WO2024143717A1 - 전극 및 이를 포함하는 전극 조립체 - Google Patents

전극 및 이를 포함하는 전극 조립체 Download PDF

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WO2024143717A1
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류지상
김동우
정현기
김정근
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Definitions

  • the first insulating layer may include pigment and insulating material.
  • Insulating materials include polyimide (PI), polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyacrylonitrile (PAN), and polyethyleneimide ( It may include any one of polyethylenimide (PEI), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), and thermoplastic polyurethane (TPU).
  • PI polyimide
  • PVDF-HFP polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene
  • PAN polyacrylonitrile
  • PEI polyethylenimide
  • PP polypropylene
  • PC polycarbonate
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • the second insulating layer may include ceramic.
  • the first insulating layer and the second insulating layer may be formed to have different widths.
  • An electrode assembly is wound by stacking an anode, a separator, and a cathode, and at least one of the anode and the cathode is a substrate, a first active material layer located on one side of the substrate, and a first insulating layer located on the other side of the substrate. It includes a second active material layer and a second insulating layer, and the first insulating layer and the second insulating layer have different colors.
  • the first insulating layer and the second insulating layer may include pigments of different colors.
  • the first insulating layer and the second insulating layer may include different materials.
  • the first insulating layer may be located on both sides of the first active material layer, and the second insulating layer may be located on both sides of the second active material layer.
  • the first insulating layer and the second insulating layer may be positioned continuously along the first and second active material layers, respectively.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are cross-sectional views showing a portion of an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 10 includes a first electrode 11, a separator 12, and a second electrode 13 that are sequentially stacked.
  • the electrode assembly 10 may be a cylindrical jelly roll in which the first electrode 11, the separator 12, and the second electrode 13 are stacked and then wound around the center pin 60. .
  • the first electrode 11 may include a first coated portion 11a and a first uncoated portion 11b.
  • the first coating portion 11a is formed of a thin metal plate and is a portion where an active material layer (e.g., transition metal oxide (LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.)) is formed on both sides of a substrate used as a conductive current collector. am.
  • the first uncoated region 11b is a portion where the surface of the substrate is exposed because the active material layer is not formed on the substrate.
  • the second electrode 13 may include a second coated portion 13a and a second uncoated portion 13b.
  • the lead tab 37 may be in contact with the first auxiliary plate 34 of the electrode assembly 10, which will be described later, through the opening 51 of the insulating plate 50, and may be electrically connected to the first auxiliary plate 34. there is.
  • the second auxiliary plate 38 is laminated on the first auxiliary plate 34 and is electrically connected to the first auxiliary plate 34, and may be coupled to the first auxiliary plate 34 by welding.
  • the second auxiliary plate 38 is located in the center of the electrode assembly 10 corresponding to the center pin 60 and has a through hole exposing the first auxiliary plate 34.

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Abstract

전극과 이를 포함하는 전극 조립체가 개시된다. 전극은 기재, 기재의 일면에 위치하는 제1 활물질층과 제1 절연층, 기재의 타면에 위치하는 제2 활물질층과 제2 절연층을 포함한다. 제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 색을 가진다.

Description

전극 및 이를 포함하는 전극 조립체
본 발명은 전극에 관한 것으로, 특히 이차 전지용 전극 및 이를 포함하는 전극 조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요에 따라 에너지원으로서 이차 전지에 대한 수요가 증가되고 있다.
이 중, 원통형 이차 전지는 세퍼레이터(separator)의 양면에 전극을 배치한 다음 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취하여 형성되는 전극 조립체, 전극 조립체 중심의 중공부에 배치되는 센터 핀, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 케이스의 개방 측을 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.
젤리 롤 형태의 전극 조립체는 센터 핀을 중심으로 반복하여 감아져 형성하는 것으로, 전극 조립체의 곡률 반경이 전극의 내면 및 외면에서 차이가 발생한다. 이를 해결하기 위해서 활물질층을 패턴 코팅하여 형성하고 있으나, 전지의 크기가 대형화될수록 패턴 코팅 보다는 연속적으로 활물질을 형성하는 스트라이프 코팅 방식을 적용하고 있다.
