KR100325870B1 - Tap structure of a lithium polymer secondary battery preventing shearing of the tap - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지의 전극탭은 집전체로부터 연장되어 형성되며 복수개의 개구를 가진다. 여기서, 상기 전극탭의 개구는 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치된다.The electrode tab of the lithium polymer battery according to the present invention extends from the current collector and has a plurality of openings. Here, the opening of the electrode tab is arranged so that the density of the opening decreases in the direction extending from the current collector body.
Description
본 발명은 리튬 폴리머 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 전극탭들간의 초음파 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 리튬 폴리머 전지의 탭 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium polymer battery, and more particularly, to a tab structure of a lithium polymer battery capable of preventing its cutting during ultrasonic welding between electrode tabs.
통상적으로 충방전이 가능한 이차 전지(secondary battery)는 셀룰라 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 캠코더 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다.2. Description of the Related Art [0002] Secondary batteries that can be charged and discharged are being actively researched by the development of portable electronic devices such as cellular phones, notebook computers, computer camcorders, and the like.
특히, 이러한 이차전지는 니켈- 카드늄전지(nickel cadium battery), 연축전지, 니켈 수소전지(nickel metal hydride battery), 리튬 이온전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 2차전지, 공기 아연축전지등 다양한 종류의 것이 있다.In particular, such secondary batteries are nickel-cadmium batteries, lead-acid batteries, nickel metal hydride batteries, lithium ion batteries, lithium polymer batteries, metallic lithium 2 There are various kinds of batteries such as car batteries and air zinc accumulators.
상기 전지들 중 리튬 2차전지는 작동 전압이 3.6 V로서 전자 기기의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나 니켈-수소(Ni-MH)전지에 비해 수명이 약 3배이며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 급속도로 신장되고 있다.Among the batteries, lithium secondary battery has an operating voltage of 3.6 V and has a service life of about three times that of nickel-cadmium (Ni-Cd) or nickel-hydrogen (Ni-MH) batteries, which are widely used as power sources for electronic devices. It is rapidly evolving in terms of excellent energy density per weight.
이러한 리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 전지라고 한다. 여기서, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 리튬-이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지녀 그 형상이 비교적 자유롭다. 이에 따라, 최근 들어서는 리튬 폴리머 전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고 무게가 가벼워 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하여 각종 연구가 진행되고 있다.The lithium secondary battery may be classified into a liquid electrolyte battery and a polymer electrolyte battery according to the type of electrolyte, and generally, a battery using a liquid electrolyte is called a lithium ion battery and a lithium polymer battery when a polymer electrolyte is used. Here, the lithium secondary battery is manufactured in various shapes, and typical shapes include cylindrical and square shapes mainly used in lithium-ion batteries. Lithium polymer batteries are flexible and relatively free in shape. Accordingly, in recent years, a lithium polymer battery has excellent safety, freedom of shape, and light weight, which is advantageous for slimming and lightening a portable electronic device.
이와 같은 리튬 폴리머 전지의 전극조립체는, 양극판과 음극판이세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 다수개 적층되어 이루어진다. 상기 양극판은 개구가 다수 형성된 양극집전체의 양면에 양극 활물질층이 형성됨으로서 이루어지고, 상기 음극판은 개구가 다수 형성된 음극집전체의 양면에 음극 활물질층이 형성됨으로서 이루어진다. 상기 양극 및 음극집전체는 익스펜디드 메탈 또는 펀치드 메탈(punched metal)의 형상을 가지며, 일 예로서, 상기 양극집전체의 소재는 Al으로, 음극집전체의 소재는 Cu로 이루어진다.The electrode assembly of the lithium polymer battery is formed by stacking a plurality of positive electrode plates and negative electrode plates with a separator interposed therebetween. The positive electrode plate is formed by forming positive electrode active material layers on both sides of a positive electrode current collector having a large number of openings, and the negative electrode plate is formed by forming negative electrode active material layers on both sides of a negative electrode current collector having many openings. The positive electrode and the negative electrode current collector have a shape of an expanded metal or a punched metal, and as an example, the material of the positive electrode current collector is made of Al, and the material of the negative electrode current collector is made of Cu.
