KR101692776B1 - 테트라 셀을 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며; 상기 전극조립체에서 최외측의 단위셀들은 각각 독립적으로 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀로 이루어져 있고; 상기 최외측의 단위셀들을 제외한 단위셀들은 각각 독립적으로 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 바이셀(bicell)구조로 이루어져 있으며; 상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 에너지 밀도 및 안전성, 제조 공정성이 우수한 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

테트라 셀을 포함하고 있는 전지셀 {Battery Cell Comprising Tetra cell}

본 발명은 테트라 셀을 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 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 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

도 1 및 도 2에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전극조립체(100)는 음극-분리막-양극-분리막-음극 단위셀 구조의 C형 바이셀들(110, 140, 150)과 양극-분리막-음극-분리막-양극 단위셀 구조의 A형 바이셀들(120, 130, 160, 170)의 조합으로 이루어져 있고, 전극조립체(100)의 각 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)의 사이에 개재되어 있는 분리필름(190)은, 전극 단자가 형성되어 있지 않은 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)의 각각의 측면을 감싸고 있다.

이러한 전극조립체(100)는 분리필름(190) 상에 각 단위셀들(110, 120, 130, 140, 150, 160, 170)을 배열하고 분리필름(190)을 순차적으로 권취(191)하여 도 2와 같은 전극조립체(100)가 제작된다.

도 2를 참조하면, 전극조립체(100)의 최하단의 양극(161) 및 최상단의 양극(171)은 집전체 상에서 전극조립체(100)의 내측 방향의 일면에만 양극 활물질이 도포되어, 상기 최하단의 양극(161) 및 최상단의 양극(171)의 양극 집전체들의 타면이 분리필름(190)과 직접 접촉하여 대면하도록 구성될 수 있다.

따라서, 전극조립체(100)는 총 9개의 양극, 10개의 음극, 2개의 양극 단면(161, 171), 14개의 분리막(101) 및 1개의 분리필름(190)을 포함하고 있다.

그러나, 이러한 스택/폴딩형 전극조립체의 경우, 각 단위셀들은 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 바이셀 구조로 이루어져 있는 바, 이러한 형태의 바이셀들로 이루어진 전극조립체는, 동일 부피 내에서 많은 양의 집전체 또는 분리막과 같은 불활성 재료를 포함하고 있으며, 이에 따라, 전지셀의 두께에 비례하는 정도의 에너지 밀도가 충족되지 못하며, 전지셀의 전체적인 용량을 향상시키는데 제한이 따르는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 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, 이후 설명하는 바와 같이, 최외측의 단위셀들을 각각 독립적으로 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell) 구조인 단위셀들로 구성하는 경우, 종래 3개의 전극을 가지며 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 바이셀들로만 이루어진 전지셀에 비해 전체적으로 분리막 및 전극의 수가 감소하는 바, 동일한 부피의 전지셀을 제조할 때, 감소된 두께만큼 단위셀의 활물질의 도포량을 증가시킬 수 있으므로, 전지셀의 구조나 형태 변화 및 추가공정 없이, 동일 부피 대비 보다 높은 용량 특성을 갖고 높은 에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,

집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;

상기 전극조립체에서 최외측의 단위셀들은 각각 독립적으로 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell) 구조이고, 나머지 단위셀들은 각각 독립적으로 3개의 전극을 가지며 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 바이셀(bicell) 구조이며;

상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 따른 전지셀은, 4개의 전극을 가지며 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극-분리막-음극 또는 음극-분리막-양극-분리막-음극 분리막-양극 구조를 가지는 테트라 셀을 포함하므로, 종래 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극 또는 음극-분리막-양극-분리막-음극으로 이루어진 바이셀들로만 이루어진 전지셀과 비교하여 전체적으로 분리막 및 집전체의 수가 감소하는 바, 동일한 부피의 전지셀을 제조할 때, 감소된 두께만큼 각 단위셀의 활물질의 도포량을 증가시킬 수 있으므로, 동일 부피 대비 보다 높은 용량 특성 및 에너지 밀도의 전지를 제조할 수 있고, 필요한 단위셀의 개수를 줄일 수 있어, 제조 공정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 도포되어 있는 구조일 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 전지셀은, 침상 도체가 전극조립체를 관통하는 경우, 침상 도체가 전극 활물질과 직접 접촉하는 것을 막을 수 있으므로 침상 도체로 과도한 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있어 안전성을 확보할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 전지셀의 구성에 대해 더욱 자세히 설명하도록 한다.

