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KR20140022531A - 전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 및 그 제조방법 - Google Patents

전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20140022531A
KR20140022531A KR1020120088671A KR20120088671A KR20140022531A KR 20140022531 A KR20140022531 A KR 20140022531A KR 1020120088671 A KR1020120088671 A KR 1020120088671A KR 20120088671 A KR20120088671 A KR 20120088671A KR 20140022531 A KR20140022531 A KR 20140022531A
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KR
South Korea
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electrode
welding
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oxide film
electrode assembly
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KR1020120088671A
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연규복
이향목
김웅기
이승배
문재식
한명수
이상현
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전극 탭과 리드 용접의 신뢰성을 강화하는 방법 및 이를 통해 제조되는 전기화학소자에 관한 것으로, 활물질이 코팅되는 집전체를 포함하는 전극과 상기 집전체에 연결되는 전극탭, 상기 전극탭과 연결되는 리드부를 포함하되, 상기 전극탭과 상기 리드부의 용접면의 절연물질의 밀도가 용접면 외의 영역의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

전극조립체 및 이를 포함하는 전기화학소자 및 그 제조방법{ELECTRODE ASSEMBLY AND FABRICATING METHOD OF ELECTROCHEMICAL CELL CONTAINING THE ELECTRODE ASSEMBLY, ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 전극 탭과 리드 용접의 신뢰성을 강화하는 방법 및 이를 통해 제조되는 전기화학소자에 관한 것이다.
전자, 통신, 컴퓨터 산업의 급속한 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북 등이 눈부신 발전을 거듭함에 따라, 이들 휴대용 전자통신 기기들을 구동할 수 있는 동력원으로서 리튬 이차전지의 수요가 나날이 증가하고 있다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(310, 320), 전극 탭들(310, 320)에 용접되어 있는 전극리드(410, 420), 및 전극조립체(300)를 수용하는 전지케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(310, 320)은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드(410, 420)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(310, 320)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 리드(410, 420)의 상하면 일부에는 전지케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다. 케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(300)의 경우, 다수의 양극 탭들(310)과 다수의 음극 탭들(320)이 전극 리드(410, 420)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(200) 내부 상단은 전극조립체(300)로부터 소정 간격으로 이격되어 있다.
도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(300)의 양극 집전체(301)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(310)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 용착부의 형태로 양극리드(410)에 연결된다. 그러한 양극리드(410)는 양극 탭 용착부가 연결되어 있는 대향 단부(412)가 노출된 상태로 전지케이스(200)에 의해 밀봉된다.
이와 같이, 이차 전지에서는 리드, 집전제, 전극 탭을 포함하는 많은 금속 부분들이 존재한다. 이들 금속 부분들은 필요에 따라 서로 용접되거나 연결된다.
그러나, 이러한 용접에 의한 결합시, 양극리드의 표면에 형성되는 산화막, 이를 테면 Al2O3에 의한 절연물질의 존재로 용접신뢰성이 떨어지게 되며, 내부 저항이 증가하는 문제가 발생하게 된다.
등록특허 공보 제10-1068618호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전극탭과 리드의 용접시, 양극 리드에 형성되는 알루미늄 산화막(Al2O3)을 용접부위와 주변부를 레이저로 제거하여 초음파 용접함으로써, 용접강도를 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 전지 내부저항 감소에 따른 발열 개선하는 용접공법 및 이를 통해 제조되는 전극조립체를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 전극집전체와 연결되는 전극탭 표면에 레이저를 인가하여 산화막을 제거하는 공정과 상기 산화막이 제거된 영역에 리드부를 밀착하여 초음파 용접을 수행하는 공정을 제공할 수 있도록 한다.
특히, 상술한 공정을 통해 제조되는 전극조립체는 활물질이 코팅되는 집전체를 포함하는 전극; 상기 집전체에 연결되는 전극탭; 상기 전극탭과 연결되는 리드부;를 포함하되, 상기 전극탭과 상기 리드부의 용접면의 절연물질의 밀도가 용접면 외의 영역의 밀도보다 낮게 형성되는 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 전극탭과 리드의 용접시, 양극리드에 형성되는 알루미늄산화막(Al2O3)을 용접부위와 주변을 레이저로 제거하여 초음파 용접함으로써, 용접강도를 향상시킴과 동시에, 전지 내부저항 감소에 따른 발열 개선으로 전지성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접영역의 요부 단면도를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 3 및 도 4는 도 2의 구조에서 전극탭과 리드부의 용접영역(X)를 확대한 요부 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체는 활물질이 코팅되는 집전체를 포함하는 전극의 구조에서, 상기 집전체(301)에 연결되는 전극탭(310), 상기 전극탭(310)과 연결되는 리드부(410)를 포함하되, 상기 전극탭과 상기 리드부의 용접면(C)의 절연물질의 밀도가 용접면 외의 영역의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 한다. 이하의 실시예에서의 집전체는 양극 또는 음극집전체를 포함하는 개념이며, 전극탭 역시 양극 전극탭 및 음극 전극탭을 포함하는 개념이다.
