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KR102825911B1 - 전극 및 전극 조립체 - Google Patents

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KR102825911B1
KR102825911B1 KR1020200015833A KR20200015833A KR102825911B1 KR 102825911 B1 KR102825911 B1 KR 102825911B1 KR 1020200015833 A KR1020200015833 A KR 1020200015833A KR 20200015833 A KR20200015833 A KR 20200015833A KR 102825911 B1 KR102825911 B1 KR 102825911B1
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최항준
강달모
문정오
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극은 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부; 및 상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포되고, 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 적어도 하나의 슬릿을 포함하는 활물질 미도포부를 포함하되, 상기 슬릿과 상기 활물질 도포부가 만나는 지점 상에는 홀이 관통 형성된다.

Description

전극 및 전극 조립체{The Electrode And The Electrode Assembly}
본 발명은 전극 및 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압연 공정이 완료된 후 휘거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있는 전극 및 전극 조립체에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
전극 조립체를 제조하기 위해, 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)을 제조하고, 이들을 적층한다. 구체적으로, 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체에 도포하고, 음극 활물질 슬러리를 음극 집전체에 도포하여 양극(Cathode)과 음극(Anode)을 제조한다. 그리고 상기 제조된 양극 및 음극의 사이에 분리막(Separator)이 개재되어 적층되면 단위 셀(Unit Cell)들이 형성되고, 단위 셀들이 서로 적층됨으로써, 전극 조립체가 형성된다. 그리고 이러한 전극 조립체가 특정 케이스에 수용되고 전해액을 주입하면 이차 전지가 제조된다.
이차 전지의 제조 공정은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화성 공정의 3단계로 구분된다. 그리고 상기 전극 공정은 다시 활물질 혼합 공정, 전극 코팅 공정, 압연 공정, 슬리팅 공정, 권취 공정 등으로 구분된다. 이 중, 압연 공정은 전극 합제의 코팅 공정이 끝난 전극 시트의 두께를 축소시켜 용량 밀도를 높이고, 전극 집전체와 전극 합제에 포함된 전극 활물질 간의 접착성 및 밀착성을 증가시키기 위해, 고온 가열된 2개의 압연 롤 사이로 전극 시트를 통과시켜 원하는 두께와 밀도로 압축하는 공정이다.
도 1은 종래의 전극(100)의 개략도이고, 도 2는 종래의 전극(100)을 압연하는 모습을 나타낸 개략도이다.
양극(101, 도 3에 도시됨) 및 음극(102, 도 3에 도시됨) 등의 전극(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 활물질(1002)이 도포된 활물질 도포부(1003) 및 전극 활물질(1002)이 미도포된 활물질 미도포부(1004)를 포함한다. 활물질 도포부(1003)는 전력을 직접 생산하는 영역이며, 전극(100)의 넓은 면적을 차지한다. 그리고 활물질 미도포부(1004)는 직접 재단되거나 별도의 도전부재가 연결되어 전극 탭(11)을 형성한다.
종래에는 압연 공정에서 2개의 압연 롤(2) 사이로 전극 시트를 통과시키면, 도 2에 도시된 바와 같이, 활물질 도포부(1003)는 상대적으로 두께가 두꺼워 열 및 압력을 더 많이 받고, 활물질 미도포부(1004)는 상대적으로 두께가 얇아 열 및 압력을 더 적게 받았다. 따라서, 이러한 열 및 압력의 차이로 인하여, 압연 공정이 완료된 후 전극(100)이 휘거나 뒤틀리는 문제가 있었다. 특히, 최근에는 높은 에너지밀도의 셀이 요구됨에 따라 전극 활물질(1002)의 로딩양이 증가하여, 이러한 문제가 더욱 많이 발생하였다.
일본공개공보 제2014-022116호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 압연 공정이 완료된 후 휘거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있는 전극 및 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극은 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부; 및 상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포되고, 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 적어도 하나의 슬릿을 포함하는 활물질 미도포부를 포함하되, 상기 슬릿과 상기 활물질 도포부가 만나는 지점 상에는 홀이 관통 형성된다.
