KR100303827B1 - 각형 리튬이온 이차전지 - Google Patents

Abstract

목적 : 활물질의 탈락을 방지하고, 프레싱되는 전극롤의 응력집중에 따른 리튬 금속의 석출을 감소시켜 전지의 불량률을 최소화하는 각형 리튬이온 이차전지를 제공하는 것이 목적이다.

구성 : 전극롤(12)로 가해지는 프레싱 압력에 대응되는 탄성체(34)가 전극롤(12)의 중심부로 적어도 두 개 이상 삽입되는 구성으로 된다.

효과 : 전극롤의 횡단면에 대해 수직되는 장변 방향으로 고른 분포로 응력이 발생되도록 하여 전지의 충방전에 따른 리튬 금속의 석출을 줄이므로 전지의 충방전 성능을 향상시키고, 전극과 세퍼레이터 사이의 마찰을 최소화하여 활물질의 탈락을 방지하므로 쇼트에 의한 전지의 파손을 방지할 수 있다.

Description

각형 리튬이온 이차전지

본 발명은 양극, 세퍼레이터 및 음극을 함께 권취하여 만든 전극롤로 가해지는 프레싱 압력에 따른 응력 집중으로 전지의 충방전시 음극 표면에 국부적인 리튬 석출로 인한 충방전 성능의 감소를 극복하기 위한 각형 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

리튬이온전지는 양극활물질로 리튬-천이금속산화물이 사용되고, 음극활물질로 리튬금속, 리튬합금, 탄소 혹은 탄소복합체가 사용되어서, 양극과 음극간에 리튬 이온이 이동되어 기전력을 발생시키므로서, 충·방전이 이루어지도록 한다.

특히, 각형으로 형성되어지는 리튬이온 이차전지는 다음과 같은 구조로 이루어진다.

양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 전극롤이 프레싱되어 상기 음극과 접속된 각형 캔의 내부에 수납되고, 그 캔의 상부에 안전장치를 포함한 캡 어셈블리가 설치되어서 용접에 의해 밀봉되며, 캡 어셈블리의 음극 플레이트에 형성된 전해액 주입구를 통해 캔의 내부로 전해액을 주입한 후 탭으로 주입구를 막는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 전극롤은 프레싱되기 전 횡단면의 형상이 대략 타원형을 띠고, 프레싱은 전극롤의 양측면으로 가해지게 된다.

이 때, 전극롤(2)의 양측면으로 도 4에 도시한 바와 같이, 대략 30kgf/cm²인 프레싱 압력이 가해지나, 전극롤(2)이 권취되는 과정에서 내부가 중공되게 마련임으로 전극롤(2)의 양측면으로 동일한 압력이 가해지는 것이 아니라 전극롤(2)의 만곡부(4)에서는 응력집중이 나타나게 되어 리튬이온 이차전지의 충방전시 응력집중부에서 리튬금속이 석출되고, 이는 충방전 성능을 불량하게 하며 나아가 리튬금속의 탈락에 의한 쇼트로 인하여 전지 불량의 원인이 되는 것이다.

또한, 전지의 충방전시에는 리튬이온이 전극으로 흡장, 방출의 반복되는 작용에 의해 전극롤을 수축, 팽창시키게 되는데, 전극롤의 중심부가 지지되지 못함으로 해서 전극롤의 중심부로 전극의 이동이 가중되는 결과를 가져오고, 이는 전극과 세퍼레이터 사이에 마찰을 형성하여 양극 혹은 음극을 구성하는 활물질 탈락의 원인이 되며 결과적으로 전극 사이의 쇼트를 발생의 원인이 된다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 전지반응시에 발생하는 전극의 수축 팽창에도 전극 단부가 전극롤의 중심부로 밀리지 않도록 함과 아울러 전극과 세퍼레이터 사이의 마찰로 인한 활물질의 탈락을 방지할 수 있도록 하는 각형 리튬이온 이차전지를 제공하려는 목적이 있다.

또한, 권취된 전극롤을 프레스하는 공정에서 전극롤의 만곡부 뿐만 아니라 전극롤의 양측면에 걸쳐 동일한 응력이 작용되도록 하여 응력집중에 따른 리튬 금속의 석출을 감소시켜 전지의 불량률을 최소화할 수 있도록 함에 본 고안의 다른 목적이 있다.

이를 위하여, 전극롤로 가해지는 프레싱 압력에 대응되는 반발력을 지는 탄성체가 상기 전극롤의 중심부로 적어도 두 개 이상 충진되는 상태로 삽입되는 구성으로 된다.

특히, 상기 탄성체는 러버로 제조되어질 수 있다.

이에 따라, 전극롤로 가해지는 응력을 분산시켜 전지의 충방전시 리튬금속의 석출을 줄일 수 있고, 전극롤을 고정시켜 활물질이 탈락되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전극롤의 단면도.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 전극롤이 프레싱되는 과정을 도시한 상태도.

도 3은 본 발명에 따른 전극롤이 삽입되는 각형 리튬이온 이차전지의 전체 구조를 도시한 정단면도.

도 4는 종래의 전극롤을 도시한 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 캔 12 : 전극롤

14 : 캡 어셈블리 16 : 음극 플레이트

18 : 양극 플레이트 20 : 리벳

22 : 절연판 30 : 프레스

32, 32a : 만곡부 34 : 완충재

36 : 여유부

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

도 1은 본 발명에 따른 전극롤의 단면도로서, 도 3에 도시된 A-A 단면도이다. 도 2a와 도 2b는 전극롤을 프레싱하는 과정을 도시한 상태도이며, 도 3은 전극롤이 삽입되는 각형 리튬이온 이차전지의 전체 구조를 도시한 정단면도이다.

