KR100309604B1 - 리튬 2차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 2차 전지에 관한 것으로서, 단일의 격리막; 격리막의 한쪽 면에 서로 소정 간격을 가지도록 접착되고, 일정한 크기로 절단된 다수의 양극판; 및 격리막의 다른쪽 면에 양극판과 대응되는 위치에 접착되고, 일정한 크기로 절단된 다수의 음극판을 구비하고; 양극판 및 음극판이 서로 교호되게 적층될 수 있도록 격리막이 지그재그 형태로 연속적으로 접혀진 것을 특징으로 한다.

Description

리튬 2차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 2차 전지에 관한 것으로, 상세하게는, 하나의 격리막의 양면에 복수의 양극판 및 음극판이 소정 개수로 부착된 전극판을 그 단면이 'Z' 자 형태로 교호(交互)되게 접음으로써, 전지의 제조공정을 단순화 함과 동시에 전지의 성능 특히, 안정성을 더욱 향상시키고, 다양한 모양, 크기 및 원하는 용량을 구현할 수 있는 구조를 가진 리튬 2차 전지 및 그 적층방법에 관한 것이다.
최근 정보 통신, 휴대폰, 및 전기 자동차의 전원에 관한 관심이 고조됨에 따라 전자기기가 소형, 경량화 되는 추세에 있으며, 전자기기 또는 전기 자동차가 높은 에너지 밀도 조건을 구비하는 것에 초점이 맞추어 지고 있으며, 이에 따라 리튬 2차 전지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 리튬 2차 전지는 양극/격리막/음극의 3 단층구조를 가지거나 양극/격리막/음극/격리막/양극의 5 단층구조를 가진다. 또한, 이러한 적정한 단층구조에 따른 적정 용량의 전지를 제작하는 종래의 방법은 크게 적층방법과 와인딩방법(winding)으로 구별할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 리튬 2차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.종래의 적층 방법에 따른 리튬2차전지의 구조를 도시한 도 1a를 참조하면, 종래의 리튬2차전지는 양극(2)/격리막(1)/음극(3)의 구조를 갖는 단위 셀이 다수 적층된 구조를 가진다. 즉, 각각의 전극판(2)(3)과 격리막(1)은 열접착(라미네이션)됨으로써 단위 셀을 형성하고, 단위셀을 용량에 맞게 다수개 적층하여 나란하게 연결한다.
그러나, 이러한 종래의 리튬 2차 전지는, 양극판, 격리막과 음극판이 열접착(라미네이션) 방식에 의해 밀착되어 있으므로 전지가 계속해서 과충전될 경우, 극판과 격리막 사이가 긴밀하게 밀착되어 있으므로 전지의 전압이 계속 상승하게 되어 결국 전지가 발화될 가능성이 높다. 또한, 사용자가 전지를 오용하거나 또는 충전기의 제어 시스템에 장애가 발생될 경우 전지의 성능 및 안정성을 저하시키게 된다. 한편, 상기와 같이 각각의 전극들과 격리막을 열접착하는 공정 및 단위 셀을 적층하는 공정들이 복잡하기 때문에 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.
종래의 와인딩(winding) 방법에 따른 리튬2차전지의 구조를 개략적으로 도시한 도 1b를 참조하면, 종래의 리튬2차전지의 단위 셀은 전지의 용량에 맞는 길이를 가지며 단면이 양극(20)/격리막(10)/음극(30)의 구조를 가진다. 리튬2차전지는 다수의 단위 셀을 단일의 코아(미도시)를 중심으로 와인딩하게 된다. 이 경우, 극판과 격리막이 적절히 밀착되도록 소정의 장력을 부여함으로 원통형 전지를 만들 수 있다.
