KR100286943B1 - 각형 이차전지 - Google Patents

Abstract

목적 : 전극롤 만곡부에서의 금속 리튬 석출의 원인이 되고 있는 양측 만곡부의 두께 차이를 일소할 수 있는 각형 이차전지를 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 각형 이차전지는 전극롤(36)의 중심부에 위치한 음극(34)의 끝부분이 만곡부(62a)에서 2층으로 접히도록 하는 구조를 포함한다.

효과 : 금속 리튬의 석출이 현저하게 감소하여 전지의 안전성을 확보할 수 있으며, 음극에서의 리튬금속이 탈락되는 것을 방지하여 전지의 용량이 오래도록 지속될 수 있다.

Description

각형 이차전지{prismatic battery}

본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 특히 각형 캔에 수납된 전극롤 의 중심부에서 금속 리튬이 석출되는 것을 방지하여 전지의 안전성을 확보할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하여 포타블화하는 전자전기제품과 함께 점점 더 널리 사용되어지고 있으며, 대표적인 것으로 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.

리튬이온 이차전지는 양극 활물질로 리튬-천이금속산화물이 사용되고, 음극 활물질로 탄소 혹은 탄소복합체가 사용되며, 그 사이에 유기 용매에 리튬염을 녹인 전해액이 주입되어서, 양극과 음극 사이를 이동하는 리튬 이온에 의한 기전력의 발생으로 충·방전이 이루어지도록 한다.

일반적으로 리튬이온 이차전지는 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 후 프레싱한 전극 롤을 액체 전해질과 함께 캔의 내부에 수납하여 음극이 캔에 접속되도록 하고, 그 캔의 상부에 양극과 접속된 캡 어셈블리가 가스켓을 개재하여 캔과 절연되는 구성으로 이루어진다.

여기서, 상기 음극(2)은 도 4에 도시한 바와 같이 음극 기재(4)의 양면에 동일한 위치에서부터 음극 활물질(6)을 코팅하고, 양극(8)은 양극 기재(10)에 일정한 길이의 무지부(12)를 여유로 만들고 A지점에서부터는 일면에, B지점에서부터는 양면에 양극 활물질(14)을 도포한다.

이러한 양극(8)과 음극(2) 사이에 세퍼레이터(16)를 배치하여 상부에서부터 음극(2), 세퍼레이터(16), 양극(8), 세퍼레이터(16)의 순서대로 적층된 상태에서 도시 생략된 판형의 권취용 멘드렐로 양극(8)의 무지부(12)를 그립한 다음 여러 회전을 권취하여 도 5에 도시한 바와 같이 횡단면의 평면도로 봤을 때 대략 타원형의 전극롤(18)을 형성하고, 이 전극롤(18)에 압력을 가하여 각형 캔의 내부로 수납될 수 있는 형태로 성형하는 것이다.

이렇게 제조된 전극롤(18)은 평탄부(20)와 이의 양측에 형성된 만곡부(22a)(22b)로 이루어지지만, 1회전 반 정도 권취한 상태의 전극롤(18)에서 좌측 만곡부(22a)와 우측 만곡부(22b)의 두께가 다름을 가시적으로 알 수 있다. 즉, 음극 기재(4)와 양극 기재(10)의 양면에 도포된 각각의 활물질 두께를 0.5라는 정수로 가정하되, 두 기재(4)(10)의 두께는 활물질(6)(14)의 두께에 비해 매우 미세함으로 염두에 두지 않은 상태에서 만곡부의 두께를 계산해 보면, 좌측 만곡부(22a) = (0.5×X + 1.0×Y + 0.5×X)=(1.0×X + 1.0×Y)이 됨을 알 수 있고, 우측 만곡부(22b) = (0.5×X + 0.5×X + 1.0×Y + 1.0×X)=(2.0×X + 1.0×Y)이 된다. (단, X는 양극활물질, Y는 음극 활물질)

그러므로, 좌측 만곡부(22a)의 두께가 우측 만곡부(22b)의 두께에 비해 X만큼의 두께가 얇음으로 공간(24)이 형성됨을 알 수 있고, 이런 구조적 형태는 리튬이온 전지가 충방전하는 과정에서 리튬이온이 음극으로 출입되어 스웰링(swelling) 현상을 발생시키고, 이 스웰링 현상은 전극롤(18) 전체에 변형력을 가하며 특히 공간(24)에서 집중적으로 금속 리튬이 석출되도록 하는 원인이 되며, 이 금속 리튬은 전지의 안전성에 위협적인 요소로 작용한다.

또한, 상기 공간(24)에서 금속 리튬이 한 번 떨어져 나가기 시작하면 계속해서 떨어져 나가 전지의 용량이 열화되는 문제점도 발생한다.

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 본 발명은 전극롤 만곡부에서의 금속 리튬 석출의 원인이 되고 있는 양측 만곡부의 두께 차이를 일소할 수 있는 각형 이차전지를 제공하는 것이 목적이다.

이를 실현하기 위해서 본 발명은 전극롤의 중심부에 위치한 음극의 끝부분이 만곡부에서 2층으로 접히도록 한다.