스트라이프 코팅 또한, 원형 전지의 곡률 반경을 고려하여 기재의 내면(상대적으로 중심과 가까운 면)과 외면(상대적으로 중심과 멀리 있는 면)에 따라 다르게 코팅을 진행하고 있으나, 연속적으로 활물질층이 도포되며 롤에 감아지는 공정 특성상, 공정 중간에 활물질층이 코팅되는 면이 기재의 내면인지 외면인지 검출하는 것이 용이하지 않다.
이처럼 기재의 내면 및 외면 검출이 용이하지 않음에 따라, 공정 중 또는 공정 후에 재감기 등을 실시할 때, 기재의 내면 및 외면이 바뀌어 투입되는 경우가 발생할 수 있고, 이로 인해서 공정 시간 및 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 스트라이프 코팅 진행 시 기재의 내면 및 외면을 육안으로 용이하게 구분하도록 함으로써 재감기 공정 시 내면 및 외면이 바뀌어 오투입되는 위험성을 줄일 수 있는 전극 및 이를 포함하는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 전극은 기재, 기재의 일면에 위치하는 제1 활물질층과 제1 절연층, 기재의 타면에 위치하는 제2 활물질층과 제2 절연층을 포함하고, 제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 색을 가진다.
제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 색의 안료를 포함할 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 안료와 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
제1 절연층은 안료와 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 제2 절연층은 세라믹을 포함할 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 각각 제1 활물질층 및 제2 활물질층과 이웃하며 기재의 가장자리에 위치할 수 있다.
제1 절연층은 제1 활물질층의 양쪽에 위치할 수 있고, 제2 절연층은 제2 활물질층의 양쪽에 위치할 수 있다. 제1 절연층과 제2 절연층은 각각 제1 활물질층과 제2 활물질층을 따라 연속하여 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 및 음극이 적층되어 권취되며, 양극 및 음극 중 적어도 하나는 기재, 기재의 일면에 위치하는 제1 활물질층과 제1 절연층, 기재의 타면에 위치하는 제2 활물질층과 제2 절연층을 포함하고, 제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 색을 가진다.
제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 색의 안료를 포함할 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 안료와 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
제1 절연층은 안료와 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 제2 절연층은 세라믹을 포함할 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다.
제1 절연층과 제2 절연층은 각각 제1 활물질층 및 제2 활물질층과 이웃하며 기재의 가장자리에 위치할 수 있다.
제1 절연층은 제1 활물질층의 양쪽에 위치할 수 있고, 제2 절연층은 제2 활물질층의 양쪽에 위치할 수 있다. 제1 절연층과 제2 절연층은 각각 제1 활물질층과 제2 활물질층을 따라 연속하여 위치할 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 전극은 기재, 기재의 적어도 일면에 위치하는 활물질층, 활물질층과 이웃하며 기재의 어느 한 면에만 위치하는 절연층을 포함한다. 절연층은 세라믹 또는 육안으로 식별 가능한 색을 가진다.
전극의 가장자리에 육안으로 구분 가능한 절연층이 위치함에 따라, 반복적으로 감아 형성되는 권취형 전극 조립체에서 전극의 내면 및 외면을 용이하게 파악할 수 있다. 따라서, 내면 및 외면이 바뀌어 오투입되는 위험성을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 도 1에 포함된 전극 조립체의 일부분을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 일부분을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이고, 도 2는 도 1에 포함된 전극 조립체의 일부분을 도시한 단면도이다. 도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 일부분을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 내장하는 케이스(20), 케이스(20)의 개구에 개스킷을 개재하여 결합되고 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결되는 캡 조립체(30), 캡 조립체(30)와 전극 조립체(10) 사이에 구비되는 절연판(50), 및 전극 조립체(10)의 중심에 배치되는 센터 핀(60)을 포함한다.
전극 조립체(10)는 순차적으로 적층되어 있는 제1 전극(11), 세퍼레이터(12), 및 제2 전극(13)을 포함한다. 전극 조립체(10)는 제1 전극(11), 세퍼레이터(12), 및 제2 전극(13)을 적층한 후 센터 핀(60)을 중심으로 권취한 원통형의 젤리 롤(jelly roll)일 수 있다.