하나의 구체적인 예에서, 최외곽 전극들을 제외한 전극들은, 우수한 용량의 발현을 위하여, 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 전극들은 적층되어 단위셀을 이루는데, 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 바이셀들은 양극이 양단에 위치하는 구조의 단위셀과, 음극이 양단에 위치하는 구조의 단위셀을 모두 포함하고 있는 구조일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체의 단위셀로서, 4개의 전극을 가지며 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 테트라 셀과 3개의 전극을 가지며 양극이 단위셀의 양단에 위치하는 A형 바이셀, 및 음극이 단위셀의 양단에 위치하는 C형 바이셀을 모두 포함할 수 있다.

이러한 본 발명의 전극조립체를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 전극조립체는 n개의 단위셀(상기 n은 2 이상의 자연수)들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 최내측에 위치하고 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 최외측에 각각 위치하도록 순차적으로 권취한 구조로 이루어질 수 있다.

다시 말해, 상기 전극조립체는 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 n개의 단위셀들이 위치한 상태에서 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 순차적으로 권취함으로써, 제 1 단위셀이 최내측에 위치해, 최외측 단위셀을 형성하고 제 n-1 단위셀과 제 n 단위셀이 최외측에 각각 위치해, 최외측 단위셀들을 형성하는 구조일 수 있다.

이때, 상기 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있을 수 있다.

구체적으로, 제 1 단위셀을 안정적으로 고정시키고, 제 1 단위셀의 상면에 위치한 음극과 제 3 단위셀의 상면에 위치한 양극 간 마찰을 감소시키 위하여, 상기 전극조립체는 제 1 단위셀이 분리필름과 함께 권취되는 과정에서, 제 1 단위셀의 상면에 위치한 음극과 제 3 단위셀의 상면에 위치한 양극 사이에 분리필름이 개재되어 제 1 단위셀의 양면에 모두 분리막이 위치할 수 있도록, 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에 이격 부위를 형성할 수 있다.

또한, 전극조립체의 최외측에 위치하는 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀은 상기에서 설명한 바와 같이, 최외곽 전극의 안전성 측면에서 단면 코팅된 구성임이 바람직한 바, 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 집전체 일면에는 활물질이 도포되어 있지 않은 구조일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전지셀은 최외곽에 위치하는 단위셀들이 4개의 전극을 가지며 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 테트라 셀로 이루어지는 구성이라면 한정되지 아니하므로 상기 전극조립체에서 포함하는 단위셀들의 수, 즉 스택(stack) 수인 n은 짝수이거나 홀수일 수 있으며, n이 홀수인 경우 권취 전 분리필름 상에서 상기 제 n-1 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성과 제 n 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성의 극성이 동일한 구조일 수 있다.

구체적으로, 상기 n이 홀수인 경우에는, 최외곽에 위치한 단위셀인 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 동일한 경우에만 권취 후 분리필름을 사이에 두고 상호 대면하는 전극의 극성이 상이한 구조로 이루어질 수 있으므로, 권취된 전극조립체 내의 전극이 직렬연결을 유지할 수 있도록, 상기 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 동일한 구조일 수 있다.

상세하게는, 최외측 단위셀인 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 동일한 극성으로서 양극 또는 음극 일수 있으며, 더욱 상세하게는, 상기 최외측 단위셀은 덴드라이트의 생성을 억제할 수 있도록, 음극으로 구성될 수 있고, 침상 도체가 전극조립체를 관통하는 경우, 전지의 안전성을 확보할 수 있도록, 양극으로 구성될 수 있다.

반면, 상기 n이 짝수인 경우 권취 전 분리필름 상에서 상기 제 n-1 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성과 제 n 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성의 극성이 상이한 구조일 수 있다.

