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KR101789066B1 - 복합 구조의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지 - Google Patents

복합 구조의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지 Download PDF

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KR101789066B1
KR101789066B1 KR1020170064641A KR20170064641A KR101789066B1 KR 101789066 B1 KR101789066 B1 KR 101789066B1 KR 1020170064641 A KR1020170064641 A KR 1020170064641A KR 20170064641 A KR20170064641 A KR 20170064641A KR 101789066 B1 KR101789066 B1 KR 101789066B1
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김광석
이길주
한금봉
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Abstract

본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체는 분리막을 기준으로 하여 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀을 포함하는 제 1 전극 조립체; 상기 제 1 전극 조립체의 일측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 전극판; 및 상기 제 1 전극 조립체 또는 단일 전극판 상에 연결되며, 단일한 전극판의 양측을 분리막이 감싸는 포켓 형태인 제 2 전극 조립체;를 포함하고, 상기 제 1,2 전극 조립체와 단일 전극판 상에 각각 형성된 전극 병렬 연결용 탭들을 통해 동일한 극끼리 연결되며, 상기 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 상기 제 2 전극 조립체를 차례대로 적층한 구조의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 국소적인 테이핑 처리가 된 상태이다.

Description

복합 구조의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지{electrode assembly of composite structure, manufacturing method and lithium ion battery having electrode assembly}
본 발명은 복합 구조의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지로서, 서로 다른 구조를 갖는 복수의 전극 조립체 및 전극판들을 차례로 적층하여 하나의 전극 조립체로 제조하는 기술로 기존 전극 조립체 및 전지의 전기화학적 특성을 유지하고 유연성에 있어서 기존 이상의 성능을 확보하는 것과 동시에 제조 공정의 간소화 및 공정 시간의 단축 등 공정 효율성을 향상시키는 구조에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 상기 휴대형 전자기기의 경량화와 고기능화 및 사물인터넷(Internet of things, IoT)이 발전함에 따라 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.
이차 전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입한 상태에서, 상기한 양극과 음극을 연결했을 때 전해물질과 전극 사이에서 발생되는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로 무선 전기전자제품의 대중화와 더불어 확산되고 있는 추세이다.
통상적으로, 이차 전지는 양극판과 음극판과 사이에 분리막을 삽입하고 이들을 함께 나선형으로 권취시킨 젤리롤 형태의 권취형 전극 조립체, 또는 분리막을 사이에 두고 다수의 양극판과 음극판을 적층하여 형성된 플렉서블 적층형 전극 조의 형태가 리튬 이차 전지에 많이 사용하고 있다.
한편, 양극판, 분리막, 음극판 순으로 적층된 전극 조립체에 대해 벤딩 등의 외력이 가해지는 경우를 보면, 적층된 전극판 중 일부 영역 상에 손상 및 절단 등이 발생함으로써 전극 조립체의 기본 기능인 전류 패스를 확보하는 데에 문제가 발생하게 된다. 또한, 용량 급감 후에 전지의 기능을 상실하는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0031829호를 참조하여 유연한 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기화학 소자를 예를 들어 설명하면, 전극 적층 구조체의 일부분이 고정부재에 의해 고정됨으로써 전극 조립체가 반복적으로 굽힘 운동을 하는 경우에도 전극 적층 구조체를 구성하는 층들 사이의 상대적인 위치를 유지함에 따라 오정렬에 의한 단락을 방지하는 기술을 제공한다.
한편, 종래의 플렉서블 전지의 제조 과정을 보면, 전지의 유연성을 확보하기 위해 전극 탭 상에 보강 탭을 설치하거나 또는 전극 리드 굽힘 등의 공정을 거치게 하거나, 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 동시에 구비한 극판들의 경우 각각 크기를 달리하여 접합 후 삽입 및 정렬하는 공정을 거침에 따라 제조 공정을 복잡하게 하고 이로 인한 불량이 발생하며 제조 공정의 시간이 길어지는 문제점이 있다.
