KR20200090497A - 전극 및 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극은 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부; 상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포된 활물질 미도포부를 포함하고, 상기 활물질 미도포부는, 카본 코팅재가 코팅된 코팅부; 및 상기 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부를 포함한다.

Description

전극 및 전극 조립체{The Electrode And The Electrode Assembly}
본 발명은 전극 및 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극이 직접 접촉하더라도 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 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.
그러나, 종래에는 이차 전지가 과충전 또는 과방전되는 등 비정상적으로 작동되는 경우, 분리막이 수축하면서 양극과 음극이 서로 직접 접촉하여 단락(쇼트, Short)이 발생할 가능성이 높아진다. 그럼으로써, 이차 전지가 폭발하여 안전성에 문제가 발생할 수 있었다.
한국공개공보 제2012-0023491호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 양극과 음극이 직접 접촉하더라도 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 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; 상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포된 활물질 미도포부를 포함하고, 상기 활물질 미도포부는, 카본 코팅재가 코팅된 코팅부; 및 상기 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부를 포함한다.
또한, 상기 전극 집전체는, 양극 집전체이고, 상기 전극 활물질은, 양극 활물질일 수 있다.
또한, 상기 리드 연결부는, 적어도 3 mm 이상의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 카본 코팅재는, 상기 활물질 도포부의 적어도 일부에도 코팅될 수 있다.
또한, 상기 카본 코팅재는, 상기 활물질 도포부의 일면 전체에 코팅될 수 있다.
또한, 상기 전극 활물질은, 상기 활물질 도포부에 코팅된 상기 카본 코팅재를 커버하며 도포될 수 있다.
또한, 상기 카본 코팅재는, 상기 전극 활물질의 일부를 커버하며 코팅될 수 있다.
또한, 상기 카본 코팅재는, 흑연, 카본 블랙, 탄소섬유, 기상 성장 탄소섬유, 탄소 나노튜브 및 탄소 나노섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 양극 집전체의 적어도 하나의 면에 양극 활물질이 도포된 양극 활물질 도포부, 상기 양극 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 양극 활물질이 미도포된 양극 활물질 미도포부를 포함하고, 상기 양극 활물질 미도포부는, 카본 코팅재가 코팅된 코팅부 및 상기 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부를 포함하는, 양극; 음극 집전체의 적어도 하나의 면에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질 도포부, 상기 음극 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 음극 활물질이 미도포된 음극 활물질 미도포부를 포함하는 음극; 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다.
본 발명은 또한, 상기 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
양극에서 활물질 미도포부에 카본 코팅재가 코팅된 코팅부가 포함되므로, 양극과 음극이 직접 접촉하더라도 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 활물질 미도포부에 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부가 포함되므로, 리드를 연결할 때 카본 코팅재의 분진이 비산되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극의 양극 활물질 도포부와 양극 활물질 미도포부의 일부 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극의 음극 활물질 도포부와 음극 활물질 미도포부의 일부 확대도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극의 양극 활물질 도포부와 양극 활물질 미도포부의 일부 확대도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극의 양극 활물질 도포부와 양극 활물질 미도포부의 일부 확대도이다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(10)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(10)를 제조하는 과정은, 상기 기술한 바와 같이, 먼저 양극 활물질(1012)과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체(1011)에 도포하고, 음극 활물질(1022)과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 음극 집전체(1021)에 도포하여, 양극(Cathode, 101)과 음극(Anode, 102)을 제조한다. 그리고 상기 제조된 양극(101) 및 음극(102)의 사이에 분리막(Separator, 103)이 개재되어 적층되면 단위 셀(Unit Cell)들이 형성되고, 단위 셀들이 서로 적층됨으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 소정 형상의 전극 조립체(10)가 형성된다.