제1 전극(11)은 제1 코팅부(11a)와 제1 무지부(11b)를 포함할 수 있다. 제1 코팅부(11a)는 얇은 금속판으로 형성되어 도전성 집전체로 사용되는 기재의 양면에 활물질층(예를 들어, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 형성된 부분이다. 제1 무지부(11b)는 기재에 활물질층이 형성되지 않아 기재의 표면이 노출된 부분이다. 제2 전극(13)은 제2 코팅부(13a)와 제2 무지부(13b)를 포함할 수 있다. 제2 코팅부(13a)는 얇은 금속판으로 형성되어 도전성 집전체로 사용되는 기재의 양면에 활물질층(예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 형성된 부분이다. 제2 무지부(13b)는 기재에 활물질층이 형성되지 않아 기재가 노출된 부분이다.
제1 무지부(11b)와 제2 무지부(13b)는 서로 반대 측에 위치할 수 있다. 제1 전극(11)은 양극일 수 있고, 제2 전극(13)은 음극일 수 있다. 제1 전극(11)의 기재는 알루미늄(Al)일 수 있고, 제2 전극(13)의 기재는 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 구리와 니켈의 합금일 수 있다.
세퍼레이터(12)는 제1 전극(11)과 제2 전극(13) 사이에 배치되어 이들 사이를 절연한다. 세퍼레이터(12)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막으로 구성될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 세퍼레이터(12)로 사용될 수 있음은 물론이다.
젤리롤(Jelly Roll) 상태에서, 제1 전극 집전판(11d)은 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11b)에 연결되고, 제2 전극 집전판(13d)은 전극 조립체(10)의 제2 무지부(13b)에 연결된다.
제2 전극 집전판(13d)은 케이스(20)와 접촉한다. 반면, 제1 전극 집전판(11d)은 케이스(20)와 접촉하지 않도록 제2 전극 집전판(13d) 보다 좁은 폭으로 형성될 수 있다.
제1 무지부(11b)는 전극 조립체(10)의 중심인 센터 핀(60)을 향해서 절곡되며, 이웃하는 제1 무지부(11b)가 서로 중첩되어 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 무지부(11b)는 중첩된 상태로 제1 전극 집전판(11d)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 무지부(11b)는 제1 전극 집전판(11d)과 접촉하여 전기적으로 연결되는 일면과 제2 전극(13)의 단부(도 1을 기준으로 상측 단부)와 마주하는 타면을 포함하며, 제1 무지부(11b)의 타면은 제2 전극(13)의 단부와 서로 이격되어 있다. 이때 일면은 제1 무지부(11b)의 외면일 수 있고, 타면은 제1 무지부(11b)의 내면일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 제1 무지부(11b)에서 기재의 일면 및 타면에는 각각 서로 다른 색을 가지는 제1 절연층(61) 및 제2 절연층(62)이 위치할 수 있다. 서로의 색이 다르다는 것은 육안으로 차이를 구분할 수 있는 것으로, 예를 들어, 제1 절연층(61)은 노란색, 제2 절연층(62)은 검정 또는 초록색으로 전혀 다른 색을 의미할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 예를 들어, 특정색을 나타내면서 서로 다른 농도, 서로 다른 채도, 명도, 반사도, 질감 등과 같이 육안으로 구별이 가능한 차이를 모두 포함한다.
제1 전극(11)에 포함된 두 개의 활물질층은 제1 절연층(61)과 접하는 제1 활물질층과, 제2 절연층(62)과 접하는 제2 활물질층으로 구분될 수 있다. 도 2에서는 편의상 제1 무지부(11b)가 절곡되기 전의 상태를 도시하였다.
제1 절연층(61)과 제2 절연층(62)은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 안료를 혼합하여 식별 가능한 색을 나타낼 수 있는 물질이면 모두 가능하다.
이때, 제1 절연층(61) 및 제2 절연층(62)은 서로 다른 안료를 포함하여 서로 다른 색을 나타낼 수 있다.
또한, 제1 절연층(61) 및 제2 절연층(62)은 별도의 안료를 혼합하지 않고도 색을 가지는 세라믹을 포함할 수 있으며, 예를 들어 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 및 실리카(SiO2)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종을 포함할 수 있다.
