KR100365824B1 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

높은 에너지 밀도를 가질 뿐 아니라 내구성이 우수한 리튬이온 이차전지 및 이를 제조하는 방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법은, 외장재의 재질 및 구조, 외장재에 삽입되는 양극판, 음극판, 분리막을 포함한 적층체의 적층 정렬구조 등을 개량하여 두 전극의 내부 단락 및 모서리 불일치 문제를 제거할 뿐 아니라, 전지 조립성, 생산성, 전지 안정성을 높인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 특히 5㎜ 이하 두께의 박형 리튬 이차전지의 생산성 및 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킨다.Disclosed is a lithium ion secondary battery having a high energy density and excellent durability and a method of manufacturing the same. The lithium ion secondary battery of the present invention and a method of manufacturing the same, by improving the material and structure of the outer material, the laminated alignment structure of the laminate including the positive electrode plate, the negative electrode plate, the separator inserted into the outer material and the like to solve the problem of internal short circuit and corner mismatch of the two electrodes. In addition to the removal, it is characterized in that the battery assembly, productivity and battery stability are improved. The present invention particularly improves the productivity and energy density of the thin lithium secondary battery having a thickness of 5 mm or less.

Description

리튬이온 이차전지 {Lithium ion secondary battery}Lithium ion secondary battery

본 발명은 리튬이온 이차전지에 관한 것으로, 특히 높은 에너지 밀도를 가질 뿐 아니라 조립이 용이한 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and more particularly to a lithium ion secondary battery having a high energy density and easy assembly.

휴대전화, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기 시장이 확대되고 다양화됨에 따라 재충전이 가능한 전원공급용 이차 전지에 대한 수요도 확대되고 있다. 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화 및 다기능화는 전력원으로 사용되는 이차 전지의 에너지 저장밀도의 계속적인 향상을 요구하고 있다. 따라서, 이를 충족하기 위한 다년간의 연구결과, 현재 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 탄소음극과 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 양극물질을 채용한 리튬이온 이차 전지가 등장하였다. 이 리튬이온 이차 전지는, 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차 전지와 비교할 경우, 단위무게당 에너지 밀도 및 충방전 수명이 상대적으로 크기 때문에 최근 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원으로 급속히 기존 전지를 대치하고 있다. 그러나, 휴대용 전자기기의 급속한 발전과 다변화에 따라 더 높은 에너지 밀도와 다양한 규격의 전지 선택에 대한 요구가 급증하고 있는 바, 현재 리튬이온 이차 전지는 이와 같은 요구를 충족시켜 주지는 못하고 있는 실정이다. 특히, 전자기기의 급속한 박형화와 소형화는 얇은 두께의 박형 리튬이온 이차 전지에 대한 수요를 급속히 확대시키고 있는 반면, 기존의 원통형이나 각형 리튬이온 이차 전지의 조립방법을 그대로 채용하는 경우, 박형화에 따르는 부피당 에너지 밀도의 하락이 지나치게 큰 편이다. 따라서, 통상 5㎜ 이하의 박형 전지를 휴대전화, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등의 고성능 휴대용 전자기기에 채용할 경우, 충분한 구동시간을 얻기 힘든 실정이다. 따라서, 부피당 에너지 밀도가 높은 박형 리튬이온 이차 전지의 개발은 다양한 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 박형화를 이룩하는 데 필수적이라고 판단된다.As the market for portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers expands and diversifies, demand for rechargeable rechargeable batteries is increasing. Miniaturization, weight reduction, high performance, and multifunctionality of portable electronic devices require continuous improvement of energy storage density of secondary batteries used as power sources. Accordingly, as a result of many years of research to satisfy this problem, a lithium ion secondary battery employing a carbon cathode capable of reversible insertion and release of lithium and a cathode material capable of reversible insertion and release of lithium has emerged. This lithium-ion secondary battery is rapidly becoming a new energy source of portable electronic devices in recent years because of its relatively high energy density and charge / discharge life per unit weight compared with conventional aqueous secondary batteries such as nickel-cadmium and nickel-hydrogen. It replaces existing battery. However, with the rapid development and diversification of portable electronic devices, the demand for higher energy density and battery selection of various standards has rapidly increased, and thus, lithium ion secondary batteries do not satisfy such demands at present. In particular, while the rapid thinning and miniaturization of electronic devices are rapidly expanding the demand for thinner, thinner lithium ion secondary batteries, if the conventional method of assembling the cylindrical or square lithium ion secondary batteries is adopted as it is, The drop in energy density is too large. Therefore, when a thin battery of 5 mm or less is employed in high-performance portable electronic devices such as mobile phones, camcorders, and notebook computers, it is difficult to obtain sufficient driving time. Therefore, development of a thin lithium ion secondary battery having a high energy density per volume is considered essential for achieving miniaturization, weight reduction, and thickness reduction of various portable electronic devices.

