WO2024085721A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

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WO2024085721A1
WO2024085721A1 PCT/KR2023/016372 KR2023016372W WO2024085721A1 WO 2024085721 A1 WO2024085721 A1 WO 2024085721A1 KR 2023016372 W KR2023016372 W KR 2023016372W WO 2024085721 A1 WO2024085721 A1 WO 2024085721A1
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WO
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electrode assembly
wrapping
stack
anode
wrapping part
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/016372
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English (en)
French (fr)
Inventor
이정훈
권순관
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0583—Construction or manufacture of accumulators with folded construction elements except wound ones, i.e. folded positive or negative electrodes or separators, e.g. with "Z"-shaped electrodes or separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys

Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and an electrochemical device including the same. Specifically, the present invention relates to an electrode assembly including lithium metal in the negative electrode and an electrochemical device including the same.
  • Electrochemical devices are the field that is attracting the most attention in this respect, and in particular, in accordance with the recent trend of miniaturization and lightweighting of electronic devices, the development of secondary batteries as small, lightweight and high-capacity chargeable and dischargeable batteries has become the focus of attention.
  • the electrode assembly is a jelly-roll (wound type) electrode assembly, which is a structure in which long sheet-shaped anodes and cathodes are wound with a separator interposed, and a plurality of anodes and cathodes cut in units of a predetermined size are sandwiched between a separator. It is classified into a stacked (laminated) electrode assembly that is sequentially stacked in one state.
  • the jelly-roll electrode assembly is made by tightly winding a long sheet-shaped anode and a cathode into a cylindrical or oval cross-sectional structure.
  • stress caused by expansion and contraction of the electrode during charging and discharging accumulates inside the electrode assembly, and when such stress accumulation exceeds a certain limit, deformation of the electrode assembly occurs.
  • deformation of the electrode assembly can cause the spacing between electrodes to become uneven, which can rapidly deteriorate battery performance and cause problems in which the safety of the battery is threatened due to internal short circuit.
  • the jelly-roll electrode assembly requires winding the anode and cathode in the form of a long sheet, it is difficult to quickly wind up the anode and the cathode while maintaining a constant distance between the anode and the cathode, thereby reducing productivity.
  • the stacked electrode assembly must sequentially stack a plurality of anode and cathode units. At this time, a separate electrode plate transfer process for manufacturing the unit is required and a lot of time and effort is required for the sequential stacking process, so the stacked electrode assembly has a problem of low productivity.
  • the stack-folding electrode assembly is a long-length continuous separator sheet (folding separator) made of bi-cells or full cells stacked with a separator interposed between a predetermined unit of an anode and a cathode. It has a structure that is wound using.
  • the stack-folding type electrode assembly generally connects the electrodes of each layer by extending a separator that is easier to fold than the electrode. At this time, the electrodes of each layer are supplied in a cut state to form the electrode assembly, similar to the stacked electrode assembly.
  • this general stack-folding type electrode assembly is more suitable.
  • lithium metal which is well known in the technical field as an anode material for secondary batteries, is not easy to process such as cutting due to its physical properties of high ductility and viscosity, and is relatively easy to fold, so it is used in existing stack-folding electrodes. It may not be suitable for assembly.
  • the present inventor completed the present invention by designing a structure suitable for an electrode assembly, especially an electrode assembly containing lithium metal as a cathode.
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 10-2023530
  • the present invention seeks to provide an electrode assembly with a new structure suitable for an electrode assembly containing lithium metal as a cathode and an electrochemical device containing the same.
  • the present invention provides an electrode assembly including a cathode structure and a plurality of anodes.
  • the anode structure includes first and second separators, and a lithium metal layer interposed between the first and second separators.
  • the cathode structure is divided into a plurality of stack parts, a plurality of folding parts, and first and second wrapping parts depending on the position in the electrode assembly.
  • a stack part and a folding part are alternately positioned between first and second wrapping parts located at the ends of the cathode structure, respectively, and the first and second wrapping parts each contact the stack part.
  • the electrode assembly has a plurality of stack parts sequentially positioned side by side in the thickness direction by a folding part, and at least one anode is positioned between stack parts adjacent to each other in the thickness direction.
  • the second wrapping part in the electrode assembly, is positioned to contact the first wrapping part, and the outer surface in the thickness direction and the longitudinal direction is connected to the second wrapping part, or the second wrapping part and the first wrapping part. and has a structure surrounded by one or more of the outermost stack portion.
  • the plurality of stack parts and the plurality of positive electrodes are closely adhered in the thickness direction by the first and second wrapping parts.
  • the second wrapping part of the cathode structure surrounds the first wrapping part surrounding one side of the electrode stack and the opposite side of the electrode stack.
  • the ends of the first and second wrapping portions of the cathode structure are located on the same line.
  • the electrode assembly has at least one anode positioned between a stack portion located in contact with the first wrapping portion of the cathode structure and a second wrapping portion located parallel to the stack portion.
  • the electrode assembly has one anode positioned between stack portions adjacent in the thickness direction, and the total number of anodes located between stack portions in the electrode assembly is 2n (where , n is a natural number).
  • the positive electrode in the electrode assembly, includes a positive electrode active material layer and a current collector supporting the positive electrode active material layer, and the negative electrode does not include a current collector supporting the lithium metal layer.
  • the lithium metal layer and the first and second separators have the same length.
  • the end of the first wrapping part is located on the stack part adjacent to the second wrapping part by turning to surround one side of the electrode assembly adjacent to the first wrapping part, and the end of the first wrapping part is located on the stack part adjacent to the second wrapping part. The end is located on the first wrapping portion.
  • the electrode assembly further includes a fixing member for fixing the ends of the first and second wrapping parts on the outermost stack part.
  • the length of the folding portion in the cathode structure is 2 to 10 times the sum of the thicknesses of the anode and cathode structures.
  • the length of the folding part in the cathode structure is 2 to 10 times the vertical distance between the end of the anode and the side wrapping part surrounding it.
  • the folding part has an asymmetric shape with respect to the surface along the longitudinal direction.
  • the thickness of the lithium metal layer in the negative electrode structure accounts for 50% to 90% of the total thickness of the negative electrode structure.
  • the thickness of the anode is greater than the thickness of the cathode structure.
  • the fixing member is an insulating tape.
  • the center point of the length of the folding portion is not located parallel to the center point of the thickness of the anode surrounding the folding portion.
  • the anode located between the stack portion located in contact with the first wrapping portion and the second wrapping portion adjacent in the thickness direction is longer than the other anode.
  • the end of the second wrapping part is located on the first wrapping part.
  • the end of the second wrapping portion is located on the outermost stack portion.
  • the electrode assembly includes a first fixing member for fixing the first wrapping part, and a second fixing member for fixing the second wrapping part.
  • the present invention provides an electrochemical device including the electrode assembly described above.
  • the electrochemical device is a lithium secondary battery.
  • the electrochemical device is a lithium-sulfur battery.
  • the electrode assembly according to one embodiment of the present invention manufactures the electrode assembly using a continuous negative electrode structure sandwiched between two separators containing a negative electrode containing lithium metal, thereby minimizing cutting of the lithium metal and forming the electrode. Process efficiency in assembly manufacturing can be improved.
  • the manufactured electrode assembly can have a stable structure, but also the performance of the battery can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a cathode structure including a stack part, a folding part, and a wrapping part according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing the structure of an electrode assembly including a cathode structure and an anode according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing the structure of an electrode assembly in which the end of the wrapping part of the cathode structure is attached to the fixing member according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic enlarged view of the folding portion of the electrode assembly according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is an enlarged view schematically showing the portion where the end of the positive electrode and the side wrapping portion are located in the electrode assembly according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram schematically showing the process and state in the manufacturing process of the electrode assembly according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 6a schematically shows the process of folding the cathode structure to create an electrode laminate in which the anode and cathode structures are alternately stacked
  • Figure 6b shows the process of folding the cathode structure to form an electrode laminate in which both sides of the electrode laminate are formed into the first and second sides.
  • the process of each wrapping with the second wrapping part is schematically shown
  • FIG. 6C schematically shows the process of additional wrapping with the second wrapping part.
  • Figure 6d schematically shows the state in which the electrode assembly is completed by placing the ends of the first and second wrapping parts on the same line after wrapping
  • Figure 6e schematically shows the state in which the ends of the first and second wrapping parts are fixed. .
  • Figure 7 is a graph showing the results of measuring the coulombic efficiency for each cycle of a lithium secondary battery including each electrode assembly manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the essence, order, or order of the component is not limited by the term.
  • a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is no additional component between each component. It should be understood that may be “connected,” “combined,” or “connected.”
  • the present invention relates to an electrode assembly, and provides an electrode assembly with a novel structure suitable for using lithium metal as a cathode by improving problems that may occur when applying lithium metal as a cathode to the existing stack-folding electrode assembly structure. do.
  • the electrode assembly according to the present invention can not only improve fairness in the assembly process but also increase the reliability of the manufactured product. Additionally, the electrode assembly has a structure that allows maximum use of the positive electrode included in the electrode assembly, which can contribute to improving battery performance.
  • FIGS. 1 to 6 are front views, and based on the front view, the “longitudinal direction” means the left-right direction in the drawings, the “width direction” means the front-to-back direction in the drawings, and the “Thickness direction” (or “height direction”) means the vertical direction in the drawing.
  • adjacent refers to an object located closest to a reference among a plurality of objects referred to. Adjacent objects do not necessarily touch the criterion.
  • the electrode assembly includes an anode, a cathode, and a separator.
  • the anode and separator are not particularly limited as long as they are materials commonly used in the relevant technical field, but the cathode includes lithium metal.
  • lithium metal has no significant difference in physical properties from lithium metal even if some components are added to lithium or in the form of an alloy with some metals, so if the same problems can occur when applied to a conventional electrode assembly as lithium metal, the interpretation is broadly extended. It can be.
  • the anode may be referred to as a lithium metal layer in that it contains lithium metal
  • the anode and the separator may be referred to as an anode structure in that they are supplied as an integrated structure.
  • the cathode is sandwiched between two separators to form a cathode structure.
  • the two separators constituting the cathode structure may be referred to as first and second separators.
  • the cathode structure has a structure extending in the longitudinal direction, and the electrode assembly includes only one cathode structure.
  • a basic electrode assembly structure is formed by folding the cathode structure with a structure extending in the longitudinal direction and fixing the anode inside.
  • the cathode structure includes a plurality of stack parts, a plurality of folding parts, and two wrapping parts depending on their positions in the electrode assembly.
  • the two wrapping parts included in the cathode structure may be referred to as first and second wrapping parts.
  • FIG. 1 provides an exemplary structure of the cathode structure including a stacking part, a folding part, and a wrapping part.
  • the stack portions 10A, 10A', 10A'', folding portions 10B, and wrapping portions 10C, 10C' are positions having different functionality depending on the longitudinal direction of the cathode structure 10. It is a unit that separates.
  • the stacking portions 10A, 10A', 10A'', folding portions 10B, and wrapping portions 10C, 10C' are not distinguished by material other than location.
  • the stack portions 10A, 10A', and 10A'' refer to the cathode structure 10 at the position where the anode is stacked, and have a mainly straight shape based on FIG. 2 and the like.
  • the folding part 10B refers to the cathode structure 10 at a position connecting stack parts, and has a mainly curved shape based on FIG. 2 and the like.
  • the folding part 10B may also be called a bending part.
  • the first wrapping part 10C refers to a cathode structure positioned to surround the stacked structure of the anode and cathode structures from the point of contact with the outermost stack part 10A' at the bottom.
  • the second wrapping part 10C' refers to a stacked structure of an anode and a cathode structure from the point of contact with the uppermost outermost stack part 10A'', and a cathode structure at a position surrounding the first wrapping part 10C. do. Based on Figure 2, etc., straight shapes and curved shapes are mixed.
  • the cathode structure 10 has first and second wrapping parts 10C and 10C' located at both ends in the longitudinal direction. That is, the two wrapping parts 10C and 10C' are respectively located at the ends of the cathode structure 10 in the longitudinal direction.
