KR101817239B1 - 전기화학소자용 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발명은 전기화학소자용 전극 조립체 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 저항 특성 및 분리막과 전극간의 이온 전도도가 우수한 전극 조립체 및 이를 제조 하는 방법에 대한 것이다.
본원 발명에 따른 전기화학소자용 전극은 내부까지 전해액의 침투가 용이하여 전해액 함침성이 높아 사이클 특성이나 출력 특성이 현저하게 개선되는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 상부 전극 활물질 단층 형성시 수행되는 공정에 의해 하부 전극 활물질 단층의 기공도가 저하되지 않는다.

Description

전기화학소자용 전극 조립체{An electrode assembly for a electrochemical device}

본 발명은 발명은 전기화학소자용 전극 조립체 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 저항 특성 및 분리막과 전극간의 이온 전도도가 우수한 전극 조립체 및 이를 제조 하는 방법에 대한 것이다.

최근, 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠 코더 및 노트북, 나아가 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학 소자의 연구 및 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이며, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 촛점이 되고 있다.

이차 전지는 일반적으로 음극(anode)와 양극(cathode), 이들 사이에 분리막(separator)을 개재시켜 조립된 전극 조립체를 포함하는데, 이때 전지의 두 전극 사이에 위치하는 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하여 내부 단락되는 것을 방지하는 부자재로서 전지 내 이온 통로일 뿐만 아니라 전지의 안전성 향상에 중요한 역할을 한다.

이차 전지에서 분리막으로 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 기재는 재료적 특성 및 연신을 포함하는 제조공정상의 특성으로 인하여 100℃ 이상의 온도에서 극심한 열수축 거동을 보임으로써 양극과 음극 사이의 단락을 일으키는 문제점이 있다. 이와 같은 전기화학소자의 안전성 문제를 해결하기 위하여, 기공을 갖는 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물을 코팅하여 다공성 코팅층을 형성한 유기-무기 복합 다공성 분리막이 제안되었다(KR10-2004-70096A 참조). 그러나 이러한 유기-무기 복합 다공성 분리막에서는 무기물 입자들이 포함된 다공성 코팅층으로 인하여 전극과 분리막간의 접착력이 저하되는 경향이 있다.

그 결과, 전극과 분리막이 서로 밀착되지 않고 분리될 가능성이 커지고, 리튬 이온이 효과적으로 전달되지 않는 등 전지 성능이 저하된다. 또한, 전극과 분리막이 분리되는 과정에서 다공성 코팅층의 무기물 입자들이 탈리될 수 있는데, 탈리된 무기물 입자들은 전기화학소자의 국부적인 결점으로 작용하여 전기화학소자의 안전성에 악영향을 주게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래 기술에서는 분리막 상면에 우수한 접착력 및 기계적 강도를 부여하는 스티렌-부타디엔(SBR) 계열 고무로 오버코팅(overcoating)시킴으로써 전극과의 밀착성을 향상시키고, 조립 공정 중에 발생하는 분리막의 벗겨짐 또는 파단 등을 방지하여 전기 화학소자의 안전성 향상 및 성능 저하 방지를 도모하고자 하였다(KR10-2006-0063751A).

도 1은 분리막 상면에 오버코팅된 접착층을 개략적으로 도시한 것으로서, 분리막 다공성 기재(4a)의 양면에 무기/유기 복합 다공성 코팅층(4b)가 형성되어 있고, 상기 다공성 코팅층(4b)의 상면에 접착층(3)이 오버코팅되어 있다. 양극 활물질층(2a) 및 음극 활물질층(2b)이 각각 양극 집전체(1a) 및 음극 집전체(1b)의 일면에 형성되고 각 활물질층이 상기 접착층과 대면하여 전극 조립체가 준비된다.