상기에 따라 유연성이 요구되는 디바이스에 있어 이에 대응할 수 있는 플렉서블 전지가 필요하며, 상기 플렉서블 전지 안에 내장되는 전극 조립체의 경우에 기존의 성능을 구현하면서도 제조 공정의 간소화 및 공정 시간 단축에 해당하는 공정성을 향상시키는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위하여, 서로 다른 구조를 갖는 복수의 전극 조립체 및 전극판들을 차례로 적층하여 하나의 전극 조립체로 제조함으로써 기존의 지그재그 전극 조립체와 유사한 성능을 가지면서 제조 공정의 간소화 및 공정 시간 단축을 가능하게 하는 복합 구조의 전극 조립체 및 그 제조 방안을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조의 전극 조립체는 분리막을 기준으로 하여 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀을 포함하는 제 1 전극 조립체; 상기 제 1 전극 조립체의 일측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 전극판; 및 상기 제 1 전극 조립체 또는 단일 전극판 상에 연결되며, 단일한 전극판의 양측을 분리막이 감싸는 포켓 형태인 제 2 전극 조립체;를 포함하고, 상기 제 1,2 전극 조립체와 단일 전극판 상에 각각 형성된 전극 병렬 연결용 탭들을 통해 동일한 극끼리 연결되며, 상기 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 상기 제 2 전극 조립체를 차례대로 적층한 구조의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 국소적인 테이핑 처리가 된 상태이다.
상기 제 2 전극 조립체는, 상기 단일 전극판을 중심으로 하여 상기 제 1 전극 조립체의 반대편 상에 배치된다.
상기 단일 전극판 또는 상기 제 2 전극 조립체는 탭-리드 결합부 상에 전극 리드가 상기 탭-리드 결합부를 향하도록 용착된 상태에서 180˚ 반대 방향으로 굽혀져 외측으로 향한 구조이다.
상기 단일 전극판 또는 상기 제 2 전극 조립체는 탭-리드 결합부 상에 보강 탭을 용착한 후에 상기 보강 탭에 상기 전극 리드를 결합한다.
상기 단일 전극판 및 상기 제 2 전극 조립체는 상기 탭-리드 결합부 상에 상기 전극 리드의 용착을 사전에 선행한 상태에서 적층한다.
상기 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 제 2 전극 조립체 사이에는 단일한 분리막이 배치된 상태이며, 이를 통해 이온 전도도 저하 방지 및 유연성 향상을 가능하게 한다.
상기 복합 구조의 전극 조립체는, 종래의 지그재그 방식으로 적층된 단일 전극 조립체에 있어서의 기계적 응력을 분산시키며, 국소적인 테이핑 마무리를 통해서 굽힘 및 비틀림 동작에 있어 안정적인 리튬이온 이차전지 구현을 가능하게 한다.
상기 제 1 전극 조립체는, 상기 단일 전극판 및 상기 제 2 전극 조립체의 사이에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 구조의 전극 조립체는 분리막을 기준으로 하여 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀을 포함하는 제 1 전극 조립체; 상기 제 1 전극 조립체의 일측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 양극판; 및 상기 제 1 전극 조립체의 타측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 음극판;을 포함하며, 상기 단일 양극판과 단일 음극판은 전극 리드 연결용 탭 및 병렬 연결용 탭을 동시에 구비하며, 상기 제 1전극 조립체, 단일 양극판 및 단일 음극판 상에 각각 형성된 전극 병렬 연결용 탭들을 통해 동일한 극끼리 연결되며, 상기 단일 양극판, 제 1 전극 조립체 및 단일 음극판을 차례대로 적층한 구조의 외면 상에 국소적인 테이핑 처리가 된 상태이다.
본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 상기한 복합 구조의 전극 조립체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 구조를 갖는 복수의 전극 조립체 및 전극판들을 차례로 적층하여 하나의 전극 조립체로 제조함으로써 기존의 지그재그 전극 조립체와 유사한 성능을 가지면서 제조 공정의 간소화 및 공정 시간 단축을 가능하게 한다.
또한, 기존의 지그재그 전극 조립체에 비해 개선된 유연성 및 굽힘 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 복합 구조의 전극 조립체의 적층 구조를 보인다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 복합 구조의 전극 조립체의 적층 공정을 보인다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체를 구성하는 포켓팅 구조의 최외곽 전극판 구조를 보인다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 적층된 복합 구조의 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 조립체, 양극판 및 제2 전극 조립체의 배치를 보이는 동시에 병렬 연결용 탭의 정렬 및 용착을 시행한 상태를 보인다.