  • first wrapping part 10C is in contact with the first outermost stack part 10A'
  • second wrapping part 10C' is in contact with the second outermost stack part 10A''.
  • Folding parts 10B and stack parts 10A are alternately positioned between the first outermost stack part 10A' and the second outermost stack part 10A''. Since the length of the stack portions 10A, 10A', and 10A'' is substantially the same as the length of the anode, the length of each stack portion 10A, 10A', and 10A'' is substantially the same.
  • the two wrapping parts 10C located at both ends of the cathode structure 10 may have different lengths.
  • the wrapping part 10C located at the point where lamination starts is called the first wrapping part
  • the wrapping part 10C' located at the point where lamination ends is called the second wrapping part. It is named the wrapping department.
  • the first and second wrapping parts may also be named vice versa.
  • the second wrapping part 10C' of the cathode structure surrounds the first wrapping part 10C surrounding one side of the electrode stack and the opposite side of the electrode stack. Accordingly, the second wrapping part 10C' is located outside the electrode assembly 1 than the first wrapping part 10C.
  • the first wrapping part 10C located at the start point of lamination may be shorter than the second wrapping part 10C' located at the end point of lamination.
  • the second wrapping part 10C' is longer enough to wrap the stack part 10A' in contact with the opposite side of the electrode stack and the first wrapping part 10C or the added anode. It can have a long length.
  • the ends of the first and second wrapping parts 10C and 10C' of the cathode structure are located on the same line.
  • the electrode assembly 1 basically has a structure in which the second wrapping part 10C' surrounds the first wrapping part 10C. In a strict sense, the second wrapping part 10C' surrounds the first wrapping part 10C, meaning that one wrapping part 10C, 10C' located inside cannot be exposed to the outside, but in this specification, in a strict sense, It is not interpreted.
  • the ends of the first wrapping part 10C and the second wrapping part 10C' may be located on the same line, but the ends of the first wrapping part 10C and the second wrapping part 10C' may not be located on the same line.
  • (10C') may be slightly short so that the end of the first wrapping part 10C is exposed, or the second wrapping part 10C' may be slightly long so that the end of the first wrapping part 10C may be completely covered.
  • the end of the second wrapping part is located on the first wrapping part or the end of the second wrapping part is located on the outermost stack part.
  • the second wrapping part 10C' is a little short and the end of the first wrapping part 10C is exposed, the second wrapping part 10C' and the first wrapping part 10C can be fixed at the same time by taping. Additionally, when the second wrapping part 10C' is slightly long and completely surrounds the end of the first wrapping part 10C, the cathode at the end of the first wrapping part may not be exposed to the outside.
  • the cathode structure 10 forms an electrode assembly together with a plurality of anodes.
  • FIG. 2 provides an exemplary structure of an electrode assembly including a cathode structure and an anode. Since the cathode structure 10 includes the cathode 11 and the separator 12, the electrode assembly 1 includes the anode 10, the cathode 11, and the separator 12.
  • the electrode assembly 1 has a plurality of stack parts 10A, 10A', and 10A'' sequentially positioned side by side in the thickness direction by the folding part 10B, and are stacked in the thickness direction. At least one anode is located between adjacent stack parts 10A, 10A', and 10A'' and stack parts 10A, 10A', and 10A''.
  • the second wrapping part 10C' is positioned to contact the first wrapping part 10C, and the outer surface in the thickness direction and the length direction is the second wrapping part 10C'.
  • the interior of the electrode assembly 1 has one side of the electrode stack in which the stack portions 10A, 10A', 10A'' of the cathode structure and the anode are alternately sequentially stacked. It has a structure surrounded by a first wrapping portion (10C).
  • the outside of the electrode assembly 1 has a structure surrounded by a stack portion 10A'' and a second wrapping portion 10C' of the cathode structure.
  • the inside and outside of the electrode assembly 1 are divided into areas of the electrode assembly 1 to facilitate understanding of the structure of the electrode assembly 1 according to the present invention, and based on FIG. 2, the electrode assembly In the thickness direction and the length direction, the layer exposed to the outside refers to the outside of the electrode assembly 1, and the inside portion of the outside of the electrode assembly 1 refers to the inside of the electrode assembly 1.
  • the stack portions 10A, 10A', and 10A'' refer to the cathode structure 10 at the position where the anode is stacked, and the second wrapping portion 10C' refers to the second uppermost portion. Since it starts from the point where the outermost stack part 10A'' ends, the end of the second wrapping part 10C' is located at the top of the second outermost stack part 10A'' at the top, as shown in FIG. In this case, a portion of the uppermost second outermost stack portion 10A'' is located outside the electrode assembly 1, and the remaining portion of the uppermost second outermost stack portion 10A'' is located outside the electrode assembly 1. ) can be located inside.
  • a stack part located inside or outside may mean the entire stack part or a part of it.
  • the exterior of the electrode assembly 1 may be formed only by the second wrapping part. If the first wrapping part 10C covers the entire uppermost second outermost stack part 10A'', and the end of the second wrapping part does not reach the end of the first wrapping part, the outside of the electrode assembly 1 is It can be formed only with the first and second wrapping parts.
  • the electrode assembly 1 may be formed of first and second wrapping parts 10C and 10C' and a second outermost stack part 10A''.
  • the plurality of folding parts 10B are wrapped by the first and second wrapping parts 10C and 10C' and are not exposed to the outside in the thickness direction and the length direction.
  • the stack portions 10A, 10A', and 10A'' of the cathode structure 10 and the anode 20 are alternately sequentially stacked inside, so that the folding portion
  • the cathode structure 10 including (10B) has a zigzag shape.
  • the folding part 10B which is sequentially located from the stack part 10A' in contact with the first or second wrapping part 10C, 10C' of the cathode structure 10, is located on the left or right side of the electrode assembly 1. They are located alternately on the right.
  • the stack portions 10A, 10A', and 10A'' of the cathode structure 10 and the anode 20 are not alternately stacked, and two or more of the stack portions or anodes are stacked sequentially, between the continuously stacked layers Since no potential difference occurs, the efficiency of the battery may decrease.
  • the plurality of stack parts (10A, 10A', 10A'') and the plurality of positive electrodes (20) are formed by first and second wrapping parts (10C, 10C').
  • the first and second wrapping parts 10C and 10C' can wrap the inside of the electrode assembly 1 with high tension compared to the stack parts 10A, 10A', and 10A'' or the folding part 10B.
  • the internal structure of the electrode assembly 1 is brought into close contact in the thickness direction. If the internal structure of the electrode assembly 1 is brought into close contact in the thickness direction in this way, the internal structure of the electrode assembly 1 inevitably comes into close contact with the longitudinal direction.
  • an air gap of a certain level or more may exist around the folding portion 10B due to the structure of the electrode assembly 1.
  • the electrode assembly 1 includes a stack portion 10A' positioned in contact with the first wrapping portion 10C of the cathode structure 10 and a stack portion 10A' positioned parallel to the stack portion 10A'. At least one anode is located between the second wrapping portions 10C'.
  • the added anode 20 refers to the anode located lowest among the anodes in FIG. 2.
  • the second wrapping portion 10C' located adjacent to the stack portion 10A' also functions as a cathode and contributes to improving overall battery performance.
  • the anode located between the stack portion (10A') located in contact with the first wrapping portion (10C) and the second wrapping portion (10C') adjacent in the thickness direction is longer than the other anode. . This is because there is a longer void in the longitudinal direction at that location, so if the anode located between the stack portion 10A' of the cathode structure 10 and the second wrapping portion 10C' adjacent in the thickness direction is made longer, , It helps the performance of the battery.
  • the electrode assembly has one anode positioned between the stack portions 10A, 10A', and 10A'' adjacent in the thickness direction, and the stack portions (10A, 10A', and 10A'') , the total number of anodes 20 located between the stack portions 10A, 10A', and 10A'' and the stack portions 10A, 10A', and 10A'' is 2n (where n is a natural number). Since one anode 20 exists between the stack portions 10A, 10A', and 10A'' in the electrode assembly 1, the total number of anodes referred to here is the total number of anodes placed in the same situation. This does not mean that 2n anodes are stacked between stack units.
  • the total number of anodes located between stack units is 4. This excludes the anode located between the stack part 10A' and the wrapping part 10C.
  • the upper limit of the total number of anodes 20 is not particularly limited and may be adjusted within a range generally used in the relevant technical field.
  • the starting position of the first wrapping part 10C is opposite to the starting position of the second wrapping part 10C'.
  • the starting position of the first wrapping part 10C is located on the left side
  • the starting position of the second wrapping part 10C' is located on the right side.
  • the second wrapping part 10C' covers one side of the electrode stack, and the ends of the first wrapping part and the second wrapping part of the cathode structure have a short length until they are located on the same line. You can lose.
  • the number of stack parts 10A, 10A', and 10A'' and the anode are the same.
  • the total number of anodes 20 located between stack units is 2n (where n is a natural number), and the stack units 10A, 10A', and 10A'' have one more than this, There are 2n+1 (where n is a natural number). Since the number of anodes included in the electrode assembly 1 must also take into account the anode located between the stack portion 10A' and the wrapping portion 10C, the number of stack portions and anodes in the electrode assembly 1 is the same. do.
  • the positive electrode 20 includes a positive electrode active material layer (not shown) and a current collector (not shown) supporting the positive electrode active material layer.
  • the positive electrode 20 has a structure in which a positive electrode active material layer is formed on at least one side, specifically, both sides, of a current collector.
  • the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and may further include a conductive material, binder, and additives.
  • the current collector, positive electrode active material, conductive material, binder, and additives are not particularly limited as long as they are commonly used in the relevant technical field.
  • the positive electrode current collector supports the positive electrode active material layer and is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the positive electrode current collector is copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium, calcined carbon, copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, silver, etc., aluminum- Cadmium alloy, etc. may be used.
  • the positive electrode current collector can strengthen the bonding force with the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and can be used in various forms such as film, sheet, foil, mesh, net, porous material, foam, and non-woven fabric.
  • the positive electrode active material may be a lithium-containing transition metal oxide.
  • the positive electrode active material may include a sulfur compound.
  • the electrode assembly 1 can be applied to a lithium-sulfur battery. Since sulfur contained in the positive electrode active material does not have electrical conductivity on its own, it can be used in combination with a conductive material such as carbon material. Accordingly, the sulfur is contained in the form of a sulfur-carbon composite, and preferably, the positive electrode active material may be a sulfur-carbon composite.
  • the anode 20 is relatively difficult to fold and is easy to cut compared to the cathode. Accordingly, the anode 20 is cut to an appropriate size and a plurality of anodes are applied inside the electrode assembly 1.
  • the negative electrode 11 does not include a current collector supporting the lithium metal layer. Since the negative electrode 11 does not include a current collector, the loading amount of the negative electrode active material in the electrode assembly can be improved, contributing to improved battery performance.
  • the negative electrode 11 is mainly composed of lithium metal, lithium metal has high ductility and viscosity, so processing such as cutting may not be easy.
  • the negative electrode structure ( 10) Fairness can be improved by minimizing cutting while applying the cathode in the form.
  • the lithium metal layer according to one embodiment of the present invention may be a free standing lithium metal layer that can maintain its shape to some extent.
  • the type of the separator 12 covering both sides of the cathode 11 in the cathode structure 10 is not particularly limited as long as it does not contain a binder on the surface.
  • the separator 12 may be, for example, a non-woven fabric made of high-melting-point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, or a polyolefin-based porous substrate, but is not limited thereto.
  • the material of the porous substrate is not particularly limited in the present invention, and any porous substrate commonly used in electrochemical devices can be used.
  • the porous substrate is made of polyolefin, such as polyethylene and polypropylene, and polyester, such as polyethyleneterephthalate and polybutyleneterephthalate.
  • polyester polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, Polyphenylenesulfide, polyethylenenaphthalate, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, cellulose It may include one or more materials selected from the group consisting of (cellulose), nylon, poly(p-phenylene benzobisoxazole), and polyarylate.