따라서, 본 발명자들은 종래기술의 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법의 문제점을 밝히고, 이를 개선하기 위해 고에너지 밀도와 내구성을 갖는 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법을 개발하여 한국특허출원 제2000-21513호를 통하여 개시한 바 있다. 한국특허출원 제2000-21513호에 개시된 기술에 의하면, 외장재의 재질 및 구조, 외장재에 삽입되는 양극판, 음극판, 분리막을 포함한 적층체의 적층 정렬구조 등이 개량되기 때문에 두 전극의 내부 단락 및 모서리 불일치 문제를 제거할 뿐 아니라, 생산성, 전지 안정성을 높인 리튬이온 이차전지 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 그러나, 리튬이온 이차전지의 조립과정에서, 다수의 양극판, 음극판, 분리막을 적층, 정렬함에 있어서 정렬봉을 사용하기 때문에 생산성의 측면에서 다소간의 불편함이 있었다.Accordingly, the present inventors have revealed problems of the conventional lithium ion secondary battery and a method of manufacturing the same, and in order to improve the problem, a lithium ion secondary battery having a high energy density and durability and a method of manufacturing the same have been developed by Korean Patent Application No. 2000-21513. It was initiated through a call. According to the technology disclosed in Korean Patent Application No. 2000-21513, the internal short circuit and corner mismatch of two electrodes are improved because the material and structure of the exterior material, the stacking alignment structure of the laminate including the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator inserted into the exterior material are improved. In addition to eliminating the problem, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having improved productivity and battery stability and a method of manufacturing the same. However, in the assembly process of the lithium ion secondary battery, there is some inconvenience in terms of productivity because the alignment rod is used to stack and align a plurality of positive electrode plates, negative electrode plates, separators.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 적층 정렬구조를 개선하여 전지 조립성을 높임으로써 대량생산에 적합한 리튬이온 이차전지를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made in an effort to provide a lithium ion secondary battery suitable for mass production by improving a stacking alignment structure and improving battery assembly.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 양극판 및 음극판을 만들기 위한 극판 재료를 나타낸 평면도들;1A and 1B are plan views illustrating pole plate materials for making a positive electrode plate and a negative electrode plate used in a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 양극판 및 음극판에 대한 타발형상의 레이아웃을 나타낸 도면;2 is a view showing a layout of punching shapes for a positive electrode plate and a negative electrode plate used in a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention;

도 3a 및 3b는 타발된 음극판을 분리막과 일체형으로 만드는 과정을 설명하기 위한 도면들;3A and 3B are views for explaining a process of making the punched negative electrode plate integral with the separator;

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 적층체의 적층순서 및 적층체 형성을 위한 적층틀을 나타낸 도면;4 is a view illustrating a lamination order of a laminate used in a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention and a lamination frame for forming a laminate;

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 적층체의 일부분만의 평면도;5 is a plan view of only a part of the laminate used in the lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention;

도 6a 및 6b는 다수의 양극판과 다수의 음극판의 전기적 연결방식을 나타낸 도면들; 및6a and 6b are views showing an electrical connection between a plurality of positive plates and a plurality of negative plates; And

도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 적층체의 금속 캔 수납상태를 나타낸 도면들이다.7A and 7B are views illustrating metal can accommodation states of a laminate used in a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 리튬이온 이차전지는: 양극 활물질인 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물의 코팅층 및 제1 무지 돌출부를 그 각각이 가지는 동일 형상의 다수의 양극판들과, 상기 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극활물질 코팅층 및 제2 무지 돌출부를 그 각각이 가지는 동일 형상의 다수의 음극판들과, 상기 양극판들의 각각을 상기 제1 무지 돌출부만이 노출되도록 포케팅하여 상기 음극판들로부터 분리하되 비수 유기용매와 리튬염으로 이루어진 전해액을 함유하는 다수의 분리막들이, 정렬 적층되어 이루어진 적층체와; 상기 제1 무지 돌출부들은 제1 무지 돌출부들끼리, 상기 제2 무지 돌출부들은 제2 무지 돌출부들끼리, 각각 전기적으로 연결한 제1 및 제2 연결부들과; 상기 제1 및 제2 연결부들의 내부 단락을 방지하기 위해 이들을 격리하는 절연체와; 상기 적층체를 자신의 내부에 삽입하되, 그 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률 각형의 금속 캔과; 상기 금속 캔의 상부에 크림핑(crimping)되어 그 내부를 밀봉하는 금속 캡과; 상기 제1 연결부와 금속캡을 전기적으로 연결시키는 양극탭 및 상기 제2 연결부와 금속캔을 전기적으로 연결시키는 음극탭을 구비하는 것을 특징으로 한다.The lithium ion secondary battery of the present invention for achieving the above technical problem: a plurality of positive electrode plates of the same shape each having a coating layer of the lithium active material or a lithium metal composite oxide and the first plain protrusions as a positive electrode active material, and occludes the lithium And a plurality of negative plates having the same shape, each having a carbonaceous negative electrode active material coating layer and a second plain protrusion which can be discharged, and pocketing each of the positive plate such that only the first plain protrusion is exposed. A plurality of separators separated from each other but containing an electrolyte comprising a nonaqueous organic solvent and a lithium salt; The first plain protrusions are connected to the first plain protrusions, and the second plain protrusions are to be electrically connected to the second plain protrusions, respectively; An insulator isolating them to prevent internal shorting of the first and second connections; Inserting the stack into its own interior, wherein the metal cans have a curvature shape and are processed such that their vertices have curvatures; A metal cap that is crimped on top of the metal can to seal the interior thereof; And a positive electrode tab electrically connecting the first connection part and the metal cap, and a negative electrode tab electrically connecting the second connection part and the metal can.

