심으로부터 원심으로 갈수록 점차 작아질 수 있다. 가령 가장 구심측으로부터 원심측으로 배치되는 전극탭들의 반경이 r1, r2, r3, r4라 하면, (r2-r1)> (r3-r2)> (r4-r3) 와 같은 관계를 가질 수 있다.
복수 개의 전극 탭(23)은 모두 구심 방향으로 탄성 변형되어 일부 면적이 서로 중첩될 수 있다. 이들은 한 번에. 또는 순차적으로 리드(63) 용접될 수 있다.
도 15 내지 도 19는, 전극 조립체(1)의 다른 실시예를 도시한다. 도 15를 참조하면 제1전극(2)은 축방향 일측으로 활물질(22)이 도포되지 않은 제1전극 무지부(21)를 구비한다. 상기 제1전극 무지부(21)에는 복수 개의 제1전극 탭(23)이 고정되고 전기적으로 연결된다.
제2전극(4)은 축방향 타측으로 활물질(42)이 도포되지 않은 제2전극 무지부(41)를 구비한다. 제2전극 무지부(41)는 구심으로부터 원심으로 갈수록 그 축방향 연장 길이가 점진적으로 또는 단계적으로 커진다. 상기 제2전극 무지부(41)는 노칭 탭 형태로 마련될 수 있고, 이러한 노칭 탭은 그 기단부가 절곡되어 반경방향으로 누울 수 있다.
가장 구심측과 가장 원심측 일정 구간은 노칭 탭이 마련되지 않을 수 있다. 노칭 탭이 마련되지 않는 부위는 절곡되지 않는다. 원심측 1턴은 제조 과정에서 노칭 탭이 의도치 않은 상황에서 변형되는 일을 방지하기 위해 제거될 수 있다.
상기 제1전극 탭(23)은 폭방향(Y)으로 제1전극 활물질(22)이 도포된 영역에는 연장되지 않는다. 그러면, 상기 제1전극(2)과 제2전극(4)과 분리막(3)을 권취하여 전극 조립체(1)를 구성하더라도, 제1전극 탭(23)이 반경방향으로 빡빡하게 밀착된 활물질(22, 42) 도포 영역에 개재되지 않는다. 그러면 충방전 과정에서 젤리-롤의 반경이 팽창 수축을 반복하더라도, 과도한 압력이 걸리는 영역이 없어 그로 인한 열화 현상을 방지할 수 있다.
도 15에는, 제1전극 무지부(21)가 길이방향으로 길게 연장된 형태로 제공됨이 예시된다. 이러한 구조에서는 제1전극 무지부(21)가 너무 길면, 단락의 위험성이 높아지고, 제1전극 무지부(21)가 너무 짧으면 제1전극 탭(23)과의 결합 면적 확보에 불리할 수 있다.
이를 보완하여, 도 16에는, 제1전극 탭(23)이 결합되는 구간에서만 제1전극 무지부(21)의 높이가 더욱 높고, 그렇지 않은 영역에서는 제1전극 무지부(21)를 짧게 유지한 구조가 개시된다. 이처럼 제1전극 무지부(21)의 높이를 작게 하면, 제1전극 무지부(21)가 분리막(3)보다 더 외측으로 돌출되지 않게 할 수 있다.
또한 도 17에 도시된 바와 같이, 제1전극 탭(23)이 결합되는 구간 외의 제1전극 무지부(21)를 모두 제거하면, 전기 용량에 기여하는 제1전극(2)의 면적을 극대화하는 것이 가능하다.
이렇게 복수 개의 제1전극 탭(23)이 축방향 일측으로 돌출된 제1전극 무지부(21)에 연결된 구조에 따르면, 도 18과 도 19에 도시된 바와 같이, 원주방향으로 서로 일치하는 위치에 제1전극 탭(23)들이 배열되도록 할 수 있다. 어차피 젤리-롤에서 제1전극 탭(23)은 활물질 코팅층을 벗어난 위치에 배치되므로, 이들을 굳이 원주방향으로 분산해 배치할 필요가 없다.
오히려 원주방향으로 실질적으로 동일한 위치에 이들이 배치되면, 도시된 바와 같이 판재 형상의 제1전극 탭(23)들이 서로 실질적으로 평행하게 배치되므로 이들의 벤딩도 나란히 이루어질 수 있다. 따라서 복수 개의 제1전극 탭(23)들이 원주 방향을 따라 서로 분산 배치된 것과 대비하여, 리드(63)와의 용접 및 리드(63) 용접 후의 취급이 모두 용이하다. 특히 이들은 반경방향으로는 서로 이격되어 있지만, 동일 반경 선상에 배치되므로, 내부 저항 감소 효과도 여전히 누린다.