즉, 본 발명은 전극집전체와 연결되는 전극탭 표면에 레이저를 인가하여 산화막을 제거하는 공정과 상기 산화막이 제거된 영역에 리드부를 밀착하여 초음파 용접을 수행하는 공정을 통해 상술한 용접영역(X)에서의 산화막을 제거하고 용접을 수행하여 상술한 구조의 전극조립체를 구현할 수 있도록 한다.
특히, 도 2 및 도 3의 구조를 살펴보면, 기본적으로 양극 또는 음극을 형성하는 전극 집전체(301)의 말단은 전극탭(310)이 구비되며, 상기 전극탭(310)은 리드부(410)과 연결되게 된다.
이러한 전극 탭(310)은 전지의 전기화학적 반응에 영향을 주지 않는 재료, 즉, 압전물질 함유 절연성 물질로 전면이 코팅된다. 이러한 압전물질 함유 절연성 물질이 코팅된 다수의 전극 탭들(310)은 각 리드부(410)에 소정의 압력을 가하면서 초음파 용접(Ultrasonic welding)을 행함으로써 결합된다. 코팅층은 압전물질에 의해 통전이 일어나게 되고, 이때, 리드부(410)에 전류를 인가하면, 통전시의 높은 저항에 의해 발열에 의해, 초음파 인가시 코팅층의 국부적인 용융이 용이해 진다.
구체적으로는, 전극 탭(310)과 리드부(410) 사이의 초음파 용접을 설명하면 다음과 같다. 약 20 KHz 정도의 초음파에 의해 발생된 고주파 진동에 의해 전극탭(310)들간의 사이 및 전극 탭(310)과 전극 리드부(410) 사이의 경계면에서 진동에너지가 마찰에 의해 열에너지로 변환되면서 접합면의 코팅층의 파괴 및 국부적 소성 변형에 의해 새로 노출된 전극 탭(410) 표면끼리 밀착이 이루어지게 되고, 마찰열에 의한 온도 상승에 의해 원자의 확산 및 재결정이 촉진되어 견고한 압점부가 형성되면서 급속히 용접이 이루어진다.
그러나 이 경우, 필연적으로 리드부의 표면이나 전극탭의 표면에 형성되는 절연성물질의 형성하는 막의 존재는 용접의 신뢰성(강도)를 떨어뜨리는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 전극탭 또는 리드부의 표면의 절연성 물질은 자연적으로 형성되는 자연산화막이나 또는 의도적으로 코팅된 상술한 절연성물질막일 수 있다. 예를 들면, 상술한 전극 탭(310)을 양극탭으로 가정하는 경우, 양극탭은 일반적으로 알루미늄을 사용하게 되며, 리드부 역시 알루미늄을 사용할 수 있게 된다. 이 경우, 도 1의 구조에서 파우치의 실링을 위해 절연테이프(430)을 사용하게 되는 점을 고려하여, 리드부의 표면에 다공층 구조의 알루미늄 산화막을 형성하여 접착성을 향상시킬 수 있도록 하는데, 이렇게 형성되는 알루미늄 산화막은 절연테이프와의 접착성을 향상시켜 실링 특성을 좋게 하는 장점이 있기는 하나, 전극탭과의 용접시에는 용접특성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하게 된다.
이에, 도 3에 도시된 것과 같이, 리드부(410)의 표면 또는 전극탭(310)의 표면에 존재하는 산화막(410)을 레이저를 통해 제거한 후, 초음파 용접을 통해 결합하는 공정을 통해 접착특성을 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 도 3의 (a)에 도시된 구조는 리드부(410)과 전극탭(310)의 용접영역(A)와 비용접영역(B)를 도시한 것이며, 용접면(C)에는 산화막(440)이 형성되어 있는 구조를 도시하였다. 이러한 산화막(440)은 용접특성을 떨어뜨리게 됨은 상술한 바와 같다.
