WO2023090953A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Definitions

  • the present specification relates to an electrode assembly and a secondary battery including the same.
  • one or two tabs were used for the anode and cathode, respectively, and used as a conductive pass.
  • An object of the present invention is to change the folding method of the non-coated portion of the electrode of the electrode assembly, thereby eliminating the possibility of short circuit caused by the existing folding method of the electrode non-coated portion.
  • An exemplary embodiment of the present specification is an electrode assembly in which a first electrode, a separator, and a second electrode are stacked and wound, wherein the first electrode includes a current collector and an electrode active material layer provided on the current collector, and the electrode assembly
  • the edge portion of the current collector provided at one end side of the winding shaft includes an uncoated portion not provided with an electrode active material layer, and the uncoated portion of the first electrode is rotated once from the winding center of the electrode assembly toward the outer edge of the electrode assembly. It provides an electrode assembly that is more than bent.
  • the uncoated portion of the first electrode includes a plurality of segment pieces, and the plurality of segment pieces are bent one or more times from the winding center of the electrode assembly toward the outer edge of the electrode assembly. It can be.
  • a segment piece of the non-coated portion of the first electrode present at least at the outermost periphery of the electrode assembly may be bent twice to face the side surface of the electrode assembly.
  • At least a portion of the bent portion of the uncoated portion of the first electrode is in contact with at least a portion of the bent portion of the adjacent uncoated portion.
  • a length from an initial bent portion to an end of the uncoated portion of the first electrode may be 1 mm or more.
  • the segment piece of the uncoated portion of the first electrode bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 1% or more and 30% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the first electrode is an anode
  • the second electrode is a cathode
  • the first electrode may be formed to be exposed to the outside based on the upper surface of the electrode assembly.
  • the first electrode may further include an insulating tape provided on a surface opposite to a surface facing the side surface of the electrode assembly.
  • one embodiment of the present specification provides a secondary battery including the above-described electrode assembly, a battery can accommodating the electrode assembly, and a cap assembly coupled to an upper portion of the battery can.
  • the uncoated portion of the electrode is bent one or more times from the winding center of the electrode assembly toward the outer edge of the electrode assembly, thereby preventing an internal short circuit from occurring when the anode uncoated portion touches the negative electrode.
  • 1 is a schematic view showing a direction in which an existing positive uncoated portion is folded from the outer edge of the electrode assembly to the winding center of the electrode assembly.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing that when the positive electrode uncoated portion is folded from the outer edge of the electrode assembly to the winding center of the electrode assembly, the anode uncoated portion is bent inward according to the upper load and meets the negative electrode, resulting in a short circuit.
  • Figure 3 is It is a schematic diagram showing the folded form and direction of the positive electrode uncoated portion in the electrode assembly according to one embodiment of the present specification.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing that the uncoated portion of the first electrode includes a plurality of segments.
  • on does not mean only physically located on one layer, but also means located on top of the position. That is, layers located on any one layer may have another layer between them.
  • the electrode assembly 10 is a jelly roll type electrode assembly having a structure in which a first electrode and a second electrode having a sheet shape and a separator interposed therebetween are wound in one direction.
  • the electrode assembly 10 is an electrode assembly in which a first electrode 110, a separator 120, and a second electrode 130 are stacked and wound. It includes a current collector 111 and an electrode active material layer 112 provided on the current collector 111, and an edge portion of the current collector 111 provided at one end side of a winding shaft of the electrode assembly 10 It includes an uncoated portion 113 not provided with an electrode active material layer 112, and the uncoated portion 113 of the first electrode extends from the winding center of the electrode assembly 10 to the outer edge of the electrode assembly 10 ( P) is bent more than once.
  • the uncoated portion 113 of the first electrode is bent at an angle of 30° to 90° one or more times from the winding center of the electrode assembly toward the outer direction P of the electrode assembly. .
  • FIG 3 shows an outer direction P of the electrode assembly from the winding center of the electrode assembly.
  • the area of the current collector on which the electrode active material layer is not formed is a non-coated portion (not shown), and means an area where the positive or negative current collector is exposed.