본 발명에 있어서, 상기 분리막은 폴리올레핀 계열의 다공성 막을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, the separator is preferably made of a polyolefin-based porous membrane.

또한, 상기 제1 및 제2 연결부들은 각각 양극탭 및 음극탭에 용접 또는 리벳팅되어 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the first and second connection portions are preferably made by welding or riveting the positive electrode tab and the negative electrode tab, respectively.

그리고, 상기 금속 캔에 삽입되는 적층체는: 단면코팅 음극판, 분리막에 포케팅된 양면코팅 양극판, 양면코팅 음극판, 분리막, 단면 코팅 양극판의 순서로 적층되되, 상기 분리막에 포케팅된 양면코팅 양극판과 양면코팅 음극판은 적어도 1회 이상 반복 적층되는 것이 더 바람직하다.In addition, the laminate inserted into the metal can is: a single-side coated anode plate, a double-sided coated anode plate pocketed on the separator, a double-sided coated cathode plate, a separator, a single-side coated anode plate laminated in the order, the double-coated anode plate and pocketed on the separator More preferably, the double-coated negative electrode plate is repeatedly laminated at least once.

여기서, 상기 양면코팅 양극판을 포케팅한 분리막의 테두리와, 상기 음극판들 각각의 테두리가 서로 일치하는 것이 더욱 더 바람직하다.Here, it is even more preferable that the edges of the separator in which the double-coated positive electrode plate and the edge of each of the negative electrode plates coincide with each other.

이 때, 상기 제1 무지 돌출부들 및 제2 무지 돌출부들이, 서로 이격된 위치에서 정렬되는 것이 바람직하며, 상기 적층체를 구성하는 극판 및 분리막 등의 적층요소들의 적층면이 상기 금속 캔 및 캡의 바닥면과 평행하도록 하며, 상기 적층요소들이 상기 금속 캔의 내측벽에 의해 정렬 및 가이딩되는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the first plain protrusions and the second plain protrusions are aligned at a position spaced apart from each other, and the stacking surface of the stacking elements such as the electrode plate and the separator constituting the stack is formed of the metal can and the cap. Parallel to the bottom surface, the stacking elements are preferably aligned and guided by the inner wall of the metal can.

상기 금속 캔은 1∼5㎜ 범위 내의 두께를 갖는 것이 바람직하다.Preferably, the metal can has a thickness within the range of 1-5 mm.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.

도 1a 및 1b는 본 발명 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 양극판 및 음극판을 만들기 위한 극판 재료를 나타낸 평면도들이다.1A and 1B are plan views illustrating pole plate materials for making a positive electrode plate and a negative electrode plate used in a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 양극활물질(102)이 양극판 재료(100)의 양면에 일치되게 줄무늬 형상으로 코팅되어 있다. 코팅은 통상의 코터(coater)를 통해 이루어지며, 코팅 후 기존 전지 제조공정에서 사용되는 통상의 압착기(presser)를 사용하여 코팅된 양극판 재료(100)를 압착한다. 도 1b를 참조하면, 양극판 재료와 동일한 방법으로 음극판 재료(110)에도 음극활물질(112)이 양면에 일치되게 줄무늬 형상으로 코팅된다. 그러나, 양극에서 방출되는 리튬이온을 안정적으로 흡장시키기 위해, 음극판 재료의 코팅면적을 양극판 재료의 코팅면적보다 크게 한다. 한편, 적층될 전극판들 중 최외측에 위치하는 것에는 단면 코팅된 양극판 및 단면 코팅된 음극판을 사용한다. 그 이유는 최외측의 양극 또는 음극은 마주보는 반대 전극이 없기 때문에 전지의 성능을 발휘하지 못한 채 낭비되므로 이를 방지하기 위함이다.Referring to FIG. 1A, a cathode active material 102 is coated in a stripe shape to match both surfaces of the anode plate material 100. The coating is performed through a conventional coater, and after coating, the coated positive plate material 100 is compressed using a conventional presser used in an existing cell manufacturing process. Referring to FIG. 1B, the negative electrode active material 112 is coated in a stripe shape on both sides of the negative electrode material 110 in the same manner as the positive electrode material. However, in order to stably occlude lithium ions emitted from the positive electrode, the coating area of the negative electrode plate material is made larger than the coating area of the positive electrode plate material. On the other hand, in the outermost position of the electrode plate to be stacked is used a single-side coated positive plate and a single-side coated negative plate. The reason for this is to prevent the outermost positive electrode or the negative electrode because it does not have the opposite electrode facing each other and is wasted without performing the performance of the battery.

