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KR102856167B1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지

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KR102856167B1
KR102856167B1 KR1020200068992A KR20200068992A KR102856167B1 KR 102856167 B1 KR102856167 B1 KR 102856167B1 KR 1020200068992 A KR1020200068992 A KR 1020200068992A KR 20200068992 A KR20200068992 A KR 20200068992A KR 102856167 B1 KR102856167 B1 KR 102856167B1
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tab
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 중심측을 기준으로 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀을 포함하고, 수평 단면을 기준으로, 상기 방사형 구조체의 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 단위 셀의 두께가 감소하며, 상기 단위 셀에 포함되는 집전체의 상측 모서리, 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 전극 탭이 형성된다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 방사형 구조체를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
한편, 이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 젤리롤 전극조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 이차 전지에 삽입되는 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)는 양극 시트(20), 음극 시트(30) 및 양극 시트(20)와 음극 시트(30) 사이에 개재된 분리막(40)을 포함한다. 아울러, 젤리롤 형태로 권취되었을 때, 양극 시트(20)와 음극 시트(30)가 서로 접하는 것을 방지하기 위해, 음극 시트(30) 아래에 분리막(40)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.
양극 시트(20)는 양극 집전체에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 합제층(22) 및 양극 활물질이 도포되지 않아 상기 양극 집전체가 노출되는 부분인 양극 무지부(23)를 포함할 수 있다. 이러한 양극 무지부(23)에 양극 탭(21)이 용접 등에 방법에 의해 접합될 수 있다.
마찬가지로, 음극 시트(30)는 음극 집전체에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 합제층(32) 및 음극 활물질이 도포되지 않아 상기 음극 집전체가 노출되는 부분인 음극 무지부(33)를 포함할 수 있다. 이러한 음극 무지부(33)에 음극 탭(31)이 용접 등에 방법에 의해 접합될 수 있다.
이 때, 젤리롤 형태로 권취하기 위해 양극 시트(20)와 음극 시트(30)는 장방형 시트의 형태를 갖는 것이 보통이나, 장방형 시트의 형태이므로, 양극 탭(21)이나 음극 탭(31)으로부터 상기 양극 집전체나 상기 음극 집전체를 통해 전자가 이동하는 거리가 길어지게 된다. 이렇게 전자가 이동하는 거리가 길어질 경우 전자 전달 저항이 상당히 커지는 문제를 갖으며, 특히 고전류 작동 조건에서, 이러한 문제는 더욱 심화될 수 있다.
한편, 리튬 이차 전지의 경우, 일반적으로 전해액 내의 리튬 이온은 특정 농도 범위에서 높은 이온 전도도를 보이고, 이보다 농도가 묽거나 진하면 이온 전도도가 감소하게 된다. 리튬 이차 전지 내부의 전해액 농도 혹은 리튬 이온의 농도는 일정하지 않으며, 전지의 작동 조건에 따라 양극과 음극 인근의 리튬 이온의 농도는 서로 반대 방향으로 거동하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위해 새로운 형태의 이차 전지에 대한 기술이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전달 저항을 줄이고, 구조적 안정성을 갖는 새로운 형태의 전극 조립체 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 중심측을 기준으로 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀을 포함하고, 수평 단면을 기준으로, 상기 방사형 구조체의 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 단위 셀의 두께가 감소하며, 상기 단위 셀에 포함되는 집전체의 상측 모서리, 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 전극 탭이 형성된다.
상기 단위 셀은, 차례로 적층된 양극, 제1 분리막, 음극 및 제2 분리막을 포함할 수 있다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 합제층을 포함할 수 있고, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 형성된 음극 합제층을 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체의 상측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 양극 탭이 형성될 수 있다.
상기 음극 집전체의 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 음극 탭이 형성될 수 있다.
상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 양극 합제층 및 상기 음극 합제층 중 적어도 하나의 두께가 감소할 수 있다.
상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 양극 합제층 및 상기 음극 합제층 중 적어도 하나의 밀도가 증가할 수 있다.
상기 양극 집전체, 상기 양극 합제층, 상기 제1 분리막, 상기 음극 합제층, 상기 음극 집전체 및 상기 제2 분리막이 차례로 적층될 수 있다.
상기 집전체에 관통형 홀이 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 전극 탭에 접합되는 전극 리드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 상기 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스; 및 상기 전극 조립체의 위에 위치하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 전극 탭은, 직접 또는 전극 리드와 접합되어, 상기 캡 조립체 또는 상기 전지 케이스와 연결된다.
