WO2024010357A1 - 전극 조립체, 전극 조립체 제조방법, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to electrode assemblies, electrode assembly manufacturing methods, secondary batteries, battery packs, and automobiles.
  • Secondary batteries which are easy to apply depending on the product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EV, Electric Vehicle) and hybrid vehicles (HEV, Hybrid Electric Vehicle) that are driven by an electrical drive source. It is universally applied.
  • EV Electric Vehicle
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • Types of secondary batteries currently widely used include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, and nickel zinc batteries.
  • the operating voltage of these unit secondary battery cells is approximately 2.5V to 4.5V. Therefore, when a higher output voltage is required, a battery pack may be formed by connecting a plurality of secondary batteries in series.
  • a battery pack may be constructed by connecting multiple secondary batteries in parallel depending on the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of secondary batteries included in the battery pack and the type of electrical connection can be set in various ways depending on the required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • the present invention provides an electrode assembly capable of realizing high energy density by providing a swelling tape to cover the boundary between a single-sided coated portion with an active material layer only on one side and an uncoated portion without an active material layer in the negative electrode of the electrode assembly and the manufacture of the electrode assembly. We would like to provide a method.
  • Another object of the present invention is to provide a secondary battery, battery pack, and automobile including an electrode assembly having the improved structure described above.
  • One embodiment of the present invention is an electrode assembly in which a first electrode, a separator, and a second electrode are stacked, wherein the first electrode includes a current collector and a first active material layer and a second active material layer provided on both sides of the current collector, respectively. It includes: a single-sided coating portion at one end of the first electrode, where a first active material layer is provided on one side of the current collector and a second active material layer is not provided on the other side; and an uncoated portion not provided with a first active material layer and a second active material layer on both sides of the current collector, and a swelling tape provided to cover the boundary of the first active material layer and the uncoated portion of the single-sided coated portion.
  • An electrode assembly comprising:
  • Another embodiment of the present invention is the step of manufacturing an electrode assembly by stacking a first electrode, a separator, and a second electrode, wherein the first electrode includes a current collector and a first active material layer provided on both sides of the current collector. and a second active material layer, wherein one end of the first electrode is a single-sided coating portion where the first active material layer is provided on one side of the current collector and the second active material layer is not provided on the other side, and the current collector.
  • manufacturing an electrode assembly including an uncoated portion not provided with a first active material layer and a second active material layer on both sides; and disposing a swelling tape provided to cover the boundary between the first active material layer of the single-sided coated portion and the uncoated portion.
  • Another embodiment of the present invention provides a secondary battery, a battery pack, and a vehicle including an electrode assembly according to the above-described embodiment.
  • the outer tab and separator of the existing electrode assembly are removed and the current collector directly touches the battery can and is electrically connected, so the input amount of the separator and outer tab can be reduced.
  • the outer diameter of the electrode assembly space can be secured within the battery can and costs can be reduced.
  • the copper current collector of the negative electrode when used as an outer tab, space can be secured within the battery can to realize the capacity of the secondary battery or improve output, and the copper current collector contacts the battery can to transfer heat. As the area increases, the heat generation level can be improved and the energy density of the electrode can be increased.
  • the electrode assembly is provided with a swelling tape to cover the boundary between the single-sided coated portion where the active material layer is only provided on the single side and the uncoated portion where the active material layer is not provided in the negative electrode, thereby creating wrinkles in the current collector. and minimizing bubbles generated in the swelling tape to control the risk of poor appearance, prevent the outer diameter of the electrode assembly from increasing, and eliminate the risk of damage to the electrode assembly when inserting it into the battery can during the secondary battery assembly process. can do.
  • Figures 2 (a) and (b) are photographs showing wrinkles occurring on the current collector of the first electrode in the existing electrode assembly according to the comparative example of the present invention.
  • Figure 3 (a) is a photograph showing a case where wrinkles and bubbles occur in the current collector and swelling tape of the first electrode in the existing electrode assembly according to the comparative example of the present invention, and (b) is a photograph showing the current collector of the first electrode and a photograph showing a case where wrinkles and bubbles of the swelling tape were transferred to the separator.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing a form in which a first electrode and a second electrode face each other in an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view showing a form in which a first electrode and a second electrode face each other in an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a plan view schematically showing an end perpendicular to the winding axis direction of a jelly roll on which an electrode assembly is wound according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a photograph showing a case where a seal tape is attached to the outer peripheral surface of a wound electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a photograph showing a case in which wrinkles and bubbles do not occur in the current collector and swelling tape of the first electrode in the electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a photograph showing a case in which a lifting phenomenon of the current collector of the first electrode occurs in the electrode assembly according to a comparative example of the present invention and a portion where the lifting height of the current collector of the first electrode is measured.
  • Figure 10 is a diagram showing a schematic configuration of a battery pack including secondary batteries according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a diagram showing the schematic configuration of a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • H Width direction of electrode assembly, winding axis direction
  • ... unit used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation.
  • One embodiment of the present invention is an electrode assembly 111 in which a first electrode 100, a separator 300, and a second electrode 200 are stacked, wherein the first electrode 100 includes the current collector 110 and the It includes a first active material layer 120 and a second active material layer 130 provided on both sides of the current collector 110, and one end of the first electrode 100 is provided on one side of the current collector 110.
  • a single-sided coating portion 140 provided with a first active material layer 120 on one side and without a second active material layer 130 on the other side; and an uncoated portion 150 not provided with a first active material layer 120 and a second active material layer 130 on both sides of the current collector 110, and the first active material layer 150 of the single-sided coated portion 140.
  • An electrode assembly 111 including a swelling tape 410 provided to cover the boundary between the active material layer 120 and the uncoated portion 150 is provided.
  • the electrode assembly 111 is provided with a single-sided coating portion 140 provided with the first active material layer 120 on only one side of the current collector 110 of the first electrode and the first and second active material layers 120 and 130.
  • a swelling tape 410 to cover the border of the uncoated portion 150, the occurrence of wrinkles in the current collector 110 is minimized to control the risk of appearance defects, and the electrode during the assembly process of the secondary battery 600
  • the risk of damaging the electrode assembly 111 when inserting the assembly 111 into the battery can 620 can be eliminated.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the form in which the first electrode 10 and the second electrode 20 face each other in the existing electrode assembly 1 according to a comparative example of the present invention.
  • Figures 2 (a) and (b) are photographs showing a case where wrinkles and lifting occur in the current collector of the first electrode in an existing electrode assembly according to a comparative example of the present invention
  • Figure 3 (a) is a comparative example of the present invention.
  • the wrinkles and bubbles in the current collector and swelling tape of the first electrode are transferred to the separator. This is a picture that represents.
  • the swelling tape 40 is applied to the uncoated portion 15 rather than the single-sided coated portion 14 of the first electrode current collector 11.
  • wrinkles and lifting may occur due to the nature of the thin current collector 11. If wrinkles or lifting occur in the current collector 11 of the first electrode, the current collector 11 of the first electrode may be torn or folded when the electrode assembly 1 is inserted into the battery can during the secondary battery assembly process. The assembly (1) may be damaged.
  • Figure 3 (a) shows that in the existing electrode assembly, when the swelling tape is attached to the uncoated portion rather than the coated portion of the single side of the first electrode current collector, the photo on the left shows that bubbles, etc. are generated when the swelling tape is attached, and the swelling tape is attached to the uncoated portion of the first electrode current collector.
  • Figure 3 (b) shows a case where wrinkles and bubbles generated in the current collector and swelling tape of the first electrode are transferred to the separator.
  • the outermost current collector 11 may be torn when the electrode assembly 1 including the same is inserted into a can, causing damage to the electrode assembly 1. It may be damaged.
  • Figures 4 and 5 are drawings and perspective views schematically showing the form in which the first electrode 100 and the second electrode 200 face each other in the electrode assembly 111 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a diagram showing the shape of the electrode assembly 111 according to the embodiment of the present invention. This is a plan view schematically showing an end perpendicular to the winding axis direction of the jelly roll 610 on which the electrode assembly 111 according to the embodiment is wound.
  • the electrode assembly 111 includes a single-sided coating portion 140 provided with a first active material layer 120 on only one side of the first electrode current collector 110, and first and second active material layers 120. , 130) is provided to cover the boundary of the uncoated portion 150, thereby minimizing the occurrence of wrinkles in the first electrode current collector 110 to control the risk of appearance defects, The risk of damaging the electrode assembly 111 when inserting it into the battery can 620 during the secondary battery assembly process can be eliminated.
  • the electrode assembly 111 has a structure in which a first electrode 100, a separator 300, and a second electrode 200 are stacked, and the first electrode includes a current collector 110 and It includes a first active material layer 120 and a second active material layer 130 provided on both sides of the current collector 110, respectively.
  • One end of the first electrode 100 has a single-sided coating portion 140 in which the first active material layer 120 is provided on one side of the current collector 110 and the second active material layer 130 is not provided on the other side. ); and an uncoated portion 150 on both sides of the current collector 110 that is not provided with the first active material layer 120 and the second active material layer 130.
  • the electrode assembly 111 includes a swelling tape 410 provided to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 of the single-sided coated portion 140.
  • the current collector 110 of the first electrode can minimize the occurrence of wrinkles.
  • the first electrode 100 is not particularly limited, and the first active material layer 120 and the second active material layer 130 are bonded to the first electrode current collector 110 according to a common method known in the art. It can be manufactured with
  • the first active material layer 120 provided on one side of the current collector 110 in the cross-section coating portion 140 of the first electrode 100 may be a holding portion of the first electrode 100, In the first electrode 100, the uncoated portion 150 that is not provided with the first active material layer 120 and the second active material layer 130 on both sides of the current collector 110 is the first electrode 100. It may be a non-existent part of .
  • the swelling tape 410 is provided to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 of the single-sided coated portion 140 in the first electrode 100, thereby forming a later electrode assembly.
  • the swelling tape 410 is expanded by the electrolyte when storing (111) in the battery can 620, the wound electrode assembly 111 is pushed from the center of the winding toward the outer portion of the winding to remove the first electrode current collector. (110) is brought into contact with the battery can 620 so that it can serve as a tab.
  • the center portion of the wound electrode assembly 111 may be the core portion of the electrode assembly 111 .
  • the electrode assembly 111 further includes a swelling tape 400 provided on the other side of the single-sided coating portion 140 that is not provided with the second active material layer 130.
  • one end of the second electrode 200 contracts or expands, causing stress to concentrate on the facing portion of the first electrode, which may cause cracks.