도 2는 본 발명 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 양극판 및 음극판에 대한 타발형상의 레이아웃을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 양극활물질(102)이 코팅된 양극판 재료(100) 또는 음극활물질(112)이 코팅된 음극판 재료(110)를 점선에 따라 타발함으로써 양극판 또는 음극판이 형성됨을 알 수 있다. 타발된 양극판 또는 음극판은 활물질이 코팅된 부분과 이로부터 돌출된 무지(N) 돌출부(104)를 포함한다. 도 2에서는 양극판과 음극판을 동일하게 도시하였는데, 이는 타발과정을 설명하기 위한 것으로서, 실제적으로 음극판의 활성물질 코팅면의 가로와 세로의 길이가 양극판의 활성물질 코팅면의 가로와 세로의 길이보다 더 길어야 하며, 양극판의 크기도 음극판의 크기보다 작도록 타발형상이 결정되야 한다. 이는 양극에서 방출되는 리튬이온을 안정적으로 흡장시키기 위해 필수적이다.2 is a view showing the layout of the punching shape for the positive electrode plate and the negative electrode plate used in the lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, it can be seen that the positive electrode plate or the negative electrode plate is formed by punching the positive electrode plate material 100 coated with the positive electrode active material 102 or the negative electrode plate material 110 coated with the negative electrode active material 112 along a dotted line. The punched positive electrode plate or negative electrode plate includes a portion coated with an active material and a plain (N) protrusion 104 protruding therefrom. In FIG. 2, the positive electrode plate and the negative electrode plate are shown in the same manner, and this is for explaining the punching process, and the width and length of the active material coating surface of the negative electrode plate are actually greater than the length and width of the active material coating surface of the positive plate. The punching shape should be determined so that the size of the anode plate is smaller than that of the cathode plate. This is essential to stably occlude lithium ions emitted from the anode.

도 3a 및 3b는 타발된 음극판을 분리막과 일체형으로 만드는 과정을 설명하기 위한 도면들이다. 조립공정을 단면으로 나타낸 도 3a를 참조하면, 도 2에 설명된 바와 같이 타발된 양면코팅(300)의 양극판(301)이 분리막(302)에 의해 둘러싸인 상태로 분리막(302)의 테두리가 고온 융착기(304)에 의해 융착되는 것을 볼 수 있다. 도 3a에 도시된 단면은 양극판(301)을 그 단축길이 방향으로 절단하여 나타낸 것이다. 따라서, 양극판에 포함되어 있는 제1 무지 돌출부는 나타나지 않는다.3A and 3B are views for explaining a process of making the punched negative electrode plate integral with the separator; Referring to Figure 3a showing the assembling process in cross-section, as shown in Figure 2, the edge of the separation membrane 302 is surrounded by the separation membrane 302 of the punched double-side coating 300 is surrounded by the separation membrane 302 It can be seen that it is fused by 304. 3A is a cross-sectional view of the positive electrode plate 301 in the shorter length direction thereof. Therefore, the first plain projections included in the positive plate do not appear.