그런데, 이러한 와인딩 방법에 따른 리튬2차전지는 와인딩 공정 후의 전지 모양이 일정한 원통 형태를 유지하게 된다. 따라서, 중심코어가 내부에 존재하고 격리막이 적어도 2장 이상 사용되기 때문에 전지의 중량 및 부피가 불필요하게 크고 그만큼 에너지밀도 및 공간밀도가 저하된다. 또한, 전극 탭(40)을 부착시킬 수 있는 위치가 각형 전지의 중심에 위치된 동심원 축과 와인딩된 종단 전극에 한정되고, 전지의 용량이 큰 경우에는 중간 중간에 전극탭을 부착해야 하므로 작업의 자동화는 물론 작업공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 일정한 규격으로 펀칭에 의해 절단된 양극판 및 음극판을 각각 격리막의 양면에 서로 소정 간격을 이루도록 이온전도성 폴리머로 접착하여 전극판을 형성한 후 이 전극판을 지그재그 형태로 다수회 접어서 양극판과 음극판이 서로 교호(交互)되게 적층시킴으로써, 제품의 제조 공정을 단순화시킴과 동시에 고전류 및 과전압 충전시 지그재그 형태의 전지 적층구조에 의해 양극과 음극 사이의 간격이 서로 떨어짐으로써 전지의 전압 상승을 억제하여 전지가 발화되는 것을 방지함으로써 전지의 의 성능 및 특히 안전성을 더욱 향상시키고, 전지의 모양을 다양하게 구성할 수 있고, 전지의 소정 크기 및 용량를 용이하게 구현할 수 있도록 구조가 개선된 리튬 2차 전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1a는 종래의 적층방법에 의한 리튬 2차 전지의 적층구조를 나타낸 사시도.
도 1b는 종래의 와인딩방법에 의한 리튬 2차 전지의 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 2차 전지를 구성하기 위한 전극판을 개략적으로 도시한 측면도.
도 3은 도 2의 전극판에 의해 적층된 리튬 2차 전지의 적층구조를 나타낸 단면도.<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전지판 200 : 격리막
300 : 양극판 400 : 음극판
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단일의 격리막; 상기 격리막의 한쪽 면에 서로 소정 간격을 가지도록 접착되고, 일정한 크기로 절단된 다수의 양극판; 및 상기 격리막의 다른쪽 면에 상기 양극판과 대응되는 위치에 접착되고, 일정한 크기로 절단된 다수의 음극판을 구비하고; 상기 양극판 및 상기 음극판이 서로 교호되게 적층될 수 있도록 상기 격리막이 지그재그 형태로 연속적으로 접혀지는 것이 바람직하다.본 발명에 따른 리튬 2차 전지에 있어서, 상기 격리막은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌으로 이루어진 단층 또는 다층 폴리머 다공질막을 구비한다.상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬 2차 전지의 적층방법은, 소정 길이를 가진 단일의 격리막의 양면에 이온전도성 폴리머를 도포하는 단계; 상기 격리막의 한쪽면에 일정한 크기로 절단된 다수의 양극판을 서로 소정 간격이 유지되도록 접착하고, 상기 격리막의 다른쪽 면에 일정한 크기로 절단된 다수의 음극판을 서로 소정 간격이 유지되고 상기 격리막을 중심으로 상기 양극판과 상기 음극판이 대칭되도록 접착하는 단계; 상기 양극판 및 음극판이 서로 교호되게 적층될 수 있도록 상기 격리막을 지그재그 형태로 연속적으로 다수회 접는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 2차전지 및 그 적층방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 2차 전지에 있어서 격리막의 양면에 다수의 양극판 및 다수의 음극판이 접착된 상태를 도시한 측면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 2차 전지의 적층 구조를 도시한 측면도이다.도 2 및 도 3에 도시된 바와같이, 리튬 2차 전지의 초기 셀(Cell)은 양극판/격리막/음극판의 3단의 적층구조로 이루어진다.
상기 양극판(300)은 알루미늄과 같은 금속(Foil) 위에 양극활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 보다 상세하게는 양극활물질이 도포된 알루미늄 금속 롤을 소정 규격에 맞도록 펀칭하여 절단시킴으로써 제작된다.
