KR101455165B1 - 안전성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 양극 활물질층을 포함하는 양극; 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 음극 활물질층을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막; 및 전지의 초기 충방전 과정에서 발생하는 가스가 통과할 수 있도록 상기 양극 및/또는 음극에 천공되어 있는 둘 이상의 관통구들;을 포함하는 구조로 이루어진 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.

Description

안전성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode Assembly of Improved Stability and Secondary Battery the Same}

본 발명은 안전성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 양극 활물질층을 포함하는 양극, 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 음극 활물질층을 포함하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막; 및 전지의 초기 충방전 과정에서 발생하는 가스가 통과할 수 있도록 상기 양극 및/또는 음극에 천공되어 있는 둘 이상의 관통구들을 포함하는 구조로 이루어진 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

최근에는, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

이러한 파우치형 전지를 포함한 대부분의 이차전지들은 전지셀의 제조 과정에서 충방전에 의해 전지를 활성화시키는 과정을 거치는 바, 최종 전지셀의 제조를 위해서는 상기 활성화 과정에서 발생하는 가스를 제거하여야 하며, 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.

이러한 탈기(degas) 공정은 종래 전지케이스의 일부를 실링한 단부를 절취하는 방법 등으로 이루어졌지만, 탈기(degas) 공정에서 가스 제거에 많은 시간이 소요되어 제조 비용의 상승을 유발하고, 가스와 잉여 전해액이 완전히 제거되지 못하여 열융착에 의한 실링 과정에서 불량이 다수 발생하는 문제점이 있다.

이와 관련하여, 도 1 및 2에는 종래 탈기(degas) 공정을 통해 가스를 제거한 전지셀이 도시되어 있다.

도 1 및 2를 참조하면, 활성화 과정에서 발생하는 가스가 외부로 충분히 방출되지 못하여, 전지케이스 또는 전극의 표면에 각각 굴곡이 발생한 것을 볼 수 있다.

상기와 같이, 초기 충방전 과정에서 발생한 가스 등이 충분히 제거되지 못할 경우 전지의 형태 변형을 가져오므로, 전지의 안전성에 심각한 영향을 끼치고, 미활용 부위가 발생하여 전지의 용량 측면에서 불량이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 이차전지의 면적이 커지고 슬림화되는 추세로 고객의 수요가 변화하고 있으므로, 종래의 소형 전지셀 제조공정을 대형 전지셀의 제조에 적용하는 경우 탈기 공정에서 젤리-롤 내부의 가스 토출이 원활하지 못해 전지의 불량률이 높아지는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지의 초기 충방전 과정에서 발생하는 가스가 통과할 수 있도록 양극 및/또는 음극에 천공되어 있는 둘 이상의 관통구들을 포함하는 구조로 이루어진 전극조립체를 개발하게 되었고, 이러한 전극조립체는 탈기(degas) 공정의 수율을 향상시킬 뿐만 아니라, 전극에 대한 전해액의 함침량을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 양극 활물질층을 포함하는 양극; 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 음극 활물질층을 포함하는 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막; 및 전지의 초기 충방전 과정에서 발생하는 가스가 통과할 수 있도록 상기 양극 및/또는 음극에 천공되어 있는 둘 이상의 관통구들;을 포함하는 구조로 구성되어 있다.

리튬 이차전지는, 계속적인 충방전 과정에서 음극 활물질의 표면에서 전해액이 분해되면서 가스가 발생하며, 초기 충방전 과정에서 음극 활물질 표면에 SEI 막이 형성되어 추가적인 가스 발생을 억제한다. 따라서, 상기에 설명한 바와 같이 충방전에 의해 전지를 활성화시키는 과정은 이러한 SEI 막의 형성을 위해 필요하며, 최종적인 전지셀의 제조 이전에 반드시 요구된다.

이와 관련하여, 본 발명에 따른 전극조립체는 양극 및/또는 음극에 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있으므로 종래의 전극조립체에 비교하여, 활성화 과정에서 발생한 가스와 잉여 전해액을 용이하고 신속하게 제거할 수 있다.

또한, 전극조립체에 형성된 다수의 관통구들을 통해 전해액이 전극조립체의 내부로 용이하게 이동할 수 있으므로, 전해액에 대한 전극의 함침성을 높일 수 있다. 따라서, 전지의 면적이 커지더라도 젖음성(wetting)이 균일화될 수 있고, 공정 시간이 단축될 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성 및 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 높은 함침성은 고율 충방전 조건에서도 우수한 레이트 특성을 유지하는데 도움을 준다.

본 발명에 따른 전극조립체는 활성화 과정에서 발생하는 가스를 효율적으로 배출하기 위하여 다양한 구조의 관통구들을 포함할 수 있다.

하나의 바람직한 예로서, 상기 관통구들은 전극 활물질층과 집전체를 연통하는 구조로 이루어질 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 관통구들은 양극에 천공되어 있는 하나 이상의 관통구(양극 관통구)와 음극에 천공되어 있는 하나 이상의 관통구(음극 관통구)로 이루어질 수 있다.