본 발명의 실시예들은 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀 구조를 제시하여 전달 저항을 줄일 수 있고, 관통형 홀이 형성된 집전체를 적용하여 이차 전지 내 전해액의 농도 변화폭을 감소시켜 이차 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, 집전체의 일측 모서리에 형성된 전극 탭 구조를 통해 조립체의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, 무게 증가를 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 젤리롤 전극조립체가 권취되기 전 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예예 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 4는 도 2의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 양극 집전체 및 양극 탭을 나타낸 도면들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 음극 집전체 및 음극 탭을 나타낸 도면들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 양극 탭 및 양극 리드의 접합 구조를 나타낸 도면들이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 음극 탭 및 음극 리드의 접합 구조를 나타낸 도면들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 충전과 방전 시 전압과 온도 변화를 비교 평가한 결과를 나타낸 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 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, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예예 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다. 도 4는 도 2의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다. 보다 구체적으로, 절단선 A-A’를 따라 자른 도 3의 단면도는 도 2의 전극 조립체를 수평 방향으로 자른 단면에 해당하고, 절단선 B-B’를 따라 자른 도 4의 단면도는 도 2의 전극 조립체를 수직 방향으로 자른 단면에 해당한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 중심측을 기준으로 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀(100U)을 포함한다. 수평 단면을 기준으로, 상기 방사형 구조체의 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 단위 셀(100U)의 두께가 감소하며, 단위 셀(100U)에 포함되는 집전체(210, 310)의 상측 모서리, 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 전극 탭(211a, 311a)이 형성된다. 여기서, 수평 단면이라 함은, 도 2에 도시된 바와 같이 전극 조립체(100)를 xy 평면으로 자른 단면을 의미하며, 앞서 설명한 절단선 A-A’를 따라 자른 단면에 해당한다.
본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 원통형의 형상을 가질 수 있으며, 여기서 중심측이라 함은 수평 단면을 기준으로 전극 조립체(100)의 안쪽 중심 영역을 의미하며, 외측이라함은 수평 단면을 기준으로 전극 조립체(100)의 외주면 바깥 영역을 의미한다. 전극 조립체(100)의 중심측에는 수직 방향(z축 방향)으로 관통하는 중공이 형성될 수 있다.
상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 단위 셀(100U)은 방사형 구조체를 형성하고, 수평 단면을 기준으로 상기 방사형 구조체의 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 단위 셀(100U)의 두께가 감소한다. 이러한 단위 셀(100U)이 복수개로 구성되어 원통형의 전극 조립체(100)를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, n개(n은 5 이상의 정수)의 단위 셀(100U)이 모여 전극 조립체(100)를 형성할 수 있으며, 이러한 전극 조립체(100)의 형상은, 수평 단면을 기준으로, 외주면이 원형 또는 그에 가까운 형태이거나 n각형일수 있고, 또는 부채꼴 형태일 수 있다. 다시 말해, 전극 조립체(100)의 수평 단면 상 형태는 단위 셀(100U)의 개수에 의해 결정될 수 있으며, 그 개수가 적으면 n각형일 수 있고, 그 개수가 많아지면 원형을 이룰 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(100)의 단면 형상이 n 각형인데, n이 5 이상인 경우 혹은 10 이상인 경우는 원형의 범주에 포함되는 것으로 해석할 수 있다.
본 실시예에 따른 집전체(210, 310)는 양극 집전체(210) 및 음극 집전체(310)를 포함할 수 있고, 전극 탭(211a, 311a)은 양극 탭(211a) 및 음극 탭(311a)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 단위 셀(100U)은 차례로 적층된 양극(200), 제1 분리막(400), 음극(300), 제2 분리막(500)을 포함할 수 있다.
양극(200)은 양극 집전체(210) 및 양극 집전체(210) 상에 형성된 양극 합제층(220)을 포함할 수 있다. 양극 합제층(220)은 양극 집전체(210) 상에 양극 활물질 등을 도포하여 형성될 수 있다.
음극(300)은 음극 집전체(310) 및 음극 집전체(310) 상에 형성된 음극 합제층(320)을 포함할 수 있다. 음극 합제층(320)은 음극 집전체(310) 상에 음극 활물질 등을 도포하여 형성될 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 양극 합제층(220) 및 음극 합제층(320) 중 적어도 하나의 두께가 감소할 수 있다. 특히 양극 합제층(220) 및 음극 합제층(320) 모두 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 두께가 감소하는 것이 바람직하다.
즉, 본 실시예에 따르면 집전체(210, 310)에 로딩되는 합제층(220, 320)의 두께를 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 감소하도록 설계함으로써, 단위 셀(100U)에 두께 배향성을 부여하고, 방사형 구조체를 형성할 수 있다.