  • the cathode 11 and the first and second separators 12 have the same length.
  • the separator located on the outside of the electrode assembly 1 may be called the first separator
  • the separator located inside the electrode assembly 1 may be called the second separator.
  • the cathode 11 and the separator 12 are supplied to the electrode assembly in the form of a cathode structure 10 with the cathode 11 interposed between the first and second separators 12. At this time, the cathode and the separator are provided for one period. As shown in FIG.
  • the lengths of the cathode 11 and the first and second separators 12 in the cathode structure 10 are substantially the same.
  • a slight difference may occur in the lengths of the cathode 11 and the first and second separators 12, and in some cases, the ends of the first and second separators 12 may be bent toward the center of the cathode structure 10.
  • the first and second separators are in contact with each other at the ends of the cathode structure 10.
  • the cathode structure 10 is made of lithium due to the ductility of lithium metal during the folding process when applied to the electrode assembly 1.
  • the length of the metal can be extended.
  • lithium metal protrudes in the longitudinal direction beyond the first and second separators at the end of the anode structure 10 on the wrapping portion 10C side. Additionally, depending on the number of times the folding is done, the separators located on the outside of the folding portion 10B may become shorter.
  • the first separator protrudes longer than the second separator at the end of the cathode structure 10 on the first or second wrapping part 10C, 10C'.
  • the second separator protrudes longer than the first separator at the end of the cathode structure 10 on the first or second wrapping part 10C, 10C'.
  • the end of the first wrapping part 10C is rotated so that the first wrapping part 10C surrounds one side of the adjacent electrode assembly to form a second wrapping part ( It is located on the stack portion 10A'' in contact with 10C'), and the end of the second wrapping portion 10C' is located on one wrapping portion 10C.
  • the ends of the first and second wrapping parts 10C and 10C' may be attached to the stack part 10A'' in a broad sense. In some cases, the end of the second wrapping part 10C' may be attached to the first wrapping part 10C, and the above-described broad meaning includes this because it is also on the stack part 10A''.
  • the electrode assembly 1 further includes a fixing member for fixing the ends of the first and second wrapping parts 10C and 10C' on the outermost stack part.
  • the electrode assembly 1 has a more stable structure.
  • FIG. 3 shows an electrode to which the ends of the wrapping parts are attached as a fixing member in the cathode structure 10.
  • the tape T which is a fixing member, to surround the outer surface of the electrode structure 1, as shown in FIG. 3. It may be desirable.
  • the tape ( T) has insulating properties and entirely covers the ends of the first and second wrapping portions 10C and 10C' in the width direction. By this taping method, the top, bottom, left, and right sides of the electrode assembly are covered with a separator or tape.
  • the first wrapping part 10C and the second wrapping part 10C' may be attached separately.
  • the electrode assembly includes a first fixing member for fixing the first wrapping part 10C, and a second fixing member for fixing the second wrapping part 10C'.
  • the cathode structure 10 In manufacturing the electrode assembly 1, when the stack portions 10A, 10A', and 10A'' of the cathode structure 10 and the anode 20 are alternately stacked, the cathode structure 10 is adhered to the same standard. Because it is folded along, the folding portion 10B also has substantially the same length.
  • the cathode structure 10 utilizes a specific type of mandrel to apply the same standard when folding. If the length of the folding portion 10B is short, an unnecessary load may be applied to the lithium metal located in the center of the negative electrode structure 10, which may cause defects such as disconnection of the lithium metal. Therefore, ensuring that the length of the folding portion 10B is sufficiently above a certain level allows lithium metal to be flexibly disposed in the gap between the electrode-stacked portion and the wrapping portion.
  • FIG. 4 provides an enlarged view of the folding portion 10B in the electrode assembly 1.
  • the length of the folding portion 10B in the cathode structure 10 is 2 to 10 times the sum of the thicknesses of the anode 20 and the cathode structure 10.
  • the length of the folding portion 10B refers to the length of the curve of the folding portion. In the case of a curve, the length of the inside and outside may be different, so measure the length of the central part. For example, the length indicated by a dotted line in FIG. 4 can be cut and then expanded to measure the length.
  • the length of the folding portion 10B is 2 times or more, 2.5 times or more, 3 times or more, 3.5 times or more, 4 times or more based on the sum of the thicknesses of the anode 20 and the cathode structure 10, and 10 It may be 2 times or less, 9.5 times or less, 9 times or less, 8.5 times or less, 8 times or less, 2 times to 10 times, 3 times to 9 times, and 4 times to 8 times.
  • the length of the folding portion 10B is adjusted within the above range, defects in the folding portion of the electrode assembly can be reduced and the electrode assembly can be wrapped stably.
  • the length of the above-described folding portion 10B means that it is formed longer as shown in FIG. 4 than being folded into a semicircular shape as shown in FIG. 2.
  • the length of the folding portion is calculated by multiplying the sum of the thicknesses of the anode 20 and the cathode structure 10, which is the diameter, by ⁇ and dividing by 2. It becomes a value. If this is based on the sum of the thicknesses of the anode 20 and the cathode structure 10, it becomes a value of about 1.57 times. If judged based on this, the length of the folding portion 10B according to one embodiment of the present invention can be considered to be significantly longer.
  • the stack portions 10A, 10A', and 10A'' of the cathode structure 10 and the positive electrode 20 are alternately stacked and then formed into wrapping portions 10C and 10C'.
  • the folding portion 10B receives a certain level of pressure or more in the inner direction of the electrode assembly 1. Accordingly, the folding portion 10B can be appropriately disposed in the gap between the electrode stacked portion and the wrapping portion. Since the folding portion 10B appropriately disposed between the voids includes the lithium metal layer 11 therein, in its relationship with the anode 20 on the side, it can contribute to further improvement of battery performance through electrochemical reaction. .
  • two or more lithium metal layers may be located on the side of the positive electrode that is not surrounded by the folding portion 10B.
  • the electrode stack 1 when wrapping the electrode stack 1 with the wrapping parts 10C and 10C', if the wrapping part 10C is wrapped to have a tension above a certain level, the electrode stack located inside the electrode assembly 1 may be damaged. It helps maintain the shape without distorting the structure.
  • the folding portion 10B has an asymmetric shape with respect to the plane along the longitudinal direction. This asymmetric shape is formed when the folding portion 10B is pressed in the longitudinal direction by the wrapping portions 10C and 10C' and the folding portion 10B is appropriately disposed in the gap.
  • the center point of the length of the folding portion 10B is not located parallel to the center point of the thickness of the anode surrounding the folding portion 10B.
  • the center point of the length of the folding portion 10B may be located angled in the direction in which wrapping progresses based on the center point of the anode thickness. For example, looking at FIG.
  • the center point of the length of the folding portion may be located below the center point of the thickness of the positive electrode. Conversely, since wrapping of the folding portion located on the left side of the electrode stack proceeds from bottom to top, the center point of the length of the folding portion may be located above the center point of the thickness of the positive electrode.
  • FIG. 5 shows the electrode assembly 1 ) provides an enlarged view of the portion where the end and side wrapping portions 10C and 10C' of the anode 20 are located.
  • the vertical distance d between the end of the positive electrode 20 and the side wrapping parts 10C, 10C' is between the end of the positive electrode 20 and the side wrapping parts 10C, 10C' adjacent to the folding part 10B. is the distance of When one wrapping part 10C overlaps with another wrapping part 10C', the wrapping part that serves as the standard for the distance is one wrapping part 10C located inside. As shown in FIG.
  • the shape of the folding part 10B may be deformed by pressure applied from the wrapping parts 10C and 10C' located on the side during the wrapping of the electrode assembly.
  • Figure 5 is only an exemplary structure and the folding portion 10B is not necessarily deformed in this form. Due to pressure, the distance d between the end of the anode 20 and the side wrapping parts 10C and 10C' may become shorter, and the folding part 10B will naturally fit within the reduced space as the distance d becomes shorter. can be placed.
  • the length of the folding portion 10B in the electrode assembly 1 is based on the vertical distance d between the end of the positive electrode 20 and the side wrapping portions 10C and 10C'. It is 2 to 10 times.
  • the vertical distance (d) measures the vertical distance from the side wrapping portion based on the end of the positive electrode at the center portion in the thickness direction of the electrode stack.
  • the vertical distance d is measured as the average value of the vertical distance from the end of the anode 20 at the portion where the wrapping portions 10C and 10C' are in contact with the folding portion 10B on one side. can do.
  • the length of the folding portion 10B is 2 times or more, 2.5 times or more, 3 times or more, and 3.5 times or more based on the vertical distance (d) between the end of the positive electrode 20 and the side wrapping portion 10C. , 4 times or more, 10 times or less, 9.5 times or less, 9 times or less, 8.5 times or less, 8 times or less, and may be 2 times to 10 times, 3 times to 9 times, and 4 times to 8 times.
  • the length of the folding portion 10B is significantly longer, but the vertical distance d is also short, meaning that the folding portion is compactly packed in the side space of the electrode stack.
  • the folding part 10B When the length of the folding part 10B is adjusted within the above range, the folding part is compactly packed to an appropriate level for the voids in the electrode assembly without applying excessive pressure to the folding part due to wrapping of the electrode assembly, thereby improving the performance of the battery. It can contribute to improvement.
  • the electrode assembly 1 forms the basic structure of the electrode assembly 1 by folding one cathode structure 10, so that the cathode structure 10 can be folded flexibly.
  • the thickness should not be excessively thick, and considering the performance of the battery, lithium metal, which is a negative electrode active material, should be secured at a certain level or higher within the negative electrode structure 10.
  • the thickness of lithium metal in the anode structure 10 accounts for 50% to 90% of the total thickness of the anode structure 10.
  • the thickness range of the lithium metal may be 50% to 90%, specifically 55% to 85%, and more specifically 60% to 80%. When the lithium metal satisfies the above-mentioned thickness range, it can help improve the fairness and functionality of the electrode assembly.
  • the negative electrode structure 10 does not include a separate current collector, the thickness of the remaining portion excluding the thickness of the lithium metal may refer to the thickness of the two separators.
  • the thickness of the lithium metal may be 10 ⁇ m to 90 ⁇ m.
  • the thickness of the lithium metal may be 10 ⁇ m or more, 20 ⁇ m or more, or 30 ⁇ m or more, and may be 70 ⁇ m or less, 80 ⁇ m or less, or 90 ⁇ m or less.
  • the thickness of the lithium metal is not necessarily limited to this, and may be appropriately adjusted depending on the actual size of the battery.
  • the electrode assembly 1 is cut into the stack portions 10A, 10A', and 10A'' of the cathode structure 10 by cutting the positive electrode in consideration of the characteristics of the material, etc. Applies between The positive electrode is distinct from and independent from the negative electrode, as it includes a current collector in addition to the positive electrode active material, but when considering the performance of the electrode, etc., its thickness can be adjusted in relation to the negative electrode or the negative electrode structure.
  • the thickness of the anode 20 is greater than the thickness of the cathode structure 10.
  • the thickness of the positive electrode 20 is greater than 100% and less than or equal to 400% of the thickness of the negative electrode structure 10.
  • the thickness of the anode 20 may be greater than 100% and less than or equal to 400%, specifically 150% to 350%, and more specifically 200% to 300%.
  • the positive electrode satisfies the above-described thickness range, it can be appropriately harmonized with the negative electrode structure.
  • Figure 6 schematically shows the process and state in the manufacturing process of the electrode assembly.
  • the manufacturing process of an electrode assembly includes the steps of (1) folding a negative electrode structure to create an electrode laminate in which positive and negative electrode structures are alternately stacked; (2) manufacturing the electrode laminate and then surrounding the electrode laminate with an extra cathode structure; (3) It includes the step of positioning the end of the first wrapping part of the cathode structure on the top of the electrode stack, and positioning and fixing the end of the second wrapping part on the first wrapping part.
  • Step (1) is illustratively manufactured through the process shown in FIG. 6A.
  • the anode and cathode structures can be sequentially stacked by placing the anode at the bottom and placing the cathode structure on top of it.