이에 본 발명에서는 도 3의 (b)에 도시된 구조와 같이, 전극탭(310)과 리드부(410)의 용접영역(A)에 존재하는 산화막(410)을 레이저를 통해 제거한 후, 초음파 용접을 수행하는 방식을 통해 용접특성을 향상시킬 수 있도록 한다. 즉, 도 3의 (b)에서는 용접면(C)에 산화막(410)이 제거된 구조를 도시한 것이다. 본 실시예에서의 산화막(440)은 리드부 표면에 형성될 수도 있지만, 전극탭(310)의 표면에 형성되는 산화막(311) 역시 본 발명에서의 제거 대상이 됨은 물론이다.
이 경우, 상기 용접면(C)에 존재하는 산화막 등의 절연물질은 레이저를 통해 완벽하게 제거되어, 리드부 표면 또는 전극탭 표면이 노출되도록 구현됨이 가장 바람직하다. 다만, 미세한 밀도의 절연물질이 존재하는 경우에는 상기 용접면(C)이 존재하는 용접영역(A)의 절연물질의 농도는 비용접영역(B)에 존재하는 절연물질의 농도에 0.01~0.9의 비율로 존재하도록 레이저 처리를 수행함이 바람직하다.
이 경우, 상기 용접면(C)을 제외한 전극탭 및 리드부 면 즉 비용접영역(B)의 알루미늄 산화막 등의 절연물질(440)의 두께는, 7nm~400nm의 범위를 충족함이 바람직하다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예에서는 전극탭과 리드부의 용접영역을 한정하여 설명하였지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 파우치의 외부영역에서의 용접이 수행되는 부분에서 본 발명에 따른 용접방식을 적용할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 상기 전극조립체는, 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조 중 어느 하나로 이루어지는 구조로 이차전지를 구성할 수 있다. 이하, 본 발명을 실시예를 들어 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 한다.
{실시예}
전지 케이스의 수납부에 전극조립체를 내장하고, 전극조립체의 집전체로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들과 리드부를 용접하여 V-포밍부를 형성한 후, 전해액을 주입하고, 전지 케이스의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트가 접하는 외주 면을 열융착시켜 전지 케이스에 실링부를 형성하였다.
특히, 다수의 전극 탭들과 리드부를 용접을 수행하는 과정에서 리드부의 표면에 존재하는 절연물질막을 레이저를 통해 제거하고, 전극탭에서 리드부와 용접되는 부분 역시 레이저를 통해 산화막을 제거한 후 초음파 용접을 수행하였다.
{비교예}
상기 실시예에서 레이저를 통해 산화막을 제거하는 공정을 제외하고, 상기 실시예와 같은 방법으로 파우치형 이차 전지를 제작하였다.
{실험예 1}
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 전지를 대상으로 낙하 테스트 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
본 실험에서는 각각 100 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 전방 낙하 실험은 전극단자 부위가 아래로 향하도록 180cm 높이에서 철판 상에 자유 낙하시키는 과정을 100회 진행하는 과정으로 수행하였다.
낙하시 용접면에서의 단락발생 전지의 수
실시예 0
비교예 37
상기 실험에서 100개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 반면에, 비교예의 전지는 다수의 전지에서 단락 및 발화가 되었고, 특히 낙하 시 용접부위의 단락임을 전지를 분해해 본 결과, 확인되었다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전극탭과 리드의 용접시, 양극리드에 형성되는 알루미늄산화막(Al2O3)을 용접부위와 주변을 레이저로 제거하여 초음파 용접함으로써, 용접강도를 향상시킴과 동시에, 전지 내부저항 감소에 따른 발열 개선으로 전지성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
{실험예2}
상술한 실시예에 의해 제조된 전극탭 부위의 양극 리드의 알루미늄 산화막을 제거한 7개의 시료와, 제거하지 않은 전극 리드 7개의 내부 저항을 측정한 실험을 수행하였다. 통전 전류는 12A를 인가하였으며, 내부 저항을 측정하기 위한 그리퍼의 압력은 12kg을 인가하였다.
1)본 발명에 따른 실시예에 의해 제조된 7개 시료의 알루미늄 산화막의 레이저 에칭한 군의 내부저항 측정)
Figure pat00001
2)비교군의 개체 7개에 대한 전극리드의 내부 저항 측정)
Figure pat00002
위 실험예2의 결과를 살펴보면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 산화막의 레이저 에칭이 수행된 시료의 내부 저항이 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 내부저항의 감소로 본 발명에 따른 실시예를 적용한 개체의 발열 특성이 현저하게 개선되는 것을 반증하는 것이다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 전극조립체를 구성하는 구성요소의 구체적인 재료 및 구성상의 특징을 설명하기로 한다.