또한, 상기 슬릿은, 직선 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 상기 활물질 미도포부와 상기 활물질 도포부의 경계선과 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 곡선 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 곡률이 일정한 곡선 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 곡률 중심이 복수 개인 곡선 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 웨이브 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 일단에서 타단까지 폭이 규칙적 또는 불규칙적으로 변화할 수 있다.
또한, 상기 홀은, 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 슬릿은, 복수로 형성되며, 복수의 상기 슬릿의 일단에 각각 상기 홀이 하나씩 형성될 수 있다.
또한, 각각의 상기 홀마다 형상이 서로 다를 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 전극 및 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체에 있어서, 상기 전극은, 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부; 및 상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포되고, 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 적어도 하나의 슬릿을 포함하는 활물질 미도포부를 포함하되, 상기 슬릿과 상기 활물질 도포부가 만나는 지점 상에는 홀이 관통 형성된다.
또한, 상기 전극 중의 양극에 형성된 슬릿과, 상기 전극 중의 음극에 형성된 슬릿은, 서로 형상이 상이할 수 있다.
또한, 상기 전극 중의 양극에 형성된 홀과, 상기 전극 중의 음극에 형성된 홀은, 서로 형상이 상이할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
전극의 활물질 미도포부에 슬릿이 형성됨으로써, 압연 공정이 완료된 후에도 전극이 휘거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있다.
특히, 전극의 크기 및 종류, 인가되는 열 및 압력마다 상이한, 전극의 뒤틀림 정도에 따라, 적합한 형상의 슬릿이 형성됨으로써 전극이 휘거나 뒤틀리는 정도를 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, 슬릿과 활물질 도포부가 만나는 지점 상에 홀이 관통 형성됨으로써, 슬릿의 일단에 집중되는 응력을 분산시켜 활물질 도포부를 향해 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
특히, 전극의 크기 및 종류, 인가되는 열 및 압력마다 상이한, 크랙을 유발하는 응력분포에 따라, 적합한 형상의 홀이 형성됨으로써 활물질 도포부를 향해 크랙이 발생하는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 전극의 개략도이다.
도 2는 종래의 전극을 압연하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 조립체의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제8 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제9 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제10 실시예에 따른 전극의 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 조립체(10)의 개략도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 조립체(Electrode Assembly, 10)를 제조하기 위해, 먼저 양극 활물질(1012)과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를, 알루미늄을 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 양극 집전체(1011)에 도포한 후 이를 건조하고 프레싱하여 양극(Cathode, 101)을 제조한다. 그리고, 음극 활물질(1022)과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를, 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 음극 집전체(1021)에 도포한 후 이를 건조하고 프레싱하여 음극(Anode, 102)을 제조한다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 이 때 필요에 따라, 슬러리는 충진제를 더 포함할 수도 있다. 그리고 용매는 후속 공정에서 제거된다. 이러한 양극(101) 및 음극(102)은 각각 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 있다.
전극 조립체(10)는 전극(100) 및 분리막(Separator, 103)이 교대로 적층되어 형성된다. 구체적으로, 상기 제조된 양극(101) 및 음극(102) 두 종류의 전극(100)과, 전극(100)들을 상호 절연시키기 위해 전극(100)들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극(100)의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막(103)을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 소정 규격의 양극(101)과 음극(102)이 분리막(103)을 사이에 두고 적층될 수도 있고, 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수도 있다. 또는 상기 제조된 양극(101) 및 음극(102)의 사이에 분리막(103)이 개재되어 적층되면 단위 셀(Unit Cell)들이 형성되고, 단위 셀들이 서로 적층됨으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)가 형성될 수도 있다.
양극 집전체(1011)는 일반적으로 3 ~ 500 μm의 두께로 제조된다. 양극 집전체(1011)는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 높은 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것일 수 있으나, 다만 이에 제한되지 않는다. 그리고 양극 집전체(1011)는 양극 활물질(1012)의 접착력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성할 수도 있다. 또한 양극 집전체(1011)는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
양극 활물질(1012)은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(x는 0 내지 0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 내지 0.3)으로 표현되는 니켈(Ni) 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2(M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1) 또는 Li2Mn3MO8(M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등일 수 있다. 다만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전제는 통상적으로 양극 활물질(1012)을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 도전제는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 퍼니스 블랙, 채널 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합 등에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질(1012)을 포함한 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 첨가된다. 이와 같은 바인더는 대표적으로 폴리불화비닐리덴, 폴리 비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등일 수 있다.
