JP5896244B2 - 腐食防止用保護層を含む電極リードを含む二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、韓国特許庁に2010年9月27日に出願された、韓国特許出願第10-2010-0093076号に対し優先権を主張し、本韓国出願の全般的な内容はここに参照として併合される。
本発明は、腐食防止用保護層を含む電極リードおよびこれを含む二次電池に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、二次電池の需要もまた急激に増加しており、その中でもエネルギー密度および作動電圧が高く、寿命特性に優れたリチウム二次電池が、各種モバイル機器をはじめ様々な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。また、リチウム二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン自動車、ディーゼル自動車などの環境汚染および地球温暖化の問題を解決するための代替案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても大きな注目を浴びており、一部商用化の段階にある。
二次電池は、正極/分離膜/負極の構造を有する電極組立体が如何なる構造からなっているかによって分類することができ、代表的には、長いシート状の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻き取った構造を有するゼリーロール型電極組立体と、所定大きさの単位に切り取った多数の正極と負極を、分離膜を介在した状態で順に積層したスタック型電極組立体と、所定単位の正極と負極を、分離膜を介在した状態で積層したバイセル（Bi-cell）またはフルセル（Full cell）を巻き取った構造を有するスタック/折り畳み（folding）型電極組立体などが挙げられる。
最近、スタック型電極組立体またはスタック/折り畳み型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造を有するパウチ型電池が、低い製造コスト、小さい重量、容易な形態変形などの理由で多くの関心を集めており、使用量も増加している。
図1にはパウチ型リチウム二次電池の一般的な構造が模式的に示されている。
図1を参照すると、パウチ型リチウム二次電池10は、電極組立体30と、電極組立体30から延長している電極タブ40、50と、電極タブ40、50に溶接されている電極リード60、70と、電極組立体30を収容する外装材20と、を含んで構成されている。
電極組立体30は、分離膜が介在された状態で正極と負極が順に積層されている発電素子であり、スタック型またはスタック/折り畳み型の構造からなっている。電極タブ40、50は、電極組立体30の各極板から延長しており、電極リード60、70は、各極板から延長した複数の電極タブ40、50と溶接などによって電気的に連結されており、一部が外装材20の外部に露出している。また、電極リード60、70の上下面の一部には、外装材20との密封度を高めるとともに電気的絶縁状態を確保するためにポリプロピレン（Polypropylene、PP）などの材質からなる絶縁フィルム80が付着されている。外装材20は、アルミニウムラミネートシートからなっており、電極組立体30を収容するための収納空間を提供し、全体的にパウチの形状を有している。
一方、前記電極リード60、70は、単位セル内部で電解液と反応または腐食してはならず、外部的には空気中酸化してはならず、ポリプロピレンなどの絶縁フィルム80とは容易に結合すべきであるという特性が要求される。
特に、外部空気および異物による腐食を防止するために、通常、電極リード60、70には保護層（図示せず）をコーティングしている。具体的に、銅材質の負極リード60およびアルミニウム材質の正極リード70は、酸化しやすく、腐食に弱いためその外面にニッケルなどをメッキして使用している。通常、リチウム二次電池10の負極リード60は、銅板の両面にニッケル薄膜を重ねた構造を用いており、異種の金属板を高温で重ねて圧延して付着するクラッド（Clad）方式が主に用いられている。
前記保護層は、セル外部環境による電極リード60、70の腐食を防止する役割を行っており、電極リード60、70において必須の構成要素として認められている。
しかし、前記保護層の電気伝導度は電極リード60、70の電気伝導度より相対的に非常に低い。具体的に、ニッケルの電気伝導度は、銅材質の負極リード60の電気伝導度の約14.9%に過ぎない。また、電極リード60、70と電極タブ40、50の溶接面において、保護層が中間に介在されて電極リード60、70と電極タブ40、50の直接的な接触面積を減少させる。つまり、保護層は、電極リード60、70の腐食防止のために必須のものであるが、電気伝導度および電気的接触面積の減少をもたらすことでセルの抵抗成分として作用する。
