KR102278997B1 - 전극조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은,전극조립체의 제조방법에 있어서, 홀을 포함하는 모양을 갖도록 음극, 분리막, 양극 각각을 성형하는 단계; 상기 홀이 정렬되게 음극, 분리막, 양극을 적층해 단위셀을 제조하는 단계; 상기 단위셀을 적어도 두 층 이상으로 적층하여 적층체를 구성하는 단계; 적층체의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 갖는 폴딩분리막으로 상기 적층체의 외부를 감싸도록 폴딩하는 단계; 상기 폴딩분리막이 적층체의 둘레를 따라 감싸도록 폴딩 됐을 때, 상기 홀에 의해 형성되는 공간을 둘러싸는 부분인 공간형성부의 일부분을 제거하는 단계; 및 상기 공간형성부의 일부분이 제거된 후에, 상기 폴딩분리막에서 상기 적층체와 밀착되지 않는 부분인 잉여부들을 서로 접합시켜 상기 적층체의 노출된 표면을 덮도록 마감하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전극조립체 및 그 제조방법{Electrode assembly and manufacturing method for the same}

본 발명은 이차전지에 내장되는 전극조립체 및 상기 전극조립체의 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 탑재되는 장치에 맞게 비정형 형태로 제조될 수 있고, 외부충격에 대해 강건성이 향상된 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

개인 휴대단말, 전기 자동차 분야를 포함하여 여러 분야에서 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

일차전지와는 달리 충방전이 가능한 이차전지는 디지털 기기 뿐만 아니라 전기 자동차 등과 같은 운송수단용으로도 개발이 이뤄지고 있다.

이차전지는 양극과 음극의 재질 및 외부 형상에 따라 다양하게 분류될 수 있으나, 이 중에서 리튬 화합물 재질을 사용하는 리튬 이차전지는 용량이 크고 자가 방전율이 적어 종래의 니켈-카드뮴 이차전지 등을 대신하여 다양한 기기의 전원장치로써 널리 사용되고 있다.

그리고, 상기 리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적으로 원통형(cylinder type), 각형(prismatic type), 파우치형(pouch type)으로 구분될 수 있되, 케이스 내부에 전기 에너지를 충방전하는 전극조립체가 내장되는 구조를 갖는다. 상기 전극조립체는 음극, 분리막, 양극이 반복적층되는 구조를 가지며, 전해액과 함께 케이스(파우치 또는 원통케이스 등)에 함께 내장된다.

한편, 최근에 개발되는 이차전지는 탑재되는 장치의 배터리 장착공간에 따라서, 장착공간의 크기 및/또는 모양에 맞게 비정형 모양을 갖기도 한다. 가령, 일자형 부분의 양측이 직각으로 꺾여진 모양을 갖되 꺾여진 부분은 서로 동일한 방향으로 평행하게 형성된 'ㄷ' 자 모양, 일자형 부분의 일측이 직각으로 꺾여진 'L' 자 모양을 갖기도 한다. 이와 같은 모양을 갖는 비정형 이차전지는 비정형 전극조립체의 형상에 맞게 파우치(또는 케이스 등)를 맞춤 제작하여 제조가 이뤄진다.