충진제는 양극(101)의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용된다. 그리고 화학적 변화를 유발하지 않고 섬유상 재료라면 일반적으로 충진제로 사용될 수 있다. 충진제는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질일 수 있다.
음극 집전체(1021)는 일반적으로 3 ~ 500 μm의 두께로 제조된다. 음극 집전체(1021)는 통상 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 이와 같은 재료로 가장 대표적인 것인 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소나, 구리 또는 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금 등이다. 또한 음극 집전체(1021)는 음극 활물질(1022)의 결합력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성하기도 한다. 또한 음극 집전체(1021)는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
음극 활물질(1022)은 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0=x=1), LixWO2(0=x=1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐;0<x=1; 1=y=3; 1=z=8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등일 수 있다.
상기 양극(101)과 음극(102) 사이에서 상기 전극(100)들을 절연시키는 분리막(103)으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유, 무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기와 같은 구조로 이루어진 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 수납한 다음, 전해액을 주입하여 이차 전지(1)를 제조한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 양극(101), 음극(102) 등의 전극(100) 및 분리막(103)이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체(10) 및 상기 전극 조립체(10)를 내부에 수용하는 파우치 형의 전지 케이스(13)를 포함한다.
파우치 형 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 상기 제조된 전극(100)을 분리막(103)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(10)를 형성한 다음에, 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 삽입하고 전해액 주입 후 실링한다.
전극 조립체(10)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극(101) 및 음극(102)과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 전극 집전체(1001)는 전극 활물질(1002)이 도포된 활물질 도포부(1003)와 전극 활물질(1002)이 도포되지 않은 말단 부분인 활물질 미도포부(1004), 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 이차 전지(1)의 외부로 전기를 공급하는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)가 열 융착되는 실링부(134)에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 전지 케이스(13)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(12)는 양극 탭(111)에 일단이 연결되고, 양극 탭(111)이 돌출된 방향으로 연장되는 양극 리드(121) 및 음극 탭(112)에 일단이 연결되고, 음극 탭(112)이 돌출된 방향으로 연장되는 음극 리드(122)를 포함한다. 한편, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 도 4에 도시된 바와 같이, 모두 타단이 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된다. 그럼으로써, 전극 조립체(10)의 내부에서 생성된 전기를 외부로 공급할 수 있다. 또한, 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)이 각각 다양한 방향을 향해 돌출 형성되므로, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)도 각각 다양한 방향을 향해 연장될 수 있다.
양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 집전체(1011)와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 집전체(1021)와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