  • a separate electrode tab is not coupled to the uncoated portion of the first electrode, and at least a portion of the uncoated portion may be used as an electrode tab by itself.
  • the first electrode 110 is an anode
  • the second electrode 130 is a cathode
  • the first electrode 110 is exposed to the outside based on the upper surface of the electrode assembly. It may be formed to be.
  • the first electrode 110 and the second electrode 130 include a current collector 111 and an electrode active material layer 112 provided on the current collector 111,
  • the electrode active material layer 112 includes an electrode active material.
  • the electrode active material may be used without limitation as long as it is an active material known in the art.
  • the cathode active material includes lithium cobalt oxide having a high operating voltage and excellent capacity characteristics, lithium nickel oxide having a high reversible capacity and being easy to realize a large-capacity battery, lithium nickel cobalt oxide in which a part of nickel is substituted with cobalt, and nickel.
  • Lithium nickel cobalt metal oxide partially substituted with manganese, cobalt, or aluminum, lithium manganese-based oxide having excellent thermal stability and low cost, lithium iron phosphate having excellent stability, and the like may be included.
  • the negative electrode active material may be, for example, a carbon material such as crystalline carbon, amorphous carbon, carbon composite, or carbon fiber, silicon, lithium metal, or a lithium alloy.
  • the separator 120 is located between the positive electrode and the negative electrode while having a certain mechanical strength, and is made of a porous material to facilitate the movement of ions between the electrodes.
  • a porous material for example, polyethylene (PE), polystyrene (PS), polypropylene (PP)
  • PE polyethylene
  • PS polystyrene
  • PP polypropylene
  • it may be formed of any one substrate selected from the group consisting of a copolymer of polyethylene (PE) and polypropylene (PP).
  • the method of bending the uncoated portion of the first electrode of the electrode assembly may be performed by applying pressure using a bending device.
  • the uncoated portion of the first electrode may be rolled and bent from a winding direction of the electrode assembly to an outer direction of the electrode assembly using the bending device.
  • the uncoated portion of the first electrode existing at least at the outermost part of the electrode assembly may also be bent due to inertia.
  • the uncoated portion of the first electrode existing at least on the outermost periphery of the electrode assembly is additionally bent along with the process of taping the insulating tape. It may be formed through a process of inducing additional bending and taping an insulating tape by coupling the electrode assembly to a hollow cylindrical holder having an open bottom and a blocked ceiling.
  • FIG. 3 is a view showing the folded form and direction of the positive electrode uncoated portion in the electrode assembly, and the positive electrode 110 shown in FIG. 3 includes an electrode active material layer (not shown), an insulating coating layer (not shown), and an uncoated portion not shown) are included.
  • the electrode assembly includes a positive electrode 110, a separator 120, and a negative electrode 130, and the uncoated portion of the positive electrode 110 is wound around the electrode assembly. It has a shape that is bent from the center toward the outer edge of the electrode assembly, and in particular, the uncoated portion of the positive electrode present at the outermost part of the electrode assembly is bent twice to face the side surface of the electrode assembly.
  • the uncoated portion of the positive electrode has a shape in which the uncoated portion of the positive electrode is bent from the winding center of the electrode assembly toward the outer edge of the electrode assembly, thereby preventing an internal short circuit caused by the uncoated portion of the anode being in contact with the negative electrode. there is.
  • the uncoated portion of the first electrode includes a plurality of segment segments 113, and the plurality of segment segments 113 extend from the winding center of the electrode assembly to the outer edge of the electrode assembly ( P) may be bent one or more times.
  • the uncoated portion of the first electrode may include a plurality of segment pieces 113 that are notched. That is, the uncoated portion of the first electrode may be formed in a gear shape.
  • 4 is a view schematically showing that the uncoated portion 113 of the first electrode includes a plurality of segments, and the uncoated portion 113 without the electrode active material layer 112 is segmented to form a gear shape.
  • indicated to be 4 is a view showing that each segment segment is formed spaced apart, and the shape, length, and distance of the segment segment are not limited thereto.