하지만, 이러한 비정형 이차전지는 양측의 크기가 대칭인 종래의 구조 대비 외부 충격에 취약한 문제가 발생한다. 즉, 종래의 구조의 경우, 일측에서 충격이 가해져도 충격이 분산될 수 있는 구조인 반면에, 'ㄷ' 자 또는 'L' 자 모양을 갖는 경우에는 꺾이는 지점에서 충격이 집중되어 외부 충격으로부터 파손 위험이 상대적으로 증가하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 외부 충격으로부터 파손 위험을 줄일 수 있는 안전성이 향상된 전극조립체 및 그 제조방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은, 전극조립체의 제조방법에 있어서, 홀을 포함하는 모양을 갖도록 음극, 분리막, 양극 각각을 성형하는 단계; 상기 홀이 정렬되게(음극, 분리막, 양극 각각에 형성된 홀들끼리 개통이 이루어지도록) 음극, 분리막, 양극을 적층해 단위셀을 제조하는 단계; 상기 단위셀을 적어도 두 층 이상으로 적층하여 적층체를 구성하는 단계; 적층체의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 갖는 폴딩분리막으로 상기 적층체의 외부를 감싸도록 폴딩하는 단계; 상기 폴딩분리막이 적층체의 둘레를 따라 감싸도록 폴딩 됐을 때, 상기 홀에 의해 형성되는 공간을 둘러싸는 부분인 공간형성부의 일부분을 제거하는 단계; 및 상기 공간형성부의 일부분이 제거된 후에, 상기 폴딩분리막에서 상기 적층체와 밀착되지 않는 부분인 잉여부들을 서로 접합시켜 상기 적층체의 노출된 표면을 덮도록 마감하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기에서 언급된 홀은 어느 방향으로 파이거나 개구된 부분을 의미한다. 가령, 홀을 포함하는 모양은 도 5 와 도 6 에 도시된 바와 같이 측방향에서 일측의 일부분이 파여진 모양은 물론 도 7 에 도시된 바와 같이 상하방향으로 관통된 부분을 갖는 모양을 포함한다.

상기 단위셀은 한 지점 이상에서 꺾여진 부분을 갖는 모양을 갖는다. 예를 들어, 상기 단위셀은 일자 형태의 양측이 직각으로 꺾어진 모양을 갖되, 꺾여진 부분은 서로 동일한 방향으로 평행하게 형성된 모양(즉 'ㄷ' 자 모양), 일자 형태의 일측이 직각으로 꺾여진 모양(즉 'L' 자 모양)을 가질 수 있다.

본 발명에서, 상기 폴딩분리막은 단위셀에서 음극과 양극 사이에 적층되는 분리막 보다 더 큰 강인성(toughness)을 갖되, 열이 가해지면 접착이 가능한 재질로 제조된다. 그리고, 상기 단위셀은 아래에서부터 분리막, 음극, 분리막, 양극 순서대로 적층된 모노셀(mono-cell) 구조를 갖는다.

상기 폴딩분리막이 폴딩된 적층체에서 공간형성부를 성형장치로 절개하여 상기 공간형성부를 제거하되, 적층체의 표면이 덮일 수 있을 정도의 크기로 잉여부가 남도록 상기 공간형성부를 제거한 후, 상기 잉여부의 테두리부분을 서로 접합시켜 마감한다.

아울러, 본 발명의 전극조립체는, 음극, 분리막, 양극이 적층되어 구성되되 한 지점 이상에서 꺾여진 부분을 갖는 모양을 갖는 단위셀들이 다수 개 적층된 적층체; 및 상기 단위셀에서 음극과 양극 사이에 적층되는 분리막 보다 더 큰 강인성을 갖는 재질로 제조되고, 적층체의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 가지며, 상기 적층체의 표면을 둘러싸도록 일방향을 따라 폴딩되는 폴딩분리막;을 포함하고, 상기 적층체를 폴딩한 후 상기 폴딩분리막의 남는 부분인 잉여부가 상기 적층체의 노출된 표면을 덮도록 마감된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 장착조건에 따라 전극조립체가 비정형 모양을 갖더라도 폴딩분리막이 추가적으로 감싸진 구조를 가지므로 외부 충격에 대한 안정성이 향상되는 효과를 갖는다.