그러나, 상기와 같이 오버코팅하는 방법에 따르면, 집전체로부터 활물질의 탈리를 약간 감소시킬 수는 있으나 바인더 고분자의 전기절연 특성에 의해 전기 저항이 높아지며, 상대적으로 활물질의 양이 감소함으로써 전지 용량이 저감되는 등의 새로운 문제점이 발생하였다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서 분리막과 전극간 밀착력이 우수하면서도 저항 증가의 문제가 없고 이온 전도도가 우수한 전기화학소자용 전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전극 조립체에 대한 것이다. 본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 전극판과 분리막이 교호 적층된 구조를 갖는 적층체를 포함하며, 상기 전극판은 집전체 및 상기 집전체의 일측면 및/또는 양측면에 형성된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 전극 합제가 도포된 활물질부와 전극 합제가 도포되지 않은 무지부를 포함하고, 상기 전극 합제는 전극 활물질, 바인더 수지 및 도전재를 포함하며, 상기 분리막은 상기 전극 활물질부와 대면하는 활물질부 대면부를 제외한 소정의 영역에 형성된 접착층을 포함한다.

또한, 상기 무지부는 전극판 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 접착층은 분리막 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖도록 형성되며, 상기 모서리 단부 방향으로 전극판의 전극탭이 인출될 수 있으며, 상기 모서리 단부 중 어느 한쪽에 전극 탭이 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전극판의 상기 모서리 단부 중 어느 한 쪽(제1 모서리 단부)은 전극탭이 형성되는 것으로서 분리막의 외부로 돌출되도록 형성되고, 이와 마주보는 반대쪽 모서리 단부(제2 모서리 단부)는 분리막의 외부로 돌출되지 않도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 전극 조립체의 최상단부와 최하단부는 분리막이 배치되며, 최상단부와 최하단부를 제외한 나머지 분리막은 이를 중심으로 양측면에 각각 서로 반대되는 극성의 전극판이 적층될 수 있다.

또한, 여기에서, 동일 극성을 갖는 전극판의 제1 모서리 단부는 동일한 방향을 갖도록 인출될 수 있다.

그리고, 본 발명에서, 동일 극성을 갖는 전극판의 제1 모서리 단부는 동일한 방향으로 인출되도록 적층되어 있으며, 제1 극성의 제1 모서리 단부와 제2 극성의 제1 모서리 단부는 서로 반대 방향으로 인출되도록 적층될 수 있다.

또한, 상기 분리막은 고분자 소재의 다공성 필름 기재 및/또는 다공성 부직포를 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 분리막은 분리막의 일측 또는 양측 외측면에 무기물 입자와 고분자 수지의 혼합물을 포함하는 유/무기 복합 다공성 코팅층을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전극 조립체는 상기 적층체의 외면의 일부를 감싸는 분리필름을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 분리 필름이 적층체 중 전극판의 모서리 단부가 인출되지 않은 외부면을 감쌀 수 있다.

그리고, 본 발명에 있어서, 상기 분리 필름은 고분자 소재의 다공성 필름 기재 및/또는 다공성 부직포 기재를 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 분리 필름은 분리 필름의 최외측 일면 또는 양면에 무기물 입자와 고분자 수지의 혼합물을 포함하는 유/무기 복합 다공성 코팅층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

한편, 본 발명은 (S1) 종횡비가 큰 분리막을 준비하는 단계; (S2) 상기 분리막의 횡방향의 양단에 종방향을 따라 일정한 폭을 갖는 접착층을 형성하는 단계; (S3) 상기 분리막의 접착층이 형성된 표면에 소정의 간격으로 전극판을 배치하는 단계; 및 (S5) 상기 전극판의 사이에 분리막이 개재되도록 분리막을 권취하거나 접는 단계;를 포함하며, 상기 전극판은 집전체 및 상기 집전체의 일측면 및/또는 양측면에 형성된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 전극 합제가 도포된 전극 활물질부와 전극 합제가 도포되지 않은 무지부를 포함하고, 상기 분리막 상(上)에서 상기 전극판은 상기 활물질부가 상기 접착층과 대면하지 않도록 배치되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체 제조 방법을 제공한다.

여기에서, 상기 (S3)은 분리막을 개재하여 반대되는 극성의 전극판이 배치될 수 있으며, 또는 전극판에서 전극 탭이 형성되는 일측의 모서리 단부가 분리막의 외측으로 돌출되도록 배치될 수 있다.