상기 음극판(400)은 구리와 같은 금속(Foil) 위에 음극활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 보다 상세하게는 음극활물질이 도포된 구리 금속 롤을 소정 규격에 맞도록 펀칭하여 절단시킴으로써 제작된다.
상기 각각의 양극판(300) 및 음극판(400)을 절연하기 위한 단일의 격리막(200)은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)의 폴리머 다공질막을 구비하며, 단층 및 다층구조를 가지는 것이 바람직하다. 상기 격리막(200)은 양면에 양극판(300)과 음극판(400)이 접착되는 접착부(202)와, 양극판(300)과 음극판(400)을 절연하기 위한 절연부(204)와, 최종적으로 적층된 상태에서 그 적층물의 표면을 수회 와인딩하기 위한 와인딩부(206)를 구비한다. 여기서, 접착부(202)와 절연부(204)는 서로 순차적으로 형성되며, 절연부(204)의 길이는 접착부(202)의 길이보다 약간 길게 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 접착부(202)는 양극판(300) 및 음극판(400)의 폭과 동일한 길이를 가지면 되지만, 절연부(204)는 양극판(300) 또는 음극판(400)의 두께만큼 접혀져야 하기 때문에 그 폭만큼의 길이가 확보되어야 하기 때문이다. 한편, 와인딩부(206)는 적층물을 와인딩할 수 있을 만큼의 충분한 길이를 가지는 것이 바람직하다. 여기서, 전체적인 양극판(300)의 수와 음극판(400)의 수는 어느 하나가 다른 하나에 비해 하나가 많도록 즉, 음극판이 홀수개이면 양극판이 짝수가 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 음극판이 양극판에 비해 하나 더 많게 구성하였다. 그리고, 도 2의 최우측 음극판(400)과 그에 인접된 음극판 사이의 간격 즉, 최우측 절연부 다른 음극판들의 간격(절연부)보다 좁게 구성하였는데, 이는 최초 접히게 되는 부분을 고려한 것이다. 한편, 양극판과 대칭되지 않은 음극판 즉 외딴 음극판은 와인딩부(206)에 위치시킬 수도 있음은 물론이다.
상기 격리막(200) 표면에 도포되는 이온전도성 접착제(500)는 양극판(300) 및 음극판(400)들을 격리막(200)에 접착시킴과 동시에 리튬 이온의 전도성에 방해가 되지 않도록 이온전도성 폴리머가 이용되는 것이 바람직하다. 도 2 및 도 3에서는 이온전도성 접착제(500)가 격리막(200) 양표면에 모두 즉, 격리막(200)의 접착부(202)와, 절연부(204), 및 와인딩부(206)에 모두 도포된 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 보다 바람직하게는 절연부(204) 및 와인딩부(206)에는 이온전도성 접착제(500)가 도포되지 않을 수 있고 접착부(202)에만 도포되거나 접착부(204)의 일부에만 도포될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 단일의 격리막(200)에 다수의 양극판(300) 및 음극판(400)이 접착된 3단 구조의 전극판(100)을 예를 들어, 도 2의 화살표 방향으로 다수회 연속적으로 지그재그 형태로 접게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 양극판(300)과 음극판(400)이 서로어 교호되게 배치되게 된다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 소정 길이를 가지는 단일의 격리막(200)의 한쪽 면에 일정한 크기로 절단된 다수의 양극판(300)을 이온전도성 접착제(500)를 이용하여 일정한 간격으로 접착시키고, 격리막(200)의 다른쪽 면에는 일정한 크기로 절단된 다수의 음극판(400)을 양극판(300)에 대응되는 위치에 이온전도성 접착제(500)를 이용하여 접착시킨다. 여기서, 음극판(400)을 먼저 접착할 수도 있고, 양극판(300)과 음극판(400)을 동시에 접착시킬 수도 있다. 그러면, 양극판(300)/격리막(200)/음극판(400)의 3단이 적층된 구조인 전극판(100)의 초기 셀을 형성할 수 있다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 소정 길이를 가지는 단일의 격리막(200)의 한쪽 면에 일정한 크기로 절단된 다수의 양극판(300)을 이온전도성 접착제(500)를 이용하여 일정한 간격으로 접착시키고, 격리막(200)의 다른쪽 면에는 일정한 크기로 절단된 다수의 음극판(400)을 양극판(300)에 대응되는 위치에 이온전도성 접착제(500)를 이용하여 접착시킨다. 여기서, 음극판(400)을 먼저 접착할 수도 있고, 양극판(300)과 음극판(400)을 동시에 접착시킬 수도 있다. 그러면, 양극판(300)/격리막(200)/음극판(400)의 3단이 적층된 구조인 전극판(100)의 초기 셀을 형성할 수 있다.
