KR100522819B1 - 리튬 이온 2차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이온 2차 전지에 관한 것으로, 전극판의 높이를 높여 용량을 증가시키고, 고가의 부품수를 줄여 제품 가격을 낮출 수 있도록, 양극 전극판, 음극 전극판 및 분리막이 원기둥 형태로 다수회 권취되어 형성된 전극 조립체와, 원통 형태로 일정 직경을 갖는 원통면이 형성되고, 상기 원통면의 하부에는 하면이 형성된 동시에, 상부는 개구되어 상기 전극 조립체가 결합되는 원통형 캔과, 상기 캔의 상부에 용접되어, 상기 전극 조립체가 외부로 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체와, 상기 캔에 주입된 전해액을 포함하여 이루어진 리튬 이온 2차 전지가 제공되어, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA 등의 전원 용도로 사용됨.

Description

리튬 이온 2차 전지{Lithium ion secondary battery}

본 발명은 리튬 이온 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면 전극판의 높이를 높여 용량을 증가시키고, 고가의 부품수를 줄여 제품 가격을 낮출 수 있는 리튬 이온 2차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 리튬 이온 2차 전지는 그 외형에 따라 원통형, 각형 및 파우치(pouch) 형태로 분류된다. 이중에서 위의 원통형 리튬 이온 2차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극 전극판, 음극 활물질이 부착된 음극 전극판 및 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 분리막이 원통 형태로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 결합되는 원통형 캔과, 상기 원통형 캔을 막아 상기 전극 조립체의 이탈을 억제하는 캡 조립체와, 상기 캔 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.

이러한 리튬 이온 2차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극 전극판, 음극 활물질이 부착된 음극 전극판 및 분리막을 적층한 후, 이를 원통 형태로 권취하여 전극 조립체를 제조한다. 이어서, 위의 전극 조립체를 원통형의 캔에 넣은 후 상기 전극 조립체가 이탈되지 않도록 위의 전극 조립체 상부인 캔의 소정 영역을 비딩(beading)하고, 이어서 전해액을 주입한다. 이어서 캔의 상부에 캡 조립체를 조립한 후, 마지막으로, 위의 캔 상단을 크리핑(criping)함으로써, 상기 캡 조립체가 원통형 캔에 기계적으로 강하게 결합 및 고정되도록 하여 리튬 이온 2차 전지를 완성한다.

한편, 이러한 리튬 이온 2차 전지에서 상기 캡 조립체는 통상 외주연에 링 형태로 형성된 절연 가스켓, 상기 절연 가스켓 내측에 위치되는 양극 벤트, 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 양성온도소자(PTC: Positive Temperature Coefficient) 및 양극캡으로 이루어져 있는데, 이중 상기 인쇄회로기판 및 양성온도소자는 그 가격이 매우 고가여서, 이를 이용한 원통형 리튬 이온 2차 전지의 가격을 대폭 상승시키는 원인으로 작용하고 있다.

또한, 상기 비딩 및 크리핑 공정으로 인해 상기 전극 조립체에서 양극캡까지의 거리가 비교적 멀어지게 되고, 따라서 상대적으로 전체 캔의 높이 중에서 전극판이 차지하는 높이가 작아져 전지 용량 증대에 한계가 있다. 즉, 전체 캔의 높이중 전극판의 높이가 대부분을 차지하게 되면, 전지 용량이 극대화되지만, 종래의 구조에서는 비딩 및 크리핑으로 불가결하게 전극판의 높이에 손실이 발생한다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전극판의 높이를 높여 용량을 증가시키고, 고가의 부품수를 줄여 제품 가격을 낮출 수 있는 리튬 이온 2차 전지를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 리튬 이온 2차 전지는 양극 전극판, 음극 전극판 및 분리막이 원기둥 형태로 다수회 권취되어 형성된 전극 조립체와, 원통 형태로 일정 직경을 갖는 원통면이 형성되고, 상기 원통면의 하부에는 하면이 형성된 동시에, 상부는 개구되어 상기 전극 조립체가 결합되는 원통형 캔과, 상기 캔의 상부에 용접되어, 상기 전극 조립체가 외부로 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체와, 상기 캔에 주입된 전해액을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전극 조립체는 상기 양극 전극판에 일정 길이를 갖는 양극탭이 형성되어 상부로 연장될 수 있고, 상기 음극 전극판에는 일정 길이를 갖는 음극탭이 형성되어 원통형 캔의 하면에 용접될 수 있다.

또한, 상기 캡 조립체는 상기 양극탭이 용접된 동시에 상부로 돌출된 양극 단자와, 상기 양극 단자의 외주연을 감싸는 절연 가스켓과, 상기 절연 가스켓의 외주연에 결합된 동시에, 하부에는 상기 원통형 캔의 원통면이 레이저 용접되어 고정된 원판 형태의 캡 플레이트로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전극 조립체는 상부에 원판 형태의 상부 절연 플레이트가 결합될 수 있고, 하부에도 원판 형태의 하부 절연 플레이트가 결합될 수 있다.