특히 제1전극 탭(23)이 마련되어야 하는 위치가 제1전극 무지부(21)가 축방향 일측으로 돌출되도록 하고, 제1전극 무지부(21)를 도 16과 도 17에 도시된 바와 같이 소정 구간에서 더 높게 마련하거나 소정 구간에만 마련하되, 해당 구간의 제1전극 무지부(21)가 축방향 일측으로 돌출되도록 하며, 권취 편차를 반영하여 해당 구간을 넓게 설정하면, 먼저 전극 조립체(1)를 권취한 뒤 축방향으로 돌출된 제1전극 무지부(21)에 제1전극 탭(23)을 후행하여 접촉 연결함으로써, 제1전극 탭(23)의 원주방향 위치를 정확히 정렬할 수 있게 된다.
아울러, 제1전극 탭(23)이 반경방향으로 적절한 간격을 유지하면서도 가장 작은 영역에 모여 있을 수 있기 때문에, 해당 영역만을 포함하도록 절연층(65)을 형성할 수 있고, 절연층(65)의 설치하기 용이하며, 절연층(65)을 통해 제1전극 탭(23)을 제1전극 무지부(21)에 견고하게 접촉되도록 하는 등의 다양한 이점을 누릴 수 있다.
이러한 복수 개의 제1전극 탭(23) 구조는, 제1전극 탭(23)을 복수 적용함에 불구하고, 상기 제1전극 탭(23)과의 용접을 위해 비워 두어야 하는 리드(63)의 면적을 최소화할 수 있고, 그 위치 또한 원주방향의 일 위치에서 반경방향으로 연장된 부위(도 18 및 도 19의 이점쇄선 표시 영역)로 확정할 수 있기 때문에, 복수 개의 제1전극 탭(23)을 리드(63)에 연결하면서도 리드(63)에 CID나 벤트를 적용하기 편리하다.
도 20은 제2전극 무지부(41)에 절연 코팅층(44)이 추가로 코팅된 제2전극(4)의 전개도이다. 도 21은 도 20의 절연 코팅층이 코팅된 제2전극 무지부(41)를 권취한 후 절곡한 상태를 확대한 도면이다.
절연 코팅층(44)은 제2전극 무지부(41)의 기단부 부근의 강성을 보강해준다. 이에 따라 상기 제2전극 무지부(41)를 용접하기 위해 제2전극 무지부(41)가 제2전극 집전판(52)이나 전지 캔(6)의 바닥면(62)에 의해 축방향으로 힘을 받을 때, 제2전극 무지부(41)의 기단부가 좌굴되지 않을 수 있다.
제2전극 무지부(41)의 기단부를 절연 코팅층(44)으로 보강하게 되면, 설사 상기 제2전극 무지부(41)의 기단부가 좌굴된다 하더라도, 제2전극 무지부(41)와 제1전극(2)이 직접 접촉하지 않고 상기 절연 코팅층(44)을 사이에 두고 접촉하게 되므로, 제1전극(2)과 제2전극(4) 사이에 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
상기 절연 코팅층(44)은, 상기 제2전극 무지부(41)를 반경방향을 절곡하는 공정에서 절곡 저항력을 제공한다. 이에 따라 제2전극 무지부(41)를 반경방향으로 절곡할 때, 상기 절연 코팅층(44)이 코팅된 구간은 거의 변형되지 않고, 상기 절연 코팅층(44)이 코팅되지 아니한 구간에서 변형이 주로 일어나도록 할 수 있다.
상기 절연 코팅층(44)은 상기 제2전극 활물질(42) 코팅부와 제2전극 무지부(41)의 경계 부위로부터 상기 제2전극 무지부(41)의 단부를 향하는 소정 구간을 커버한다. 상기 절연 코팅층(44)은 상기 분리막(3)의 축방향 단부보다 내측에서 시작하여, 상기 분리막(3)보다 축방향 외측으로 더 연장된다.
상기 절연 코팅층(44)은 제2전극 활물질(42) 코팅부와 제2전극 무지부(41)의 경계 부위를 덮을 때 상기 제2전극 활물질(42) 코팅부의 단부의 미소 구간을 함께 덮는다. 좌굴에 의해 변형이 가장 크게 발생하는 부위는 상기 제2전극 활물질(42) 코팅부와 상기 제2전극 무지부(41)의 경계 부위일 수 있다. 상기 절연 코팅층(44)은 이러한 경계부위에서 상기 제2전극 활물질(42) 코팅부의 단부의 미소 구간을 함께 덮기 때문에, 상기 제2전극 활물질(42) 코팅부와 상기 제2전극 무지부(41)의 경계 부위의 좌굴 저항력을 크게 높여준다.