그리고 상기 양극 및 음극 활물질층은 양극 및 음극 활물질, 바인더, 도전제, 및 가소제를 함유하여 슬러리(slurry)로 제조된 전극물질 시트를 라미네이팅(laminating) 공법으로 열과 압력을 가하여 집전체에 융착시킨 것이다.The positive electrode and negative electrode active material layers include a positive electrode and a negative electrode active material, a binder, a conductive agent, and a plasticizer, and are fused to a current collector by applying heat and pressure to a sheet of electrode material, which is made of a slurry. .
이와 같이 제조된 양극판 및 음극판을 소정의 크기로 절단하여 복수개의 단위 양극판과 단위 음극판을 형성하고, 상기 극판들 사이에 세퍼레이터를 적층 삽입하여 전지 셀을 형성한 다음에, 이를 전지 케이스에 넣어 밀봉함으로써 전지를 완성하게 된다.The positive electrode plate and the negative electrode plate prepared as described above are cut to a predetermined size to form a plurality of unit positive electrode plates and unit negative electrode plates, and separators are inserted between the electrode plates to form a battery cell, which is then sealed in a battery case. The battery is completed.
이 경우 각각의 양극판 및 음극판으로부터 전극탭이 인출된다. 이것은 각각의 집전체의 형성시 전극탭 부분을 가지도록 성형함으로써 이루어진다. 이러한 각각의 집전체의 전극탭은 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 적층후 각각의 탭들 간을 V자로 절곡한후 이들을 용접하여 하나의 전극단자를 형성한다. 일반적으로 각각의 양극판 및 음극판으로부터 인출되는 전극탭들을 용접하기 위한 수단으로서 초음파 용접이 사용된다.In this case, electrode tabs are drawn out from the positive and negative plates, respectively. This is done by molding to have an electrode tab portion when forming each current collector. Each of the electrode tabs of the current collector is bent between the tabs after the lamination of the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator, and welded to form one electrode terminal. In general, ultrasonic welding is used as a means for welding the electrode tabs drawn out from the respective positive and negative plates.
폴리머 전지의 집전체로 사용되는 익스펜디드 메탈(expanded metal)은 대량생산체계인 연속공정에서는 그 사용이 어렵다. 이는 일련의 집전체 스트립을 연속방향으로 진행하여 집전체 형상을 형성한후 절단하는 연속공정에서, 진행 방향으로 인가되는 인장력이 익스펜디드 메탈을 쉽게 인장시키기 때문이다. 또한 익스펜디드 메탈 집전체는 그 개구율이 커서 용접시 결합력이 상대적으로 약하다. 따라서 연속공정과 관련되어서는 일반적으로 펀치드 메탈을 사용하는 실정이다.Expanded metal, which is used as a current collector of a polymer battery, is difficult to use in a continuous process in a mass production system. This is because the tensile force applied in the advancing direction easily tensions the expanded metal in a continuous process of advancing a series of current collector strips in a continuous direction to form a current collector shape and then cutting. In addition, the expanded metal current collector has a large opening ratio, so that the bonding force is relatively weak during welding. Therefore, in connection with the continuous process, the situation is generally used punched metal.
전극탭은 집전체로부터 탭형상이 연장되어 형성되는 것으로서 탭 부분은 V자로 절곡된후 용접이 되는 것으로서 탭 부분이 절단되는 문제가 존재한다.The electrode tab is formed by extending the tab shape from the current collector, and the tab portion is bent by V and welded, thereby causing the tab portion to be cut.
개구와 개구를 연결하는 웹(web)이 균일 두께 및 폭을 가지지 못하는 펀치드 메탈의 경우는, 전극탭들간의 초음파 용접시 발생되는 초음파 에너지로 인하여 취약부분에 에너지가 집중되어 탭이 절단될 수 있다.In the case of a punched metal in which the opening and the web connecting the opening do not have a uniform thickness and width, energy may be concentrated in the weak part due to the ultrasonic energy generated during ultrasonic welding between the electrode tabs, and thus the tab may be cut. have.
만일 이러한 문제를 해결하기 위하여 개구들이 동일한 패턴을 가지도록 전극탭을 형성하는 경우는 박판인 펀치드 메탈 전극탭의 속성상 개구부분에 응력집중이 발생하여 그 취급 도중에 전극탭이 절단되기가 쉽다.If the electrode tab is formed so that the openings have the same pattern in order to solve this problem, stress concentration occurs in the opening portion due to the nature of the punched metal electrode tab, which is a thin plate, and the electrode tab is easily cut during the handling.