そのため、外部環境による電極リードの腐食を防止するとともにセルの抵抗を減少させることができる技術に対する開発が必要とされている。
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために導き出されたものであり、本出願の発明者らは鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、腐食防止用保護層が選択的に形成された電極リードを開発するに至り、これにより、電極リードの腐食防止という既存の目的を十分に達成するとともに内部抵抗を減少させてセルの性能低下を防止することができることを確認した。
本発明は、二次電池の電極リードにおいて、前記電極リードは、セル外部に位置する電極リード部位にのみ選択的に腐食防止用保護層が形成されていることを特徴とする二次電池の電極リードを提供する。
また、前記電極リードは、負極リード、正極リードのうち少なくとも一つ以上であることができる。ここで、前記負極リードは銅材質であり、前記正極リードはアルミニウム材質であり、前記保護層はニッケル材質であることができる。
また、前記保護層は、前記電極リードの片面または両面に形成されていることができる。
さらに、前記保護層は、コーティングまたはメッキにより形成されていることができ、この場合、前記メッキは電気メッキであることができる。
さらに、前記保護層の厚さは0.1nm〜500μｍであることができる。
また、本発明は、二次電池の電極リードにおいて、前記電極リードと電極タブの溶接部位に腐食防止用保護層が形成されていないことを特徴とする二次電池の電極リードを提供する。
一方、本発明は、電極組立体と、前記電極組立体を収納する外装材と、前記電極組立体と電気的に連結された上述した電極リードと、を含むことを特徴とする二次電池を提供する。
また、前記二次電池は、リチウム二次電池であることができ、この場合、前記二次電池は、前記電極リードと前記外装材との絶縁のための接着性フィルム（すなわち、『絶縁フィルム』）を含むパウチ型リチウム二次電池であることができる。
本発明は、二次電池の電極リードにおいて、セル外部に位置する電極リード部位にのみ選択的に腐食防止用保護層を形成することにより、外部環境による電極リードの腐食を防止するとともにセルの抵抗を減少させることができるという利点がある。
以下、本発明について詳細に説明する。
図2を参照すると、本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池の電極リードにおいて、前記電極リードは、セル外部に位置する電極リード部位にのみ選択的に腐食防止用保護層が形成されていることを特徴とする。
一般的な電極リードにおいて、腐食防止用保護層は、セルの外部、内部を問わず電極リードの全ての部分にコーティングされている。これにより腐食防止という目的を達成することはできるが、前記保護層の低い電気伝導度および電極リードと電極タブとの直接的な接触面積の減少をもたらしてセル内部抵抗を増加させる。
そのため、本発明では、セル内部に位置して外部の空気および異物に露出しないことで腐食する可能性がほとんどない電極リード部位には保護層を形成せず、セル外部に位置する電極リード部位にのみ選択的に保護層を形成している。これにより、外部環境による電極リードの腐食を防止するとともに内部抵抗を減少させ、電極リードと電極タブとの電気的接触性を改善することができる。すなわち、電極リードと電極タブが溶接（Welding）される部分を含む電極リードのセル内部の部位は、外部の空気および異物に露出する可能性がほとんどないため保護層の形成を省略している。
パウチ型二次電池を例に挙げると、本発明における『セル外部』および『セル内部』は絶縁フィルムを基準として分けられる。電極リードのうち外装材のシール部と接する部分は絶縁フィルムで包まれているため、この部分は外部環境によって腐食される可能性が低い。すなわち、絶縁フィルムが位置する部分を基準として外側を『セル外部』と称し、電極組立体が収納された部分である内側を『セル内部』と称することができ、本発明の保護層は前記『セル外部』にのみ形成すればよい。
一方、本発明は、二次電池の電極リードにおいて、前記電極リードと電極タブの溶接部位に腐食防止用保護層が形成されていないことを特徴とする。
電極リードのうち電極タブと溶接される部位はセル内部に位置しており、溶接によって密閉されて外部に露出しないため、保護層を形成する必要がない。むしろ従来のように前記溶接部位にまで保護層を形成する場合、保護層の低い電気伝導度および電極リードと電極タブとの接触面積の減少によってセル内部抵抗が増加することになる。