본원 발명에 따른 전기화학소자용 전극은 내부까지 전해액의 침투가 용이하여 전해액 함침성이 높아 사이클 특성이나 출력 특성이 현저하게 개선되는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 상부 전극 활물질 단층 형성시 수행되는 공정에 의해 하부 전극 활물질 단층의 기공도가 저하되지 않는다.

첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전극 조립체를 도시한 것이다.
도 2는 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 스택형 전극 조립체의 단면도를 도시한 것이다.
도 3a 및 3b는 본원 발명의 구체적인 일 실시양태를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b는 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 분리막의 구조를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 5는 도 2의 A-A' 단면을 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 B 부분을 확대하여 나타낸 분해도이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본원 발명의 전극 조립체는 분리막의 소정의 영역에 접착층이 마련되는 것으로서, 상기 접착층은 전극과 분리막 사이의 이온 전도도를 저해하지 않으면서도 전극과의 밀접한 결착력을 유지하기 위해 분리막 표면 중 소정의 위치에 배치되는 것이다.

본원 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 스택형 전극 조립체, 스택 및 폴딩형 전극 조립체 또는 전극판과 분리막이 함께 권취되는 젤리-롤형 전극 조립체일 수 있으나, 발명 기술상(記述上)의 편의를 위해 본원 명세서에서는 주로 스택형 전극 조립체를 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 스택형 전극 조립체에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 통상적 지식을 가진 당업자라면 스택 및 폴딩형 전극 조립체, 젤리-롤형 전극 조립체 또는 기타 다른 전극 조립체에 대해 본 발명의 균등 범위내에서의 변형 및 개량이 가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 둘 이상의 전극판과 둘 이상의 분리막이 교호 적층된 구조를 갖는 적층체를 포함하는 것으로서, 상기 적층체 중 반대 극성을 갖는 두 전극판 사이에 분리막이 개재되어 전류의 흐름을 차단한다. 상기 적층체의 최상단 및/또는 최하단은 분리막이 배치될 수 있다. 본 발명에 있어서 상기 분리막의 일면에 배치되는 전극판은 음극(anode) 또는 양극(cathode)일 수 있으며, 반대면에 배치되는 전극판은 이와 반대의 극성을 갖는 음극 또는 양극인 것이다.

상기 전극 조립체에서 상기 전극판은 집전체와 상기 집전체의 일측 표면 또는 양측 표면에 형성된 전극 활물질층을 포함한다.

집전체는 집전체의 표면에 코팅된 전극 활물질의 전기화학 반응에 의해 생성된 전자를 모으거나 전기화학 반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 할 수 있는 물질로 구성되며, 상기 물질의 비제한적인 예로는 알루미늄 호일 또는 구리 호일 등이 포함된다.

상기 전극 활물질층은 전극 합제가 도포된 활물질부와 전극 합체가 도포되지 않은 무지부(uncoated part)를 포함한다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 무지부는 장방형 전극판의 네 모서리 단부에 액자 모양으로, 바람직하게는 네 모서리 단부 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 적절한 형상으로 타발(또는 절단)되어 전극 탭이 형성된다.

본원 발명에서 상기 활물질부는 활물질층 중 전극판의 일면 또는 양면에 전극 합제가 도포된 부분을 지칭한다. 상기 전극 합제는 전극 활물질, 바인더 수지 및 도전재 등이 포함된 혼합물이며, 이들 성분에 대한 상세한 설명은 후술한다.

본원 발명에 있어서, 상기 분리막은 분리층과 상기 분리층의 표면에 형성된 접착층을 포함하며, 상기 접착층은 상기 분리층 중 소정의 일부 영역에 형성되어 분리막과 전극판의 적층시 접착층이 전술한 활물질부와 대면하지 않도록 한다.