  • the plurality of segments 113 may have the same or different heights, widths, and separation distances.
  • each of the plurality of segments 113 may have a length of 4 mm to 20 mm.
  • the length of the segment piece 113 means the vertical distance from the boundary between the electrode active material layer 112 and the uncoated portion 113 of the current collector 111 to the distal end of the uncoated portion.
  • the length of the segment fragment is short, and a phenomenon that causes a short circuit by digging into the electrode assembly during bending can be prevented.
  • each of the plurality of segments 113 may have a length of 4 mm to 15 mm.
  • each of the plurality of segments 113 may have a length of 6 mm to 10 mm.
  • the distance between one segment 113 and another adjacent segment segment among the plurality of segment segments may be 1 mm to 150 mm.
  • gas discharge may be easily performed when the electrolyte is injected while the resistance of the electrode is appropriately maintained, and gas trapping may be reduced during use after activation of the battery.
  • the distance between one segment 113 and another adjacent segment segment among the plurality of segment segments may be 1 mm to 48 mm.
  • the distance between one segment 113 of the plurality of segment segments and the other adjacent segments may be 5 mm to 36 mm.
  • the width of the segment piece 113 may be 2 mm to 30 mm.
  • a segment piece of the non-coated portion of the first electrode 115 present at least on the outermost side of the electrode assembly may be bent twice to face the side surface of the electrode assembly.
  • the segment piece of the non-coated portion of the first electrode 115 present at least at the outermost outermost part of the electrode assembly is doubled to face the side surface of the electrode assembly 10 as shown in FIG. 3 . It may be bent to have a D-shape or U-shape.
  • the uncoated portion of the first electrode 115 present at least on the outermost side of the electrode assembly has a shape bent twice, thereby preventing a short circuit caused by contacting the anode uncoated portion with the cathode while enhancing structural stability.
  • At least a portion of the bent portion of the uncoated portion may come into contact with at least a portion of the bent portion of the adjacent uncoated portion.
  • the adjacency may mean a positional relationship between the non-uniform portion and another non-coated portion close to the non-coated portion, and does not mean only physical contact. Specifically, it may mean a positional relationship between the non-uniform portion and the nearest other non-uniform portion.
  • the length of the width (a) of the area in contact with at least a portion of the bent portion of the uncoated portion adjacent to at least a portion of the bent portion of the uncoated portion is the length of the width (b) of the first electrode.
  • the width (b) of the first electrode can be longer In this case, structural stability can be further enhanced.
  • the length from the first bent portion to the end of the uncoated portion may be 1 mm or more.
  • the above length is satisfied, a short circuit caused by contact between electrodes can be prevented.
  • the length from the first bent portion to the end of the uncoated portion may be 2 mm or more.
  • the length from the first bent portion to the end of the uncoated portion may be 4 mm or more.
  • the length from the first bent portion to the end of the uncoated portion may be 5 mm or more.
  • the length from the first bent portion to the end of the uncoated portion may be 10 mm or more.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 1% or more of the total height of the electrode assembly.
  • the total height of the electrode assembly means the maximum length of the electrode assembly in the winding axis direction, and means the length in the y direction in FIG. 3.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 2% or more of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 3% or more of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 4% or more of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 5% or more of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 30% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 25% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 20% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 15% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the uncoated portion bent twice may come into contact with the side surface of the electrode assembly at 10% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the height of the portion facing the side surface of the electrode assembly may be 1% or more and 30% or less of the total height of the electrode assembly.
  • the first electrode 110 may further include an insulating tape 140 provided on a surface opposite to a side surface of the electrode assembly.
  • an insulating tape 140 As the insulating tape 140 is provided, it is possible to prevent a short circuit from occurring due to contact of the uncoated portion of the twice-bent first electrode exposed on the side surface of the electrode assembly with the battery can. 3 shows a position where the insulating tape 140 is provided on the uncoated portion bent twice, but the position where the insulating tape is provided is not limited thereto.
  • the insulating tape 140 may be provided by surrounding an area from a twice-bent portion of the uncoated portion of the first electrode to an end portion.