한편, 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 양극 합제층(220) 및 음극 합제층(320) 중 적어도 하나의 밀도가 증가할 수 있다. 특히 특히 양극 합제층(220) 및 음극 합제층(320) 모두 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 밀도가 증가하는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따라, 집전체(210, 310)에 로딩되는 합제층(220, 320)의 두께를 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 감소하도록 설계할 경우, 단위 셀(100U)의 위치 혹은 방향성에 따라 용량 불균일이 발생할 수 있다. 이에 본 실시예에서는 집전체(210, 310)에 로딩되는 합제층(220, 320)의 밀도를 상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 증가하도록 설계함으로써, 단위 셀(100U)의 두께 배향성에 따른 용량 불균일을 보상할 수 있다. 예를 들어, 집전체(210, 310)에 로딩된 합제층(220, 320)의 두께가 얇은 영역은 합제층(220, 320)의 밀도를 높게 설정할 수 있다. 이러한 합제층(220, 320)의 밀도 배향성은, 집전체(210, 310) 상에 합제층(220, 320)을 균일하게 로딩한 상태에서 롤러를 이용해 압력을 가할 때 일방향으로 가압 혹은 감압함으로써 구현 가능하다.
한편, 단위 셀(100U)에서, 양극 집전체(210), 양극 합제층(220), 제1 분리막(400), 음극 합제층(320), 음극 집전체(310) 및 제2 분리막(500)이 차례로 적층될 수 있다. 이에 따라, 단위 셀(100U)이 복수로 모여 전극 조립체(100)를 형성할 때, 어느 한 단위 셀(100U)의 제2 분리막(500)이 인접한 다른 단위 셀(100U)의 양극 집전체(210)와 대면할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)에서, 제1 분리막(400)은 양극 합제층(220)과 음극 합제층(320) 사이에 위치할 수 있고, 제2 분리막(500)은 양극 집전체(210)와 음극 집전체(310) 사이에 위치할 수 있다.
앞서 설명한 바 대로, 단위 셀(100U)에 포함되는 집전체(210, 310)의 상측 모서리, 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 전극 탭이 형성되는데, 이하에서는, 도 5a 내지 도 5c 및 도 6a 내지 도 6c를 참고하여, 양극 탭과 음극 탭을 나누어 설명하도록 한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 양극 집전체 및 양극 탭을 나타낸 도면들이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 음극 집전체 및 음극 탭을 나타낸 도면들이다.
먼저 도 5a 내지 도 5c를 참고하면, 양극 집전체(210)의 상측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 양극 탭(211a, 211b, 211c)이 형성될 수 있다. 구체적으로 도 5a는 양극 집전체(210)의 상측 모서리에 형성된 양극 탭(211a)을 나타내고, 도 5b는 양극 집전체(210)의 외측 모서리에 형성된 양극 탭(211b)을 나타내며, 도 5c는 양극 집전체(210)의 중심측 모서리에 형성된 양극 탭(211c)을 나타낸다. 여기서, 상기 상측 모서리는 도 2에서 z축 방향에 위치한 모서리이고, 상기 외측 모서리는 도 2에서 전극 조립체(100)의 외측에 위치한 모서리이며, 상기 중심측 모서리는 도 2에서 전극 조립체(100)의 중심측에 위치한 모서리이다.
각 양극 탭(211a, 211b, 211c)은 상측을 향해 연장된 구조일 수 있다. 상측 모서리에 형성된 양극 탭(211a)은 상측 방향으로 일직선으로 연장된 구조일 수 있고, 외측 모서리나 중심측 모서리에 형성된 양극 탭(211b, 211c)은 상측 방향으로 한번 꺾여 연장된 구조일 수 있다.
다음, 도 6a 내지 도 6c를 참고하면, 음극 집전체(310)의 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 음극 탭(311a, 311b, 311c)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 6a는 음극 집전체(310)의 하측 모서리에 형성된 음극 탭(311a)을 나타내고, 도 6b는 음극 집전체(310)의 외측 모서리에 형성된 음극 탭(311b)을 나타내며, 도 6c는 음극 집전체(310)의 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311c)을 나타낸다. 상기 하측 모서리는 도 2에서 -z축 방향에 위치한 모서리이고, 상기 외측 모서리는 도 2에서 전극 조립체(100)의 외측에 위치한 모서리이며, 상기 중심측 모서리는 도 2에서 전극 조립체(100)의 중심측에 위치한 모서리이다.
각 음극 탭(311a, 311b, 311c)은 하측을 향해 연장된 구조일 수 있다. 하측 모서리에 형성된 음극 탭(311a)은 하측 방향으로 일직선으로 연장된 구조일 수 있고, 외측 모서리나 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311b, 311c)은 하측 방향으로 한번 꺾여 연장된 구조일 수 있다.