  • the single-sided coating portion 140 further includes a swelling tape 400 provided on the other side of the single-sided coating portion 140 that is not provided with the second active material layer 130, it is used to connect the first active material layer 120 and the It is provided so as not to overlap with the swelling tape 410 provided to cover the boundary of the coating portion 150, and the swelling tape 400 expands to wind the current collector 110 of the first electrode from the outer portion to the center of the winding portion. By pushing in this direction, the current collector 110 of the first electrode can be brought into close contact with the battery can 620, thereby reducing resistance and having a heat dissipation effect.
  • the first active material layer 120 is provided on a surface opposite to the second electrode 200 with the separator 300 interposed, and the first active material layer 120 is provided in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly. It is provided longer than 2 electrodes (200).
  • the electrode assembly 111 may be of a wound jelly roll type, and the longitudinal direction (P) of the electrode assembly refers to a direction (P) perpendicular to the winding axis of the wound electrode assembly.
  • the first active material layer 120 is provided longer than the second electrode 200 in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly on the surface opposite to the second electrode 200 through the separator 300. , Even when the electrode assembly 111 is wound, the first active material layer 120 may be positioned to face the second electrode 200 with the separator 300 interposed, and at this time, the electrode assembly 111 Even during charging, damage to the separator 300 can be prevented and a decrease in battery lifespan can be prevented.
  • the second active material layer 130 of the electrode assembly 111 is provided shorter than the second electrode 200 in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly.
  • the electrode assembly 111 may be of a wound jelly roll type, and the longitudinal direction (P) of the electrode assembly refers to a direction (P) perpendicular to the winding axis of the wound electrode assembly.
  • the second active material layer 130 is shorter than the second electrode 200 in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly, so that it is longer than the second electrode 200 in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly. It may be provided shorter than the first active material layer 120 provided. Accordingly, the first and second active material layers 130 of the first electrode 100 may be provided in a mismatched form, and when the electrode assembly 111 is wound, the first and second active material layers 130 may be provided on the outer peripheral surface of the jelly roll 610. 1 The electrode current collector 110 may be exposed toward the outside.
  • the electrode assembly 111 is a wound jelly roll type
  • the first electrode 100 is the outermost electrode of the wound jelly roll type electrode assembly 610.
  • the first electrode 100 is the outermost electrode of the wound jelly roll-type electrode assembly 610, and is a first electrode current collector included in the first electrode 100 on the outer peripheral surface of the wound jelly roll 610. (110) may be exposed toward the outside.
  • the swelling tape 410 provided to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 is the first electrode 100 of the jelly roll-type electrode assembly 610. ) It is provided on the inner circumferential surface. Accordingly, by using the current collector 110 of the first electrode as an outer tab, the area through which the current collector 110 contacts the battery can 620 to transfer heat can be increased, thereby improving the heat generation level and the energy density of the electrode. can increase.
  • the wound electrode assembly 111 can be By pushing from the center of the winding toward the outer edge of the winding, the first electrode current collector 110 is brought into contact with the battery can 620 so that it can function as a tab.
  • the current collector 110 of the first electrode in the electrode assembly 111 includes copper.
  • the current collector 110 of the first electrode can be used without limitation as long as it is a material known in the art.
  • Non-limiting examples of the current collector 110 of the first electrode include copper, gold, and nickel.
  • the first electrode current collector 110 of the first electrode in the electrode assembly 111 includes copper
  • the first electrode current collector ( 110 may be in contact with the battery can 620 to serve as a tab, and at this time, the first electrode current collector 110 may be electrically connected to the battery can 620.
  • the length 460 of the swelling tape in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly is 30 mm or less.
  • the electrode assembly 111 may be of a wound jelly roll type, and the longitudinal direction (P) of the electrode assembly refers to a direction (P) perpendicular to the winding axis of the wound electrode assembly.
  • the length 460 of the swelling tape may be 30 mm or less, 28 mm or less, 25 mm or less, 23 mm or less, or 21 mm or less.
  • the length 460 of the swelling tape may be 10 mm or more, 13 mm or more, 15 mm or more, or 17 mm or more.
  • the length 460 of the swelling tape exceeds 30 mm, the attachment area where one long swelling tape is attached to the uncoated portion becomes longer, which may cause wrinkles in the first electrode current collector to become worse. If the length 460 of the swelling tape is less than 10 mm, when the electrode assembly is stored in a battery can later, the swelling tape expanded by the electrolyte has a weak force to push the electrode assembly from the center of the winding to the outer edge of the winding. 1
  • the electrode current collector may not be used as a tab.
  • the length 420 of the swelling tape covering the first active material layer in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly may be 1 mm to 3 mm.
  • the range can be set in various ways depending on the size, length, and ratio of the electrode assembly.
  • the length 420 of the swelling tape covering the first active material layer in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly may be 1 mm or more, 1.3 mm or more, or 1.5 mm or more.
  • the length 420 of the swelling tape covering the first active material layer in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly may be 3 mm or less, 2.7 mm or less, or 2.5 mm or less.
  • the length 420 of the swelling tape covering the first active material layer satisfies the above range, air bubbles generated in the swelling tape 410 are minimized to control the risk of appearance defects, and the secondary battery 600 assembly process is performed.
  • the risk of damage to the electrode assembly 111 when inserting the electrode assembly 111 into the battery can 620 can be eliminated.
  • the length 460 of the swelling tape is the length 420 of the swelling tape covering the first active material layer and the length 440 of the swelling tape covering the uncoated portion in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly. It is equal to the combined length.
  • the width 470 of the swelling tape in the width direction (H) of the electrode assembly is 50% or more compared to 100% of the width of the electrode assembly.
  • the electrode assembly 111 may be a wound jelly roll type, and the width direction (H) of the electrode assembly refers to the winding axis direction (H) of the wound electrode assembly.
  • the width 470 of the swelling tape may be 50% or more, 55% or more, 60% or more, 65% or more, or 70% or more of 100% of the width of the electrode assembly.
  • the width 470 of the swelling tape may be 100% or less, 98% or less, or 96% or less of 100% of the width of the electrode assembly.
  • the swelling tape 410 expands due to the electrolyte solution and the first electrode current collector ( 110) can effectively function as a tab by contacting the battery can 620.
  • the area 430 of the swelling tape covering the first active material layer 120 is 5% or more, 6% or more, 7% or more, or 8% or more.
  • the area 430 of the swelling tape covering the first active material layer 120 is 20% or less, 18% or less, 16% or less, or 14% or less.
  • the swelling tape 410 expanded by the electrolyte can bring the first electrode current collector 110 into contact with the battery can 620. It can effectively act as a tab.
  • the swelling tape 410 does not overlap the second electrode 200.
  • the lithium ions of the second electrode 200 can be sufficiently utilized, and the cross-section coating portion 140 of the first electrode 100 ) is provided to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150, so that it can be effectively attached to the uncoated portion of the first electrode. Accordingly, the first electrode current collector 110, which is the uncoated portion of the first electrode, can be pushed to the outer portion so that it comes into good contact with the battery can 620.
  • the swelling tape 410 is expanded by an electrolyte solution.
  • the electrolyte solution may include an organic solvent, for example, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), or ethyl methyl carbonate (EMC).
  • EC ethylene carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • EMC ethyl methyl carbonate
  • the swelling tape 410 may be expanded by the solvent of the electrolyte solution.
  • the swelling tape 410 may expand through an activation process and cycle. At this time, whether the swelling tape 410 expands can be confirmed by whether the direct current resistance value (DCR) converges as the cycle progresses after the activation process.
  • DCR direct current resistance value
  • the distribution of alternating current resistance (ACR) may vary depending on the outer diameter of the jelly roll 610 in which the electrode assembly 111 is wound. That is, if the outer diameter of the jelly roll 610 is large, the first electrode current collector 110 can sufficiently contact the battery can 620, and the resistance is lowered, so the alternating current resistance value (ACR) is small, and on the contrary, the jelly roll 610 If the outer diameter of ) is small, the first electrode current collector 110 cannot sufficiently contact the battery can 620 and the resistance becomes relatively large, so the alternating current resistance (ACR) is large.
  • the performance of the cell can be known by the direct current resistance (DCR) rather than the alternating current resistance (ACR).
  • the direct current resistance (DCR) differs at the beginning of the cycle, but as the cycle progresses, the cell performance can be known by the direct current resistance (DCR).
  • the direct current resistance (DCR) may converge to a constant value.
  • the swelling tape 410 is sufficiently expanded based on the converged value of the direct current resistance (DCR). For example, it may be determined that the swelling tape 410 has sufficiently expanded as the direct current resistance value (DCR) converges to an equivalent direct current resistance value (DCR) after 100 cycles of the activation process.
  • DCR direct current resistance
  • the swelling tape 410 may be expanded or flexible by being impregnated with liquid, and may be made of a polymer material.
  • the swelling tape 410 expands or becomes flexible when it absorbs the electrolyte solution, so when the electrode assembly 111 is stored in the battery can 620 later, the swelling tape 410 expands due to the electrolyte solution and the first The electrode current collector 110 can effectively function as a tab by contacting the battery can 620.
  • the swelling tape 410 includes polyurethane.
  • the swelling tape 410 is expanded by the electrolyte solution.
  • the polyurethane included in the swelling tape 410 may be expanded by the solvent of the electrolyte solution.
  • the first electrode current collector 110 comes into contact with the battery can 620 and can effectively serve as a tab.
  • a step of manufacturing an electrode assembly 111 by stacking a first electrode 100, a separator 300, and a second electrode 200, wherein the first electrode 100 is a house. It includes a first active material layer 120 and a second active material layer 130 provided on both sides of the entire body 110 and the current collector 110, and one end of the first electrode 100 is provided on both sides of the current collector 110.
  • a single-sided coating portion 140 provided with a first active material layer 120 on one side of the entire surface and without a second active material layer 130 on the other side, and a first active material layer on both sides of the current collector 110 ( 120) and manufacturing an electrode assembly including an uncoated portion 150 without the second active material layer 130; and disposing a swelling tape 410 provided to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 of the single-sided coated portion 140. Manufacturing method is provided.
  • the first electrode of the electrode assembly 111 is not provided with a single-sided coating portion 140 having a first active material layer 120 on only one side of the current collector 110 and the first and second active material layers 120 and 130.
  • a swelling tape 410 provided to cover the boundary of the uncoated portion 150, the occurrence of wrinkles in the current collector 110 is minimized to control the risk of appearance defects, and the secondary battery 600 assembly process
  • the risk of damage to the electrode assembly 111 when inserting the electrode assembly 111 into the battery can 620 can be eliminated.
  • the contents of the electrode assembly 111 are the same as the contents of the electrode assembly 111 according to the above-described embodiment.
  • the method of manufacturing the electrode assembly 111 further includes the step of disposing the swelling tape 400 provided on the other side of the single-sided coating portion 140 that is not provided with the second active material layer 130. Includes.
