WO2020060022A1 - 전극조립체 - Google Patents

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negative electrode
monocells
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정희석
성기원
이은주
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly embedded in a secondary battery, and more specifically, to solve a problem occurring in an electrode assembly fixed with a tape after being manufactured by a conventional lamination & stacking method. It relates to an electrode assembly is fixed by an extension extending from the separation membrane or an extension extending from the current collector.
  • a secondary battery is rechargeable and has been researched and developed in recent years due to its small size and high capacity.
  • demand for a secondary battery as an energy source is rapidly increasing.
  • the secondary battery is constructed by embedding an electrode assembly in a battery case (pouch, can, etc.).
  • the electrode assembly mounted on the inside of the battery case has a stacked structure of anode / separator / cathode and can be repeatedly charged and discharged.
  • FIG. 1A is a side view showing a process of making an electrode assembly by a lamination & stacking process in a conventional electrode assembly
  • FIG. 1B is an anode 1
  • a separator 3 is a side view showing a fixed state by a tape 5 after a plurality of monocells 4 stacked and stacked
  • FIG. 1C shows an electrode assembly manufactured by stacking a plurality of monocells tape 5 ).
  • the lamination and stacking method is a positive electrode (1), the separator 3, the cathode (2), the separator 3 is continuously unwound in a rolled state and supplied, the separator In (3), the positive electrode 1 and the negative electrode 2 are cut and moved to a constant size and pass through the laminating device.
  • the positive electrode 1 and the negative electrode 2 have a positive electrode active material and a negative electrode active material on each of both sides of the positive electrode current collector (the part indicated by a diagonal line in the center) and the negative electrode current collector (the part marked with an x in the center), as shown in FIG. This is the applied state.
  • the monocells 4 are stacked as many as a predetermined number to be manufactured as an electrode assembly, and when the lamination is completed, each end of the tape 5 is bonded to each of the monocell of the uppermost layer and the monocell of the lowermost layer so that fixation is achieved.
  • the fixing method of the monocells 4 using the tape 5 is such that the ends of the tape 5 are additionally protruded from the uppermost layer and the lowermost layer to generate a thickness difference.
  • the tape 5 was attached, a problem in that a part of the rim of the cathode 2 (cut relatively larger than the anode for stability) could be folded.
  • the present invention has a main purpose of providing an electrode assembly in which stacked monocells are stably fixed and can solve the problem of folding and resistance increase of a cathode.
  • the present invention for achieving the above object, in the electrode assembly is a negative electrode active material is coated on the surface of the negative electrode current collector, the negative electrode, the separator, the positive electrode active material is coated on the surface of the positive electrode current collector, the electrode assembly is repeatedly laminated, the positive electrode , A separator, a cathode, and monocells stacked in the order of a separator, wherein at least two or more of the monocells are stacked, but one of the monocells has an extended portion extended to one side and formed on one of the separators. It is characterized in that the fixing of the stacked monocells is achieved by surrounding the stacked monocells so that the extension portion of the separator is placed on the outermost layer.
  • a monocell having an extended portion is a monocell stacked on a top layer or a bottom layer
  • the separator having the expanded portion is a separator placed between a cathode and an anode in a corresponding monocell (not a separator placed under a negative electrode).
  • the monocell has a rectangular shape, and the positive electrode tab extended from the positive electrode and the negative electrode tab extended from the negative electrode protrude toward opposite directions, and the extension part of the separator is perpendicular to the direction in which the positive electrode tab or the negative electrode tab protrudes.
  • the monocell is bonded between the anode and the separator and between the separator and the cathode.
  • a monocell having a separator formed with an extended portion is a monocell stacked on a top layer, an anode is stacked on a separator formed with an expanded portion, and the extended portion surrounds the entire electrode assembly so that an end portion of the separator is formed with the expanded portion.
  • an anode is additionally stacked thereon.
  • a monocell having a separator having an extended portion is a monocell stacked on a top layer, and an anode is stacked on a separator having an extended portion, and a separator is additionally stacked over a positive electrode stacked on the separator having the extended portion.
  • An anode is additionally stacked thereon. That is, in this structure, the point in which the cathode is placed on the top layer is the same as in the above embodiment, but differs in that the separator is additionally stacked together.
  • a monocell having a separator formed with an extended portion is a monocell stacked on a top layer, and an anode is stacked on a separator formed with an extended portion, and an anode stacked on the separator formed with the expanded portion is formed on only one surface of the positive electrode current collector. It is a positive electrode active material coated cross-section positive electrode, the positive electrode active material is uncoated surface is disposed to face upward.
  • the present invention further provides an embodiment that can be easily applied to a conventional electrode assembly.
  • the positive electrode, the separator, the negative electrode, and the monocells stacked in the order of the separator at least two or more of the monocells are stacked, and the separator and the negative electrode are additionally stacked in order on the monocells stacked on the top layer.
  • the separator additionally stacked with the negative electrode is formed with an extended portion extended to one side, and is fixed by surrounding the stacked monocells and the additionally laminated negative electrode.
  • the electrode assembly in which the extension is formed and fixed to the separation membrane is fixed after the extension is wrapped around the stacked monocells, and its ends are adhered and fixed at predetermined points by applying heat and pressure.
  • the extension portion may be formed to have a different thickness from other portions of the separator contacting the anode or cathode.
  • the extension part may be manufactured in a different composition from other parts of the separator in contact with the anode or the cathode.
  • an extension portion of the separator may be enclosed in a state in which a flat plate is inserted into one or both sides of the anode and the cathode so as to stand vertically in a direction in which the anode and the cathode are stacked.
  • the flat plate is made of a material that is not electrically conductive, and after the electrode assembly is inserted into the pouch, when sealing is performed, it is possible to prevent the separator from being rolled or pressed into a portion where the pouch is narrowed.
  • the expansion portion of the separation membrane surrounds the monocells twice, and the flat plate is disposed such that the expansion portion is inserted between the first surrounding layer and the second surrounding layer, and is made of a metal material having thermal conductivity.
  • the flat plate may function as a cooling plate that absorbs heat generated from the electrodes and lowers the temperature.
  • an extension portion (separately from a positive electrode tab and a negative electrode tab) is formed on a current collector of a negative electrode and / or a positive electrode constituting a unit cell on behalf of an expansion portion of a separator, and fixing is performed by bonding of the extension portions.
  • An electrode assembly is additionally provided.
  • the electrode assembly of this embodiment is a negative electrode, a negative electrode active material is coated on the surface of the negative electrode current collector, the separator, the positive electrode active material is coated on the surface of the positive electrode current collector, the electrode assembly is repeatedly laminated, the positive electrode, the separator, It includes; a cathode, a monocell in which a separator is stacked in order; at least two or more of the monocells are stacked, but two or more of the monocells each have an anode extension portion in which a positive electrode current collector is extended to one side.
  • the negative electrode current collector is extended to the other side and a negative electrode extension portion is formed, and the positive electrode extension portion and the negative electrode extension portion are bonded to each of the positive electrode extension portion and the negative electrode extension portion of other monocells, thereby fixing the stacked monocells.
  • each of the positive electrode extension portion and the negative electrode extension portion is formed separately from the positive electrode tab extended from the positive electrode and the negative electrode tab extended from the negative electrode.
  • the monocell has a quadrangular shape, and the positive electrode tab and the negative electrode tab protrude toward the opposite directions, and the portions joined between the positive electrode extension portions and the negative electrode extension portions are projected toward the opposite directions. It protrudes in the direction perpendicular to the negative electrode tab.
  • the monocells in which the positive electrode extension portion and the negative electrode extension portion are formed are all monocells stacked, and all the monocells are formed by bonding the positive electrode extension portions between the positive electrode extension portions and the negative electrode extension portions between the negative electrode extension portions.
  • an anode is positioned on an uppermost layer of a monocell stacked on the uppermost layer, and a separator and a negative electrode are additionally stacked sequentially on the positive electrode positioned on the uppermost layer.
  • the monocells formed with the anode extension portion and the cathode extension portion are monocells stacked on the top layer and monocells stacked on the bottom layer, and between the monocells stacked on the top layer and the monocells stacked on the bottom layer.
  • a sub-electrode assembly composed of stacked monocells is inserted, and one of the monocells constituting the sub-electrode assembly is formed on one of the separation membranes with an extended portion extended to one side, and an extension portion of the separation membrane is formed on the sub-electrode assembly. It is characterized by surrounding all the monocells of the sub-electrode assembly to be placed on the outermost layer.
  • the electrode assemblies in which the extension part is additionally formed on the current collector are formed to have a different thickness from the positive electrode active part coated with the positive electrode active material in the positive electrode current collector, and the negative electrode extended part from the negative electrode current collector with the negative electrode active material applied part.
  • the thickness can be formed differently.
  • the monocell has a rectangular shape
  • the positive electrode tab extended from the positive electrode current collector is integrally formed with the positive electrode extension
  • the negative electrode tab extended from the negative electrode current collector is integrally formed with the negative electrode extension.
  • the extension portion has a shape protruding from two sides of the monocell
  • the cathode extension portion has a shape protruding from two sides opposite to the two sides from which the anode extension portion protrudes.
  • a recessed pattern groove may be formed in a portion in which the positive electrode extension portions and the negative electrode extension portions are bonded along the direction in which the positive electrode and the negative electrode are stacked.
  • the pattern grooves formed in the portions where the positive and negative electric field portions are joined are disposed at positions symmetrical to the pattern grooves formed in the portions where the negative electrode electric field portions are joined.
  • the above monocells may be adhered between the anode and the separator and between the separator and the cathode.
  • the expansion portion is applied at a predetermined point by applying heat and pressure, so that a smooth surface can be formed.
  • the expanded portion of the separator may be formed differently from other portions having different thicknesses and / or compositions, thereby improving adhesion and impregnation properties of the electrolyte.
  • the monocell has high stability by being adhered between the anode and the separator and between the separator and the cathode.
  • a plate is selectively inserted into the area surrounding the expansion portion to prevent the separator from being damaged when the pouch is sealed, and when the plate is made of a metal material, a heat dissipation area can be increased to increase cooling efficiency.
  • the electrode assembly in which the anode current collector and the cathode current collector are extended and fixed in place of the separator may also eliminate the conventional tape, thereby eliminating an increase in internal resistance due to a difference in thickness and folding of the cathode and an electrode deterioration problem.
  • Figure 1a is a side view showing a process of manufacturing a monocell constituting the electrode assembly in a lamination & stacking (Lamination & Stacking) process of the conventional electrode assembly.
  • 1B is a side view showing a fixed state by a tape 5 after a plurality of monocells 4 stacked in the order of the anode 1, the separator 3, the cathode 2, and the separator 3, respectively.
