KR100580972B1

KR100580972B1 - 전지

Info

Publication number: KR100580972B1
Application number: KR1020040000913A
Authority: KR
Inventors: 김성우; 유지상
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2006-05-17
Also published as: KR20050072566A

Abstract

본 발명은 전지에 관한 것으로, 양극판 및 음극판으로 구성되는 전극조립체와; 이 전극조립체의 해당 전극탭에 고정되는 전극단자와; 이 두 전극단자가 외부로 노출되도록 감싸는 전지케이스로 이루어지는 전지에 있어서, 상기 각 전극단자에 연결되는 해당 전극탭은 양극판과 음극판의 호일의 저항보다 낮은 저항을 갖는 것을 특징으로 한다. 여기에서, f는 양극판과 음극판의 폭, d는 전극탭의 폭, a는 전극탭의 길이, 그리고 g는 양극판과 음극판의 길이이다. 그에 따라, 본 발명은 전지를 대전류로 방전하거나 충전하는 가혹한 사용환경 속에서 사용하여도 전극탭 또는 전극단자의 발열로 인한 전지의 성능저하, 전극단자의 용융파손, 또는 전지의 폭발 등과 같은 문제를 발생시키지 않게 되며, 그에 따라 전지의 수명, 내구성 및 신뢰도를 높이고, 아울러 전지의 안전성도 크게 향상시킬 수 있게 한다.

전극단자, 전지, 리튬

Description

전지{BATTERY}

도 1은 일반적인 리튬폴리머전지의 구성을 보여주는 개략 평면도.

도 2는 도 1의 리튬폴리머전지의 개략 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 전지를 보여주는 개략 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 전극조립체 1a: 전극탭

1aa: 양극탭 1aa': 음극탭

1b: 전극단자 1bb: 양극단자

1bb': 음극단자 2: 전지케이스

3: 접착필름

본 발명은 전지에 관한 것으로, 특히 전지의 대전류 충방전시 전극탭 또는 전극단자에서의 저항이 증가하여 해당 전극탭 또는 전극단자로부터 과도하게 발생되는 줄열이 전지 내부로 전달되어 긍극적으로 전지의 성능저하, 에너지 손실, 또는 폭발 등과 같은 안전상의 문제를 일으키게 되는 것을 미연에 방지할 수 있도록 하는 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 고출력을 필요로 하는 전기자동차 등에는 한 개의 단위전지가 낼 수 있는 출력과 전력 저장용량이 매우 제한적이기 때문에 충분한 동력과 주행시간을 확보할 수 있도록 하기 위해 다수 개의 전지로 이루어진 리튬이차전지 모듈이 사용되게 된다.

종래의 리튬이차전지 모듈에 적용되는 리튬폴리머전지의 구조를 살펴보면, 리튬폴리머전지는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 양극판, 음극판 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(1)와; 이 전극조립체의 해당 전극탭(1a)과 연결되는 각 전극단자(1b)가 외부로 돌출되도록 수용함과 아울러, 안에 일정량의 전해질이 주입된 다음 본체부분과 커버부분의 각 개구된 모서리가 열융착되는 전지케이스(2)로 이루어져 있다. 또한, 상기 각 전극단자(1b)의 일부분에는 그 전지케이스와의 밀봉이 완벽하게 이루어지도록 접착필름(3)이 감겨져 있다.

그러나, 전술한 바와 같은 다수 개의 전지셀로 이루어진 이차전지 모듈이 고출력을 필요로 하고, 게다가 대전류 충방전이 수시로 반복해서 발생되는 전기자동차 등과 같은 이동수단에 적용되는 경우, 각 전지셀의 전극단자 자체에서 저항의 증가로 인해 줄열이 과도하게 발생되어 그 전지셀의 내부로 전해져 궁극적으로 이차전지 모듈 전체의 성능저하, 전극단자의 용융 파손, 또는 전지의 폭발 등과 같은 안전상의 문제를 발생시켰다.