  • folding at each position can be manufactured according to the same standard by utilizing a device such as a mandrel when folding the cathode structure.
  • Step (2) is illustratively manufactured through the processes shown in FIGS. 6B and 6C.
  • the extra cathode structure is present at both ends as first and second wrapping parts, and the first and second wrapping parts each wrap the side surfaces of adjacent electrode stacks. Additionally, the second wrapping part surrounds the top or bottom of the electrode stack and is positioned to contact the first wrapping part. In the process of wrapping with an extra cathode structure, if the cathode structure is wrapped so that it has tension above a certain level, the folding part is compactly packed in the void, and this helps maintain the shape of the electrode stack without distorting the structure. After step (3), the completed electrode assembly is in a state as shown in Figure 6d or 6e.
  • Wrapping has the effect of preventing the positive electrode between stack parts from flowing down, and considering this functionality, it may be desirable to position the end of the negative electrode structure at the top of the electrode stack.
  • the tension applied to the cathode structure during the wrapping process can be maintained, and wrapping with tape T as shown in FIG. 6E can be an exemplary method.
  • the electrode assembly according to one embodiment of the present invention can weld multiple layers of tabs and leads like a conventional large-capacity cell, thereby maintaining performance such as cell resistance and output.
  • the electrode assembly according to one embodiment of the present invention is applied to an electrochemical device.
  • the electrochemical device may include any device that undergoes an electrochemical reaction.
  • the electrochemical device may be any type of primary cell, secondary cell, fuel cell, solar cell, or capacitor.
  • the electrochemical device may be a lithium secondary battery, and the lithium secondary battery includes a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery. can do.
  • a cathode structure was manufactured by sandwiching 60 ⁇ m of lithium metal between two polyethylene (PE) separators (11 ⁇ m).
  • PE polyethylene
  • a positive electrode mixture consisting of 85% by weight of positive electrode active material, 5% by weight of carbon nanofiber as a conductive material, and 10% by weight of binder prepared by mixing sulfur and carbon nanotubes (CNTs) at a weight ratio of 7:3 was removed.
  • a positive electrode slurry was prepared by adding it to ion water, and then coated on an aluminum current collector to prepare a 200 ⁇ m positive electrode.
  • the electrode assembly was manufactured as shown in FIG. 6d by wrapping the electrode laminate with extra cathode structure in the manner shown in FIGS. 6b and 6c. .
  • the ends of the cathode structure exposed in the electrode assembly were adhered with insulating tape, as shown in FIG. 6e.
  • the length of the folded part in the electrode assembly was measured at 1,453 ⁇ m, and the vertical distance between the end of the anode and the side wrapping part was measured at 268 ⁇ m.
  • Comparative Example 1 Manufacturing of an electrode assembly made by cutting and stacking a cathode structure
  • the cathode structure was cut to fit the anode of each layer, and then the anode and cathode structures were stacked to manufacture an electrode laminate, and then the electrode assembly was completed without additional wrapping with the cathode structure.
  • the materials and thicknesses of the anode and cathode structures in the electrode assembly were manufactured in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 Each electrode assembly prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 was placed in the same pouch, and an electrolyte solution containing 0.4M LiFSI salt and 4% by weight of LiNO 3 was added to the ether-based electrolyte solution to prepare a lithium secondary battery. .
  • the manufactured lithium secondary battery was charged and discharged at 0.3C, the coulombic efficiency for each cycle was measured, and the results are shown in Figure 7.
  • the electrode assembly according to the present invention have process advantages over existing electrode assemblies, but according to FIG. 7, it can be seen that the long-term performance of the battery, such as coulombic efficiency, can also be improved.

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Abstract

음극 구조체 및 복수의 양극을 포함하는 전극 조립체가 제공된다. 상기 음극 구조체는 제1 및 제2 분리막, 및 상기 제1 및 제2 분리막 사이에 개재된 리튬 금속층을 포함한다. 상기 음극 구조체는 전극 조립체에서 위치에 따라 복수의 스택부, 복수의 폴딩부, 및 제1 및 제2 랩핑부로 구분된다. 상기 음극 구조체에서 말단에 각각 위치한 제1 및 제2 랩핑부 사이에 스택부 및 폴딩부가 교호로 위치하고, 상기 제1 및 제2 랩핑부는 각각 스택부와 접한다. 상기 전극 조립체는 폴딩부에 의해 복수의 스택부가 순차적으로 두께 방향으로 나란히 위치하며, 두께 방향으로 인접하는 스택부와 스택부 사이에는 적어도 하나의 양극이 위치한다. 상기 전극 조립체에서 제2 랩핑부는 제1 랩핑부와 접하도록 위치하고, 두께 방향 및 길이 방향의 외부면이 제2 랩핑부, 또는 제2 랩핑부와 제1 랩핑부 및 최외측 스택부 중 하나 이상으로 둘러싸여진 구조를 가진다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 음극에 리튬 금속을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 10월 21일자 한국 특허 출원 제10-2022-0136198호, 2023년 5월 31일자 한국 특허 출원 제10-2023-0070481호, 및 2023년 10월 18일자 한국 특허 출원 제10-2023-0139505호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전지의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 특히 최근 전자기기의 소형화 및 경량화 추세에 따라, 소형 경량화 및 고용량으로 충방전 가능한 전지로서 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적인 예로, 전극 조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조인 젤리-롤(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체로 구분된다.
그러나, 이러한 종래의 전극 조립체는 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 상기 젤리-롤 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만들게 된다. 이러한 구조에서는 충방전시 전극의 팽창 및 수축으로 인해 유발되는 응력이 전극 조립체 내부에 축적되게 되고, 그러한 응력 축적이 일정한 한계를 넘어서면 전극 조립체의 변형이 발생하게 된다. 나아가, 상기 전극 조립체의 변형은 전극 간의 간격을 불균일하게 만들어 전지의 성능을 급격히 저하시키고, 내부 단락으로 인해 전지의 안전성이 위협받게 되는 문제점을 초래할 수 있다. 또한, 상기 젤리-롤 전극 조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 권취해야 하므로, 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지하면서 빠르게 권취하는 것이 어려워 생산성이 저하되는 문제점도 가지고 있다.
둘째, 상기 스택형 전극 조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층하여야 한다. 이 때, 단위체의 제조를 위한 극판의 전달공정이 별도로 필요하고, 순차적인 적층 공정에 많은 시간과 노력이 요구되므로, 스택형 전극 조립체는 생산성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체가 개발되었다. 상기 스택-폴딩형 전극 조립체는 소정 단위의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트(폴딩 분리막)를 이용하여 권취한 구조를 가진다.
상기 스택-폴딩형 전극 조립체는 일반적으로 전극 보다는 폴딩이 용이한 분리막을 연장하여 각 층의 전극을 연결한다. 이 때, 각 층의 전극은 스택형 전극 조립체와 마찬가지로 절단된 상태로 전극 조립체 형성을 위해 공급된다. 해당 기술분야에서 이차전지를 구성하는 다양한 전극 소재 중에 절단이 용이하거나 폴딩이 용이하지 않은 소재만으로 이차전지를 구성하는 경우, 이러한 일반적인 스택-폴딩형 전극 조립체가 보다 적합하다. 반면에, 해당 기술분야에서 이차전지의 음극 소재로 잘 알려진 리튬 금속은 연성 및 점성이 큰 물리적 성질로 인해 절단 등의 가공이 용이하지 않고, 상대적으로 폴딩이 용이하여, 기존의 스택-폴딩형 전극 조립체에 적합하지 않을 수 있다.
본 발명자는 전극 조립체의 구조에 대해 지속적인 연구 끝에 전극 조립체에서 특히 음극으로 리튬 금속을 포함하는 전극 조립체에 적합한 구조를 설계하여 본 발명을 완성하였다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-2023530호
본 발명은 음극으로 리튬 금속을 포함하는 전극 조립체에 적합한 새로운 구조의 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면,
본 발명은 음극 구조체 및 복수의 양극을 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체는 제1 및 제2 분리막, 및 상기 제1 및 제2 분리막 사이에 개재된 리튬 금속층을 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체는 전극 조립체에서 위치에 따라 복수의 스택부, 복수의 폴딩부, 및 제1 및 제2 랩핑부로 구분된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 말단에 각각 위치한 제1 및 제2 랩핑부 사이에 스택부 및 폴딩부가 교호로 위치하고, 상기 제1 및 제2 랩핑부는 각각 스택부와 접한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체는 폴딩부에 의해 복수의 스택부가 순차적으로 두께 방향으로 나란히 위치하며, 두께 방향으로 인접하는 스택부와 스택부 사이에는 적어도 하나의 양극이 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체에서 제2 랩핑부는 제1 랩핑부와 접하도록 위치하고, 두께 방향 및 길이 방향의 외부면이 제2 랩핑부, 또는 제2 랩핑부와 제1 랩핑부 및 최외측 스택부 중 하나 이상으로 둘러싸여진 구조를 가진다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체에서 복수의 스택부 및 복수의 양극은 제1 및 제2 랩핑부에 의해 두께 방향으로 밀착된다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체의 제2 랩핑부는 전극 적층체의 한쪽 측면을 둘러싼 제1 랩핑부와 전극 적층체의 반대쪽 측면을 함께 둘러싼다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체의 제1 및 제2 랩핑부의 말단은 동일선 상에 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체는 음극 구조체의 제1 랩핑부에 접하여 위치한 스택부와 상기 스택부와 평행하게 위치한 제2 랩핑부 사이에 적어도 하나의 양극이 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체는 두께 방향으로 인접하는 스택부와 스택부 사이에는 하나의 양극이 위치하고, 상기 전극 조립체는 스택부와 스택부 사이에 위치한 전체 양극의 수가 2n(여기서, n은 자연수)이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체에서 양극은 양극 활물질층, 및 양극 활물질층을 지지하는 집전체를 포함하고, 음극은 리튬 금속층을 지지하는 집전체를 포함하지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 리튬 금속층과 제1 및 제2 분리막의 길이는 동일하다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 제1 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부가 인접한 전극 조립체의 하나의 측면을 감싸도록 돌아 제2 랩핑부에 접한 스택부 상에 위치하고, 제2 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부 상에 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1 및 제2 랩핑부의 말단을 최외측 스택부 상에 고정시키는 고정부재를 더 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 폴딩부의 길이는 양극과 음극 구조체의 두께 합을 기준으로 2배 내지 10배이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 폴딩부의 길이는 양극의 말단과 이를 감싸는 측면 랩핑부 사이의 수직 거리를 기준으로 2배 내지 10배이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 폴딩부는 길이 방향을 따르는 면을 기준으로 비대칭 형상을 가진다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 음극 구조체에서 리튬 금속층의 두께는 음극 구조체의 전체 두께를 기준으로 50% 내지 90%를 차지한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 양극의 두께는 음극 구조체의 두께보다 크다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 고정부재는 절연 테이프이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 폴딩부 길이의 중심 지점은 폴딩부가 감싸는 양극 두께의 중심 지점과 나란히 위치하지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 제1 랩핑부에 접하여 위치한 스택부와 두께 방향으로 인접하는 제2 랩핑부 사이에 위치하는 양극은 다른 양극 보다 길다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 제2 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부 상에 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 제2 랩핑부의 말단은 최외측 스택부 상에 위치한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1 랩핑부를 고정시키는 제1 고정부재, 및 제2 랩핑부를 고정시키는 제2 고정부재를 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면,
본 발명은 상술한 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기화학소자는 리튬 이차전지이다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기화학소자는 리튬-황 전지이다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 리튬 금속을 포함하는 음극을 2개의 분리막 사이에 개재된 연속된 형태의 하나의 음극 구조체를 활용하여 전극 조립체를 제조함으로써, 리튬 금속의 절단을 최소화하여 전극 조립체 제조에 있어서의 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 음극 구조체의 소재적 특성에 맞게 스택, 폴딩 및 랩핑에 있어서의 방법 및 조건을 조절함으로써, 제조된 전극 조립체가 안정적인 구조를 가질 뿐만 아니라 전지의 성능도 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따라 스택부, 폴딩부 및 랩핑부를 포함하는 음극 구조체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따라 음극 구조체 및 양극을 포함하는 전극 조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따라 음극 구조체에서 랩핑부의 말단이 고정부재로 부착된 전극 조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체에서 폴딩부 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체에서 양극의 말단과 측면 랩핑부가 위치한 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체의 제조 공정에서의 과정 및 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 여기서, 도 6a는 음극 구조체를 폴딩하여 양극과 음극 구조체가 교호로 적층된 전극 적층체를 만드는 과정을 개략적으로 나타내고, 도 6b는 전극 적층체를 만든 후 상기 전극 적층체의 양쪽 측면을 제1 및 제2 랩핑부로 각각 랩핑하는 과정을 개략적으로 나타내며, 도 6c는 제2 랩핑부로 추가로 랩핑하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 또한, 도 6d는 랩핑 후 제1 및 제2 랩핑부의 말단을 동일선 상에 위치시켜 전극 조립체를 완성한 상태를 개략적으로 나타내고, 도 6e는 제1 및 제2 랩핑부의 말단을 고정시킨 상태를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 각각의 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차전지의 사이클별 쿨롱 효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 구체예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 구체예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 구체예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 구체예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 구체예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 구체예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 구체예에 기재한 설명은 다른 구체예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 전극 조립체에 관한 것으로, 기존의 스택-폴딩형 전극 조립체 구조에 음극으로서 리튬 금속을 적용할 때 발생할 수 있는 문제점을 개선하여 음극으로서 리튬 금속을 사용하기 적합한 신규한 구조의 전극 조립체를 제공한다. 본 발명에 따른 전극 조립체는 리튬 금속의 가공을 최소화함으로써, 조립과정에서의 공정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조된 제품의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체는 전극 조립체에 포함된 양극을 최대한 활용할 수 있는 구조를 가져 전지의 성능 향상에 기여할 수 있다.