구체적으로, 상기 n이 짝수인 경우에는, 최외곽에 위치한 단위셀인 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 상이한 경우에만 권취 후 분리필름을 사이에 두고 상호 대면하는 전극의 극성이 상이한 구조로 이루어질 수 있으므로, n이 홀수인 경우와 같이, 전극조립체 내의 전극이 직렬연결을 유지할 수 있도록, 상기 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 상이한 구조일 수 있다.

상세하게는, 상기와 같이 n이 짝수인 경우로서 제 1 단위셀의 중심에 위치한 전극이 양극이고 양단에 위치한 전극이 음극인 경우, 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 양극이고, 제 n 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 음극인 구조로 이루어져 있을 수 있다. 마찬가지로, n이 짝수인 경우로서 제 1 단위셀의 중심에 위치한 전극이 음극이고 양단에 위치한 전극이 음극인 경우, 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 음극이고, 상기 제 n 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 양극인 구조로 이루어져 있을 수 있다.

또한 상기 n은 5 내지 8일 수 있고, 상세하게는 6일 수 있다. 단위셀들의 수량이 4개 이하인 경우 적은 스택에 의하여 적은 외력에도 균열이 쉽게 일어나고 결과적으로 전지의 수명을 감소시키는 문제점이 있으며, 단위셀들의 수량이 9개 이상인 경우, 전극 조립체 내에 많은 양의 집전체 또는 분리막과 같은 불활성 재료를 포함하게 되고, 이에 따라, 전지셀의 두께에 비례하는 에너지 밀도가 충족되지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 단위셀들의 수량은 5개 내지 8개인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 다양한 종류의 단위셀들의 두께는 서로 동일할 수도, 서로 상이할 수도 있는데, 상세하게는 서로 상이할 수 있다.

구체적으로, 상기 단위셀들은 두께는 서로 동일한 구조일 수 있으며, 구체적으로, 종래의 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 정도의 활물질이 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 바이셀에 추가로 부가될 수 있고, 이에 따라, 상기 최외측의 단위셀들, 즉 테트라 셀들은 바이셀들과 동일한 두께를 갖는 구조일 수 있다.

반면에, 종래 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 만큼의 활물질을 전지셀을 구성하는 모든 단위셀들에 균등하게 부가할 수 있고, 이에 따라, 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 테트라 셀과 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어진 바이셀들은 상이한 두께를 가질 수 있다.

이러한 경우에, 단위셀들은 집전체의 일면에 대한 양극 활물질 또는 음극 활물질의 도포량이 각각 동일할 수 있고, 전지셀의 제조 과정에서, 최내측 및 최외측의 단위셀과 그 외의 단위셀의 구분 없이, 집전체의 일면에 활물질을 도포할 수 있으므로, 공정에 소요되는 인력 및 시간을 감소시킬 수 있어 바람직하다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 폭 및 길이가 서로 동일한 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전지셀이 탑재되는 디바이스의 종류 및 형상에 따라 다양한 형태로 제조될 수 있도록, 단위셀들의 폭 및/또는 길이가 서로 상이한 구조로 이루어질 수도 있다.

상기 폭은 단위셀의 전극 단자가 돌출된 외주면에 인접한 외주면 사이의 거리를 나타내며, 길이는 단위셀의 전극 단자가 돌출된 외주면에서 대향하는 외주면까지의 거리를 나타낸다.

한편, 본 발명에 따른 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 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.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 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 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 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 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 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 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

또한, 하나의 구체적인 예에서, 고에너지 밀도의 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.

상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.

이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.

또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 유/무기 복합 다공성 분리막은 무기물 입자의 내열성으로 인해 고온 열수축이 발생하지 않는다. 따라서, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 분리막으로 이용하는 전기 화학 소자에서는 고온, 과충전, 외부 충격 등의 내부 또는 외부 요인으로 인한 과도한 조건에 의해 전지 내부에서 분리막이 파열되더라도, 유/무기 복합 다공성 활성층에 의해 양 전극이 완전히 단락되기 어려우며, 만약 단락이 발생하더라도 단락된 영역이 크게 확대되는 것이 억제되어 전지의 안전성 향상이 도모될 수 있다.