더욱 구체적으로 설명하면, 장방형의 분리층 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖는 띠 모양의 접착층 형성부가 마련되며, 상기 접착층 형성부에 접착제가 도포되어 접착층이 형성된다. 그리고, 상기 전극판과 분리막의 적층시 상기 접착층이 전극판의 무지부와 대면하도록 적층하며, 이때 활물질부는 접착층이 형성되지 않은 분리층과 대면하게 된다.

본 발명의 바람직한 일 실시양태에 있어서, 상기 전극판의 양 단부에 형성된 두 개의 무지부 중 어느 하나의 무지부는 대향하는 접착층의 폭에 비해 광폭(廣幅)으로 형성하여 상기 무지부가 적층체의 외부로 돌출되는 것이 바람직하다. 적층체의 외부로 돌출된 무지부 부분은 이후 단계에서 적절하게 타발(절단)되어 전극 탭을 형성한다. 이하 발명 기술상의 편의를 위해 전극판 중 적층체 외부로 돌출된 일단의 무지부를 제1 무지부로, 나머지 타단의 무지부를 제2 무지부로 하여 기술한다. 또한, 복수의 전극판을 적층하는 경우, 동일 극성을 갖는 전극판의 제1 무지부는 서로 동일한 방향으로 돌출되도록 하며, 반대 극성을 갖는 전극판의 제1 무지부는 이와 반대되는 방향으로 돌출되도록 배치한다. 본 발명에 있어서, 상기 제2 무지부의 폭은 접착층의 폭에 비해 좁게 형성되어 이후 적층체의 라이미네이션 수행시 이의 상부 및 하부에 라미네이션 되는 분리막의 접착층에 의해 매몰되어 외부로 돌출되지 않는다.

전술한 바와 같이 본원 발명에 따른 전극 조립체는 활물질부와 분리층이 접착층의 개재없이 직접 대면함으로써 활물질부와 분리층의 기공 차단에 의한 이온 전도도나 저항 증가에 대한 우려가 없다. 한편, 분리막에 형성된 접착층이 분리층과 전극판의 무지부 사이의 결착을 견고하게 유지하기 때문에 전극과 분리막이 상기 적층체 내에서 이탈될 가능성이 적어 전극 조립체의 변형 및 이로 인한 전지 성능 저하가 방지될 수 있다.

한편, 본원 발명에서 상기 분리층은 하기 a) 내지 d) 중 선택된 어느 하나일 수 있다:

a) 고분자 수지를 용융/압출하여 성막한 다공성 필름,

b) 고분자 수지를 용융/방사하여 집적한 다공성 부직포 웹,

c) 상기 a) 및/또는 b)를 둘 이상 포함하는 다층 분리막 기재, 및

d) 상기 a) 내지 c)의 일면 또는 양면에 무기물 입자 및 고분자 수지의 혼합물을 코팅하여 형성한 무기물층을 더 포함하는 복합 분리막 기재.

본 발명에 있어서, 상기 다공성 필름은 통상적으로 이차 전지의 분리막 기재로 사용될 수 있는 것으로서 고분자 수지를 고온에서 용융/압출하여 성막한 연신 다공성 필름인 것이다. 상기 고분자 수지는 상기 고분자 수지는 폴리올레핀계 고분자 수지 및/또는 내열성 엔지니어링 플라스틱 수지일 수 있다. 상기 폴레올레핀계 고분자 수지는 구체적으로 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐, 이들의 코폴리머를 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 내열성 엔지니어링 플라스틱 수지는 구체적으로 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리아세틸, 폴리카보네이트, 폴리에스터르 수지, 변성 폴리네틸옥사이드를 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 부직포 웹은 고분자 수지를 고온에서 용융/방사하여 얻은 섬유 집합체를 화학적 또는 기계적 작용에 의해 결합시킨 포(布) 형상을 갖는 것이다. 부직포 웹을 구성하는 고분자 수지의 종류는 다공성 필름의 내용을 참조할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 분리층은 두 층 이상의 다공성 필름을 적층하거나 두 층 이상의 부직포 웹이 적층된 다층 필름의 형태일 수 있다. 또한, 상기 다층 필름은 다공성 필름과 부직포 웹을 모두 포함하는 형태로 준비될 수 있다.