또한, 제1 절연층(61)과 제2 절연층(62)은 육안으로 구분 가능한 서로 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 제1 절연층(61)은 투명한 폴리이미드로 이루어지고, 제2 절연층(62)은 백색의 세라믹으로 이루어질 수 있다.
한편, 이상의 실시예에서는 제1 절연층(61)과 제2 절연층(62)의 색상을 이용하여 제1 무지부(11b)의 일면 및 타면을 구분하였으나, 도 3에서와 같이 제1 절연층(61) 및 제2 절연층(62)이 서로 다른 폭(L1, L2)을 가지도록 함으로써 제1 무지부(11b)의 일면 및 타면을 구분할 수 있다.
제1 절연층(61)의 폭(L1)과 제2 절연층(62)의 폭(L2)은 제1 코팅부(11a)와 인접한 단부부터 외부로 노출되는 제1 무지부(11b)의 단부까지 연장되는 길이로 정의될 수 있다. 제1 절연층(61)의 폭(L1)은 제2 절연층(62)의 폭(L2)과 육안으로 식별이 가능하도록 차이가 날 수 있다.
또한, 도 4에서와 같이 제1 무지부(11b)의 일면과 타면 중 어느 한 면에 절연층(63)을 형성하여 제1 무지부(11b)의 일면과 타면을 구분할 수 있다. 이때 절연층(63)은 세라믹 또는 안료를 포함하는 절연 물질과 같이 육안으로 식별 가능한 색 또는 질감을 가지는 절연층으로 이루어질 수 있다.
절연층(63)은 제2 전극(12)의 단부(도면을 기준으로 상측 단부)와 마주하는 제1 무지부(11b)의 타면에 위치할 수 있다. 이는 무지부를 접어 용접으로 고정할 때 제2 전극(12)과 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위함이다. 이때, 이웃하는 무지부가 서로 중첩되어 전기적으로 연결되는 부분에는 절연층이 위치하지 않는다.
전술한 실시예들에서, 제1 절연층(61)과 제2 절연층(62)은 서로 다른 색을 가지거나 서로 다른 폭을 가질 수 있으며, 제1 무지부(11b)의 어느 한 면에만 절연층(63)이 위치할 수 있다. 이러한 구성에 의해 제1 전극(11)의 일면과 타면을 용이하게 구분할 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4에서 제1 절연층(61)과 제2 절연층(62) 및 절연층(63)은 활물질층의 일측에 위치하고 있으나, 이들의 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 제1 절연층(61)은 제1 활물질층을 사이에 두고 제1 활물질층의 양쪽에 위치할 수 있고, 제2 절연층(62)은 제2 활물질층을 사이에 두고 제2 활물질층의 양쪽에 위치할 수 있다. 이때 제1 절연층(61)은 제1 활물질층을 따라 연속으로 위치할 수 있고, 제2 절연층(62)은 제2 활물질층을 따라 연속으로 위치할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 제1 전극 집전판(11d)에는 리드 탭(37)이 전기적으로 연결되어 있다. 리드 탭(37)의 일단은 제1 전극 집전판(11d)과 용접으로 연결될 수 있으며, 타단은 캡 조립체(30)와 전기적으로 연결될 수 있다. 리드 탭(37)은 캡 조립체(30)와 접촉 면적을 증가시키기 위해서 전극 조립체(10)와 일면이 마주하도록 절곡될 수 있다.
제1 전극 집전판(11d) 위에는 센터 핀(60)을 노출하는 개구를 가지는 절연판(50)이 위치한다. 절연판(50)은 제1 전극 집전판(11d)보다 크게 형성되어 절연판(50)은 케이스(20)의 내면과 접촉할 수 있다. 이처럼 절연판(50)을 제1 전극 집전판(11d) 보다 크게 형성하면, 절연판(50)이 제1 전극 집전판(11d) 밖으로 돌출된 폭만큼 제1 전극 집전판(11d)과 케이스(20) 사이에 일정한 간극이 형성된다. 이 간극에 의해 제1 전극 집전판(11d)과 케이스(20)의 단락을 방지할 수 있다.