  • one end of the second electrode 200 contracts or expands and stress is concentrated on the facing portion of the first electrode 100, which may cause cracks. If the swelling tape 400 provided on the other side not provided with the active material layer 130 is further included, the occurrence of cracks can be prevented.
  • the single-sided coating portion 140 further includes a swelling tape 400 provided on the other side of the single-sided coating portion 140 that is not provided with the second active material layer 130, it is used to connect the first active material layer 120 and the It may be provided so as not to overlap with the swelling tape 410 provided to cover the boundary of the coating portion 150, and as the swelling tape 400 expands, the current collector 110 of the first electrode is wound around the outer portion. By pushing toward the center of the winding, the current collector 110 of the first electrode can be brought into close contact with the battery can 620, thereby reducing resistance and having a heat dissipation effect.
  • a swelling tape 400 provided on the other side of the single-sided coating portion 140 that is not provided with the second active material layer 130
  • the swelling tape 400 provided on the other side not provided with the second active material layer 130 may be provided spaced apart (450) from the second active material layer 130 of the electrode assembly 111.
  • the swelling tape 400 spaced apart from the second active material layer (450) cracks due to stress concentration can be prevented when the swelling tape 400 is expanded by the electrolyte solution, and the first The current collector 110 of the electrode and the battery can 620 can be brought into close contact.
  • the method of manufacturing the electrode assembly 111 includes the swelling tape disposed to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 of the single-sided coated portion 140.
  • a suction pad 500 is provided on (410), and the swelling tape 410 is applied from the cross-sectional coated portion 140 of the first electrode to the uncoated portion 150 using the suction pad 500. It further includes the step of attaching while pushing.
  • the suction pad 500 may have a step portion 510 that is thicker in the direction of the cross-sectional coated portion 140 than the uncoated portion 150 of the first electrode.
  • the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 of the cross-section coated portion 140 of the first electrode is drawn.
  • the swelling tape 410 provided to cover the first electrode can be attached by pushing it from the cross-sectional coated portion 140 to the uncoated portion 150, thereby preventing the generation of bubbles and wrinkles in the swelling tape 410. This suppresses the occurrence of wrinkles in the current collector 110 of the first electrode.
  • an electrode assembly 111 provided by the above-described electrode assembly 111 manufacturing method is provided.
  • the contents of the electrode assembly 111 are the same as those of the electrode assembly 111 according to the above-described embodiment.
  • Figure 7 is a photograph showing a case where a seal tape is attached to the outer peripheral surface of a wound electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the seal tape 630 may be attached to both ends of the electrode assembly in the winding axis direction (H), and may be, for example, a PET tape, but is not limited thereto.
  • the first outermost portion of the electrode assembly 111 is exposed to the outside because the seal tape 630 is not attached.
  • the current collector 110 of the electrode may directly contact the battery can 620 and serve as an electrode tab.
  • the seal tape 630 may be attached to 90% or more, 92% or more, or 94% or more of the outer diameter of the electrode assembly 111.
  • the seal tape 630 may be attached to 100% or less, 99% or less, or 98% or less of the outer diameter of the electrode assembly 111.
  • the seal tape 630 prevents the outer diameter of the electrode assembly 111 from increasing, prevents the electrode assembly 111 from loosening, and prevents the electrode assembly 111 from being released from the battery. It can be easily inserted into the can 620.
  • Figure 8 is a photograph showing a case where no wrinkles occur in the current collector and swelling tape of the first electrode in the electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the first electrode of the electrode assembly 111 has a single-sided coating portion 140 provided with a first active material layer 120 on only one side of the current collector 110, and first and second active material layers.
  • the swelling tape 410 By providing the swelling tape 410 to cover the border of the uncoated portion 150 that is not provided with (120, 130), wrinkles of the current collector 110 and the swelling tape 410 can be prevented. You can.
  • the risk of defective appearance of the electrode assembly 111 is controlled, and the electrode assembly 111 is placed in a battery can during the assembly process of the secondary battery 600. The risk of damage to the electrode assembly 111 when inserted into (620) can be eliminated.
  • Figure 9 is a photograph showing a case in which a lifting phenomenon of the current collector of the first electrode occurs in the electrode assembly according to a comparative example of the present invention and a portion where the lifting height of the current collector of the first electrode is measured.
  • the first electrode of the electrode assembly 111 has a single-sided coating portion 140 provided with a first active material layer 120 on only one side of the current collector 110, and first and second active material layers.
  • the existing swelling tape 40 is provided on the uncoated portion 15 of the first electrode. At this time, due to the nature of the thin current collector, wrinkles are likely to occur when the swelling tape 40 is attached, thereby causing the first electrode to The electrode current collector 11 may be lifted. The lifting of the first electrode current collector 11 can be confirmed by measuring the lifting height (d) of the first electrode current collector using a 3D shape measuring device.
  • the lifting height (d) of the first electrode current collector refers to the height of the highest part in the space between the wound first electrode current collectors in the outer direction of the winding. This is measured to determine the lifting degree of the first electrode current collector. You can judge.
  • the swelling tape 410 provided to cover the boundary of the uncoated portion 150 is the outermost portion of the first electrode current collector 110 in the wound jelly roll-type electrode assembly 610. It is located on the inner peripheral surface, and the portion of the swelling tape 410 that covers the boundary between the first active material layer and the uncoated portion prevents the first electrode current collector 110 from being wrinkled and lifted, thereby forming the electrode assembly 111. ) can control the risk of defective appearance, and eliminate the risk of damage to the electrode assembly 111 when inserting the electrode assembly 111 into the battery can 620 during the assembly process of the secondary battery 600.
  • an electrode assembly 111 according to the above-described exemplary embodiment; electrolyte; and a secondary battery 600 including the electrode assembly 111 and a battery can 620 containing the electrolyte.
  • the current collector 110 of the first electrode is electrically connected to the battery can 620.
  • the secondary battery 600 stores the electrode assembly 111 according to the above-described embodiment in the battery can 620, and at this time, the swelling tape 410 expanded by the electrolyte is used to cover the first electrode current collector 110.
  • the first electrode current collector 110 is electrically connected to the battery can 620 so that it can function as a tab.
  • the swelling tape 410 is provided to cover the boundary between the first active material layer 120 and the uncoated portion 150 of the single-sided coated portion 140 of the first electrode 100, thereby forming the electrode assembly.
  • the secondary battery 600 may include an electrode assembly 111 according to the above-described embodiment, an electrolyte and a battery can 620 containing the same, and a top cap.
  • the first electrode 100 may be a cathode
  • the second electrode 200 may be an anode with a polarity opposite to that of the first electrode 100.
  • the first electrode 100 and the second electrode 200 may have a sheet shape.
  • the electrode assembly 111 may have, for example, a jellyroll shape. That is, the electrode assembly 111 is a laminate formed by sequentially stacking the first electrode 100, the separator 300, the second electrode 200, and the separator 300 at least once in the winding direction (W). It can be manufactured by winding.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode plate and the negative electrode active material coated on the negative electrode plate can be used without limitation as long as they are active materials known in the art.
  • Non-limiting examples of the positive electrode active material include common positive electrode active materials that can be used in the positive electrode of conventional electrochemical devices, especially lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide, or lithium composites combining these. Oxides can be used.
  • the positive electrode active material has the general formula A[ A Contains at least one element selected from Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x+y ⁇ 2, - 0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients of the components included in x, y, z and M are selected so that the compound remains electrically neutral.
  • the positive electrode active material is an alkali metal compound xLiM 1 O 2 -(1-x)Li 2 M 2 O 3 disclosed in US6,677,082, US6,680,143, etc.
  • M 1 is at least one element having an average oxidation state of 3
  • M 2 may include at least one element having an average oxidation state of 4; 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the positive electrode active material has the general formula Li a M 1 x Fe 1-x M 2 P y1-y M 3 z O 4-z
  • M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr , Mo, Ni, Nd, Al, Mg and Al
  • M 2 includes Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, Contains at least one element selected from As, Sb, Si, Ge, V and S
  • M 3 includes a halogen element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients of the components included in a, x, y, z, M 1 , M 2 , and M 3 are chosen so that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 ( PO 4 ) 3 may be lithium metal phosphate represented by [M includes at least one element selected from Ti
  • the positive electrode active material may include primary particles and/or secondary particles in which primary particles are aggregated.
  • Non-limiting examples of the negative electrode active material include common negative electrode active materials that can be used in the negative electrode of conventional electrochemical devices, especially lithium metal or lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, Lithium adsorption materials such as graphite or other carbons can be used.
  • the negative electrode active material may be carbon material, lithium metal or lithium metal compound, silicon or silicon compound, tin or tin compound, etc.
  • Metal oxides such as TiO 2 and SnO 2 with a potential of less than 2V can also be used as negative electrode active materials.
  • carbon materials both low-crystalline carbon and high-crystalline carbon can be used.
  • the separator 300 is a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, ethylene/methacrylate copolymer, etc. Can be used alone or by stacking them.
  • the separator 300 may use a typical porous non-woven fabric, for example, a non-woven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc.
  • At least one surface of the separator 300 may include a coating layer of inorganic particles. It is also possible that the separator 300 itself is made of a coating layer of inorganic particles. The particles constituting the coating layer may have a structure combined with a binder such that an interstitial volume exists between adjacent particles.
  • the inorganic particles may be made of an inorganic material with a dielectric constant of 5 or more.
  • the inorganic particles include Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), BaTiO 3 , hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO and Y 2 O 3 It may contain at least one substance selected from the group consisting of
  • the electrolyte may be a salt with a structure such as A + B - .
  • a + includes alkali metal cations such as Li + , Na + , K + or ions consisting of a combination thereof.
  • B - is F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3
  • the electrolyte can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • Organic solvents include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and dipropyl carbonate (DPC). , dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl- 2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone, or mixtures thereof may be used.
  • Another embodiment of the present invention provides a battery pack 700 including at least one secondary battery 600 described above.
  • the secondary battery 600 may be a cylindrical secondary battery.
  • the cylindrical secondary battery 600 according to the above-described embodiment can be used to manufacture the battery pack 700.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a battery pack 700 including secondary batteries 600 according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 700 includes an assembly of cylindrical secondary batteries 600 electrically connected and a pack housing 710 accommodating the same.
  • the cylindrical secondary battery 600 is a secondary battery 600 according to the above-described embodiment.
  • parts such as bus bars, cooling units, and external terminals for electrical connection of cylindrical secondary batteries are omitted.
  • the present invention provides a vehicle 800 including at least one battery pack 700 described above.
  • the battery pack 700 may be mounted in a vehicle 800.
  • the vehicle 800 may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle.
  • Motor vehicles include four-wheeled vehicles or two-wheeled vehicles.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a vehicle 800 including the battery pack 700 of FIG. 10 .
  • a vehicle 800 according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 700 according to an embodiment of the present invention.