상기 무기물층은 무기물 입자간 형성된 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)에 따른 다공성 구조를 갖는 것으로서, 분리막의 내열성, 분리막의 전해액 함침성 및 이온 전도도 향상에 기여한다.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 무기물층 중 무기물 입자의 함량은 무기물층 100중량% 대비 50중량% 내지 99중량%, 또는 80중량% 내지 97중량%인 것이다.

상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 무기물 입자는 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자, 유전율 상수가 5 이상 및/또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자를 포함할 수 있는데 이러한 특성을 갖는 무기물 입자들은 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상에 기여할 수 있다. 이러한 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT), Pb_1-xLa_xZr_1-yTi_yO₃ (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT), 하프니아(HfO₂), SrTiO₃, SnO₂, CeO₂, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, SiC, TiO₂등이 있다.

또한, 상기 무기물 입자의 크기는 균일한 두께의 무기물층 및 적절한 공극률을 위하여 입경이 5㎛ 미만, 또는 1㎛ 이하, 바람직하게는 200nm 내지 700nm범위일 수 있으나 이에 특별히 한정되는 것은 아니며 무기물층의 기공의 크기, 두께 및/또는 소망하는 기계적 물성에 따라 적절하게 조절할 수 있다.

또한, 상기 무기물층에 포함되는 상기 고분자 수지는 무기물 입자들과 입자 사이를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 하는 것으로서, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate)등을 사용할 수 있으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 전극 조립체는 상기 적층체의 외부를 감싸는 분리 필름을 더 포함할 수 있다. 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리 필름은 종횡비가 1을 초과하는 장방형의 형상을 가질 수 있으며 적층체 중 전극 탭이 돌출된 부분을 제외한 나머지 측면부를 감싸는 방식으로 상기 조립체에 적용된다. 상기 분리 필름에 있어서, 상기 설명을 제외한 나머지 사항, 즉, 분리 필름의 구조 및 이에 포함되는 성분들은 전술한 분리층에 대한 것과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 전술된 분리층에 대한 내용을 참조할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따른 스택형 전극 조립체를 나타낸 것으로서, 상기 전극 조립체(10)는 복수의 전극판(120)과 복수의 분리막(110)이 교호 적층된 적층체(100)와 상기 적층체의 외측면을 감싸고 있는 분리필름(200)을 포함한다. 상기 적층체(100)에서 최상단층 및 최하단층에는 분리막(110)이 배치되어 있으며 전극판(120)은 분리막(110)을 중심으로 분리막(110)의 상면과 하면에 서로 반대되는 극성을 갖도록 배치된다.

다음으로 전극판과 분리막의 구성에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 전극판(120)의 구체적인 일 실시양태를 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 전극판(120)은 집전체(121)의 일측면 또는 양측면에 전극 활물질층(122)이 형성되며 상기 전극 활물질층(122)은 상기 집전체(121)의 표면에 전극 합제가 도포되는 활물질부(123)과 전극 합제가 도포되지 않는 무지부(124)를 포함한다. 도 3a를 참조하면 상기 무지부는 상기 집전체의 네 모서리 중 마주보는 한 쌍의 모서리 양단에 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성될 수 있다.

` 도 4a 및 도 4b는 본원 발명에 따른 분리막(110)의 구조를 도시한 것으로서, 분리층(111) 및 상기 분리층(111)의 일면 또는 양면에 접착층(112)이 형성되어 있다.