이러한 문제를 또한 해결하기 위하여 만일 전극탭 부분에는 개구를 형성하지 않는 포일(foil)형태를 전극탭이 가지도록 형성하는 경우는, 초음파 용접중 전극탭 부분에 초음파 에너지가 집중하여 전극탭이 그 넥크(neck) 부분에서 쉽게 절단되는 문제가 발생한다.In order to solve this problem, if the electrode tab is formed to have a foil shape that does not form an opening in the electrode tab portion, ultrasonic energy is concentrated on the electrode tab portion during ultrasonic welding, and the electrode tab is connected to the neck. There is a problem of easy cutting at the neck part.
그러므로, 리튬 폴리머 전지에 있어서, 전극탭들간의 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 방안이 오랫동안 요청되어 왔다.Therefore, in the lithium polymer battery, there has been a long demand for a method for preventing the cutting during welding between the electrode tabs.
본 발명은 상기의 문제를 해결하는 리튬 폴리머 전지의 전극탭 구조를 제공한다. 본 발명의 목적은 리튬 폴리머 전지에 있어서 전극탭의 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 전극탭 구조를 제공하는 것이다.The present invention provides an electrode tab structure of a lithium polymer battery that solves the above problems. An object of the present invention is to provide an electrode tab structure that can prevent the cutting of the electrode tab in the lithium polymer battery.
본 발명에 따른 리?? 폴리머 전지의 전극탭은 집전체로부터 연장되어 형성되며 복수개의 개구를 가진다. 여기서, 상기 전극탭의 개구는 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치된다. 이 경우, 상기 집전체는 펀치드 메탈로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 탭의 개구는 전극탭의 집전체로부터의 연장방향을 따른 개구간의 일 피치증가마다 횡방향으로 놓이는 개구간의 간격이 일피치씩 증가되도록 배치된다.Li according to the present invention. The electrode tab of the polymer battery extends from the current collector and has a plurality of openings. Here, the opening of the electrode tab is arranged so that the density of the opening decreases in the direction extending from the current collector body. In this case, the current collector is preferably formed of a punched metal. In one embodiment of the present invention, the openings of the electrode tabs are arranged such that the interval between the openings lying in the transverse direction increases by one pitch for each pitch increase between openings along the extending direction from the current collector of the electrode tabs.
초음파 용접시 초음파 에너지는 개구가 있는 경우 개구 사이의 웹(web) 부분에 집중된다. 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지는 개구부의 밀도가 상대적으로 더욱 높은 집전체 몸체로도 확산되므로 전극탭 부분만의 초음파 에너지 집중을 막을 수 있다. 그러므로, 포일(foil)로 형성되는 전극탭의 경우 발생하던 네크부의 절단을 막을 수 있다. 또한 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지가 개구의 연장방향으로 갈수록(이하 상부방향) 적게 전달된다. 이에 따라서, V자로 절곡되어 용접되는 탭 부위로의 초음파 에너지의 전달이 감소되며 또한 초음파 에너지가 균일한 정도로 상부방향으로 갈수록 줄어들게 되어 취약부분에서의 절단의 가능성을 대폭 줄일 수 있게 된다.In ultrasonic welding, ultrasonic energy is concentrated in the web portion between the openings, if any. According to the present invention, since the ultrasonic energy is also diffused into the current collector body having a relatively higher density of the openings, it is possible to prevent the ultrasonic energy concentration of only the electrode tab portion. Therefore, in the case of the electrode tab formed of a foil, it is possible to prevent the cutting of the neck portion. In addition, according to the present invention, ultrasonic energy is transmitted less toward the extension direction of the opening (hereinafter, upward direction). Accordingly, the transmission of the ultrasonic energy to the tap portion that is bent and welded by the V-shape is reduced, and the ultrasonic energy decreases upwards to a uniform degree, thereby greatly reducing the possibility of cutting at the weak portion.