또한, 상기 원통형 캔은 상기 전극 조립체가 상,하 방향으로 유동하지 못하도록, 상기 원통면의 내측으로서 상부 절연플레이트의 상부에 일정 길이 돌출된 돌기부가 형성될 수 있다.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 리튬 이온 2차 전지는 고가의 인쇄회로기판(PCB) 및 양성온도소자(PTC) 등을 채택하지 않음으로써, 리튬 이온 2차 전지의 가격을 대폭 저하시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래의 비딩 및 크리핑 공정을 제거할 수 있어, 제조 공정이 단순할 뿐만 아니라, 전극 조립체의 높이를 증가시킬 수 있게 되어, 결국 전지 용량을 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 종래의 비딩 및 크리핑에 의한 공간은 수mm에 이르는데, 이 공간에 그만큼 높이가 증가된 전극 조립체를 결합함으로써, 실제 전지 용량이 대략 5~7% 정도 향상되는 장점이 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이온 2차 전지(100)의 사시도가 도시되어 있고, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이온 2차 전지(100)의 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 3을 참조하면, 도 1의 1-1선 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 리튬 이온 2차 전지(100)는 전압차를 발생시키는 대략 원기둥 형태의 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)가 수납되는 대략 원통 형태의 캔(120)과, 상기 원통형 캔(120)의 상부에 레이저 용접되어 상기 전극 조립체(110)가 상부로 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(130)와, 상기 원통형 캔(120)에 주입되어 전극 조립체(110)에서 이온 이동이 가능하게 하는 전해액(140)으로 이루어져 있다.

먼저 상기 전극 조립체(110)는 양극 활물질(예를 들면 코발트산리튬(LiCoO2))(도시되지 않음)이 부착된 양극 전극판(115), 음극 활물질(예를 들면 흑연)(도시되지 않음)이 부착된 음극 전극판(113) 및 양극 전극판(115)과 음극 전극판(113) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 분리막(114)으로 이루어져 있으며, 위의 양극 전극판(115), 음극 전극판(113) 및 분리막(114)은 대략 원기둥 형태로 권취되어 원통형 캔(120)에 수납된다. 여기서, 상기 양극 전극판(115)은 알루미늄(Al) 포일, 상기 음극 전극판(113)은 구리(Cu) 포일, 상기 분리막(114)은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극 전극판(115)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극 리드(111)가 용접될 수 있고, 상기 음극 전극판(113)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극 리드(117)가 용접될 수 있다. 상기 양극 리드(111)는 알루미늄(Al) 재질, 상기 음극 리드(117)는 니켈(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.

상기 원통형 캔(120)은 대략 원통 형태로서 일정 직경을 갖는 원통면(121)이 형성되고, 상기 원통면(121)의 하부에는 대략 원판 형태의 하면(122)이 형성되어 있으며, 상부는 개구되어 있다. 따라서, 상기 전극 조립체(110)는 상기 원통형 캔(120)의 상부를 통해 하부로 삽입될 수 있다. 여기서, 상기 전극 조립체(110)의 음극 리드(117)는 상기 원통형 캔(120)의 하면(122)에 용접되어 있으며, 따라서 상기 원통형 캔(120)은 음극으로 작용하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(120)은 상기 전극 조립체(110)가 상,하 방향으로 유동하지 못하도록, 상기 원통면(121)의 내측으로서 하기할 상부 절연판(112)의 상부에 일정 길이 돌출된 돌기(123)가 형성되어 있다. 이러한 원통형 캔(120)은 통상 알루미늄(Al), 철(Fe), 합금 또는 이의 등가물로 형성 가능하며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.

상기 캡 조립체(130)는 중앙에 대략 원기둥 형태의 양극 단자(131)가 구비되고, 상기 양극 단자(131)를 절연시키기 위해 그 외주연에는 절연 가스켓(132)이 결합되어 있으며, 상기 절연 가스켓(132)의 외주연에는 대략 원판 형태의 캡 플레이트(133)가 결합되어 있다. 이러한 캡 플레이트(133)는 그 둘레의 하면(122)이 상기 원통형 캔(120)의 원통면(121)중 상부 영역에 레이저 용접되어 있다. 또한, 상기 캡 플레이트(133) 역시 통상의 알루미늄(Al), 철(Fe), 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 상기 양극 단자(131)의 하면(122)은 상기 전극 조립체(110)의 양극 전극판(115)에 형성된 양극 리드(111)의 상단이 접속된다. 더불어, 상기 양극 단자(131)중 상기 캡 플레이트(133)의 하부에 위치하는 영역에는 그 양극 단자(131)가 상,하로 유동하지 않도록, 대략 원판 형태의 절연판(134) 및 단자판(135)이 더 결합되어 있다.

위와 같이 함으로서, 본 발명에 의한 리튬 이온 2차 전지(100)는 원통형 캔(120)에 어떠한 비딩(beading)이나 크리핑(criping)이 수행되지 않고, 대신 캡 조립체(130)가 직접 원통형 캔(120)의 레이저 용접됨으로서, 비딩이나 크리핑에 의한 높이 손실이 발생하지 않게 된다. 따라서, 본 발명은 상기 원통형 캔(120)에 수납되는 전극 조립체(110)의 높이를 종래에 비해 수mm 이상 증가시킬 수 있게 됨으로써, 대략 전지 용량을 5~7% 정도 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 전해액(140)은 충방전시 전지(100) 내부의 양극 및 음극에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있다.