도 5는 복합 구조의 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 병렬 연결용 탭을 통해 동일한 극성의 전극판들이 서로 전기적으로 연결되며 물리적으로 연결된 구체적인 상태를 보인다.
도 6은 서로 다른 전극 조립체 및 전극판으로 구성된 복합 구조의 전극 조립체로 마감 테이핑 처리를 보인다.
도 7은 또 다른 실시예(실시예2)로 제 1 전극조립체의 양측에 단일 양극판과 음극판이 차례로 적층된 복합 구조의 전극 조립체 구성을 보인다.,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복합 구조의 전극 조립체의 벤딩 테스트 결과를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체의 적층 구조에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따라 복합 구조의 전극 조립체의 적층 구조를 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 복합 구조의 전극 조립체의 적층 구조를 전체적으로 설명한다.
복합 구조의 전극 조립체는 제 1 전극 조립체(100), 상기 제 1 전극 조립체(100)의 일측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 전극판(200), 및 상기 단일 전극판(200)을 중심으로 하여 상기 제 1 전극 조립체(100)의 반대편 상에 대면되는 제 2 전극 조립체(300)를 포함한다.
상기 제 1 전극 조립체(100)는 분리막(130)을 사이에 두고 한 쌍의 전극판(110,120)을 갖는 하나 이상의 단위셀(A) 및 전극 합재가 미도포된 상태의 돌출된 전극 탭(112,122)을 포함하는 형태일 수 있다.
상기 제 1 전극 조립체(100)는 분리막(130)을 사이에 두고 음극판(110)과 양극판(120)으로 구분되고, 음극판(110), 양극판(120) 및 분리막(130)은 하나의 단위셀(A)을 이룰 수 있다.
상기 제 1 전극 조립체는 일례로서 최외곽 단면 음극판, 분리막, 양극판을 갖는 제1 단위셀 및 분리막, 음극판, 분리막, 양극판, 분리막, 음극판 등의 복수의 단위셀이 지그재그 방식으로 적층된 형태일 수 있다.
음극판과 양극판 사이에서는 이온 전달 매개체 역할을 하는 전해액이 있을 수 있고, 상기 음극판과 양극판은 전극판으로부터 돌출되어진 상태에서 용도에 따라 병렬 연결용 탭을 포함한다.
상기 제 1 전극 조립체(100)의 경우, 기존의 지그재그 전극 조립체 내부에 배치된 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭이 양측에 구비된 전극판과는 달리 일측에 병렬 연결용 탭만을 구비하여 정렬 및 적층되므로 복잡하지 않고 간단하며 기존과 비교하여 동일한 시간 내에 더 빠른 공정 속도와 정확도를 가질 수 있다.
여기에서, 전극판들은 전극 합재가 전극 집전체인 전극판의 단면 또는 양면에 도포되며, 상기 병렬 연결용 탭은 상기 전극판으로부터 돌출된 형태이다. 한편, 상기 병렬 연결용 탭에는 전극 합재가 미도포된 상태로 노출된 형태이다.
상기 복수의 전극판들은 병렬 연결용 탭을 통해 동일한 극끼리 연결된다. 즉, 복수의 음극판들 및 복수의 양극판들은 각각 전극 탭들 간을 연결하는 탭-탭 결합부에 의해서 전기적으로 병렬 연결된다.
분리막은 전극판들을 물리적으로 이격시키지만 전해액에 포함된 이온은 통과시키는 기능을 한다.
상기 본 발명의 일례로 제 1 전극 조립체의 최상단에 배치되는 음극판은 음극 합재가 단면에만 도포된 상태이지만, 복합 구조의 전극 조립체 내에서 제 1 전극 조립체가 적층되는 위치에 따라 최하단에 배치되는 음극판의 경우 음극 합재가 단면에만 도포된 상태인 것 또한 본 발명의 하나의 실시예로 포함됨은 물론이다.