전지 케이스(13)는 전극 조립체(10)를 내부에 수납하는, 유연성을 가지는 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다. 펀치 등을 이용하여 유연성을 가지는 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1331)을 포함하는 컵부(133)가 형성됨으로써, 전지 케이스(13)가 제조된다. 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)를 포함한다. 하부 케이스(132)에는 컵부(133)가 형성되어 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331)이 마련되고, 상부 케이스(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 그리고 실링부(134)가 실링됨으로써 상기 수용 공간(1331)을 밀폐한다. 이 때, 상부 케이스(131)에도 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)는 도 4에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 케이스(132)의 컵부(133)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 케이스(131)가 상기 공간을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)의 테두리로부터 외측으로 연장 형성된 실링부(134)를 실링한다. 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극(100)의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해, 파우치 형 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극(100a)의 개략도이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전극(100)의 활물질 미도포부(1004)에 슬릿(1005)이 형성됨으로써, 압연 공정이 완료된 후에도 전극(100)이 휘거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있다. 특히, 전극(100)의 크기 및 종류, 인가되는 열 및 압력마다 상이한, 전극(100)의 뒤틀림 정도에 따라, 적합한 형상의 슬릿(1005)이 형성됨으로써 전극(100)이 휘거나 뒤틀리는 정도를 더욱 효율적으로 방지할 수 있다. 또한, 슬릿(1005)과 활물질 도포부(1003)가 만나는 지점 상에 홀(1006)이 관통 형성됨으로써, 슬릿(1005)의 일단에 집중되는 응력을 분산시켜 활물질 도포부(1003)를 향해 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 특히, 전극(100)의 크기 및 종류, 인가되는 열 및 압력마다 상이한, 크랙을 유발하는 응력분포에 따라, 적합한 형상의 홀(1006)이 형성됨으로써 활물질 도포부(1003)를 향해 크랙이 발생하는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극(100a)은 전극 집전체(1001)의 적어도 하나의 면에 전극 활물질(1002)이 도포된 활물질 도포부(1003); 및 상기 활물질 도포부(1003)의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질(1002)이 미도포되고, 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 적어도 하나의 슬릿(1005a)을 포함하는 활물질 미도포부(1004a)를 포함하되, 상기 슬릿(1005a)과 상기 활물질 도포부(1003)가 만나는 지점 상에는 홀(1006a)이 관통 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전극(100a)은 전극 집전체(1001)의 적어도 하나의 면에 전극 활물질(1002)이 도포된 활물질 도포부(1003) 및 전극 활물질(1002)이 미도포된 활물질 미도포부(1004a)를 포함한다.
활물질 도포부(1003)는 전해액을 통해 이온을 유출입시켜, 전기를 생성한다. 그리고 활물질 미도포부(1004a), 즉 무지부는 상기 기술한 바와 같이, 활물질 도포부(1003)의 일측에 형성되며, 전극 활물질(1002)이 미도포된 말단 부분이다. 그리고 무지부를 재단하거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 전극 탭(11)을 형성할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 활물질 미도포부(1004a)는 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 하나의 슬릿(1005a)을 포함한다. 따라서, 압연 공정이 완료된 후에 열 및 압력의 차이로 인하여 활물질 도포부(1003)와 활물질 미도포부(1004a)의 연신량이 상이하더라도, 슬릿(1005a)이 활물질 미도포부(1004a)를 두 개의 영역으로 분할함으로써 전극(100a)이 휘거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 활물질 미도포부(1004a)의 일단은 활물질 도포부(1003)와 이웃하고, 활물질 미도포부(1004a)의 타단은 활물질 도포부(1003)의 반대측을 향한다. 그리고, 상기 슬릿(1005a)은 활물질 미도포부(1004a)와 활물질 도포부(1003)의 경계선으로부터, 외측을 향해 연장 형성될 수 있다. 즉, 슬릿(1005a)의 일단은 활물질 미도포부(1004a)와 활물질 도포부(1003)의 경계선에 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 슬릿(1005a)이 활물질 도포부(1003)의 경계선까지 도달하지 않는다면, 활물질 도포부(1003)에서 슬릿(1005a)이 형성되지 않은 영역이 발생하며, 이러한 영역은 압연 공정이 완료된 후에도 여전히 휘거나 뒤틀리는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
그리고, 슬릿(1005a)은 활물질 미도포부(1004a)에만 형성되며, 활물질 도포부(1003)까지 연장되지 않는 것이 바람직하다. 활물질 도포부(1003)는 전극(100a)에서 면적이 상대적으로 넓고 두께도 상대적으로 두꺼워 일정한 크기의 열 및 압력을 받는다. 따라서, 압연 공정이 완료된 후에 활물질 도포부(1003)가 휘거나 뒤틀리는 문제가 크게 발생하지 않는다. 그런데, 만약 슬릿(1005a)이 활물질 도포부(1003)까지 연장된다면 본 발명의 효과가 크게 발휘되지 않으면서, 오히려 활물질 도포부(1003)의 면적을 감소시켜 에너지 밀도 또한 감소시킬 수 있기 때문이다.
