KR100686804B1 - 초고용량 캐패시터을 구비하는 전극 조립체 및 이를포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고율의 충방전이 가능하도록 초고용량 캐패시터를 구비하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 전극 조립체는 전극 집전체와, 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질층과, 상기 전극 집전체의 무지부에 부착된 전극 탭을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과; 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터와; 초고용량 캐패시터를 구비하여 이루어진다.
리튬 이차 전지, 초고용량 캐패시터
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 개념도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 사용되는 전극판을 설명하기 위한 평면도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 사용되는 전극판을 설명하기 위한 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 적용되는 권취형 전극 조립체를 설명하기 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 리튬 이차 전지 200; 전극 조립체
210, 220; 전극판 211, 221; 전극 집전체
211a, 221a; 무지부 212, 222; 활물질층
213, 223; 전극 탭 214, 224; 초고용량 캐패시터 전극층
230; 세퍼레이터
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고율의 충방전이 가능하도록 초고용량 캐패시터를 구비하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전 지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 상기 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와, 상기 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 상기 리튬 이차 전지는 하기와 같이 제조된다.
우선, 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차 전지를 완성한다.
상기한 바와 같은 리튬 이차 전지는 GSM(Global System for Mobile communication) 전화기 및 하이브리드 자동차 등의 고성능 전자기기에 필요한 높은 에너지 밀도와 출력 밀도의 요구 조건을 충분히 만족시키지 못하는 단점이 있다.
특히, 상기 GSM(Global System for Mobile communication) 전화기 및 하이브 리드 자동차 등의 고성능 전자기기 경우, 우수한 초기 방전 특성을 요구하나, 현재의 리튬 이차 전지는 이를 충분히 만족시키지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 고율의 충방전이 가능하도록 초고용량 캐패시터를 구비하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극 조립체는 전극 집전체와, 상기 전극 집전체의 양면 상에 형성된 활물질층과, 상기 전극 집전체의 무지부에 부착된 전극 탭을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과; 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터와; 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 각각의 상기 전극 탭과 상기 활물질층 사이 무지부의 일부분에 상기 활물질층과 이격되어 형성된 초고용량 캐패시터 전극층으로 이루어지는 초고용량 캐패시터를 구비하여 권취형으로 이루어진다.
상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판은 초고용량 캐패시터 전극층이 서로 대향하도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 초고용량 캐패시터 전극층은 탄소 계열 물질, 전도성 고분자 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 탄소 계열 물질은 활성 탄소 분말 및 활성 탄소 섬유 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 또한, 상기 금속 산화물은 RuOx 및 IrOx 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 초고용량 캐패시터의 정전 용량은 0.1F 내지 10F인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 리튬 이차 전지는 전극 집전체와 상기 전극 집전체의 양면 상에 형성된 활물질층 및 상기 전극 집전체의 무지부에 부착된 전극 탭을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 각각의 상기 전극 탭과 상기 활물질층 사이 무지부의 일부분에 상기 활물질층과 이격되어 형성된 초고용량 캐패시터 전극층으로 이루어지는 초고용량 캐패시터를 구비하는 권취형 전극 조립체를 포함하여 이루어진다.
삭제
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 전원을 충ㆍ방전하기 위한 전지부와, 상기 전지부를 통하여 충전되며, 고율의 방전을 수행하는 초고용량 캐패시터부를 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 전지부는 외부 전원을 통하여 충전되며, 상기 리튬 이차 전지(100)가 전자기기에 장착시 상기 전자기기에 전류를 공급하는 역할을 수행한다.
상기 초고용량 캐패시터부는 상기 전지부 또는 외부 전원을 통하여 충전이 되어, 상기 전자기기의 초기 작동시에 고전류를 공급하는 역할을 수행하며, 상기 초고용량 캐패시터부의 정전 용량은 0.1F 내지 10F인 것이 바람직하다. 이는 상기 전자기기, 특히, 고성능 전자기기의 경우, 초기 작동시 고전류를 요구하는 특성이 있는데, 일반적인 이차 전지로는 초기 작동시의 고전류를 공급할 수 없어, 상기 초고용량 캐패시터부를 통하여 초기 고전류를 공급하기 위한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 사용되는 전극판을 설명하기 위한 평면도이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 사용되는 전극판을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고용량 캐패시터를 구비하는 리튬 이차 전지에 적용되는 권취형 전극 조립체를 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 권취전 두 전극판 및 세퍼레이터의 배열을 나타내며, 도 3b는 권취후의 권취형 전극 조립체를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고용량 캐패시터를 구비하는 리튬 이차 전지는 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)에 초고용량 캐패시터 전극층(214, 224)을 구비하도록 함으로써, 초고용량 캐패시터 기능을 구비하게 된다.
보다 상세히 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고용량 캐패시터를 구비하는 리튬 이차 전지는 활물질층(212, 222)과 전극 탭(213, 223) 사이의 무지부(211a, 221a)에 상기 활물질층(212, 222)과 이격되어 초고용량 캐패시터 전극층(214, 224)을 형성하고, 상기 초고용량 캐패시터 전극층(214, 224)을 구비하는 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)을 상기 초고용량 캐패시터 전극층(214, 224)이 서로 대향하도록 배치한 후 권취하여 권취형 전극 조립체(200)를 형성하고, 상기 전극 조립체(200)를 이용하여 리튬 이차 전지를 제조함으로써, 초고용량 캐패시터 기능을 구비하게 되는 것이다.
이때, 상기 초고용량 캐패시터 전극층에 의하여 형성되는 초고용량 캐패시터는 정전 용량이 0.1F 내지 10F인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고용량 캐패시터를 구비하는 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법은 도 2a 및 도 2b와 도 3a 및 도 3b를 함께 이용하여 설명한다.