본 발명에서 사용되는 양극(101) 및 음극(102)의 양 전극(101, 102)으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극 활물질(1012, 1022)을 전극 집전체(1011, 1021)에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 여기서 양극(101)은 예를 들어, 양극 집전체(1011) 상에 양극 활물질(1012), 도전제 및 바인더의 슬러리를 도포한 후 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 이 때 필요에 따라, 슬러리는 충진제를 더 포함할 수도 있다. 양극(101)은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 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(102)은 예를 들어, 음극 집전체(1021) 상에 음극 활물질(1022)을 도포한 다음에 이를 건조하고 프레싱하여 제조될 수 있다. 필요에 따라 음극 활물질(1022)에 선택적으로 도전제, 바인더, 충진제 등을 포함시킬 수 있다. 음극(102)은 시트 형상으로 제조되어 롤에 장착될 수도 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(101, 102)들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유, 무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같은 구조로 이루어진 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 수납한 다음, 전해액을 주입하여 이차 전지(1)를 제조한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 제조하는 과정은, 상기 기술한 바와 같이, 전극 조립체(10)를 형성한 다음에, 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 삽입하고 전해액 주입 후 실링한다.
전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 도 1에 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(1011, 1021)는 전극 활물질(1012, 1022)이 도포된 활물질 도포부(1013, 1023)와 전극 활물질(1012, 1022)이 도포되지 않은 활물질 미도포부(1014, 1024), 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 활물질 미도포부(1014, 1024)를 재단하여 형성되거나 활물질 미도포부(1014, 1024)에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 2에 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 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 열융착되는 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) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 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, 니켈(Ni) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리(Cu) 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예들에 따른 파우치 형 이차 전지(1)에서 전지 케이스(13)는 연성의 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다. 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)를 포함한다. 하부 케이스(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되고, 상부 케이스(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이 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 2에 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)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 케이스(131)가 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)의 테두리에 형성된 실링부(134)가 실링되면, 이차 전지(1)가 제조된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극(101)의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극(101)의 양극 활물질 도포부(1013)와 양극 활물질 미도포부(1014)의 일부 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극(101, 102)에서 활물질 미도포부(1014, 1024)에 카본 코팅재(1015)가 코팅된 코팅부(1016)가 포함되므로, 양극(101)과 음극(102)이 직접 접촉하더라도 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 활물질 미도포부(1014, 1024)에 카본 코팅재(1015)가 미코팅된 리드 연결부(1017)가 포함되므로, 리드를 연결할 때 카본 코팅재(1015)의 분진이 비산되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(101, 102)은, 전극 집전체(1011, 1021)의 적어도 하나의 면에 전극 활물질(1012, 1022)이 도포된 활물질 도포부(1013, 1023); 상기 활물질 도포부(1013, 1023)의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질(1012, 1022)이 미도포된 활물질 미도포부(1014, 1024)를 포함하고, 상기 활물질 미도포부(1014, 1024)는, 카본 코팅재(1015)가 코팅된 코팅부(1016); 및 상기 카본 코팅재(1015)가 미코팅된 리드 연결부(1017)를 포함한다. 그리고 상기 전극 집전체(1011, 1021)는, 양극 집전체(1011)이고, 상기 전극 활물질(1012, 1022)은, 양극 활물질(1012)일 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(10)는 양극 집전체(1011)의 적어도 하나의 면에 양극 활물질(1012)이 도포된 양극 활물질 도포부(1013), 상기 양극 활물질 도포부(1013)의 일측에 형성되며, 상기 양극 활물질(1012)이 미도포된 양극 활물질 미도포부(1014)를 포함하고, 상기 양극 활물질 미도포부(1014)는, 카본 코팅재(1015)가 코팅된 코팅부(1016) 및 상기 카본 코팅재(1015)가 미코팅된 리드 연결부(1017)를 포함하는, 양극(101); 음극 집전체(1021)의 적어도 하나의 면에 음극 활물질(1022)이 도포된 음극 활물질 도포부(1023), 상기 음극 활물질 도포부(1023)의 일측에 형성되며, 상기 음극 활물질(1022)이 미도포된 음극 활물질 미도포부(1024)를 포함하는 음극(102); 및 상기 양극(101) 및 상기 음극(102) 사이에 개재되는 분리막을 포함한다.
