KR100599597B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것으로, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군; 상기 전극군이 수납되는 캔; 상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및, 상기 양극판과 음극판에 선택적으로 결합되는 집전판;을 포함하고, 적어도 어느 하나의 상기 극판이 길이 방향의 일 단부를 따라 형성되는 제1 무지부와, 상기 극판의 폭 방향으로 복수의 제2 무지부를 포함해서 이루어진다.

이차 전지, 집전판, 무지부, 용접, 전극 조립체, 절개

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체{SECONDARY BATTERY AND ELECTRODES ASSEMBLY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.

도 3 은 본 발명의 일 예에 따른 양극판의 모습을 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 양극판의 모습을 보여주는 도면이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 용접성을 개선한 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 전지 셀을 팩 형태로 포장하여 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '소형 전지)와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 전지 팩 단위의 모터 구동용 대용량 이차 전지(이하, '대형 전지')로 구분할 수 있다.

이중, 소형 전지는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되며, 대형 전지는 하이브리드 자동차에서처럼 모터 구동 용 전원으로 사용된다.

소형 전지가 하나의 셀로서 구성될 때에는 주로 원통형이나 사각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체(또는, 젤리롤)를 형성하고, 이를 원통형의 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.

그리고, 상기 양, 음극판에는 리드 단자 즉, 전지의 작용시 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되며, 이 도전성 탭은 전극 조립체에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.

이처럼 구성된 소형 전지의 구조를 그대로 대형 전지에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 대형전지의 동작 특성을 만족시키지 못하기 때문에, 전극군을 형성할 때, 약 5미터(m) 길이의 극판을 사용하게 된다.

또한, 소형 전지의 탭 구조에 의한 전극군 연결 방식을 대신해서 접촉 면적을 증대한 판상의 집전판 구조가 제안되었으며, 소형전지의 탭 구조를 대신하는 무지부의 구조가 새롭게 제안되었다.

그런데, 극판들이 도체로 이루어진 집전체에 페이스트(paste) 상(象)에 활물질을 도포하고 이를 롤러와 같은 기계적 수단을 통해 집전체를 압연하는 것으로 만들어지기 때문에, 연신율의 차이에 의한 극판의 휨 현상이 발생하게 되었다. 보다 구체적으로는, 압연 과정에서 발생하는 페이스트(paste) 상의 활물질이 도포된 극판의 유지부 영역과, 이 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역의 서로 상이한 연신 율로 인해서 극판이 휘게 되는 문제가 발생한다.

한편으로는, 약 5미터 정도 길이의 극판들을 서로 횡권해서 전극군을 형성하게 되므로, 부피가 커지는 단점이 있다. 때문에, 극판간 공극을 줄여 부피를 줄이고는 있으나, 이로 인한 새로운 문제로 전극군을 전해질에 함침시키기 어렵게 하고 있다.

이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결해서, 극판의 휨 현상을 개선한 본 발명의 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전극군을 진해질에 쉽게 함침시킬 수 있도록 구성한 본 발명의 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 순간적인 출력을 좋게 해서 하이브리드 전기 자동차와 같이 대형 전지가 요구되는 산업 분야에 적용 가능한 이차전지를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서 제공하는 이차 전지는,

세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;

상기 전극군이 수납되는 캔;

상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및,

상기 양극판과 음극판에 선택적으로 결합되는 집전판;을 포함하고,

적어도 어느 하나의 상기 극판이 길이 방향의 일 단부를 따라 형성되는 제1 무지부와, 상기 극판의 폭 방향으로 복수의 제2 무지부를 형성하고 있다.

바람직하게, 상기 제2 무지부는 상기 제1 무지부가 형성된 단부와 마주하는 단부에서 시작을 해서 상기 제1 무지부로 연장 형성되고, 상기 제2 무지부의 사이간 간격은 상기 전극군의 중심을 향할수록 더 조밀해지도록 형성함이 바람직하다.

또한, 상기 제2 무지부의 사이간 간격이 30(cm) 이상으로 형성하거나, 폭 크기는 5(mm) 이상으로 형성함이 바람직하다.