  • the automobile 800 operates by receiving power from the battery pack 700 according to an embodiment of the present invention.
  • the negative electrode negative electrode current collector: Cu foil, negative electrode active material: 50 parts by weight each of artificial graphite and natural graphite
  • a sheet-shaped polyethylene separator the positive electrode (positive electrode current collector: Al foil, active material: LiCoO 2 ), and the polyethylene separator are sequentially stacked.
  • An electrode assembly was manufactured.
  • the thickness of the cathode was 187 ⁇ m (Cu foil current collector: 10 ⁇ m), the thickness of the anode was 147 ⁇ m (Al foil current collector: 15 ⁇ m), and two separators each having a thickness of 13 ⁇ m were used.
  • the negative electrode includes a single-sided coating portion of Cu foil provided with a negative electrode active material layer on the side opposite to the positive electrode and no negative electrode active material layer on the other side; and an uncoated portion in which a negative electrode active material layer is not provided on both sides of the Cu foil. Accordingly, a swelling tape made of polyurethane was attached to cover the boundary of the uncoated portion and the negative electrode active material layer provided on the side opposite to the positive electrode through the separator in the single-sided coated portion.
  • the swelling tape covering the negative electrode active material layer in the longitudinal direction (P) of the electrode assembly had a length of 2 mm and was positioned on the inner peripheral surface of the outermost portion of the Cu foil in the wound jelly roll-type electrode assembly. At this time, the area of the swelling tape covering the negative electrode active material layer was set to be 5% to 20%.
  • the swelling tape (PU material) was used with a length of 20 mm in the length direction (P) of the electrode assembly x 62 mm in the width direction (H) of the electrode assembly, and a thickness of 52 ⁇ m.
  • a swelling tape made of polyurethane was further attached to the outer peripheral surface of the outermost portion of the Cu foil in the jelly roll-type electrode assembly wound on the cathode. At this time, the swelling tape was attached to cover the end of the anode.
  • the swelling tape (PU material) was used with a length of 20 mm in the length direction (P) of the electrode assembly x 62 mm in the width direction (H) of the electrode assembly, and a thickness of 52 ⁇ m.
  • the laminated electrode assembly including the swelling tape was wound to manufacture a jelly roll-type electrode assembly (end diameter: 20.38 mm to 20.64 mm).
  • the cross-sectional diameter of the manufactured electrode assembly was 20.4 mm, and the length in the winding axis direction (H) was 66 mm.
  • seal tapes made of PET were attached to both ends of the winding shaft.
  • the seal tape (PET material) was used with a length of 62 mm in the length direction (P) of the electrode assembly x 10 mm in the width direction (H) of the electrode assembly, and a thickness of 22 ⁇ m.
  • ethylene carbonate (EC):ethylmethyl carbonate (EMC) was mixed at a volume ratio of 30:70, and LiPF 6 was added at 1.0 M.
  • a secondary battery was manufactured by injecting the dissolved electrolyte solution and sealing the cylindrical battery can with a cap assembly.
  • An electrode assembly and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that a swelling tape was attached to the negative electrode current collector so as not to cover the end of the negative electrode active material layer provided on the side opposite to the positive electrode.
  • Example 1 Wrinkles on the negative electrode current collector were observed visually and through visual inspection of the appearance of wrinkles formed on the uncoated area of the current collector due to air bubbles when attaching the swelling tape.
  • Example 1 all 1024 pieces, the same quantity as Comparative Example 1, were visually inspected, and the rest were not judged defective in the visual vision inspection, so visual inspection was not performed.
  • the external vision inspection is a test that inputs example photos of wrinkles into the vision system and determines that the product is defective if a similar case appears.
  • the lifting phenomenon of the negative electrode current collector when attaching the swelling tape was measured using a 3D shape measuring machine (Keyence Shape Measuring Machine, model name: Keyence Korea One-Shot 3D VR3200).
  • the degree of lifting of the negative electrode current collector is due to the lifting of the negative electrode current collector at the end of the negative electrode current collector provided at the winding end of the wound jelly roll-type electrode assembly, and the negative electrode current collector wound before the winding end is It was determined by measuring the height in the space formed between the .
  • the lifting height (d) of the negative electrode current collector was determined by measuring the height of the highest part in the space between the wound negative electrode current collectors toward the outer edge of the winding, when the diameter of the end of the electrode assembly is 20.38 mm to 20.64 mm. , if the lifting height (d) of the negative electrode current collector was 0.8 mm or more, it was judged to be defective.
  • the outer diameter of the end perpendicular to the winding axis direction of the wound jelly roll-type electrode assembly was measured with an outer diameter measuring device of a winder conveyor, or with a gono gauge in which holes were pre-drilled for each diameter.
  • the diameter of the end perpendicular to the winding axis direction of the electrode assembly manufactured according to Example 1 was 20.38 mm to 20.64 mm. Accordingly, when the diameter of the end perpendicular to the winding axis direction of the electrode assembly exceeded 20.64 mm, it was indicated that there was a defect in the outer diameter.
  • an insertion guide that facilitates insertion of the jelly roll into the can is used. If the electrode assembly does not enter the insertion guide and is ejected in error, This was removed from the battery can again and visually inspected to indicate that there was damage when the battery can was inserted.
  • the separator had wrinkles or folds transferred from the wrinkles of the swelling tape, it was observed with the naked eye to indicate that the separator had wrinkles. At this time, wrinkles were not simply wrinkles in the form of swells, but were defined as wrinkles that felt foreign when touched with the hand.
  • Example 1 all 1024 pieces, which were the same quantity as Comparative Example 1, were visually inspected, and the rest were not judged defective in the visual vision inspection, so visual inspection was not performed.
  • the external vision inspection is a test that inputs example photos of wrinkles into the vision system and determines that the product is defective if a similar case appears.
  • Example 1 Comparative Example 1 Number of electrode assemblies 59,200 1,024 Wrinkles on the cathode current collector 0 Occurs most often Excitation of the cathode current collector 0 80 Outer diameter defective 0 22 Damaged when inserting the battery can 0 16 wrinkles in the separator 0 12

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Abstract

본 발명은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극의 어느 한 단부는 상기 집전체의 일면에 제1 활물질층이 구비되고, 타면에 제2 활물질층이 구비되지 않은 단면 코팅부; 및 상기 집전체의 양면에 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부를 포함하고, 상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프를 포함하는 전극 조립체, 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩, 자동차 및 전극 조립체 제조방법을 제공한다.

Description

전극 조립체, 전극 조립체 제조방법, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전극 조립체, 전극 조립체 제조방법, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 본 출원은 2022년 07월 05일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0082557호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다.
또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 이차 전지를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 이차 전지의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명은 전극 조립체의 음극에서 활물질층이 단면에만 구비된 단면 코팅부와 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부의 경계를 덮도록 스웰링 테이프를 구비하여 고에너지 밀도 구현이 가능한 전극 조립체 및 전극 조립체 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 하나의 목적은 상기와 같은 개선된 구조를 가진 전극 조립체를 포함하는 이차전지, 배터리 팩 및 자동차를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극의 어느 한 단부는 상기 집전체의 일면에 제1 활물질층이 구비되고, 타면에 제2 활물질층이 구비되지 않은 단면 코팅부; 및 상기 집전체의 양면에 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부를 포함하고, 상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프를 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 단계로서, 상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극의 어느 한 단부는 상기 집전체의 일면에 제1 활물질층이 구비되고, 타면에 제2 활물질층이 구비되지 않은 단면 코팅부, 및 상기 집전체의 양면에 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부를 포함하는 것인 전극 조립체를 제조하는 단계; 및 상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프를 배치하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차를 제공한다.
고용량 고출력을 요하는 이차 전지의 개발 추세에 따라 한정된 공간안에 많은 양의 전극을 넣기 위해 집전체나 분리막의 두께, 전지 캔 및 탑 캡 등의 크기나 구조를 변경하며 최적화를 진행하고 있다.
음극의 구리 집전체를 외곽 탭으로 활용하는 경우, 기존의 전극 조립체에서의 외곽 탭과 분리막을 제거하여 전지 캔에 집전체가 직접 맞닿아 전기적으로 연결되므로 분리막 및 외곽 탭의 투입량을 줄일 수 있고, 전극 조립체의 외경을 감소시켜 상기 전지 캔 내에서 공간 확보가 가능하며, 원가가 절감될 수 있다.
또한, 음극의 구리 집전체를 외곽 탭으로 활용하는 경우에 전지 캔 내에서 공간을 확보하여 이차 전지의 용량을 구현하거나 출력을 개선할 수 있으며, 구리 집전체가 전지 캔에 맞닿아 열을 전달하는 면적이 증가하므로 발열수준이 개선되어 전극의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
기존의 전극 조립체에서 음극 집전체의 단면 코팅부가 아닌 미코팅부에 스웰링 테이프가 부착되는 경우에는 와인더 기기에서 절단된 스웰링 테이프를 이송하여 음극에 내려놓게 되는데, 이 때 얇은 집전체의 특성상 주름이 발생하여 추후 이차 전지 조립 공정에서 전극 조립체를 전지 캔에 삽입 시 전극 조립체가 손상될 위험이 있다.
본 발명의 실시상태들에 따르면, 전극 조립체는 음극에서 활물질층이 단면에만 구비된 단면 코팅부와 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부의 경계를 덮도록 스웰링 테이프를 구비함으로써, 상기 집전체의 주름 및 스웰링 테이프에 발생하는 기포를 최소화하여 외관 불량 리스크를 제어하고, 전극 조립체의 외경이 증가되는 것을 방지하며, 이차 전지 조립 공정에서 전극 조립체를 전지 캔에 삽입 시 전극 조립체가 손상될 위험을 해소할 수 있다.
이로써 음극 집전체에 형성된 주름 등으로 인하여 발생될 수 있는 안전상의 문제점들을 해소할 수 있으며, 이에 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있다. 따라서, 고에너지 밀도 구현이 가능하며, 고용량 고출력의 이차 전지를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 유리한 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 기존 전극 조립체에서 제1 전극과 제2 전극이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 (a) 및 (b)는 본 발명의 비교예에 따른 기존 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체에 주름이 발생한 경우를 나타내는 사진이다.