전극 조립체(10)에 포함되는 복수의 전극(101, 102) 중 양극(101)에서, 양극 활물질 도포부(1013)는 양극 집전체(1011)의 적어도 하나의 면에 양극 활물질(1012)이 도포된 부분이다. 양극 활물질 도포부(1013)는 도 3에 도시된 바와 같이, 양극 집전체(1011)에서 양극 활물질(1012)이 도포된 부분이며, 이 때 상기 기술한 바와 같이, 양극 활물질(1012)에 도전제 및 바인더가 혼합될 수 있다.
양극 활물질 미도포부(1014)는 양극(101)에서 양극 활물질 도포부(1013)의 일측에 형성되며 양극 활물질(1012)이 미도포된 부분이다. 상기 기술한 바와 같이, 이러한 양극 활물질 미도포부(1014)를 재단하거나 별도의 도전부재를 연결하여 양극 탭(111)을 형성할 수도 있다. 이러한 양극 활물질 미도포부(1014)는 양극 활물질 도포부(1013)의 일측에 형성되므로, 도 4에 도시된 바와 같이 양극 집전체(1011)의 같은 면에 형성된다.
이차 전지(1)가 실제 사용되는 도중에, 외부와의 충돌에 의해 사고가 발생할 수 있다. 예를 들어, 첨예한 물체가 이차 전지(1)를 관통하여, 상기 양극(101)과 음극(102)이 직접 접촉함으로써 단락(Short)이 발생할 수 있다. 이러한 단락은 짧은 시간에 빠른 속도로 다량의 가스 생성, 고온 상승 등을 야기시킬 수 있으며, 나아가 큰 폭발이 발생하여 대형 사고로 이어질 수도 있다. 일반적으로 양극(101)과 음극(102)의 접촉에는, 양극 집전체(1011)와 음극 집전체(1021)가 접촉하는 경우, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)이 접촉하는 경우, 양극 활물질(1012)과 음극 집전체(1021)가 접촉하는 경우, 양극 활물질(1012)과 음극 활물질(1022)이 접촉하는 경우 등 크게 4 가지 경우가 있다.
그 중에서 일반적으로, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)이 접촉할 때 열 발생량이 가장 많고 가장 높은 온도에 빠르게 도달하여, 폭발의 위험성이 가장 크다. 즉, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)의 접촉이 가장 위험한 접촉으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 양극 활물질 미도포부(1014)는, 카본 코팅재(1015)가 코팅된 코팅부(1016) 및 상기 카본 코팅재(1015)가 미코팅된 리드 연결부(1017)를 포함한다.
코팅부(1016)는 양극 활물질 미도포부(1014)에서 카본 코팅재(1015)가 코팅된 부분이다. 상기 카본 코팅재(1015)는 저항을 증가시켜 양극(101)과 음극(102)이 접촉하더라도 흐르는 전류량을 감소시킴으로써, 폭발을 방지하고 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 수 있다. 그러나, 이러한 카본 코팅재(1015)는 절연성까지 가지는 것은 아니므로, 양극(101)과 음극(102) 사이에서, 카본 코팅재(1015)가 코팅된 코팅부(1016)를 통해서도 전기가 생성될 수 있고, 그럼으로써 에너지 밀도를 크게 감소시키지 않을 수 있다.
따라서 코팅부(1016)가 도전성을 가지기 위해, 이러한 카본 코팅재(1015)에는 인조 흑연, 천연 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 퍼니스 블랙, 채널 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 도전성 카본블랙; 탄소섬유, 기상 성장 탄소섬유, 탄소 나노튜브 및 탄소 나노섬유 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
한편 상기 기술한 바와 같이, 이미 양극 활물질(1012)의 도전제에 흑연, 카본블랙 등의 물질들이 포함될 수 있다. 그러나, 이는 양극 활물질(1012)에 도전제가 혼합된다는 의미이므로, 상기 흑연, 카본블랙 등의 물질 외에도 다양한 물질들이 혼합될 수 있다. 반면에, 카본 코팅재(1015)에는 대부분의 물질이 상기 흑연, 카본블랙 등의 물질인 것이 바람직하다. 그럼으로써, 안전성 및 도전성을 함께 확보할 수 있다.