이때, 상기 제2 무지부의 형상은 상기 제1 무지부를 향하는 침상(針狀)으로 이루어진다.

이처럼 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 상술한 구조의 셀 단위로 이차전지가 직렬로 복수개 연결되어 하이브리드 전기 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)용도로 사용됨이 바람직하다.

그리고, 다른 실시예에서 제공하는 본 발명은 이차 전지용 전극 조립체로,

세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군; 및,

적어도 어느 하나의 상기 극판이 길이 방향의 일 단부를 따라 형성되는 제1 무지부와, 상기 극판의 폭 방향으로 복수의 제2 무지부;를 포함해서 이루어진다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다. 이를 참조해서 본 발명의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 이차전지는 원통형 또는 육면체와 같은 각형의 형상을 가지며 일부가 개방된 캔(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(23) 및 음극판(22)을 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 가스켓(32)을 매개로 캔(11)의 개방된 부분을 캡 조립체(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.

본 실시예에서, 캔(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 전극 조립체(20)가 삽입 안착될 수 있는 공간이 형성된 원통형으로 형성됨이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.

다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이를 귄취해서 형성한 전극군(25)과, 상기 전극군(25)의 길이 방향 단부(도면에서는 위, 아래)에 형성된 제1 무지부(22b, 23b)와 선택적으로 연결된 양, 음극 집전판(70, 50)을 포함해서 이루어진다.

그리고, 상기 양극판(23) 및 음극판(22)을 포함하는 극판에는 그 폭 방향으로 형성되는 제2 무지부(23d, 22d)를 더 포함하는데, 이 제2 무지부(23d, 22d)는 활물질을 집전체에 압연하는 과정에서 극판이 휘는 것을 방지한다.

이처럼 구성되는 본 실시예에 의한 전극 조립체(20)에 대해서는 도면을 달리해서 아래에서 자세히 설명한다.

한편, 도 1에서는 캔(11)에 젤리롤 타입의 전극 조립체(20)가 위치하는 경우 를 예를 들어 도시하였으며, 이하에서도 이를 기준으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.

그리고, 캡 조립체(30)는 외부 단자(31a)를 가지는 캡 플레이트(31)와, 상기 캔(11)과 상기 캡 플레이트(31)를 절연시키는 가스킷(32)을 포함하는데, 이 캡 조립체(30)에는 내부 압력을 완충시킬수 있는 공간부를 가지며 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전변(미도시)을 가지는 밴트 플레이트(33)가 더욱 포함될 수 있다. 상기 안전변은 밴트 플레이트(33)에 형성된 것에 한정되지 않고, 설정된 압력하에서 전극 조립체(20)와 외부단자(31a)를 전기적으로 단선시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

또한, 상기 가스킷(32)은 절연 물질로 구성되어서 캔(11)을 밀봉하면서도 양극으로 이루어지는 캡 조립체(30)와 음극으로 이루어지는 캔(11) 사이를 절연시키게 된다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 후술될 것이다.

이처럼 구성된 캡 조립체(30)는 리드선(60)을 통해서 본 발명에 따른 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결된다.

이하, 본 실시예에 따른 전극 조립체에 대해서 설명한다.

먼저, 도 2를 가지고 전극 조립체의 일부를 구성하는 전극군에 대해서 설명하고, 다음으로 전극군에 집전판을 결합해 이루어진 전극 조립체를 설명한다.

본 실시예에서, 전극군(25)은 양극판(23)과 음극판(22)에 제1 무지부(22b, 23b)를 길이 방향(도면의 X 방향)의 단부(23c, 22c)를 따라 형성한 상태에서, 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 교대로 횡권되어 이루어진다. 이때, 극판에는 상기 제1 무지부(23b, 22b)와 교차하게 되는 방향, 즉 극판의 폭 방향(도면의 Y 방향)을 따라서는 제2 무지부(23d, 22d)가 더 형성된다. 이 제2 무지부(23d, 22d)는 극판이 형성되는 압연 과정에서 극판이 휘는 것을 방지하도록 도와준다.

