KR100440929B1 - 각형 2차 전지용 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각형 2차 전지 극판의 구조를 개선함으로써 스웰링 형상을 방지하며, 활물질이 이탈되는 것을 막아 극판 간 단락이 발생되는 것을 방지하기 위한 것으로, 기재의 양면에 전극 활물질이 도포되어 전극을 형성한 후, 세퍼레이터와 함께 권취되어 타원형 전극 롤을 형성하는 각형 2차 전지용 전극에 있어서, 상기 기재의 접히는 안쪽 면에는 상기 전극 활물질이 상기 타원형 전극 롤의 장변 길이에 대응하는 길이마다 간극을 두고 도포되도록 하고, 상기 권취된 전극 롤은 상기 장변의 방향으로 가압되는 것을 특징으로 하는 각형 2차 전지용 전극에 관한 것이다.

Description

각형 2차 전지용 전극 구조{Structure of electrodes for square-shaped secondary cell}

본 발명은 각형 2차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스웰링 현상이 방지되고, 활물질 탈리를 막아 극판 간 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 그 구조가 개선된 각형 2차 전지용 전극에 관한 것이다.

2차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 종류에 따라 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬 및 리튬이온(Li-ion)전지로 분류되고 이으며, 외형적 용도에 따라 원통형 전지와 각형 전지가 주로 사용된다.

이러한 2차 전지는 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 각형 2차 전지의 경우, 도 1a에 나타난 바와 같이, 일반적으로 집전체인 전극 기재(1)의 양면에 결착제, 증점제 및 도전제를 포함하는 활물질 슬러리(2)를 도포하고, 이것을 건조 및 롤 프레싱한 후 소망의 크기로 절단하는 공정에 의해 제조한다.

리튬 전지의 경우, 양극 활물질은 LiCoOP₂, LiNiO₂, LiMnO₂중의 하나를 주성분으로 하여 이루어졌으며, 음극 활물질은 그라파이트 등의 카본계 활물질을 주성분으로 한다.

이러한 양극(2a) 및 음극(2b)의 전극은 도 1b에 나타난 바와 같이, 그 사이에 세퍼레이터(3)를 개재하여 함께 평면상 타원형의 맨드릴(미도시)을 이용하여 나선형으로 권취함으로써 평면상 타원형의 전극 롤을 만든 다음, 이를 프레싱하여 더욱 납작한 타원형의 전극 롤을 형성한다. 그림 1a에서 화살표 부위가 이러한 전극롤의 프레싱 시에 접히게 되는 전극의 위치이다. 그림에서와 같이 전극 롤을 프레싱함에 따라 도 1a에서의 화살표 부위가 어느 정도 압박을 받게 됨을 알 수 있다. 이를 그림에서 A와 A' 선으로 나타내었다. 각형 전지는 이렇게 눌려 납작하게 된 전극 롤을 전해액과 함께 각형 캔의 내부에 삽입한 다음 그 상부로 절연체를 개재하여 캡 어셈블리를 밀봉 설치함에 의해 제조된다.

상기와 같은 전극 롤을 각형 캔에 삽입할 경우에 전극 롤은 직경이 짧은 장변 부분이 원상태로 복원되려는 힘에 의해 부풀어 오르려고 하고, 이에 따라 전극 롤이 부풀어 오르면서 그 외부를 둘러싸는 각형 캔은 장변 부분이 부풀어 오르게 되는, 소위 스웰링 현상이 발생하게 된다.

또한 극판의 활물질을 단섬유상의 활물질로 할 경우에 그 입자가 크게는 대략 70㎛가 된다. 그런데, 극판의 사이에 개재하는 세퍼레이터의 두께는 대략 25㎛ 정도여서, 각형 전지와 같이 권취된 전극 롤을 프레싱하게 되면, 도 1b의 A 및 A'부분의 활물질 결정이 이탈되어 세퍼레이터를 뚫을 수 있으며, 이에 따라 극판 간의 단락이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 각형 2차 전지 극판의 구조를 개선함으로써 스웰링 형상을 방지하며, 활물질이 탈리되는 것을 막아 극판 간 단락이 발생되는 것을 방지하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 각형 2차 전지 극판의 장변 단부에 걸리는 힘을 완화시켜 극판의 팽창·수축에 따라 극판이 받는 스트레스를 완화시켜줄 수 있는 각형2차 전지용 극판을 제공하는 것이다.

도 1a는 종래의 각형 2차 전지의 전극 극판의 코팅 상태를 나타내는 평면도.

도 1b는 종래의 각형 2차 전지의 전극 롤의 구조를 나타내는 평면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 각형 2차 전지의 극판의 구조를 나타내는 평면도.