슬릿(1005a)의 폭이 과도하게 좁다면 압연 공정 후에도 여전히 전극(100a)이 휘거나 뒤틀릴 수 있다. 반대로, 슬릿(1005a)의 폭이 과도하게 넓다면, 전극 탭(11)의 단면적이 감소하여, 저항이 증가할 수도 있다. 따라서, 전극(100a)의 크기 및 종류, 그리고 압연되는 온도 및 압력 등에 따라 실험적으로 가장 적합한 슬릿(1005a)의 폭을 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 활물질 도포부(1003)에 압연 공정을 수행하면, 슬릿(1005a)의 타단은 외측을 향하므로 응력이 집중되지 않으나, 슬릿(1005a)의 일단에는 응력이 집중되어 활물질 도포부(1003)를 향해 크랙이 발생할 수도 있다. 따라서 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 슬릿(1005a)과 활물질 도포부(1003)가 만나는 지점 상에 홀(1006a)이 관통 형성된다. 이러한 홀(1006a)은 슬릿(1005a)의 일단에 집중되는 응력을 분산시킴으로써, 압연 공정이 완료된 후에도 슬릿(1005a)에 의해 활물질 도포부(1003)를 향해 크랙이 발생하는 문제를 방지할 수 있다.
이러한 홀(1006a)의 크기도 과도하게 좁다면 압연 공정 후에도 여전히 활물질 도포부(1003)를 향해 크랙이 발생할 수 있다. 반대로, 홀(1006a)의 크기가 과도하게 넓다면, 활물질 도포부(1003)의 면적을 감소시켜 에너지 밀도 또한 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극(100b)의 개략도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 활물질 미도포부(1004a)는 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 하나의 슬릿(1005a)을 포함한다. 그리고, 하나의 슬릿(1005a)의 일단에 하나의 홀(1006a)이 형성된다.
그러나 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 활물질 미도포부(1004b)는 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 복수의 슬릿(1005b)을 포함한다. 그리고, 복수의 슬릿(1005b)의 일단에 각각 홀(1006b)이 하나씩 형성된다. 따라서, 슬릿(1005b)이 활물질 미도포부(1004b)를 세 개 이상의 영역으로 분할함으로써 전극(100b)이 휘거나 뒤틀리는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극(100c)의 개략도이고, 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전극(100d)의 개략도이며, 도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극(100e)의 개략도이고, 도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극(100f)의 개략도이다.
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따르면, 슬릿(1005a, 1005b)은 직선 형상을 가진다. 그리고, 활물질 미도포부(1004a, 1004b)와 활물질 도포부(1003)의 경계선과 수직으로, 외측을 향해 연장 형성될 수 있다. 따라서, 활물질 미도포부(1004a, 1004b)가 분할되는 영역이 모두 직사각형 형상을 가질 수 있다.
그러나, 전극(100)의 크기 및 종류가 다양하고, 압연 공정에 따라 인가되는 열 및 압력도 다양하다. 따라서, 항상 동일한 형상의 슬릿(1005)만이 형성되는 것은 비효율적일 수도 있다.
이에 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 슬릿(1005)의 형상이 다양할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 제3 실시예에 따르면 도 7에 도시된 바와 같이, 슬릿(1005c)이 활물질 미도포부(1004c)와 활물질 도포부(1003)의 경계선과 경사를 가질 수 있다. 따라서, 활물질 미도포부(1004c)가 분할되는 영역이, 직사각형 형상이 아닌, 예를 들어 사다리꼴 형상 또는 삼각형 형상을 가질 수 있다.
또는, 본 발명의 제4 실시예에 따르면 도 8에 도시된 바와 같이, 슬릿(1005d)이 곡선 형상을 가질 수 있으며, 특히 하나의 곡률 중심을 가지는 곡선 형상일 수 있다. 이 때 곡률이 항상 일정할 수도 있으나, 곡률이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 변화할 수도 있다. 따라서, 슬릿(1005d)이 원호 형상, 타원호 형상 등 다양한 형상을 가질 수도 있다.