상기 절연 코팅층(44)은 일정한 두께로 코팅되거나, 축방향으로 그 두께가 변화할 수 있다. 도 21에는, 음극 활물질의 단부에 형성된 글라이드 구간(두께가 얇아지는 구간)에서 절연 코팅층(44)의 두께는 점점 커지는 구조가 도시되어 있다.
상기 절연 코팅층(44)의 두께는, 상기 음극 활물질층의 두께보다 더 얇을 수 있다. 이에 따라, 도시된 바와 같이, 상기 제2전극 활물질(42) 코팅부는 반경방향으로 분리막(3)과 밀착되지만, 상기 절연 코팅층(44)은 상기 분리막(3)과 어느 정도 이격되거나, 접촉은 하더라도 밀착이 되지 않을 수 있다.
그러면, 제2전극 무지부(41)의 절곡 공정 중, 그리고 제2전극 무지부(41)에 제2전극 집전판(52)을 용접하는 공정 중 제2전극 무지부(41)에 외력이 가해져 상기 제2전극 무지부(41)의 기단부가 변형된다 하더라도, 그 변형량을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 제2전극 무지부(41)의 기단부의 변형이 즉시 분리막(3)에 영향을 미치지 않게 된다. 즉 제2전극 무지부(41)는, 절연 코팅층(44)과 분리막(3)의 간격만큼, 분리막(3)에 영향을 미지 않으면서 변형이 허용되는 구간을 갖게 된다.
아울러 절연 코팅층(44)이 상기 분리막(3)과 이격되어 있으면, 제2전극 무지부(41)를 제2전극 집전판(52) 또는 전지 캔(6)의 바닥면(62)에 용접하는 과정에서 발생하는 열이 절연 코팅층(44)을 통해 분리막(3)에 직접 전도되는 현상을 방지하여, 용접 열로부터 분리막(3)을 보호할 수 있다. 아울러, 절연 코팅층(44)으로 인해 분리막(3)의 축방향 돌출 높이를 더 짧게 할 수 있으므로, 용접 열이 발생하는 위치로부터 분리막(3)의 축방향 단부까지의 거리 역시 더 멀게 할 수 있어, 용접 열로부터 분리막(3)을 보호하는 효과는 더 커질 수 있다.
상기 전극조립체(1)는 원통형으로 권취되므로, 상기 절연 코팅층(44)이 코팅된 제2전극 무지부(41)의 절연 코팅 영역 역시 원통형의 곡면을 가진다. 원통형의 곡면은 그 형상 자체로 절곡 저항성을 가진다. 실시예에 따르면, 상기 절연 코팅 영역은 보다 두터워진 원통형의 곡면을 가지므로, 원통형의 곡면의 상부에 마련된 영역을 반경방향으로 절곡함에 있어서, 상기 절연 코팅 영역이 더욱 높은 절곡 저항력을 제공한다. 이에 따라 제2전극 무지부(41)에서 절연 코팅이 이루어지지 않은 부위에서 절곡이 유도된다.
이때, 상기 절연 코팅 영역이 더욱 높은 절곡 저항력을 제공하므로, 절연 코팅층(44)의 두께가 음극 활물질층의 두께보다 얇아 절연 코팅층(44)의 표면이 반경방향으로 분리막(3)과 이격되어 분리막(3)의 지지를 받지 않는다 하더라도, 절곡 저항력을 충분히 발휘할 수 있다.
상기 절연 코팅층(44)의 선단부는 상기 제2전극 무지부(41)의 절곡 부위(F)와 약간의 갭(G)을 유지하도록 코팅된다. 이는 제2전극 무지부(41)가 절곡 부위(F)에서 절곡되도록 유도하는 효과를 발휘한다. 또한 제2전극 무지부(41)가 절연 코팅층(44)으로부터 약간의 갭(G)을 사이에 두고 변형되므로, 무지부의 절곡 공정으로 인해 절연 코팅층(44)이 손상되는 일을 방지할 수 있다.