도 3 (a)는 본 발명의 비교예에 따른 기존 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프에 주름 및 기포가 발생한 경우를 나타내는 사진이고, (b)는 상기 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프의 주름 및 기포가 분리막에 전사된 경우를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에서 제1 전극과 제2 전극이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에서 제1 전극과 제2 전극이 대면하는 형태를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체가 권취된 젤리롤에서 권취축 방향에 수직인 단부를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 권취된 전극 조립체의 외주면에 씰 테이프를 부착한 경우를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프에 주름 및 기포가 발생하지 않은 경우를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체의 들뜸 현상이 발생하는 경우 및 제1 전극의 집전체의 들뜸 높이를 측정하는 부분을 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
[부호의 설명]
1, 111: 전극 조립체
10, 100: 제1 전극
11, 110: 제1 전극 집전체
12, 120: 제1 전극의 제1 활물질층
13, 130: 제1 전극의 제2 활물질층
14, 140: 제1 전극의 단면 코팅부
15, 150: 제1 전극의 미코팅부
20, 200: 제2 전극
30, 300: 분리막
40, 400: 스웰링 테이프
410: 제1 활물질층과 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프
420: 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이
430: 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 면적
440: 미코팅부를 덮은 스웰링 테이프의 길이
450: 제2 활물질층과 스웰링 테이프의 이격 길이
460: 스웰링 테이프의 길이
470: 스웰링 테이프의 폭
50, 500: 흡착패드
510: 흡착패드의 단차부
600: 이차 전지
610: 젤리롤
620: 전지 캔
630: 씰 테이프
700: 배터리 팩
710: 팩 하우징
800: 자동차
W: 권취 방향
P: 전극 조립체의 길이 방향, 권취축에 수직인 방향
H: 전극 조립체의 폭 방향, 권취축 방향
d: 제1 전극 집전체의 들뜸 높이
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 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 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
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.
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.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극(100), 분리막(300) 및 제2 전극(200)이 적층된 전극 조립체(111)로서, 상기 제1 전극(100)은 집전체(110) 및 상기 집전체(110)의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)을 포함하고, 상기 제1 전극(100)의 어느 한 단부는 상기 집전체(110)의 일면에 제1 활물질층(120)이 구비되고, 타면에 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 단면 코팅부(140); 및 상기 집전체(110)의 양면에 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)를 포함하고, 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)를 포함하는 전극 조립체(111)를 제공한다.
전극 조립체(111)는 제1 전극의 집전체(110)의 일면에만 제1 활물질층(120)이 구비된 단면 코팅부(140)와 제1 및 제 2 활물질층(120, 130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 스웰링 테이프(410)를 구비함으로써, 상기 집전체(110)의 주름 발생을 최소화하여 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지(600) 조립 공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 전극 조립체(111)가 손상되는 위험을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 기존 전극 조립체(1)에서 제1 전극(10)과 제2 전극(20)이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 기존의 전극 조립체(1)에서 제1 전극 집전체(11)의 상기 단면 코팅부(14)가 아닌 상기 미코팅부(15)에 스웰링 테이프(40)가 부착되는 경우, 와인더 기기에서 절단된 스웰링 테이프(40)를 이송하여 제1 전극(10)에 내려놓게 되는데, 이 때 얇은 집전체(11)의 특성상 주름이 발생하여 추후 이차 전지 조립 공정에서 전극 조립체(1)를 전지 캔에 삽입 시 전극 조립체(1)가 손상될 위험이 있다.
도 2 (a) 및 (b)는 본 발명의 비교예에 따른 기존 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체에 주름 및 들뜸이 발생한 경우를 나타내는 사진이고, 도 3 (a)는 본 발명의 비교예에 따른 기존 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프에 주름 및 기포가 발생한 경우, (b)는 상기 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프의 주름 및 기포가 분리막에 전사된 경우를 나타내는 사진이다.
도 2 (a) 및 (b)를 참조하면, 기존의 전극 조립체에서 제1 전극 집전체(11)의 상기 단면 코팅부(14)가 아닌 상기 미코팅부(15)에 스웰링 테이프(40)가 부착되는 경우, 얇은 집전체(11)의 특성상 주름 및 들뜸이 발생할 수 있다. 상기 제1 전극의 집전체(11)에 주름 및 들뜸이 발생하면 추후 이차 전지 조립 공정에서 전극 조립체(1)를 전지 캔에 삽입 시 상기 제1 전극의 집전체(11)가 찢어지거나 접히는 등 전극 조립체(1)가 손상될 수 있다.
도 3 (a)는 기존의 전극 조립체에서 제1 전극 집전체의 상기 단면 코팅부가 아닌 상기 미코팅부에 스웰링 테이프가 부착되는 경우, 왼쪽 사진은 상기 스웰링 테이프 부착시 기포 등이 발생하여 상기 스웰링 테이프에 주름 및 기포가 발생한 경우를 나타내며, 오른쪽 사진은 상기 스웰링 테이프 부착시 주름 및 기포 등의 발생으로 인하여 상기 제1 전극의 집전체에 주름이 발생한 경우를 나타낸다.
도 3 (b)는 상기 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프에 발생한 주름 및 기포가 분리막에 전사된 경우를 나타낸다.
도 3 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 제1 전극의 집전체(11) 및 스웰링 테이프(40)에 발생한 주름이 분리막(30)까지 전사되면 전극에도 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 예컨대 전극 활물질이 석출되는 위험이 있을 수 있다.
또한, 제1 전극의 집전체(11)에 주름이 발생한 경우, 이를 포함하는 전극 조립체(1)를 캔에 삽입할 때 최외곽부의 상기 집전체(11)가 찢어지는 등 전극 조립체(1)가 손상될 수도 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(111)에서 제1 전극(100)과 제2 전극(200)이 대면하는 형태를 개략적으로 나타내는 도면 및 사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(111)가 권취된 젤리롤(610)에서 권취축 방향에 수직인 단부를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4 내지 6을 참조하면, 전극 조립체(111)는 제1 전극 집전체(110)의 일면에만 제1 활물질층(120)이 구비된 단면 코팅부(140)와 제1 및 2 활물질층(120, 130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 스웰링 테이프(410)를 구비함으로써, 상기 제1 전극 집전체(110)의 주름 발생을 최소화하여 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지 조립 공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 상기 전극 조립체(111)가 손상되는 위험을 해소할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전극 조립체(111)는 제1 전극(100), 분리막(300) 및 제2 전극(200)이 적층된 구조로서, 상기 제1 전극은 집전체(110) 및 상기 집전체(110)의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)을 포함한다.
상기 제1 전극(100)의 어느 한 단부는 상기 집전체(110)의 일면에 제1 활물질층(120)이 구비되고, 타면에 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 단면 코팅부(140); 및 상기 집전체(110)의 양면에 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)를 포함한다.
또한, 상기 전극 조립체(111)는 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)를 포함한다.
상기 제1 전극(100)의 유지부에서부터 상기 스웰링 테이프(410)가 부착됨으로써, 스웰링 테이프(410) 내의 기포 및 주름 발생을 억제할 수 있고, 이로 인해 상기 제1 전극의 집전체(110)의 주름 발생을 최소화할 수 있다.
이러한 제1 전극(100)은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)을 제1 전극 집전체(110)에 결착된 형태로 제조할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 전극(100)의 단면 코팅부(140)에서 상기 집전체(110)의 일면에 구비된 제1 활물질층(120)은 상기 제1 전극(100)의 유지부일 수 있으며, 상기 제1 전극(100)에서 상기 집전체(110)의 양면에 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)는 상기 제1 전극(100)의 무지부일 수 있다.
상기 스웰링 테이프(410)는 상기 제1 전극(100)에서 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비됨으로써, 추후 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납 시 전해액에 의하여 스웰링 테이프(410)가 팽창되는 경우에 권취된 전극 조립체(111)를 권취 중심부에서 권취 외곽부 방향으로 밀어줘 상기 제1 전극 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿게 하여 탭 역할을 할 수 있도록 한다.
이 때, 상기 권취된 전극 조립체(111)의 권취 중심부는 전극 조립체(111)의 코어부일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111)는 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)를 더 포함한다.
상기 전극 조립체(111)가 충방전을 반복할 때, 제2 전극(200)의 일 단부가 수축 또는 팽창하면서 대면하는 제1 전극 부분에 응력이 집중되어 크랙이 발생할 수 있는데 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)를 더 포함하는 경우, 상기 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)를 더 포함하는 경우, 이는 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)와 겹치지 않게 구비되고, 상기 스웰링 테이프(400)가 팽창하며 제1 전극의 집전체(110)를 권취 외곽부에서 권취 중심부 방향으로 밀어줘서 상기 제1 전극의 집전체(110)가 전지 캔(620)에 잘 밀착하게 하여 저항 감소 및 방열 효과를 가질 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제1 활물질층(120)은 상기 분리막(300)을 개재하여 상기 제2 전극(200)에 대향하는 면에 구비되고, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)으로 상기 제2 전극(200)보다 길게 구비된다.
상기 전극 조립체(111)는 권취된 젤리롤형일 수 있으며, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)은 권취된 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향(P)을 의미한다.
상기 제1 활물질층(120)이 상기 분리막(300)을 개재하여 상기 제2 전극(200)에 대향하는 면에서 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)으로 상기 제2 전극(200)보다 길게 구비됨으로써, 상기 전극 조립체(111)의 권취 시에도 상기 제1 활물질층(120)이 상기 분리막(300)을 개재하여 상기 제2 전극(200)에 대향하도록 위치할 수 있으며, 이 때 전극 조립체(111) 충전 시에도 분리막(300)의 손상을 방지하고, 전지의 수명 감소를 방지할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111)의 제2 활물질층(130)은 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)으로 상기 제2 전극(200)보다 짧게 구비된다.
상기 전극 조립체(111)는 권취된 젤리롤형일 수 있으며, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)은 권취된 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향(P)을 의미한다.
상기 제2 활물질층(130)이 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)으로 상기 제2 전극(200)보다 짧게 구비됨으로써, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)으로 상기 제2 전극(200)보다 길게 구비되는 상기 제1 활물질층(120) 대비 짧게 구비될 수 있다. 이에, 제1 전극(100)의 제1 및 제2 활물질층(130)은 미스매치 형태로 구비될 수 있으며, 상기 전극 조립체(111)의 권취 시에 젤리롤(610)의 외주면에 구비되는 제1 전극 집전체(110)가 외곽부 방향으로 노출될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111)는 권취된 젤리롤형이고, 상기 제1 전극(100)은 상기 권취된 젤리롤형 전극 조립체(610)의 최외곽 전극이다.