이러한 리튬 이온 2차 전지(100)의 제조 방법은 크게 전극 제조 공정과 조립 공정 등으로 이루어져 있다.

먼저 상기 전극 제조 공정은 코발트산리튬 및 흑연 등을 계량하여 적절한 바인더(binder) 및 솔벤트(solvent)와 혼합한 후, 상기 코발트산리튬 등은 양극 전극판(115)이 되는 알루미늄 포일에 코팅하고, 상기 흑연 등은 음극 전극판(113)이 되는 구리 포일에 코팅한 후, 적절한 크기로 절단함으로서 전극을 제조한다. 물론, 이때 상기 양극 전극판(115)에는 양극 리드(111)를, 상기 음극 전극판(113)에는 음극 리드(117)를 용접한다.

이어서 상기 조립 공정은 위의 양극 전극판(115) 및 음극 전극판(113)을 진공 건조한 후, 그 사이에 분리막(114)을 위치시킨 채 대략 원기둥 형태로 다수회 와인딩(winding) 즉, 권취한 후, 이를 원통형 캔(120)에 삽입한다. 이어서, 음극 전극판(113)에 형성된 음극 리드(117)를 원통형 캔(120)의 하면(122)에 용접하고, 양극 전극판(115)에 형성된 양극 리드(111)는 캡조립체(130)의 양극 단자(131)에 용접한 후, 전해액(140)을 주입한다. 마지막으로 상기 캡조립체(130)중 원판 형태의 캡 플레이트(133)를 원통형 캔(120)에 레이저 용접하여 완전한 형태의 리튬 이온 2차 전지(100)를 완성한다.

마지막으로, 이러한 리튬 이온 2차 전지(100)는 충전하여 활성화시키며, 이때의 전기적 특성을 검사하여 불량품을 선별한다. 물론, 이러한 공정을 통과한 2차 전지(100)는 통상의 배터리팩 제조 공정으로 보내진다.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 리튬 이온 2차 전지는 고가의 인쇄회로기판(PCB) 및 양성온도소자(PTC) 등을 채택하지 않음으로써, 리튬 이온 2차 전지의 가격을 대폭 저하시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 비딩 및 크리핑 공정을 제거할 수 있어, 제조 공정이 단순할 뿐만 아니라, 전극 조립체의 높이를 증가시킬 수 있게 되어, 결국 전지 용량을 향상시키는 효과가 있다. 즉, 종래의 비딩 및 크리핑에 의한 공간은 수mm에 이르는데, 이 공간에 그만큼 높이가 증가된 전극 조립체를 결합함으로써, 실제 전지 용량이 대략 5~7% 정도 향상되는 효과가 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 리튬 이온 2차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이온 2차 전지를 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 리튬 이온 2차 전지를 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 1의 1-1선 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100; 본 발명에 의한 리튬 이온 2차 전지

110; 전극 조립체 111; 양극 리드

112; 상부 절연판 113; 음극 전극판

114; 분리막 115; 양극 전극판

116; 하부 절연판 117; 음극 리드

120; 원통형 캔 121; 원통면

122; 하면 123; 돌기

130; 캡 조립체 131; 양극 단자

132; 절연 가스켓 133; 캡 플레이트

134; 절연 플레이트 135; 단자 플레이트

140; 전해액

Claims (5)

1. 양극 전극판, 음극 전극판 및 분리막이 원기둥 형태로 다수회 권취되어 형성된 전극 조립체;

   원통 형태로 일정 직경을 갖는 원통면이 형성되고, 상기 원통면의 하부에는 하면이 형성된 동시에, 상부는 개구되어 상기 전극 조립체가 결합되는 원통형 캔;

   상기 캔의 상부에 용접되어, 상기 전극 조립체가 외부로 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체; 및,

   상기 캔에 주입된 전해액을 포함하여 이루어진 리튬 이온 2차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 양극 전극판에 일정 길이를 갖는 양극탭이 형성되어 상부로 연장되고, 상기 음극 전극판에는 일정 길이를 갖는 음극탭이 형성되어 원통형 캔의 하면에 용접된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 양극탭이 용접된 동시에 상부로 돌출된 양극 단자와, 상기 양극 단자의 외주연을 감싸는 절연 가스켓과, 상기 절연 가스켓의 외주연에 결합된 동시에, 하부에는 상기 원통형 캔의 원통면이 레이저 용접되어 고정된 원판 형태의 캡 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상부에 원판 형태의 상부 절연 플레이트가 결합되어 있고, 하부에도 원판 형태의 하부 절연 플레이트가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 원통형 캔은 상기 전극 조립체가 상,하 방향으로 유동하지 못하도록, 상기 원통면의 내측으로서 상부 절연플레이트의 상부에 일정 길이 돌출된 돌기부가 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.