리드 탭(37)은 절연판(50)의 개구부(51)를 통해서 후술하는 전극 조립체(10)의 제1 보조 플레이트(34)와 접촉할 수 있으며, 제1 보조 플레이트(34)와 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 조립체(10)는 센터 핀(60)을 중심으로 감겨 있으므로, 센터 핀(60)은 전극 조립체(10)의 중심에 위치하며, 전극 조립체(10)가 케이스(20)에 삽입되는 방향과 나란하게 배치될 수 있다.
센터 핀(60)은 이차 전지의 외부에서 작용하는 전면(全面) 압축 하중이나 국부적인 충격 하중을 받을 때, 최소로 변형되거나 변형 전 형상에 근접하는 형상을 유지하기 위한 것으로서, 속이 빈 원형 파이프 형태일 수 있다. 또한, 센터 핀(60)은 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 할 수 있다. 필요에 따라 센터 핀(60)은 생략될 수 있다.
센터 핀(60)은 외부 충격에 대해서 최소로 변형되기 위해서, 일정한 강성을 가지는 물질, 예를 들어 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 등과 같이 도전성을 가지는 금속으로 형성될 수 있다. 센터 핀(60)이 도전성을 가지는 금속으로 제작될 때, 센터 핀(60)의 양단은 제1 전극 집전판(11d)과 제2 전극 집전판(13d)에 전기적으로 절연 상태를 유지하도록 설치된다.
예를 들어, 센터 핀(60)의 하단과 이에 대응하는 제2 전극 집전판(13d) 사이에 절연 패드(52)가 배치될 수 있다. 센터 핀(60)의 상단은 제1 전극 집전판(11d)의 중심에 형성된 관통구에 절연 상태로 관통하여 절연판(50)에 지지될 수 있다. 이때, 센터 핀(60)의 상단은 제1 전극 집전판(11d)의 관통구와 이격될 수도 있고, 제1 전극 집전판(11d)과의 사이에 절연부재(미도시)를 개재할 수도 있다. 따라서 센터 핀(60)의 길이 방향에서 센터 핀(60)의 유동이 제한되고, 전극 조립체(10)의 중심에서 센터 핀(60)이 안정된 상태를 유지할 수 있다.
케이스(20)는 전해질과 함께 전극 조립체(10)가 삽입될 수 있도록, 일측이 개구되어 있으며 젤리롤 형태의 전극 조립체(10)와 대략 같은 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
즉, 케이스(20)는 원형의 바닥부와 바닥부로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 원통형 측면부를 포함할 수 있다. 이차 전지의 조립 공정 중 원통형 케이스의 상부는 개방될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체가 원통형 케이스에 삽입될 수 있고, 이어서 전해질이 원통형 케이스에 주입될 수 있다.
전해질은 전지 내부의 제1 전극(11)과 제2 전극(13)에서 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하도록 한다. 전해질은 EC(ethylene carbonate), PC(polycarbonate), DEC(diethyl carbonate), 및 EMC(ethyl methyl carbonate)와 같은 유기 용매와 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염을 포함할 수 있다. 전해질은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
케이스(20)는 전극 조립체의 제2 전극 집전판(13d)과 연결되어 이차 전지의 제2 전극 단자로 작용할 수 있다. 따라서 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈 도금강과 같은 도전성 금속으로 형성할 수 있다.
캡 조립체(30)는 케이스(20)의 개구에 위치하며, 개스킷(40)을 사이에 두고 케이스(20)에 결합된다. 개스킷(40)은 케이스(20)와 캡 조립체(30)를 절연하며, 전극 조립체(10)와 전해질을 수용하는 케이스(20) 내부를 밀폐시킨다.
캡 조립체(30)는 캡 플레이트(31), 양성 온도 소자(positive temperature coefficient element)(35), 벤트 플레이트(32), 절연 부재(33), 제1 보조 플레이트(34), 및 제2 보조 플레이트(38)를 포함할 수 있다.
제1 보조 플레이트(34)는 전극 조립체의 리드탭(37)과 전기적으로 연결되어 있으며, 용접으로 리드탭(37)에 결합될 수 있다.