도 5는 도 2의 A-A' 단면을 도시한 것으로서, 분리막과 전극판이 적층되어 적층체의 단면 형상을 개략적으로 도시한 것이다. 이에 따르면 상기 적층체에서 활물질부와 분리층은 서로 면접하도록 적층되는 것으로서, 활물질부와 분리층 사이에 고분자 수지 등의 소재로 구성된 결착층이 개재되지 않아 양 소자간 이온의 이동이 촉진될 수 있다. 또한, 분리막의 접착층이 집전체의 표면, 즉, 무지부와 견고한 접착을 형성함으로써 적층체의 형태 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기 도 5를 참조하면, 전극판은 집전체 중 전극탭을 형성하는 적어도 일단의 무지부(제1 무지부)가 적층체 외부로 돌출되도록 적층된다. 또한, 상기 적층체에서 동일한 극성을 갖는 전극판의 제1 무지부는 서로 동일한 방향으로 돌출되며 제1 극성을 갖는 전극판의 제 1무지부와 제2 극성을 갖는 전극판의 제2 무지부는 각각 서로 다른 방향으로 돌출된다. 상기 제1 무지부는 이후 단계에서 적절한 형태로 타발되어 전극탭을 형성하며 동일 극성의 탭들을 모아 하나의 전극 리드와 용접하여 사용할 수 있다.

도 6은 도 5의 B 부분을 확대하여 나타낸 분해도이다. 도 6을 참조하면 최상단층 분리막(111t)의 하면에 소정의 폭(W₁)을 갖는 접착층(112)이 형성되어 있다. 상기 분리막(111t)의 하면에 제1 극성의 전극판(예를 들어, 음극)이 배치되며 상기 전극판의 제1 무지부의 폭(W₂)은 상기 폭(W₁)`에 비해 광폭으로 형성되어 제1 무지부의 일부는 전극판의 상하부면에 라미네이션되는 분리막의 접착층에 매몰되고, 일부는 분리막의 외측으로 돌출된다. 반대 부분은 여기에 도시되지 않았으나 제2 무지부는 분리막의 외측으로 돌출되지 않도록 접착층과 동일하게 또는 이보다 좁게 형성할 수 있다.

그 다음으로 상기 제1 극성의 전극판과 반대되는 제2 극성의 전극판(예를 들어, 양극)이 적층되는데, 이때 제2 극성 전극판의 제1 무지부는 제1 극성의 전극판의 제1 무지부와 반대반향으로 향하여 분리막의 외부로 돌출되며, 이에 따라 제2 극성의 제2 무지부가 제1 극성의 제1 무지부의 방향과 동일한 방향으로 위치한다. 전술한 바와 같이 제2 무지부는 전극판의 상하부면에 라미네이션 되는 분리막의 접착층에 매몰되도록 분리막의 접착층의 폭(W₁)보다 좁거나 동일한 폭(W₃)으로 형성된다.

바람직하게는 전술한 구조를 갖는 전극판과 분리막을 라미네이션 하여 적층체를 제조할 때 상기 접착층은 전극판의 무지부와 대응되도록 하며, 상기 전극판의 활물질부가 분리막의 접착층과 대면하여 면접착이 형성되지 않도록 하거나 바람직하게는 상기 면접착이 활물질부 면적 100% 대비 10% 이내 또는 5% 이내 또는 1% 이내로 최소화하는 것이다.

다음으로 본원 발명에 따른 전극 조립체를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 우선, 최하단층의 분리층을 준비한다. 상기 최하단층의 분리층의 상면의 마주보는 한 쌍의 양단부에 접착층을 형성한다. 다음으로 한 쌍의 양단부에 무지부가 형성된 제1 극성(예를 들어 음극)을 갖는 전극판을 준비한 후 상기 최하단 분리층의 상면에 적층한다. 다음으로 접착층이 양면에 모두 형성된 분리막을 상기 제1 극성의 전극판 상에 적층하되 전극판의 활물질부가 분리막의 접착층과 대면하지 않도록 배치한다. 다음으로 상기 분리막의 상면에 제2 극성(예를 들어, 양극)을 갖는 전극판을 준비하고 적층한다. 이러한 순서로 전극과 분리막을 교호 적층한 후 최상단에 분리막을 적층하여 적층체를 형성한다. 필요에 따라 상기 적층체는 적절한 압력 및 온도 조건하에서 가압될 수 있다. 또한, 필요한 경우 상기 적층체를 분리 필름으로 외측면을 둘러싸고 상기 분리 필름의 단부는 접착 테이프로 고정하여 전극 조립체를 제조한다.