具体的に、電極タブの下側部または上側部に電極リードを位置させた状態で溶接を行う場合には前記電極タブとの溶接面に対する保護層の形成を省略すればよい。一方、電極タブ間に電極リードが挿入された状態で溶接を行う場合には電極リードが上下部で電極タブと溶接/密閉されるため、電極リードの上面および下面の両方に保護層を形成する必要がない。
前記電極リードと電極タブの溶接部位には保護層を形成することなく電極リードのセル外部の部位には保護層を形成することを基本とするが、電極リードのセル内部の部位のうち前記溶接部位以外の他の部分には保護層を形成してもよく、形成しなくてもよい。ただし、外部空気および異物がセル内部に流入する可能性を100%排除することはできないため、電極リードの確実な腐食防止の面において、前記電極リードのセル内部の部位のうち前記溶接部位以外の他の部分にも保護層を形成することがより好ましい。
また、本発明に係る選択的な保護層は、負極リード、正極リードのうち少なくとも一つ以上に形成することができる。すなわち、負極リードのセル外部の部位にのみ保護層を形成し、正極リードにはセル内、外部の部位の両方に保護層を形成してもよく、正極リードのセル外部の部位にのみ保護層を形成し、負極リードにはセル内、外部の部位の両方に保護層を形成してもよい。好ましくは、セルの抵抗減少を極大化するために、負極リードと正極リードの両方それぞれのセル外部の部位にのみ保護層を形成する。
ここで、前記負極リードは銅材質であり、前記保護層はニッケル材質であることができる。このような場合、ニッケルの電気伝導度は銅の電気伝導度の14.9%に過ぎず、セルの抵抗を大きく増加させる要因となるため、本発明により選択的に保護層を形成する必要性がより大きい。前記正極リードはアルミニウム材質であり、前記保護層はニッケル材質である場合にも同様である。
本発明に係る電極リード保護層が前記のような条件を満たせば保護層の厚さは特に制限されない。ただし、好ましくは、電極リードを効果的に保護するとともに電極リードが厚くなりすぎることを防止するために0.1nm〜500μｍの範囲で形成することができる。
一方、本発明に係る前記選択的な保護層は、前記電極リードの片面または両面に形成することができる。また、前記保護層はコーティングまたはメッキにより形成することができ、具体的に、電気メッキの方法を用いて形成することができる。
一方、本発明は、電極組立体と、前記電極組立体を収納する外装材と、前記電極組立体と電気的に連結された前記電極リードと、を含むことを特徴とする二次電池に関するものである。
ここで、前記二次電池はリチウム二次電池であることができ、具体的に、前記電極リードと前記外装材との絶縁のための接着性フィルム（すなわち、『絶縁フィルム』）を含むパウチ型リチウム二次電池であることができる。
電極組立体と、外装材と、電極リードと、を含む（リチウム）二次電池およびパウチ型リチウム二次電池の製造に関する一般的な事項は当業界に公知されており、本明細書では具体的な説明を省略する。
以下、実施例を挙げて本発明についてより詳細に説明する。
実施例
アルミニウム箔と銅箔の両面に、リチウムを含有する正極活物質と黒鉛を含有する負極活物質をそれぞれ塗布した後、前記アルミニウム箔と銅箔を活物質が塗布されていない電極タブが存在するように切断して、正極板と負極板をそれぞれ製造した。
アルミニウム箔と銅箔の両面に、リチウムを含有する正極活物質と黒鉛を含有する負極活物質をそれぞれ塗布した後、前記アルミニウム箔と銅箔を活物質が塗布されていない電極タブが存在するように切断して、正極板と負極板をそれぞれ製造した。
次に、アルミニウム材質の正極リードと銅材質の負極リードを準備した後、負極リードの両面の外側部にのみニッケルで電気メッキを施した。
次に、分離膜を用いて前記製造された正極板と負極板を順に積層した後、正極タブの下側部および負極タブの下側部にそれぞれ前記正極リードおよび負極リードを位置させた状態で溶接を行って電極組立体を完成した。
次に、内部樹脂層（ポリエチレンフィルム）、金属層（Al）および外部樹脂層（ナイロンフィルム）を積層してラミネートシートの外装材を製造した後に深絞りにより収納部を形成した後、乾燥室で前記電極組立体を前記製造されたパウチ型外装材に収納した。
次に、1M LiPF6のカーボネート系電解液を注入した後に前記外装材のシール部と当接している前記正極リードおよび負極リードの部分を絶縁フィルムで包んだ後、前記外装材の外周面に熱圧着シールを行うことで、パウチ型リチウム二次電池を製造した（結果、前記ニッケルメッキは負極リードのうち前記絶縁フィルムで区画されるセル外部の部位にのみ形成され、溶接部位を含むセル内部の部位には形成されない。）。
比較例
負極リードの両面の全ての部分をニッケルで電気メッキしたこと以外は、実施例と同様である（結果、前記ニッケルメッキは溶接部位を含む負極リードのセル内部およびセル外部の全ての部位に形成される。）。
