KR102070907B1

KR102070907B1 - 충방전 시 발생하는 가스를 수용할 수 있는 잉여부를 포함하는 전지셀

Info

Publication number: KR102070907B1
Application number: KR1020150150134A
Authority: KR
Inventors: 양진오; 송석진; 이석훈; 이연옥
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: KR20170049136A

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고, 상기 양극과 음극은 각각 집전체의 표면에 전극 활물질이 코팅되어 있으며, 전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 수용하여 전지케이스의 팽창을 방지하는 가스 수용부가 양극 및 음극 중의 적어도 하나에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

충방전 시 발생하는 가스를 수용할 수 있는 잉여부를 포함하는 전지셀 {Battery Cell Comprising Non-coating Portion Accommodating Gas Generated During Charge and Discharge}

본 발명은 전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 수용하여 전지케이스의 팽창을 방지하는 가스 수용부가 양극 및 음극 중의 적어도 하나에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.

화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

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.

전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.

또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.

특히, 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지의 경우, 전지의 충방전 시 전압이 상승하게 되고 과열로 인해 전지 내부의 전해액이 분해되면서 가연성 가스가 발생하게 되어 파우치형 케이스가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 비수계 전해질 및 과충전 시 분해되는 화합물 등과 같은 조성물을 전해질로서 사용하여 화학적으로 과충전을 방지하는 기술, 및 과열, 과전류, 과전압이 발생되면 전기 흐름을 차단하는 회로를 구성하거나 과열로 인해 퓨즈가 끊어지도록 하여 전기적으로 과충전을 방지하는 기술 등이 다양하게 개발되어 있다.

하지만, 이러한 화학적인 과충전 방지 기술의 경우, 현재 사용되는 전해질과 비교하여 성능이 현저히 떨어진다는 단점이 있고, 전기적인 과충전 방지 기술의 경우, 독립적인 회로를 구성하여 전지에 부착해야 하므로 제조 공정이 복잡해지고, 비용 상승 등의 문제점이 있다.

따라서, 상기의 문제점들을 극복할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 수용하여 전지케이스의 팽창을 방지하는 가스 수용부가 양극 및 음극 중의 적어도 하나에 형성되어 있는 전지셀 를 개발하게 되었고, 이러한 전지셀를 사용하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고, 상기 양극과 음극은 각각 집전체의 표면에 전극 활물질이 코팅되어 있으며, 전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 수용하여 전지케이스의 팽창을 방지하는 가스 수용부가 양극 및 음극 중의 적어도 하나에 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지셀은 충방전 시 발생하는 가스를 수용하는 가스 수용부가 전극에 형성되어 있는 바, 상술한 별도의 전기 및 화학적 방법 없이도 스웰링 현상에 따른 전지케이스의 팽창을 방지할 수 있다.

상기 전극조립체는, 필요로 하는 전지의 용량 및 출력을 고려하여, 상술한 복수의 바이셀들 및/또는 풀셀들을 포함할 수도 있고, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조로 이루어질 수도 있다.

이러한 구조에서, 양극단자와 음극단자는 서로 대향하여 전극조립체의 양측 단부에 각각 형성될 수 있고, 서로 동일한 방향을 향하며 전극조립체의 일측 단부에 함께 형성될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 가스 수용부는 전극 활물질이 코팅되어 있지 않은 활물질 미코팅부의 형태로 형성되어 있고, 상기 활물질 미코팅부의 주변에는 집전체 상에 전극 활물질이 코팅되어 있는 활물질 코팅부가 위치하는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 활물질 미코팅부가 전극조립체 내에서 잉여 부위로 남아 있음으로써, 전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 적절히 수용할 수 있다.

상기 가스 수용부는, 필요로 하는 전지의 용량과 출력에 영향을 미치지 않고 전지셀 내부에서 발생하는 가스가 효과적으로 수용될 수 있다면 특별히 한정되지 않으나, 하나의 예에서, 평면상으로 전극조립체의 중앙을 가로지르는 스트립 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 구조에서, 상기 가스 수용부는 전극 단자가 위치하는 단부(a)에 대향하는 단부(b)로부터 전극 단자가 위치하는 단부(a)를 행해 선형으로 연장되어 있는 구조로 형성될 수 있다.