종래의 리튬 2차 전지는 각각의 전극판(2)(3)을 격리막(1)에 열접착(라미네이션)하여 단위 셀을 만들고, 다수개의 단위 셀을 열접착에 의해 적층시킴으로써 전지를 제작하는 구성인 반면에, 본 발명은 각각의 양극판(300) 및 음극판(400)을 격리막(200)에 열접착(라미네이션)하지 않고 격리막(200)에 양극판(300)과 음극판(400)을 이온전도성 접착제를 이용하여 접착시킨다.이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 접착된 전극판(100)의 초기 셀을 소망하는 크기와 모양 및 용도에 맞게 지그재그 형태로 다수회 접어 양극판과 음극판이 교호되게 적층한 후 접착 테이프(600)를 부착하여 전지를 제작한다. 이러한 적층방법은 수작업에 의해 지그재그 형태로 접을 수도 있지만 바람직하게는 자동화된 장치에 의해 전공정을 자동화시킬 수 있음은 물론이다.마지막으로 접착테이프(600)가 부착된 크루드 셀(crude cell)은 크루드 셀의 소정 위치에 전극탭을 부착하고 소정 재질의 포장지에 수납한 후 전해액을 주입하고 진공 처리 등의 후처리 과정을 거쳐 최정적으로 전지가 생산된다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형실시 할수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 리튬 2차 전지는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 일정한 규격으로 절단된 다수의 양극판 및 음극판이 격리막에 접착된 전극판을 지그재그 형태로 연속적으로 다수회 접어 양극판 및 음극판이 교호(交互)되게 적층시킴으로써 제품의 제조공정을 단순화시킬 수 있다.둘째, 고전류 및 과전압 충전시 전지 내부의 전압이 상승하게 되면 전지의 중앙부분이 부풀어 올라 양극판과 음극판이 격리막으로부터 접촉이 해제됨에 따라 소정 전압 이상의 전압 상승을 억제하여 전지가 발화되는 것을 방지하여 제품의 성능 및 특히 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.셋째, 소망하는 전지의 용량, 크기, 두께에 따라 음극판과 양극판이 부착된 격리막을 지그재그 형태로 접기만 하면 되므로 종래의 리튬2차전지에 비해 다양한 모양, 크기 및 원하는 용량를 얻을 수 있으며, 전지 내부의 불필요한 공간을 최소화하여 에너지밀도를 최대화하고 전지를 컴팩트화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 단일의 격리막;
    상기 격리막의 한쪽 면에 서로 소정 간격을 가지도록 접착되고, 일정한 크기로 절단된 다수의 양극판; 및
    상기 격리막의 다른쪽 면에 상기 양극판과 대응되는 위치에 접착되고, 일정한 크기로 절단된 다수의 음극판을 구비하고;
    상기 양극판 및 상기 음극판이 서로 교호되게 적층될 수 있도록 상기 격리막이 지그재그 형태로 연속적으로 접혀진 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격리막은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌으로 이루어진 단층 또는 다층 폴리머 다공질막을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차 전지.
  3. 청구항3는 삭제 되었습니다.
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