제2 보조 플레이트(38)는 제1 보조 플레이트(34) 위에 적층되어 제1 보조 플레이트(34)와 전기적으로 연결되어 있으며, 용접으로 제1 보조 플레이트(34)에 결합될 수 있다. 제2 보조 플레이트(38)는 센터 핀(60)과 대응하는 전극 조립체(10)의 중앙에 위치하며, 제1 보조 플레이트(34)를 노출하는 관통구멍을 가진다.
벤트 플레이트(32)는 절연 부재(33)를 사이에 두고 제2 보조 플레이트(38) 위에 위치한다. 벤트 플레이트(32)의 가장자리는 개스킷(40)에 삽입되어 케이스(20)에 결합될 수 있다.
벤트 플레이트(32)는 센터 핀(60)과 대응하는 부분에 위치하는 벤트(32a)를 포함한다. 벤트(32a)는 벤트 플레이트(32)에서 전극 조립체(10)를 향하여 돌출 형성되며, 관통구멍을 통해서 제1 보조 플레이트(34)와 접촉하여 전기적으로 연결된다. 벤트 플레이트(32)는 벤트(32a) 주위에 벤트(32a)의 파손을 안내하는 노치(32b)를 가질 수 있다.
벤트(32a)는 기 설정된 압력 조건에서 파손되어, 내부 가스를 외부로 방출하고 제1 보조 플레이트(34)와의 전기적 연결을 차단할 수 있다. 즉, 가스의 발생으로 케이스(20)의 내부 압력이 상승하는 경우, 노치(32b)가 미리 파손되어 가스를 후술하는 배기구(31d)를 통해서 외부로 배출함으로써 이차 전지의 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 이상 반응이 계속되어 벤트(32a)가 파손되면 벤트 플레이트(32)와 제1 보조 플레이트(34) 사이의 전기적 연결이 끊어진다. 따라서 벤트 플레이트(32)와 전기적으로 연결된 캡 플레이트(31)와 제1 보조 플레이트(34) 사이의 전기적 연결이 끊어져 더 이상의 전류 흐름이 발생하지 않는다.
캡 플레이트(31)는 전극 조립체(10)의 중심인 센터 핀(60)과 대응하는 중앙 플레이트(31a), 중앙 플레이트(31a)로부터 개스킷(40)을 향해 뻗은 복수의 가지부(31b), 가지부(31b)들의 일단을 연결하며 개스킷(40)에 삽입되어 결합되는 결합 플레이트(31c)를 포함할 수 있다. 이웃하는 가지부(31b) 사이에는 외부로 개방되어 내부 가스를 배출하는 배기구(31d)가 위치한다.
가지부(31b)는 결합 플레이트(31c)로부터 절곡된 상태로 중앙 플레이트(31a)에 연결되어, 캡 플레이트(31)의 중앙이 케이스(20) 외부로 돌출된 형태를 이룰 수 있다. 캡 플레이트(31)는 벤트 플레이트(32), 제2 보조 플레이트(38), 제1 보조 플레이트(34), 및 리드 탭(37)을 통해서, 제1 전극 집전판(11d)과 전기적으로 연결되어, 이차 전지의 제1 전극 단자로 사용될 수 있다. 따라서 캡 플레이트(31)의 중앙을 케이스(20) 외부로 돌출되도록 형성하면 외부 기기와의 단자 연결을 용이하게 할 수 있다.
한편, 양성 온도 소자(35)는 캡 플레이트(31)의 결합 플레이트(31c)를 따라 형성될 수 있으며, 캡 플레이트(31)의 결합 플레이트(31c)와 벤트 플레이트(32)의 가장자리 사이에 적층된 상태로 개스킷(40)에 삽입되어 결합될 수 있다.
양성 온도 소자(35)는 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32) 사이에 설치되어, 이차 전지의 내부 온도에 따라, 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32) 사이에서 전류 흐름을 단속할 수 있다.