상기 폴딩분리막은 분리막 보다 상대적으로 더 큰 강인성을 갖되 열이 가해지면 접착이 가능하므로 마감이 용이하게 이루어질 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따라 단위셀이 적층체로 적층된 후, 폴딩분리막에 의해 감싸진 모습이 도시된 단면도.
도 2 는 음극, 분리막, 양극 각각이 펀칭장치에 의해 형성될 수 있는 모양들(i, ii, iii)이 도시된 도면.
도 3 은 아래에서부터 분리막, 음극, 분리막, 양극 순서대로 적층된 단위셀이 적층체로 적층된 모습이 도시된 사시도.
도 4 는 폴딩분리막 위로 적층체가 안착된 후 감싸지기 전의 모습과 감싸진 후의 모습이 도시된 도면.
도 5 는 도 4 에 도시된 적층체가 폴딩분리막에 의해 감싸진 후, 마감이 이루어진 모습이 도시된 사시도.
도 6 과 도 7 각각은 다른 형상을 갖는 적층체들이 폴딩분리막에 의해 감싸진 후, 마감이 이루어진 모습이 도시된 사시도.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 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 발명은 일반적인 사각 또는 원통형 모양이 아닌 'ㄷ' 자, 'ㄴ' 자, 'ㅁ' 등과 같이 비정형 형태로 제조되되 외부충격에 대해 강건성이 향상된 전극조립체 및 그 제조방법에 관한 것으로써 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.

실시예1

이 실시예에서는 비정형 모양(홀을 포함하는 모양)을 갖는 전극조립체의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 제조방법은 도 1 에 도시된 바와 같이 음극(13), 분리막(12), 양극(11) 각각을 적층가능한 동일한 모양으로 제조한 후 단위셀(10)로 적층한 다음, 상기 단위셀(10)을 적어도 두 개 이상(바람직하게는 열 개 전후) 적층하여 적층체(100)를 제조하고, 상기 적층체(100)를 폴딩분리막(20)이 둘러싸도록 폴딩하는 것을 특징으로 한다.

더 상세하게 상기의 제조방법을 설명하면, 먼저, 음극(13), 분리막(12), 양극(11) 각각은 (크기는 다소 차이가 날 수 있을지라도 적층가능한) 동일한 모양으로 홀을 포함하는 모양을 갖도록 성형된다. 여기에서 언급된 홀은 어느 방향으로 파이거나 개구된 부분을 의미한다. 가령, 홀을 포함하는 모양은 도 5 와 도 6 에 도시된 바와 같이 측방향에서 일측의 일부분이 파여진 모양은 물론 도 7 에 도시된 바와 같이 상하방향으로 관통된 부분을 갖는 모양을 포함한다.

즉, 음극(13), 분리막(12), 양극(11) 각각은 종래의 사각 평판모양을 갖도록 제조된 후에 도 2 에 도시된 바와 같이 펀칭장치(p)를 통해 'ㄷ'(i),'L'(ii),'ㅁ'(iii) 자 모양을 갖도록 제조될 수 있다.

이때, 상기의 모양들은 폴딩분리막(20)에 의해 감싸질 때 공간이 형성되는 부분을 덮는 공간형성부(a, b, c)가 형성된다(참고로, 도 2 는 공간형성부가 형성되는 영역이 구분될 수 있도록 공간형성부를 제거하고 상기 공간형성부가 있던 영역을 점선으로 표시한 것이다).

그리고, 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 음극(13), 분리막(12), 양극(11)은 아래에서부터 분리막(12), 음극(13), 분리막(12), 양극(11) 순서대로 적층된 모노셀(mono-cell) 구조의 단위셀(10)로 적층되고, 상기 단위셀(10)은 적어도 두 개 이상이(바람직하게는 열 개 전후가) 적층되어 하나의 적층체(100)로 제조된다.

그 다음으로, 도 4 와 같이, 상기 적층체(100)는 폴딩분리막(20) 위로 옮겨지고 상기 폴딩분리막(20)은 일방향으로 폴딩되어 적층체(100)를 감싼다. 이때, 상기 폴딩분리막(20)은 적층체(100)의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 갖되 일방향으로 폴딩이 이루어지므로, 상기 적층체(100)를 감싸면 폴딩분리막(20)과 적층체(100) 사이에는 공간이 형성된다. 따라서, 상기 폴딩분리막(20)에서는 내부의 공간을 둘러싸는 영역인 공간형성부(a) 및 상기 적층체(100)의 각 테두리 부분에서 돌출되는 잉여부들(s, t, u, v, w)이 형성된다.