나아가, 가스를 수용할 수 있는 추가적인 공간을 확보하고 전극의 형상을 다양하게 구현할 수 있도록, 상기 가스 수용부에서 집전체의 적어도 일부는 절취 제거되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조에서, 상기 가스 수용부에서 집전체의 30% 내지 80%가 절취 제거되어 있는 구조일 수 있다. 상기 범위를 벗어나서 절취 제거되는 부위가 30% 미만인 경우, 전지 내부에서 발생하는 가스를 더욱 많이 수용하고자 하는 효과를 달성하기 어려울 수 있으며, 80%를 초과하는 경우, 집전체가 제거되지 않은 부분에 과도한 전류의 흐름에 의해서 과열 현상이 일어나는 등 전지의 안정성에 문제를 일어킬 수 있으므로 바람직하지 않다.

경우에 따라서는, 상기 가스 수용부는 전극 단자가 위치하는 단부(a)에 대향하는 단부(b)로부터 전극 단자가 위치하는 단부(a)를 향해 선형으로 연장되어 있고, 상기 단부(a)에 인접한 부위에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체가 위치하고, 상기 단부(b)에 인접한 부위에 가스 수용부에서 집전체의 적어도 일부는 절취되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 나아가, 가스를 수용할 수 있는 추가적인 공간을 더 확보하고 전극조립체의 형상을 다양하게 형성할 수 있도록, 상기 집전체가 절취 제거된 부위에 대응하여 분리막이 절취 제거되어 있는 구조로 형성될 수도 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 가스 수용부는 평면상으로 전극조립체의 중앙 부위에 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 다각형 또는 원형 또는 타원형 형상으로 형성될 수 있다. 상기 가스 수용부의 형상 및 위치는 전지셀의 작동시 발생하는 가스의 주요 발생 부위 및 이러한 가스 발생에 의한 파우치형 케이스의 최대 연신부위등을 고려하여 결정될 수 있다 (여기서, 연신은 케이스가 늘어나는 것을 의미함).

하나의 예에서, 판상형의 파우치형 케이스의 경우, 가스 발생 시, 케이스의 중앙 부위에서 케이스가 가장 많이 부풀어 오르게 되므로, 상기 가스 수용부가 전극 조립체의 중앙 부위에 위치하여 이 가스를 수용함으로써 전지케이스의 팽창을 최대한 방지하는 것이 바람직하다. 나아가, 가스를 수용할 수 있는 추가적인 공간을 확보하고 전극의 형상을 다양하게 구현할 수 있도록, 상기 가스 수용부에서 집전체의 적어도 일부는 절취 제거되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이때, 상기 가스 수용부에서 집전체의 50% 내지 100%가 절취 제거되어 있는 구조일 수 있다. 더 나아가, 상기 집전체가 절취 제거된 부위에 대응하여 분리막이 절취 제거되어 있는 구조로 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 전지셀의 또 다른 구체적인 예에서, 상기 가스 수용부는 양극과 음극에 각각 형성되어 있고, 상기 양극에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치는 음극에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치와 일치하는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조는, 전극조립체에 상기 가스 수용부를 더욱 용이하게 형성하게 할 수 있어서 제조 공정을 단순화시킬 수 있고, 상대적으로 넓은 체적의 가스 수용부를 제공하는 효과가 있다. 그러나, 상기 양극에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치는 음극에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치와 불일치하게 할 수도 있음은 물론이다.

그 밖의 본 발명의 전지셀에 포함되는 기타 성분에 대해서는 이하에서 설명한다.

상기 양극은 양극용 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극용 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극용 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 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 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 = 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; LiNi_xMn_2-xO₄(여기서, 0≤x<1)로 표현되는 스피넬 구조의 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 상기 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.

상기 음극용 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극용 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

상기 음극 활물질은, 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 분리막은 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.

상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 수용되는 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있는 리튬염 함유 비수 전해액일 수 있고, 이때, 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

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, 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 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, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.

예를 들어, LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiN(SO₂CF₃)₂ 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 전해액을 제조할 수 있다.

본 발명은 또한, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제공한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스가 파우치형 케이스이고, 양극단자와 음극단자는 파우치형 케이스의 외부에 장착되는 보호회로 부재의 각각의 단자 접속부들에 직접 접속되어 있는 구조일 수 있다. 특히, 상기 파우치형 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있고, 상세하게는 금속층이 Al인 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 포함하는 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.