도 3에서처럼, 각형 리튬이온 이차전지는 각형 캔(10)의 내부로 전극롤(12)과 전해질을 삽입하고, 캡 어셈블리(14)로 캔(10)의 개구를 막아 밀봉하는 구조로 이루어진다.

상기 캡 어셈블리(14)는 음극 플레이트(16)와 절연된 양극 플레이트(18)를 함께 리벳팅하여 일체화시킨 구조로 되어 있으며, 양극 단자 역할을 하는 리벳(20)과 음극 플레이트(16) 사이에 절연판(22)을 개재하여 쇼트를 방지한다.

상기 전극롤(12)은 리튬-천이금속산화물의 양극 활물질을 양극 기재에 도포한 양극(22)과, 리튬금속, 리튬합금, 탄소 혹은 탄소복합체로 이루어진 음극 활물질을 음극 기재에 도포한 음극(24) 및 세퍼레이터(26)를 함께 권취하여서 제조된 것이다.

상기 음극(24)은 캔(10)의 내측면에 접속되고, 상기 양극(22)은 정극 리드(28)로 캡 어셈블리(14)의 리벳(20)과 용접되어진다.

이러한 전극롤(12)이 캔(10)의 내부로 수납되기전 도 2a와 도 2b에 도시한 바와 같이 프레스(30)로 압착하여 캔(10)의 횡단면에서 장단변 길이에 대응되는 전극롤(12)로 제작하여야 하는데, 보통 단변 방향으로는 압착을 하지 않고 장변 방향으로 프레스한다.

이 때, 가해지는 프레스(30) 압력은 대략 30kgf/cm²으로서 전극롤(12)의 두 만곡부(32)에 응력이 집중되는 까닭에 본 발명의 특징에 따라 전극롤(12)의 중심부에 적어도 두 개 이상의 탄성체(34)를 삽입하게 되는 것이다.

여기서, 탄성체(34)를 두 개 이상으로 나누어서 삽입하는 까닭은 삽입의 용이성과 프레싱 압력을 고르게 분산시키기 위함이다.

상기 탄성체(34)는 러버로 제조되어서 신축성이 양호하여 자유변형이 가능함에 따라 전극롤(12)의 종방향 길이보다 짧으며, 변형되고 난 후에는 전극롤의 종방향 길이와 거의 동일하게 됨이 바람직한다.

또한, 상기 탄성체(34)가 전극롤(12)의 중심부로 삽입되었을 때, 횡장변측은 전극롤(12)의 중심부 내벽과 밀착되어지나 횡단변측은 전극롤(12)의 중심부 내측 만곡부(32a)와, 탄성체(34) 상호간에 여유부(36)를 형성하는 것이다.

그리고, 탄성체(34)는 전극롤(12)로 가해지는 프레스 압력에 대응되는 반발력을 지니고 있고 전극롤(12)의 중심부 장변 내벽에 밀착되게 삽입됨으로써 전극롤(12)의 횡단면에서 장변의 수직되는 방향으로 고른 압력분포를 나타내며, 이는 종래 전극롤(12)의 만곡부(32)에 집중적으로 발생되던 응력을 집중을 분산시키게 되는 것이다. 특히, 프레싱 후에 상기 여유부(36)는 사라지고 그 자리는 자유변형된 탄성체(34)가 차지하게 된다.

이렇게 제조되는 전극롤(12)을 캔(10)의 내부로 수납하게 되면, 전지의 충방전시 수축 팽창을 반복하는 전극에 대한 완충작용을 전극롤(12)의 중심부에 위치하는 탄성체(34)가 흡수하게 되어 양극(22) 혹은 음극(24)과 세퍼레이터(26) 사이의 마찰로 인한 활물질의 탈락을 방지한다.

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

즉, 전극롤의 중심부로 충만되어지는 변형 가능한 탄성체를 삽입하고 프레싱됨으로써, 전극롤의 횡단면에 대해 수직되는 장변 방향으로 고른 분포로 응력이 발생되도록 하여 전지의 충방전에 따른 리튬 금속의 석출을 줄이므로 전지의 충방전 성능을 향상시키고, 전극과 세퍼레이터 사이의 마찰을 최소화하여 활물질의 탈락을 방지하므로 쇼트에 의한 전지의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 전극롤의 중심부에 충만되어지는 탄성체는 제조 완료된 전지로 가해지는 외부 충격을 흡수할 수 있는 기능까지 겸하게 되어 전지의 안전성도 보장하게 되는 것이다.

Claims (2)

1. 양극, 세퍼레이터 및 음극을 함께 권취한 전극롤이 프레싱되어서 각형 캔에 수납되고 전해액을 주입한 후, 캔의 개구를 안전장치가 포함된 캡 어셈블리로 밀봉하여서 구성된 각형 리튬이온 이차전지에 있어서, 상기 전극롤(12)의 중심부에 삽입되어 전극롤에 가해지는 프레싱 압력 대해 대응되는 적어도 두 개의 탄성체(34)를 구비하여 된것을 특징으로 하는 각형 리튬이온 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성체는 러버로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 리튬이온 이차전지.