상기 단일 전극판(200)은 실시예로서 양면에 양극 활물질이 도포된 상태이며, 병렬 연결용 탭(212) 및 전극 리드 연결용 탭(214)을 구비한 양극판일 수 있다. 상기 단일 전극판(200)은 상기 제 1 전극 조립체(100)와 제 2 전극 조립체(300) 사이에 배치되는 단일한 전극판일 수 있다.
상기 제 2 전극 조립체(300)는 최외곽 전극판(310)을 분리막(330)으로 감싸는 열 실링 또는 초음파 용착의 포켓팅 구조이다.
상기 제 2 전극 조립체(300) 내부의 최외곽 전극판(310)은 병렬 연결용 탭(312) 및 전극 리드 연결용 탭(314)을 구비한다. 상기 전극 리드 연결용 탭(314) 상에 보강 탭(350) 및 전극 리드(360)를 결합하는 형태일 수 있다. 제 2 전극 조립체(300)를 구성하는 최외곽 전극판(310)은 음극 전극판인 것이 바람직할 수 있다.
상기 제 1 전극 조립체(100), 단일 전극판(200) 및 제 2 전극 조립체(300)를 적층하는데 있어서, 각 층마다 분리막을 1장으로 하여 이온 전도도의 저하를 방지하는 것과 동시에 유연성을 강화할 수 있다. 상기 제 1 전극 조립체(100)의 경우, 앞서 기재했듯이 복수의 전극판과 분리막이 지그재그 방식으로 적층된 구조로 최외곽이 분리막으로 마무리되는 것은 통상의 지식을 가진 자라면 당연할 것이다. 또한, 제 2 전극 조립체(300)는 단일한 최외곽 전극판을 분리막으로 감싸는 포켓팅 구조이다. 이러한 각각의 전극 조립체의 구조를 토대로 제 1 전극 조립체(100)와 단일 전극판(200), 제 2 전극 조립체(300)를 적층하는 데 있어 단일 전극판(200)의 양측에 별도의 분리막 추가 없이, 제 1 전극 조립체(100)와 제 2 전극 조립체(300)의 최외곽 분리막으로 정상적인 전기화학적 구동이 가능하다. 또한, 상기의 구조를 통해서, 별도의 분리막을 필요로 하지 않기 때문에 분리막의 두께 상승으로 인한 굽힘 특성 감소 및 이온 전도성 저하를 방지한다.
본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체는 기존의 지그재그 상태로 적층된 단일 전극 조립체의 기계적 응력을 분산시키게 하는 한편, 국소적인 테이핑 마무리로 인해 굽힘, 비틀림 등의 동작에 있어서 안정적인 플렉서블 전지 구현을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체는 제 1 전극 조립체(100), 단일 전극판(200) 및 제 2 전극 조립체(300)의 높이와 적층 순서를 달리함으로써 다양한 구조의 적층 형태를 가질 수 있다.
상기 단일 전극판(200) 및 제 2 전극 조립체(300)를 이루는 탭-리드 결합부 상에 전극 리드(260,360)를 결합하는 방법을 설명한다.
먼저, 본 발명은 단일 전극판(200) 또는 제 2 전극 조립체(300)를 이루는 전극 리드 연결용 탭(214,314) 상에 보강 탭(250,350)을 용착한 탭-리드 결합부 상에 전극 리드(260,360)가 용착되는 구조를 갖는다.
즉, 상기 탭-리드 결합부 상에 별도의 보강 탭을 용착한 후에 상기 보강 탭에 전극 리드를 결합함으로써 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드를 보강 탭을 이용하여 덧대는 구조를 제공한다. 탭-리드 결합부 상에 덧대어진 보강 탭은 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드의 연결 부분의 강도를 보강함으로써 물리적으로 강화한다.
상기 단일한 최외곽 전극판에서 연장되는 전극 리드 연결용 탭 상단에는 상기 전극 리드 연결용 탭보다 1배 내지 3배 두꺼운 동종 또는 이종의 금속 보강 탭을 덧댐으로 보강시켜 용착한다. 덧댐으로 용착되는 보강 탭 및 전극 리드 연결용 탭은 동일 또는 상이한 폭을 갖는다.