보다 상세히, 상기 제1 무지부(23b, 22b)에는 상면으로 판상의 집전판(70, 50)이 올려지고, 그 상태에서 용접에 의해서 제1 무지부(23b, 22b)와 집전판(70, 50)이 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 제1 무지부(23b, 22b)는 실질적으로 전극군(25)에서 형성되는 전류를 집전판을 통해서 전지의 양, 음극 단자로 전달하는 통로 역할을 수행한다.

이같은 제1 무지부(23b, 22b)는 양극 및 음극용 활물질(23a, 22a)을 각각의 집전체(231, 221)에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성할 때, 단부(23c, 22c) 영역에 대해서 활물질을 선택적으로 도포하지 않아 형성된다.

그리고, 상기 제2 무지부(23d, 22d)는 폭 방향을 따라서, 즉 극판을 가로지르게 형성되는데, 이러한 제2 무지부(23d, 22d)는 극판의 길이에 따라 적정한 수로 이루어진다. 이때, 제2 무지부(23d, 22d) 사이의 간격(G)은 적어도 30센티미터(cm)이상으로 형성함이 바람직한데, 이보다 작게 되면 너무 조밀해서 압연과정에서 활물질에 전달되는 힘이 극판으로 그대로 전달되어서 종전과 동일한 형태로 휘게됨으로 바람직하지 못하다. 또한, 제2 무지부(23d, 22d)의 폭 크기(W)는 적어도 5미리미터(mm) 이상이 바람직한데, 이보다 작게 되면, 이 역시 압연 과정에서 극판으로 압연의 힘이 전달되어서 극판을 휘게 한다(도 3참조).

또한, 상기 제2 무지부(23d, 22d) 사이의 간격(G)은 전극군(25) 중심을 향할수록 작아지게 형성함이 바람직하다. 왜냐하면, 전극군(25)은 중심에서 외곽을 향할수록 외주가 커지게 되는데, 상기 제2 무지부(23d, 22d)는 이러한 점을 고려해서 극판에 배치함으로써 극판이 쉽게 횡권될 수 있도록 하며, 나아가서는 전극군(25)이 형성되었을 때, 상기 제2 무지부(23d, 22d)는 극판들 사이의 공극으로 작용하여 전해액이 전극군(25)에 전달되는 통로를 제공한다. 이때, 중심과 외곽에 대해서 그 수를 비례적으로 맞추어 줌으로써 전극군(25)이 균일하게 전해액에 함침되도록 하기 위함이다.

선택적으로 상기 제2 무지부(23d, 22d)는 침상(針狀)으로 이루어질 수도 있는데, 상기 제1 무지부(23b, 22b)가 형성된 단부(23c, 22c)와 마주하는 반대편 단부(23f, 22f)에서 제1 무지부(23b, 22b)를 향해 그 폭(L)이 줄어드는 형상으로 이루어진다. 이처럼 형성하는 이유는 압연 과정에서 극판의 휨은 무지부(23b, 22b)가 있는 단부(23c, 22c)보다 활물질로 도포되어 있는 유지부 영역에서 활물질로 인해 그 변형 정도가 더 크게 일어난다. 때문에, 상기 활물질에 가해지는 힘의 크기를 줄이고, 반대로 제1 무지부(23b, 22b)에 인접한 곳에 가해지는 힘을 상대적으로 크게 해서 극판을 고루 압연하기 위함이다(도 4참조).

이같은 제2 무지부(23d, 22d)를 구비한 극판은 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 엇갈리게 배치된다. 즉, 도면을 기준으로, 위 방향으로는 양극 무지부(23b)가 배치되고, 아래로는 음극 무지부(22b)가 각각 배치된 상태로 젤리롤(jelly roll) 타입으로 감아 전극군(25)을 형성한다.