  • FIG. 1C is a plan view showing a state in which the electrode assembly manufactured by stacking a plurality of monocells in FIG. 1B is fixed by a tape 5.
  • Figure 2 is a side view showing a state in which a positive electrode and a negative electrode are respectively stacked on the upper and lower sides of a separator having an extended portion to form a monocell.
  • Figure 3a is a plurality of monocells are stacked according to the first embodiment of the present invention, the monocell 100 shown in Figure 2 is stacked on the uppermost layer, the separation layer expansion of the uppermost monocell surrounding the whole of the monocells Side view shown.
  • FIG. 3B is a plan view of the state of FIG. 3A viewed from the top to the bottom.
  • Figure 3c is a plurality of monocells are stacked in accordance with the third embodiment of the present invention, the monocell 100 shown in Figure 2 is stacked on the top layer and the separator extension of the top layer monocell surrounds the whole of the monocells, then Side view showing an additional layered cathode.
  • Figure 3d is a plurality of monocells 101 without an extension according to the fourth embodiment of the present invention are stacked, a separator having an extension is stacked thereon, and a separator having an extension and a cathode are additionally stacked as an auxiliary unit.
  • a negative electrode is stacked on a separator having the extended portion, and then an expanded portion of the separator surrounds all of the monocells.
  • Figure 4a is a state in which the flat plate is inserted into both sides of the monocells in the space surrounding the expansion unit in the state of Figure 3a according to the embodiment 5 of the present invention, the corner portion in the pouch is shown a state in contact with the pouch Side view.
  • Figure 4b is a state in which the expansion in the state of Figure 3a according to a sixth embodiment of the present invention, the entire monocell is rotated and wrapped two times, showing the state in which the flat plate is inserted into both sides of the monocells between the overlapping portion Side view.
  • 5A is a side view of a positive electrode extension portion formed on one side of a positive electrode, a separator, and a negative electrode extension portion formed on the other side of a negative electrode and a separator to form a monocell.
  • Figure 5b is a side view showing a state in which the monocells of Figure 5a are stacked, according to Example 7 of the present invention, the positive electrode extensions are bonded and fixed to one side, and the negative electrode extensions are bonded to the other side.
  • FIG. 5C shows the monocells of FIG. 5A stacked, and according to Example 8 of the present invention, the anode extensions are bonded and fixed to one side, and the cathode extensions are bonded to the other side to be fixed, and then a separator and a separator on the top layer. Side view showing an additional layer of cathode.
  • FIG. 5d shows the monocells of FIG. 5a stacked on the top and bottom layers.
  • the monocells stacked on the top and bottom layers are fixed by bonding and extending the anode extensions on one side.
  • a side view showing a state in which a sub-electrode assembly having the same structure as the electrode assembly shown in FIG. 3A is inserted between the top and bottom monocells is fixed by being joined to and fixed between the cathode extension portions.
  • FIG. 6 is a plan view of the state of FIG. 5B viewed from the top to the bottom.
  • FIG. 7 is a plan view showing a state in which the shape of the anode extension portion and the cathode extension portion are modified.
  • FIG 8 is a plan view showing a pattern groove is formed in each of the positive electrode extension portion and the negative electrode extension portion.
  • the positive electrode (10) coated with the positive electrode active material (12) on the surface of the negative electrode (20), the negative electrode (20) coated with the negative electrode active material (22), the separator (30), and the positive electrode current collector (11) ) Is a repetitively laminated electrode assembly, so that the conventional fixing tape 5 can be eliminated, a mono having an extension formed in a current collector or by a separator having an extension provided by one of the stacked mono cells. It is characterized in that the stacked structure is fixed by combining the cells.
  • the present invention provides an electrode assembly that can be fixed by a separation membrane (30) having an extension (31).
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are stacked on the upper side and the lower side of the separator 30 on which the extension portion 31 is formed, and the separator 30 (of the same general size) is stacked at the bottom. It is a side view showing the configuration constituting the monocell 100.
  • the electrode assembly fixed by the separation membrane 30 includes at least one separation membrane 30 on which an extension portion 31 is formed.
  • Figure 3a is a plurality of monocells 100, 101 are stacked according to the first embodiment of the present invention, the monocell 100 shown in Figure 2 is stacked on the top layer, the separator expansion part of the top layer monocell 100 (31) is a side view showing a state surrounding the whole of the monocells 100, 101, and FIG. 3B is a plan view of the state of FIG. 3A viewed from the top to the bottom.
  • the electrode assembly according to the first embodiment of the present invention is manufactured by stacking a plurality of monocells 100 and 101, as shown in FIGS.
  • the remaining monocells except the top layer monocell 100 ( 101) are stacked in order from the top to the bottom of the anode 10, the separator 30, the cathode 20, and the separator 30, and the surfaces of each contact are formed by applying heat and / or pressure.
  • the monocell 100 stacked on the uppermost layer is the same that the anode 10, the separator 30, the cathode 20, and the separator 30 are bonded, as shown in FIG. 2, of the separator 30. It has a structure in which an extension 31 extending in length to one side is formed.
  • the expansion part 31 is formed to have a length sufficient to surround the monocells 101 and the uppermost monocell 100 when all of the predetermined number of monocells 100 and 101 are stacked.
  • the monocell 100 having the extension 31 is shown as being stacked on the top layer when stacked with an electrode assembly, but it is also possible to stack the bottom layer as well as the middle layer.
  • the extended portion 31 is placed on the outermost layer (the extended portion passes under the lowermost monocell and its end is The stacked monocells 100 and 101 are all enclosed so that they are placed on the topmost monocell. And, its ends are bonded by applying heat and pressure to the top surface (ie, the top surface of the anode in the drawing) of the uppermost layer monocell 100 as shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the end position of the extension portion 31 can be adjusted to minimize or eliminate the height difference on the top surface.
  • the end of the extension 31 may be configured to cover only about half of the anode placed on the top layer, and the extension 31 )
  • the end of the extension part 31 is configured to cover the entire positive electrode 10 placed on the top layer or the positive electrode active material 12 coating portion (at this time, If the monocell is placed on the lowermost layer, the end of the extension portion 31 will preferably be configured to cover the entirety of the negative electrode 20 placed on the uppermost layer or the active material 22 coating portion of the negative electrode 20).
  • the separation membrane 30 is required to have an appropriate level of thickness to separate the cathode 20 and the anode 10.
  • the positive electrode 10 in the separator 30 in which the extended portion 31 is formed may be formed to have different thicknesses from each other.
  • a portion in contact with the anode 10 or the cathode 20 and the extension portion 31 may have different compositions.
  • the extension 30 may have a thickness equal to a portion in contact with the positive electrode 10 or the negative electrode 20, but may be different in additives added during manufacturing so as to be more tough and heat-sealable.
  • the uppermost monocell 100 has a rectangular or square shape as shown in FIG. 3B when viewed from above, but the positive electrode tab 10a extended from the positive electrode 10 and the negative electrode tab 20a extended from the negative electrode 20 Is projected toward opposite directions, and the expansion part 31 of the separator 30 extends in a direction perpendicular to the direction in which the positive electrode tab 10a or the negative electrode tab 20a protrudes (see FIGS. 3A and 3B). ).
  • the electrode assembly is preferably to exclude the arrangement of the double-sided positive electrode in the outermost layer to minimize the precipitation of lithium (Li) contained in the positive electrode active material.
  • a cross-sectional positive electrode or a negative electrode is disposed on the outermost layer to prevent the positive electrode active material from being exposed on the outermost layer. Accordingly, in the present invention, the configuration in which the cross-section anode is disposed on the outermost layer is provided as the second embodiment, and the configuration in which the cathode 20 is disposed on the outermost layer is provided as the second embodiment.
  • the monocell 100 having the separator 20 having the extended portion 31 formed on the uppermost layer is stacked on the uppermost layer, and the separator formed with the extended portion 31, like the electrode assembly of Example 1
  • the positive electrode 10 is stacked on the top of 30, and the positive electrode 10 of the uppermost layer stacked on the separation membrane 30 on which the extension portion 31 is formed is a positive electrode active material 12 on only one surface of the positive electrode current collector 11 This is a coated cross-section anode.
  • the positive electrode 10 of the uppermost layer is disposed so that the surface without the positive electrode active material 12 faces upward.
  • the electrode assembly according to Example 2 has the same configuration as the electrode assembly shown in FIG. 3A, but has a structure in which the positive electrode active material 12 above the positive electrode current collector 11 is eliminated from the positive electrode stacked on the top end.
  • the cathode 20 is additionally laminated in the electrode assembly of Example 1 so that the cathode 20 is positioned on the uppermost layer.
  • Figure 3c is a plurality of monocells (100, 101) are stacked according to the second embodiment of the present invention, the monocell 100 shown in Figure 2 is stacked on the uppermost layer and the separation membrane of the uppermost layer monocell 100 is expanded After the part 31 surrounds the whole of the monocells 100 and 101, a side view is illustrated in which a cathode 20 is additionally stacked thereon.
  • the electrode assembly according to Example 3 has a cathode 20 thereon in a state in which the end portion of the extension portion 31 of the separator 30 in the structure of Example 1 is wrapped so as to cover all of the anode 10 at the top. It is further laminated.
  • the separator 30 is additionally deposited over the uppermost anode 10, and then the cathode 20 is stacked thereon. It can also be configured.
  • the present invention provides a structure that can be more easily applied to a conventional (lamination and stacking method) electrode assembly as Example 4.
  • Figure 3d is a plurality of monocells 101 without an extension according to Embodiment 4 of the present invention are stacked, and then extended thereon (in place of the monocells stacked at the top in Examples 1, 2, and 3) Only the separation membrane 30 having the portion 31 is stacked, and the cathode 20 is additionally stacked on the separation membrane 30 having the expansion portion 31, and then the expansion portion 31 of the separation membrane 30 is a monocell. It is a side view showing the state surrounding the entire field (101).
  • a separator 30 having an extension 31 is additionally stacked on the top layer, and a cathode 20 is stacked thereon.
  • the expansion portion 31 is configured to fix by enclosing all of the monocells 101 and the additionally laminated top layer cathode 20.
  • the present invention is configured to make the structure of the electrode assembly more robust, and the electrode assembly is embedded in the pouch 50, so that the sealing (sealing) of the pouch 50 becomes narrow when the separation membrane 30 is pinched or
  • the structure in which the flat plate 40 is built in to prevent damage is further provided as the fifth and sixth embodiments.
  • the electrode assembly according to the fifth embodiment is characterized in that the flat plate 40 is additionally mounted in the inner space surrounded by the expansion portion 31.