또는, 본 발명의 제5 실시예에 따르면 도 9에 도시된 바와 같이, 슬릿(1005e)이 곡선 형상을 가질 수 있으며, 특히 복수의 곡률 중심을 가지는 곡선 형상일 수 있다. 이 때, 복수의 곡률 중심은 일정 간격마다, 상기 슬릿(1005e)의 좌측 및 우측에 교대로 위치함으로써, 슬릿(1005e)이 웨이브 형상을 가질 수도 있다. 또한, 각각의 곡률 중심마다 형성되는 곡선은 곡률이 모두 동일할 수도 있으나, 곡률이 모두 상이할 수도 있다. 즉, 복수의 곡률 중심은 제한되지 않고 다양하게 위치할 수 있고, 각각의 곡률 중심마다 형성되는 곡선의 곡률도 다양하게 형성될 수 있다.
또는, 본 발명의 제6 실시예에 따르면 도 10에 도시된 바와 같이, 슬릿(1005f)의 폭이 규칙적 또는 불규칙적으로 변화할 수도 있다. 예를 들어 슬릿(1005f)의 일단에서 타단까지 폭이 일정하게 넓어질 수 있고, 반대로 폭이 일정하게 좁아질 수도 있다. 또는, 일정 간격마다 폭이 넓어지고 좁아지는 현상이 반복될 수도 있다. 즉, 슬릿(1005f)의 폭도 제한되지 않고 다양하게 형성될 수 있다.
이와 같이, 전극(100)의 크기 및 종류, 인가되는 열 및 압력마다 전극(100)의 뒤틀림 정도가 상이하며, 그에 따라 적합한 형상의 슬릿(1005)이 형성됨으로써 전극(100)이 휘거나 뒤틀리는 정도를 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, 이러한 다양한 형상의 슬릿(1005)도 활물질 미도포부(1004)에 복수로 형성될 수 있다. 그리고, 복수의 슬릿(1005)의 일단에 각각 홀(1006)이 하나씩 형성될 수 있다.
나아가, 하나의 전극 조립체(10)에서도 양극(101)과 음극(102)은 서로 크기 및 재질이 상이하다. 따라서 양극(101)에 형성된 슬릿(1005)과 음극(102)에 형성된 슬릿(1005)도, 서로 형상이 상이할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 전극(100g)의 개략도이고, 도 12는 본 발명의 제8 실시예에 따른 전극(100h)의 개략도이며, 도 13은 본 발명의 제9 실시예에 따른 전극(100i)의 개략도이고, 도 14는 본 발명의 제10 실시예에 따른 전극(100j)의 개략도이다.
본 발명의 제1 내지 제6 실시예에 따르면, 홀(1006a)은 원형의 형상을 가진다. 그러나, 전극(100)의 크기 및 종류가 다양하고, 압연 공정에 따라 인가되는 열 및 압력도 다양하다. 따라서, 항상 원형의 형상의 홀(1006a)만이 형성되는 것은 비효율적일 수도 있다.
예를 들어, 홀(1006a)이 원형의 형상을 가진다면 응력을 균일하게 분산시킬 수 있으나, 전극(100)의 종류에 따라 홀(1006)의 주변 영역들의 내구성이 상이할 수 있다. 즉, 내구성이 강하여, 큰 응력에서도 크랙이 잘 발생하지 않는 영역이 있는 반면에, 내구성이 약하여, 작은 응력에서도 크랙이 잘 발생하는 영역이 있을 수도 있다.
이에 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 홀(1006)의 형상이 다양할 수 있다. 예를 들어, 홀(1006)은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 홀(1006c, 1006d)은 타원형의 형상을 가질 수 있으며, 본 발명의 제7 실시예에 따르면 도 11에 도시된 바와 같이, 홀(1006c)은 타원의 장축이 슬릿(1005a)과 평행하게 형성될 수 있다. 또는, 본 발명의 제8 실시예에 따르면 도 12에 도시된 바와 같이, 홀(1006d)은 타원의 단축이 슬릿(1005a)과 평행하게 형성될 수 있다.
타원형의 형상의 홀(1006c, 1006d)에서는, 곡률이 작은 모서리로는 응력이 넓게 분산되고, 곡률이 큰 모서리로는 응력이 좁게 분산된다. 따라서, 곡률이 작은 모서리는 상대적으로 내구성이 강한 영역을 향하고, 곡률이 큰 모서리는 상대적으로 내구성이 약한 영역을 향하도록, 홀(1006c, 1006d)을 형성할 수 있다.