도 3b는 도 3a에 설명된 공정 결과물의 평면도이다. 명확화를 위해, 분리막(302) 내의 양극판(301)을 투시하여 나타내었다. 도 3b를 참조하면, 양면 코팅층(300)을 갖는 양극판(301)이 분리막(302)에 의해 둘러싸여 있다. 빗금으로 표시된 4개의 테두리 부분이 분리막(302)의 융착부위인데, 이 융착부위는 전극 단자와의 연결을 위한 제1 무지 돌출부(104)가 외부로 노출되는 부분을 제외하고는 모두 둘러싸고 있다. 이와 같은 방식의 조립을 포케팅(pocketing)이라 하는데, 이는 유연성이 커서 정렬하기 어려운 분리막을 어느 정도의 강도를 가진 양극판과 일체형으로 만들어 줌으로써 이후 전극 적층 공정의 속도와 수율을 높임과 동시에 음극과 양극의 활성면 간의 모서리 불일치 가능성을 배제하기 위한 조립방법이다. 포케팅에 의해 형성된 양극판-분리막 조립체는 음극판의 크기와 동일하게 만들어진다. 이와 같이 양극판-분리막 조립체와 음극판의 테두리가 서로 일치하게 하여, 양극을 대향하는 모든 면이 음극으로 덮여야 하는 조건이 자동적으로 만족되게 한다. 포케팅에 사용되는 기기는 통상의 진공포장기와 같은 원리로 작동되는 기기이다. 이 기기는 양극판(301)의 아래, 위에 두 장의 분리막(302)을 위치시킨 후 제1 무지 돌출부(104)를 제외한 모든 테두리에 적절한 압력과 온도를 가해 분리막(302)을 융착시킨다. 이 때 사용되는 압력은 통상 0.5㎏/㎝2이하의 어떤 압력도 사용가능하며, 온도는 분리막(302)의 융점을 기준으로 ±20℃ 이내로 조절하는 것이 좋다. 접착시간은 통상 수 초 정도이면 충분하며 바람직하게는 0.1∼3초이다.FIG. 3B is a plan view of the process output described in FIG. 3A. For clarity, the positive electrode plate 301 in the separator 302 is shown through perspective. Referring to FIG. 3B, a positive electrode plate 301 having a double-sided coating layer 300 is surrounded by a separator 302. The four edges indicated by hatched lines are the fusion regions of the separator 302, and the fusion regions surround all of the fusion regions except for the portion where the first plain protrusion 104 for connecting to the electrode terminal is exposed to the outside. This type of assembly is called pocketing, which makes the membrane difficult to align and integrates with the positive electrode plate with a certain strength, thereby increasing the speed and yield of the electrode stacking process and increasing the negative electrode and positive electrode. Assembly method to rule out the possibility of corner mismatch between the active surfaces of the The positive electrode plate-membrane assembly formed by the pocketing is made equal to the size of the negative electrode plate. As such, the edges of the positive electrode plate-membrane assembly and the negative electrode plate coincide with each other to automatically satisfy the condition that all surfaces facing the positive electrode should be covered with the negative electrode. Equipment used for pocketing is a device operated on the same principle as a conventional vacuum packaging machine. The device places two separators 302 below and above the positive electrode plate 301, and then applies the appropriate pressure and temperature to all the edges except for the first plain protrusion 104 to fuse the separators 302 together. At this time, the pressure used is usually any pressure of 0.5kg / cm 2 or less can be used, the temperature is preferably adjusted within ± 20 ℃ based on the melting point of the separator 302. The adhesion time is usually a few seconds or so, preferably 0.1 to 3 seconds.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 적층체의 적층순서 및 적층체 형성을 위한 적층틀을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 단면 코팅된 음극판(403a)이 적층체의 최하부에, 단면 코팅된 양극판(404a)이 적층체의 최상부에 각각 위치하고 있다. 그 사이에는 분리막에 의해 포케팅된 양극판(400) 및 양면 코팅된 음극판(403)이 교대로 적어도 1회 이상 반복 적층된다. 한편, 적층체의 최상부의 단면 코팅 양극판(404a)의 바로 아래에는 한 장의 분리막(402)만이 놓여져, 단면 코팅 양극판(404a)과 양면 코팅된 음극판(403)을 분리시킨다. 이와 같은 순서로 적층되는 적층체는, 자신의 3면이 상기 적층체를 최종 수납하게 될 금속 캔과 동일한 형상을 가지는 적층틀(420) 내에서 정렬된다. 적층틀(420)의 3면은 막혀 있고, 후술할 전극 탭 및 전극의 용접이 이루어지는 부분의 1면이 개방되어 있다.4 is a view showing a stacking sequence of the laminate used in the lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention and a laminate for forming the laminate. Referring to FIG. 4, the single-side coated negative plate 403a is positioned at the bottom of the laminate, and the single-side coated positive plate 404a is positioned at the top of the laminate. In between, the positive electrode plate 400 and the double-coated negative electrode plate 403 pocketed by the separator are alternately stacked at least one or more times. On the other hand, only one sheet of separator 402 is placed directly below the top-side coated positive plate 404a at the top of the laminate to separate the single-side coated positive plate 404a and the double-coated negative plate 403. The stacks stacked in this order are aligned in a stacking frame 420 whose three sides have the same shape as the metal can that will ultimately house the stack. Three surfaces of the stacking frame 420 are blocked, and one surface of the electrode tab and the electrode where the electrode is to be described later is opened.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 적층체의 일부분만의 평면도이다. 도 5에 도시된 것은, 분리막(302)에 의해 포케팅된 양극판(301) 및 양면 코팅된 음극판이다. 음극판은 분리막(302)에 의해 포케팅된 양극판(301)에 의해 가려져 제2 무지 돌출부(104b)만이 나타나 있다. 제1 무지 돌출부(104a)와 제2 무지 돌출부(104b)는 적층시 서로 이격된 위치에 놓이게 되므로 다수의 분리막-양극판 조립체와 다수의 음극판이 적층되더라도 돌출부들(104a, 104b)은 서로 이격된 위치에서 정렬되게 된다.5 is a plan view of only a part of the laminate used in the lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention. Shown in FIG. 5 are a positive electrode plate 301 pocketed by a separator 302 and a negative electrode plate coated on both sides. The negative electrode plate is covered by the positive electrode plate 301 pocketed by the separator 302 so that only the second plain protrusion 104b is shown. Since the first plain protrusion 104a and the second plain protrusion 104b are spaced apart from each other when stacked, the protrusions 104a and 104b are spaced apart from each other even when a plurality of separator-anode plate assemblies and a plurality of negative electrode plates are stacked. Will be sorted on.

도 6a 및 6b는 다수의 양극판과 다수의 음극판의 전기적 연결방식을 나타낸 도면들이다. 도 6a에서는 분리막에 의해 포케팅된 양극판들끼리의, 도 6b에서는 음극판들끼리의 전기적 연결방식을 나타내었다. 도시의 명확화를 위해, 도 6a에서 음극판의 존재를 생략하였다. 분리막(302)에 의해 포케팅된 모든 양극판들의 제1 무지 돌출부(104a)들은 통상 종래기술에서 사용하는 용접방식인 레이저 용접(laser welding), 한 점 용접(spot welding), 초음파 용접(ultra-sonic welding) 등의 방법에 의해 레이저 열 전기적 저항열 또는 초음파에 의한 계면 구조 교란을 이용하여 전기적으로 접합된다. 이렇게 용접된 제1 무지 돌출부(104a)들은 다시 최상단에놓인 양극탭(304a)과 용접 또는 리벳팅에 의해 전기적으로 접합된다. 이 양극탭은 후술할 금속 캔에 삽입되는 과정에서 상부를 향해 반으로 접힌 후, 금속 캡과 용접되어 금속 캡을 양극단자로 사용할 수 있게 한다.6A and 6B are diagrams illustrating an electrical connection method between a plurality of positive electrode plates and a plurality of negative electrode plates. FIG. 6A illustrates the electrical connection between the positive plates plated by the separator and the negative plates in FIG. 6B. For clarity of illustration, the presence of the negative plate is omitted in FIG. 6A. The first plain protrusions 104a of all the anode plates pocketed by the separator 302 are laser welding, spot welding, and ultra-sonic, which are conventional welding methods. by means of laser thermal electrical resistance heat or ultrasonic wave, and interfacial structure disturbance is performed. The first plain protrusions 104a thus welded are electrically connected to the positive electrode tab 304a placed on the top thereof by welding or riveting. The positive electrode tab is folded in half toward the top in the process of being inserted into a metal can to be described later, and then welded with the metal cap to use the metal cap as the positive electrode terminal.