카본 코팅재(1015)는 코팅부(1016)에 코팅될 뿐만 아니라, 활물질 도포부(1013, 1023)의 적어도 일부에도 코팅된다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따르면 카본 코팅재(1015)는 활물질 도포부(1013, 1023)의 일면 전체에 코팅될 수 있다. 그리고 전극 활물질(1012, 1022)이 활물질 도포부(1013, 1023)에 코팅된 카본 코팅재(1015)를 커버하며 도포될 수 있다.
양극(101)에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 카본 코팅재(1015)는 양극 활물질 도포부(1013)의 적어도 일부에 코팅되며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 카본 코팅재(1015)는 양극 활물질 도포부(1013)의 일면 전체에 코팅될 수 있다. 그리고, 양극 활물질 도포부(1013)는 분리막을 통해 음극(102)과 이온 교환이 발생해야 하므로, 양극 집전체(1011)에 먼저 카본 코팅재(1015)가 코팅된다. 그리고, 양극 활물질(1012)이 양극 활물질 도포부(1013)에 코팅된 카본 코팅재(1015)를 커버하며 도포되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 양극 활물질 도포부(1013)는, 양극 집전체(1011), 카본 코팅재(1015) 및 양극 활물질(1012)이 순서대로 적층된 형상을 가질 수 있다. 따라서, 양극 활물질 미도포부(1014)가 아닌, 양극 활물질 도포부(1013)에서 첨예한 물질에 의해 양극(101)이 관통되어 양극(101) 및 음극(102)이 서로 접촉하더라도, 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 수 있다.
리드 연결부(1017)는 양극 활물질 미도포부(1014)에서 카본 코팅재(1015)가 미코팅된 부분이다. 상기 기술한 바와 같이, 양극 활물질 미도포부(1014)를 재단하거나 별도의 도전부재를 연결하여 양극 탭(111)을 형성할 수도 있다. 이러한 양극 탭(111)에 양극 리드(121)를 연결하기 위해서는 스팟 용접, 레이저 용접 등의 여러 방법을 사용할 수 있다.
그런데 만약, 리드 연결부(1017)가 존재하지 않고, 양극 활물질 미도포부(1014) 전체가 카본 코팅재(1015)로 코팅되어 코팅부(1016)가 된다면, 양극 탭(111)과 상기 양극 리드(121)를 연결하는 과정에서 카본 코팅재(1015)의 일부가 분진이 되어 비산될 수 있다. 그럼으로써, 이차 전지(1)의 제조 장비들에 상기 분진이 침입하여, 수명을 단축시키는 등 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극 활물질 미도포부(1014)는 카본 코팅재(1015)가 미코팅된 리드 연결부(1017)를 포함함으로써, 양극 리드(121)를 연결할 때 카본 코팅재(1015)의 분진이 비산되는 것을 방지할 수 있다. 만약 리드 연결부(1017)의 길이가 3 mm보다 작다면, 양극 리드(121)를 연결하는 과정에서 여전히 카본 코팅재(1015)의 분진이 비산될 수 있고, 양극 리드(121)의 연결 작업이 용이하지 않다. 그러나 리드 연결부(1017)의 길이가 3 mm 이상이라면, 카본 코팅재(1015)의 분진이 비산되지 않고 양극 리드(121)를 연결할 수 있다. 따라서 이러한 리드 연결부(1017)는, 적어도 3 mm 이상의 길이를 가질 수 있고, 양극 리드(121)를 더욱 용이하게 연결하기 위해, 더욱 바람직하게는 5 mm 이상의 길이를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극(102)의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극(102)의 음극 활물질 도포부(1023)와 음극 활물질 미도포부(1024)의 일부 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 전극 조립체(10)에 포함되는 복수의 전극(101, 102) 중 음극(102)에서, 음극 활물질 도포부(1023)는 음극 집전체(1021)의 적어도 하나의 면에 음극 활물질(1022)이 도포된 부분이다. 음극 활물질 도포부(1023)는 도 5에 도시된 바와 같이, 음극 집전체(1021)에서 음극 활물질(1022)이 도포된 부분이며, 이 때 상기 기술한 바와 같이, 음극 활물질(1022)에 선택적으로 도전제, 바인더, 충진제 등을 포함시킬 수 있다.