  • FIG. 4A shows a flat plate 40 inserted into both sides of the monocells in a space surrounded by the expansion part 31 in the state of FIG. 3A according to Embodiment 5 of the present invention. It is a side view showing a state in contact with the pouch 50.
  • the flat plate 40 is fixed in the vertically erected direction from the negative electrode 20 and the positive electrode 10 so that it can support the force pressed in the vertical direction when the pouch 50 is collected, and the expansion unit ( When 31) is surrounded, it can provide a function as a support. Since the flat plate 40 has a flat plate shape, an effect that can improve the degree of alignment of the electrode assembly also occurs when it has such a shape.
  • the flat plate 40 is made of a material having no electrical conductivity to prevent short circuits. That is, it can be made of a kind of insulating plate. Occasionally, there is a case where the inner aluminum of the pouch is exposed in the sealing part, and when such an insulating plate is present, an issue in which the exposed aluminum and the electrode assembly contact each other can be prevented.
  • the electrode assembly provided in Example 6 in the present invention is the same as the configuration of Example 5 in that the flat plate 40 is provided, but the flat plate 40 is made of a metal material having thermal conductivity, and the cathode 20 and the anode It provides the same function as a cooling plate that absorbs heat generated in (10) and lowers the temperature.
  • the flat plate 40 is disposed separately from the positive electrode 10 and the negative electrode 20 so as to prevent a short circuit caused by the flat plate 40.
  • Figure 4b is a state in which the expansion unit 31 in the state of Figure 3a according to the sixth embodiment of the present invention, the entire monocell is rotated and wrapped around the two wheels, between the overlapping portion of the expansion unit 31, both sides of the monocells
  • the expansion portion 31 has a structure that wraps twice so that the flat plate 40 is disposed in a space separate from the positive electrode 10 and the negative electrode 20, and the flat plate 40 has an expansion portion 31 It is located in the space created by the rotation of.
  • the flat plate 40 can increase the cooling performance of the cathode 20 and the anode 30 without increasing the height of the electrode assembly.
  • the heat dissipation efficiency can be increased than the structure in which the flat plate 40 is stacked in the same direction as the electrode. That is, the structure in which the flat plate 40 is stacked in the same direction as the electrode can absorb heat only to the electrodes of the upper and lower layers, but the vertically erected structure is the ends of all the positive electrode collectors 11 and the negative electrode collectors 21. Since it can be disposed in contact, it is possible to improve the cooling performance.
  • FIG. 5A shows a monocell 200 in which an anode extension portion 11a is formed on one side, and an anode 10, a separation membrane 30, a cathode extension portion 21a is formed on the other side, and a cathode 20 and a separation membrane 30 are stacked. The figure that composes is shown.
  • the electrode assembly having such a structure is characterized in that at least two or more monocells 200 having an anode extension portion 11a and a cathode extension portion 21a are stacked, and the anode extension portions 11a are joined to each other.
  • the cathode current collectors 21a are bonded to each other and fixed.
  • the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a are formed separately from the positive electrode tab 10a and the negative electrode tab 20a as shown in FIG. 6 or integrally integrated as shown in FIG. 7. It can be formed, even if integrally formed, it is possible to provide a more stable fixing force by increasing the width of the positive electrode tab 10a and the negative electrode tab 20a (that is, increasing the area where the fastening is made).
  • FIG. 5B shows a stack of monocells of FIG. 5A, but is fixed by being bonded to each other by extending the positive electrode extension portions 11a on one side, and being fixed by bonding the negative electrode extension portions 21a to the other side according to Embodiment 7 of the present invention. It is a side view showing the appearance.
  • the electrode assembly according to this embodiment is configured by stacking a plurality of monocells 200 in which an anode 10, a separator 30, a cathode 20, and a separator 30 are sequentially stacked.
  • each of the monocells 200 of at least the uppermost layer and the lowest layer of the monocells has a positive electrode current collector 11 extended to one side and a positive electrode extension portion 11a and a negative electrode current collector 21 extended to the other side. It has a negative electrode extension portion (21a), and the positive electrode extension portion (11a) and the negative electrode extension portion (21a) are laminated by bonding to each of the positive electrode extension portion (11a) and the negative electrode extension portion (21a) of the other monocell 200
  • the fixed monocells are fixed.
  • each of the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a is extended from the positive electrode tab 10a and the negative electrode 20 extended from the positive electrode 10, as shown in FIG. 6. It is formed separately from the negative electrode tab 20a.
  • the monocell 200 has a rectangular shape, and the positive electrode tab 10a and the negative electrode tab 20a protrude toward opposite directions, and the positive electrode extension portions 11a are joined to each other.
  • the portions joined to each other and the cathode extension portions 21a protrude toward opposite directions, but protrude in a direction perpendicular to the anode tab 10a and the cathode tab 20a.
  • the monocells stacked on at least the uppermost layer and the lowermost layer are monocells 200 having an anode extension portion 11a and a cathode extension portion 21a. That is, the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a are formed on all the stacked monocells 200, and all the positive electrode extension portions 11a are all of the negative electrode extension portion 21a between the positive electrode extension portions 11a. ) May be configured such that the cathode extension portions 21a are joined to each other.
  • the bonding of the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a is made by welding, but laser welding may also be possible, but depending on the thickness of the positive electrode current collector 11a and the negative electrode current collector 21a (normally positive electrode It will be preferable to proceed with ultrasonic welding (used as a welding method for the tab and the cathode tab).
  • the electrode assembly excludes the arrangement of the double-sided positive electrode on the outermost layer in this embodiment, the separator 30 and the negative electrode 20 on the uppermost layer. This is placed further.
  • FIG. 5C shows the monocells of FIG. 5A stacked, and one side of the positive electrode extension portions 11a is bonded and fixed to each other, and the other side of the negative electrode extension portions 21a is fixed to each other and then fixed to the uppermost separation membrane 30.
  • the cathode 20 are additionally laminated side views.
  • the electrode assembly according to this embodiment has the same configuration as in Example 7, but has a configuration in which the separator 30 and the cathode 20 are added one at a time. That is, in this embodiment, the anode 10 is positioned on the top layer of the monocell 200 stacked on the top layer, and the separator 30 and the cathode 20 are additionally stacked in order on the anode 10 positioned on the top layer. .
  • an auxiliary unit may be used. It may be a method of making an auxiliary unit in which one cathode and one separator are combined and further stacking the auxiliary unit on the top layer of the stacked monocells 200.
  • FIG. 5D shows a state in which the monocells 200 of FIG. 5A are stacked on the top and bottom layers, and the monocells 200 stacked on the top and bottom layers are bonded and fixed between the anode extensions 11a on one side.
  • the cathode extension portions 21a are bonded and fixed to each other, and a side view showing a state in which a sub-electrode assembly having the same structure as the electrode assembly shown in FIG. 3A is inserted between the top and bottom monocells 200 to be.
  • the monocells in which the anode extension portion 11a and the cathode extension portion 21a are formed are the monocell 200 stacked on the top layer and the monocell 200 stacked on the bottom layer, and are stacked on the top layer. Between the monocell 200 and the monocell 200 stacked on the lowest layer, a sub-electrode assembly composed of a plurality of mono-cells is stacked, and the sub-electrode assembly has the same configuration as the electrode assembly of Example 1.
  • an extended portion 31 in which the separator 30 stacked on a monocell placed on the uppermost layer is extended to one side is formed, and the expanded portion 31 of the separator 30 is provided in the sub-electrode assembly.
  • each of the positive electrode extension portions 11a and the negative electrode extension portions 21a are assembled with the same ones, so that the bonding is performed.
  • the fixing force can be provided separately from the positive electrode tab 10a and the negative electrode tab 20a, which are collected and joined together.
  • the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 21 are designed according to the thickness and characteristics of the active materials 12 and 22 to be applied, and are manufactured according to the required conditions of the electrode assembly. It was not easy to change. However, the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a to which each of the positive electrode active material 12 and the negative electrode active material 22 are not applied are relatively less in the constraints of thickness.
  • each of the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a is formed to have a different thickness from the portion where the active materials 12 and 22 are applied.
  • the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a may be made thinner than the portion where the active material is applied so that the thickness of the portion to be joined may be thinned or bent in a vertical direction after bonding. Conversely, it may be manufactured to be thicker than the area where the active material is applied to more strongly support the movement of the stacked monocells.
  • FIG. 6 is a plan view of the state of FIG. 5 viewed from the top to the bottom
  • FIG. 7 is a plan view showing the shape of the positive electrode extension part and the negative electrode extension part
  • FIG. 8 is a pattern groove in each of the positive electrode extension part and the negative electrode extension part. This is a plan view showing the formed state.
  • the monocells 200 according to Examples 7 to 9 also have a rectangular or square shape like the monocell 100 of Example 1.
  • the positive electrode tab 10a extended from the positive electrode 10 and the negative electrode tab 20a extended from the negative electrode protrude toward opposite directions, and the positive electrode extension portions 11a are joined to each other. Portions of the portion and the cathode extension portions 21a joined to each other protrude toward opposite directions, but protrude in the direction perpendicular to the anode tab 10a and the cathode tab 20a. Like the positive electrode tab 10a and the negative electrode tab 20a, the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a are also portions extending from the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 21, so that the positive electrode extension is performed.
  • the negative electrode 11a and the negative electrode extension part 21a may also function as a terminal through which current flows to the electrode assembly. That is, instead of the positive electrode tab 10a and the negative electrode tab 20a, a point that is electrically connected to an external device may be the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a.
  • the positive electrode tab 10a, the negative electrode tab 20a, and the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a may provide the same function, they may be integrated into one without separate classification. That is, as shown in FIG. 7, the positive electrode tab 10a extended from the positive electrode current collector 11 and the positive electrode extension part 11a are integrally formed, and the negative electrode tab 20a extended from the negative electrode current collector 21 is It may be integrally formed with the negative electrode extension portion 21a (in contrast, any one of the positive electrode tab and the positive electrode extension portion and one of the negative electrode tab and the negative electrode extension portion may be omitted).
  • the anode extension portion 11a has a shape protruding from two sides of the monocell and has a cathode extension portion.
  • (21a) has a shape protruding from the two opposite sides of the two sides protruding the anode extension portion (11a).
  • a pattern groove formed along a direction (ie, a thickness direction) in which the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are stacked on the portion where the positive electrode extension portion 11a is joined and the negative electrode extension portion 21a are bonded to each other. (11b, 21b) may be formed. That is, as illustrated in FIG. 8, a plurality of pattern grooves 11b and 21b may be formed in a portion in which the anode extension portions 11a are bonded to each other and a portion in which the cathode extension portions 21a are bonded to each other.
  • the pattern grooves 11b and 21b may be used as a space into which devices providing additional functions such as coolant are inserted before the electrode assembly is embedded in the pouch.