도시의 명확화를 위해, 도 6b에서도 분리막과 양극판을 생략하고 음극판들만 나타내었다. 적층된 음극판(403)들의 제2 무지 돌출부(104b)들도 도 6a에 설명된 바와 마찬가지로 용접된 후, 최하단에 놓인 음극탭(304b)과 다시 전기적으로 접합된다. 이후의 공정에서 이 음극탭(304b)을 금속 캔의 바닥과 용접하면 금속 캔이 음극단자의 역할을 하게 된다.For the sake of clarity, only the negative electrode plates are shown in FIG. 6B without the separator and the positive electrode plate. The second plain protrusions 104b of the stacked negative plates 403 are also welded as described in FIG. 6A and then electrically connected again to the negative electrode tab 304b placed at the bottom thereof. In the subsequent process, when the negative electrode tab 304b is welded to the bottom of the metal can, the metal can serves as a negative electrode terminal.

도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에 사용되는 적층체의 금속 캔 수납상태를 나타낸 도면들로서, 도 7a는 평면도, 도 7b는 도 7a의 A-A' 선에 따른 단면도이다. 도 7a를 참조하면, 적층되어 일체형이 된 적층체가 금속 캔(700) 내에 삽입된다. 이 때, 양극판-분리막 조립체들, 즉 분리막에 의해 포케팅된 양극판들과, 음극판들은 그 3면이 캔의 내측벽에 완전히 밀착, 삽입되는 방식으로 정렬된다. 단면 코팅된 양극판(404a)은 적층체의 최상층에 있기 때문에 노출되어 있으며, 제1 무지 돌출부(104a)들과 제2 무지 돌출부(104b)들은 서로 다른 위치에 정렬되어 있다. 양극탭(304a)은 전기적으로 연결된 제1 무지 돌출부(104a)들의 최상부에, 음극탭(304b)은 전기적으로 연결된 제2 무지 돌출부(104b)들의 최하부에 각각 위치한다. 도 7a에서, 양극탭(304a) 및 제1 무지 돌출부(104a)들을 음극탭(304b) 및 제2 무지 돌출부(104b)들로부터 격리시키기 위한 절연체는 도시의 명확화를 위해 생략하였다.7A and 7B are views illustrating metal can accommodation states of a laminate used in a lithium ion secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along a line A-A 'of FIG. 7A. Referring to FIG. 7A, a stacked and integrated stack is inserted into the metal can 700. At this time, the positive electrode plate-membrane assemblies, i.e., the positive electrode plates pocketed by the separator, and the negative electrode plates are aligned in such a manner that their three sides are completely in contact with and inserted into the inner wall of the can. The single-coated bipolar plate 404a is exposed because it is on the top layer of the stack, and the first plain protrusions 104a and the second plain protrusions 104b are aligned at different positions. The positive electrode tab 304a is positioned at the top of the first non-coated protrusions 104a electrically connected to each other, and the negative electrode tab 304b is positioned at the lowermost part of the second non-coated protrusions 104b electrically connected to each other. In FIG. 7A, an insulator for isolating the positive electrode tab 304a and the first plain protrusions 104a from the negative electrode tab 304b and the second plain protrusions 104b is omitted for clarity of illustration.