  • the insulating tape 140 may be provided to surround the twice-bent portion of the uncoated portion of the first electrode and the adjacent separator.
  • any insulating material known in the art may be used without limitation, but examples thereof may include polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, or rubber.
  • the first electrode 110 and the second electrode 130 are insulation covering the boundary between the electrode active material layer 112 and the uncoated portion 113, as shown in FIG.
  • a coating layer 114 may be further included.
  • the insulating coating layer 114 includes an insulating polymer resin and may optionally further include an inorganic filler.
  • the insulating coating layer 114 serves to prevent an end of the electrode active material layer 112 from contacting an active material layer of opposite polarity through a separator and to structurally support the bending of the segment segment 113.
  • the second electrode 120 includes a current collector and an electrode active material layer provided on the current collector, and the current collector provided on the other end side of the winding shaft of the electrode assembly.
  • the edge portion may include a plain portion not provided with an electrode active material layer.
  • the second electrode 120 may be a cathode.
  • the electrode active material used in the electrode active material layer of the second electrode is the same as the negative electrode active material described above.
  • Another embodiment of the present specification provides a secondary battery including the above-described electrode assembly, a battery can accommodating the electrode assembly, and a cap assembly coupled to an upper portion of the battery can.
  • the electrode assembly may be inserted into the battery can in the form of a rolled jelly roll.
  • the battery can accommodates the electrode assembly therein, and may be formed of stainless steel, aluminum (Al), etc., but is not necessarily limited thereto, accommodates the electrode assembly and the electrolyte therein, and has low reactivity, , can be selected as a material that can be protected from external impact.
  • the battery can may be cylindrical, and its size may be 30 mm to 55 mm in diameter and 60 mm to 120 mm in height.
  • the circular diameter x height of the cylindrical battery can may be 40 mm x 60 mm, 40 mm x 80 mm, or 40 mm x 90 mm, 40 mm x 120 mm.
  • the cap assembly may include a circuit board and an insulating gasket, and is coupled to the top of the battery can to seal the inside.
  • the secondary battery further includes an upper current collector plate provided on the electrode assembly, and in this case, the upper collector plate may be welded and coupled to the electrode assembly.
  • the current collector plate of the secondary battery may be coupled to the cap assembly.
  • the secondary battery further includes a lower current collecting plate provided below the electrode assembly, and in this case, the lower current collecting plate may be electrically coupled to the battery can. That is, the lower current collector may be provided between the electrode assembly and the battery can.
  • the lower current collecting plate may be electrically coupled to the uncoated portion of the second electrode of the electrode assembly.
  • Another embodiment of the present invention provides a battery module and a battery pack including the secondary battery according to the above-described embodiment.

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Abstract

본 발명은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취축의 일 단부측에 구비된 상기 집전체의 가장자리부는 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 제1 전극의 무지부는 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 1회 이상 절곡된 것인 전극 조립체에 관한 것이다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지
본 명세서는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 11월 19일 한국 특허청에 제출된 한국특허출원 제 10-2021-0160355호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.
최근 고용량, 고출력을 구현하는 전지의 필요성이 커지고 있다. 친환경 정책기조로 전기차 시장이 급격하게 성장하고 이에 따라 전지에 요구되는 성능도 큰 폭으로 증가하고 있다.
원통형 이차 전지의 경우, 한정된 공간안에 많은 양의 전극을 넣기 위해 집전체나 분리막의 두께, 캔 및 탑캡 등의 크기나 형상을 변경하며 최적화를 진행하고 있지만 제한된 크기 안에서의 한계수준에 도달하고 있다.
기존 원통형의 경우 양극과 음극에 각각 하나 혹은 두개 정도의 탭을 활용해 도전패스로 활용하였으나, 이 경우 탭에서 물리적으로 거리가 멀어질수록 저항이 증가한다는 단점이 있어 저항 개선에 대한 제한이 있었다.