  • the pattern grooves 11b formed in the portions where the positive electrode extension portions 11a are bonded to each other are disposed at positions symmetrical to the pattern grooves 21b formed in the portions where the negative electrode extension portions 21a are bonded to each other. You can.
  • the present invention having the technical features as described above is a configuration in which the stacked monocells are fixed by enclosing the stacked monocells in which the expansion portion 31 of the separator 30 is stacked, and each of the anode extensions 11a and Since the cathode extension portions 21a are coupled to each other to provide a configuration in which the monocells are fixed, the conventional tape can be eliminated to solve the problem of an increase in internal resistance due to a difference in thickness and folding of the cathode and an electrode deterioration problem.
  • the expansion portion 31 is applied at a predetermined point by applying heat and pressure to form a smooth surface.
  • the separation portion 31 of the separator may be formed differently from other portions having different thicknesses and / or compositions to improve adhesion and impregnation properties of the electrolyte, and each of the positive electrode extension portion 11a and the negative electrode extension portion 21a is Different parts (parts coated with active materials) and different thicknesses can be configured to vary the welding performance and the size of the welded parts, if necessary.
  • the monocell has high stability by being adhered between the anode and the separator and between the separator and the cathode.
  • a flat plate 40 may be selectively inserted into the region surrounded by the expansion portion 31 to increase cooling efficiency and support.
  • the coolant can be selectively inserted into the portion where the pattern grooves 11b and 21b are formed, cooling efficiency can be increased.
  • the present invention can additionally provide a secondary battery in which the electrode assembly according to the present invention is embedded in a pouch and a secondary battery module mounted to electrically connect a plurality of the secondary batteries. have.

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Abstract

본 발명은, 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서, 양극, 분리막, 음극, 분리막이 적층된 모노셀들;을 포함하며, 상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되되 상기 모노셀들 중 어느 하나는 일측으로 길게 확장된 확장부가 분리막에 형성되고, 상기 분리막의 확장부가 최외각층에 놓이도록 적층된 모노셀들을 둘러쌈으로써 상기 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지는 전극조립체를 제공한다. 아울러, 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서, 양극, 분리막, 음극, 분리막이 적층된 모노셀들;을 포함하며,상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되되 상기 모노셀들 중 두 개 이상은 각각이 양극집전체가 일측으로 길게 확장된 양극연장부 및 음극집전체가 타측으로 길게 확장된 음극연장부가 형성되고, 상기 양극연장부와 음극연장부는 다른 모노셀의 양극연장부 및 음극연장부 각각과 접합됨으로써 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지는 전극조립체를 추가적으로 제공한다.

Description

전극조립체
본 출원은 2018년 9월 19일자 한국특허출원 제10-2018-0112395호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원들의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차전지에 내장되는 전극조립체에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 종래의 라미네이션 앤 스택킹(Lamination & Stacking) 방식으로 제조된 후 테이프로 고정된 전극조립체에서 발생하던 문제점을 해소할 수 있도록 분리막에서 연장된 확장부 또는 집전체에서 연장된 연장부에 의해 고정이 이뤄지는 전극조립체에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격하게 증가하고 있다.
이차 전지는 전지 케이스(파우치, 캔 등)에 전극조립체가 내장되어 구성된다. 전지 케이스의 내부에 장착되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어져 반복적인 충방전이 가능하다.
도 1a은 종래의 전극 조립체 중에서 라미네이션 앤 스택킹(Lamination & Stacking) 공정으로 전극조립체를 만드는 과정을 도시하는 측면도이고, 도 1b 는 양극(1), 분리막(3), 음극(2), 분리막(3)이 적층되어 구성된 모노셀들(4)이 복수 개 적층된 후 테이프(5)에 의해 고정된 모습을 나타나는 측면도이며, 도 1c 는 복수 개의 모노셀들이 적층되어 제조된 전극조립체가 테이프(5)에 의해 고정된 모습이 나타난 평면도이다.
도 1a 내지 1c 를 참조하면, 라미네이션 앤 스택킹 방식은 양극(1), 분리막(3), 음극(2), 분리막(3)이 롤 형태로 권취된 상태에서 연속적으로 권출되어 공급되되, 상기 분리막(3)에서 일정한 크기로 양극(1)과 음극(2)이 절단되어 이동되고, 라미네이팅 장치를 지나게 된다. 상기 양극(1)과 음극(2)은 도 1b 에 도시된 바와 같이 양극집전체(중앙에 사선이 표시된 부분) 및 음극집전체(중앙에 x 자가 표시된 부분)의 양면 각각에 양극활물질과 음극활물질이 도포된 상태이다.
상기 라미네이팅 장치를 지나는 동안, 양극(1), 분리막(3), 음극(2) 각각의 사이들은 열과 압력에 의해 접착이 이루어지게 되고, 접착된 상태에서 이웃하는 양극(1)과 양극(1) 사이(이웃하는 음극(2)과 음극(2) 사이)를 절단하여 위에서부터 양극(1), 분리막(3), 음극(2), 분리막(3) 순서로 적층된 하나의 모노셀(4)이 연속적으로 제조된다.
상기 모노셀들(4)은 미리정해진 갯수만큼 적층되어 전극조립체로 제조되되, 적층이 완료되면 고정이 이루어지게 테이프(5)의 각 끝단이 최상층의 모노셀과 최하층의 모노셀 각각에 접착된다.
하지만, 이와 같이 테이프(5)를 이용한 모노셀들(4)의 고정 방식은 테이프(5)의 끝단이 최상층과 최하층에서 추가적으로 돌출되어 두께 차이를 발생시킨다. 또한, 상기 테이프(5)가 부착될 때 (안정성을 위해 상대적으로 양극 보다 더 크게 절단된) 음극(2)의 테두리 일부가 접히는 문제가 발생할 수 있었다.
이와 같은 두께 차이와 음극의 접힘은 내부 저항을 증가시키며 전극들의 퇴화를 가속시킬 가능성이 있었다.
따라서, 본 발명은 적층된 모노셀들이 안정적으로 고정되며 음극의 접힘 및 저항 증가 문제를 해소할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것에 주목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서, 양극, 분리막, 음극, 분리막 순서로 적층된 모노셀들;을 포함하며, 상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되되 상기 모노셀들 중 어느 하나는 일측으로 길게 확장된 확장부가 분리막들 중 하나에 형성되고, 상기 분리막의 확장부가 최외각층에 놓이도록 적층된 모노셀들을 둘러쌈으로써 상기 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서 확장부가 형성된 모노셀은 최상층 또는 최하층에 적층된 모노셀이며, 상기 확장부가 형성된 분리막은 (음극 밑에 놓이는 분리막이 아니라) 해당 모노셀에서 음극과 양극 사이에 놓인 분리막이다.
상기 모노셀은 사각형 모양을 갖되, 양극에서 확장된 양극탭과 음극에서 확장된 음극탭은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 분리막의 확장부는 양극탭 또는 음극탭이 돌출되는 방향과 수직을 이루는 방향으로 확장된다.
상기 모노셀은 양극과 분리막 사이와 분리막과 음극 사이가 접착된다.
다른 실시예로써, 확장부가 형성된 분리막을 갖는 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀이고, 확장부가 형성된 분리막의 위에는 양극이 적층되며, 상기 확장부가 전극조립체 전체를 감싸서 그 끝단이 상기 확장부가 형성된 분리막의 위에 놓인 양극의 위를 덮으면, 그 위로 음극이 추가적으로 적층된다.
다른 실시예로써, 확장부가 형성된 분리막을 갖는 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀이고, 확장부가 형성된 분리막의 위에는 양극이 적층되되, 상기 확장부가 형성된 분리막의 위에 적층된 양극 위로 분리막이 추가로 적층되고 그 위로 음극이 추가적으로 적층된다. 즉, 이 구조에서는 위의 실시예와는 음극이 최상층에 놓이는 점은 동일하나 분리막이 함께 추가로 적층되는 점에서 차이가 있다.
다른 실시예로써, 확장부가 형성된 분리막을 갖는 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀이고, 확장부가 형성된 분리막의 위에는 양극이 적층되되, 상기 확장부가 형성된 분리막의 위에 적층된 양극은 양극집전체의 일면에만 양극활물질이 도포된 단면양극이며, 양극활물질이 미도포된 면이 윗쪽을 향하도록 배치된다.
아울러, 본 발명에서는 종래의 전극조립체에 용이하게 적용할 수 있는 실시예를 추가적으로 제공한다. 이 실시예에서는 양극, 분리막, 음극, 분리막 순서로 적층된 모노셀들을 포함하며, 상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되고 최상층에 적층된 모노셀 위로 분리막과 음극이 순서대로 추가 적층된다. 이때, 음극과 함께 추가적으로 적층된 분리막은 일측으로 길게 확장된 확장부가 형성되고, 상기 확장부가 적층된 모노셀들 및 추가적으로 적층된 음극을 둘러쌈으로써 고정이 이루어진다.
위와 같이 분리막에 확장부가 형성되어 고정되는 전극조립체는, 상기 확장부가 적층된 모노셀들을 둘러쌓은 후, 그 끝단이 열과 압력이 가해져 미리 정해진 지점에서 접착되어 고정된다. 그리고, 상기 확장부는 양극 또는 음극과 접촉하는 분리막의 다른 부분과 두께가 다르게 형성될 수 있다. 또는 상기 확장부는 양극 또는 음극과 접촉하는 분리막의 다른 부분과 조성이 다르게 제조될 수 있다.
아울러, 상기 양극과 음극이 적층되는 방향에서 수직으로 세워지도록 상기 양극과 음극의 일측 또는 양측 모두에 평판이 삽입된 상태로 상기 분리막의 확장부가 둘러쌀 수 있다.
이때, 상기 평판은 전기전도성이 없는 재질로 제조되며, 상기 전극조립체가 파우치에 삽입된 후, 씰링이 이뤄질 때, 상기 파우치가 좁아지는 부분으로 분리막이 말려들어가거나 눌려지는 것을 방지할 수 있다.
또는, 상기 분리막의 확장부는 모노셀들을 두 번 둘러싸며, 상기 평판은 상기 확장부가 첫번째 둘러싸는 층과 두번째 둘러싸는 층 사이에 삽입되도록 배치되되, 열전도성을 갖는 금속 재질로 제조된다. 이때, 상기 평판은 전극들에서 발생하는 열을 흡수해 온도를 낮춰주는 냉각판과 같은 기능을 할 수 있다.
아울러, 본 발명은 분리막의 확장부를 대신하여 단위셀을 구성하는 음극 및/또는 양극의 집전체에 연장부가 (양극탭과 음극탭과는 별개로) 형성되고 상기 연장부들의 접합에 의해 고정이 이루어지는 전극조립체를 추가적으로 제공한다.