또한, 지금까지는 원통형 전지, 각형 전지, 폴리머 전지 등에서 발생되는 열을 냉각방식을 통해 해결하고자 하거나, 또는 전자 전도도가 높은 단자재료를 통해 해결하려 하였을 뿐 전지의 전극탭 또는 전극단자의 저항을 줄여 줄열을 낮추려는 시도가 없었다.

이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 전극탭의 전기저항을 줄여 전극탭에서 발생되는 줄열에 의한 온도가 전지 내부의 온도보다 높지 않도록 하는 전지를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전극단자의 전기저항을 줄여 전극단자에서 발생되는 줄열에 의한 온도가 전지 내부의 온도보다 높지 않도록 하는 전지를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전지는 양극판 및 음극판으로 구성되는 전극조립체와; 이 전극조립체의 해당 전극탭에 고정되는 전극단자와; 이 두 전극단자가 외부로 노출되도록 감싸는 전지케이스로 이루어지는 전지에 있어서, 상기 각 전극단자에 연결되는 해당 전극탭은 양극판과 음극판의 호일의 저항보다 낮은 저항을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 리튬폴리머전지의 개략 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전지를 보여주는 개략 평면도이다.

본 발명에 따른 전지는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 양극판 및 음극판으로 구성되는 전극조립체(1)와; 이 전극조립체의 해당 전극탭(1a)에 고정되는 전극 단자(1b)와; 이 두 전극단자가 외부로 노출되도록 감싸는 전지케이스(2)로 이루어지는 전지에 있어서,

상기 각 전극단자(1b)에 연결되는 해당 전극탭(1a)은 양극판과 음극판의 호일의 저항보다 낮은 저항을 갖도록 되어 있다.

여기에서, 상기 해당 전극탭(1a)의 폭(d)은 하기 수학식 1을 만족시키도록 형성된다.

〔수학식 1〕

여기에서, f는 양극판과 음극판의 폭, d는 전극탭의 폭, a는 전극탭의 길이, 그리고 g는 양극판과 음극판의 길이임.

상기 수학식 1은 양극판과 음극판의 저항보다 전극탭의 저항이 낮도록 하기 위한 것으로서, 아래와 같은 설계조건을 통해 얻어질 수 있다.

즉, "전극탭 저항 ≤ 전극판 저항" 이고, "전극탭 비저항 ×전극탭 길이 / 전극탭 단면적 ≤전극판 비저항 ×전극판 길이 / 전극판 단면적"이다.

여기에서, 상기 전극탭은 전극판의 일부를 타발하여 형성되는 것이므로, 전극탭과 전극판은 동일재료이고 두께 또한 동일하며, 나아가 전극탭과 전극판의 비저항도 동일하다.

따라서, 상기 조건식에서 "전극탭 길이 /(전극탭 폭 ×전극탭 두께) ≤전극판 길이 /(전극판 폭 ×전극판 두께)" 이며, 이로부터 "전극탭 폭 ≥전극탭 길이 ×전극판 폭 / 전극판 길이"가 유도되어진다.

한편, 양극탭과 음극탭의 폭이 동일한 경우, 상기 각 전극탭은 전극판의 폭의 1/2보다 클 수 없으므로, "전극탭 폭 < 전극판 폭 /2" 이다.

그에 따라, 전술한 수학식 1을 통해 제작된 전지의 전극탭(1a)(양극탭 또는 음극탭)은 전지가 대전류로 방전되거나 충전되어도 그 전지 내부의 집전체 역할을 하는 양극판과 음극판의 저항보다 낮은 저항을 갖게 되며, 그 결과 전극탭의 줄열〔즉, 줄열 = (전류)² ×(저항)〕에 의한 상승온도가 전극판의 줄열에 의한 것보다 낮게 된다.

또한, 본 발명은 상기 각 전극단자(1b)에 연결되는 해당 전극탭(1a)의 단면적(d×k)이 하기 수학식 2를 만족시키도록 형성된다.