또한, 본원 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 적층체는 상기 분리막이 종횡비가 1을 초과하는 긴 장방형 형상의 분리 필름인 스택 및 폴딩형 전극 조립체일 수 있다.

우선 종횡비가 1을 초과하는 긴 테이프 모양의 분리층을 준비하고 이의 길이방향을 따라 분리층 폭의 양 단부에 접착층을 형성하여 분리막을 준비한다. 다음으로 상기 분리막에 제1 전극과 상기 제1 전극과 반대 극성을 갖는 제2 전극을 소정의 간격으로 이격하여 배치한다. 상기 간격은 후술하는 단계에서 분리막을 접거나 권취하여 제1 전극과 제2 전극 사이에 분리막이 개재될 수 있도록 적절하게 설정할 수 있다. 이때 제1 전극의 제1 무지부와 제2 전극의 제1 무지부가 분리막에서 서로 반대 방향으로 돌출되도록 배치하는 것이 바람직하다. 다음으로 상기 분리막을 적절하게 접거나 권취하여 스택 및 폴딩형 전극 조립체용 적층체를 형성하고, 이후 분리 필름을 준비하여 상기 적층체의 외측면을 감싸 전극 조립체를 제조한다. 상기 분리 필름은 별도의 점착성 테이프를 준비하여 분리 필름의 단부를 고정할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전극은 음극 또는 양극일 수 있다.

상기 음극은 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있으며, 이 외에도 분산제 등 음극 특성 개선을 위한 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 음극 활물질은 탄소계 재료를 포함할 수 있다. 상기 탄소계 재료는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 것이면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 이러한 탄소계 재료의 비제한적인 예로 연화 탄소 (soft carbon) 및 경화 탄소 (hard carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 저결정 탄소; 또는 천연 흑연, 키시 흑연 (kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소 섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정 피치 (mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고결정 탄소 등을 들 수 있다.

상기 양극은 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있으며, 이 외에도 분산제 등 양극 특성 개선을 위한 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 양극 활물질로는 예를 들면, LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiFeO₂ 및 V₂O₅ 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 바람직하다. 또한 TiS, MoS, 유기 디설파이드 화합물 또는 유기 폴리설파이드 화합물 등의 리튬을 흡장 및 탈리가 가능한 것을 사용하는 것이 좋다.

상기 바인더로는 폴리비닐리렌플루오라이드, 카르복시메틸셀룰로즈, 메틸셀룰로즈, 폴리아크릴산나트륨 등을 들수 있고, 상기 도전재로는 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 흑연, 탄소 섬유, 플러렌 등의 전도성 조재료 등을 들수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전극 집전체는 스테인리스스틸; 알루미늄; 니켈; 티탄; 소성탄소; 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은(Ag)으로 표면 처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 전극 조립체 및 전해액을 전지 케이스에 봉입하여 제조된 리튬 이차 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차 전지는 고에너지 밀도, 고출력 특성, 향상된 안전성 및 안정성을 발휘하므로, 특히 중대형 전지모듈의 구성 전지로서 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 상기와 같은 이차 전지를 단위 전지로 포함하는 중대형 전지모듈을 제공한다.

이러한 중대형 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장장치 등과 같이 고출력, 대용량이 요구되는 동력원에 바람직하게 적용될 수 있다.

10… 전극 조립체 100… 적층체
120… 전극판 121… 집전체
122… 활물질층 123… 활물질부
124… 무지부 124a… 제1 모서리 단부
124b… 제2 모서리 단부 125… 전극탭
110… 분리막 111… 분리층
112… 접착층 200… 분리필름
210… 고정 테이프

Claims (18)