이를 개선하기 위해 전극 집전체의 위 아래로 전극 활물질 미코팅영역(무지부)을 만들어 노칭공정 후 중첩시켜 탭으로 활용하는 방법이 있으나, 이 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 양극 무지부(110)가 안으로 접혀들어가 음극(130)에 닿아 쇼트되는 경우가 발생하므로, 이에 대한 개선방안이 필요하다.
본 발명은 전극 조립체의 전극의 무지부의 접힘 방식을 변경하여, 기존의 전극 무지부 접힘 방식에 의한 쇼트 발생 가능성을 제거하는 것에 목적이 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취축의 일 단부측에 구비된 상기 집전체의 가장자리부는 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 제1 전극의 무지부는 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 1회 이상 절곡된 것인 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부는 복수의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 1회 이상 절곡될 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극의 무지부의 분절편은 상기 전극 조립체의 측면에 대향하도록 2회 절곡될 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부는 인접한 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 접한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 1mm 이상일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 제1 전극의 무지부의 분절편은 상기 전극 조립체의 전체 높이의 1% 이상 30% 이하로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 양극이고, 상기 제2 전극은 음극이며, 상기 제1 전극은 상기 전극조립체의 상면을 기준으로 외부로 노출되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 전극 조립체의 측면과 대향하는 면의 반대면에 구비된 절연 테이프를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 전술한 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지캔 및 상기 전지캔의 상부와 결합되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 조립체는 전극의 무지부가 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 1회 이상 절곡됨으로써 양극 무지부가 음극에 닿아 내부단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 기존 양극 무지부가 전극 조립체의 외곽에서 전극 조립체의 권취 중심으로 접힘 방향을 나타낸 모식도이다.
도 2는 양극 무지부가 전극 조립체의 외곽에서 전극 조립체의 권취 중심으로 접힌 경우, 양극 무지부가 상부 하중에 따라 안쪽으로 꺾여들어가 음극과 만나 쇼트가 발생하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 조립체에서 양극 무지부의 접힘 형태와 방향을 나타낸 모식도이다.
도 4는 제1 전극의 무지부가 복수의 분절편을 포함하는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
[부호의 설명]
110: 제1 전극, 양극
111: 집전체
112: 전극 활물질층
113: 무지부, 분절편
114: 절연 코팅층
115: 전극 조립체의 최외곽에 존재하는 제1 전극
120: 분리막
130: 제2 전극, 음극
140: 절연 테이프
a: 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 인접한 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 접한 면적의 폭
b: 제1 전극의 폭
P: 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
본 명세서에서, "상"은 하나의 층 위에 물리적으로 접하여 위치하는 것만을 의미하는 것이 아니라, 위치상 위에 위치하는 것을 의미한다. 즉, 어느 하나의 층 상에 위치하는 층은 사이에 다른 층이 있을 수도 있다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 따른 전극 조립체(10)는 시트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 전극 조립체(10)는 제1 전극(110), 분리막(120) 및 제2 전극(130)이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극(110)은 집전체(111) 및 상기 집전체(111) 상에 구비된 전극 활물질층(112)을 포함하고, 상기 전극 조립체(10)의 권취축의 일 단부측에 구비된 상기 집전체(111)의 가장자리부는 전극 활물질층(112)이 구비되지 않은 무지부(113)를 포함하며, 상기 제1 전극의 무지부(113)는 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체(10)의 외곽 방향(P)으로 1회 이상 절곡된 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부(113)는 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향(P)으로 1회 이상 30° 내지 90°각도로 절곡된 것이다.
도 3에 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향(P)를 나타내었다.
전극 활물질층이 형성되지 않은 집전체의 영역은 무지부(도면 미도시)로, 양극 또는 음극 집전체가 노출되는 영역을 의미한다.
이때, 제1 전극의 무지부에는 별도의 전극탭이 결합되어 있지 않으며, 상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극탭으로서 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극(110)은 양극이고, 상기 제2 전극(130)은 음극이며, 상기 제1 전극(110)은 상기 전극조립체의 상면을 기준으로 외부로 노출되도록 형성되는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 집전체(111) 및 상기 집전체(111) 상에 구비되는 전극 활물질층(112)을 포함하고, 상기 전극 활물질층(112)은 전극 활물질을 포함한다.