다음으로, 본 발명은 단일 전극판(200) 또는 제 2 전극 조립체(300)를 이루는 전극 리드 연결용 탭(214,314) 상에 전극 리드 굽힘 구조를 결합하는 형태일 수 있다.
전극 리드를 전극 리드 연결용 탭의 상부에 나란하게 배치한 상태에서, 전극 리드의 끝단 일부를 전극 리드 연결용 탭의 상단에 용착한다. 상기 상태에서, 전극 리드를 180° 구부리는 과정을 통해서, 전극 리드가 전극 리드 연결용 탭으로부터 전극 조립체의 외측 방향으로 향하도록 한다.
전극 리드 연결용 탭과 전극 리드의 굽힘을 통한 접합 방식은 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 어느 하나에 해당한다.
상기 단일 전극판(200) 및 상기 포켓팅 구조의 제 2 전극 조립체(300)는 전극 리드 연결용 탭 및 전극 리드의 결합 내지 용착을 이미 선행한 상태에서 적층하는 방식일 수 있다. 기존에 전극 조립체 공정에 관한 선행 특허의 발명을 살펴보면, 전극 조립체의 적층 및 분리막 또는 분리필름에 의해 전체적으로 권취된 후에 단자부가 되는 전극 리드 용착이 이루어진다.
그러나, 본 발명의 경우 전극판 및 전극 조립체의 전극 리드 연결용 탭 상에 전극 리드와의 용착이 선행되어 단순 적층된 복합 구조를 이루기 때문에 삽입 및 정렬하는 공정이 생략되어 시간을 단축시킬 수 있으며, 복잡한 과정을 제조 공정으로 인해 발생하는 전극 리드의 용착 불량 및 이탈(분리)을 최소화하여 품질 향상 및 단가 절감 효과가 있음은 물론이다.
한편, 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 제 2 전극 조립체가 차례로 적층된 상태의 복합 구조의 전극 조립체는 상기 복합 구조의 전극 조립체의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 접착 테이프로 국소적인 테이핑 처리를 시행할 수 있다.
도 3은 최외곽 전극판의 양측을 분리막을 통해 포켓팅 구조로 감싸는 형태를 보인다. 포켓팅 공정에 있어서는 크게 두가지 방식으로 분리할 수 있는데 열 실링과 초음파 용착이 그 경우이다.
구체적으로는, 도 3을 보면 최외곽 전극판(310)의 양측을 감싸는 분리막(330)의 양측을 열용착(380)을 통해 포켓 형식으로 제작한다. 열 실링 시, 110℃ 내지 130℃의 온도 조건에서 접혀진 분리막 사이에 전극판을 투입한 후 절연성 및 내화학성이 우수한 고분자 필름을 구비하여 분리막 외측 가장자리를 위/아래 열 접착시킨다.
초음파 용착의 경우, 상/하단에 분리막을 위치시키고 그 사이에 전극판을 투입시킨다. 그 후 하단에 위치한 앤빌(anvil) 위쪽으로 지나가는 포켓팅 전극 조립체를 상단에 위치한 혼(horn)이 초음파 용착을 진행한다. 이 때 혼은 정해진 위치에 작은 형태의 돌기가 수 개 형성되어 스팟(spot) 형태로 정해진 부위에 초음파 용착되거나 단순한 스탭(stepped horn) 이외에도 바(bar), 원뿔(conical) 등의 형태로 롤러형인 앤빌 상에 형성하는 방식의 초음파 용착 모두 가능하며, 공정 목적 및 설계에 맞게 혼을 단독 및 교체하며 사용할 수 있다.
이 간단한 포켓팅 공정을 통해 분리막 내부에 위치해 있는 전극판이 고정되며, 전극 조립체가 반복적인 굽힘 및 비틀림과 같은 변형을 하는 경우에도 오정렬에 의한 단락 및 이격에 따른 용량 저하 현상이 방지될 수 있다. 또한, 최외곽 전극판의 경우 외부 힘에 대한 응력으로 인해 손상 및 절단이 발생하는데 양측의 분리막이 전극판을 지지함과 동시에 응력을 분산시켜 유연성을 향상시키는 효과가 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체는 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 제 2 전극 조립체들이 적층되어 있는 복합 구조인 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 상기 복합 구조의 전극 조립체는 상기 제 1 전극 조립체(100), 단일 전극판(200) 및 제 2 전극 조립체(300) 상에 형성된 복수의 전극 탭들 중 병렬 연결용 탭들(112,122,212,312)을 통해 동일한 극성의 전극판들이 서로 전기적으로 연결되며 물리적으로 잡아주는 구조이다.