또는, 홀(1006)은 다각형의 형상을 가질 수도 있으며, 본 발명의 제9 실시예에 따르면 도 13에 도시된 바와 같이, 홀(1006e)은 오각형의 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 본 발명의 제10 실시예에 따르면 도 14에 도시된 바와 같이, 홀(1006f)은 삼각형의 형상으로 형성될 수도 있다.
다각형의 형상의 홀(1006e, 1006f)에서는, 직선의 모서리로는 응력이 넓게 분산되고, 꼭지점으로는 응력이 좁게 분산된다. 따라서, 꼭지점은 상대적으로 내구성이 강한 영역을 향하고, 직선의 모서리는 상대적으로 내구성이 약한 영역을 향하도록, 홀(1006e, 1006f)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 전극(100)의 크기 및 종류, 인가되는 열 및 압력마다 크랙을 유발하는 응력분포가 상이하며, 그에 따라, 적합한 형상의 홀(1006)이 형성됨으로써 활물질 도포부(1003)를 향해 크랙이 발생하는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, 슬릿(1005)이 활물질 미도포부(1004)에 복수로 형성되고, 복수의 슬릿(1005)의 일단에 다양한 형상의 홀(1006)이 하나씩 형성될 수 있으며, 각각의 홀(1006)마다 형상이 서로 다를 수도 있다.
나아가, 하나의 전극 조립체(10)에서도 양극(101)과 음극(102)은 서로 크기 및 재질이 상이하다. 따라서 양극(101)에 형성된 홀(1006)과 음극(102)에 형성된 홀(1006)도, 서로 형상이 상이할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 10: 전극 조립체
11: 전극 탭 12: 전극 리드
13: 전지 케이스 14: 절연부
100: 전극 101: 양극
102: 음극 103: 분리막
111: 양극 탭 112: 음극 탭
121: 양극 리드 122: 음극 리드
131: 상부 케이스 132: 하부 케이스
133: 컵부 134: 실링부
1001: 전극 집전체 1002: 전극 활물질
1003: 활물질 도포부 1004: 활물질 미도포부
1005: 슬릿 1006: 홀
1011: 양극 집전체 1012: 양극 활물질
1021: 양극 집전체 1022: 양극 활물질
1331: 수용 공간

Claims (14)

  1. 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부; 및
    상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포되고, 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 적어도 하나의 슬릿을 포함하는 활물질 미도포부를 포함하되,
    상기 슬릿과 상기 활물질 도포부가 만나는 지점 상에는 홀이 관통 형성되고,
    상기 슬릿은,
    곡선 형상을 가지는 전극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    곡률이 일정한 곡선 형상을 가지는 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    곡률 중심이 복수 개인 곡선 형상을 가지는 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    웨이브 형상을 가지는 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    일단에서 타단까지 폭이 규칙적 또는 불규칙적으로 변화하는 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 홀은,
    원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나의 형상을 가지는 전극.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은,
    복수로 형성되며,
    복수의 상기 슬릿의 일단에 각각 상기 홀이 하나씩 형성되는 전극.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 상기 홀마다 형상이 서로 다른 전극.
  12. 전극 및 분리막이 교대로 적층되어 형성되는 전극 조립체에 있어서,
    상기 전극은,
    전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부; 및
    상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포되고, 일단으로부터 타단까지 연장 형성되는 적어도 하나의 슬릿을 포함하는 활물질 미도포부를 포함하되,
    상기 슬릿과 상기 활물질 도포부가 만나는 지점 상에는 홀이 관통 형성되고,
    상기 슬릿은,
    곡선 형상을 가지는 전극 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 중의 양극에 형성된 슬릿과, 상기 전극 중의 음극에 형성된 슬릿은,
    서로 형상이 상이한 전극 조립체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전극 중의 양극에 형성된 홀과, 상기 전극 중의 음극에 형성된 홀은,
    서로 형상이 상이한 전극 조립체.
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