본 명세서에서는 “길이 방향”, “폭 방향” 및 “두께 방향”(또는 “높이 방향”)이라는 용어가 사용된다. 본 명세서에서 도 1 내지 도 6과 같은 도면은 정면도로서, 해당 정면도를 기준으로 상기 “길이 방향”은 도면에서 좌우 방향을 의미하고, 상기 “폭 방향”은 도면에서 전후 방향을 의미하며, 상기 “두께 방향” (또는 “높이 방향”)은 도면에서 상하 방향을 의미한다.
본 명세서에서 “인접”이라는 용어는 지칭하는 복수의 대상 중에 기준에 가장 가깝게 위치한 대상을 의미한다. 인접한 대상이 기준에 반드시 접하는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 양극, 음극 및 분리막을 포함한다. 상기 전극 조립체에서 양극 및 분리막은 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 소재면 특별히 한정되지 않지만, 음극은 리튬 금속을 포함한다. 본 명세서에서 리튬 금속은 리튬에 일부 성분이 첨가되거나 일부 금속과의 합금의 형태이더라도 리튬 금속과 물성이 큰 차이가 없어 리튬 금속과 동일하게 종래 전극 조립체에 적용 시 동일한 문제점이 발생할 수 있다면 폭넓게 확장 해석될 수 있다. 본 명세서에서 음극은 리튬 금속을 포함한다는 점에서 리튬 금속층으로 명명될 수 있으며, 음극과 분리막은 하나의 일체의 구성으로 공급된다는 점에서 음극 구조체로 명명될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극은 2개의 분리막 사이에 개재되어 음극 구조체를 형성한다. 본 명세서에서 음극 구조체를 구성하는 2개의 분리막은 제1 및 제2 분리막으로 명명될 수 있다. 상기 음극 구조체는 길이 방향으로 연장된 구조를 가지며, 전극 조립체에는 하나의 음극 구조체만이 포함된다. 길이 방향으로 연장된 구조를 가진 음극 구조체를 폴딩하여 내부에 양극을 고정하는 등의 기본적인 전극 조립체 구조를 형성한다.
본 명세서의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체는 전극 조립체에서 위치에 따라 복수의 스택부, 복수의 폴딩부 및 2개의 랩핑부를 포함한다. 본 명세서에서 음극 구조체에 포함되는 2개의 랩핑부는 제1 및 제2 랩핑부로 명명될 수 있다. 상기 음극 구조체의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 도 1은 스택부, 폴딩부 및 랩핑부를 포함하는 음극 구조체의 예시적인 구조를 제공한다. 상기 음극 구조체(10)에서 스택부(10A, 10A', 10A''), 폴딩부(10B) 및 랩핑부(10C, 10C')는 음극 구조체(10)의 길이 방향에 따라 다른 기능성을 갖는 위치를 구분한 단위이다. 상기 스택부(10A, 10A', 10A''), 폴딩부(10B) 및 랩핑부(10C, 10C')는 위치가 아닌 소재로는 구분되지 않는다.
상기 스택부(10A, 10A', 10A'')는 양극이 적층되는 위치의 음극 구조체(10)를 의미하며, 도 2 등을 기준으로 주로 직선 형상을 가진다. 상기 폴딩부(10B)는 스택부 사이를 연결하는 위치의 음극 구조체(10)를 의미하며, 도 2 등을 기준으로 주로 곡선 형상을 가진다. 상기 폴딩부(10B)는 벤딩부로도 명명될 수 있다. 제1 랩핑부(10C)는 최하단의 최외측 스택부(10A')와 접하는 시점부터 양극과 음극 구조체의 적층 구조를 감싸는 위치의 음극 구조체를 의미한다. 또한, 제2 랩핑부(10C')는 최상단의 최외측 스택부(10A'')와 접하는 시점부터 양극과 음극 구조체의 적층 구조, 및 제1 랩핑부(10C)를 감싸는 위치의 음극 구조체를 의미한다. 도 2 등을 기준으로 직선 형상과 곡선 형상이 혼재한다.
도 1과 같이, 상기 음극 구조체(10)는 길이 방향을 기준으로 양쪽 단부에는 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')가 위치한다. 즉, 2개의 랩핑부(10C, 10C')는 음극 구조체(10)의 길이 방향의 말단에 각각 위치한다. 여기서, 제1 랩핑부(10C)는 제1 최외측 스택부(10A')와 접하고, 제2 랩핑부(10C')는 제2 최외측 스택부(10A'')와 접한다. 상기 제1 최외측 스택부(10A')와 제2 최외측 스택부(10A'') 사이에는 폴딩부(10B)와 스택부(10A)가 교호로 위치한다. 상기 스택부(10A, 10A', 10A'')는 양극의 길이와 실질적으로 동일하기 때문에, 각 스택부(10A, 10A', 10A'')의 길이는 실질적으로 동일하다.
상기 음극 구조체(10)의 양쪽 단부에 위치한 2개의 랩핑부(10C)는 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 본 명세서에서는 2개의 랩핑부(10C)를 구분하기 위하여, 적층이 시작되는 지점에 위치한 랩핑부(10C)를 제1 랩핑부로 명명하면, 적층이 끝나는 지점에 위치한 랩핑부(10C')를 제2 랩핑부로 명명한다. 제1 및 제2 랩핑부는 그 반대로도 명명될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체의 제2 랩핑부(10C')는 전극 적층체의 한쪽 측면을 둘러싼 제1 랩핑부(10C)와 전극 적층체의 반대쪽 측면을 함께 둘러싼다. 따라서, 제2 랩핑부(10C')는 제1 랩핑부(10C)보다 전극 조립체(1)의 외부에 위치한다. 공정의 편의성을 고려하여, 적층이 시작되는 지점에 위치한 제1 랩핑부(10C)가 적층이 끝나는 지점에 위치한 제2 랩핑부(10C')에 비해 짧을 수 있다. 상기 제2 랩핑부(10C')는 제1 랩핑부(10C) 외에 전극 적층체의 반대쪽 측면과 제1 랩핍부(10C)에 접하는 스택부(10A') 또는 추가된 양극을 감쌀 수 있을 정도로 더 긴 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체의 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')의 말단은 동일선 상에 위치한다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)는 기본적으로 제2 랩핑부(10C')가 제1 랩핑부(10C)를 감싸는 구조를 가진다. 제2 랩핑부(10C')가 제1 랩핑부(10C)를 감싼다는 것은 엄격한 의미에서는 내부에 위치한 일 랩핑부(10C, 10C')가 외부로 노출될 수는 없으나, 본 명세서에서는 엄격한 의미로 해석되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 제1 랩핑부(10C)와 제2 랩핑부(10C')의 말단이 동일선 상에 위치할 수도 있으나, 동일선 상에 위치하지 않고 제2 랩핑부(10C')가 조금 짧아 제1 랩핑부(10C)의 말단이 노출되거나 제2 랩핑부(10C')가 조금 길어 제1 랩핑부(10C)의 말단이 완전히 덮어질 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 제2 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부 상에 위치하거나 상기 제2 랩핑부의 말단은 최외측 스택부 상에 위치한다. 제1 랩핑부(10C)와 제2 랩핑부(10C')의 말단은 동일선 상에 위치하는 경우, 구조가 보다 간결하게 정리될 수 있다. 제2 랩핑부(10C')가 조금 짧아 제1 랩핑부(10C)의 말단이 노출되는 경우, 테이핑으로 제2 랩핑부(10C')와 제1 랩핑부(10C)를 동시에 고정할 수 있다. 또한, 제2 랩핑부(10C')가 조금 길어 제1 랩핑부(10C)의 말단을 완전히 감싸는 경우, 제1 랩핑부의 말단의 음극도 외부로 노출되지 않을 수 있다.