1. 전극판과 분리막이 교호 적층된 구조를 갖는 적층체를 포함하며,
   상기 전극판은 집전체 및 상기 집전체의 일측면 및/또는 양측면에 형성된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 전극 합제가 도포된 활물질부와 전극 합제가 도포되지 않은 무지부를 포함하고, 상기 전극 합제는 전극 활물질, 바인더 수지 및 도전재를 포함하며,
   상기 분리막은 상기 전극 활물질부와 대면하는 활물질부 대면부를 제외한 소정의 영역에 형성된 접착층을 포함하고,
   상기 무지부는 전극판 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖도록 형성되고, 전극판의 상기 모서리 단부 중 어느 한 쪽(제1 모서리 단부)은 전극탭이 형성되는 것으로서 분리막의 외부로 돌출되도록 형성되고, 이와 마주보는 반대쪽 모서리 단부(제2 모서리 단부)는 분리막의 외부로 돌출되지 않도록 형성되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 접착층은 분리막 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖도록 형성되며, 상기 모서리 단부 방향으로 전극판의 전극탭이 인출되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 모서리 단부 중 어느 한쪽에 전극 탭이 형성되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 전극 조립체의 최상단부와 최하단부는 분리막이 배치되며, 최상단부와 최하단부를 제외한 나머지 분리막은 이를 중심으로 양측면에 각각 서로 반대되는 극성의 전극판이 적층되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
7. 제4항에 있어서,
   동일 극성을 갖는 전극판의 제1 모서리 단부는 동일한 방향을 갖도록 인출되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
8. 제4항에 있어서,
   동일 극성을 갖는 전극판의 제1 모서리 단부는 동일한 방향으로 인출되도록 적층되어 있으며, 제1 극성의 제1 모서리 단부와 제2 극성의 제1 모서리 단부는 서로 반대 방향으로 인출되도록 적층되어 있는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 분리막은 고분자 소재의 다공성 필름 기재 및/또는 다공성 부직포를 포함하는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 분리막은 분리막의 일측 또는 양측 외측면에 무기물 입자와 고분자 수지의 혼합물을 포함하는 유/무기 복합 다공성 코팅층을 포함하는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 적층체의 외면의 일부를 감싸는 분리필름을 더 포함하는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 분리 필름이 적층체 중 전극판의 모서리 단부가 인출되지 않은 외부면을 감싸는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 분리 필름은 고분자 소재의 다공성 필름 기재 및/또는 다공성 부직포 기재를 포함하는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 분리 필름은 분리 필름의 최외측 일면 또는 양면에 무기물 입자와 고분자 수지의 혼합물을 포함하는 유/무기 복합 다공성 코팅층을 포함하는 것인, 이차 전지용 전극 조립체.
    
15. 제1항, 제3항, 제4항 및 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.
    
16. (S1) 종횡비 1을 초과하는 장방형의 분리막을 준비하는 단계;
    (S2) 상기 분리막의 횡방향의 양단에 종방향을 따라 일정한 폭을 갖는 접착층을 형성하는 단계;
    (S3) 상기 분리막의 접착층이 형성된 표면에 소정의 간격으로 전극판을 배치하는 단계; 및
    (S5) 상기 전극판의 사이에 분리막이 개재되도록 분리막을 권취하거나 접는 단계;를 포함하는 전극 조립체 제조 방법이며,
    상기 전극 조립체는 제1항에 따른 것이고,
    여기에서, 상기 전극판은 집전체 및 상기 집전체의 일측면 및/또는 양측면에 형성된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 전극 합제가 도포된 전극 활물질부와 전극 합제가 도포되지 않은 무지부를 포함하며,
    상기 무지부는 전극판 중 마주하는 한 쌍의 모서리 단부에 소정의 폭을 갖도록 형성되며, 상기 분리막 상(上)에서 상기 전극판은 상기 활물질부가 상기 접착층과 대면하지 않도록 배치되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체 제조 방법.
    
17. 제16항에 있어서,
    상기 (S3)은 분리막을 개재하여 반대되는 극성의 전극판이 배치되도록 하는 것인, 이차 전지용 전극 조립체 제조 방법.
    
18. 제16항에 있어서,
    상기 (S3)은 전극판에서 전극 탭이 형성되는 일측의 모서리 단부가 분리막의 외측으로 돌출되도록 배치되는 것인, 이차 전지용 전극 조립체 제조 방법.

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