〔수학식2〕

여기에서, d는 전극탭의 폭, k는 전극탭의 두께, h는 양극판과 음극판의 개수, C_전지는 전지의 비열용량, C_전극탭은 전극탭의 비열용량, ρ_전극탭은 전극탭의 비전기저항, σ_전극탭은 전극탭의 밀도, W_전지는 전지의 무게, R_전지는 전지의 저항, q_전극탭은 전극탭의 열발생량에 대한 열발산량의 비, q_전지는 전지의 열발생량에 대한 열발산량의 비임. 또한, 상기 q_전극탭은 통상적인 사용 환경 하에서는 0.5 내지 1.0의 값을 갖 고 q_전지는 0 내지 0.5의 값을 갖는다.

상기 수학식 2는 전극탭의 비열용량, 밀도, 비전기저항, 단면적 및 열발생량에 대한 열발산량, 그리고 전지의 비열용량, 무게, 저항 및 열발생량에 대한 열발산량의 비를 통해 전극탭의 단면적을 얻어내는 것으로, 상기 전극탭의 줄열에 의한 상승온도가 전지내부의 상승온도보다 낮다는 설계개념에서 유도되어진 것이다.

그에 따라, 수학식 1에 기초하여 수학식 2를 통해 제작된 전지의 전극탭(1a)(양극탭 또는 음극탭)은 전지가 대전류로 방전되거나 충전되어도 그 전지 내부의 집전체 역할을 하는 양극판과 음극판의 온도보다 낮은 온도를 띠게 된다.

또한, 본 발명은 상기 각 전극단자(1b)의 단면적(c×m)이 하기 수학식 3을 만족시키도록 형성된다.

〔수학식 3〕

여기에서, c는 전극단자의 폭, m은 전극단자의 두께, d는 전극탭의 폭, k는 전극탭의 두께, C_전극탭은 전극탭의 비열용량, C_전극단자는 전극단자의 비열용량, ρ _전극단자는 전극단자의 비전기저항, ρ_전극탭은 전극탭의 비전기저항, σ_전극탭은 전극탭의 밀도, σ_전극단자는 전극단자의 밀도. q_전극단자는 전극단자의 열발생량에 대한 열발산량의 비, q_전극탭은 전극탭의 열발생량에 대한 열발산량의 비임. 또한, 상기 q_전극단자는 통상 적인 사용 환경 하에서는 0.5 내지 1.0의 값을 갖고 q_전지는 0 내지 0.5의 값을 갖는다.

상기 수학식 3은 각 전극탭과 전극단자의 비열용량, 밀도, 비전기저항, 단면적 및 열발생량에 대한 열발산량의 비를 통해 전극단자와 전극탭의 단면적의 비를 얻어내는 것으로, 상기 전극탭의 줄열에 의한 상승온도가 전지내부의 상승온도보다 낮다는 수학식 2의 전제하에 전극단자의 줄열에 의한 상승온도가 전극탭의 줄열에 의한 상승온도보다 낮다는 설계개념에서 유도되어진 것이다.

그에 따라, 전술한 수학식 3을 통해 제작된 전지의 전극단자(1b)(양극단자 또는 음극단자)는 전지가 대전류로 방전되거나 충전되어도 양극판과 음극판 뿐만 아니라 전극탭의 온도보다 낮은 온도를 띠게 된다.

한편, 본 발명은 전지의 양극단자와 음극단자 모두에 적용 가능할 뿐만 아니라 그중 어느 하나에만 적용하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같은 조건들을 만족하는 전지의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

〔실시예 1〕

도 2에서와 같이 양극판, 음극판 및 이들 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극군의 각 전극탭(1a)에 해당 전극단자(1b)를 연결하여 전극조립체(1)를 구성한 다음, 그 전극조립체를 전지케이스(2) 안에 위치시켜 일정량의 전해액을 주입한 후 그 전지케이스의 모서리중 개구된 모서리를 따라 열융착시켜 밀봉하였다.