한편, 양극 탭(211a, 211b, 211c)은 양극 집전체(210)와 일체로 구성될 수 있다. 즉, 판재 형상인 양극 집전체(210)의 일부가 돌출되어 양극 탭(211a, 211b, 211c)을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 음극 탭(311a, 311b, 311c)은 음극 집전체(310)와 일체로 구성될 수 있다. 즉, 판재 형상인 음극 집전체(310)의 일부가 돌출되어 음극 탭(311a, 311b, 311c)을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 위에서 설명한 양극 탭(211a, 211b, 211c)들 중 하나와 음극 탭(311a, 311b, 311c)들 중 하나가 조합되어 구성될 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, 상측 모서리에 형성된 양극 탭(211a)과 하측 모서리에 형성된 음극 탭(311a)이 조합될 수 있고, 외측 모서리에 형성된 양극 탭(211b)과 외측 모서리에 형성된 음극 탭(311b)이 조합될 수 있으며, 중심측 모서리에 형성된 양극 탭(211c)과 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311c)이 조합될 수 있다. 또, 외측 모서리에 형성된 양극 탭(211b)과 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311c)이 조합될 수 있다. 각 조합에 대한 특별한 제한은 없으며, 다양한 조합이 가능할 수 있다.
하나의 예로써, 도 2에 나타난 전극 조립체(100)는, 양극 탭(211a)들이 양극 집전체의 상측 모서리에 형성되고, 음극 탭(311a)들이 음극 집전체의 하측 모서리에 형성된 경우에 해당하는 모습일 수 있다.
한편, 도시된 바와 다르게, 본 실시예 중 하나로써, 양극 탭이 하측 모서리에 형성되어 하측 방향으로 연장되고, 음극 탭이 상측 모서리에 형성되어 상측 방향으로 연장될 수 있다.
도 1에 나타난 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)는 양극 시트(20)와 음극 시트(30)가 권취를 위해 장방형 시트로 구성되어, 양극 집전체나 음극 집전체를 통해 전자가 이동하는 거리가 길어지고, 전자 전달 저항이 커지는 문제가 있었다. 예를 들어, 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)의 경우, 양극 또는 음극의 집전체는 두께가 수 내지 수십 마이크로미터인 반면 길이는 수백 밀리미터 내지 1 미터일 수 있다. 이러한 집전체에 대해 전극탭이 가운데 위치할 경우, 집전체 길이의 절반 즉, 수백 밀리미터만큼 전자가 이동해야 한다.
반면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 외형적으로만 원통형 구조를 형성하는 것은 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)와 유사할 뿐, 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀(100U)을 포함하고, 단위 셀(100U)마다 앞서 설명한 양극 탭(211a, 211b, 211c)과 음극 탭(311a, 311b, 311c)이 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 신규한 구조를 형성함으로써, 양극 집전체(210)나 음극 집전체(310)를 통해 전자가 이동하는 거리를 줄일 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전극 조립체의 경우, 양극 또는 음극의 집전체는 두께가 수 마이크로미터이고 길이가 60 밀리미터 내외일 수 있다. 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)와 비교하여 유사한 크기 및 형상의 전극 조립체를 형성하더라도, 전자가 이동하는 경로를 훨씬 단축할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 종래의 젤리롤 전극 조립체(10)가 갖는 전자 전달 저항 상승의 문제를 해결할 수 있다.
도 3 및 도 4를 다시 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체(210, 310)에 관통형 홀(212, 312)이 형성될 수 있고, 이러한 관통형 홀(212, 312)은 집전체(210, 310)의 두께 방향으로 형성될 수 있으며, 복수로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 분리막(400)을 사이에 두고 양극 합제층(220)과 음극 합제층(320) 간의 이온 전달이 이루어지는 것이 보통이다. 이때, 앞서 설명한 바 대로, 제2 분리막(500)이 양극 집전체(210)와 음극 집전체(310) 사이에 위치하는데, 양극 집전체(210)와 음극 집전체(310)에 각각 관통형 홀(212, 312)이 형성되므로, 관통형 홀(212, 312)을 통해 양극 합제층(220)과 음극 합제층(320)이 제2 분리막(500)과 접할 수 있다. 따라서, 제2 분리막(500)을 사이에 두고 양극 합제층(220)과 음극 합제층(320) 간의 이온 전달이 이루어질 수 있다. 즉, 제2 분리막(500)과 복수의 관통형 홀(212, 312)이 형성된 다공성 집전체(210, 310)으로 인해 이차 전지의 충, 방전 시 이온 전달이 양 방향에서 이루어질 수 있어, 이차 전지의 성능이 개선될 수 있다.