즉, 이 실시예에의 전극조립체는 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서, 양극, 분리막, 음극, 분리막이 순서로 적층된 모노셀들;을 포함하며, 상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되되 상기 모노셀들 중 두 개 이상은 각각이 양극집전체가 일측으로 길게 확장된 양극연장부 및 음극집전체가 타측으로 길게 확장된 음극연장부가 형성되고, 상기 양극연장부와 음극연장부는 다른 모노셀의 양극연장부 및 음극연장부 각각과 접합됨으로써 적층된 모노셀들의 고정이 이루어진다.
이때, 상기 양극연장부와 음극연장부 각각은 양극에서 확장된 양극탭 및 음극에서 확장된 음극탭과 별도로 형성된다.
상기 모노셀은 사각형 모양을 갖되, 양극탭과 음극탭은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 양극연장부끼리 접합된 부분과 음극연장부끼리 접합된 부분은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되되 양극탭 및 음극탭과 수직을 이루는 방향으로 돌출된다.
다른 실시예로써, 상기 양극연장부와 음극연장부가 형성된 모노셀은 적층된 모든 모노셀들이고, 모든 모노셀들은 양극연장부는 양극연장부들끼리 음극연장부는 음극연장부들끼리 접합이 이루어진다.
다른 실시예로써, 최상층에 적층된 모노셀의 최상층에는 양극이 위치하고, 상기 최상층에 위치하는 양극 위로 분리막과 음극이 순서대로 추가 적층된다.
다른 실시예로써, 상기 양극연장부와 음극연장부가 형성된 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀과 최하층에 적층된 모노셀이며, 상기 최상층에 적층된 모노셀과 최하층에 적층된 모노셀 사이에는 복수 개의 모노셀들이 적층되어 구성된 서브전극조립체가 삽입되되, 상기 서브전극조립체를 구성하는 모노셀들 중 어느 하나는 일측으로 길게 확장된 확장부가 분리막들 중 하나에 형성되고, 상기 분리막의 확장부가 서브전극조립체에서 최외각층에 놓이도록 상기 서브전극조립체의 모든 모노셀들을 둘러쌓는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 집전체에 연장부가 추가적으로 형성되는 전극조립체들은, 상기 양극집전체에서 양극연장부는 양극활물질이 도포된 부분과 두께가 다르게 형성되고, 상기 음극집전체에서 음극연장부는 음극활물질이 도포된 부분과 두께가 다르게 형성될 수 있다.
다른 실시예로써, 상기 모노셀은 사각형 모양을 가지며 양극집전체에서 확장된 양극탭이 양극연장부와 일체로 형성되고 음극집전체에서 확장된 음극탭이 음극연장부와 일체로 형성되되, 상기 양극연장부는 모노셀의 두 변에서 돌출된 모양을 가지며 음극연장부는 양극연장부가 돌출된 두 변의 반대쪽 두 변에서 돌출된 모양을 갖는다.
이때, 상기 양극연장부끼리 접합된 부분과 음극연장부끼리 접합된 부분에는 양극과 음극이 적층되는 방향을 따라 패인 패턴홈이 형성될 수 있다.
이때, 상기 양극전장부끼리 접합된 부분에 형성된 패턴홈은 상기 음극전장부끼리 접합된 부분에 형성된 패턴홈과 대칭을 이루는 위치에 배치된다.
아울러, 위의 모노셀들은 양극과 분리막 사이와 분리막과 음극 사이가 접착될 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 분리막의 확장부가 적층된 모노셀들을 둘러쌈으로써 상기 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지므로 종래의 테이프가 삭제되어 두께 차이와 음극의 접힘으로 인한 내부 저항 증가 문제와 전극 퇴화 문제를 해소할 수 있다.
상기 확장부는 열과 압력이 가해져 미리 정해진 지점에서 접착되므로 매끄러운 표면을 형성할 수 있다.
상기 분리막의 확장부는 두께 및/또는 조성이 다른 부분과 다르게 형성되어 접착력 및 전해액의 함침성 등을 향상시킬 수 있다.
상기 모노셀은 양극과 분리막 사이와 분리막과 음극 사이가 접착되어 높은 안정성을 갖는다.
그리고, 확장부가 둘러싸는 영역 내에는 평판이 선택적으로 삽입되어 파우치의 밀봉시 분리막이 훼손되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 평판이 금속재로 제조되는 경우 열발산 면적을 높여서 냉각효율을 증대시킬 수 있다.
아울러, 분리막을 대신해 양극집전체 및 음극집전체가 확장되어 고정이 이루어지는 전극조립체 또한, 종래의 테이프가 삭제되므로 두께 차이와 음극의 접힘으로 인한 내부 저항 증가 문제와 전극 퇴화 문제를 해소할 수 있다.
도 1a 은 종래의 전극 조립체 중에서 라미네이션 앤 스택킹(Lamination & Stacking) 공정으로 전극조립체를 구성하는 모노셀을 제조하는 과정을 도시하는 측면도.
도 1b 는 양극(1), 분리막(3), 음극(2), 분리막(3) 순서로 적층된 모노셀들(4) 복수 개가 적층된 후 테이프(5)에 의해 고정된 모습을 나타나는 측면도.
도 1c 는 도 1b 에서 복수 개의 모노셀들이 적층되어 제조된 전극조립체가 테이프(5)에 의해 고정된 모습이 나타난 평면도.
도 2 는 확장부가 형성된 분리막의 상측과 하측에 양극과 음극이 각각 적층되어 모노셀을 구성하는 모습이 나타난 측면도.
도 3a 는 본 발명의 실시예1에 따라 다수 개의 모노셀들이 적층되되 최상층에 도 2 에 도시된 모노셀(100)이 적층되고, 최상층 모노셀의 분리막 확장부가 상기 모노셀들 전체를 둘러싼 모습이 도시된 측면도.
도 3b 는 도 3a 의 상태를 위에서 아랫쪽으로 바라본 평면도.
도 3c 는 본 발명의 실시예3에 따라 다수 개의 모노셀들이 적층되되 최상층에 도 2 에 도시된 모노셀(100)이 적층되고 최상층 모노셀의 분리막 확장부가 상기 모노셀들 전체를 둘러싼 후 그 위로 음극이 추가적으로 적층된 모습이 도시된 측면도.
도 3d 는 본 발명의 실시예4에 따라 확장부를 갖지않는 모노셀들(101)이 복수 개 적층된 후, 그 위로 확장부를 갖는 분리막이 적층되고, 확장부를 갖는 분리막과 음극이 보조단위체로 추가 적층된 구조로써 상기 확장부를 갖는 분리막 위에 음극이 적층된 다음에 상기 분리막의 확장부가 모노셀들 전체를 둘러싼 모습이 도시된 측면도.
도 4a 는 본 발명의 실시예5에 따라 도 3a 의 상태에서 확장부가 둘러싼 공간 내부에 모노셀들 양측으로 평판이 삽입된 모습으로써, 파우치 내에서 모서리부분이 상기 파우치와 접촉하게 되는 모습이 도시된 측면도.
도 4b 는 본 발명의 실시예6에 따라 도 3a 의 상태에서 확장부가 전체 모노셀들을 두 바퀴 회전하여 감싼 상태로써, 확장부가 겹쳐지는 부분 사이에서 상기 모노셀들 양측으로 평판이 삽입된 모습이 도시된 측면도.
도 5a 는 양극연장부가 일측에 형성된 양극, 분리막, 음극연장부가 타측에 형성된 음극, 분리막이 적층되어 모노셀을 구성하는 모습이 나타난 측면도.
도 5b 는 도 5a 의 모노셀들이 적층된 모습을 나타내되, 본 발명의 실시예7에 따라 일측에는 양극연장부들끼리 접합되어 고정되고 타측에는 음극연장부들끼리 접합되어 고정된 모습이 나타난 측면도.
도 5c 는 도 5a 의 모노셀들이 적층된 모습을 나타내되, 본 발명의 실시예8에 따라 일측에는 양극연장부들끼리 접합되어 고정되고 타측에는 음극연장부들끼리 접합되어 고정된 다음에 최상층에 분리막과 음극이 추가적으로 적층된 모습이 나타난 측면도.
도 5d 는 도 5a 의 모노셀들이 최상층과 최하층에 적층된 모습을 나타내되, 본 발명의 실시예9에 따라, 상기 최상층과 최하층에 적층된 모노셀들은 일측에서 양극연장부들끼리 접합되어 고정되고 타측에서는 음극연장부들끼리 접합되어 고정되고, 상기 최상층과 최하층의 모노셀들 사이에 도 3a 에 도시된 전극조립체와 동일한 구조를 갖는 서브전극조립체가 삽입된 모습이 나타난 측면도.
도 6 은 도 5b 의 상태를 위에서 아랫쪽으로 바라본 평면도.
도 7 은 양극연장부와 음극연장부의 형태가 변형된 모습이 도시된 평면도.
도 8 은 양극연장부와 음극연장부 각각에 패턴홈이 형성된 모습이 도시된 평면도.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 음극집전체(21)의 표면에 음극활물질(22)이 도포된 음극(20), 분리막(30), 양극집전체(11)의 표면에 양극활물질(12)이 도포된 양극(10)이 반복적층된 전극조립체에 관한 것으로써, 종래의 고정용 테이프(5)가 삭제될 수 있도록, 적층된 모노셀들 중 하나가 구비한 확장부를 갖는 분리막에 의하여 또는 집전체에 연장부가 형성된 모노셀들끼리 결합하여 적층구조가 고정되는 것을 특징으로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.
[분리막에 의한 고정]
본 발명은 확장부(31)를 갖는 분리막(30)에 의해 고정이 이루어질 수 있는 전극조립체를 제공한다.
도 2 는 확장부(31)가 형성된 분리막(30)의 상측과 하측에 양극(10)과 음극(20)이 각각 적층되고 맨 아래에 (종래와 같은 일반적인 크기의) 분리막(30)이 적층된 모노셀(100)을 구성하는 모습이 나타난 측면도이다. 분리막(30)에 의해 고정이 이뤄지는 전극조립체는 확장부(31)가 형성된 분리막(30)을 하나 이상 구비한다.