상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 상에 직접 코팅하여 형성된 것이므로, 폴리올레핀 계열 분리막 기재 표면의 기공과 활성층이 상호 엉켜있는 형태(anchoring)로 존재하여 활성층과 다공성 기재가 물리적으로 견고하게 결합된다. 따라서, 부서짐(brittle) 등과 같은 기계적 물성의 문제점이 개선될 수 있을 뿐만 아니라 폴리올레핀 계열 분리막 기재와 활성층 사이의 계면 접착력이 우수하게 되어 계면 저항이 감소하게 되는 특징이 있다. 실제로, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 형성된 유/무기 복합 활성층과 다공성 기재가 서로 유기적으로 결합하여 있을 뿐만 아니라, 상기 활성층으로 인해 다공성 기재 내 존재하는 기공 구조가 영향을 받지 않고 그대로 유지됨과 동시에 활성층 자체 내에서도 무기물 입자로 인한 균일한 기공 구조가 형성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 기공 구조는 추후 주입되는 액체 전해질로 채워지게 되는데, 이로 인해 무기물 입자들 사이 또는 무기물 입자와 바인더 고분자 사이에서 발생하는 계면 저항이 크게 감소하는 효과를 나타내게 된다.

상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 유/무기 복합 다공성 분리막에서, 폴리올레핀 계열 분리막 기재의 표면 및/또는 기재 중 기공부 일부에 형성되는 활성층 성분 중 하나는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 무기물 입자이다. 상기 무기물 입자는 무기물 입자들간 빈 공간의 형성을 가능하게 하여 미세 기공을 형성하는 역할과 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 겸하게 된다. 또한, 상기 무기물 입자는 일반적으로 200℃ 이상의 고온이 되어도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 형성된 유/무기 복합 다공성 필름이 탁월한 내열성을 갖게 된다.

상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.

리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 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, 피로피온산 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 중합체 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, 비수계 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 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는, 구체적으로, 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 최외측의 단위셀들을 각각 독립적으로 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell) 구조로 이루어진 단위셀들로 구성함으로써, 종래의 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 바이셀(bicell)들만으로 이루어진 전지셀에 비해 감소된 분리막 및 집전체의 두께만큼 활물질의 도포량을 증가시켜 동일한 규격 대비 높은 용량을 발휘할 수 있고, 전지셀의 구조나 형태 변화 없이, 전극조립체의 최내측 및 최외측의 단위셀 구성만을 변화시킴으로써, 전체적인 용량을 용이하게 향상시킬 수 있고, 상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있으므로, 침상 도체가 전극조립체를 관통하는 경우, 침상 도체가 전극 활물질과 직접 접촉하는 것을 막을 수 있으므로 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 전지셀을 이루는 일반적인 스택/폴딩형 전극조립체의 제조방법을 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 제조방법에 따라 제조된 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체의 제조 방법을 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 3의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 4의 일부 단위셀들의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 도 3의 제조 방법에 따라 제조된 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체의 제조 방법을 나타낸 모식도이다;
도 8은 도 7의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 9는 도 7의 일부 단위셀들의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다; 및
도 10은 도 7의 제조방법에 따라 제조된 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

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

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체의 제조 방법을 나타내고 있고, 도 4 및 도 5에는 도 3의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타내고 있으며, 도 6에는 도 3의 제조 방법에 따라 제조된 전지셀의 구조를 개략적으로 나타내고 있다

도 3 내지 도 5를 참조하면, 전극조립체(200)는 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 바이셀 구조의 단위셀들(210, 220, 230, 240)과 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀 구조를 가진 단위셀들(250, 260)을 분리필름(290) 상에 교번방식으로 배열하고, 상기 분리필름(290)을 권취함으로써 제조된다.

구체적으로, 전극조립체(200)는 6개의 단위셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)을 포함하고 있고, 제 1 단위셀(210)을 중심으로 권취하는 구조로 이루어져 있다고 할 때, 이 중 제 5 단위셀(250) 및 제 6 단위셀(260)은 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀 구조로 이루어져 있으며, 제 1 단위셀(210)부터 제 4 단위셀(240)까지 4개의 단위셀들(210, 220, 230, 240)은 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 바이셀 구조로 이루어져 있다.

상기 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260) 중 제 1 단위셀(210) 및 제 4 단위셀(240)은 양극이 양단에 위치하는 구조로 구성되어 있고, 제 2 단위셀(220)과 제 3 단위셀(230)은 음극이 양단에 위치하는 구조로 구성되어 있다.