또한, 관통형 홀(212, 312)이 형성된 집전체(210, 310)를 단위 셀(100U)에 적용함으로써, 이차 전지 내 전해액 또는 리튬 이온의 농도 변화폭을 감소시켜 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 두께 방향으로 관통형 홀(212, 312)이 형성된 집전체(210, 310)를 단위 셀(100U)에 적용함으로써, 전해액 내의 리튬 이온 농도를 일정 범위에서 균일하게 유지할 수 있다. 이를 통해 이차 전지의 과전압 요소들 중에서, 전해액 관련된 과전압 요인을 감소시켜 전지의 성능을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 관통형 홀(212, 312)이 형성된 면적 분율은 10% 내지 80% 범위일 수 있다. 보다 구체적으로, 관통형 홀(212, 312)이 형성된 면적 분율은 10% 내지 80%, 10% 내지 70%, 10% 내지 50%, 20% 내지 90%, 30% 내지 90% 또는 30% 내지 60% 범위일 수 있다. 여기서 관통형 홀(212, 312)이 형성된 면적 분율은 집전체(210, 310)의 면적 대비 관통형 홀(212, 312)이 형성된 면적의 비율을 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 관통형 홀(212, 312)은 10 cm x 10 cm의 단위 면적당 10개 내지 500개가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 관통형 홀(212, 312)은 상기 단위 면적당 10개 내지 300개, 10개 내지 200개, 10개 내지 100개, 10개 내지 70개, 30개 내지 50개, 50개 내지 500개, 100개 내지 200개, 50개 내지 300개, 100개 내지 500개, 30개 내지 200개 또는 10개 내지 200개 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전체(210, 310)는 메쉬 형태일 수 있다.
관통형 홀(212, 312)의 단위 면적당 수 내지 면적 분율을 상기 범위로 제어함으로써, 기계적 강도의 큰 저하 없이 집전체의 변형 정도를 줄이고 이차 전지 내 전해액 농도 내지 리튬 이온 농도의 변화폭을 낮출 수 있다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 변형된 실시예로써, 전극 탭과 접합된 전극 리드에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 양극 탭 및 양극 리드의 접합 구조를 나타낸 도면들이고, 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 음극 탭 및 음극 리드의 접합 구조를 나타낸 도면들이다.
먼저 도 7a 내지 도 7c를 참고하면, 양극 집전체(210)의 상측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 양극 탭(211a, 211b, 211c)이 형성될 수 있다. 구체적으로 도 7a는 양극 집전체(210)의 상측 모서리에 형성된 양극 탭(211a)을 나타내고, 도 7b는 양극 집전체(210)의 외측 모서리에 형성된 양극 탭(211b)을 나타내며, 도 7c는 양극 집전체(210)의 중심측 모서리에 형성된 양극 탭(211c)을 나타낸다. 각 양극 탭(211a, 211b, 211c)에는 양극 리드(213)가 접합될 수 있다. 또한, 각 양극 리드(213)는 상측을 향해 연장된 구조일 수 있다.
다음, 도 8a 내지 도 8c를 참고하면, 음극 집전체(310)의 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 음극 탭(311a, 311b, 311c)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 8a는 음극 집전체(310)의 하측 모서리에 형성된 음극 탭(311a)을 나타내고, 도 8b는 음극 집전체(310)의 외측 모서리에 형성된 음극 탭(311b)을 나타내며, 도 8c는 음극 집전체(310)의 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311c)을 나타낸다. 각 음극 탭(311a, 311b, 311c)에는 음극 리드(313)가 접합될 수 있다. 또한, 각 음극 리드(313)는 하측을 향해 연장된 구조일 수 있다.
본 실시예에 따른 전극 조립체는 위에서 설명한 양극 탭(211a, 211b, 211c)과 양극 리드(213)의 접합 구조들 중 하나와 음극 탭(311a, 311b, 311c)과 음극 리드(313)의 접합 구조들 중 하나가 조합되어 구성될 수 있다.
하나의 실시예로써, 상측 모서리에 형성된 양극 탭(211a)에 접합된 양극 리드(213)와 하측 모서리에 형성된 음극 탭(311a)에 접합된 음극 리드(313)가 조합될 수 있다. 이렇게 구성된 전극 조립체는 양극 리드(213)와 음극 리드(313)가 전극 조립체(100)의 상측과 하측에 각각 위치하는데, 제조 공정이 비교적 간단하다는 장점이 있다.