(실시예1)
도 3a 는 본 발명의 실시예1에 따라 다수 개의 모노셀들(100, 101)이 적층되되 최상층에 도 2 에 도시된 모노셀(100)이 적층되고, 최상층 모노셀(100)의 분리막 확장부(31)가 상기 모노셀들(100, 101) 전체를 둘러싼 모습이 도시된 측면도이며, 도 3b 는 도 3a 의 상태를 위에서 아랫쪽으로 바라본 평면도이다. 본 발명의 실시예1에 따른 전극조립체는 도 3a 와 3b 에 도시된 바와 같이, 복수 개의 모노셀들(100, 101)이 적층되어 제조되되, 최상층 모노셀(100)을 제외한 나머지 모노셀들(101)은 위에서부터 아래로 양극(10), 분리막(30), 음극(20), 분리막(30) 순서로 적층되며, 각각이 접하는 면은 열 및/또는 압력이 가해져 접합이 이뤄진다. 다만, 최상층에 적층되는 모노셀(100)은 양극(10), 분리막(30), 음극(20), 분리막(30)이 접합되는 것을 동일하되, 도 2 에 도시된 바와 같이 분리막(30)의 일측으로 길이가 연장된 확장부(31)가 형성된 구조를 갖는다.
상기 확장부(31)는 미리 정해진 갯수의 모노셀들(100, 101)이 모두 적층됐을 때 상기 모노셀들(101) 및 최상단의 모노셀(100)을 둘러쌓기 충분한 길이를 갖도록 형성된다. 이 실시예에서, 확장부(31)를 갖는 모노셀(100)은 전극조립체로 적층될 때 최상층에 적층되는 것으로 도시되었으나 최하층은 물론 중간층에 적층되는 것도 가능하다.
해당 모노셀(확장부를 갖는 모노셀)이 최상층에 적층된 후, 도 3a 에 도시된 바와 같이 상기 확장부(31)는 최외각층에 놓이도록(상기 확장부가 최하층 모노셀의 아래를 지나 그 끝단이 최상층 모노셀 위에 놓이도록) 적층된 모노셀들(100, 101) 모두를 둘러쌓는다. 그리고, 그 끝단은 도 3a, 3b 에 도시된 바와 같이 최상층 모노셀(100)의 상면(즉, 도면에서 양극의 상면)에 열과 압력이 가해져 접착된다.
이때, 상기 확장부(31)의 두께에 따라서, 최상면에서 높이차를 최소화하거나 없앨 수 있도록 확장부(31)의 끝단 위치는 조절될 수 있다. 예를 들자면, 상기 확장부(31)의 두께가 매우 얇다면 도 3a 에 도시된 바와 같이 확장부(31)의 끝단은 최상층에 놓인 양극의 절반 정도만 덮도록 구성될 수도 있을 것이고, 확장부(31)의 두께에 따른 높이차가 유의미한 수준으로 발생한다면 상기 확장부(31)의 끝단은 최상층에 놓인 양극(10)의 전체 또는 양극활물질(12) 코팅부분을 덮도록 구성되는 것이 바람직할 것이다(이때, 모노셀이 최하층에 놓인다면 상기 확장부(31)의 끝단은 최상층에 놓인 음극(20)의 전체 또는 음극(20)의 활물질(22) 코팅부분을 덮도록 구성되는 것이 바람직할 것이다).
한편, 상기 분리막(30)은 음극(20)과 양극(10)을 분리시키기 위해 적정수준의 두께가 반드시 요구된다. 하지만, 양극(10)과 음극(20) 사이를 벗어난 확장부(31)는 분리막(30)의 요구되는 두께를 가질 필요성이 없으므로, 확장부(31)가 형성된 분리막(30)에서 양극(10) 또는 음극(20)과 접촉하는 부분과 확장부(31)는 서로 두께가 다르게 형성될 수도 있을 것이다.
또는, 확장부(31)가 형성된 분리막(30)에서 양극(10) 또는 음극(20)과 접촉하는 부분과 확장부(31)는 서로 조성이 다르게 제조될 수도 있을 것이다. 가령, 확장부(30)는 양극(10) 또는 음극(20)과 접촉하는 부분과 동일한 두께를 갖되 더 질기며 열접착이 잘 이루어질 수 있도록 제조시 첨가되는 첨가제 등이 달라질 수 있을 것이다.
상기 최상단 모노셀(100)은 위에서 봤을 때 도 3b 에 도시된 바와 같이 직사각 또는 정사각 모양을 갖되, 양극(10)에서 확장된 양극탭(10a)과 음극(20)에서 확장된 음극탭(20a)은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 분리막(30)의 확장부(31)는 양극탭(10a) 또는 음극탭(20a)이 돌출되는 방향과 수직을 이루는 방향으로 확장된다(도 3a, 3b 참조).
(실시예2)
한편, 전극조립체는 양극활물질에 함유된 리튬(Li)의 석출을 최소화하도록 최외각층에 양면양극의 배치를 배제하는 것이 바람직하다. 더 상세하게는 최외각층에 양극활물질이 노출되는 것을 방지하도록 최외각층에는 단면양극 또는 음극이 배치되는 것이 일반적이다. 이에 따라 본 발명에서는 최외각층에 단면양극이 배치되는 구성을 실시예2로 제공하며, 최외각층에 음극(20)이 배치되는 구성을 실시예2으로 제공한다.
즉, 실시예2에 따른 전극조립체는 실시예1의 전극조립체와 같이 확장부(31)가 형성된 분리막(20)을 갖는 모노셀(100)이 최상층에 적층되고, 확장부(31)가 형성된 분리막(30)의 위에는 양극(10)이 적층되되, 상기 확장부(31)가 형성된 분리막(30)의 위에 적층된 최상층의 양극(10)은 양극집전체(11)의 일면에만 양극활물질(12)이 도포된 단면양극이다. 이때, 상기 최상층의 양극(10)은 양극활물질(12)이 미도포된 면이 윗쪽을 향하도록 배치된다. 즉, 실시예2에 따른 전극조립체는 도 3a 에 도시된 전극조립체와 동일한 구성을 갖되, 최상단에 적층된 양극에서 양극집전체(11) 윗쪽의 양극활물질(12)이 삭제된 구조를 갖는다.
(실시예3)
본 발명의 실시예3에 따른 전극조립체는 최상층에 음극(20)이 위치하도록 실시예1의 전극조립체에서 음극(20)이 추가적층된다.
즉, 도 3c 는 본 발명의 실시예2에 따라 다수 개의 모노셀들(100, 101)이 적층되되 최상층에 도 2 에 도시된 모노셀(100)이 적층되고 최상층 모노셀(100)의 분리막 확장부(31)가 상기 모노셀들(100, 101) 전체를 둘러싼 후 그 위로 음극(20)이 추가적으로 적층된 모습이 도시된 측면도이다. 도시된 바와 같이, 실시예3에 따른 전극조립체는 실시예1의 구조에서 분리막(30)의 확장부(31) 끝단이 최상단의 양극(10)을 모두 덮도록 감싼 상태에서 그 위로 음극(20)이 추가로 적층되어 구성된다. 선택적으로, 이 실시예3에서 분리막의 확장부(31) 끝단이 최상단 양극(10)을 모두 덮지 않는다면 상기 최상단 양극(10) 위로 분리막(30)이 추가적층된 후 그 위에 음극(20)이 적층되게 구성될 수 도 있다.
(실시예4)
아울러, 본 발명은 종래의 (라미네이션 앤 스택킹 방식의) 전극조립체에 보다 용이하게 적용이 가능한 구조를 실시예4로써 제공한다. 도 3d 는 본 발명의 실시예4에 따라 확장부를 갖지않는 모노셀들(101)이 복수 개 적층된 후, (실시예1,2,3 에서 최상단에 적층되던 모노셀을 대신하여) 그 위로 확장부(31)를 갖는 분리막(30)만 적층되고 상기 확장부(31)를 갖는 분리막(30) 위에 음극(20)이 추가적으로 적층된 다음에 상기 분리막(30)의 확장부(31)가 모노셀들(101) 전체를 둘러싼 모습이 도시된 측면도이다.
즉, 이 실시예에서는 도 1b 에 도시된 전극조립체에서 테이프(5)가 삭제되는 대신에 확장부(31)를 갖는 분리막(30)이 최상층에 추가로 적층되고 그 위로 음극(20)이 적층된 다음에, 상기 확장부(31)가 모노셀들(101) 모두와 추가적층된 최상층 음극(20)을 둘러쌈으로써 고정시키도록 구성된다.
(실시예5)
아울러, 본 발명은 전극조립체의 구조를 보다 강건하게 구성하고 상기 전극조립체가 파우치(50)에 내장되어 상기 파우치(50)의 씰링(밀봉)이 이루어질 때 좁아지는 공간으로 분리막(30)이 끼이거나 훼손되는 것을 방지할 수 있도록 평판(40)이 내장되는 구조를 실시예5와 실시예6으로써 추가 제공한다.
즉, 실시예5에 따른 전극조립체는 확장부(31)가 둘러싸는 내측 공간에 평판(40)이 추가적으로 장착되는 것을 특징으로 한다. 도 4a 는 본 발명의 실시예5에 따라 도 3a 의 상태에서 확장부(31)가 둘러싼 공간 내부에 모노셀들 양측으로 평판(40)이 삽입된 모습으로써, 파우치(50) 내에서 모서리부분이 상기 파우치(50)와 접촉하게되는 모습이 도시된 측면도이다. 도면을 참조하면, 상기 평판(40)는 음극(20) 및 양극(10)에서 수직으로 세워진 방향으로 고정되므로 파우치(50)가 모아질 때 상하방향에서 눌리는 힘을 지지해 줄 수 있으며, 확장부(31)가 둘러쌀 때 지지체로써 기능을 제공할 수 있다. 상기 평판(40)은 평평한 플레이트 형상을 가지기 때문에 이러한 형태를 가질 경우 전극조립체의 정렬도를 더 좋게 할 수 있는 효과도 발생한다.
한편, 이 실시예에서 상기 평판(40)은 단락 발생을 방지하도록 전기전도성이 없는 재질로 제조된다. 즉, 일종의 절연판으로 이루어질 수 있다. 간혹 실링부에서 파우치의 내부 알루미늄이 노출되는 경우가 있는데, 이러한 절연판이 존재할 경우, 노출된 알루미늄과 전극조립체가 서로 닿는 이슈(issue)도 방지될 수 있다.
(실시예6)
본 발명에서 실시예6으로 제공되는 전극조립체는 평판(40)이 제공되는 점은 실시예5의 구성과 동일하나 상기 평판(40)은 열전도성을 갖는 금속 재질로 제조되어 음극(20)과 양극(10)에서 발생하는 열을 흡수해 온도를 낮춰주는 냉각판과 같은 기능을 제공한다. 그리고, 상기 평판(40)에 의한 단락을 방지할 수 있도록 상기 평판(40)은 양극(10) 및 음극(20)과 분리되어 배치된다.