이러한 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 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); 전력 저장 장치(Energy Storage System)일 수 있다.

상기 디바이스의 제조방법은 당업계에 공지되어 있는 바, 본 명세서에서는 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 수용함으로써 전지케이스의 팽창을 방지할 수 있음을 확인할 수 있었다

도 1은 종래의 기술에 따른 전극조립체의 분해도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 양극의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양극의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 참조로, 도면의 간소화와 이해의 편의를 위하여, 도면들에서는 전극조립체의 일부 구성만을 도시하여 나타내었다. 예를 들어, 도 1에서는 전극조립체를 구성하는 다수의 이종(異種) 바이셀들 중의 하나의 바이셀만을 표현하여 전극조립체를 설명하였다.

도 1은 종래의 기술에 따른 전극조립체(100)의 분해도이다.

도 1를 참조하면, 전극조립체(100)는 음극(110)/분리막(140)/양극(120)/분리막(150)/음극(130)이 차례로 적층되어 있는 바이셀 구조를 포함하고 있다. 음극들(110, 130)은 판상형 집전체의 양면에 음극활물질 코팅부(112, 132)를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 음극 탭들(111, 131)이 형성되어 있다. 마찬가지로, 양극(120)은 판상형 집전체의 양면에 양극활물질 코팅부(122)를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 양극 탭(121)이 형성되어 있다. 또한, 양극 탭(121)과 음극 탭들(111, 131)은 서로 동일한 방향을 향하며 전극조립체(100)의 일측 단부에 형성되어 있다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예 따른 양극(200)의 모식도이다.

도 2를 참조하면, 양극(200)은 판상형 집전체의 양면에 양극활물질 코팅부(212)를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 양극 탭(211)이 형성되어 있다. 가스 수용부(220)는 양극 활물질이 코팅되어 있지 않은 활물질 미코팅부의 형태로 형성되어 있다. 이러한 활물질 미코팅부의 주변에는 집전체 상에 전극 활물질이 코팅되어 있는 양극활물질 코팅부(212)가 위치한다. 가스 수용부(220)는 평면상으로 전극조립체의 중앙을 가로지르는 스트립 형상으로 형성되어 있고, 양극 탭(211)이 위치하는 단부(a)에 대향하는 단부(b)로부터 전극 단자가 위치하는 단부(a)를 향해 선형으로 연장되어 있다.

이처럼, 전극 활물질이 코팅되지 않은 활물질 미코팅부 형태로 이루어진 가스 수용부 구조는 음극에도 적용될 수 있다(도시하지 않음).

도 3은 본 발명의 또다른 실시예 따른 양극(300)의 모식도이다.

도 3을 참조하면, 양극(300)은 판상형 집전체의 양면에 양극활물질 코팅부(312)를 포함하고, 집전체의 일측 단부에 활물질이 코팅되지 않은 양극 탭(311)가 형성되어 있다. 가스 수용부(320)는 양극 활물질이 코팅되어 있지 않은 활물질 미코팅부의 형태로 형성되어 있다. 이러한 양극 활물질 미코팅부의 주변에는 집전체 상에 전극 활물질이 코팅되어 있는 양극 활물질 코팅부(312)가 위치한다. 가스 수용부(320)는 평면상으로 전극조립체의 중앙을 가로지르는 스트립 형상으로 형성되어 있고, 양극 탭(311)이 위치하는 단부(a)에 대향하는 단부(b)로부터 전극 단자가 위치하는 단부(a)를 향해 선형으로 연장되어 있다. 이러한 구조에서, 가스 수용부(320)에서 집전체의 적어도 일부(321)는 절취 제거되어 있다.

이처럼, 전극 활물질이 코팅되지 않은 활물질 미코팅부 형태로 이루어진 가스 수용부 구조에서 집전체의 적어도 일부가 절취 제거되어 있는 구조는 음극에도 적용될 수 있다(도시하지 않음).

도 4은 본 발명의 하나의 실시예 따른 전극조립체(400)의 모식도이다.