또 다른 실시예들로써, 외측 모서리에 형성된 양극 탭(211b)에 접합된 양극 리드(213)와 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311c)에 접합된 음극 리드(313)가 조합될 수 있다. 또, 중심측 모서리에 형성된 양극 탭(211c)에 접합된 양극 리드(213)와 외측 모서리에 형성된 음극 탭(311b)에 접합된 음극 리드(313)가 조합될 수 있다. 이렇게 구성된 전극 조립체들은, 전극 리드(213, 313)들이 전극 조립체를 외측과 중심측에서 각각 잡아주어 전극 변형에 대한 구조적 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또 다른 실시예로써, 외측 모서리에 형성된 양극 탭(211b)에 접합된 양극 리드(213)와 외측 모서리에 형성된 음극 탭(311b)에 접합된 음극 리드(313)가 조합될 수 있다. 이렇게 구성된 전극 조립체는 전극 리드(213, 313)들이 전극 조립체를 외측에서 이중으로 잡아주어 전극 변형, 특히 외측 방향으로의 팽창에 대한 구조적 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또 다른 예로써, 중심측 모서리에 형성된 양극 탭(211c)에 접합된 양극 리드(213)와 중심측 모서리에 형성된 음극 탭(311c)에 접합된 음극 리드(313)가 조합될 수 있다. 이렇게 구성된 전극 조립체는 추가적인 무게 증가를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 양극 탭(211a, 211b, 211c)와 양극 리드(213)의 접합이나 음극 탭(311a, 311b, 311c)과 음극 리드(313)의 접합의 방법에 특별한 제한은 없으며, 하나의 예로, 용접 접합이 이루어질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예예 따른 이차 전지는, 중심측을 기준으로 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀을 포함하는 전극 조립체(100), 전극 조립체(100)를 수납하는 전지 케이스(600), 전극 조립체(100) 위에 위치하는 캡 조립체(700)를 포함한다.
전지 케이스(600)는 전해액이 함침된 전극 조립체(100)를 수납하는 구조물로써, 원통형 형상일 수 있다.
캡 조립체(700)는 상단 캡(710)과 안전 벤트(720)를 포함할 수 있다. 상단 캡(710)은 안전 벤트(720) 상에 위치하며, 안전 벤트(720)와 상호 밀착된 구조를 형성하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상단 캡(710)은 중앙이 상향 돌출되고, 양극 탭(211a) 등을 통해 전극 조립체(100)의 양극(200)과 간접적으로 연결되어, 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 기능을 수행할 수 있다.
한편, 전지 케이스(600)와 캡 조립체(700) 사이에 밀봉을 위한 가스켓(800)이 위치할 수 있다. 구체적으로, 전지 케이스(600)와 캡 조립체(700) 사이에 가스켓(800)을 위치시키고, 전지 케이스(600)의 단부를 구부림으로써 크림핑부를 형성할 수 있다. 이를 통해 캡 조립체(700)의 장착 및 이차 전지의 밀봉이 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 전극 탭(211a, 311a)은 직접 캡 조립체(700) 또는 전지 케이스(600)에 연결될 수 있다. 구체적으로, 상측 방향으로 연장된 양극 탭(211a)이 캡 조립체(700)와 연결되어 캡 조립체(700)의 상단 캡(710)이 양극 단자로써 기능할 수 있다. 또한, 하측 방향으로 연장된 음극 탭(311a)이 전지 케이스(600)의 바닥부와 연결되어 전지 케이스(600)의 바닥부가 음극 단자로써 기능할 수 있다. 이 때, 전극 탭(211a, 311a) 각각을 캡 조립체(700)나 전지 케이스(600)에 연결할 수 있고, 또 다른 방법으로 전극 탭(211a, 311a)끼리 먼저 접합한 후 이를 캡 조립체(700)나 전지 케이스(600)에 연결할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 변형된 실시예로써, 전극 탭이 전극 리드와 접합되어 캡 조립체(700) 또는 전지 케이스(600)에 연결될 수 있다. 구체적으로, 양극 탭과 접합되고 상측 방향으로 연장된 양극 리드가 캡 조립체(700)와 연결되어 캡 조립체(700)의 상단 캡(710)이 양극 단자로써 기능할 수 있다. 또한, 음극 탭과 접합되고 하측 방향으로 연장된 음극 리드가 전지 케이스(600)의 바닥부와 연결되어 전지 케이스(600)의 바닥부가 음극 단자로써 기능할 수 있다. 이 때, 상기 전극 리드 각각을 캡 조립체(700)나 전지 케이스(600)에 연결할 수 있고, 또 다른 방법으로 상기 전극 리드끼리 먼저 접합한 후 이를 캡 조립체(700)나 전지 케이스(600)에 연결할 수 있다.
한편, 도 2를 다시 참고하면, 수평 단면을 기준으로, 전극 조립체(100)의 중심측에는 수직 방향(z축 방향)으로 관통하는 중공이 형성될 수 있는데, 내경과 외경의 직경 비율은 1:1.1 내지 100 범위일 수 있다. 전극 조립체(100)의 내경과 외경의 직경 비율은, 각각 내경과 외경의 평균값을 기준으로 산출한다. 구체적인 실시예에서, 전극 조립체(100)의 내경과 외경의 직경비율은 1:1.1 내지 100 범위, 1:1.5 내지 80 범위, 1:2 내지 50 범위, 1:10 내지 100 범위 또는 1:30 내지 100 범위일 수 있다.