도 4b 는 본 발명의 실시예6에 따라 도 3a 의 상태에서 확장부(31)가 전체 모노셀들을 두 바퀴 회전하여 감싼 상태로써, 확장부(31)가 겹쳐지는 부분 사이에서 상기 모노셀들 양측으로 평판(40)이 삽입된 모습이 도시된 측면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 평판(40)이 양극(10) 및 음극(20)과 분리된 공간에 배치되도록 확장부(31)는 두 번 감싸는 구조를 가지며 상기 평판(40)은 확장부(31)의 회전에 의해 생성되는 공간에 위치한다.
이 실시예의 구조에서 상기 평판(40)은 전극조립체의 높이 증가 없이 음극(20)과 양극(30)의 냉각성능을 높일 수 있다.
이와 같이 평판(40)이 수직으로 배치되면 금속재로 제조되는 양극집전체(11) 및 음극집전체(21)는 (비록 분리막에 의해 분리됐을 지라도 근접배치되어) 평판(40)으로 열이 전도될 수 있으므로 평판(40)이 전극과 동일한 방향으로 적층된 구조 보다 열배출 효율이 증대될 수 있다. 즉, 평판(40)이 전극과 동일한 방향으로 적층된 구조는 윗층과 아랫층의 전극 밖에 열을 흡수할 수 없으나, 수직으로 세워진 구조는 모든 양극집전체(11)와 음극집전체(21)의 끝단이 맞닿게 배치될 수 있으므로 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
[집전체에 의한 고정]
또한, 본 발명에서는 분리막(30)의 확장부(31)를 대신하여 양극집전체(11) 및 음극집전체(21)가 확장되어 상기 양극집전체들(11)의 확장된 부분들(11a)끼리 접합되고 상기 음극집전체들(21)의 확장된 부분들(21a)끼리 접합되어 고정이 이루어지는 구조를 제공한다. 도 5a 는 양극연장부(11a)가 일측에 형성된 양극(10), 분리막(30), 음극연장부(21a)가 타측에 형성된 음극(20), 분리막(30)이 적층되어 모노셀(200)을 구성하는 모습이 도시되었다. 즉, 이러한 구조를 갖는 전극조립체는 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)를 갖는 모노셀(200)이 적어도 두 개 이상 적층되는 것을 특징으로 하며 상기 양극연장부들(11a)끼리 접합되고 상기 음극집전체들(21a)끼리 접합되어 고정이 이루어진다.
이때, 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)는 도 6 에 도시된 것처럼 양극탭(10a) 및 음극탭(20a)과는 별개로 형성되거나 도 7 에 도시된 것처럼 일체로 통합되어 형성될 수 있되, 일체로 형성되는 경우라 하더라도 상기 양극탭(10a) 및 음극탭(20a)의 넓이를 증대시켜(즉, 체결이 이루어지는 면적을 증대시켜) 보다 안정적인 고정력을 제공할 수 있다.
(실시예7)
도 5b 는 도 5a 의 모노셀들이 적층된 모습을 나타내되, 본 발명의 실시예7에 따라 일측에는 양극연장부들(11a)끼리 접합되어 고정되고 타측에는 음극연장부(21a)들끼리 접합되어 고정된 모습이 나타난 측면도이다.
도시된 바와 같이, 이 실시예에의 전극조립체는 양극(10), 분리막(30), 음극(20), 분리막(30)이 순서로 적층된 모노셀들(200)이 복수 개 적층되어 구성된다. 그리고, 상기 모노셀들 중 적어도 최상층과 최하층의 모노셀들(200) 각각은 양극집전체(11)가 일측으로 길게 확장된 양극연장부(11a) 및 음극집전체(21)가 타측으로 길게 확장된 음극연장부(21a)를 가지며, 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)는 다른 모노셀(200)의 양극연장부(11a) 및 음극연장부(21a) 각각과 접합됨으로써 적층된 모노셀들의 고정이 이루어진다. 이때, 이실시예에서 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a) 각각은 도 6 에 도시된 바와 같이, 양극(10)에서 확장된 양극탭(10a) 및 음극(20)에서 확장된 음극탭(20a)과 별도로 형성된다.
즉, 이 실시예에서, 상기 모노셀(200)은 사각형 모양을 갖되, 양극탭(10a)과 음극탭(20a)은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 양극연장부(11a)끼리 접합된 부분과 음극연장부(21a)끼리 접합된 부분은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되되 양극탭(10a) 및 음극탭(20a)과 수직을 이루는 방향으로 돌출된다.
이 실시예에, 적어도 최상층과 최하층에 적층된 모노셀들은 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)가 형성된 모노셀(200)이다. 즉, 적층된 모든 모노셀들(200)에 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)가 형성되고, 모든 양극연장부(11a)는 양극연장부(11a)끼리 모든 음극연장부(21a)는 음극연장부(21a)끼리 접합되도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 양극연장부(11a) 및 음극연장부(21a)의 접합은 용접으로 이루어지되, 레이저 용접도 가능할 것이나 양극집전체(11a)와 음극집전체(21a)의 두께에 따라 (통상적으로 양극탭 및 음극탭의 용접방식으로 사용되는) 초음파용접으로 진행되는 것이 바람직할 것이다.
(실시예8)
한편, 전술한 바와 같이 전극조립체는 양극활물질에 함유된 리튬(Li)의 석출을 최소화할 목적으로 최외각층에 양면양극의 배치를 배제하도록 이 실시예에서는 최상층에 분리막(30)과 음극(20)이 추가 배치된다.
도 5c 는 도 5a 의 모노셀들이 적층된 모습을 나타내되, 일측에는 양극연장부(11a)들끼리 접합되어 고정되고 타측에는 음극연장부들(21a)끼리 접합되어 고정된 다음에 최상층에 분리막(30)과 음극(20)이 추가적으로 적층된 모습이 나타난 측면도이다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 전극조립체는 실시예7과 같은 구성을 갖되 맨 위에 분리막(30)과 음극(20)이 하나씩 추가되는 구성을 갖는다. 즉, 이 실시예에서 최상층에 적층된 모노셀(200)의 최상층에는 양극(10)이 위치하고, 상기 최상층에 위치하는 양극(10) 위로 분리막(30)과 음극(20)이 순서대로 추가 적층된다.
이를 위해 보조단위체가 사용될 수도 있다. 하나의 음극과 하나의 분리막이 결합된 보조단위체를 만들고 이 보조단위체를 적층된 모노셀(200)들의 최상층에 더 적층하는 방식일 수 있다.
(실시예9)
아울러, 본 발명에서는 집전체의 연장부를 통한 고정방식과 분리막의 확장부를 통한 고정방식이 결합된 구조를 실시예9로써 제공한다. 도 5d 는 도 5a 의 모노셀들(200)이 최상층과 최하층에 적층된 모습을 나타내되, 상기 최상층과 최하층에 적층된 모노셀들(200)은 일측에서 양극연장부들(11a)끼리 접합되어 고정되고 타측에서는 음극연장부들(21a)끼리 접합되어 고정되며, 상기 최상층과 최하층의 모노셀들(200) 사이에 도 3a 에 도시된 전극조립체와 동일한 구조를 갖는 서브전극조립체가 삽입된 모습이 나타난 측면도이다.
이 실시예에서, 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)가 형성된 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀(200)과 최하층에 적층된 모노셀(200)이며, 상기 최상층에 적층된 모노셀(200)과 최하층에 적층된 모노셀(200) 사이에는 복수 개의 모노셀들이 적층되어 구성된 서브전극조립체가 삽입되되, 상기 서브전극조립체는 실시예1의 전극조립체와 같은 구성을 갖는다.
즉, 상기 서브전극조립체는 최상층에 놓인 모노셀에 적층된 분리막(30)이 일측으로 길게 확장된 확장부(31)가 형성되며, 상기 분리막(30)의 확장부(31)가 서브전극조립체에서 최외각층에 놓이도록 상기 서브전극조립체의 모든 모노셀들을 둘러쌓는다. 이와 같이 구성할 경우 양극연장부(11a) 또는 음극연장부(21a)가 전극조립체 내부의 개별 전극(양극 또는 음극)과 접촉되는 것이 방지될 수 있다. 양극연장부(11a) 또는 음극연장부(21a)가 전극조립체 내부의 개별 전극과 접촉되면 쇼트(short) 사고가 발생할 수 있는데 이를 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 집전체에 형성된 연장부에 의해 고정이 이루어지는 실시예7 내지 실시예9에서 제공되는 전극조립체는 각각의 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)는 동일한 것들끼리 모아져 접합이 이루어지므로, 전술한 바와 같이 낱개들이 모아져 접합된 양극탭(10a) 및 음극탭(20a)과는 별개로 고정력을 제공할 수 있다.
아울러, 위 실시예들에서, 상기 양극집전체(11)와 음극집전체(21)는 도포되는 활물질(12, 22)의 두께 및 특성에 따라 설계되며 전극조립체의 요구되는 조건에 맞게 제조되므로 두께를 변경하기가 쉽지 않았다. 그러나, 각각의 양극활물질(12) 및 음극활물질(22)이 도포되지 않는 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)는 두께의 제약 조건에서 상대적으로 덜 하다.
따라서, 본 발명에서는 양극집전체(11)와 음극집전체(21)에서 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a) 각각은 활물질(12, 22)이 도포된 부분과 두께가 다르게 형성될 수 있다. 즉, 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)는 접합되는 부분의 두께를 얇게하거나, 접합된 후 수직방향으로 꺾일 수 있도록 활물질이 도포된 부분 보다 더 얇게 제조될 수 있다. 반대로, 적층된 모노셀들의 움직임을 보다 더 강건히 지지할 수 있도록 활물질이 도포된 부분 보다 더 두껍게 제조될 수도 있을 것이다.
도 6 은 도 5 의 상태를 위에서 아랫쪽으로 바라본 평면도이고, 도 7 은 양극연장부와 음극연장부의 형태가 변형된 모습이 도시된 평면도이며, 도 8 은 양극연장부와 음극연장부 각각에 패턴홈이 형성된 모습이 도시된 평면도이다.
도시된 바와 같이 상기 실시예7 내지 9 에 따른 모노셀들(200)도 실시예1의 모노셀(100)과 같이 직사각형 또는 정사각형 모양을 갖는다.
이때, 도 6 에 도시된 바와 같이 양극(10)에서 확장된 양극탭(10a)과 음극에서 확장된 음극탭(20a)은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 양극연장부(11a)끼리 접합된 부분과 음극연장부(21a)끼리 접합된 부분은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되되 양극탭(10a) 및 음극탭(20a)과 수직을 이루는 방향으로 돌출된다. 상기 양극탭(10a)과 음극탭(20a)과 마찬가지로 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a) 또한 양극집전체(11)와 음극집전체(21)에서 연장된 부분이므로 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)도 전극조립체로 전류가 이동하는 단자로 기능을 할 수 있다. 즉, 양극탭(10a)과 음극탭을(20a) 대신해 외부장치와 전기적으로 연결되는 지점이 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)가 될 수 있다.