도 7b를 참조하면, 음극탭(304a)은 금속 캔(700)의 바닥면에 용접되어 있다. 절연체(710)를 삽입한 후 꺾여 있었던 양극탭(304a)과 제1 무지 돌출부(104a)들을 절연체(710) 쪽으로 펼친다. 반으로 접혀 있던 양극탭(304a)은 금속 캡(미도시)에 용접된다. 금속 캡이 금속 캔(700) 위에 덮힐 때, 양극탭(304a)이 반으로 접히면서 캡과의 용접은 그대로 유지된다. 따라서, 금속 캔(700)은 음극단자로, 금속 캡은 양극단자로 각각 이용될 수 있다. 제1 무지 돌출부(104a)들과 제2 무지 돌출부(104b)들은 각각 같은 극성끼리 리벳팅 혹은 용접에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 양극탭(304a) 및 제1 무지 돌출부(104a)들을 음극탭(304b) 및 제2 무지 돌출부(104b)들로부터 격리시키기 위해 그 중간에 절연성 고분자로 제작된 절연체(710)가 설치된다. 금속 캔(700)의 재질로는 통상 종래기술에서 사용되는 스틸이나, 스테인레스 스틸이 사용되며, 캡의 재질로는 알루미늄 또는 그 합금, 또는 내식성이 우수한 스테인레스 스틸이 이용될 수 있다. 본 발명의 리튬이온 이차전지에서 이용하는 캔은 종래기술의 캔과는 달리 캔의 높이가 낮기 때문에 종래의 각형 전지의 캔 제조에 비하여 그 제조가 용이하며 그 제조 단가가 싸다는 장점을 갖는다. 본 발명에서는 통상 1∼7㎜, 바람직하게는 1∼5㎜, 더욱 바람직하게는 1.5∼4㎜ 정도의 캔 높이가 좋다. 따라서, 이와 같은 캔은 그 제조가 단순하며 캔의 두께를 종래기술의 경우에 비해 더 얇게 할 수 있는데, 사용되는 캔의 두께는 통상 0.1∼0.3㎜, 바람직하게는 0.1∼0.2㎜, 더욱 바람직하게는 0.15∼0.2㎜가 좋다. 이와 같이 금속 캔(700)에 적층체가 삽입된 후에는 금속 캡을 덮고 크림핑 밀봉하여 전지를 완성한다.Referring to FIG. 7B, the negative electrode tab 304a is welded to the bottom surface of the metal can 700. After the insulator 710 is inserted, the positive electrode tab 304a and the first plain protrusion 104a that are bent are extended to the insulator 710. The positive electrode tab 304a, which was folded in half, is welded to a metal cap (not shown). When the metal cap is covered over the metal can 700, the welding with the cap is maintained while the positive electrode tab 304a is folded in half. Therefore, the metal can 700 may be used as the cathode terminal and the metal cap may be used as the anode terminal. The first plain protrusions 104a and the second plain protrusions 104b are electrically connected to each other by the same polarity by riveting or welding, and the positive electrode tabs 304a and the first plain protrusions 104a are respectively connected to the negative electrode tabs. An insulator 710 made of an insulating polymer is provided in the middle thereof to isolate it from the 304b) and the second plain protrusions 104b. As the material of the metal can 700, steel or stainless steel, which is generally used in the related art, is used. As the material of the cap, aluminum or an alloy thereof, or stainless steel having excellent corrosion resistance may be used. The can used in the lithium ion secondary battery of the present invention has a merit that the height of the can is different from that of the prior art can, so that the can is easier to manufacture and the manufacturing cost is cheaper than that of the conventional square battery. In the present invention, the can height is usually 1 to 7 mm, preferably 1 to 5 mm, and more preferably about 1.5 to 4 mm. Thus, such cans are simple in their manufacture and can be made thinner than in the prior art, where the thickness of the cans is usually from 0.1 to 0.3 mm, preferably from 0.1 to 0.2 mm, more preferably. 0.15 to 0.2 mm is good. After the laminate is inserted into the metal can 700 as described above, the battery is completed by covering and capping the metal cap.

상기한 바와 같은 곡률 각형의 리튬이온 이차전지의 성능에 대해 조사한 결과는 다음과 같다.As a result of investigating the performance of the curvature-shaped lithium ion secondary battery as follows.

[제1 예][Example 1]

두께 3.6㎜, 단직경 30㎜, 장직경 48㎜의 곡률각형으로 제조된 각형전지의 경우, 가역용량은 520mAh이었다. 이는 부피당 에너지 밀도로 환산하면 355Wh/liter에 해당하는 것이다.In the case of the square battery manufactured with the curvature-square of thickness 3.6mm, the short diameter 30mm, and the long diameter 48mm, the reversible capacity was 520mAh. This corresponds to 355 Wh / liter in terms of energy density per volume.

[제2 예][Second example]

두께 2.0㎜, 단직경 80㎜, 장직경 90㎜의 곡률각형으로 제조된 각형전지의 경우, 가역용량은 1650mAh이었다. 이는 부피당 에너지 밀도로 환산하면 405Wh/liter에 해당하는 것이다.In the case of a square battery manufactured with a curvature square having a thickness of 2.0 mm, a short diameter of 80 mm, and a long diameter of 90 mm, the reversible capacity was 1650 mAh. This corresponds to 405 Wh / liter in terms of energy density per volume.

[제3 예][Third example]

두께 3.0㎜, 단직경 53㎜, 장직경 85㎜의 곡률각형으로 제조된 각형전지의 경우, 가역용량은 1600mAh이었다. 이는 부피당 에너지 밀도로 환산하면 420Wh/liter에 해당하는 것이다.In the case of the square battery manufactured with the curvature-square of thickness 3.0mm, the short diameter 53mm, and the long diameter 85mm, the reversible capacity was 1600mAh. This corresponds to 420 Wh / liter in terms of energy density per volume.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 새로운 내부구조, 외장재 및 적층방식을 통해 높은 에너지 밀도와 우수한 저온/고온 성능, 그리고 종래의 전지보다 안정성이 향상된 리튬이온 이차전지를 만들 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to create a lithium-ion secondary battery with a new energy structure, excellent low-temperature and high-temperature performance, and improved stability than conventional batteries through a new internal structure, exterior material and lamination method.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