도 3은 도 2의 극판을 사용하여 귄취한 각형 2차 전지의 전극 롤의 구조를 나타내는 평면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 각형 2차 전지의 극판의 구조를 나타내는 평면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10: 전극 롤 20: 양극

22: 양극 기재 24: 양극 활물질

26: 양극 간극 30: 음극

32: 음극 기재 34: 음극 활물질

36: 음극 간극 40: 세퍼레이터

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기재의 양면에 전극 활물질이 도포되어 전극을 형성한 후, 세퍼레이터와 함께 권취되어 타원형 전극 롤을 형성하는 각형 2차 전지용 전극에 있어서, 상기 기재의 접히는 안쪽 면에는 상기 전극 활물질이 상기 타원형 전극 롤의 장변 길이에 대응하는 길이마다 간극을 두고 도포되도록 하고, 상기 권취된 전극 롤은 상기 장변의 방향으로 가압되는 것을 특징으로 하는 각형 2차 전지용 전극을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 간극은 상기 전극의 기재면 중에서 권취되는 방향의 바깥쪽 면에 형성되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 간극은 상기 기재 표면 방향으로는 좁게 형성되고, 상기 도포되는 활물질 표면 방향으로는 넓게 형성도록 할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 각형 2차 전지의 극판의 코팅상태를 나타내는 평면도이다. 본 발명의 전극은 양극 또는 음극 중 적어도 하나에 적용할 수 있으며, 그 원리는 동일하므로, 이하 실시예의 설명에 있어서는 양극에 대한 설명으로 음극에 대한 설명을 대체토록 한다.

우선, 그림에서 볼 수 있듯이 주로 알루미늄 등으로 이루어진 양극 기재(22)에 그 양면으로 활물질(24)을 도포 충전한다. 활물질(24)의 도포는 그림에서 거리 L 마다 일정한 간극(26)을 형성하면서 도포하도록 한다. 이때, 간극(26)이 형성되는 간격 L은 전극 롤의 크기에 따라 다양하게 변할 수 있으며, 그것은 이러한 전극을 이용하여 납작한 타원형의 전극 롤로 권취시켰을 경우에, 그 전극 롤의 장변의 길이에 해당하는 길이로 할 수 있다.

이는 전극을 사용하여 전극 롤로 권취시키고 프레스로 압박하여 납작한 타원형으로 형성할 경우에, 이 타원형의 장변의 끝, 곧 직경이 가장 긴 부분의 단부가 위치한 전극의 부분에 가장 큰 힘이 걸리게 되고, 이 부분에서 상기와 같은 간극(26)을 형성하여 이 힘을 완화시켜주도록 하는 것이다.

이는 도 3을 보면 더욱 쉽게 이해될 수 있다. 도 3은 상기와 같은 도 2의 전극을 사용하여 제작한 각형 2차 전지의 전극 롤의 구조를 나타내는 평면도이다.

그림과 같이 납작한 타원형으로 형성된 전극 롤(10)에서, 직경이 가장 긴 부분의 단부, 즉, B선 및 B'선에서 이 전극 롤(10)의 전극들(20,30)은 가장 큰 힘을 받게 된다.

따라서 이 부분에 그림의 부분 확대도와 같이 간극(26,36)을 형성하게 되면, 그 힘이 완화되어 전극의 활물질이 탈리되는 것을 방지할 수 있게 되고, 더욱이 전지의 충방전이 계속됨에 따른 극판의 팽창수축 시, 전극 극판이 받는 스트레스를 완화시켜줄 수 있게 된다.

이러한 간극(26,36)은 도 2 및 도 3에서와 같이 기재의 양면에 모두 형성시킬 수도 있으며, 도면으로 나타내지는 않았으나, 기재의 접히는 안쪽면에만 형성시킬 수도 있다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각형 2차 전지용 극판의 구조를 나타내는 평면도이다.

그림에서 볼 수 있는 것과 같이, 극판 기재(22)의 적어도 일면에 활물질을 도포할 때, 이 활물질 간에 간극(26)을 형성시킴에 있어 그 간극(26)의 구조를 도포되는 활물질의 표면 쪽으로는 넓게 형성하고 심부로 갈수록 좁게 형성하도록 한 것이다.

이러한 구조의 전극을 사용하게 되면 상술한 바와 같은 간극(26)에서의 힘의 분산효과를 보다 높일 수 있게 된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면, 극판 기재에 활물질을 도포함에 있어 활물질에 간극을 형성함으로써 이 간극으로 인해 극판의 눌리는 부분에서의 힘을 분산시킬 수 있어 활물질이 세퍼레이터를 뚫어 극판 간 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 선택할 수 있는 활물질의 폭을 넓힐 수 있다.

또한 이러한 간극은 타원형 전극 롤의 장변 방향으로의 복원력을 완화시켜 스웰링 현상을 방지할 수 있으며, 전지의 계속되는 충방전에 따른 극판의 팽창수축의 반복시, 극판에 걸리는 스트레스를 완화시켜주게 되어 전지의 수명을 증가시킬 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 사상적 범위내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 기재의 양면에 전극 활물질이 도포되어 전극을 형성한 후, 세퍼레이터와 함께 권취되어 타원형 전극 롤을 형성하는 각형 2차 전지용 전극에 있어서, 상기 기재의 접히는 안쪽 면에는 상기 전극 활물질이 상기 타원형 전극 롤의 장변 길이에 대응하는 길이마다 간극을 두고 도포되도록 하고, 상기 간극은 상기 기재 표면 방향으로는 좁게 형성되고, 상기 도포되는 활물질 표면 방향으로는 넓게 형성되도록 하며, 상기 권취된 전극 롤은 상기 장변의 방향으로 가압되는 것을 특징으로 하는 각형 2차 전지용 전극.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 간극은 상기 전극의 기재면 중에서 권취되는 방향의 바깥쪽 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 2차 전지용 전극.
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