내부 온도가 기 설정된 범위 이내인 경우, 양성 온도 소자(35)는 도체로 작용하여 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32)를 전기적으로 연결한다. 그러나 내부 온도가 기 설정된 온도를 초과하는 경우, 양성 온도 소자(35)는 무한대까지 커지는 전기 저항을 가진다. 따라서 양성 온도 소자(35)는 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32) 사이에서 충전 또는 방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
캡 조립체(30)는 케이스(20)에 전극 조립체(10)를 삽입한 상태에서, 캡 조립체(30)의 가장자리에 벤트 플레이트(32), 양성 온도 소자(35), 캡 플레이트(31)가 적층된 형태로 개스킷(40)에 삽입된 후, 케이스(20)의 개구에 끼워진다.
그리고 클림핑(crimping) 공정을 통하여 캡 조립체(30)는 케이스(20)의 개구에 고정된다. 이때, 케이스(20)의 개구 인접측에는 비딩부(21) 및 클림핑부(22)가 형성될 수 있다. 비딩부(21)는 비딩 공정을 통해서 형성될 수 있다. 비딩부(21)는 케이스(20)에 전극 조립체(10)를 수용한 상태에서 케이스(20)의 상측에서 케이스(20)의 직경 방향 중심으로 함몰되는 구조로, 전극 조립체(10)의 상하 유동을 방지한다.
클림핑부(crimping)(22)는 직경 방향에서 상대적으로 비딩부(21)보다 돌출되는 구조로 비딩부(21)에 연결되어, 개스킷(41)을 개재하여 캡 조립체(30)의 외주면과 이 외주면에 연결되는 상면 및 하면을 잡아준다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (17)

  1. 기재,
    상기 기재의 일면에 위치하는 제1 활물질층과 제1 절연층, 및
    상기 기재의 타면에 위치하는 제2 활물질층과 제2 절연층
    을 포함하고,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 색을 가지는 전극.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 색의 안료를 포함하는 전극.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 안료와 절연 물질을 포함하며,
    상기 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함하는 전극.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 물질을 포함하는 전극.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 절연층은 안료와 절연 물질을 포함하며,
    상기 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 제2 절연층은 세라믹을 포함하는 전극.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 폭으로 형성되는 전극.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 각각 상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층과 이웃하며 상기 기재의 가장자리에 위치하는 전극.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 절연층은 상기 제1 활물질층의 양쪽에 위치하고,
    상기 제2 절연층은 상기 제2 활물질층의 양쪽에 위치하며,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 각각 상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층을 따라 연속하여 위치하는 전극.
  9. 양극, 세퍼레이터, 및 음극이 적층되어 권취된 전극 조립체에 있어서,
    상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나는,
    기재,
    상기 기재의 일면에 위치하는 제1 활물질층과 제1 절연층, 및
    상기 기재의 타면에 위치하는 제2 활물질층과 제2 절연층
    을 포함하고,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 색을 가지는 전극 조립체.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 색의 안료를 포함하는 전극 조립체.
  11. 제9항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 안료와 절연 물질을 포함하며,
    상기 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이드, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함하는 전극 조립체.
  12. 제9항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 물질을 포함하는 전극 조립체.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 절연층은 안료와 절연 물질을 포함하며,
    상기 절연 물질은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리비닐리덴플로라이, 헥사플로오로프로필렌의 공중합체(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌이미드(polyethylenimide, PEI), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 및 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU) 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 제2 절연층은 세라믹을 포함하는 전극 조립체.
  14. 제9항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 서로 다른 폭으로 형성되는 전극 조립체.
  15. 제9항에서,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 각각 상기 제1 활물질층 및 제2 활물질층과 이웃하며 상기 기재의 가장자리에 위치하는 전극 조립체.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 절연층은 상기 제1 활물질층의 양쪽에 위치하고,
    상기 제2 절연층은 상기 제2 활물질층의 양쪽에 위치하며,
    상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 각각 상기 제1 활물질층과 상기 제2 활물질층을 따라 연속하여 위치하는 전극 조립체.
  17. 기재,
    상기 기재의 적어도 일면에 위치하는 활물질층, 및
    상기 활물질층과 이웃하며 상기 기재의 어느 한 면에만 위치하는 절연층
    을 포함하고,
    상기 절연층은 세라믹 또는 육안으로 식별 가능한 색을 가지는 전극.
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