負極リードの両面の全ての部分をニッケルで電気メッキしたこと以外は、実施例と同様である（結果、前記ニッケルメッキは溶接部位を含む負極リードのセル内部およびセル外部の全ての部位に形成される。）。
実験例
前記実施例と比較例でそれぞれ製造された電池に対して抵抗測定実験を行ってその結果を下記表1に示す。本実験では電池セルの出力および抵抗に対する測定方法を用いており、具体的には、電池セルの特性を考慮してSOCを50に合わせ、120Aの直流電流を10秒間流した後、電流が流れる前後の電圧差を測定することで各電極リードの抵抗を計算した。
前記実施例と比較例でそれぞれ製造された電池に対して抵抗測定実験を行ってその結果を下記表1に示す。本実験では電池セルの出力および抵抗に対する測定方法を用いており、具体的には、電池セルの特性を考慮してSOCを50に合わせ、120Aの直流電流を10秒間流した後、電流が流れる前後の電圧差を測定することで各電極リードの抵抗を計算した。
前記表1から分かるように、実施例においては、負極リードと負極タブの溶接面に電気伝導度の低いニッケルが含まれず、セルの抵抗が低く測定された。反面、比較例においては、負極リードと負極タブの溶接面に電気伝導度の低いニッケルが含まれることで電気伝導度および接触面積の減少をもたらし、セルの抵抗が実施例より高い値を示した。
すなわち、本発明では、セル外部に位置する電極リード部位にのみ選択的に腐食防止用保護層を形成することにより、外部環境による電極リードの腐食を防止するとともにセルの抵抗を減少させてセルの性能低下を防止することができることを確認した。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から外れない範囲で多様な修正および変形が可能であるはずである。したがって、本発明に開示された実施例等は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、本発明の保護範囲は、請求の範囲に基づき解釈されなければならず、これと同等な範囲内にある全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものとして解釈されなければならない。
10 パウチ型リチウム二次電池
20 外装材
30 電極組立体
40、50 電極タブ
60、70 電極リード
80 絶縁フィルム
90 保護層
20 外装材
30 電極組立体
40、50 電極タブ
60、70 電極リード
80 絶縁フィルム
90 保護層
Claims (7)
- 電極組立体、前記電極組立体を収納する外装材、及び、前記外装材の絶縁のための接着性フィルムを含む二次電池であって、
前記電極組立体は、
分離膜が介在された状態で順に積層された正極及び負極と、
前記正極及び前記負極の各極板から延長した複数の電極タブと、
前記正極の極板から延長した電極タブと電気的に連結された正極リード、及び、前記負極の極板から延長した電極タブと電気的に連結された負極リードと、を含み、
前記正極リード及び前記負極リードは、前記接着性フィルムを基準に前記外装材内に組立体が収納された部分であるセル内部の部位、及び前記接着性フィルムを基準に前記外装材の外側であるセル外部の部位を含み、
前記正極リード及び前記負極リードと前記電極タブは、溶接によって連結され、
前記正極リード及び前記負極リードの少なくとも一方には、前記溶接された部位及び前記接着性フィルムの部位を除いたセル内部の部位及びセル外部の部位の両方に、腐食防止用保護層が形成されていることを特徴とする二次電池。 - 前記負極リードが銅材質であり、
前記保護層がニッケル材質であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。 - 前記正極リードがアルミニウム材質であり、
前記保護層がニッケル材質であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。 - 前記保護層が、前記正極リード及び前記負極リードの片面または両面に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の二次電池。
- 前記保護層がコーティングまたはメッキにより形成されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の二次電池。
- 前記保護層の厚さが０．１ｎｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の二次電池。
- 前記二次電池がリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の二次電池。
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