상기 음극 구조체(10)는 복수의 양극과 함께 전극 조립체를 형성한다. 상기 전극 조립체의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 도 2는 음극 구조체 및 양극을 포함하는 전극 조립체의 예시적인 구조를 제공한다. 상기 음극 구조체(10)는 음극(11) 및 분리막(12)을 포함하기 때문에, 전극 조립체(1)는 양극(10), 음극(11) 및 분리막(12)를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)는 폴딩부(10B)에 의해 복수의 스택부(10A, 10A', 10A'')가 순차적으로 두께 방향으로 나란히 위치하며, 두께 방향으로 인접하는 스택부(10A, 10A', 10A'')와 스택부(10A, 10A', 10A'') 사이에는 적어도 하나의 양극이 위치한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)에서 제2 랩핑부(10C')는 제1 랩핑부(10C)와 접하도록 위치하고, 두께 방향 및 길이 방향의 외부면이 제2 랩핑부(10C'), 또는 제2 랩핑부(10C')와 제1 랩핑부(10C) 및 최외측 스택부(10A'') 중 하나 이상으로 둘러싸여진 구조를 가진다. 여기서, '제1 랩핑부(10C) 및 최외측 스택부(10A'') 중 하나 이상'으로 표현하는 이유는 제2 랩핑부의 말단과 제1 랩핑부의 말단이 일치하지 않을 수 있기 때문이다. 도 2를 기준으로, 다시 표현하면, 상기 전극 조립체(1)의 내부는 음극 구조체의 스택부(10A, 10A', 10A'')와 양극이 교호로 순차적으로 적층된 전극 적층체의 한쪽 측면을 제1 랩핑부(10C)로 둘러싼 구조를 가진다. 이 때, 음극 구조체의 스택부(10A, 10A', 10A'') 사이에는 각각 하나의 양극(20)만이 위치한다. 또한, 상기 전극 조립체(1)의 외부는 음극 구조체의 스택부(10A'')와 제2 랩핑부(10C')로 둘러싼 구조를 가진다. 여기서, 상기 전극 조립체(1)의 내부와 외부는 본 발명에 따른 전극 조립체(1)의 구조에 대한 이해를 돕기 위해, 전극 조립체(1)의 영역을 구분한 것이며, 도 2를 기준으로 전극 조립체에서 두께 방향 및 길이 방향에 있어서 외부로 노출된 층이 전극 조립체(1)의 외부를 의미하고, 상기 전극 조립체(1)의 외부의 안쪽 부분이 전극 조립체(1)의 내부를 의미한다. 상기 음극 구조체(10)에 있어서, 스택부(10A, 10A', 10A'')는 양극이 적층되는 위치의 음극 구조체(10)를 의미하며, 제2 랩핑부(10C')는 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'')가 끝나는 시점부터 시작되기 때문에, 도 2와 같이 제2 랩핑부(10C')의 말단이 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'')의 상부에 위치하는 경우, 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'')의 일 부분은 전극 조립체(1)의 외부에 위치하고, 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'')의 나머지 부분은 전극 조립체(1)의 내부에 위치할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 내부 또는 외부에 위치한 스택부는 하나의 스택부 전체를 의미하거나 일부를 의미할 수 있다. 도 2와 달리, 제2 랩핑부(10C')가 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'') 전체를 덮는 경우, 전극 조립체(1)의 외부는 제2 랩핑부만으로 형성될 수 있다. 제1 랩핑부(10C)가 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'') 전체를 덮고, 제2 랩핑부의 말단이 제1 랩핑부의 말단에 도달하지 못하는 경우, 전극 조립체(1)의 외부는 제1 및 제2 랩핑부만으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 랩핑부(10C)가 최상단의 제2 최외측 스택부(10A'') 일부만을 덮고, 제2 랩핑부의 말단이 제1 랩핑부의 말단에 도달하지 못하는 경우, 전극 조립체(1)의 외부는 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')와 제2 최외측 스택부(10A'')으로 형성될 수 있다. 어떠한 경우에도, 상기 복수의 폴딩부(10B)는 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')에 의해 랩핑되어 두께 방향 및 길이 방향의 외부로 노출되지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)는 내부에서 음극 구조체(10)의 스택부(10A, 10A', 10A'')와 양극(20)이 교호로 순차적으로 적층되기 때문에, 폴딩부(10B)까지 포함한 음극 구조체(10)는 지그재그 형상을 가진다. 다시 말하면, 상기 음극 구조체(10)의 제1 또는 제2 랩핑부(10C, 10C')에 접하는 스택부(10A')부터 순차적으로 위치하는 폴딩부(10B)는 전극 조립체(1)에서 좌측 또는 우측에 교호로 위치한다. 상기 음극 구조체(10)의 스택부(10A, 10A', 10A'')와 양극(20)이 교호로 적층되지 않고, 상기 스택부나 양극이 2개 이상 연속적으로 적층된다면, 연속적으로 적층된 층 사이에서는 전위차가 발생하기 않아 전지의 효율이 저하될 수도 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)에서 복수의 스택부(10A, 10A', 10A'') 및 복수의 양극(20)은 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')에 의해 두께 방향으로 밀착된다. 상기 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')는 스택부(10A, 10A', 10A'') 또는 폴딩부(10B)와 대비하여 높은 장력으로 전극 조립체(1)의 내부를 감쌀 수 있는데, 이로 인해 전극 조립체(1)의 내부 구성이 두께 방향으로 밀착된다. 이러한 방법으로 전극 조립체(1)의 내부 구성이 두께 방향으로 밀착되면, 필연적으로 전극 조립체(1)의 내부 구성은 길이 방향으로 밀착되게 된다. 다만, 전극 조립체(1)의 내부 구성이 두께 방향 및 길이 방향으로 밀착되더라도 전극 조립체(1)의 구조 상 폴딩부(10B) 주변에는 일정 수준 이상의 공극이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)는 음극 구조체(10)의 제1 랩핑부(10C)에 접하여 위치한 스택부(10A')와 상기 스택부(10A')와 평행하게 위치한 제2 랩핑부(10C') 사이에 적어도 하나의 양극이 위치한다. 상기 양극이 추가되지 않는 경우, 음극 구조체(10)의 스택부(10A')와 두께 방향으로 인접하는 제2 랩핑부(10C')는 면대면으로 접촉한다. 여기서, 추가된 양극(20)은 도 2에서 양극 중 가장 아래에 위치한 양극을 의미한다. 해당 부분에 양극(20)을 추가함으로써, 스택부(10A')와 인접하게 위치한 제2 랩핑부(10C')도 음극으로서의 기능성을 가지고, 전체적인 전지의 성능 향상에 기여한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 제1 랩핑부(10C)에 접하여 위치한 스택부(10A')와 두께 방향으로 인접하는 제2 랩핑부(10C') 사이에 위치하는 양극은 다른 양극 보다 길다. 이는 해당 위치에서 보다 길이 방향으로 긴 공극이 존재하기 때문에, 음극 구조체(10)의 스택부(10A')와 두께 방향으로 인접하는 제2 랩핑부(10C') 사이에 위치하는 양극을 보다 길게 하면, 전지의 성능에 도움이 된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체는 두께 방향으로 인접하는 스택부(10A, 10A', 10A'')와 스택부(10A, 10A', 10A'') 사이에는 하나의 양극이 위치하고, 스택부(10A, 10A', 10A'')와 스택부(10A, 10A', 10A'') 사이에 위치한 전체 양극(20)의 수가 2n(여기서, n은 자연수)이다. 상기 전극 조립체(1)에서 스택부(10A, 10A', 10A'')와 스택부 사이에는 하나의 양극(20)이 존재하기 때문에, 여기서 말하는 전체 양극의 수는 동일한 상황에 놓여진 양극의 총 수를 의미하는 것이지, 스택부와 스택부 사이에 2n개의 양극이 적층된다는 것을 의미하는 것이 아니다. 예를 들면, 도 2에서는 스택부와 스택부 사이에 위치한 전체 양극의 수가 4이다. 여기에는 스택부(10A')와 랩핑부(10C) 사이에 위치한 양극은 제외된다. 상기 전체 양극(20)의 수의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 범위 내에서 조절될 수 있다. 상기 스택부와 스택부 사이에 위치한 전체 양극(20)의 수가 2n인 경우, 제1 랩핑부(10C)가 시작하는 위치는 제2 랩핑부(10C')가 시작하는 위치와 반대편이다. 예를 들면, 도 2에서는 제1 랩핑부(10C)가 시작하는 위치가 좌측편에 위치하는데, 제2 랩핑부(10C')가 시작하는 위치는 우측편이다. 이 경우, 랩핑 시에 제2 랩핑부(10C')가 전극 적층체의 한쪽 측면을 커버하고, 상기 음극 구조체의 제1 랩핑부와 제2 랩핑부의 말단은 동일선 상에 위치하기까지의 길이가 짧아질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)에서 스택부(10A, 10A', 10A'')와 양극의 수는 동일하다. 상술한 내용에 따라, 스택부와 스택부 사이에 위치한 전체 양극(20)의 수가 2n(여기서, n은 자연수)이고, 스택부(10A, 10A', 10A'')는 이보다 1개가 많기 때문에, 2n+1(여기서, n은 자연수)개이다. 상기 전극 조립체(1)에 포함되는 양극의 수는 스택부(10A')와 랩핑부(10C) 사이에 위치한 양극도 고려해야 하기 때문에, 상기 전극 조립체(1)에서 스택부와 양극의 수는 동일하게 된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극(20)은 양극 활물질층(미도시), 및 양극 활물질층을 지지하는 집전체(미도시)를 포함한다. 상기 양극(20)은 집전체의 적어도 일면, 구체적으로는 양면에 양극 활물질층이 형성된 구조를 가진다. 상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함하며, 도전재, 바인더 및 첨가제 등을 더 포함할 수 있다. 상기 집전체, 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 첨가제 등은 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것이면, 특별히 제한되지 않는다.
상기 양극 집전체는 양극 활물질층을 지지하며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 팔라듐, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸 표면에 카본, 니켈, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 결합력을 강화시킬 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 메쉬, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1-yCoyO2(O<y<1), LiCo1-yMnyO2(O<y<1), LiNi1-yMnyO2(O<y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4(0<z<2), LiMn2-zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 황 화합물을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 황 화합물은 황 원소(Elemental sulfur, S8), 유기황 화합물 Li2Sn(n≥1) 및 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5 ~ 50, n≥1) 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는, 무기 황(S8)이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질이 황 화합물을 포함하는 경우, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)은 리튬-황 전지에 적용될 수 있다. 상기 양극 활물질에 포함되는 황의 경우 단독으로는 전기 전도성이 없기 때문에 탄소재와 같은 전도성 소재와 복합화하여 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 황은 황-탄소 복합체의 형태로 포함되며, 바람직하기로, 상기 양극 활물질은 황-탄소 복합체일 수 있다.
상기 양극(20)은 상술한 내용을 고려할 때, 음극과 비교하여 상대적으로 폴딩이 용이하지 않고, 절단이 용이하다. 따라서, 상기 양극(20)은 적절한 크기로 절단하여 복수의 양극이 전극 조립체(1) 내부에 적용된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극(11)은 리튬 금속층을 지지하는 집전체를 포함하지 않는다. 상기 음극(11)은 집전체를 포함하지 않기 때문에, 전극 조립체 내에 음극 활물질의 로딩양을 향상시켜 전지의 성능 향상에 기여할 수 있다. 상기 음극(11)이 주로 리튬 금속으로 구성되는 경우, 리튬 금속이 연성 및 점성이 커서 절단 등의 가공이 용이하지 않을 수 있는데, 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)에서는 음극 구조체(10) 형태로 음극을 적용하면서 절단을 최소화하여 공정성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따른 리튬 금속층은 그 자체로 어느 정도 형상을 유지할 수 있는 프리스탠딩(free standing) 리튬 금속층일 수 있다.
상기 음극 구조체(10)에서 음극(11)의 양면을 덮는 분리막(12)은 표면에 바인더를 포함하지 않는 것이라면, 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니다. 상기 분리막(12)은 구체적으로 예를 들어, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포 또는 폴리올레핀계 다공성 기재를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 기재의 재질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않고, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 다공성 기재는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate) 등의 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalate), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 셀룰로오스(cellulose), 나일론(nylon), 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(poly(p-phenylene benzobisoxazole) 및 폴리아릴레이트(polyarylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 음극(11)과 제1 및 제2 분리막(12)의 길이는 동일하다. 제2 랩핑부가 위치한 음극 구조체의 말단을 기준으로, 전극 조립체(1)의 외부에 위치한 분리막이 제1 분리막으로 명명되고, 전극 조립체(1)의 내부에 위치한 분리막이 제2 분리막으로 명명될 수 있다. 상기 전극 조립체에 음극(11)과 분리막(12)은 제1 및 제2 분리막(12) 사이에 음극(11)이 개재된 음극 구조체(10) 형태로 공급되는데, 이 때, 음극과 분리막은 한 번에 절단된다는 점에서 도 1에서와 같이, 상기 음극 구조체(10)에서 음극(11)과 제1 및 제2 분리막(12)의 길이는 실질적으로 동일하다. 다만, 음극 구조체(10)을 절단하는 방법에 따라 음극(11)과 제1 및 제2 분리막(12)의 길이에는 미차가 발생할 수 있고, 경우에 따라 제1 및 제2 분리막(12)의 말단은 음극 구조체(10)의 중심을 향하여 휘어질 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 음극 구조체(10)의 말단에서 제1 및 제2 분리막은 접한다. 상기 음극 구조체(10)는 공급 과정에서 음극(11)과 제1 및 제2 분리막(12)의 길이가 실질적으로 동일하더라도, 전극 조립체(1)에 적용 시, 폴딩 과정에서 리튬 금속의 연성으로 리튬 금속의 길이가 연장될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 랩핑부(10C) 측의 음극 구조체(10)의 말단에서는 리튬 금속이 제1 및 제2 분리막보다 길이 방향으로 돌출된다. 또한, 폴딩의 횟수에 따라 폴딩부(10B)의 내측보다 외측에 다수 위치한 분리막은 더 짧아질 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 제1 또는 제2 랩핑부(10C, 10C') 측의 음극 구조체(10)의 말단에서 제1 분리막이 제2 분리막보다 길이 방향으로 돌출된다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 제1 또는 제2 랩핑부(10C, 10C') 측의 음극 구조체(10)의 말단에서 제2 분리막이 제1 분리막보다 길이 방향으로 돌출된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 제1 랩핑부(10C)의 말단은 제1 랩핑부(10C)가 인접한 전극 조립체의 하나의 측면을 감싸도록 돌아 제2 랩핑부(10C')에 접한 스택부(10A'') 상에 위치하고, 제2 랩핑부(10C')의 말단은 일 랩핑부(10C) 상에 위치한다. 상기 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')의 말단은 넓은 의미로 스택부(10A'') 상에서 부착될 수 있다. 경우에 따라, 제2 랩핑부(10C')의 말단은 제1 랩핑부(10C) 상에 부착될 수 있는데, 상술한 넓은 의미란 이 또한 스택부(10A'') 상이기 때문에 포함한다. 상기 제1 랩핑부(10C) 또는 제2 랩핑부(10C')의 말단을 스택부(10A'') 상에 효과적으로 부착할 수 있다면, 접착 수단 및 방법은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)는 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')의 말단을 최외측 스택부 상에 고정시키는 고정부재를 더 포함한다. 상기 제2 랩핑부(10C')를 통해 제1 랩핑부(10C)를 다시 한번 감싸줌으로써, 전극 조립체(1)는 보다 안정적인 구조를 가진다. 상기 음극 구조체(10)에서 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')의 말단이 부착된 위치에 대한 이해를 돕기 위해, 도 3은 상기 음극 구조체에서 랩핑부의 말단이 고정부재로 부착된 전극 조립체의 예시적인 구조를 제공한다. 상기 음극 구조체(10)에서 음극(11)과 분리막(12)는 접착되어 있지 않기 때문에, 도 3과 같이, 고정부재인 테이프(T)가 전극 구조체(1)의 외부면을 감싸도록 부착하는 것이 바람직할 수 있다. 전극 조립체(1)을 제조 시 음극 구조체(10)을 폴딩하는 과정에서 리튬 금속의 연성으로 리튬 금속의 길이가 연장되어 돌출되는 상황 등을 고려하여, 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 테이프(T)는 절연성을 가지며, 폭 방향으로 제1 및 제2 랩핑부(10C, 10C')의 말단을 전체적으로 커버한다. 이러한 테이핑 방식에 의해 상기 전극 조립체는 상하좌우가 분리막 또는 테이프로 커버된다. 상기 제1 랩핑부(10C)와 제2 랩핑부(10C')는 개별적으로 부착될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체는 제1 랩핑부(10C)를 고정시키는 제1 고정부재, 및 제2 랩핑부(10C')를 고정시키는 제2 고정부재를 포함한다.