아울러, 상기 양극탭(10a)과 음극탭(20a) 및 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)는 동일한 기능을 제공할 수 있으므로 별도의 구분 없이 하나로 통합될 수도 있다. 즉, 도 7 에 도시된 바와 같이 양극집전체(11)에서 확장된 양극탭(10a)과 양극연장부(11a)는 일체로 형성되고 음극집전체(21)에서 확장된 음극탭(20a)은 음극연장부(21a)와 일체로 형성될 수 있다(반대로 예기하면 양극탭과 양극연장부 중 어느 하나와 음극탭과 음극연장부 중 어느 하나는 생략될 수도 있다).
이때, 각 모노셀들(200)의 고정력을 보장할 수 있도록(충분한 체결력을 제공하도록) 이 실시예에서, 상기 양극연장부(11a)는 모노셀의 두 변에서 돌출된 모양을 가지며 음극연장부(21a)는 양극연장부(11a)가 돌출된 두 변의 반대쪽 두 변에서 돌출된 모양을 갖는다.
또한, 상기 상기 양극연장부(11a)끼리 접합된 부분과 음극연장부(21a)끼리 접합된 부분에는 양극(10)과 음극(20)이 적층되는 방향(즉, 두께 방향)을 따라 패인 패턴홈(11b, 21b)이 형성될 수도 있다. 즉, 도 8 에 도시된 바와 같이, 양극연장부(11a)끼리 접합된 부분과 음극연장부(21a)끼리 접합된 부분에는 복수 개의 패턴홈들(11b, 21b)이 형성될 수 있다. 이러한 패턴홈들(11b, 21b)은 전극조립체가 파우치에 내장되기 전에 냉각재 등과 같이 부가적인 기능을 제공하는 장치들이 삽입되는 공간으로 활용될 수도 있을 것이다. 이 실시예에서, 상기 양극전장부(11a)끼리 접합된 부분에 형성된 패턴홈(11b)은 상기 음극연장부(21a)끼리 접합된 부분에 형성된 패턴홈(21b)과 대칭을 이루는 위치에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은 분리막(30)의 확장부(31)가 적층된 모노셀들을 둘러쌈으로써 상기 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지는 구성 및 각각의 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a)끼리 결합되어 모노셀들의 고정이 이루어지는 구성을 제공하므로, 종래의 테이프가 삭제되어 두께 차이와 음극의 접힘으로 인한 내부 저항 증가 문제와 전극 퇴화 문제를 해소할 수 있다.
상기 확장부(31)는 열과 압력이 가해져 미리 정해진 지점에서 접착되므로 매끄러운 표면을 형성할 수 있다.
상기 분리막의 확장부(31)는 두께 및/또는 조성이 다른 부분과 다르게 형성되어 접착력 및 전해액의 함침성 등을 향상시킬 수 있고, 상기 양극연장부(11a)와 음극연장부(21a) 각각은 다른 부분(활물질이 도포된 부분)과 두께가 다르게 구성되어 필요에 따라 용접성능, 용접되는 부분의 크기 등을 다양하게 구성할 수 있다.
상기 모노셀은 양극과 분리막 사이와 분리막과 음극 사이가 접착되어 높은 안정성을 갖는다.
그리고, 확장부(31)가 둘러싸는 영역 내에는 평판(40)이 선택적으로 삽입되어 냉각효율 및 지지력을 증대시킬 수 있다. 아울러, 패턴홈(11b, 21b)이 형성된 부분에 선택적으로 냉각재가 삽입될 수 있으므로 냉각효율을 증대시킬 수 있다.
아울러, 위와 같은 기술적 특징을 갖는 전극조립체가 제공됨에 따라 본 발명에서는 본 발명에 따른 전극조립체가 파우치 내에 내장되는 이차전지 및 상기 이차전지 복수 개가 전기적으로 연결되도록 탑재되는 이차전지모듈을 추가적으로 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.

Claims (27)

  1. 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서,
    양극, 분리막, 음극, 분리막 순서로 적층된 모노셀들;을 포함하며,
    상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되되 상기 모노셀들 중 어느 하나는 일측으로 길게 확장된 확장부가 분리막들 중 하나에 형성되고, 상기 분리막의 확장부가 최외각층에 놓이도록 적층된 모노셀들을 둘러쌈으로써 상기 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    확장부가 형성된 모노셀은 최상층 또는 최하층에 적층된 모노셀이며, 상기 확장부가 형성된 분리막은 해당 모노셀에서 음극과 양극 사이에 놓인 분리막인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모노셀은 사각형 모양을 갖되, 양극에서 확장된 양극탭과 음극에서 확장된 음극탭은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 분리막의 확장부는 양극탭 또는 음극탭이 돌출되는 방향과 수직을 이루는 방향으로 확장된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모노셀은 양극과 분리막 사이와 분리막과 음극 사이가 접착된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    확장부가 형성된 분리막을 갖는 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀이고, 확장부가 형성된 분리막의 위에는 양극이 적층되며,
    상기 확장부가 전극조립체 전체를 감싸서 그 끝단이 상기 확장부가 형성된 분리막의 위에 놓인 양극의 위를 덮으면, 그 위로 음극이 추가적으로 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    확장부가 형성된 분리막을 갖는 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀이고, 확장부가 형성된 분리막의 위에는 양극이 적층되되,
    상기 확장부가 형성된 분리막의 위에 적층된 양극 위로 분리막이 추가로 적층되고 그 위로 음극이 추가적으로 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    확장부가 형성된 분리막을 갖는 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀이고, 확장부가 형성된 분리막의 위에는 양극이 적층되되,
    상기 확장부가 형성된 분리막의 위에 적층된 양극은 양극집전체의 일면에만 양극활물질이 도포된 단면양극이며, 양극활물질이 미도포된 면이 윗쪽을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서,
    양극, 분리막, 음극, 분리막 순서로 적층된 모노셀들;을 포함하며,
    상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되고 최상층에 적층된 모노셀 위로 분리막과 음극이 순서대로 추가 적층되되,
    음극과 함께 추가적으로 적층된 분리막은 일측으로 길게 확장된 확장부가 형성되고, 상기 확장부가 적층된 모노셀들 및 추가적으로 적층된 음극을 둘러쌈으로써 고정이 이루어지는 전극조립체.
  9. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확장부는 적층된 모노셀들을 둘러쌓은 후, 그 끝단은 열과 압력이 가해져 미리 정해진 지점에서 접착되어 고정된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확장부는 양극 또는 음극과 접촉하는 분리막의 다른 부분과 두께가 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확장부는 양극 또는 음극과 접촉하는 분리막의 다른 부분과 조성이 다르게 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극과 음극이 적층되는 방향에서 수직으로 세워지도록 상기 양극과 음극의 일측 또는 양측 모두에 평판이 삽입된 상태로 상기 분리막의 확장부가 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 평판은 전기전도성이 없는 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 분리막의 확장부는 모노셀들을 두 번 둘러싸며,
    상기 평판은 상기 확장부가 첫번째 둘러싸는 층과 두번째 둘러싸는 층 사이에 삽입되도록 배치되되, 열전도성을 갖는 금속 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 음극집전체의 표면에 음극활물질이 도포된 음극, 분리막, 양극집전체의 표면에 양극활물질이 도포된 양극이 반복적층된 전극조립체에 있어서,
    양극, 분리막, 음극, 분리막이 순서로 적층된 모노셀들;을 포함하며,
    상기 모노셀은 적어도 두 개 이상이 적층되되 상기 모노셀들 중 두 개 이상은 각각이 양극집전체가 일측으로 길게 확장된 양극연장부 및 음극집전체가 타측으로 길게 확장된 음극연장부가 형성되고, 상기 양극연장부와 음극연장부는 다른 모노셀의 양극연장부 및 음극연장부 각각과 접합됨으로써 적층된 모노셀들의 고정이 이루어지는 전극조립체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 양극연장부와 음극연장부 각각은 양극에서 확장된 양극탭 및 음극에서 확장된 음극탭과 별도로 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 모노셀은 사각형 모양을 갖되, 양극탭과 음극탭은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되고, 상기 양극연장부끼리 접합된 부분과 음극연장부끼리 접합된 부분은 서로 반대 방향을 향하여 돌출되되 양극탭 및 음극탭과 수직을 이루는 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 양극연장부와 음극연장부가 형성된 모노셀은 적층된 모든 모노셀들이고, 모든 모노셀들은 양극연장부는 양극연장부끼리 음극연장부는 음극연장부끼리 접합이 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  19. 제 15 항에 있어서,
    최상층에 적층된 모노셀의 최상층에는 양극이 위치하고, 상기 최상층에 위치하는 양극 위로 분리막과 음극이 순서대로 추가 적층된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 양극연장부와 음극연장부가 형성된 모노셀은 최상층에 적층된 모노셀과 최하층에 적층된 모노셀이며, 상기 최상층에 적층된 모노셀과 최하층에 적층된 모노셀 사이에는 복수 개의 모노셀들이 적층되어 구성된 서브전극조립체가 삽입되되,
    상기 서브전극조립체를 구성하는 모노셀들 중 어느 하나는 일측으로 길게 확장된 확장부가 분리막들 중 하나에 형성되고, 상기 분리막의 확장부가 서브전극조립체에서 최외각층에 놓이도록 상기 서브전극조립체의 모든 모노셀들을 둘러쌓는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 양극집전체에서 양극연장부는 양극활물질이 도포된 부분과 두께가 다르게 형성되고,
    상기 음극집전체에서 음극연장부는 음극활물질이 도포된 부분과 두께가 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 모노셀은 사각형 모양을 가지며 양극집전체에서 확장된 양극탭이 양극연장부와 일체로 형성되고 음극집전체에서 확장된 음극탭이 음극연장부와 일체로 형성되되, 상기 양극연장부는 모노셀의 두 변에서 돌출된 모양을 가지며 음극연장부는 양극연장부가 돌출된 두 변의 반대쪽 두 변에서 돌출된 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  23. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극연장부끼리 접합된 부분과 음극연장부끼리 접합된 부분에는 양극과 음극이 적층되는 방향을 따라 패인 패턴홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 양극전장부끼리 접합된 부분에 형성된 패턴홈은 상기 음극전장부끼리 접합된 부분에 형성된 패턴홈과 대칭을 이루는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 모노셀은 양극과 분리막 사이와 분리막과 음극 사이가 접착된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  26. 제 1 항, 제 8 항, 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체가 파우치 내에 내장되는 이차전지.
  27. 제 26 항에 따른 이차전지 복수 개가 전기적으로 연결되도록 탑재되는 이차전지모듈.
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