특히, 음극의 끝부분은 평탄부의 양극 끝부분과 접하게 배치될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 각형 리튬이온 이차전지의 내부구조를 도시한 정단면도,

도 2는 본 발명에 관련된 각형 이차전지의 전극롤이 권취되기전 상태를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 각형 이차전지의 내부에 수납되는 전극롤을 도시한 평면도,

도 4는 종래 공지된 각형 이차전지의 전극롤이 권취되기전 상태를 도시한 도면,

도 5는 종래 각형 이차전지의 내부에 수납되는 전극롤을 도시한 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 양극32 : 세퍼레이터

34 : 음극36 : 전극롤

54 : 무지부60 : 평탄부

62a, 62b : 만곡부

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1에서는 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지의 내부구조를 정단면도로 나타내고 있다.

리튬이온 이차전지는 양극(30)과 세퍼레이터(32) 및 음극(34)이 함께 권취된 후 프레싱한 전극롤(36)을 전해액과 함께 캔(38)의 내부에 수납하여 음극(34)이 캔(38)에 접속되도록 하고, 그 캔(38)의 상부에 양극(30)과 접속된 캡 어셈블리(40)가 용접되어지며, 캔(38)에 용접되는 캡 어셈블리(40)의 음극 플레이트(42)는 가스켓(44)을 개재하여 양극 플레이트(46)와 절연되는 구성으로 이루어진다.

여기서, 전극롤(36)의 음극(34)은 도 2에 도시한 바와 같이 음극 기재(48)의 양면에 동일한 위치에서부터 음극 활물질(50)을 코팅하고, 양극(30)은 양극 기재(52)에 일정한 길이의 무지부(54)를 여유로 만들고 C지점에서부터는 일면에, D지점에서부터는 양면에 음극 활물질(56)을 도포한다.

이러한 양극(30)과 음극(34) 사이에 절연을 위한 다공성 격리막인 세퍼레이터(58)를 배치하여 상부에서부터 음극(34), 세퍼레이터(58), 양극(30), 세퍼레이터(58)의 순서대로 적층된 극판군을 형성하고, 도시 생략된 판형의 권취용 멘드렐로 양극(30)의 무지부(54)를 그립한 다음 여러 회전 권취함으로써 도 3에 도시한 바와 같이 극판군이 대략 타원형의 전극롤(36)로 형성되고, 이 전극롤(36)에 압력을 가하여 각형 모양의 캔(38) 내부로 수납될 수 있는 형태로 성형하는 것이다. 즉, 전극롤(36)을 횡단면으로 절개하여 봤을 때 평탄부(60)의 양측에 만곡부(62a)(62b)가 위치하는 형태이다.

특히, 전극롤(36)를 형성하는 과정에서 주목해야 할 것은 전극롤(36)이 형성된 후, 전극롤의 중심부에서 음극(34)의 끝단부가 양극(30)의 최초 활물질이 도포된 C지점과 인접한 상태를 이루도록 권취되고 프레싱 작업 후에 음극(34)이 겹쳐지고, 겹침이 끝나는 부분부터는 평탄부(60)를 이루도록 하는 것이다.

이 때, 양극(30)을 기준으로 음극 활물질이 도포된 C지점으로부터 대략 1회전 반 정도 하는 범위에서 본 발명의 특징에 따라 평탄부(60)의 양측에 위치한 만곡부(62a)(62b)의 최대 지름 방향 두께가 동일함을 알 수 있다. 이를 후술하는 식으로 증명하고자 한다. 단, 양극 기재(52)와 음극 기재(48)의 양면에 도포된 각 활물질의 두께는 거의 동일함을 밝혀두되 0.5라는 정수로 대체하고 양극 활물질(50)은 X로 음극 활물질(56)은 Y로 가정하며 두 기재(48)(52)의 두께는 활물질의 두께에 비해 매우 미세함으로 무기하고 식을 만들어 보면, 좌측 만곡부(62a) = (0.5×X + 1.0×Y + 1.0×Y + 0.5×X) = (1.0×X + 2.0×Y)가 됨을 알 수 있고, 우측 만곡부(62b) = (0.5×X + 0.5×X + 1.0×Y + 1.0×X)=(2.0×X + 1.0×Y)이 된다. 여기서, X와 Y가 같으므로 양측 각 만곡부(62a)(62b)에서의 전체 두께는 3.0×X 또는 3.0×Y가 되어 양측 만곡부(62a)(62b)의 두께는 동일함을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 전극롤의 중심부에서 1회전 반 정도 권취되는 범위의 두 만곡부가 최대 지름 방향으로 두께를 동일하게 유지하여 권취 후 프레싱되더라도 만곡부에 공간이 형성되지 않도록 함에 따라 리튬이온 이차전지의 충방전에 의한 음극에서의 스웰링현상에도 금속 리튬의 석출이 현저하게 감소한다.

따라서, 전지의 안전성을 확보할 수 있으며 음극에서의 리튬금속이 탈락되는 것을 방지하여 전지의 용량이 오래도록 지속될 수 있게 되는 것이다.

Claims (2)

1. 양극, 세퍼레이터 및 음극을 함께 권취한 후 프레싱하여 평탄부의 양측에 만곡부가 형성되도록 한 전극롤을 포함하는 각형 이차전지에 있어서,

   상기 전극롤(36)의 중심부에 위치한 상기 음극(34)의 끝부분이 만곡부(62a)에서 2층으로 접히는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(34)의 끝부분은 상기 평탄부(60)의 양극(30) 끝부분과 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.