Claims (8)

양극 활물질인 리튬 또는 리튬 금속 복합 산화물의 코팅층 및 제1 무지 돌출부를 그 각각이 가지는 동일 형상의 다수의 양극판들과,A plurality of positive plates having the same shape each having a coating layer of the lithium or lithium metal composite oxide as the positive electrode active material and the first plain protrusion; 상기 리튬을 흡장, 방출할 수 있는 탄소질 음극활물질 코팅층 및 제2 무지 돌출부를 그 각각이 가지는 동일 형상의 다수의 음극판들과,A plurality of negative electrode plates having the same shape, each having a carbonaceous negative electrode active material coating layer capable of occluding and releasing lithium, and a second plain protrusion; 상기 양극판들의 각각을 상기 제1 무지 돌출부만이 노출되도록 포케팅하여 상기 음극판들로부터 분리하되 비수 유기용매와 리튬염으로 이루어진 전해액을 함유하는 다수의 분리막들이, 정렬 적층되어 이루어진 적층체와;A plurality of separators each of which is separated from the anode plates by pocketing each of the cathode plates to expose only the first plain protrusions, wherein the plurality of separators including an electrolyte comprising a nonaqueous organic solvent and a lithium salt are stacked and stacked; 상기 제1 무지 돌출부들은 제1 무지 돌출부들끼리, 상기 제2 무지 돌출부들은 제2 무지 돌출부들끼리, 각각 전기적으로 연결한 제1 및 제2 연결부들과;The first plain protrusions are connected to the first plain protrusions, and the second plain protrusions are to be electrically connected to the second plain protrusions, respectively; 상기 제1 및 제2 연결부들의 내부 단락을 방지하기 위해 이들을 격리하는 절연체와;An insulator isolating them to prevent internal shorting of the first and second connections; 상기 적층체를 자신의 내부에 삽입하되, 그 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률 각형의 금속 캔과;Inserting the stack into its own interior, wherein the metal cans have a curvature shape and are processed such that their vertices have curvatures; 상기 금속 캔의 상부에 크림핑되어 그 내부를 밀봉하는 금속 캡과;A metal cap that is crimped on top of the metal can to seal the interior thereof; 상기 제1 연결부와 금속캡을 전기적으로 연결시키는 양극탭 및 상기 제2 연결부와 금속캔을 전기적으로 연결시키는 음극탭을 구비하는 리튬이온 이차전지.And a negative electrode tab electrically connecting the first connection part and the metal cap, and a negative electrode tab electrically connecting the second connection part and the metal can. 제1항에 있어서, 상기 분리막이 폴리올레핀 계열의 다공성 막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.The lithium ion secondary battery of claim 1, wherein the separator comprises a polyolefin-based porous membrane. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연결부들이 각각 양극탭 및 음극탭에 용접 또는 리벳팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.The lithium ion secondary battery of claim 1, wherein the first and second connectors are welded or riveted to the positive electrode tab and the negative electrode tab, respectively. 제3항에 있어서, 상기 금속 캔에 삽입되는 적층체가:The laminate of claim 3 wherein the laminate is inserted into the metal can: 단면코팅 음극판, 분리막에 포케팅된 양면코팅 양극판, 양면코팅 음극판, 분리막, 단면 코팅 양극판의 순서로 적층되되, 상기 분리막에 포케팅된 양면코팅 양극판과 양면코팅 음극판은 적어도 1회 이상 반복 적층되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.It is laminated in the order of single-side coated negative plate, double-coated positive plate plated on the separator, double-sided coated negative plate, separator, single-side coated positive plate, the double-coated positive plate and double-coated negative plate plated on the separator is repeatedly stacked at least once. Lithium ion secondary battery characterized by. 제4항에 있어서, 상기 양면코팅 양극판을 포케팅한 분리막의 테두리와, 상기 음극판들 각각의 테두리가 서로 일치하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.5. The lithium ion secondary battery of claim 4, wherein an edge of the separator in which the double-coated positive electrode plate is pocketed and an edge of each of the negative electrode plates coincide with each other. 제4항에 있어서, 상기 제1 무지 돌출부들 및 제2 무지 돌출부들이, 서로 이격된 위치에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.The lithium ion secondary battery of claim 4, wherein the first plain protrusions and the second plain protrusions are aligned at positions spaced apart from each other. 제4항에 있어서, 상기 적층체를 구성하는 극판 및 분리막 등의 적층요소들의 적층면이 상기 금속 캔 및 캡의 바닥면과 평행하며, 상기 적층요소들이 상기 금속 캔의 내측벽에 의해 정렬 및 가이딩되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.The stacking surface of the stacking elements, such as the electrode plate and the separator constituting the stack, is parallel to the bottom surface of the metal can and the cap, and the stacking elements are aligned and guided by the inner wall of the metal can. Li-ion secondary battery characterized in that the ding. 제4항에 있어서, 상기 금속 캔이 1∼5㎜ 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.The lithium ion secondary battery of claim 4, wherein the metal can has a thickness within a range of 1 to 5 mm.
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