음극 활물질 미도포부(1024)는 음극(102)에서 음극 활물질 도포부(1023)의 일측에 형성되며 음극 활물질(1022)이 미도포된 부분이다. 상기 기술한 바와 같이, 이러한 음극 활물질 미도포부(1024)를 재단하거나 별도의 도전부재를 연결하여 음극 탭(112)을 형성할 수도 있다. 이러한 음극 활물질 미도포부(1024)는 음극 활물질 도포부(1023)의 일측에 형성되므로, 도 6에 도시된 바와 같이 음극 집전체(1021)의 같은 면에 형성된다.
상기 기술한 바와 같이, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)이 접촉할 때 폭발의 위험성이 가장 크므로, 음극 집전체(1021)가 양극 집전체(1011) 또는 양극 활물질(1012)에 접촉하는 경우에는 폭발의 위험성이 상대적으로 작다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 음극(102)에는 카본 코팅재가 코팅되지 않을 수 있다.
다만 이에 제한되지 않고, 음극(102)에도 카본 코팅재가 코팅될 수도 있다. 즉, 음극 집전체(1021)가 양극 집전체(1011) 또는 양극 활물질(1012)에 접촉하는 경우에는 폭발의 위험성이 상대적으로 작지만, 이는 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)이 접촉하는 경우와 비교하였을 때 상대적일 뿐이며, 안전성이 확보되는 것은 아니다. 따라서, 음극(102)에도 카본 코팅재가 코팅될 수도 있다. 이 때, 음극 활물질 미도포부(1024)도, 카본 코팅재가 코팅된 코팅부(미도시) 및 상기 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부(미도시)를 포함할 수도 있다. 그리고 음극 탭(112)과 음극 리드(122)를 연결하는 과정에서 카본 코팅재의 일부가 분진이 되어 비산되는 것을 방지하기 위해, 리드 연결부(미도시)는, 적어도 3 mm 이상의 길이를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는 5 mm 이상의 길이를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극(101a)의 양극 활물질 도포부(1013a)와 양극 활물질 미도포부(1014)의 일부 확대도이다.
상기 기술한 바와 같이, 카본 코팅재(1015)는 코팅부(1016)에 코팅될 뿐만 아니라, 양극 활물질 도포부(1013)의 적어도 일부에도 코팅된다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 4에 도시된 바와 같이, 카본 코팅재(1015)는 양극 활물질 도포부(1013)의 일면 전체에 코팅될 수 있다. 그럼으로써, 양극 활물질 미도포부(1014)가 아닌, 양극 활물질 도포부(1013)에서 첨예한 물질에 의해 양극(101)이 관통되어 양극(101) 및 음극(102)이 서로 접촉하더라도, 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 수 있다. 그러나, 이는 전극 조립체(10)의 전체 두께를 증가시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 카본 코팅재(1015a)는 전극 집전체(1011, 1021)에서 활물질 도포부(1013a, 1023)의 일면의 일부에만 코팅될 수 있다. 그리고 전극 활물질(1012a, 1022)이 활물질 도포부(1013a, 1023)에 코팅된 카본 코팅재(1015a)를 커버하며 도포될 수 있다.
양극(101a)에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 카본 코팅재(1015a)는 양극 활물질 도포부(1013a)의 일면의 일부에만 코팅될 수 있다. 그리고 양극 활물질(1012a)이 양극 활물질 도포부(1013a)에 코팅된 카본 코팅재(1015a)를 커버하며 도포될 수 있다. 그럼으로써, 전극 조립체(10)의 전체 두께를 증가시키지 않으면서, 분리막이 수축하면서 양극(101a)과 음극(102)이 서로 직접 접촉하더라도 폭발을 방지하고 초기 발열을 억제하여 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 양극 활물질(1012a)이 카본 코팅재(1015a)를 커버하므로, 카본 코팅재(1015a)가 용이하게 박리되는 것을 방지할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극(101b)의 양극 활물질 도포부(1013b)와 양극 활물질 미도포부(1014)의 일부 확대도이다.