제 1 단위셀(210)은 양극(211)이 하면을 향하여 권취 전 분리필름(290)상에 대면해 있으며, 상기 제 1 단위셀(210)의 전극 방향에 따라, 제 2 단위셀(220)로부터 제 6 단위셀(260)까지 분리필름 상에 위치한다.

또한, 상기 배열에 의해, 전극조립체(200)의 최외곽에는 상이한 전극이 위치하게 되므로, 이에 따라, 전극조립체(200)의 최외측에 위치하는 제 5 단위셀(250)은 음극(251)이, 제 6 단위셀(260)은 양극(261)이 하면을 향하여 분리필름(290)과 대면한 상태로 배열된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제 1 단위셀(210), 제5 단위셀(250) 및 제 6 단위셀(260)의 모식도가 도시되어 있다.

도 4에 따르면, 제 1 단위셀(210)은 양극(211), 분리막(214), 음극(212), 분리막(214), 양극(213)으로 구성된 A형 바이셀 형태를 가지며, 상기 양극(211)은 음극 집전체(211a) 양면에 음극 활물질들(211b, 211c)이 도포되어있다.

도 5에 따르면, 제 5 단위셀(250)은 음극(251), 분리막(255), 양극(252), 분리막(255), 음극(253), 분리막(255), 양극(254)으로 구성된 테트라 셀 형태를 가지며, 상기 음극(251)은 양극 집전체(251a)와 분리필름(290)이 대면하지 않은 일면에만 음극 활물질(251b)이 도포되어 있고, 양극(252)은 양극 집전체(252a)의 양면에 양극 활물질들(252b, 252c)이 도포되어 있다.

또한, 제 6 단위셀(260)은 양극(261), 분리막(265), 음극(262), 분리막(265), 양극(263), 분리막(265), 음극(264)으로 구성된 테트라 셀 형태를 가지며, 상기 양극(261)은 양극 집전체(261a)와 분리필름(290)이 대면하지 않은 일면에만 양극 활물질(261b)이 도포되어 있고, 음극(262)은 음극 집전체(262a)의 양면에 음극 활물질들(262b, 262c)이 도포되어 있다.

도 6에 따르면, 상기 배열에 의해 전극조립체(200)의 최상단에는 음극(251)이 위치하고, 최하단에는 양극(261)이 위치하게 되므로, 이에 따라, 전극조립체(200)의 최외측에 위치하는 제 5 단위셀(250)의 음극(251)과 제 6 단위셀(260)의 양극(261)은 분리필름(290)과 대면한 상태로 배열된다.

상기 설명과 같이, 제 1 단위셀(210)의 양극들(211, 213)은 집전체(211a, 213a)의 양면에 활물질(211b, 211c, 213b, 213c)이 모두 도포되어 있고, 제 5 단위셀(250)의 양극(252)과 제 6 단위셀(260)의 음극(262)에는 집전체(252a, 262a)의 양면에 활물질(252b, 252c, 262b, 262c)이 모두 도포되어 있으나, 전극조립체(200)의 최외측에 위치하게 되는 제 5 단위셀(250)의 음극(251)과 제 6 단위셀의 양극(261)은 분리막(255, 265)을 사이에 두고 반대 극성인 전극(252, 262)과 대면하는 집전체(251a, 261a)의 일면에만 활물질(251b, 261b)이 부가되어 있고, 이에 대향해 분리필름(290)과 대면하는 집전체(251a, 261a)의 타면에는 활물질이 부가되어 있지 않다.

따라서, 상기 제 5 단위셀(250)의 음극(251) 및 제 6 단위셀(260)의 양극(261)은 전극조립체(200)의 최외곽에서 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체들(251a, 261a)의 타면이 위치하게 되어, 전도성 물질에 의한 전지셀의 손상 시, 활물질들(251b, 252b, 252c, 261b, 262b, 262c)이 상기 전도성 물질과 직접적으로 접촉함으로써 발생할 수 있는 발열과 화재를 예방하고, 안전성을 향상시킬 수 있다.