이렇게 절연 코팅층(44)을 구비한 제2전극 무지부(41)는, 축방향으로 가압되더라도, 좌굴이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
도 22 및 도 23은 본 발명에 따른 원통형 전지 셀을 포함하는 배터리 팩을 나타내는 사시도 및 도 22의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 나타내는 사시도이다. 이를 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체 및 원통형 전지 셀(C)은, 이를 포함하는 배터리 팩(P) 및 상기 배터리 팩(P)을 포함하는 자동차(V)에 있어서도 적용될 수 있다. 이와 같은 배터리 팩(P) 및 자동차(V)의 실시에 관하여는 이미 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 별도의 설명을 하지 않는다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (25)

  1. 제1전극, 분리막, 제2전극, 및 분리막을 순차로 적층한 전극 적층체가 권회축을 중심으로 권취방향으로 권취된 젤리롤 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1전극에 전기적으로 연결되는 제1전극 탭; 및
    상기 제2전극의 일부에 마련되며 활물질이 코팅되지 않는 제2전극 무지부;를 포함하며,
    상기 제1전극 탭은 제1전극에 비하여 축방향 일측으로 돌출되고,
    상기 제2전극 무지부는, 상기 제2전극의 축방향 타측 단부에 노출되어 마련되어 탭의 역할을 하는, 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극 탭은 하나 또는 둘 이상 마련되는, 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 둘 이상의 제1전극 탭은 서로 포개어져 전기적으로 연결된 하나의 탭을 구성하는, 전극 조립체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 하나의 제1전극 탭은 상기 제1전극의 권취방향 양단부를 회피한 위치에서 상기 제1전극과 연결되는, 전극 조립체.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 둘 이상의 제1전극 탭은 상기 제1전극의 권취방향 양단부 및 중앙부를 회피한 위치에서 상기 제1전극과 연결되는, 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극 탭은 활물질이 코팅되지 않은 제1전극 무지부에 접하는, 전극 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1전극 무지부는 축방향으로 활물질이 코팅된 영역과 대응하는 영역에 마련되는, 전극 조립체.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1전극 무지부는 활물질이 코팅된 영역의 축방향 단부에서 축방향 외측으로 더 연장된 형태로 마련되는, 전극 조립체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1전극 무지부는 길이방향 전체 또는 길이방향의 일부에 마련되는, 전극 조립체.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1전극 무지부가 축방향 외측으로 연장된 길이는 상기 제1전극 탭이 접촉된 부위를 포함하는 소정 구간이 나머지 구간보다 더 긴, 전극 조립체.
  11. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제1전극 탭은 복수 개 마련되고,
    복수 개의 상기 제1전극 탭은 반경방향으로 서로 다른 반경 위치에 배치되는, 전극 조립체.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1전극 탭은 복수 개 마련되고,
    복수 개의 상기 제1전극 탭이 배치된 원주방향 위치는 서로 중첩되지 않는, 전극 조립체.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1전극 탭은 복수 개 마련되고,
    복수 개의 상기 제1전극 탭이 배치된 원주방향 위치는 적어도 부분적으로 서로 중첩되는, 전극 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극의 축방향 길이가 제2전극에 활물질이 코팅된 영역 및 분리막의 축방향 길이보다 짧은, 전극 조립체.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1전극의 축방향 일측 단부의 높이가 상기 제2전극의 축방향 일측 단부의 높이와 같거나 그보다 낮게 배치되는, 전극 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1전극의 축방향 일측 단부와 상기 제2전극의 축방향 일측 단부 간의 축방향 거리가, 상기 제1전극의 축방향 타측 단부와 상기 제2전극의 무지부가 시작되는 지점 간의 축방향 거리보다 짧은, 전극 조립체.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2전극 무지부는 권취방향으로 연속적이거나 단속적으로 노칭된 형상인, 전극 조립체.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2전극 무지부는 축방향으로 돌출되는 높이가 연속적으로 또는 단속적으로 증가하는, 전극 조립체.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2전극 무지부는 반경방향으로 절곡되는, 전극 조립체.
  20. 청구항 19에 있어서,
    절곡된 상기 제2전극 무지부의 표면에는 집전판이 결합되는, 전극 조립체.
  21. 청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항의 전극 조립체를 포함하는 원통형 전지.
  22. 청구항 21에 있어서,
    축방향 일측면이 개방되어 상기 제2전극 무지부가 바닥을 향하도록 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 캔;
    상기 전극 조립체가 상기 전지 캔에 수용된 상태에서 상기 전지 캔의 개방된 상부를 커버하는 전지 캔 리드; 및
    상기 제1전극 탭을 상기 전지 캔 및 상기 제2전극 축방향 단부와 절연시키는 절연층;을 포함하고,
    상기 제1전극 탭은 상기 전지 캔 리드와 전기적으로 연결되고,
    상기 제2전극 무지부는 상기 전지 캔 바닥면과 전기적으로 연결되는, 원통형 전지.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 전지 캔 측벽에는, 반경방향 내측으로 돌출되어 상기 전극 조립체를 상하로 고정하는 비딩부가 마련되고,
    상기 절연층은 상기 비딩부와 상기 전극 조립체 사이에 배치되는, 원통형 전지.
  24. 청구항 22에 있어서,
    상기 절연층은 상기 전극 조립체의 축방향 일측면을 커버하고, 상기 제1전극 탭은 상기 절연층을 관통하여 축방향 일측으로 돌출되는, 원통형 전지.
  25. 청구항 22에 있어서,
    상기 절연층은 상기 제1전극 탭과 상기 제2전극 및 상기 전지 캔의 각 경계 부위에 마련되는, 원통형 전지.
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