본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따르면, 양극 집전체(1011)에서 코팅부(1016) 및 양극 활물질 도포부(1013)의 일면 전체 또는 일부에 먼저 카본 코팅재(1015)가 코팅된다. 그리고, 양극 활물질(1012)이 양극 활물질 도포부(1013)에 코팅된 카본 코팅재(1015)를 커버하며 도포된다. 그러나 이러한 경우, 이미 양극 집전체(1011)의 적어도 하나의 면에 양극 활물질(1012)을 먼저 도포한 기존의 양극(101)에는, 본 발명을 적용할 수가 없다. 즉, 본 발명을 적용하기 위해서는 기존의 양극(101)을 폐기하고 새로운 양극(101)을 제조하여야 한다. 그러면, 이차 전지(1)의 제조 시간 및 비용이 과도하게 낭비되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 전극 활물질(1012b, 1022)이 전극 집전체(1011, 1021)에 도포된 후에, 카본 코팅재(1015b)가 전극 활물질(1012b, 1022)의 일부를 커버하며 코팅된다.
양극(101b)에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 양극 활물질(1012b)이 양극 집전체(1011)에 도포된 후에, 카본 코팅재(1015b)가 양극 활물질(1012b)의 일부를 커하며 코팅된다. 그럼으로써, 기존에 제조된 양극(101b)을 폐기하고 새로운 양극을 제조할 필요 없이, 기존의 양극(101b)에 카본 코팅재(1015b)를 코팅함으로써, 본 발명의 적용할 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
101: 양극 102: 음극
111: 양극 탭 112: 음극 탭
121: 양극 리드 122: 음극 리드
131: 상부 파우치 132: 하부 파우치
133: 컵부 134: 실링부
1011: 양극 집전체 1012: 양극 활물질
1013: 양극 활물질 도포부 1014: 양극 활물질 미도포부
1015: 카본 코팅재 1016: 코팅부
1017: 리드 연결부 1021: 음극 집전체
1022: 음극 활물질 1023: 음극 활물질 도포부
1024: 음극 활물질 미도포부 1331: 수용 공간

Claims (10)

  1. 전극 집전체의 적어도 하나의 면에 전극 활물질이 도포된 활물질 도포부;
    상기 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 전극 활물질이 미도포된 활물질 미도포부를 포함하고,
    상기 활물질 미도포부는,
    카본 코팅재가 코팅된 코팅부; 및
    상기 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부를 포함하는, 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 집전체는,
    양극 집전체이고,
    상기 전극 활물질은,
    양극 활물질인, 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리드 연결부는,
    적어도 3 mm 이상의 길이를 가지는, 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카본 코팅재는,
    상기 활물질 도포부의 적어도 일부에도 코팅되는, 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 카본 코팅재는,
    상기 활물질 도포부의 일면 전체에 코팅되는, 전극.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전극 활물질은,
    상기 활물질 도포부에 코팅된 상기 카본 코팅재를 커버하며 도포되는, 전극.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 카본 코팅재는,
    상기 전극 활물질의 일부를 커버하며 코팅되는, 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카본 코팅재는,
    흑연, 카본 블랙, 탄소섬유, 기상 성장 탄소섬유, 탄소 나노튜브 및 탄소 나노섬유 중 적어도 하나를 포함하는, 전극.
  9. 양극 집전체의 적어도 하나의 면에 양극 활물질이 도포된 양극 활물질 도포부, 상기 양극 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 양극 활물질이 미도포된 양극 활물질 미도포부를 포함하고, 상기 양극 활물질 미도포부는, 카본 코팅재가 코팅된 코팅부 및 상기 카본 코팅재가 미코팅된 리드 연결부를 포함하는, 양극;
    음극 집전체의 적어도 하나의 면에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질 도포부, 상기 음극 활물질 도포부의 일측에 형성되며, 상기 음극 활물질이 미도포된 음극 활물질 미도포부를 포함하는 음극; 및
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극 조립체.
  10. 제9항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.
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