이때, 상기 전극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 작용전압이 높고 용량 특성이 우수한 리튬 코발트 산화물, 높은 가역용량을 가지고 대용량의 전지 구현이 용이한 리튬 니켈 산화물, 니켈의 일부를 코발트로 치환한 리튬니켈코발트산화물, 니켈의 일부를 망간, 코발트 또는 알루미늄으로 치환한 리튬니켈코발트금속 산화물, 열적 안정성이 우수하고 저렴한 리튬 망간계 산화물, 안정성이 우수한 리튬철인산화물 등을 포함할 수 있다.
음극 활물질은 예를 들어, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 실리콘, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.
분리막(120)은 일정한 기계적 강도를 가진 채 양극과 음극 사이에 위치하고, 전극 간 이온의 이동이 원활하도록 다공성 재질로 만들어지며, 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재로 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 조립체의 제1 전극의 무지부의 절곡 방법은 절곡 장치를 이용하여 압력을 가하여 이루어지는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 절곡 장치를 이용하여 상기 전극 조립체의 권취방향으로부터 상기 전극 조립체의 외곽방향으로 제1 전극의 무지부를 말아서 절곡하는 것일 수 있다. 상기 절곡 장치를 이용함으로써, 관성에 의해 상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극의 무지부도 절곡되는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 절곡 장치를 이용하여 제1 전극의 무지부를 1회 절곡한 후, 상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극의 무지부는 절연 테이프를 테이핑하는 공정과 함께 추가적인 절곡이 이루어지거나, 바닥이 뚫려있고 천장이 막혀있는 속이 빈 원통형 모양의 홀더에 전극조립체를 결합시켜 추가적인 절곡을 유도하고 절연 테이프를 테이핑하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 3은 전극 조립체에서 양극 무지부의 접힘 형태와 방향을 나타내기 위하여 도시한 도면으로, 도 3에 도시된 양극(110)은 전극 활물질층(미도시), 절연코팅층(미도시), 무지부(미도시)를 모두 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 조립체는, 양극(110), 분리막(120), 음극(130)을 포함하고, 상기 양극(110)의 무지부가 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 절곡되어 있는 형태를 가지며, 특히, 전극 조립체의 최외곽에 존재하는 양극의 무지부는 상기 전극 조립체의 측면에 대향하도록 2회 절곡되어 있다.
전극 집전체의 위 아래로 무지부를 만들어 노칭공정 후 중첩시켜 탭으로 활용하되, 본 명세서의 도 1에 도시된 바와 같이 양극 무지부의 접힘 방향이 전극 조립체의 권취 중심방향인 종래 방법이 있으나, 이 경우 본 명세서의 도 2에 도시된 점선 원형과 같이 일부 양극 무지부가 안으로 접혀들어가 음극에 닿아 쇼트되는 경우가 발생하는 문제가 있었다.
본 발명에서는 도 3에서와 같이 양극의 무지부가 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 절곡되어 있는 형태를 가짐으로써, 양극 무지부가 음극에 닿아 발생하는 내부단락을 방지하는 효과를 가질 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부는 복수의 분절편(113)을 포함하고, 상기 복수의 분절편(113)은 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향(P)으로 1회 이상 절곡된 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부는 노칭 가공된 복수의 분절편(113)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극의 무지부는 톱니바퀴 형태로 형성되는 것일 수 있다. 도 4는 제1 전극의 무지부(113)가 복수의 분절편을 포함하는 것을 개략적으로 나타낸 도면으로, 전극 활물질층(112)이 구비되지 않은 무지부(113)가 분절되어 톱니바퀴 형태로 형성되는 것을 나타내었다. 상기 도 4는 각 분절편이 이격되어 형성된 것을 나타내기 위해 도시된 도면으로, 분절편의 형태, 길이, 이격거리는 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편(113)은 높이, 폭, 이격 거리가 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편(113) 각각의 길이는 4mm 내지 20mm일 수 있다.