여기에서, 상기 양극판은 폭 50mm, 길이 100mm, 두께 15㎛를 갖는 알루미늄 호일의 적어도 한 면에 리튬망간산화물, 탄소전도체 및 접착제를 혼합하여 도포하고, 아울러 활물질이 도포되지 않은 길이 10mm의 양극탭(1aa)에 길이 20mm인 알루미늄 재질의 양극단자(1bb)를 연결하여 형성하고, 상기 음극판은 폭 50mm, 길이 100mm, 두께 10㎛를 갖는 구리 호일의 적어도 한 면에 탄소 활물질과 접착제를 혼합하여 도포하고, 아울러 활물질이 도포되지 않은 길이 10mm의 음극탭(1aa')에 길이 20mm인 구리 재질의 음극단자(1bb')를 연결하여 형성하였다.

상기 전지의 내부저항은 50mOhm, 무게는 50g, 비열용량은 1000j/(kg·k), 열발생량에 대한 열발산량의 비는 0.5이었고, 전극단자의 열발생량에 대한 열발산량의 비는 0.9이었으며, 양극탭의 비열용량 897j/(kg·K), 비전기저항 2.65×10^-8Ohm·m, 밀도 2.70g/cm³이고, 음극탭의 비열용량 385j/(kg·K), 비전기저항 1.70×10^-8Ohm·m, 밀도 8.96g/cm³이었다.

또한, 전극단자는 전극탭과 동일한 재료로 이루어지므로, 그 전극단자의 비열용량, 비전기저항, 밀도 및 열발생량에 대한 열발산량의 비는 전술한 전극탭의 해당값과 동일하다.

한편, 상기 양극판 10장과 음극판 11장은 분리막을 사이에 두고 차례로 적층되었으며, 전해액은 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC) 및 리튬염(LiPF₆)를 포함하는 용액을 사용하였고, 그 밖에 전지케이스는 알루미늄 박막 의 상하면 위에 열접착성 물질이 적층된 형태의 절연성필름재질을 사용하였다.

상기 전지에 있어서, 양극탭(1aa)과 음극탭(1aa')의 폭은 수학식 1로부터 아래와 같은 값으로 계산되었다.

〔수학식 4〕 25mm >d≥5mm

또한, 양극탭의 단면적은 수학식 2로부터 아래와 같은 값으로 계산되었다.

〔수학식 5〕 d×k≥0.148mm²

또한, 양극단자의 단면적은 수학식 3으로부터 아래와 같은 값으로 계산되었다.

〔수학식 6〕 c×m≥1.479mm²

또한, 음극탭의 단면적은 수학식 2로부터 아래와 같은 값으로 계산되었다.

〔수학식 7〕 d×k≥0.090mm²

또한, 음극단자의 단면적은 수학식 3으로부터 아래와 같은 값으로 계산되었다.

〔수학식 8〕 c×m≥0.993mm²

상기 관계식들을 통해 표 1에 제시한 바와 같이 다양한 크기의 폭을 갖는 양극탭 및 음극탭과, 다양한 크기의 폭과 두께를 갖는 양극단자와 음극단자로 구성되는 전지를 제조하였고(시료번호 1,2,3), 아울러 기술비교를 위해 상기 관계식에 위배되는 전지를 제조하였으며(시료번호 4), 상기 전지들을 20A의 등전류로 50초 동 안 상온에서 방전시키는 조건하에서 전지의 내부온도, 양극탭과 음극탭의 온도, 양극단자와 음극단자의 온도를 각각 측정하여 표 2에 제시하였다.

시료번호	양극탭	음극탭	양극단자		음극단자
시료번호	폭(mm)	폭(mm)	폭(mm)	두께(mm)	폭(mm)	두께(mm)
1	10	10	5	0.3	5	0.3
2	10	10	10	0.2	10	0.2
3	20	20	20	0.1	20	0.1
4	5	5	5	0.1	5	0.1

시료번호	양극탭 온도(℃)	음극탭 온도(℃)	양극단자 온도(℃)	음극단자 온도(℃)	전지 온도(℃)
1	35	33	35	29	36
2	34	31	30	27	35
3	32	29	30	27	35
4	64	58	113	64	54

실시예 1에서 제조한 시료번호 1,2,3의 전지는 대전류로 방전하였을 때 전지 내부의 온도보다 양극탭과 양극단자 및 음극탭과 음극단자의 온도가 낮게 유지되었으며, 그에 따라 전지가 과열되어 부풀거나 성능의 저하가 일어나지 않았고, 폭발 등의 문제를 일으키지 않았다.