전극조립체(200)는 제 1 단위셀(210)이 최내측에 위치하도록, 제 1 단위셀로(210)부터 제 6 단위셀(260)까지 반시계 방향(292)으로 권취하여 제조되며, 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 사이에는 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위(291)가 형성되어 있고, 이에 따라, 상기 제 1 단위셀(210)이 분리필름(290)과 함께 권취되는 과정에서, 제 1 단위셀(210)의 상면에 위치한 양극(213)과 제 3 단위셀(230)의 상면에 위치한 음극(233) 사이에 분리필름(290)이 개재된다.

구체적으로, 제 1 단위셀(210)은 권취 과정에서 도립된 상태로 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220) 사이의 이격 부위(291)로 이동하고, 그 후 최초에 제 1 단위셀(210)의 하면에 위치했던 양극(211)이 제 2 단위셀(220)의 상면에 위치한 음극과 분리필름(290)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.

또한, 상기 분리필름(290)을 사이에 두고 대면하는 제 1 단위셀(210)과 제 2 단위셀(220)은 분리필름(290)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 제 1 단위셀(210)의 상면에 위치했던 양극(213)이 제 3 단위셀(230)의 상면에 위치한 음극(233)과 분리필름(290)을 사이에 두고 대면한다.

상기 과정은 제 6 단위셀(260)까지 순차적으로 진행되며, 이에 따라, 최내측에 제 1 단위셀(210)이 위치하고, 대향하는 최외측에 제 5 단위셀(250)과 제 6 단위셀(260)이 각각 위치하는 구조의 전극조립체(200)가 완성된다.

상기 제조 방법에 따라 제조된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도 6에 도시되어 있다.

도 6을 도 3과 함께 참조하면, 전극조립체(200)의 제 1 단위셀(210)은 최내측의 단위셀을 구성하고, 4개의 전극을 가지며 반대극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell)구조를 가진 제 5 단위셀(250)과 제 6 단위셀(260)은 각각 전극조립체(200)의 서로 대향하는 최외측의 단위셀들을 구성한다.

또한 전극조립체(200)는 6개의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260)을 포함하고 있으며, 전극조립체(200)의 제 1 단위셀(210)은 양극(213)이 상면을 향하는 바, 이에 따라 순차적으로 배열되어, 상기 전극조립체(200)의 최외곽 전극들(251, 261)은 각각 음극 및 양극으로 구성된다.

전극조립체(200)는 총 9개의 양극, 9개의 음극, 1개의 음극 단면, 1개의 양극단면, 14개의 분리막, 및 1개의 분리필름을 포함하고 있다.

따라서, 종래의 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 바이셀 구조의 단위셀들 만으로 구성된 전지셀에 비해, 불활성 재료인 분리막의 수량이 감소되고, 양극과 음극의 수량이 감소됨에 따라, 상기 전극들의 집전체 수량도 감소되며, 상기 감소된 불활성 재료의 두께에 해당하는 활물질이 더 부가될 수 있으므로, 결과적으로, 전지셀의 전체적인 용량은 증가한다.

전극조립체(200)에서, 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell) 구조의 제 5 단위셀(250) 및 제 6 단위셀(260)과 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 구조의 제 1 단위셀(210) 내지 제 4 단위셀(240)은 전체적인 두께가 서로 상이한 구조로서, 종래의 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 정도의 활물질이 전지셀을 구성하는 모든 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260)에 균등하게 부가되어 있다.

따라서, 각 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260)의 집전체의 일면에 대한 활물질의 도포량이 모두 균등하므로, 전지셀의 제조 과정에서, 최외측의 단위셀들(250, 260)과 그 외의 단위셀들(210, 220, 230, 240)의 구분 없이, 집전체의 일면에 활물질을 균등하게 도포하게 되므로, 공정에 소요되는 인력 및 시간을 감소시킬 수 있다.

그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 전극조립체(200)의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260)은 두께가 서로 동일한 구조일 수 있으며, 구체적으로, 종래의 전지셀에 비해 감소된 집전체 및 분리막의 두께에 해당하는 정도의 활물질이 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 구조로 이루어진 제 1 내지 4 단위셀들(210, 220, 230, 240)에 추가로 부가될 수 있고, 이에 따라, 상기 제 1 내지 4 단위셀들(210, 220, 230, 240)은 최외측의 제 5 단위셀(250) 및 제 6 단위셀(260)과 동일한 두께를 갖는 구조일 수 있다.