상기 구조에서, 양극 관통구와 음극 관통구는 바람직하게는 상호 연통되는 위치 배열을 가질 수 있다.

이 경우, 분리막에는 상기 양극 관통구와 음극 관통구에 연통하는 위치에 추가로 관통구가 천공되어 있을 수 있다.

분리막은 소정의 직경을 가지는 기공으로 이루어진 폴리프로필렌 등의 폴리머가 사용되는 바, 상기와 같이 양극 관통구와 음극 관통구에 연통하는 위치에 관통구가 천공됨으로써, 전극조립체 내부에서 발생한 가스를 보다 효율적으로 외부에 배출할 수 있다.

본 발명에서, 상기 관통구들은 다양한 직경으로 형성될 수 있는 바, 바람직하게는 양극 또는 음극의 상하 폭 대비 0.5 ~ 10%일 수 있다. 상기 관통구들의 직경이 너무 작을 경우, 가스 배출이 용이하지 않은 문제점이 있고, 관통구들의 직경이 너무 클 경우, 연통되는 위치의 전극 활물질의 양이 감소하여 전지의 용량 감소로 이어질 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 음극 관통구들의 직경은 양극 관통구의 직경 대비 80 ~ 99.5% 일 수 있다. 상기와 같이 음극 관통구의 직경은 양극 관통구의 직경보다 작은 것이 바람직하다.

상기 관통구들은 전극조립체의 제조를 위해 단위셀들을 위치시킬 때, 상기 단위셀들의 폭에 대응하는 위치 상에 다수 개 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 상기 관통구들은 양극 또는 음극의 수평 중심축을 기준으로 상하 폭 대비 20 ~ 80% 이내에 위치할 수 있다.

구체적으로, 전극조립체에서 발생하는 가스 중에서 내부로부터 발생하는 가스의 배기가 특히 문제이므로, 상기와 같은 범위에 관통구들을 위치시키는 것이 효율성 측면에서 바람직하다.

상기 관통구들의 형태와 수는 가스를 효율적으로 배출할 수 있는 형상와 수라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는, 평면상으로 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿 형상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 관통구들의 면적 총합은 양극 또는 음극의 총 면적 대비 0.5 ~ 20%일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전극조립체에 있어서, 상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 첨가하여 제조한 슬러리를 도포 및 건조하여 제작되며, 상기 양극 합제에는 선택적으로 바인더, 도전재, 충진제, 점도 조절제, 및 접착 촉진제를 더 포함할 수 있다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi_1-yM_yO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li_1+zNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂, Li_1+zNi_0.4Mn_0.4Co_0.2O₂ 등과 같이 Li_1+zNi_bMn_cCo_1-(b+c+d)M_dO_(2-e)A_e (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li_{1 + x}M_{1 - y}M'_yPO_{4 -z}X_z(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 바인더의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.

상기 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.

상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.

상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 NMP 등의 용매에 첨가하여 제조한 슬러리를 도포 및 건조하여 제작되며, 상기 음극 합제에는 선택적으로 바인더, 도전재, 충진제, 점도 조절제, 및 접착 촉진제 등과 같이 양극의 구성과 관련하여 설명한 기타 성분들을 더 포함할 수 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연 재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연 재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 주석계 활물질, 규소계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.

상기 분리막은 양극 및 음극 사이에 단락을 방지하며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

본 발명에 따른 전극조립체는 다양한 형태로 적층될 수 있는 바, 예를 들어, 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 등으로 적층될 수 있으며, 바람직하게는 스택/폴딩형일 수 있다. 스택형 또는 스택/폴딩형 형태로 적층되어 있는 전극조립체는 단위 조립체가 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층되는 구조로 이루어져 있으므로, 이러한 전극조립체를 만들기 위해서는 양극과 음극을 먼저 제조하는 것이 필요하다. 즉, 양극과 음극 같은 단위 전극을 제조하기 위해서는 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 전극 시트를 단위 전극 간격으로 노칭하는 과정이 필요하다.

또한, 본 발명에 따른 전극조립체의 관통구들은 노칭 과정에서 전극 탭의 노칭과 동시에 형성되도록 제조공정을 설계할 수 있으므로, 관통구를 형성하기 위한 추가적인 제조공정을 필요로 하지 않는 장점이 있다.

본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전지케이스에 내장된 상태에서 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조의 이차전지를 제공한다.

상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스 등을 더 포함시킬 수도 있다.

상기 전지케이스는 원통형, 각형 또는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형일 수 있으며, 이는 당업계에 널리 공지되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

상기 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.