우선, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 이차 전지용 전극판(210)을 준비한다.
상기 이차 전지용 전극판(210)은 전극 집전체(211), 상기 전극 집전체(211)의 적어도 일면상에 형성된 활물질층(212), 상기 전극 집전체(211)의 무지부(211a)에 부착되는 전극 탭(213) 및 초고용량 캐패시터 전극층(214)을 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 이차 전지용 전극판(210)이 양극 전극판인 경우, 상기 전극 집전체(211)는 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어지며, 상기 활물질층(212)은 양극 활물질, 도전제 및 접착제로 이루어지며, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 이차 전지용 전극판(210)이 음극 전극판인 경우, 상기 전극 집전체(211)는 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어지 며, 상기 활물질층(212)은 음극 활물질, 도전제 및 접착제로 이루어지며, 상기 음극 활물질로는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 초고용량 캐패시터 전극층(214)은 상기 활물질층(212) 및 전극 탭(213) 사이의 무지부(211a)에 상기 활물질층(212)과 이격되어 형성된다.
상기 초고용량 캐패시터 전극층(214)은 상기 초고용량 캐패시터가 전기 이중층 캐피시터(electric double layer capacitor, EDLC)인 경우에는 탄소 계열 물질을 결착제가 용매를 통하여 혼합된 슬러리를 이용하여 형성된다. 이때, 상기 탄소 계열 물질로는 주로 활성 탄소 분말(Activated Carbon Powder, ACP) 및 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 중 어느 하나를 사용하나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또는, 상기 초고용량 캐패시터 전극층(214)은 상기 초고용량 캐패시터가 의사캐패시터(pseudocapacitor)인 경우에는 전도성 고분자 및 금속 산화물 중 어느 하나, 도전제 및 결착제가 용매를 통하여 혼합된 슬러리를 이용하여 형성된다. 이때, 상기 금속 산화물로는 주로 RuOx 및 IrOx 중 적어도 어느 하나를 사용하나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
그런 다음, 도 3a에서와 같이, 상기 초고용량 캐패시터 전극층(214, 224)을 구비하는 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)과, 두 장의 세퍼레이터(230)를 제 1 전극판(210), 세퍼레이터(230), 제 2 전극판(210), 세퍼레이터(230)의 순으로 배 치한다.
이때, 상기 제 1 전극판(210)은 양극 전극판 및 음극 전극판 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 전극판으로 사용되며, 상기 제 2 전극판(220)은 양극 전극판 및 음극 전극판 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 전극판으로 사용된다.
또한, 상기 세퍼레이터(230)는 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차 전지(100)의 전하(charge), 예를 들면 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리플로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터(230)는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)보다 폭을 넓게, 특히, 상기 세퍼레이터(230)는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)보다 상부로 소정 폭, 일반적으로 1㎜ 내지 2㎜의 세퍼레이터(230)가 돌출되도록 형성하여, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 간의 단락을 방지한다.
한편, 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)은 각각의 초고용량 캐패시터 전극층(214, 224)이 서로 대향하도록 배치된다.
상기한 바와 같이, 상기 제 1 전극판(210), 세퍼레이터(230), 제 2 전극판(220), 세퍼레이터(230)의 순으로 배치한 후, 권취하여 도 3b에 도시된 바와 같이, 권취형 전극 조립체(200)를 형성한다.
또는, 도면 상에는 도시하지 않았으나, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)이 각각 한 장의 스트립으로 이루어지며, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 중 어느 하나의 전극판, 예를 들면 제 2 전극판(220)을 상기 세퍼레이터(230)가 감싸는 형태로 이루어진 상태에서 권취하여 권취형 전극 조립체(200)를 형성할 수도 있다.
그런 다음, 도면 상에는 도시하지 않았으나, 상기 전극 조립체(200)를 이차 전지용 케이스에 수납하고, 캡 조립체를 조립하는 등의 일반적인 리튬 이차 전지의 제조 공정을 수행하여, 리튬 이차 전지를 형성한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 고율의 충방전이 가능하도록 초고용량 캐패시터를 구비하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (14)
- 전극 집전체와, 상기 전극 집전체의 양면 상에 형성된 활물질층과, 상기 전극 집전체의 무지부에 부착된 전극 탭을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과;상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터와;상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 각각의 상기 전극 탭과 상기 활물질층 사이 무지부의 일부분에 상기 활물질층과 이격되어 형성된 초고용량 캐패시터 전극층으로 이루어지는 초고용량 캐패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판은 초고용량 캐패시터 전극층이 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
- 제 1항에 있어서,상기 초고용량 캐패시터 전극층은 탄소 계열 물질, 전도성 고분자 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
- 제 4항에 있어서,상기 탄소 계열 물질은 활성 탄소 분말 및 활성 탄소 섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
- 제 4항에 있어서,상기 금속 산화물은 RuOx 및 IrOx 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
- 제 1항에 있어서,상기 초고용량 캐패시터의 정전 용량은 0.1F 내지 10F인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체
- 전극 집전체와 상기 전극 집전체의 양면 상에 형성된 활물질층 및 상기 전극 집전체의 무지부에 부착된 전극 탭을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 각각의 상기 전극 탭과 상기 활물질층 사이 무지부의 일부분에 상기 활물질층과 이격되어 형성된 초고용량 캐패시터 전극층으로 이루어지는 초고용량 캐패시터를 구비하는 권취형 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 삭제
- 제 8항에 있어서,상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판은 초고용량 캐패시터 전극층이 서로 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 8항에 있어서,상기 초고용량 캐패시터 전극층은 탄소 계열 물질, 전도성 고분자 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 8항에 있어서,상기 초고용량 캐패시터의 정전 용량은 0.1F 내지 10F인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 삭제
- 삭제
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