KR100599797B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각형 전지의 전극군 구조를 개선하여 전지의 계면 균일성을 높일 수 있도록, 일측단에 길이방향으로 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성된 양극판과 상기 양극판의 무지부와 대향되는 측단에 길이방향으로 무지부가 형성되는 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하여 젤리롤 형태로 감겨 모서리가 직각으로 절곡되어 각형을 이루는 전극군과; 상기 전극군이 내장되는 케이스; 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체를 포함하고, 상기 전극군의 절곡부에 해당되는 극판의 영역에 활물질이 코팅되지 않은 간헐 무지부가 형성된 이차 전지를 제공한다.

전극군, 무지부, 코팅부, 간헐무지부, 절곡부

Description

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 전극군을 도시한 개략적인 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 극판을 도시한 개략적인 사시도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각형 이차 전지에 있어서 전지의 계면 특성을 개선한 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재한 전극군을 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.

그리고, 상기 양, 음극판은 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지며, 상기 양,음극 무지부에는 각각 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되고, 이 도전성 탭은 전극군에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.

여기서 상기한 이차 전지의 집전 구조에 있어서, 고출력 이차 전지의 경우 상기 전극군을 와류 상으로 감은 젤리롤 형태로 전지를 제조하게 되며, 이러한 구조는 일본공개특허 제2000-40501호나 일본공개특허 제2001-38475호를 통해 개시되어 있다.

그런데 상기 각형 이차 전지의 경우에는 원통형 이차전지에 비하여 전극군을 젤리롤로 감아 압착하였을 때 평탄부와 곡면부가 존재함으로써 곡면부에서 전지 특성이 저하되는 문제점이 있다.

즉, 종래 구조의 각형 이차 전지는 전극군을 이루는 양,음극판과 세퍼레이터가 축심에 감겨지고 평평하게 압착되어 평평한 젤리롤 형태를 이룸에 따라 젤리롤로 감겨진 상기 전극군은 평평한 평탄부와 각 극판이 180도 방향전환되어 둥글게 만곡된 곡면부를 갖게 되는 것이다.

이에 따라 젤리롤 형태의 전극군의 곡면부는 평탄부에 비해 각 극판의 변형이 심하고 극판간 압력이 커져 활물질의 반응이 평탄부에 비해 상이해지며 이에 따라 전지의 계면 균일성을 확보하기 힘든 문제점이 있다.

또한, 각형의 케이스 내에 상기 전극군을 내장 설치하였을 때 케이스의 직각 모서리부분과 상기 둥글게 만곡된 전극군의 곡면부 모서리부분 사이에 틈새가 발생하게 되어 전지 내부의 공간 활용이 떨어지게 되고, 상기 케이스 내에 전해액을 주입하는 과정에서 상기 틈새가 차지하는 부피만큼 전해액이 과도하게 주입되어 전해액의 낭비를 초래하고 전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

특히 HEV용 이차 전지의 경우 고출력 대용량이 요구되므로 수 십개의 전지를 연결하여 하나의 전지 팩을 구성하게 되는 데, 각 전지 셀간의 내부 계면 특성의 차이로 저마다의 출력 상태가 불안하여 결국 고출력 전기 에너지를 필요로 하는 기기에 적용하기 힘들게 된다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 각형 전지의 전극군 구조를 개선하여 전지의 계면 균일성을 높일 수 있도록 된 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 젤리롤 형태로 감기는 전극군의 절곡부에 해당되는 영역에는 활물질이 코팅되지 않은 것을 그 요지로 한다.

이를 위한 본 발명의 이차 전지는

양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하여 젤리롤 형태로 감기며 모서리가 직각으로 절곡되어 각형을 이루는 전극군;

상기 전극군이 내장되는 케이스;

상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체를 포함하고,

상기 전극군의 절곡부에 해당되는 각 극판의 영역에 활물질이 코팅되지 않은 구조로 되어 있다.

즉, 상기 전극군은 일측단에 길이방향으로 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성된 양극판과 세퍼레이터를 사이에 두고 적층되고 상기 양극판의 무지부와 대향되는 측단에 길이방향으로 무지부가 형성되는 음극판이 젤리롤 형태로 감겨 모서리가 직각으로 절곡된 각형을 이루며, 상기 각형의 전극군의 대향되는 양 절곡부에 위치하는 각 극판의 영역에는 극판의 폭방향으로 활물질이 코팅되지 않은 간헐무지부가 형성된 구조로 되어 있다.

이하 설명에서 특별한 언급이 없는 한 전극군에서 절곡부라 함은 전극군을 이루는 극판과 세퍼레이터의 방향이 전환되는 영역을 의미하며, 평탄부라 함은 전극군을 이루는 극판과 세퍼레이터가 평평하게 진행하는 영역을 의미하는 것으로 정의한다.