그러나, 실시예 1에서 제조한 시료번호 4의 전지는 양극단자 및 음극단자에서 발생한 열이 양극탭과 음극탭을 통해 전지내부로 전달되어 전지의 온도가 기존 보다 19℃ 가량 높게 상승되었으며, 방전 이후에는 전지의 용량이 저하되는 문제가 발생하였다.

〔실시예 2〕

도 2에서와 같이 양극판, 음극판 및 이들 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극군의 각 전극탭(1a)에 해당 전극단자(1b)를 연결하여 전극조립체(1)를 구성 한 다음, 그 전극조립체를 전지케이스(2) 안에 위치시켜 일정량의 전해액을 주입한 후 그 전지케이스의 모서리중 개구된 모서리를 따라 열융착시켜 밀봉하였다.

여기에서, 상기 양극판은 폭 100mm, 길이 150mm, 두께 20㎛를 갖는 알루미늄 호일의 적어도 한 면에 리튬코발트산화물, 탄소전도체 및 접착제를 혼합하여 도포하고, 아울러 활물질이 도포되지 않은 길이 30mm의 양극탭(1aa)에 길이 10mm인 알루미늄 재질의 양극단자(1bb)를 연결하여 형성하고, 상기 음극판은 폭 100mm, 길이 150mm, 두께 15㎛를 갖는 구리 호일의 적어도 한 면에 탄소 활물질과 접착제를 혼합하여 도포하고, 아울러 활물질이 도포되지 않은 길이 30mm의 음극탭(1aa')에 길이 10mm인 구리 재질의 음극단자(1bb')를 연결하여 형성하였다.

상기 전지의 내부저항은 20mOhm, 무게는 200g, 비열용량은 1500j/(kg·k), 열발생량에 대한 열발산량의 비는 0.4이었고, 전극단자의 열발생량에 대한 열발산량의 비는 0.95이었으며, 양극탭의 비열용량 897j/(kg·K), 비전기저항 2.65×10^-8Ohm·m, 밀도 2.70g/cm³이고, 음극탭의 비열용량 385j/(kg·K), 비전기저항 1.70×10^-8Ohm·m, 밀도 8.96g/cm³이었다.

한편, 상기 양극판 20장과 음극판 21장은 분리막을 사이에 두고 차례로 적층되었으며, 전해액은 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC) 및 리튬염(LiPF₆)를 포함하는 용액을 사용하였고, 그 밖에 전지케이스는 알루미늄 박막의 상하면 위에 열접착성 물질이 적층된 형태의 절연성필름재질을 사용하였다.

〔수학식 9〕 50mm >d≥6.667mm

〔수학식 10〕 d×k≥0.185mm²

〔수학식 11〕 c×m≥3.698mm²

〔수학식 12〕 d×k≥0.118mm²

〔수학식 13〕 c×m≥4.706mm²

상기 관계식들을 통해 표 3에 제시한 바와 같이 다양한 크기의 폭을 갖는 양극탭 및 음극탭과, 다양한 크기의 폭과 두께를 갖는 양극단자와 음극단자로 구성되는 전지를 제조하였고(시료번호 5,6,7), 아울러 기술비교를 위해 상기 관계식에 위 배되는 전지를 제조하였으며(시료번호 8), 상기 전지들을 50A의 등전류로 100초 동안 상온에서 방전시키는 조건하에서 전지의 내부온도, 양극탭과 음극탭의 온도, 양극단자와 음극단자의 온도를 각각 측정하여 표 4에 제시하였다.