도 1은 본 발명에 따른 전극탭을 가지는 리튬 폴리머 전지를 보이는 도면;1 is a view showing a lithium polymer battery having an electrode tab according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따라 집전체에서 연장되어 형성되는 전극탭의 구조를 보이는 도면; 그리고2 is a view showing a structure of an electrode tab extending from a current collector according to the present invention; And
도 3은 본 발명에 따라 전극탭의 개구가 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치되는 예를 보이는 도면.3 is a view showing an example in which the opening of the electrode tab is arranged to reduce the density of the opening in the direction extending from the current collector body in accordance with the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 전극 조립체 100: 전극 집전체10: electrode assembly 100: electrode current collector
150: 전극 탭 120: 집전체 본체150: electrode tab 120: current collector body
이제 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 전극탭을 가지는 리튬 폴리머 전지(10)를 보인다. 리튬 폴리머 전지(10)는 양극 활물질층이 양극 집전체의 적어도 일면에 압착된 형태의 양극(11)과, 음극 활물질층이 음극 집전체의 적어도 일면에 압착된 형태의 음극(12)과, 상기 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재되어 두 전극(11)(12)을 단락시키는 세퍼레이터(13)를 포함한다.1 shows a lithium polymer battery 10 having an electrode tab in accordance with the present invention. The lithium polymer battery 10 includes a positive electrode 11 in which a positive electrode active material layer is compressed on at least one surface of a positive electrode current collector, a negative electrode 12 in which a negative electrode active material layer is compressed on at least one surface of a negative electrode current collector, and The separator 13 is interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 to short-circuit the two electrodes 11 and 12.
그리고, 상기 양극(11)과 음극(12)으로부터는 양극 탭(14)과 음극 탭(15)이 각각 인출되어 있고, 상기 양극 탭(14)과 음극 탭(15)은 V자 형태로 구부려져 그 단부가 양극 단자(16)와 음극 단자(17)에 용접되어 있다.The positive electrode tab 14 and the negative electrode tab 15 are drawn out from the positive electrode 11 and the negative electrode 12, respectively, and the positive electrode tab 14 and the negative electrode tab 15 are bent in a V shape. The end is welded to the positive terminal 16 and the negative terminal 17.
또한, 상기 다수개의 양극(11)과 음극(12) 및 세퍼레이터(13)가 적층된 전극 조립체는 그 내부에 이를 수용하기 위한 공간부(18a)가 형성된 케이스(18)에 실장되고, 상기 양극 단자(16)와 음극 단자(17)는 외부로 인출되는 구조를 가진다.In addition, the electrode assembly in which the plurality of positive electrodes 11, the negative electrodes 12, and the separators 13 are stacked is mounted in a case 18 in which a space portion 18a is formed, and the positive electrode terminal is formed therein. 16 and the negative electrode terminal 17 have a structure that is drawn out to the outside.
이러한 리튬 폴리머 전지(10)는 일련의 전극 조립체의 제조 과정에서 다수개의 양극 및 음극 집전체를 마련하고, 그 양면에 양극 및 음극 활물질층을 각각 압착하여 양극(11)과 음극(12)을 제조한다. 그리고, 상기 양극(11)과 음극(12)의 집전체로부터 인출되는 양극 탭(14)과 음극 탭(15)을 각 전극 탭별로 집합시켜 상기 케이스(18)의 공간부(18a)에 수용가능하도록 그 단면을 V자 형태로 구부린다음, 그 단부를 양극 단자(16)와 음극 단자(17)에 용접시키게 된다.In the lithium polymer battery 10, a plurality of positive electrode and negative electrode current collectors are provided in a process of manufacturing a series of electrode assemblies, and a positive electrode and a negative electrode active material layer are pressed on both surfaces thereof to manufacture a positive electrode 11 and a negative electrode 12. do. The positive electrode tab 14 and the negative electrode tab 15 drawn from the current collectors of the positive electrode 11 and the negative electrode 12 may be collected for each electrode tab and accommodated in the space 18a of the case 18. The cross section is bent in a V shape so that the end is welded to the positive terminal 16 and the negative terminal 17.
도 2는 본 발명에 따라 집전체에서 연장되어 형성되는 전극탭의 구조를 보이는 도면이다. 집전체(100)는 집전체 몸체(120)와 집전체로부터 연장되어 형성되는 전극탭(150)부분을 가진다.2 is a view showing the structure of an electrode tab extending from the current collector according to the present invention. The current collector 100 has a current collector body 120 and a portion of the electrode tab 150 extending from the current collector.
도시된 바와 같이, 집전체는 복수개의 개구들(101)을 가진다. 본 집전체는 펀치드 메탈(punched metal)로 이루어지며 상기 개구들은 탭 부분(150)에도 형성된다.As shown, the current collector has a plurality of openings 101. The current collector is made of punched metal and the openings are also formed in the tab portion 150.
본 발명에 따를 경우, 상기 전극탭의 개구는 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치된다. 이러한 예가 도 3에서 보인다.According to the present invention, the opening of the electrode tab is arranged such that the density of the opening decreases in the direction extending from the current collector body. This example is shown in FIG. 3.