양극구조
본 발명에서 상기 기본단위체에 형성되는 전극은 양극 또는 음극으로 구별되고, 상기 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진재를 더 첨가하기도 한다. 이러한 구조는 시트 형으로 구현되어 로딩 롤에 장착되는 형태로 공정에 적용될 수 있게 된다.
[양극집전체]
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 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 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 상술한 본 발명에 따른 실시예에서 전극탭의 경우, 상기 양극집전체의 재질과 동일한 재질을 가지도록 형성될 수 있다.
[양극활물질]
상기 양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (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 LiMn2 - xMxO2 (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; 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 50 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, 채널블랙, 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 도전성금속 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 50 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.
음극 구조
음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 이러한 구조는 시트 형으로 구현되어 로딩 롤에 장착되는 형태로 공정에 적용될 수 있게 된다.
[음극 집전체]
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 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 표면 처리한 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. 상술한 본 발명에 따른 실시예에서 전극탭의 경우, 상기 음극집전체의 재질과 동일한 재질을 가지도록 형성될 수 있다.
[음극활물질]
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (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.
[분리막]
본 발명에 따른 분리막은 폴딩공정이나 롤(roll) 공정과는 무관히 단순 적층공정으로 기본 단위체를 형성하여 단순 적층을 구현하게 된다. 특히, 라미네이터에서 분리막과 양극, 음극의 접착은 라미네이터 내부에서 분리막 시트 자체가 열에 의해 용융되어 접착 고정되도록 하는 것이다. 이에 따라, 압력이 계속 유지되게 하는바 전극과 분리막 시트 사이의 안정적인 계면 접촉을 가능케 한다.
상기 분리막 시트 또는 셀의 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 분리막과 분리막 시트는 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 분리막 또는 분리막 시트는, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리막 또는 분리막 시트의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 또는 분리막 시트로는, 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. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
상기 분리막은 기본 단위셀을 구성하기 위해서 열융착에 의한 접착 기능을 가지고 있는 것이 바람직하고, 상기 분리막 시트는 반드시 그러한 기능을 가질 필요는 없으나 접착 기능을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 전극조립체는 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등을 들 수 있고, 그 중에서 이차전지가 특히 바람직하다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.
다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 이차전지
200: 전지케이스
300: 전극조립체
310, 320: 전극 탭
410, 420 : 리드부(전극 리드)
430: 절연필름
440: 절연물질층(산화막)

Claims (13)

  1. 활물질이 코팅되는 집전체를 포함하는 전극;
    상기 집전체에 연결되는 전극탭;
    상기 전극탭과 연결되는 리드부;를 포함하되,
    상기 전극탭과 상기 리드부의 용접면의 절연물질의 밀도가 용접면 외의 영역의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연물질은,
    상기 전극탭 또는 상기 리드부의 표면에 형성되는 산화막인 전극조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전극은 양극이며,
    상기 절연물질층은 알루미늄 산화막(Al2O3)인 전극조립체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 용접면에 존재하는 절연물질층은,
    용접면 외에 존재하는 절연물질층의 농도에 0.01~0.9의 비율인 전극조립체.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 용접면에는 알루미늄산화막이 레이저에 의해 제거되어 상기 전극탭면과 상기 리드부면이 직접 용접되는 구조인 전극조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 용접면을 제외한 전극탭 및 리드부 면의 알루미늄 산화막의 두께는,
    7nm~400nm 인 전극조립체.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항의 전극조립체를 수용하는 파우치;
    상기 파우치의 내부 또는 외부에 전극탭과 리드부가 용접되는 용접영역을 적어도 1 이상 구비하는 이차전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전극조립체는,
    권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조 중 어느 하나로 이루어지는 이차전지.
  9. 청구항 9에 있어서,
    양극 집전체 상에 코팅되는 양극 슬러리가 양극 활물질로서, Li2MnO3 및 LiMO2를 포함하는 것임을 특징으로 하는 이차전지.(M은 전이금속원소임)
  10. 청구항 7의 이차전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지의 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 전기화학소자.
  11. 전극집전체와 연결되는 전극탭 표면 또는 상기 전극탭과 연결되는 리드부의 표면에 레이저를 인가하여 산화막을 제거하는 공정;
    상기 산화막이 제거된 영역을 기준으로 상기 전극탭과 리드부를 밀착하여 초음파 용접을 수행하는 공정;
    을 포함하는 이차전지의 제조공정.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 산화막을 제거하는 공정은,
    용접영역의 상기 전극탭 표면 또는 리드부의 표면이 노출되도록 레이저로 산화막을 제거하는 공정인 이차전지의 제조공정.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전극탭은 양극의 전극탭이며, 상기 산화막은 은 Al2O3인 이차전지의 제조공정.
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