도 7에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀을 이루는 전극조립체(300)의 제조 방법을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 8 및 도 9에는 도 7의 일부 단위셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 3 내지 5와 비교하여, 도 7 내지 도 9를 참조하면, 전극조립체(200)이 6개, 즉 짝수개의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260)을 포함하는 것과는 달리, 전극조립체(300)은 5개, 즉 홀수개의 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350)을 포함하고 있고, 이 중 제 4 및 제 5 단위셀들(340, 350)은 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell) 구조로 이루어져 있으며, 제 1 단위셀(310)부터 제 3 단위셀(330)까지 3개의 단위셀들(310, 320, 330)은 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있다.

상기 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350) 중 제 1 단위셀(310)은 음극이 양단에 위치하는 구조로 구성되어 있고, 제 2 단위셀(320)과 제 3 단위셀(330)은 양극이 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있다.

제 1 단위셀(310)은 음극(311)이 하면을 향하여 권취 전 분리필름(290)상에 대면해 있으며, 상기 제 1 단위셀(310)의 전극 방향에 따라, 제 2 단위셀(320)로부터 제 5 단위셀(350)까지 분리필름 상에 위치한다.

또한, 상기 배열에 의해, 전극조립체(200)가 최외곽에 상이한 전극을 갖는 것과는 달리, 전극조립체(300)의 최외곽에는 동일한 전극이 위치하게 되므로, 이에 따라, 전극조립체(300)의 최외측에 위치하는 제 5 및 제 6 단위셀들(350, 360)은 양극(351, 361)이 하면을 향하여 분리필름(390)과 대면한 상태로 배열된다.

이 때, 전극조립체(200)와 같이, 전극조립체(300)의 제 1 단위셀(310)의 음극들(311, 313)은 집전체(311a, 313a)의 양면에 활물질(311b, 311c, 313b, 313c)이 모두 도포되어 있고, 전극조립체(300)의 최외곽 전극인 양극들(341, 351)에 있어서, 분리막들(345, 355)을 사이에 두고 반대 극성인 음극들(342, 352)과 대면하는 집전체들(341a, 351a)의 일면에만 활물질들(341b, 351b)이 부가되어 있고, 이에 대향해 분리필름(390)과 대면하는 집전체들(341a, 351a)의 타면에는 활물질이 부가되어 있지 않다.

따라서, 전극조립체(200)와 마찬가지로 전극조립체(300) 또한, 상기 제 4 단위셀(340) 및 제 5 단위셀(350)의 양극(341, 351)은 전극조립체(300)의 최외곽에서 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체들(341a, 351a)의 타면이 위치하게 되며, 이에 따라, 전도성 물질에 의한 전지셀의 손상 시, 활물질들(341b, 342b, 342c, 351b, 352b, 352c)이 상기 전도성 물질과 직접적으로 접촉함으로써 발생할 수 있는 발열과 화재를 예방하고, 안전성을 향상시킬 수 있다.

전극조립체(300)은 제 1 단위셀(310)이 최내측에 위치하도록, 제 1 단위셀로(310)부터 제 5 단위셀(350)까지 반시계 방향(392)으로 권취하여 전극조립체(200과 같은 방법으로 제조된다.

이에 따라, 최내측에 제 1 단위셀(310)이 위치하고, 대향하는 최외측에 제 4 단위셀(340)과 제 5 단위셀(350)이 각각 위치하는 구조의 전극조립체(300)가 완성된다.

상기 제조 방법에 따라 제조된 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도 10에 도시되어 있다.

도 6과 비교하여 도 10을 도 7과 함께 참조하면, 도6의 전극조립체(200)과 같이 전극조립체(300)의 제 1 단위셀(310)은 최내측의 단위셀을 구성하고, 4개의 전극을 가지며 반대극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라 셀(Tetral cell)구조를 가진 제 4 단위셀(340)과 제 5 단위셀(350)은 각각 전극조립체(300)의 서로 대향하는 최외측의 단위셀들을 구성한다.