시료번호	양극탭	음극탭	양극단자		음극단자
시료번호	폭(mm)	폭(mm)	폭(mm)	두께(mm)	폭(mm)	두께(mm)
5	10	10	10	0.5	10	0.5
6	10	10	20	0.3	20	0.3
7	20	20	30	0.2	30	0.2
8	10	10	5	0.2	5	0.2

시료번호	양극탭 온도(℃)	음극탭 온도(℃)	양극단자 온도(℃)	음극단자 온도(℃)	전지 온도(℃)
5	34	34	30	34	35
6	34	32	29	31	34
7	33	32	29	31	34
8	135	189	162	246	92

실시예 2에서 제조한 시료번호 5,6,7의 전지는 대전류로 방전하였을 때 전지 내부의 온도보다 양극탭과 양극단자 및 음극탭과 음극단자의 온도가 낮게 유지되었으며, 그에 따라 전지가 과열되어 부풀거나 성능의 저하가 일어나지 않았고, 폭발 등의 문제를 일으키지 않았다.

그러나, 실시예 2에서 제조한 시료번호 8의 전지는 양극단자 및 음극단자에서 발생한 열이 양극탭과 음극탭을 통해 전지내부로 전달되어 전지의 온도가 기존 보다 더 상승되었으며, 방전 도중 전지가 부풀면서 폭발하는 문제가 발생하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 전지를 대전류로 방전하거나 충전하는 가혹한 사용환경 속에서 사용하여도 전극탭 또는 전극단자의 발열로 인한 전지의 성능저 하, 전극단자의 용융파손, 또는 전지의 폭발 등과 같은 문제를 발생시키지 않게 되며, 그에 따라 전지의 수명, 내구성 및 신뢰도를 높이고, 아울러 전지의 안전성도 크게 향상시킬 수 있게 한다.

Claims

양극판 및 음극판으로 구성되는 전극조립체와; 이 전극조립체의 각 전극판의 일부분에 형성된 전극탭에 고정되는 전극단자와; 이 두 전극단자가 외부로 노출되도록 그 전극조립체를 감싸는 전지케이스로 이루어지는 전지에 있어서,

상기 각 전극탭의 저항이 해당 양극판 또는 음극판 호일의 저항보다 낮도록 상기 각 전극탭의 폭(d)은 하기 수학식 1을 만족시키고, 그 각 전극탭의 단면적(d×k)은 하기 수학식 2를 만족시키며,

상기 각 전극탭은 해당 양극판 또는 음극판과 동일체로 형성된 것을 특징으로 하는 전지:

〔수학식 1〕

여기에서, f는 양극판과 음극판의 폭, d는 전극탭의 폭, a는 전극탭의 길이, 그리고 g는 양극판과 음극판의 길이임,

〔수학식2〕

여기에서, d는 전극탭의 폭, k는 전극탭의 두께, h는 양극판과 음극판의 개수, C_전지는 전지의 비열용량, C_전극탭은 전극탭의 비열용량, ρ_전극탭은 전극탭의 비전기저항, σ_전극탭은 전극탭의 밀도, W_전지는 전지의 무게, R_전지는 전지의 저항, q_전극탭은 전극탭의 열발생량에 대한 열발산량의 비, q_전지는 전지의 열발생량에 대한 열발산량의 비임.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 각 전극단자의 단면적(c×m)이 하기 수학식 3을 만족시키도록 형성되는 것인 전지:

〔수학식 3〕

여기에서, c는 전극단자의 폭, m은 전극단자의 두께, d는 전극탭의 폭, k는 전극탭의 두께, C_전극탭은 전극탭의 비열용량, C_전극단자는 전극단자의 비열용량, ρ _전극단자는 전극단자의 비전기저항, ρ_전극탭은 전극탭의 비전기저항, σ_전극탭은 전극탭의 밀도, σ_전극단자는 전극단자의 밀도, q_전극단자는 전극단자의 열발생량에 대한 열발산량의 비, q_전극탭은 전극탭의 열발생량에 대한 열발산량의 비임.