본 발명에 따른 복합 구조의 전극 조립체 상에서 돌출된 상태의 복수의 전극 병렬 연결용 탭은 동일한 극성의 전극판들을 서로 전기적으로 병렬 연결하게 한다. 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 전극 조립체의 최상단 또는 최하단을 이루는 최외곽 전극판의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 위치하여 마감 테이핑 처리된다.
게다가, 병렬 연결용 탭들이 서로 연결 및 고정되어 오정렬 및 이격을 방지해 주기 때문에 분리막, 분리필름 또는 마감테이프로 전극 조립체의 최외곽을 전체적으로 권취하는 방식이 아닌 국소적인 테이핑 처리가 가능할 수 있는 역할을 추가로 해준다.
도 5는 전극 탭 중 병렬 연결용 탭을 통해 동일한 극성의 전극판들이 서로 전기적으로 연결되며 물리적으로 연결된 구체적인 상태를 보인다. 여기에서 서로 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 분리막 상단(Top)에 곡선 형태로 굽어져 부착되며, 그 때 휘어지는 정도는 150˚ 내지 180˚ 가 바람직하다.
또한, 복합 구조의 전극 조립체의 두께를 T라고 할 때, 1/4 T 이상 3/4 T 이하 범위의 굽힘 반경으로 위치하며, 1/4 T 두께 이내로 이격하여 분리막 상단에 굽혀지는 것을 특징으로 한다.
도 6은 복합 구조의 전극 조립체를 국소적으로 테이핑 했다는 사실을 보여주는 것으로 전체가 아닌 부분적으로 감싸는 형태이므로 두께 감소는 물론 기존보다 굽힘에 대한 유연성을 가질 수 있게 된다.
전극 합재가 미도포된 상태의 돌출된 전극 탭을 제외한 전극판의 길이를 L이라고 했을 때, L1과 L2의 범위는 0＜L1＜1/2L, 1/2L＜L2＜2/2L를 가지며, 마감테이프는 L2의 범위 내에 위치하는 것이 바람직하나, 전지 설계에 따라 L1과 L2 양측의 범위 내에 각각 위치하거나, 마감 테이프가 여러 개로 분산되는 것 또한 가능하다. 이 때 테이프의 폭은 1/10L＜L3＜1/2L 값이 적당하다. 마감 테이프(400)는 구체적인 실시예로서 제 1 전극 조립체(100)의 길이방향을 따라 감싸는 제1 마감 테이프(420) 및 제 1 전극 조립체(100)의 L2의 범위 상에 배치되는 제2 마감 테이프(410)를 포함하는 형태일 수 있다. 한편, 상기 제2 마감 테이프(410)는 복합 구조의 전극 조립체 전체를 감싸는 형태일 수 있다.
도 7은 복합 구조의 전극 조립체의 제2 실시예로서 전술된 제1 실시예와는 구조 및 공정이 다르다. 상기 제2 실시예는 분리막을 기준으로 하여 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀을 포함하는 제 1 전극 조립체(100')와 상기 제 1 전극 조립체(100')의 양측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 양극판(200')과 단일 음극판(300')을 구비하며, 상기 단일 양극판(200')과 음극판(300')은 전극 리드 연결용 탭 및 병렬 연결용 탭을 동시에 구비한다. 상기 제 1전극 조립체(100')와 단일 전극판(200',300') 상에 각각 형성된 전극 병렬 연결용 탭들을 통해 동일한 극끼리 연결되며, 상기 단일 양극판(200'), 제 1 전극 조립체(100') 및 단일 음극판(300')을 차례대로 적층한 구조이다. 상기 제 1 전극 조립체(100')의 경우, 복수의 전극판과 분리막이 지그재그 방식으로 적층된 구조로 최외곽이 분리막으로 마무리되는 것은 통상의 지식을 가진 자라면 당연할 것이다. 여기에서, 상기 제 1 전극 조립체(100')를 감싸는 최외곽 분리막에 의해서 별도의 분리막 추가 없이 제 1 전극 조립체(100')와 단일 전극판들(200',300')은 안정적인 전기화학 구동이 가능하다.