한편, 단위 셀(100U)은, 수평 단면을 기준으로, 내주면을 형성하는 중심측 방향의 내측 단부의 두께(Din)와 외주면을 형성하는 외측 단부의 두께(Dout)의 비율(Dout : Din)이, 1:1.5~10 범위일 수 있다. 구체적인 실시예에서, 상기 비율(Dout : Din)은 1:1.1 내지 100 범위, 1:1.5 내지80 범위, 1:2 내지 50 범위, 1:10 내지 100 범위 또는 1:30 내지 100 범위일 수 있다.
상술한 바대로, 본 실시예에 따른 단위 셀(100U)은 일방향으로 갈수록 두께가 감소하는 방사형 구조체를 형성한다. 이는 기존의 각형 전지, 파우치형 전지 또는 원통형 전지와는 차별화되는 형태이다. 기존의 이차 전지는 외부 형상의 차이가 있으나, 각 전지를 구성하는 단위 셀은 전체적인 두께가 균일하게 제조하되, 적층 형태 혹은 권취 형태를 달리한 것에 불과하다. 반면, 본 실시예에 따른 단위 셀(100U)에서, 전극(200, 300)은, 수평 단면을 기준으로, 방사형 구조체의 외측에서 중심측으로 갈수록 전극과 전극 사이의 간격이 감소하는 구조이다.
양극 활물질은 리튬 함유 산화물을 포함할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 양극 합제층(220)은 양극 활물질 외에 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함할 수 있고, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
양극 집전체(210)는 전도성이 높은 금속으로 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 이차 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 소재에 특별한 제한은 없다. 구체적으로 양극 집전체(210)는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일일 수 있다.
음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이다. 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitchderived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
음극 집전체(310)는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일일 수 있다. 또한, 음극 집전체(310)는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
제1 분리막(400) 및 제2 분리막(500)은 리튬 이차 전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체는 전고체 전지에 적용될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 양극과 음극 사이에 분리막을 대신하여 고체 전해질층이 위치할 수 있다. 즉, 제1 분리막 및 제2 분리막을 대신하여 해당 위치에 고체 전해질이 채워진 고체 전해질층이 위치함으로써, 전고체 전지용 전극 조립체를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해액은 비수 전해액을 포함하는 비수계 전해질을 사용할 수 있다. 상기 비수 전해액으로는 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소 런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산메틸, 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. 그러나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 리튬 이차 전지 분야에서 사용되는 다수의 전해액 성분들이 적절한 범위 내에서 가감될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예를 통해 본 기재에 따른 전극 조립체에 대해 설명하도록 한다.
실시예 1
양극 활물질로 NCM(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 100 중량부, 도전재로 카본 블랙(FX35, Denka) 1.5 중량부 및 바인더 고분자로 폴리비닐리덴 플루오라이드(KF9700, Kureha) 2.3 중량부를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제층 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 합제층 슬러리를 640 mg/25cm2의 로딩량으로 관통형 홀이 형성된 알루미늄 집전체 일면에 코팅 한 뒤 진공 건조하여, 양극을 수득하였다. 상기 알루미늄 집전체에서, 관통형 홀이 면적 분율 약 40% 수준으로 형성되고, 10 cm x 10 cm의 단위 면적당 약 50개 형성된 구조이다. 또한, 상기 양극 합제층은 일방향으로 두께 약 40% 수준까지 순차적으로 감소되도록 가압하였다.
음극은 음극 활물질로서 인조흑연(GT, Zichen(China)) 100 중량부, 도전재로서 카본블랙(Super-P) 1.1 중량부, 스티렌-부타디엔 고무 2.2 중량부, 카복시 메틸 셀룰로오즈 0.7 중량부를 용제인 물에 첨가하여 음극 활물질 슬러리를 제조한 후, 관통형 홀이 형성된 구리 집전체 일면에 코팅, 건조 및 압착하여 제조하였다. 상기 구리 집전체에서, 관통형 홀이 면적 분율 약 40% 수준으로 형성되고, 10 cm x 10 cm의 단위 면적당 약 50개 형성된 구조이다. 또한, 상기 양극 합제층은 일방향으로 두께 약 40% 수준까지 순차적으로 감소되도록 가압하였다.