상기 전극 조립체(1)를 제조함에 있어서, 음극 구조체(10)의 스택부(10A, 10A', 10A'')와 양극(20)을 교호로 적층할 때, 음극 구조체(10)는 동일한 기준에 따라 폴딩하기 때문에, 폴딩부(10B)도 실질적으로 동일한 길이를 가진다. 상기 음극 구조체(10)는 폴딩 시 동일한 기준을 적용하기 위해 특정 형태의 맨드릴(mandrel)을 활용한다. 폴딩부(10B)의 길이가 짧은 경우, 음극 구조체(10)의 중앙에 위치한 리튬 금속에 불필요한 부하가 걸려 리튬 금속이 단절되는 등의 결함이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 폴딩부(10B)의 길이는 일정 수준 이상으로 충분하게 확보하는 것이 전극이 적층된 부분과 랩핑 부분 사이의 공극에 리튬 금속이 유연하게 배치될 수 있다.
상기 음극 구조체(10)에서 폴딩부(10B)의 길이에 대한 이해를 돕기 위해, 도 4는 전극 조립체(1)에서 폴딩부(10B) 부분을 확대하여 나타낸 도면을 제공한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 폴딩부(10B)의 길이는 양극(20)과 음극 구조체(10)의 두께 합을 기준으로 2배 내지 10배이다. 상기 폴딩부(10B)의 길이는 폴딩부의 곡선의 길이를 의미한다. 곡선의 경우, 내측과 외측의 길이가 다를 수 있기 때문에, 중앙부의 길이를 측정한다. 예를 들면, 도 4에서 점선으로 표시된 부분을 절단한 후 이를 펼쳐서 길이를 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 폴딩부(10B)의 길이는 양극(20)과 음극 구조체(10)의 두께 합을 기준으로 2배 이상, 2.5배 이상, 3배 이상, 3.5배 이상, 4배 이상이고, 10배 이하, 9.5배 이하, 9배 이하, 8.5배 이하, 8배 이하이며, 2배 내지 10배, 3배 내지 9배, 4배 내지 8배 일 수 있다. 상기 폴딩부(10B)의 길이를 상기 범위 내에서 조절하는 경우, 전극 조립체에서 폴딩부의 결함을 줄이고, 안정적으로 전극 조립체를 랩핑할 수 있다.
상술한 폴딩부(10B)의 길이는 도 2와 같이 반원형으로 폴딩되는 것보다 도 4와 같이 더 길게 형성되는 것을 의미한다. 구체적으로, 폴딩부(10B)가 이심률(Eccentricity)이 0인 완전한 반원의 형태를 가지는 경우, 폴딩부의 길이는 지름인 양극(20)과 음극 구조체(10)의 두께 합에 π를 곱하고 2로 나눈 값이 된다. 이는 양극(20)과 음극 구조체(10)의 두께 합을 기준으로 한다면, 약 1.57배의 값이 된다. 이를 기준으로 판단한다면, 본 발명의 일 구체예에 따른 폴딩부(10B)의 길이는 의미 있는 수준으로 더 길다고 볼 수 있다.
상기 전극 조립체(1)를 제조함에 있어서, 음극 구조체(10)의 스택부(10A, 10A', 10A'')와 양극(20)을 교호로 적층한 후, 랩핑부(10C, 10C')로 전극 적층체(1)를 랩핑 시 폴딩부(10B)는 전극 조립체(1)의 내부 방향으로 일정 수준 이상의 압력을 받는다. 이에 따라 상기 폴딩부(10B)는 전극이 적층된 부분과 랩핑 부분 사이의 공극에 적절하게 배치될 수 있다. 공극 사이에 적절하게 배치된 폴딩부(10B)는 내부에 리튬 금속층(11)을 포함하기 때문에, 측면의 양극(20)과의 관계에 있어서, 전기 화학적 반응을 통해 추가적인 전지 성능 향상에 기여할 수 있다. 상기 폴딩부(10B)가 공극 사이를 적절하게 채움에 따라 폴딩부(10B)로 감싸지지 않은 양극의 측면 상에도 2 이상의 리튬 금속층이 위치할 수 있다. 또한, 상기 랩핑부(10C, 10C')로 전극 적층체(1)를 랩핑 시 랩핑부(10C)가 일정 수준 이상의 장력을 가지도록 랩핑을 하면, 전극 조립체(1) 내부에 위치한 전극 적층체의 구조가 틀어지지 않고 형상을 유지하는데 도움이 된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 폴딩부(10B)는 길이 방향을 따르는 면을 기준으로 비대칭 형상을 가진다. 이러한 비대칭 형상은 폴딩부(10B)가 랩핑부(10C, 10C')에 의해 길이 방향으로 가압되어 폴딩부(10B)가 공극에 적절하게 배치됨에 따라 형성되는 형상이다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 폴딩부(10B) 길이의 중심 지점은 폴딩부(10B)가 감싸는 양극 두께의 중심 지점과 나란히 위치하지 않는다. 상기 폴딩부(10B) 길이의 중심 지점은 양극 두께의 중심 지점을 기준으로 랩핑이 진행되는 방향으로 쏠려서 위치할 수 있다. 예를 들면, 도 2를 기준으로 본다면, 전극 적층체의 우측에 위치하는 폴딩부는 랩핑이 위에서 아래로 진행되기 때문에, 폴딩부 길이의 중심 지점이 양극 두께의 중심 지점보다 아래에 위치할 수 있다. 반대로, 전극 적층체의 좌측에 위치하는 폴딩부는 랩핑이 아래에서 위로 진행되기 때문에, 폴딩부 길이의 중심 지점이 양극 두께의 중심 지점보다 위에 위치할 수 있다.
이하에서 폴딩부(10B)의 길이를 비교함에 있어서 기준이 되는 양극(20)의 말단과 측면 랩핑부(10C, 10C') 사이의 수직 거리에 대한 이해를 돕기 위해, 도 5는 전극 조립체(1)에서 양극(20)의 말단과 측면 랩핑부(10C, 10C')가 위치한 부분을 확대하여 나타낸 도면을 제공한다. 여기서, 양극(20)의 말단과 측면 랩핑부(10C, 10C') 사이의 수직 거리(d)는 양극(20)의 말단과 폴딩부(10B)와 인접한 측면 랩핑부(10C, 10C') 사이의 거리이다. 일 랩핑부(10C)와 타 랩핑부(10C')가 중첩된 경우, 거리의 기준이 되는 랩핑부는 내부에 위치한 일 랩핑부(10C)이다. 도 5에서와 같이, 폴딩부(10B)는 전극 조립체를 랩핑하는 과정에서 측면에 위치한 랩핑부(10C, 10C')로부터 가해진 압력으로 형상이 변형될 수 있다. 다만, 도 5는 하나의 예시적인 구조에 불과하고 반드시 이러한 형태로 폴딩부(10B)가 변형되는 것은 아니다. 압력으로 인해 양극(20)의 말단과 측면 랩핑부(10C, 10C') 사이의 거리(d)는 짧아질 수 있고, 폴딩부(10B)는 상기 거리(d)가 짧아짐에 따라 줄어든 공간 내에 자연스럽게 배치될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 전극 조립체(1)에서 폴딩부(10B)의 길이는 양극(20)의 말단과 측면 랩핑부(10C, 10C') 사이의 수직 거리(d)를 기준으로 2배 내지 10배이다. 상기 측면 랩핑부(10C. 10C')는 도 2 또는 도 3을 기준으로 전극 조립체의 좌측에 위치한 직선 형태의 일 랩핑부(10C) 또는 우측에 위치한 직선 형태의 직선 형태의 타 랩핑부(10C')를 의미한다. 실제 전극 조립체에서 해당 부분이 직선이 아닌 경우, 상기 수직 거리(d)는 전극 적층체의 두께 방향 중심 부분에서의 양극의 말단을 기준으로 측면 랩핑부와의 수직 거리를 측정한다. 또한, 다른 방법으로는 상기 수직 거리(d)는 일 측면에서 랩핑부(10C, 10C')가 폴딩부(10B)와 접하는 부분에서의 양극(20)의 말단과의 수직 거리의 평균 값으로 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 폴딩부(10B)의 길이는 양극(20)의 말단과 측면 랩핑부(10C) 사이의 수직 거리(d)를 기준으로 2배 이상, 2.5배 이상, 3배 이상, 3.5배 이상, 4배 이상이고, 10배 이하, 9.5배 이하, 9배 이하, 8.5배 이하, 8배 이하이며, 2배 내지 10배, 3배 내지 9배, 4배 내지 8배 일 수 있다. 이는 상술한 것과 같이 폴딩부(10B)의 길이는 의미 있는 수준으로 더 길지만, 수직 거리(d) 또한 짧아 폴딩부가 전극 적층체의 측면 공간에 컴팩트하게 팩킹되어 있는 것을 의미한다. 상기 폴딩부(10B)의 길이를 상기 범위 내에서 조절하는 경우, 전극 조립체의 랩핑에 의해 폴딩부에 과도한 압력을 가하지 않으면서, 폴딩부가 전극 조립체 내의 공극에 적절한 수준으로 컴팩트하게 팩킹되어 전지의 성능 향상에 기여할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)는 하나의 음극 구조체(10)를 폴딩하여 전극 조립체(1)의 기본 구조를 형성한다는 점에서 상기 음극 구조체(10)는 유연하게 폴딩될 수 있도록 그 두께가 과도하게 두껍지 않아야 하며, 전지의 성능을 고려하여 음극 구조체(10) 내에는 음극 활물질인 리튬 금속이 일정 수준 이상 확보되어야 한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)에서 리튬 금속의 두께는 음극 구조체(10)의 전체 두께를 기준으로 50% 내지 90%를 차지한다. 구체적으로, 상기 리튬 금속의 두께 범위는 50% 내지 90%, 구체적으로 55% 내지 85%, 보다 구체적으로 60% 내지 80%일 수 있다. 상기 리튬 금속이 상술한 두께 범위를 만족하는 경우, 전극 조립체의 공정성 및 기능성 향상에 도움이 될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 음극 구조체(10)는 별도의 집전체를 포함하지 않기 때문에, 리튬 금속의 두께를 제외한 나머지 부분의 두께는 2개의 분리막의 두께를 의미할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 리튬 금속의 두께는 10 ㎛ 내지 90 ㎛ 일 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 금속의 두께는 10 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상 또는 30 ㎛ 이상일 수 있고, 70 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하 또는 90 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 리튬 금속의 두께는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 실제 전지의 크기에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체(1)는 음극 구조체(10)와 달리 양극은 소재 등의 특성을 고려하여 절단하여 음극 구조체(10)의 스택부(10A, 10A', 10A'') 사이에 적용된다. 상기 양극은 양극 활물질 외에 집전체를 포함하는 등 음극과는 구별되어 독립성을 가지지만, 전극의 성능 등을 고려할 때, 음극 또는 음극 구조체와 관련하여 그 두께가 조절될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극(20)의 두께는 음극 구조체(10)의 두께보다 크다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 양극(20)의 두께는 음극 구조체(10)의 두께를 기준으로 100% 초과 400% 이하의 두께를 가진다. 구체적으로, 상기 양극(20)의 두께 범위는 100% 초과 400% 이하, 구체적으로 150% 내지 350%, 보다 구체적으로 200% 내지 300%일 수 있다. 상기 양극이 상술한 두께 범위를 만족하는 경우, 음극 구조체와 적절하게 조화를 이룰 수 있다.