상기 분절편(113)의 길이는 집전체(111)의 전극 활물질층(112)과 무지부(113)의 경계로부터 무지부의 말단부까지의 수직거리를 의미한다.
상기 길이 범위를 만족하는 경우, 분절편의 길이가 짧아 절곡 시 전극 조립체 안쪽으로 파고들어 쇼트를 일으키는 현상을 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편(113) 각각의 길이는 4mm 내지 15mm일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편(113) 각각의 길이는 6mm 내지 10mm일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편 중 어느 하나 분절편(113)은 인접하는 다른 분절편과의 이격 거리가 1mm 내지 150mm일 수 있다.
상기 이격 거리 범위를 만족하는 경우, 전극의 저항을 적절하게 유지하면서도 전해액 주액 시 가스 배출이 용이하고 전지 활성화 이후 사용 시 가스 트랩핑(gas trapping)이 덜 발생하게 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편 중 어느 하나 분절편(113)은 인접하는 다른 분절편과의 이격 거리가 1mm 내지 48mm일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 복수의 분절편 중 어느 하나 분절편(113)은 인접하는 다른 분절편과의 이격 거리가 5mm 내지 36mm일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분절편(113)의 폭은 2mm 내지 30mm일 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 용접 및 절곡을 용이하게 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극(115)의 무지부의 분절편은 상기 전극 조립체의 측면에 대향하도록 2회 절곡될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극(115)의 무지부의 분절편은 상기 도 3에서와 같이 상기 전극 조립체(10)의 측면에 대향하도록 2회 절곡되어 디귿자 형태 또는 U자 형태를 가지는 것일 수 있다.
상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극(115)의 무지부가 2회 절곡된 형태를 가짐으로써 제1 전극(110)이 양극으로 사용되는 경우 양극 무지부가 음극에 닿아 발생하는 쇼트를 방지하면서도 구조적인 안정성을 강화할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부는 인접한 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 접할 수 있다.
상기 인접은 상기 무지부와 가까운 다른 무지부과의 위치관계를 의미할 수 있으며, 물리적으로 접한 것만을 의미하는 것이 아니다. 구체적으로 상기 무지부와 가장 가까운 다른 무지부과의 위치관계를 의미할 수 있다.
상기 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부가 인접한 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 접하는 경우, 음극과 접촉되지 않아 내부단락을 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 인접한 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 접한 면적의 폭(a)의 길이는 상기 제1 전극의 폭(b)의 길이보다 길 수 있다. 이 경우, 구조적인 안정성을 보다 강화할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 1mm 이상일 수 있다. 상기 길이를 만족하는 경우, 전극끼리 닿아 발생하는 쇼트를 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 2mm 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 4mm 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 5mm 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 10mm 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 1% 이상으로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 전극 조립체의 전체 높이는 상기 전극 조립체의 권취축 방향의 최대길이를 의미하고, 도면 3에서의 y방향으로의 길이를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 2% 이상으로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 3% 이상으로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 4% 이상으로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 5% 이상으로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 30% 이하로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 25% 이하로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 20% 이하로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 15% 이하로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 10% 이하로 전극 조립체의 측면에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2회 절곡된 무지부에 있어서, 상기 전극 조립체의 측면에 대향하는 부분의 높이는 상기 전극 조립체의 전체 높이의 1% 이상 30% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극(110)은 상기 전극 조립체의 측면과 대향하는 면의 반대면에 구비된 절연 테이프(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 테이프(140)가 구비됨에 따라, 전극 조립체의 측면에 노출된 2회 절곡된 제1 전극의 무지부가 전지 캔과 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 도 3에 2회 절곡된 무지부에 절연 테이프(140)가 구비되는 위치를 나타내었으나, 절연 테이프의 구비 위치는 이에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연 테이프(140)는 제1 전극의 무지부의 2회 절곡된 부위로부터 단부까지의 영역을 둘러쌓아서 구비되는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연 테이프(140)는 제1 전극의 무지부의 2회 절곡된 부위와 인접한 분리막을 함께 둘러쌓도록 구비되는 것일 수 있다.