상기 제1 전극(100)은 상기 권취된 젤리롤형 전극 조립체(610)의 최외곽 전극으로, 상기 권취된 젤리롤(610)의 외주면에서 상기 제1 전극(100)에 포함되는 제1 전극 집전체(110)가 외곽부 방향으로 노출될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)는 상기 젤리롤형 전극 조립체(610)의 제1 전극(100) 내주면에 구비된다. 이에, 제1 전극의 집전체(110)를 외곽 탭으로 하여 상기 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿아 열을 전달하는 면적이 증가될 수 있으므로 발열수준이 개선되어 전극의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
상기 권취된 젤리롤형 전극 조립체(610)의 최외곽 전극인 제1 전극(100)에서 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 상기 스웰링 테이프(410)를 포함함으로써, 추후 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납 시 전해액에 의하여 스웰링 테이프(410)가 팽창되는 경우에 권취된 전극 조립체(111)를 권취 중심부에서 권취 외곽부 방향으로 밀어줘 상기 제1 전극 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿게 하여 탭 역할을 할 수 있도록 한다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111)에서 제1 전극의 집전체(110)는 구리를 포함한다. 상기 전극 조립체(111)에서 제1 전극의 집전체(110)는 당업계에 공지된 물질이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 제1 전극의 집전체(110)의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
일 예에 따르면, 상기 전극 조립체(111)에서 제1 전극의 집전체(110)가 구리를 포함하는 경우, 추후 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납 시 상기 제1 전극 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿게 하여 탭 역할을 할 수 있으며, 이 때 상기 제1 전극 집전체(110)는 상기 전지 캔(620)과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 전극 조립체(111)에서 제1 전극(100)은 음극이고, 상기 제2 전극(200)은 양극이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111)에서 전극 조립체의 길이 방향(P)에서 상기 스웰링 테이프의 길이(460)는 30mm 이하이다.
상기 전극 조립체(111)는 권취된 젤리롤형일 수 있으며, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)은 권취된 전극 조립체의 권취축에 수직인 방향(P)을 의미한다.
상기 스웰링 테이프의 길이(460)는 30mm 이하, 28mm 이하, 25mm 이하, 23mm 이하, 또는 21mm 이하일 수 있다. 상기 스웰링 테이프의 길이(460)는 10mm 이상, 13mm 이상, 15mm 이상, 또는 17mm 이상일 수 있다.
상기 스웰링 테이프의 길이(460)가 30mm 초과인 경우, 하나의 긴 스웰링 테이프가 상기 미코팅부에 부착되는 부착면적이 길어져서 제1 전극 집전체의 주름이 심해질 수 있다. 상기 스웰링 테이프의 길이(460)가 10mm 미만인 경우, 추후 전극 조립체를 전지 캔에 수납 시 전해액에 의하여 팽창된 스웰링 테이프가 전극 조립체를 권취 중심부에서 권취 외곽부 방향으로 밀어주는 힘이 약해 상기 제1 전극 집전체가 탭으로 사용되지 못할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)에서 상기 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이(420)는 1mm 내지 3mm 일 수 있다. 상기 범위는 전극 조립체의 크기, 길이 및 비율에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
일 예로, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)에서 상기 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이(420)는 1mm 이상, 1.3mm 이상, 또는 1.5mm 이상일 수 있다. 일 예로, 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)에서 상기 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이(420)는 3mm 이하, 2.7mm 이하, 또는 2.5mm 이하일 수 있다.
상기 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이(420)가 상기 범위를 만족할 때, 상기 스웰링 테이프(410)에 발생하는 기포를 최소화하여 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지(600) 조립공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 전극 조립체(111)가 손상될 위험을 해소할 수 있다.
상기 스웰링 테이프의 길이(460)는 상기 전극 조립체의 길이 방향(P)에서 상기 제1 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이(420) 및 상기 미코팅부를 덮은 스웰링 테이프의 길이(440)를 합한 길이와 같다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111)에서 상기 전극 조립체의 폭 방향(H)에서 상기 스웰링 테이프의 폭(470)은 상기 전극 조립체 폭 100% 대비 50% 이상이다.
상기 전극 조립체(111)는 권취된 젤리롤형일 수 있으며, 상기 전극 조립체의 폭 방향(H)은 권취된 전극 조립체의 권취축 방향(H)을 의미한다.
상기 스웰링 테이프의 폭(470)은 상기 전극 조립체 폭 100% 대비 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 또는 70% 이상일 수 있다. 상기 스웰링 테이프의 폭(470)은 상기 전극 조립체 폭 100% 대비 100% 이하, 98% 이하, 또는 96% 이하일 수 있다.
상기 스웰링 테이프의 폭(470)이 상기 범위를 만족할 때, 추후 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납 시 전해액에 의하여 스웰링 테이프(410)가 팽창하여 상기 제1 전극 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿게 하여 탭 역할을 효과적으로 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 스웰링 테이프(410)는 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)의 단부를 덮도록 구비되고, 상기 제1 활물질층(120)을 덮은 상기 스웰링 테이프의 면적(430)이 5% 내지 20%이다.
상기 제1 활물질층(120)을 덮은 상기 스웰링 테이프의 면적(430)은 5% 이상, 6% 이상, 7% 이상, 또는 8% 이상이다. 상기 제1 활물질층(120)을 덮은 상기 스웰링 테이프의 면적(430)은 20% 이하, 18% 이하, 16% 이하, 또는 14% 이하이다.
상기 제1 활물질층(120)을 덮은 상기 스웰링 테이프의 면적(430)이 상기 범위를 만족할 때, 상기 스웰링 테이프(410)에 발생하는 기포를 최소화하여 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지(600) 조립공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 전극 조립체(111)가 손상될 위험을 해소할 수 있다.
또한, 추후 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납 시 전해액에 의하여 팽창된 스웰링 테이프(410)가 상기 제1 전극 집전체(110)를 전지 캔(620)에 맞닿게 할 수 있어 탭 역할을 효과적으로 할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 스웰링 테이프(410)는 제2 전극(200)과 겹쳐지지 않는다.
상기 스웰링 테이프(410)가 상기 제2 전극(200)과 겹쳐지지 않도록 하여 상기 제2 전극(200)의 리튬이온을 충분히 활용할 수 있으며, 상기 제1 전극(100)의 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비되어 제1 전극의 무지부에 효과적으로 부착될 수 있다. 이에 제1 전극의 무지부인 제 1 전극 집전체(110)를 외곽부로 밀어주어 전지 캔(620)에 잘 맞닿게 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 스웰링 테이프(410)는 전해액에 의해 팽창된다. 상기 전해액은 유기 용매를 포함할 수 있으며, 예컨대, 이는 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC)일 수 있다. 상기 전해액의 용매에 의해서 상기 스웰링 테이프(410)가 팽창될 수 있다.
상기 스웰링 테이프(410)는 활성화 공정 및 사이클을 거치며 팽창될 수 있다. 이 때, 스웰링 테이프(410)의 팽창여부는 활성화 공정 후 사이클 진행에 따른 직류 저항값(DCR)의 수렴여부로 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 조립체(111)가 권취된 형태인 젤리롤(610)의 외경에 따라 교류저항값(ACR)의 산포가 달라질 수 있다. 즉, 젤리롤(610)의 외경이 크면 상기 제 1 전극 집전체(110)가 상기 전지 캔(620)에 충분히 닿을 수 있어 저항이 낮아지므로 교류저항값(ACR)은 작고, 반대로 젤리롤(610)의 외경이 작으면 상기 제 1 전극 집전체(110)가 상기 전지 캔(620)에 충분히 닿지 못해 상대적으로 저항이 커지므로 교류저항값(ACR)은 크다.
활성화 공정 후 사이클을 진행하게 되면 교류저항값(ACR)이 아닌 직류저항값(DCR)으로 셀의 성능을 알 수 있으며, 상기 직류저항값(DCR)은 사이클 초반에는 차이가 나지만, 사이클이 진행되면서 상기 스웰링 테이프(410)가 충분히 팽창됨에 따라 상기 직류저항값(DCR)은 일정한 값으로 수렴할 수 있다.
따라서, 직류저항값(DCR)의 수렴된 수치로 상기 스웰링 테이프(410)가 충분히 팽창되었다고 판단할 수 있다. 예컨대, 활성화 공정 후 100 사이클 진행 후 직류 저항값(DCR)이 동등한 직류 저항값(DCR)으로 수렴하는 것으로 스웰링 테이프(410)가 충분히 팽창되었다고 판단할 수 있다.
Resistance
(N=10)		 0.3C/0.5C Cycle
ACR
(mΩ)		 DCR
(mΩ)
@ 0 cycle @ 50 cycle @ 100 cycle
저항 상 16.3 22.3 21.8 21.9
저항 중 14.5 21.9 21.6 21.9
저항 하 13.8 21.8 21.5 22.0
일 예로, 상기 표 1을 참조하면, 서로 다른 교류저항값(ACR)을 갖는 셀이 100 사이클 진행 후 동등한 직류 저항값(DCR)으로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 이로써 본 발명에 따른 스웰링 테이프(410)가 충분히 팽창되었다고 판단할 수 있다. 상기 스웰링 테이프(410)는 액체에 함침되어 팽창되거나 유연해지는 것일 수 있으며, 이는 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
상기 고분자 물질은 상기 고분자 물질이 가지는 하나의 특성으로, 고분자 물질의 사슬 사이로 용매 분자가 침투하여 부피가 증가될 수 있다. 따라서, 스웰링 테이프(410)는 전해액을 흡수하면 팽창되거나 유연해지므로, 추후 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납 시 전해액에 의하여 상기 스웰링 테이프(410)가 팽창하여 상기 제1 전극 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿게 하여 탭 역할을 효과적으로 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 스웰링 테이프(410)는 폴리우레탄을 포함한다. 상기 스웰링 테이프(410)는 전해액에 의해 팽창되는데, 이 때 전해액의 용매에 의해서 상기 스웰링 테이프(410)에 포함된 폴리우레탄이 팽창할 수 있다. 상기 스웰링 테이프(410)가 팽창함으로써 상기 제1 전극 집전체(110)는 전지 캔(620)에 맞닿아서 탭 역할을 효과적으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제1 전극(100), 분리막(300) 및 제2 전극(200)을 적층하여 전극 조립체(111)를 제조하는 단계로서, 상기 제1 전극(100)은 집전체(110) 및 상기 집전체(110)의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)을 포함하고, 상기 제1 전극(100)의 어느 한 단부는 상기 집전체의 일면에 제1 활물질층(120)이 구비되고, 타면에 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 단면 코팅부(140), 및 상기 집전체(110)의 양면에 제1 활물질층(120) 및 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)를 포함하는 것인 전극 조립체를 제조하는 단계; 및 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)를 배치하는 단계를 포함하는 전극 조립체(111) 제조방법을 제공한다.
상기 전극 조립체(111)의 제1 전극이 집전체(110)의 일면에만 제1 활물질층(120)이 구비된 단면 코팅부(140)와 제1 및 2 활물질층(120, 130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)를 포함함으로써, 상기 집전체(110)의 주름 발생을 최소화하여 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지(600) 조립 공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 전극 조립체(111)가 손상되는 위험을 해소할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 전극 조립체(111)에 대한 내용은 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체(111)의 내용과 같다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111) 제조방법은 상기 단면 코팅부(140)의 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)를 배치하는 단계를 더 포함한다.