이러한 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 유용하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 특히, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지팩에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 더욱이, 작동 조건에 따라 높은 레이트 특성, 파워 특성 등의 출력이 요구되고 장기간 사용이 필요한 전지팩에 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 전지팩의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장 장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 양극, 음극 및 분리막을 포함하고, 상기 양극 및/또는 음극에 관통구들이 천공되어 있으므로, 활성화 과정에서 발생한 가스를 용이하게 제거하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전극조립체는 전해액의 함침성이 크게 향상되어, 전지의 제조 공정성을 향상시키고, 이러한 전극조립체는 종래보다 우수한 안전성 및 수명 특성을 발휘하는 리튬 이차전지에 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 탈기(degas) 공정을 수행한 전지셀 외부의 사진이다;
도 2는 종래의 탈기 공정을 수행한 전극조립체 내부의 사진이다;
도 3a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 조립체의 정면 모식도이다;
도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 정면 모식도이다;
도 4 및 도 5는 도 3의 전극 조립체를 제조하기 위한 양극 시트 및 음극 시트의 정면 모식도들이다;
도 6은 도 3의 전극 조립체를 제조하기 위한 양극 시트, 분리막, 및 음극 시트의 평면 모식도들이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극 시트, 분리막, 음극 시트의 평면 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3a 및 3b에는 각각 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 정면 모식도가 도시되어 있다.

도 4 및 도 5에는 도 3의 전극 조립체를 제조하기 위한 양극 시트 및 음극 시트의 정면 모식도들이 도시되어 있다.

또한, 도 6에는 도 3의 전극 조립체를 제조하기 위한 양극 시트, 분리막, 및 음극 시트의 평면 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전극조립체(100)는 양극 집전체(26)의 양면에 코팅되어 있는 양극 활물질층들(22, 24)을 포함하는 양극(20), 음극 집전체(46)의 양면에 코팅되어 있는 음극 활물질층들(42, 44)을 포함하는 음극(40), 및 양극(20)과 음극(40) 사이에 개재되어 있는 분리막(30)으로 구성되어 있다.

또한, 양극(20) 및 음극(40)에는 양극 및 음극 단위체를 기준으로 각각 9개의 관통구들(12, 14)이 천공되어 있어서, 전지의 초기 충방전 과정에서 발생하는 가스를 통과시킨다.

관통구들은 전극 활물질층과 집전체를 연통하는 구조로서, 양극(20)에 천공되어 있는 9개의 양극 관통구들(12)과 음극(40)에 천공되어 있는 9개의 음극 관통구들(14)로 이루어져 있다.

또한, 양극 관통구들(12)과 음극 관통구들(14)은 상호 연통되는 위치 배열을 가지고 있다.

관통구들의 직경은 양극(20)과 음극(40)의 상하 폭(a, b) 대비 3%의 크기이고, 음극 관통구들(14)의 직경은 양극 관통구들(12)의 직경 대비 95%의 크기를 가지고 있다.

또한, 관통구들은 양극(20)과 음극(40)의 수평 중심축(e)을 기준으로 상하 폭(c, d) 대비 60% 이내에 위치하고, 관통구들의 형태는 평면상으로 원형 형상을 가지고 있다.

관통구들의 면적 총합은 양극(20) 또는 음극(40)의 총 면적 대비 10%의 크기로 이루어져 있다.

도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극 시트, 분리막, 음극 시트의 평면 모식도가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 양극 관통구(12)와 음극 관통구(14)에 연통하는 분리막(32)의 위치에 분리막 관통구(16)가 추가로 천공되어 있는 점을 제외하고는 도 6의 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

1. 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 양극 활물질층을 포함하는 양극;
   집전체의 일면 또는 양면에 코팅되어 있는 음극 활물질층을 포함하는 음극;
   상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막; 및
   전지의 초기 충방전 과정에서 발생하는 가스가 통과할 수 있도록 상기 양극 및/또는 음극에 천공되어 있는 둘 이상의 관통구들;
   을 포함하고 있으며,
   상기 관통구들은 전극 활물질층과 집전체를 연통하는 구조로 이루어져 있고, 양극에 천공되어 있는 하나 이상의 관통구(양극 관통구)와 음극에 천공되어 있는 하나 이상의 관통구(음극 관통구)로 이루어져 있으며,
   상기 관통구들의 형태는 평면상으로 원형이고, 상기 음극 관통구의 직경이 양극 관통구의 직경 대비 80 ~ 99.5%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 관통구와 음극 관통구는 상호 연통되는 위치 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
5. 제 4 항에 있어서, 분리막에는 상기 양극 관통구와 음극 관통구에 연통하는 위치에 관통구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구의 직경들은 양극 또는 음극의 상하 폭 대비 0.5 ~ 10%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구들은 양극 또는 음극의 수평 중심축을 기준으로 상하 폭 대비 20 ~ 80% 이내에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구들의 면적 총합은 양극 또는 음극의 총 면적 대비 0.5 ~ 20%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 또는 스택-폴딩형 구조로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
12. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전지케이스에 내장된 상태에서 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형, 각형 또는 라미네이트 시트의 파우치형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 제 12 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 둘 이상 포함하는 전지팩.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.

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