상기 공간형성부(a)는 도 2 에 도시된 펀칭장치(p)와 같이 일측에서 가압하여 절단 또는 절개가 이루어지는 성형장치(미도시)를 통해 제거되되 적당한 크기(적층체의 표면을 덮을 수 있는 크기)로 잉여부(r)가 추가 형성되는 크기로 절개되어 제거된다(즉, 상기 공간형성부는 일부분만 절개되어 제거된다).

그리고, 상기 적층체(100)가 폴딩분리막(20)에 의해 밀폐되도록 잉여부들(r, s, t, u, v, w)끼리 서로 접합이 이루어진다. 즉, 폴딩이 이루어졌을 때, 적층체(100)와 밀착되지 않고 폴딩분리막(20)의 남는 부분으로써 상기 적층체(100)의 테두리에서 돌출되는 잉여부들(r, s, t, u, v, w) 중 일부는 절단되어 버려지거나 또는 부분적으로 겹쳐진 상태로 상기 적층체(100)의 노출된 표면을 덮도록 추가적으로 폴딩되며 각각의 끝단은 서로 접합되어 마감이 이루어진다.

이때, 상기 폴딩분리막(20)은 단위셀(10)에서 음극(13)과 양극(11) 사이에 적층되는 분리막(12) 보다 더 큰 강인성(toughness)을 갖되 열이 가해지면 접착이 가능한 재질로 제조되어 잉여부들(r, s, t, u, v, w)이 적층체(100)의 노출면을 덮은 상태에서 열이 가해지면 그 상태를 유지하며 마감이 이루어질 수 있다.

한편, 이 실시예에서 상기 적층체(100)는 폴딩분리막(20)에 의해 폴딩이 이루어지면 공간형성부(a)가 생성되는 모양, 가령, 상기 단위셀(10)은 한 지점 이상에서 꺾여진 부분을 갖는 모양으로 형성된다. 예를 들면, 도 5 에 도시된 바와 같이 일자 형태의 양측이 직각으로 꺾어진 모양을 갖되 꺾여진 부분은 서로 동일한 방향으로 평행하게 형성된 모양(즉 'ㄷ' 자 모양)을 가질 수 있고, 도 6 에 도시된 바와 같이 일자 형태의 일측이 직각으로 꺾여진 모양(즉 'L' 자 모양)을 가질 수 있으며, 또는 도 7 에 도시된 바와 같이 일자 형태의 일측이 직각으로 꺾여진 모양(즉 'ㅁ' 자 모양)을 가질 수 있다.

참고로, 이 실시예서 위와 같은 모양을 갖도록 음극(13), 분리막(12), 양극(11)을 펀칭하는 펀칭장치 및 공간형성부(a)를 절개하는 성형장치 등은 공지의 장치를 활용하여 사용될 수 있으므로 여기에서 상세한 설명은 생략된다.

실시예2

아울러, 본 발명에서는 위와같은 제조방법을 통해 제조된 전극조립체를 실시예2로써 추가적으로 제공한다.

이 실시예에 따른 전극조립체는 적층체(100)의 표면을 폴딩분리막(20)이 마감하도록 제조된다. 상기 적층체(100)는 음극(13), 분리막(12), 양극(11)이 적층되어 구성되며 한 지점 이상에서 꺾여진 부분을 갖는 모양을 갖는 단위셀들(10)이 다수 개 적층되어 구성된다. 상기 폴딩분리막(20)은 단위셀(10)에서 음극(13)과 양극(11) 사이에 적층되는 분리막(12) 보다 더 큰 강인성을 갖는 재질로 제조되고, 적층체(100)의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 가지며, 상기 적층체(100)의 표면을 둘러싸도록 일방향을 따라 폴딩된다.

이때, 상기 폴딩분리막(20)은 적층체(100)를 폴딩한 후 남는 부분인 잉여부(r, s, t, u, v, w)가 상기 적층체(100)의 노출된 표면을 덮도록 도 5 내지 7 에 도시된 바와 같이 마감된다.