도 3을 참고로 하여, 집전체 몸체(120)와 탭부분(150)의 사이에 형성되는 네크(neck) 부분에서 개구들 사이의 피치는 넓어지기 시작한다. 즉 네크부분의 개구들 사이의 피치(P2)는 네크부가 아닌 동일 횡 방향에 형성된 집전체 몸체(120)에 형성된 개구들 사이의 피치(P1)보다 넓다.Referring to FIG. 3, the pitch between the openings in the neck portion formed between the current collector body 120 and the tab portion 150 begins to widen. That is, the pitch P2 between the openings of the neck portion is wider than the pitch P1 between the openings formed in the current collector body 120 formed in the same transverse direction rather than the neck portion.
다음, 집전체 탭의 도면상 상부로의 연장방향상 그 피치는 점점 더 넓어진다. 즉 상기 전극 탭의 개구는 전극탭의 집전체로부터의 연장방향을 따른 개구간의 일 피치증가마다 횡방향으로 놓이는 개구간의 간격이 일 피치만큼씩 증가되도록 배치된다. 즉, 횡방향 152에 형성된 개구들 사이의 피치(P3)는 횡방향 151에 형성된 개구들 사이의 피치(P2)보다 횡방향상의 개구들 간의 피치(P)만큼 증가된다. 또한 횡방향 153에 형성되는 개구들간의 피치(P4)는 횡방향 152에 형성되는 개구들간의 피치(P3)보다 P만큼 증가한다. 이러한 방식으로 점차적으로 연장방향상 개구들의 밀도가 감소되어 나가는 방향으로 개구들이 배치된다.Next, the pitch of the current collector tab in the extending direction to the upper part becomes wider and wider. That is, the openings of the electrode tabs are arranged such that the interval between the openings placed in the transverse direction increases by one pitch for each increase of one pitch between the openings along the extending direction from the current collector of the electrode tabs. That is, the pitch P3 between the openings formed in the transverse direction 152 is increased by the pitch P between the openings in the transverse direction than the pitch P2 between the openings formed in the transverse direction 151. Also, the pitch P4 between the openings formed in the transverse direction 153 increases by P than the pitch P3 between the openings formed in the transverse direction 152. In this way, the openings are arranged in a direction in which the density of the openings in the extending direction is gradually reduced.
초음파 용접시 초음파 에너지는 개구가 있는 경우 개구 사이의 웹(web) 부분에 집중된다. 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지는 개구부의 밀도가 상대적으로 더욱 높은 집전체 몸체로도 확산되므로 전극탭 부분만의 초음파 에너지 집중을 막을 수 있다. 그러므로, 포일(foil)로 형성되는 전극탭의 경우 발생하던 네크부의 절단을 막을 수 있다. 또한 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지가 개구의 연장방향으로 갈수록 적게 전달된다. 이에 따라서, V자로 절곡되어 용접되는 탭 부위로의 초음파 에너지의 전달이 감소되며 또한 초음파 에너지가 균일한 정도로 상부방향으로 갈수록 줄어들게 되어 취약부분에서의 절단의 가능성을 대폭 줄일 수 있게 된다.In ultrasonic welding, ultrasonic energy is concentrated in the web portion between the openings, if any. According to the present invention, since the ultrasonic energy is also diffused into the current collector body having a relatively higher density of the openings, it is possible to prevent the ultrasonic energy concentration of only the electrode tab portion. Therefore, in the case of the electrode tab formed of a foil, it is possible to prevent the cutting of the neck portion. In addition, according to the present invention, the ultrasonic energy is transmitted less toward the extension direction of the opening. Accordingly, the transmission of the ultrasonic energy to the tap portion that is bent and welded by the V-shape is reduced, and the ultrasonic energy decreases upwards to a uniform degree, thereby greatly reducing the possibility of cutting at the weak portion.
이와 같이 본 발명은 상부로 갈수록 그 개구부의 밀도가 감소하는 전극탭 구조를 개시한다. 그러면, 종래에 발생하던 전극탭의 용접시의 절단 가능성을 대폭 줄일 수 있다.As described above, the present invention discloses an electrode tab structure in which the density of the opening decreases upward. Then, the possibility of the cutting | disconnection at the time of the welding of the electrode tab which occurred conventionally can be significantly reduced.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
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