반면, 전극조립체(200)이 6개의 단위셀을 포함하는 것과는 달리, 전극조립체(300)는 5개의 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350)을 포함하고 있으며, 전극조립체(300)의 제 1 단위셀(310)은 음극(313)이 상면을 향하는 바, 이에 따라 순차적으로 배열되어, 상이한 최외곽 전극을 갖는 전극조립체(200)와는 달리, 전극조립체(300)의 최외곽 전극들(341, 351)은 모두 양극으로 구성된다.

전극조립체(300)는 총 7개의 양극, 8개의 음극, 2개의 양극단면, 12개의 분리막, 및 1개의 분리필름을 포함하고 있다.

따라서, 종래의 동일한 극성의 전극이 양단에 위치하는 적층 구조의 단위셀들 만으로 구성된 전지셀에 비하여 전극조립체(200)과 같은 이유로, 전극조립체(300) 또한 활물질이 더 부가될 수 있으므로, 결과적으로, 전지셀의 전체적인 용량이 증가한다.

기타 전극조립체(300)의 구성 및 효과는 도 3 내지 도 6의 전극조립체(200)와 동일하다.

본 발명에 따른 전지셀의 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 전지셀은 분리필름이 전극조립체의 최하단 단위셀로부터 최상단 단위셀까지 'Z'자 형태로 감싸는 구조로 단위셀들을 폴딩하여 제조될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 3 내지 도 6의 구성과 같이 전극조립체를 조립하고, 이를 파우치형 전지케이스에 내장한 뒤, 1M LiPF₆ 리튬염이 포함된 EC/EMC계 전해액을 함침시켜 전지셀을 제조하였다. 이때, 전지셀의 크기는 3.5mm * 79.6mm * 92.5 mm가 되도록 설계하였다.

<비교예 1>

도 1의 구성과 같이 전극조립체를 조립하고, 이를 파우치형 전지케이스에 내장한 뒤, 1M LiPF₆ 리튬염이 포함된 EC/EMC계 전해액을 함침시켜 전지셀을 제조하였다. 이때, 전지셀의 크기는 3.5mm * 79.6mm * 92.5 mm가 되도록 설계하였다.

<실험예 1>

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀을 대상으로, 양극의 총 로딩량, 전지 용량, 및 에너지 밀도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀이 종래 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조의 단위셀들만으로 이루어진 전지셀에 비해 단위셀의 개수를 줄일 수 있어 전극 활물질의 로딩량을 증가시킬 수 있고, 따라서, 용량 및 에너지 밀도가 각각 1.4% 및 1.3% 증가하였음을 확인할 수 있다.

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

Claims (18)

1. 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
   상기 전극조립체에서 최외측의 단위셀들은 각각 독립적으로 4개의 전극을 가지며 반대 극성의 전극이 양단에 위치하는 테트라셀(Tetra cell) 구조이고, 나머지 단위셀들은 각각 독립적으로 3개의 전극을 가지며 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 바이셀(bicell) 구조이며;
   상기 전극조립체의 최외곽 전극들은 반대 극성의 전극과 대면하는 집전체의 일면에만 활물질이 부가되어 있고,
   상기 전극조립체는 n개의 단위셀(상기 n은 6)들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 최내측에 위치하고 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 최외측에 각각 위치하도록 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 최외곽 전극들을 제외한 전극들은 집전체의 양면에 활물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀은 권취 전의 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 집전체 일면에는 활물질이 도포되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성과 제 n 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성의 극성이 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성과 제 n 단위셀이 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성의 극성이 상이한 것을 특징으로 하는 전지셀.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 양극이고, 제 n 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 음극인 것을 특징으로 하는 전지셀.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 n-1 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 음극이고, 상기 제 n 단위셀은 권취 전 분리필름 상에서 분리필름과 대면하는 전극의 극성이 양극인 것을 특징으로 하는 전지셀.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 두께가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 테트라 셀(Tetra cell) 구조로 이루어져 있는 단위셀과 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하는 구조로 이루어져 있는 단위셀은 두께가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전지셀.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 단위셀들은 집전체의 일면에 대한 양극 활물질 또는 음극 활물질의 도포량이 각각 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막인 것을 특징으로 하는 전지셀.
17. 제 1 항에 따른 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.

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