상기 전극 조립체(111)가 충방전을 반복할 때, 제2 전극(200)의 일 단부가 수축 또는 팽창하면서 대면하는 제1 전극(100) 부분에 응력이 집중되어 크랙이 발생할 수 있는데 상기 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)를 더 포함하는 경우, 상기 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)를 더 포함하는 경우, 이는 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)와 겹치지 않게 구비될 수 있고, 상기 스웰링 테이프(400)가 팽창하면서 제1 전극의 집전체(110)를 권취 외곽부에서 권취 중심부 방향으로 밀어줘서 상기 제1 전극의 집전체(110)가 전지 캔(620)에 잘 밀착하게 하여 저항 감소 및 방열 효과를 가질 수 있다.
상기 제2 활물질층(130)이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프(400)는 상기 전극 조립체(111)의 제2 활물질층(130)과 이격(450)되어 구비될 수 있다. 상기 스웰링 테이프(400)가 상기 제2 활물질층과 이격(450)되어 구비됨으로써, 상기 스웰링 테이프(400)가 전해액에 의해 팽창되는 경우 응력 집중에 의한 크랙 발생을 방지할 수 있으며, 제1 전극의 집전체(110)와 전지 캔(620)이 잘 밀착되도록 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체(111) 제조방법은 상기 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 배치된 상기 스웰링 테이프(410) 상에 흡착패드(500)가 구비되고, 상기 흡착패드(500)를 이용하여 제1 전극의 단면 코팅부(140)에서 미코팅부(150) 방향으로 상기 스웰링 테이프(410)를 밀면서 부착하는 단계를 더 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 흡착패드(500)는 상기 제1 전극의 미코팅부(150)보다 단면 코팅부(140) 방향으로 두께가 더 두꺼운 단차부(510)를 가질 수 있다.
상기 단차부(510)를 구비한 상기 흡착패드(500)를 이용하여, 상기 제1 전극의 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)를 상기 제1 전극의 단면 코팅부(140)로부터 미코팅부(150) 방향으로 밀면서 부착할 수 있어, 상기 스웰링 테이프(410) 내의 기포 및 주름 발생을 억제하고, 이로 인하여 상기 제1 전극의 집전체(110)의 주름 발생을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전술한 전극 조립체(111) 제조방법에 의하여 구비되는 것인 전극 조립체(111)를 제공한다.
상기 전극 조립체(111)에 대한 내용은 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체(111)의 내용과 같다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 권취된 전극 조립체의 외주면에 씰 테이프를 부착한 경우를 나타내는 사진이다.
도 6 및 7을 참조하면, 씰 테이프(630)는 상기 전극 조립체의 권취축 방향(H)으로 양 단부에 부착될 수 있으며, 일 예로, PET 테이프일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 씰 테이프(630)가 상기 전극 조립체의 권취축 방향(H)으로 양 단부에 부착됨으로써, 상기 씰 테이프(630)가 부착되지 않아서 외부로 노출되는 상기 전극 조립체(111)의 최외곽부의 제1 전극의 집전체(110)는 전지 캔(620)에 직접 닿아 전극 탭의 역할을 할 수 있다.
상기 씰 테이프(630)는 상기 전극 조립체(111)의 외경을 기준으로 90% 이상, 92% 이상, 또는 94% 이상으로 부착될 수 있다. 상기 씰 테이프(630)는 상기 전극 조립체(111)의 외경을 기준으로 100% 이하, 99% 이하, 또는 98% 이하로 부착될 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 상기 씰 테이프(630)는 상기 전극 조립체(111)의 외경의 지름이 증가하는 것을 방지하고, 상기 전극 조립체(111)의 풀림을 방지하며, 상기 전극 조립체(111)이 전지 캔(620)에 삽입되는 것을 용이하게 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체 및 스웰링 테이프에 주름이 발생하지 않은 경우를 나타내는 사진이다.
도 4 및 8을 참조하면, 상기 전극 조립체(111)의 제1 전극이 집전체(110)의 일면에만 제1 활물질층(120)이 구비된 단면 코팅부(140)와 제1 및 2 활물질층(120, 130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 스웰링 테이프(410)를 구비함으로써, 상기 집전체(110) 및 상기 스웰링 테이프(410)의 주름 발생을 방지할 수 있다. 상기 집전체(110) 및 상기 스웰링 테이프(410)의 주름 발생을 방지하여 상기 전극 조립체(111)의 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지(600) 조립 공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 전극 조립체(111)가 손상되는 위험을 해소할 수 있다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체에서 제1 전극의 집전체의 들뜸 현상이 발생하는 경우 및 제1 전극의 집전체의 들뜸 높이를 측정하는 부분을 나타내는 사진이다.
도 4 및 9를 참조하면, 상기 전극 조립체(111)의 제1 전극이 집전체(110)의 일면에만 제1 활물질층(120)이 구비된 단면 코팅부(140)와 제1 및 2 활물질층(120, 130)이 구비되지 않은 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 스웰링 테이프(410)를 구비함으로써, 상기 집전체(110)의 들뜸 발생을 방지할 수 있다.
기존의 스웰링 테이프(40)는 제1 전극의 미코팅부(15)에 구비되는데, 이 때 얇은 집전체의 특성상 상기 스웰링 테이프(40) 부착 시에 주름이 발생하기 쉽고, 이에 의하여 제1 전극 집전체(11)가 들뜰 수 있다. 상기 제1 전극 집전체(11)의 들뜸은 제1 전극 집전체의 들뜸 높이(d)를 3D 형상측정기로 측정하여 확인할 수 있다.
권취된 젤리롤형 전극 조립체의 권취 종결부에 구비된 제1 전극 집전체의 단부에서는 상기 제1 전극 집전체의 들뜸으로 인하여 상기 권취 종결부 이전에 권취된 제1 전극 집전체와의 사이에 공간을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극 집전체의 들뜸 높이(d)는 상기 권취된 제1 전극 집전체 사이의 공간에서 권취 외곽 방향으로 가장 높은 부분의 높이를 말하는 것으로, 이를 측정하여 제1 전극 집전체의 들뜸 정도를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프(410)는 권취된 젤리롤형 전극 조립체(610)에서 상기 제1 전극 집전체(110) 최외곽부의 내주면에 위치하는데, 상기 스웰링 테이프(410)에서 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮은 부분으로 인하여 상기 제1 전극 집전체(110)의 주름 및 들뜸을 방지하여 상기 전극 조립체(111)의 외관 불량 리스크를 제어하고, 이차 전지(600) 조립 공정에서 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 삽입 시 전극 조립체(111)가 손상되는 위험을 해소할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체(111); 전해질; 및 상기 전극 조립체(111)와 상기 전해질을 수납하는 전지 캔(620)을 포함하는 이차 전지(600)를 제공한다.
일 예에 따르면, 상기 제1 전극의 집전체(110)는 상기 전지 캔(620)과 전기적으로 연결된다.
상기 이차 전지(600)는 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체(111)를 전지 캔(620)에 수납하고 이 때 전해액에 의하여 팽창된 스웰링 테이프(410)가 제1 전극 집전체(110)를 권취 중심부에서 권취 외곽부 방향으로 밀어줘서 상기 제1 전극 집전체(110)가 상기 전지 캔(620)과 전기적으로 연결되어 탭 역할을 할 수 있도록 한다.
상기 스웰링 테이프(410)는 상기 제1 전극(100)에서 단면 코팅부(140)의 상기 제1 활물질층(120)과 상기 미코팅부(150)의 경계를 덮도록 구비됨으로써, 상기 전극 조립체(111)를 상기 전지 캔(620)에 수납 시 전해액에 의하여 전극 조립체(111)가 팽창되는 경우에 권취된 전극 조립체(111)를 권취 중심부에서 권취 외곽부 방향으로 밀어줘서 상기 제1 전극 집전체(110)가 전지 캔(620)에 맞닿게 하여 탭 역할을 할 수 있도록 한다.
상기 이차 전지(600)는 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체(111), 전해질 및 이를 수납하는 전지 캔(620), 및 탑 캡을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(111)에서 제1 전극(100)은 음극일 수 있고, 제2 전극(200)은 제1 전극(100)과 반대되는 극성인 양극에 해당할 수 있다. 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200)은 시트 형상을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(111)는, 예를 들어 젤리롤(jellyroll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(111)는 제1 전극(100), 분리막(300), 제2 전극(200), 분리막(300)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 방향(W)으로 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용할 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2Py1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
음극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 사용 가능하다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
양극집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
분리막(300)은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막(300)은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막(300)의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막(300) 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γbutyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 이차 전지(600)를 적어도 하나 포함하는 배터리 팩(700)을 제공한다.
일 예로, 상기 이차 전지(600)는 원통형 이차 전지일 수 있다.
상술한 실시예에 따른 원통형 이차 전지(600)는 배터리 팩(700)을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(600)들을 포함하는 배터리 팩(700)의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(700)은 원통형 이차 전지(600)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(710)을 포함한다. 원통형 이차 전지(600)는 상술한 실시예에 따른 이차 전지(600)이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 이차 전지들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 배터리 팩(700)을 적어도 하나 포함하는 자동차(800)를 제공한다. 상기 배터리 팩(700)은 자동차(800)에 탑재될 수 있다. 자동차(800)는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 11은 도 10의 배터리 팩(700)을 포함하는 자동차(800)를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(800)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(700)을 포함한다. 자동차(800)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(700)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
실시예
실시예 1.
(1) 전극 조립체의 제조
음극(음극 집전체: Cu호일, 음극 활물질: 인조흑연 및 천연흑연 각각 50 중량부), 시트형의 폴리에틸렌 분리막, 양극(양극 집전체: Al 호일, 활물질: LiCoO2) 및 상기 폴리에틸렌 분리막을 차례로 적층하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 음극의 두께는 187㎛(Cu 호일 집전체: 10㎛)이고, 상기 양극의 두께는 147㎛(Al 호일 집전체: 15㎛)이며, 분리막의 두께는 각각 13㎛인 것을 두 장 사용하였다.
상기 음극은 Cu호일에서 상기 양극에 대향하는 면에 음극 활물질층이 구비되고, 타면에 음극 활물질층이 구비되지 않은 단면 코팅부; 및 Cu호일의 양면에 음극 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부를 포함한다. 이에, 단면 코팅부에서 상기 분리막을 개재하여 상기 양극에 대향하는 면에 구비된 음극 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 폴리우레탄 소재의 스웰링 테이프를 부착하였다.
상기 스웰링 테이프는 전극 조립체의 길이 방향(P)에서 상기 음극 활물질층을 덮은 스웰링 테이프의 길이가 2mm 되도록 하고, 권취된 젤리롤형 전극 조립체에서 Cu 호일 최외곽부의 내주면에 위치하도록 하였다. 이 때, 상기 음극 활물질층을 덮은 상기 스웰링 테이프의 면적은 5% 내지 20%가 되도록 하였다. 상기 스웰링테이프(PU소재)는 전극 조립체의 길이 방향(P) 20mm x 전극 조립체의 폭 방향(H) 62mm, 두께 52㎛인 것을 사용하였다.