한편, 폴리프로필렌을 건식 방법을 사용하여 일축 연신하여, 융점이 165℃이고, 일측의 너비가 200 mm인 미세 다공성 구조의 분리막을 제조하였다. 제1 분리막을 양극과 음극 사이에 개재하고, 양극과 음극의 외측에는 제2 분리막이 위치하는구조의 단위 셀이 반복되도록 집합하여 전극 조립제를 제조하였다. 상기 전극 조립체는, 수평 단면을 기준으로, 중심측을 중심으로 50 개의 단위 셀이 방사형으로 집합된 구조이다.
상기 전극 조립체를 원통형 전지케이스에 내장한 후, 1M LiPF6 카보네이트계 용액 전해액을 주입하여 이차 전지를 완성하였다.
실시예 2
알루미늄 및 구리 집전체를 각각 메쉬 구조의 집전체를 사용하였다는 점을제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
양극 및 음극 집전체에 각각 두께 관통형 홀을 형성하지 않고, 양극 및 음극 합제층의 두께 구배를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 및 음극을 제조하였다.
실험예 1: 이차 전지 물성 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 각 이차 전지에 대하여 물성을 평가하였다. 구체적으로는 각 이차 전지에 대한 충전과 방전을 수행하고, 충전 및 방전시 전압과 온도 변화를 각각 측정하였다. 이차 전지에 대한 충전과 방전은 20℃, 1C 조건에서 수행하였다.
이차 전지의 충전과 방전시 전압 변화를 평가한 결과는 도 10에 도시하였고, 이차 전지의 충전과 방전시 온도 변화를 평가한 결과는 도 11에 도시하였다.
먼저, 도 10을 참고하면, 실시예 1에 따른 이차 전지는 비교예 1과 대비하여 방전 전압이 높고, 충전 전압이 낮음을 알 수 있다. 이를 통해, 실시예 1에 따른 이차 전지는 제품에 적용 시 보다 높은 파워를 제공하며, 충전시에는 보다 낮은 충전 파워를 요구함을 알 수 있다.
도 11을 참고하면, 실시예 1에 따른 이차 전지는, 비교예 1과 대비하여, 충, 방전 시 온도가 낮고 그 변화폭이 현저히 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1에 따른 이차 전지는 요구되는 냉각 성능이 더 낮고, 보다 컴팩트한 설계가 가능하다.
따라서, 각종 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device)등에 적용이 가능하며, 특히 무선 이어폰이나 스마트워치와 같은 소형기기, 특히 이차전지의 중량 및 부피에 제약을 받으면서도 장기간 사용을 요하는 디바이스에 특히 적합하다.
또한 출력이 우수하여 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워툴(power tool)에도 사용될 수 있으며, 드론(drone), 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) 등 고출력의 전기를 이용하는 수송 수단뿐만 아니라 전기 저장 시스템에 적용하기에도 적합하다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전극 조립체
100U: 단위 셀
200: 양극
210: 양극 집전체
211a, 211b, 211c: 양극 탭
300: 음극
310: 음극 집전체
311a, 311b, 311c: 음극 탭

Claims (11)

  1. 중심측을 기준으로 방사형 구조체를 형성하는 복수의 단위 셀을 포함하고,
    수평 단면을 기준으로, 상기 방사형 구조체의 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 단위 셀의 두께가 감소하며,
    상기 단위 셀에 포함되는 집전체의 상측 모서리, 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 전극 탭이 형성되고,
    상기 단위 셀은, 차례로 적층된 양극, 제1 분리막, 음극 및 제2 분리막을 포함하며,
    상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 합제층을 포함하고,
    상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 형성된 음극 합제층을 포함하며,
    상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 양극 합제층 및 상기 음극 합제층 중 적어도 하나의 두께가 감소하고,
    상기 방사형 구조체의 상기 외측에서 상기 중심측 방향으로 갈수록 상기 양극 합제층 및 상기 음극 합제층 중 적어도 하나의 밀도가 증가하는 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 양극 집전체의 상측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 양극 탭이 형성되는 전극 조립체.
  5. 제1항에서,
    상기 음극 집전체의 하측 모서리, 외측 모서리 및 중심측 모서리 중 적어도 하나에 음극 탭이 형성되는 전극 조립체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에서,
    상기 양극 집전체, 상기 양극 합제층, 상기 제1 분리막, 상기 음극 합제층, 상기 음극 집전체 및 상기 제2 분리막이 차례로 적층되는 전극 조립체.
  9. 제1항에서,
    상기 집전체에 관통형 홀이 형성된 전극 조립체.
  10. 제1항에서,
    상기 전극 탭에 접합되는 전극 리드를 더 포함하는 전극 조립체.
  11. 제1항에 따른 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스; 및
    상기 전극 조립체의 위에 위치하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 전극 탭은, 직접 또는 전극 리드와 접합되어, 상기 캡 조립체 또는 상기 전지 케이스와 연결되는 이차 전지.
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