이하에서는, 상술한 전극 조립체를 제조하는 공정에 대해서 구체적으로 설명한다. 상기 전극 조립체의 제조 공정에 대한 이해를 돕기 위해, 도 6은 전극 조립체의 제조 공정에서의 과정 및 상태를 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체의 제조 공정은 (1) 음극 구조체를 폴딩하여 양극과 음극 구조체가 교호로 적층된 전극 적층체를 만드는 단계; (2) 상기 전극 적층체를 제조한 후 여분의 음극 구조체로 전극 적층체를 둘러싸는 단계; (3) 음극 구조체의 제1 랩핑부 말단을 전극 적층체의 상단에 위치시키고, 제2 랩핑부 말단을 제1 랩핑부 상에 위치시켜 고정하는 단계를 포함한다.
상기 (1) 단계는 예시적으로 도 6a와 같은 과정을 통해 제조된다. 도 6a에서 도시된 것과 같이, 양극을 최하단에 놓고 그 위에 음극 구조체를 놓으면서 순차적으로 양극과 음극 구조체를 적층할 수 있다. 또한, 도 6a에는 도시되어 있지 않지만, 음극 구조체를 폴딩 시 맨드릴과 같은 장치를 활용하여 각 위치에서의 폴딩이 동일한 기준에 따라 제조될 수 있다. 적층을 시작할 때 음극 구조체의 말단부터 적층을 시작하는 것이 아니라 나중에 전극 적층체의 한쪽 측면을 감쌀 수 있을 정도의 제1 랩핑부를 남겨놓고, 이러한 랩핑부에 접하는 스택부부터 적층을 시작한다. 상기 (2) 단계는 예시적으로 도 6b 및 도 6c와 같은 과정을 통해 제조된다. 여분의 음극 구조체는 제1 및 제2 랩핑부로서 양쪽 말단에 모두 존재하며, 제1 및 제2 랩핑부는 각각 인접한 전극 적층체의 측면을 감싼다. 추가로 제2 랩핑부는 전극 적층체의 상단 또는 하단을 감싸고 제1 랩핑부와 접하도록 위치한다. 여분의 음극 구조체로 랩핑하는 과정에서 음극 구조체가 특정 수준 이상의 장력을 가지도록 랩핑하면, 공극 내에 폴딩부가 컴팩트하게 팩킹되고, 전극 적층체의 구조가 틀어지지 않고 형상을 유지하는데 도움이 된다. 상기 (3) 단계 후 완성된 전극 조립체는 도 6d 또는 도 6e와 같은 상태가 된다. 랩핑을 통해 스택부 사이의 양극이 흘러내리지 않게 하는 효과를 가지며, 이러한 기능성을 고려한다면 음극 구조체의 말단은 전극 적층체의 상단에 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 음극 구조체를 고정시킴으로써 랩핑 과정에서 음극 구조체에 가했던 장력이 그대로 유지될 수 있으며, 도 6e와 같이 테이프(T)로 랩핑하는 것은 하나의 예시적인 방법이 될 수 있다.
제조 공정에서 구체적으로 기재되지 않은 양극 및 음극 구조체의 구체적인 특성은 상술한 내용을 따른다. 본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 기존의 대용량 셀과 같이 여러 층의 탭과 리드를 용접할 수 있어, 셀 저항 및 출력 등의 성능을 유지할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 전극 조립체는 전기화학소자에 적용된다. 상기 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전기화학소자는 모든 종류의 일차 전지, 이차전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐패시터(capacitor)일 수 있다. 상기 전기화학소자가 이차전지인 경우, 상기 전기화학소자는 리튬 이차전지일 수 있으며, 상기 리튬 이차전지는 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함할 수 있다.
이상과 같이 구체예들이 비록 한정된 구체예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 음극 구조체로 랩핑한 전극 조립체의 제조
폴리에틸렌(PE) 분리막(11㎛) 2개 사이에 60㎛의 리튬 금속을 개재하여 음극 구조체를 제조하였다. 또한, 황과 탄소나노튜브(CNT)를 7 : 3의 중량비로 혼합하여 제조된 양극 활물질 85 중량%, 도전재인 카본 나노파이버(Carbon nanofiber) 5 중량% 및 바인더 10 중량% 조성의 양극 합제를 탈이온수에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 집전체에 코팅하여 200㎛의 양극을 제조하였다.
제조된 음극 구조체를 폴딩하여 도 6a와 같은 방식으로 전극 적층체를 제조한 후, 도 6b 및 도 6c와 같은 방식으로 여분의 음극 구조체로 전극 적층체를 랩핑하여 도 6d와 같은 전극 조립체를 제조하였다. 전극 조립체에서 노출된 음극 구조체의 말단은 도 6e와 같이 절연 테이프로 접착되었다. 이 때, 전극 조립체에서 폴딩부의 길이는 1,453㎛로 측정되었고, 양극의 말단과 측면 랩핑부 사이의 수직 거리는 268㎛로 측정되었다.
비교예 1: 음극 구조체를 절단하여 적층한 전극 조립체의 제조
음극 구조체를 각 층의 양극에 맞게 절단한 다음 양극과 음극 구조체를 적층하여 전극 적층체를 제조한 후, 음극 구조체로 별도의 랩핑 없이 전극 조립체를 완성하였다. 상기 전극 조립체에서 양극과 음극 구조체의 소재 및 두께는 실시예 1과 동일하게 제조되었다.
실험예
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 각각의 전극 조립체를 동일한 파우치에 넣고, 에테르계 전해액에 0.4M의 LiFSI염과 4 중량%의 LiNO3를 첨가한 전해액을 충전하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 제조된 리튬 이차전지를 0.3C로 충방전하여 사이클별 쿨롱 효율을 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
본원발명에 따른 전극 조립체는 기존의 전극 조립체에 비해 공정상 장점이 있을 뿐만 아니라, 도 7에 따르면, 쿨롱 효율 등의 전지의 장기적인 성능 또한 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
[부호의 설명]
1, 1', 1'': 전극 조립체
10: 음극 구조체
10A, 10A', 10A'': 스택부(10A', 10A'': 최외측 스택부)
10B: 폴딩부
10C, 10C': 랩핑부(제1 및 제2 랩핑부)
11: 음극(리튬 금속층)
12: 분리막(제1 및 제2 분리막)
20: 양극
T: 고정부재(테이프)
d: 양극의 말단과 측면 랩핑부 사이의 수직 거리

Claims (24)

  1. 음극 구조체 및 복수의 양극을 포함하는 전극 조립체로서,
    상기 음극 구조체는 제1 및 제2 분리막, 및 상기 제1 및 제2 분리막 사이에 개재된 리튬 금속층을 포함하고,
    상기 음극 구조체는 전극 조립체에서 위치에 따라 복수의 스택부, 복수의 폴딩부, 및 제1 및 제2 랩핑부로 구분되고, 상기 음극 구조체에서 말단에 각각 위치한 제1 및 제2 랩핑부 사이에 스택부 및 폴딩부가 교호로 위치하고, 상기 제1 및 제2 랩핑부는 각각 스택부와 접하며,
    상기 전극 조립체는 폴딩부에 의해 복수의 스택부가 순차적으로 두께 방향으로 나란히 위치하며, 두께 방향으로 인접하는 스택부와 스택부 사이에는 적어도 하나의 양극이 위치하고,
    상기 전극 조립체에서 제2 랩핑부는 제1 랩핑부와 접하도록 위치하고, 두께 방향 및 길이 방향의 외부면이 제2 랩핑부, 또는 제2 랩핑부와 제1 랩핑부 및 최외측 스택부 중 하나 이상으로 둘러싸여진 구조를 가지는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체에서 복수의 스택부 및 복수의 양극은 제1 및 제2 랩핑부에 의해 두께 방향으로 밀착되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체의 제2 랩핑부는 전극 적층체의 한쪽 측면을 둘러싼 제1 랩핑부와 전극 적층체의 반대쪽 측면을 함께 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체의 제1 및 제2 랩핑부의 말단은 동일선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 음극 구조체의 제1 랩핑부에 접하여 위치한 스택부와 상기 스택부와 평행하게 위치한 제2 랩핑부 사이에 적어도 하나의 양극이 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 두께 방향으로 인접하는 스택부와 스택부 사이에는 하나의 양극이 위치하고,
    상기 전극 조립체는 스택부와 스택부 사이에 위치한 전체 양극의 수가 2n(여기서, n은 자연수)인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체에서 양극은 양극 활물질, 및 양극 활물질을 지지하는 집전체를 포함하고, 음극은 리튬 금속을 지지하는 집전체를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체에서 리튬 금속층과 제1 및 제2 분리막의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체에서 제1 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부가 인접한 전극 조립체의 하나의 측면을 감싸도록 돌아 제2 랩핑부에 접한 스택부 상에 위치하고, 제2 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제1 및 제2 랩핑부의 말단을 최외측 스택부 상에 고정시키는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체에서 폴딩부의 길이는 양극과 음극 구조체의 두께 합을 기준으로 2배 내지 10배인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체에서 폴딩부의 길이는 양극의 말단과 이를 감싸는 측면 랩핑부 사이의 수직 거리를 기준으로 2배 내지 10배인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴딩부는 길이 방향을 따르는 면을 기준으로 비대칭 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 구조체에서 리튬 금속층의 두께는 음극 구조체의 전체 두께를 기준으로 50% 내지 90%를 차지하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극의 두께는 음극 구조체의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 고정부재는 절연 테이프인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴딩부 길이의 중심 지점은 폴딩부가 감싸는 양극 두께의 중심 지점과 나란히 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 랩핑부에 접하여 위치한 스택부와 두께 방향으로 인접하는 제2 랩핑부 사이에 위치하는 양극은 다른 양극 보다 긴 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 랩핑부의 말단은 제1 랩핑부 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 랩핑부의 말단은 최외측 스택부 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제1 랩핑부를 고정시키는 제1 고정부재, 및 제2 랩핑부를 고정시키는 제2 고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 청구항 1 내지 21 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전기화학소자.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 전기화학소자는 리튬 이차전지인 것인, 전기화학소자.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 전기화학소자는 리튬-황 전지인 것인, 전기화학소자.
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