상기 절연 테이프(140)의 재료는 재료는 당업계에 공지된 절연물질이라면 제한없이 사용될 수 있으나, 일 예로 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 고무를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 활물질층(112)과 무지부(113) 사이의 경계를 덮는 절연코팅층(114)을 더 포함할 수 있다. 절연 코팅층(114)은 절연성이 있는 고분자 수지를 포함하며, 무기물 필러를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 절연 코팅층(114)은 전극 활물질층(112)의 단부가 분리막을 통해 대향하고 있는 반대 극성의 활물질층과 접촉되는 것을 방지하고, 분절편(113)의 절곡을 구조적으로 지지하는 역할을 한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 전극(120)은 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취축의 타 단부측에 구비된 상기 집전체의 가장자리부는 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 전극(120)은 음극일 수 있다.
상기 제2 전극의 전극 활물질층에 사용되는 전극 활물질은 전술한 음극 활물질과 동일하다.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 전술한 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지캔 및 상기 전지캔의 상부와 결합되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 전극 조립체는 권취된 젤리롤의 형태로 상기 전지캔에 삽입될 수 있다.
상기 전지캔은 전극 조립체를 내부에 수용하는 것으로서, 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄(Al) 등으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되지 않으며, 내부에 전극 조립체 및 전해액을 수용하고 반응성이 작으며, 외부의 충격으로 보호할 수 있는 소재로 선택될 수 있다.
상기 전지 캔은 원통형일 수 있으며, 그 크기는 양단부의 원형의 지름이 30 mm 내지 55 mm, 높이가 60 mm 내지 120 mm일 수 있다. 예컨대, 원통형 전지 캔의 원형 지름 x 높이는 40 mm x 60 mm, 40 mm x 80 mm, 또는 40 mm x 90 mm, 40 mm x 120 mm 일 수 있다.
상기 캡 조립체는 회로기판 및 절연성 가스켓 등이 포함될 수 있으며, 전지캔의 상부에 결합되어 내부를 밀봉한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이차전지는 상기 전극 조립체 상에 구비되는 상부 집전판을 더 포함하고, 이때 상기 상부 집전판은 상기 전극 조립체와 용접되어 결합될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이차전지의 상기 집전판은 상기 캡 조립체와 결합될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이차전지는 상기 전극 조립체 하부에 구비되는 하부 집전판을 더 포함하고, 이때 상기 하부 집전판은 전지 캔과 전기적으로 결합될 수 있다. 즉, 상기 하부 집전판은 상기 전극 조립체와 전지 캔 사이에 구비되는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 집전판은 상기 전극 조립체의 제2 전극의 무지부와 전기적으로 결합되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 전극 조립체로서,
    상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취축의 일 단부측에 구비된 상기 집전체의 가장자리부는 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며,
    상기 제1 전극의 무지부는 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 1회 이상 절곡된 것인 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부는 복수의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 전극 조립체의 권취 중심으로부터 상기 전극 조립체의 외곽 방향으로 1회 이상 절곡된 것인 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 전극 조립체의 적어도 최외곽에 존재하는 제1 전극의 무지부의 분절편은 상기 전극 조립체의 측면에 대향하도록 2회 절곡된 것인 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부는 인접한 무지부의 절곡된 부분의 적어도 일부와 접하는 것인 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극의 무지부의 최초 절곡 부위부터 단부까지의 길이는 1mm 이상인 것인 전극 조립체.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 2회 절곡된 제1 전극의 무지부의 분절편은 상기 전극 조립체의 전체 높이의 1% 이상 30% 이하로 전극 조립체의 측면에 접하는 것인 전극 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극은 양극이고, 상기 제2 전극은 음극이며, 상기 제1 전극은 상기 전극조립체의 상면을 기준으로 외부로 노출되도록 형성된 것인 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 전극 조립체의 측면과 대향하는 면의 반대면에 구비된 절연 테이프를 더 포함하는 전극 조립체.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 내부에 수용하는 전지캔; 및
    상기 전지캔의 상부와 결합되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지.
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