참고적으로, 도면상에서는 미도시되었으나, 전극조립체에서 돌출되어 외부로 연결될 전극탭이 형성된 부분은 폴딩분리막(20)의 폴딩 방향 또는 잉여부(r, s, t, u, v, w)의 마감 방식에 따라 전극조립체의 성능에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 선택적으로 폴딩분리막에서 노출되도록 구성될 수 있을 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 장착조건에 따라 전극조립체가 비정형 모양을 갖더라도 폴딩분리막(20)이 추가적으로 감싸진 구조를 가지므로 외부 충격에 대한 안정성이 향상되는 효과를 갖는다.

상기 폴딩분리막(20)은 분리막(12) 보다 상대적으로 더 큰 강인성을 갖되 열이 가해지면 접착이 가능하므로 마감이 용이하게 이루어질 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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.

10 : 단위셀
20 : 폴딩분리막
100 : 적층체

Claims (10)

1. 전극조립체의 제조방법에 있어서,
   홀을 포함하는 모양을 갖도록 음극, 분리막, 양극 각각을 성형하는 단계;
   상기 홀이 정렬되게 음극, 분리막, 양극을 적층해 단위셀을 제조하는 단계;
   상기 단위셀을 적어도 두 층 이상으로 적층하여 적층체를 구성하는 단계;
   적층체의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 갖는 폴딩분리막으로 상기 적층체의 외부를 감싸도록 폴딩하는 단계;
   상기 폴딩분리막이 적층체의 둘레를 따라 감싸도록 폴딩 됐을 때, 상기 홀에 의해 형성되는 공간을 둘러싸는 부분인 공간형성부의 일부분을 제거하는 단계; 및
   상기 공간형성부의 일부분이 제거된 후에, 상기 폴딩분리막에서 상기 적층체와 밀착되지 않는 부분인 잉여부들을 서로 접합시켜 상기 적층체의 노출된 표면을 덮도록 마감하는 단계;를 포함하고,
   상기 폴딩분리막이 폴딩된 적층체에서 공간형성부를 성형장치로 절개하여 상기 공간형성부를 제거하되, 적층체의 표면이 덮일 수 있을 정도의 크기로 잉여부가 남도록 상기 공간형성부를 제거한 후, 상기 잉여부를 서로 접합시켜 마감하는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단위셀은 한 지점 이상에서 꺾여진 부분을 갖는 모양인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 단위셀은 일자 형태의 양측이 직각으로 꺾어진 모양을 갖되, 꺾여진 부분은 서로 동일한 방향으로 평행하게 형성된 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 단위셀은 일자 형태의 일측이 직각으로 꺾여진 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴딩분리막은 단위셀에서 음극과 양극 사이에 적층되는 분리막 보다 더 큰 강인성(toughness)을 갖는 재질인 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
6. 삭제
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 폴딩분리막은 열이 가해지면 접착이 가능한 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 단위셀은 아래에서부터 분리막, 음극, 분리막, 양극 순서대로 적층된 모노셀(mono-cell) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전극조립체의 제조방법.
   
9. 음극, 분리막, 양극이 적층되어 구성되되 한 지점 이상에서 꺾여진 부분을 갖는 모양을 갖는 단위셀들이 다수 개 적층된 적층체; 및
   상기 단위셀에서 음극과 양극 사이에 적층되는 분리막 보다 더 큰 강인성을 갖는 재질로 제조되고, 적층체의 전체 표면을 덮을 수 있는 면적을 가지며, 상기 적층체의 표면을 둘러싸도록 일방향을 따라 폴딩되는 폴딩분리막;을 포함하고,
   상기 폴딩분리막이 적층체의 둘레를 따라 감싸도록 폴딩 됐을 때, 상기 폴딩분리막은 빈 공간을 둘러싸는 부분인 공간형성부가 형성되고,
   상기 공간형성부는 적층체의 표면이 덮일 수 있을 정도의 크기로 잉여부가 남도록 제거된 후, 상기 잉여부가 서로 접합되어 마감된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 폴딩분리막은 열이 가해지면 접착이 가능한 재질로 제조되어 적층체의 노출된 표면을 덮도록 접힌 후에 열이 가해지면 접힌 상태가 유지되도록 마감된 것을 특징으로 하는 전극조립체.

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