도 4을 참조하면, 전극조립체(400)는 도 1의 전극조립체와 같이 제 1 음극(401)/제 1 분리막(430)/양극(440)/제 2 분리막/제 2 음극이 도면의 전면에서부터 후면 방향으로 적층되어 있는 바이셀 구조를 포함하고 있다(도면의 후면에 위치하는 제 2 분리막과 제 2 음극은 도시되어 있지 않음). 전극조립체(400)의 양극 탭(441)과 음극 탭(411)은 서로 동일한 방향을 향하며 전극조립체(400)의 일측 단부(a)에 형성되어 있다.

제 1 음극(401)은 판상형 집전체의 양면에 음극활물질 코팅부(412)를 포함하고, 집전체의 일측 단부(a)에 활물질이 코팅되지 않은 음극 탭(441)이 형성되어 있다. 가스 수용부(420)은 음극 활물질이 코팅되어 있지 않은 활물질 미코팅부의 형태로 형성되어 있다. 이러한 활물질 미코팅부의 주변에는 집전체 상에 전극 활물질이 코팅되어 있는 음극활물질 코팅부(412)가 위치한다. 가스 수용부(420)는 평면상으로 전극조립체의 중앙을 가로지르는 스트립 형상으로 형성되어 있고, 전극 탭들(411, 441)이 위치하는 단부(a)에 대향하는 단부(b)로부터 전극 단자가 위치하는 단부(a)를 향해 선형으로 연장되어 있고, 가스 수용부(420)에서 집전체의 적어도 일부는 절취 제거되어 있으며, 단부(a)에 인접한 부위에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체가 위치한다. 이러한 구조에서, 집전체가 절취 제거된 부위에 대응하여 제 1 분리막(430) 및 제 2 분리막이 절취 제거되어 있다. 또한, 제 2 음극은 제 1 음극과 동일한 구조를 가진다.

양극(440)은 제 1 음극과 동일한 구조의 가스 수용부 및 이 가스 수용부에서 집전체의 적어도 일부는 절취 제거되어 있는 구조를 가진다. 또한, 양극(440)에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치는 음극들에 형성되어 있는 가스 수용부(420)의 위치와 일치한다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예 따른 전극조립체(500)의 모식도이다.

도 5를 참조하면, 전극조립체(500)는 양극(510)/분리막(530)/음극(520) 구조의 풀셀이며, 양극(510)의 가스 수용부(540)는 평면상으로 전극조립체(500)의 중앙 부위에 원형으로 형성되어 있으며, 음극(520)에 형성되어 있는 가스 수용부(도시되지 않음)의 위치는 양극(510)의 가스 수용부(540)의 위치와 일치한다. 또한, 가스 수용부(540)에서 집전체의 100%가 절취 제거되어 있으며, 이 절취 제거된 부위에 대응하여 분리막(530)이 절취 제거되어 있다.

본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims

양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
상기 전극조립체는 제1 음극, 제1 분리막, 양극, 제2 분리막, 제2 음극이 적층되어 있는 바이셀 구조이고, 이러한 전극조립체는 스택형, 또는 스택/폴딩형, 또는 라미네이션/스택형 구조이며,
상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고;
상기 양극과 음극은 각각 집전체의 표면에 전극 활물질이 코팅되어 있으며;
전지셀의 충방전 시 발생하는 가스를 수용하여 전지케이스의 팽창을 방지하는 가스 수용부가 평면상으로 전극조립체의 중앙 부위에 다각형 또는 원형 또는 타원형 형상으로 양극 및 음극에 형성되어 있고,
상기 가스 수용부에서 집전체의 30% 내지 80%가 절취 제거되어 있으며,
상기 집전체가 절취 제거된 부위에 대응하여 분리막이 절취 제거되어 있고,
집전체가 절취 제거된 부위에 대응하여 제 1 분리막(430) 및 제 2 분리막이 절취 제거되어 있고,
상기 양극에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치는 음극에 형성되어 있는 가스 수용부의 위치와 불일치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
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제 1 항에 있어서, 상기 가스 수용부는 전극 활물질이 코팅되어 있지 않은 활물질 미코팅부의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
제 4 항에 있어서, 상기 활물질 미코팅부의 주변에는 집전체 상에 전극 활물질이 코팅되어 있는 활물질 코팅부가 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
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제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 19 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.