이렇게 전극군(25)을 구성한 상태에서, 전극군(25)의 위로는 양극 집전판(70)을 무지부(23b)에 접촉되도록 올려놓고, 아래로는 음극 집전판(50)을 음극 무지부(22b)에 접촉시킨 상태에서, 이들을 전극군(25)과 용접해서 고정시키는 것으로 전극 조립체(20)가 완성된다.

이처럼 구성된 전극 조립체는 캔(11)에 양극 집전판(70)이 캡 조립체(30)를 향하도록 수납된다. 따라서, 음극판(22)과 서로 연결되어 있는 음극 집전판(50)이 캔(11)의 바닥면에 접촉되고, 이 상태에서 음극 집전판(50)과 바닥면을 저항 용접을 통해 고정하게 된다. 이에 따라, 캔(11)이 전지의 음극을 형성하게 된다.

선택적으로는 음극 집전판(50)을 사용하지 않고 음극 무지부(22b)를 캔(11)에 직접 접촉시켜 전지의 음극을 형성할 수도 있다.

다음으로, 양극 집전판(70)에 형성된 주입부(미도시)를 통해서 전해액을 캔(11) 내부로 공급해서 전극 조립체(20)에 함침시키게 된다. 이때, 제2 무지부(23d, 22d)는 상기 전해액이 전극군 내로 쉽게 함침될 수 있는 공극을 제공하므로, 종래의 함침 문제를 해결하는 부가적인 효과를 제공한다.

또한, 양극판(23)과 전기적으로 연결되어 있는 양극 집전판(70)은 리드선(60)을 통해서 캡 조립체(30)와 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 캡 조립체(30)가 전지의 양극을 형성해서 본 실시예에 따른 이차 전지가 완성된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 간단한 구성으로 극판이 휘는 문제를 해결할 수가 있다. 이에 따라, 전극의 제조 단가를 높이지 않으면서도 양질의 이차 전지를 제조할 수가 있다. 또한, 전해액 함침을 용이하게 할 수 있는 부가적인 효과도 거둘 수 있으며, 이 역시 양질의 이차 전지를 제조하는 효과를 제공한다.

Claims (14)

1. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;

   상기 전극군이 수납되는 캔;

   상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및,

   상기 양극판과 음극판에 선택적으로 결합되는 집전판;을 포함하고,

   적어도 어느 하나의 상기 극판은 길이 방향의 일 단부를 따라 형성된 제1 무지부와, 상기 극판의 폭 방향으로 형성된 복수의 제2 무지부를 포함하고 상기 제2 무지부 사이의 간격은 상기 전극군의 중심을 향할수록 감소하는 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 무지부가 상기 제1 무지부가 형성된 단부와 마주하는 단부에서 시작을 해서 상기 제1 무지부로 연장 형성되는 이차 전지.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 무지부의 사이간 간격이 30(cm) 이상으로 형성되는 이차 전지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제2 무지부의 폭 크기가 5(mm) 이상으로 형성되는 이차 전지.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제2 무지부의 형상이 상기 제1 무지부를 향해서 그 폭이 작아지는 침상(針狀)으로 이루어지는 이차 전지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 이차 전지가 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용인 이차 전지.
8. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군; 및,

   적어도 어느 하나의 상기 극판이 길이 방향의 일 단부를 따라 형성되는 제1 무지부와, 상기 극판의 폭 방향으로 형성된 복수의 제2 무지부;를 포함하고,

   상기 제2 무지부 사이의 간격은 상기 전극군의 중심을 향할수록 감소하는 이차 전지용 전극 조립체.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 무지부에 전기적으로 연결되는 판상의 집전판;을 더 포함해서 이루 어진 이차 전지용 전극 조립체.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제2 무지부가 상기 제1 무지부가 형성된 단부와 마주하는 단부에서 시작을 해서 상기 제1 무지부로 연장 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,

    상기 제2 무지부의 사이간 간격이 30(cm) 이상으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
13. 제8항에 있어서,

    상기 제2 무지부의 폭 크기가 5(mm) 이상으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
14. 제8항에 있어서,

    상기 제2 무지부의 형상이 상기 제1 무지부를 향해서 그 폭이 작아지는 침상(針狀)으로 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.

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