여기서 각각의 단일 양극판(200')과 단일 음극판(300')은 전극 리드 연결용 탭 상에 전극 리드를 선행하여 용착되어 있는 상태로 포켓팅 공정 없이 제 1 전극 조립체의 양측에 배치되어 병렬 연결용 탭에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 양극으로 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 최하단에 위치한 단면 양극판으로, 음극으로 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 최상단에 위치한 단면 음극판 위로 굽어져 테이핑 공정이 이루어진다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복합구조의 전극 조립체 및 기존의 플렉서블 전극 조립체 간의 벤딩 테스트 결과를 보인다. 벤딩 각도는 35˚ 내지 85˚, 속도는 25rpm으로 굽힘 작업과 동시에 충/방전 평가를 진행 한다.
기존의 플렉서블 전극 조립체의 경우, 12,000회를 넘어가면서 벤딩으로 인한 노이즈가 발생하며 그후 내부 전극판의 손상이 일어난 것을 확인할 수 있다. 또한, 제 1 전극조립체의 양측에 단일 전극판을 배치한 제2 실시예에 따른 전극 조립체의 경우, 20,000회 부근에서 노이즈가 발생하는 것으로 보아 복합 구조의 전극 조립체가 기존 이상의 유연성을 확보했음을 알 수 있다.
특히, 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 포켓팅 구조의 제 2 전극 조립체를 구비한 제2 실시예에 따른 복합적인 전극 조립체의 경우, 동일한 조건 하에서 상기 전극 조립체들보다 30,000회 이상에서도 별도의 노이즈 발생 및 내부 전극판의 손상 없이 우수한 유연성이 구현됨을 확인할 수 있다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 구조의 복수의 전극 조립체 및 전극판들을 차례로 적층하여 하나의 전극 조립체로 제조함으로써 기존의 지그재그 전극 조립체와 유사한 성능을 가지면서 제조 공정의 간소화 및 공정 시간 단축을 가능하게 한다.

Claims (10)

  1. 분리막을 기준으로 하여 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀을 포함하는 제 1 전극 조립체;
    상기 제 1 전극 조립체의 일측 상에 대면된 상태로 배치되는 단일 전극판; 및
    상기 단일 전극판 상에 연결되며, 단일한 전극판의 양측을 분리막이 감싸는 포켓 형태인 제 2 전극 조립체;를 포함하고,
    상기 제 1,2 전극 조립체와 단일 전극판 상에 각각 형성된 전극 병렬 연결용 탭들을 통해 동일한 극끼리 연결되며,
    상기 제 1 전극 조립체, 단일 전극판 및 상기 제 2 전극 조립체를 차례대로 적층한 구조의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 국소적인 테이핑 처리가 된 상태인,
    복합 구조의 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 조립체는, 상기 단일 전극판을 중심으로 하여 상기 제 1 전극 조립체의 반대편 상에 배치되는,
    복합 구조의 전극 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 조립체의 포켓팅 구조는 분리막 사이에 전극판을 삽입하여 위/아래에서 열 접착되거나 혼(horn)과 앤빌(anvil)의 설계에 따라 초음파 용착되는,
    복합 구조의 전극 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 전극판 또는 상기 제 2 전극 조립체는 탭-리드 결합부 상에 전극 리드가 상기 탭-리드 결합부를 향하도록 용착된 상태에서 180˚ 반대 방향으로 굽혀져 외측으로 향한 구조인,
    복합 구조의 전극 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 전극판 또는 상기 제 2 전극 조립체는 탭-리드 결합부 상에 보강 탭을 용착한 후에 상기 보강 탭에 전극 리드를 결합하는,
    복합 구조의 전극 조립체.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 단일 전극판 및 상기 제 2 전극 조립체는 상기 탭-리드 결합부 상에 상기 전극 리드의 용착을 사전에 선행한 상태에서 적층하는,
    복합 구조의 전극 조립체.
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