또한, 음극에서 권취된 젤리롤형 전극 조립체에서 Cu 호일 최외곽부의 외주면에 폴리우레탄 재질의 스웰링 테이프를 더 부착하였다. 이 때, 상기 스웰링 테이프는 양극 끝단을 커버할 수 있도록 부착하였다. 상기 스웰링테이프(PU소재)는 전극 조립체의 길이 방향(P) 20mm x 전극 조립체의 폭 방향(H) 62mm, 두께 52㎛인 것을 사용하였다.
그런 다음, 스웰링 테이프를 포함하는 적층된 전극 조립체를 권취하여 젤리롤형 전극 조립체(단부 지름: 20.38mm 내지20.64mm)를 제조하였다. 이 때, 제조된 전극 조립체의 단면 지름은 20.4mm, 권취축 방향(H)의 길이는 66mm였다.
상기 권취된 전극 조립체에서 권취축의 양 단부에 PET 소재의 씰 테이프를 부착하였다. 상기 씰 테이프(PET소재)는 전극 조립체의 길이 방향(P) 62mm x 전극 조립체의 폭 방향(H) 10mm, 두께 22㎛인 것을 사용하였다.
(2) 이차 전지의 제조
상기 권취된 전극 조립체를 전지 캔(단면 지름: 20.95mm 내지 21.15mm)에 삽입한 후, 에틸렌카보네이트(EC):에텔메틸카보네이트(EMC)를 30:70의 부피비로 혼합한 후 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 전해액을 주액하고, 캡 조립체로 원통형 전지 캔을 밀봉하여 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1.
양극에 대향하는 면에 구비된 음극 활물질층의 단부를 덮지 않도록 음극 집전체 상에 스웰링 테이프를 부착한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전극 조립체 및 이차 전지를 제조하였다.
실험예
실험예 1. 전극 조립체의 개수
상기 실시예 1의 전극 조립체와 같이 제조하고 권취된 젤리롤형 전극 조립체를 총 59200개 제조하였다.
상기 비교예 1의 전극 조립체와 같이 제조하고 권취된 젤리롤형 전극 조립체를 총 1024개 제조하였다.
실험예 2. 음극 집전체의 주름 및 들뜸
음극 집전체의 주름은 스웰링 테이프 부착 시 기포 등으로 인한 집전체 무지부에 형성되는 주름을 외관 비전 검사 및 육안으로 관찰하였다. 실시예 1의 경우 비교예 1과 동일 한 수량인 1024개는 육안으로 전수검사 하였으며, 나머지는 외관 비전 검사에서 불량으로 판단되지 않아 육안 검사를 진행하지 않았다. 이 때, 외관 비전 검사는 주름의 예시 사진을 비전에 입력하여 비슷한 경우가 나오면 불량으로 판명하는 검사이다.
스웰링 테이프 부착 시의 음극 집전체가 들뜨는 현상은 3D 형상측정기(키엔스 형상측정기, 모델명: 키엔스코리아 원샷 3D VR3200)를 통해 측정하였다. 이 때, 음극 집전체의 들뜸 정도는, 권취된 젤리롤형 전극 조립체의 권취 종결부에 구비된 음극 집전체의 단부에서 상기 음극 집전체의 들뜸으로 인하여 상기 권취 종결부 이전에 권취된 음극 집전체와의 사이에 형성되는 공간에서의 높이를 측정하여 판단하였다. 즉, 음극 집전체의 들뜸 높이(d)는 권취된 음극 집전체 사이의 공간에서 권취 외곽 방향으로 가장 높은 부분의 높이를 측정하여 판단하였으며, 전극 조립체의 단부의 지름이 20.38mm 내지20.64mm일 때, 음극 집전체의 들뜸 높이(d)가 0.8mm 이상이면 불량으로 판단하였다.
실험예 3. 외경 불량
권취된 젤리롤형 전극 조립체의 권취축 방향에 수직인 단부의 외경을 와인더 컨베이어의 외경측정기로 측정하거나, 또는 미리 직경별로 구멍을 뚫어 놓은 고노게이지로 측정하였다.
상기 실시예 1에 따라 제조된 전극 조립체의 권취축 방향에 수직인 단부의 지름은 20.38mm 내지 20.64mm였다. 이에, 상기 전극 조립체의 권취축 방향에 수직인 단부의 지름이 20.64mm를 초과하는 경우, 외경 불량이 있다고 표시하였다.
실험예 4. 전지 캔 삽입 시 손상
권취된 젤리롤형 전극 조립체의 권취축 방향에 수직인 단부의 외경의 지름(전극 조립체의 권취축 방향에 수직인 단부 지름: 20.38mm 내지 20.64mm)이 증가하거나 집전체의 주름 및 들뜸으로 인하여, 권취된 전극 조립체가 전지 캔에 삽입될 때 최외곽 집전체가 찢어지거나 접히는 경우를 손상되었다고 표시하였다.
즉, 권취된 젤리롤형 전극 조립체를 전지 캔에 삽입할 때, 캔에 젤리롤 삽입을 용이하게 하는 삽입 가이드를 이용하는데, 상기 전극 조립체가의 상기 삽입 가이드에 들어가지 않고 에러로 배출되는 경우에, 이를 상기 전지 캔에서 다시 빼내 육안으로 확인하여 전지 캔 삽입 시 손상이 있다고 표시하였다.
실험예 5. 분리막의 주름
분리막에 스웰링 테이프의 주름으로부터 전사된 주름 또는 접힘이 있는 경우를 육안으로 관찰하여 분리막의 주름이 있다고 표시하였다. 이 때, 주름은 단순히 너울진 형태의 주름이 아니라 손으로 만졌을 때 이물감이 느껴질 정도의 것을 주름으로 정의하여 판별하였다.
실시예 1의 경우 비교예 1과 동일한 수량인 1024개는 육안으로 전수검사 하였으며, 나머지는 외관 비전 검사에서 불량으로 판단되지 않아 육안 검사를 진행하지 않았다. 이 때, 외관 비전 검사는 주름의 예시 사진을 비전에 입력하여 비슷한 경우가 나오면 불량으로 판명하는 검사이다.
실시예 1 비교예 1
전극 조립체의 개수 59,200 1,024
음극 집전체의 주름 0 대부분 발생
음극 집전체의 들뜸 0 80
외경 불량 0 22
전지 캔 삽입 시 손상 0 16
분리막의 주름 0 12
상기 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전극 조립체의 경우, 비교예 1에서 제조된 전극 조립체에 비하여 집전체 상의 주름 및 들뜸이 없고, 이에 따른 외경 불량이 없으며, 이에 캔 삽입 시에도 손상이 없는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전극 조립체의 경우, 비교예 1에서 제조된 전극 조립체에 비하여 집전체 상에 형성된 주름 등이 분리막에 주름으로 전사되지 않는 것을 확인할 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (25)

  1. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층된 전극 조립체로서,
    상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고,
    상기 제1 전극의 어느 한 단부는 상기 집전체의 일면에 제1 활물질층이 구비되고, 타면에 제2 활물질층이 구비되지 않은 단면 코팅부; 및 상기 집전체의 양면에 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부를 포함하고,
    상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프를 포함하는 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 단면 코팅부의 제2 활물질층이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프를 더 포함하는 것인 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 활물질층은 상기 분리막을 개재하여 상기 제2 전극에 대향하는 면에 구비되는 것인 전극 조립체.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 활물질층은 상기 전극 조립체의 길이 방향으로 상기 제2 전극보다 길게 구비되는 것인 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 활물질층은 상기 전극 조립체의 길이 방향으로 상기 제2 전극보다 짧게 구비되는 것인 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체는 권취된 젤리롤형인 것인 전극 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 권취된 젤리롤형 전극 조립체의 최외곽 전극인 것인 전극 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프는 상기 젤리롤형 전극 조립체의 제1 전극 내주면에 구비되는 것인 전극 조립체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극의 집전체는 구리를 포함하는 것인 전극 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 것인 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 길이 방향에서 상기 스웰링 테이프의 길이는 30mm 이하인 것인 전극 조립체.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 폭 방향에서 상기 스웰링 테이프의 폭은 상기 전극 조립체 폭 100% 대비 50% 이상인 것인 전극 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프의 전체면적 100% 기준으로 상기 제1 활물질층을 덮은 상기 스웰링 테이프의 면적이 5% 내지 20%인 것인 전극 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 스웰링 테이프는 상기 제2 전극과 겹쳐지지 않는 것인 전극 조립체.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 스웰링 테이프는 전해액에 의해 팽창되는 것인 전극 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 스웰링 테이프는 폴리우레탄을 포함하는 것인 전극 조립체.
  17. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 단계로서, 상기 제1 전극은 집전체 및 상기 집전체의 양면에 각각 구비된 제1 활물질층 및 제2 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극의 어느 한 단부는 상기 집전체의 일면에 제1 활물질층이 구비되고, 타면에 제2 활물질층이 구비되지 않은 단면 코팅부, 및 상기 집전체의 양면에 제1 활물질층 및 제2 활물질층이 구비되지 않은 미코팅부를 포함하는 것인 전극 조립체를 제조하는 단계; 및
    상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 구비된 스웰링 테이프를 배치하는 단계를 포함하는 전극 조립체 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 단면 코팅부의 제2 활물질층이 구비되지 않은 타면에 구비된 스웰링 테이프를 배치하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조방법.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 단면 코팅부의 상기 제1 활물질층과 상기 미코팅부의 경계를 덮도록 배치된 상기 스웰링 테이프 상에 흡착패드가 구비되고,
    상기 흡착패드를 이용하여 제1 전극의 단면 코팅부에서 미코팅부 방향으로 상기 스웰링 테이프를 밀면서 부착하는 단계를 더 포함하는 것인 전극 조립체 제조방법.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 흡착패드는 상기 제1 전극의 미코팅부 보다 단면 코팅부 방향으로 두께가 더 두꺼운 단차부를 갖는 것인 전극 조립체 제조방법.
  21. 청구항 17 내지 20 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체 제조방법에 의하여 구비되는 것인 전극 조립체.
  22. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체;
    전해질; 및
    상기 전극 조립체와 상기 전해질을 수납하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 제1 전극의 집전체는 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지.
  24. 청구항 22에 따른 이차 전지를 적어도 하나 포함하는 것인 배터리 팩.
  25. 청구항 24에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것인 자동차.
PCT/KR2023/009487 2022-07-05 2023-07-05 전극 조립체, 전극 조립체 제조방법, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 Ceased WO2024010357A1 (ko)

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