이에 따라 전극군을 각형을 제조하는 경우 평평한 평탄부에 대해 각 극판이 감아지면서 180도 방향전환되는 절곡부에 해당되는 영역에는 활물질이 도포되지 않 아 각 극판과 세퍼레이터를 용이하게 직각으로 절곡시킬 수 있게 된다.

이러한 구조는 각형을 이루는 전극군에서 절곡부의 면적을 최소화하고 평탄부를 극대화시켜 실질적으로 전지 반응 면적을 증대시키고 계면 균일성을 확보할 수 있게 된다.

여기서 상기 케이스는 각형의 전극군을 내장할 수 있도록 각형을 이룸이 바람직하다.

또한, 언급한 바와 같이 상기 양,음극판은 집전체와 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지는 데, 본 이차 전지의 경우 상기 무지부는 각 극판의 일측단을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 양극판과 음극판에 대해 서로 대향하는 방향으로 배치됨이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 각형의 케이스를 세워 캡 조립체가 상부를 향하였을 때 전극군의 양단을 이루는 무지부가 케이스의 양측면에 배치되도록 한다.

또한, 상기 각 극판에 형성되는 간헐무지부는 극판의 폭방향으로 형성되고 활물질이 코팅된 코팅부와 간헐무지부가 교대로 배치되며, 상기 간헐무지부는 권취되는 극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 간헐무지부의 폭은 각 극판과 세퍼레이터의 적층 두께와 대응된다.

여기서, 상기 이차 전지는 HEV용 이차 전지일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는,

일측단에 길이방향으로 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성된 양극판과, 상기 양극판의 무지부와 대향되는 측단에 길이방향으로 무지부가 형성되는 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 적층되는 세퍼레이터가 젤리롤 형태로 감겨 모서리가 직각으로 절곡된 각형의 전극군과;

상기 각형의 전극군의 대향되는 양 절곡부에 해당되는 각 극판의 영역에 극판의 폭방향으로 형성되는 활물질이 코팅되지 않은 간헐 무지부;

을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 전극군을 도시한 개략적인 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 극판을 도시한 개략적인 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 각형의 이차전지에 대해 살펴보면, 본 이차 전지는 띠 모양의 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들을 젤리롤 형태로 감아 각형을 이루는 전극군(10)과; 일단이 개방된 개구부를 이루고 내부에 상기 각형의 전극군(10)을 수용하는 공간부가 형성되어 상기 전극군이 내장되는 각형의 케이스(14)와; 상기 케이스(14)의 개구부에 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군(10)과 전기적으로 연결되는 양,음극단자(32,33)가 설치된 캡 조립체(30)를 포함한다.

상기 전극군의 각 무지부(11a,12a)와 양,음극단자(32,33)를 전기적으로 연결시키기 위하여 필요한 경우 탭이나 집전판이 설치될 수 있다.

상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 형상으로 이루어진다.

그리고 상기 캡 조립체(30)는 상기 케이스(14)의 개구부에 기밀을 유지한 상태로 결합되어 케이스(14)를 밀폐하는 캡 플레이트(31)와, 이 캡 플레이트(31) 양쪽에 설치되고 각각 탭(도시되지 않음)이나 집전판(도시되지 않음)을 매개로 전극군(10)의 무지부(11a,12a)와 전기적으로 연결되는 양,음극단자(32,33)를 포함한다.

여기서 상기 전극군에 대해 살펴보면 다음과 같다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 각형의 케이스에 각형의 전극군이 위치하는 경우를 예로써 설명한다.

또한, 본 실시예에서는 각 단자(32,33)와 전기적으로 연결되는 무지부(11a,12a)가 상기 전극군(10)을 이루는 각 극판(11,12)의 일 측단을 따라 형성된 구조를 예로써 설명한다. 물론, 본 발명은 상기 구조에 한정되지 않으며 무지부의 구조에 관계없이 모두 적용가능하다 할 것이다.

이에 본 실시예에 따라 상기 이차 전지를 이루는 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅된 코팅부(11b,12b)를 포함하는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감고 가압하여 형성된 각형의 젤리롤 타입으로 이루어진다.

그리고 양극판의 무지부(11a)와 음극판의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(14)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상,하방향으로 놓여졌을 때를 기준(이하 설명에서 특별한 언급이 없는 한 이 기준을 따르도록 한다.)으로 케이스(14)의 양 측면에 전극군(10)의 무지부(11a,12a)가 위치할 수 있도록 케이스에 내장 설치되며, 전극군(10)의 양단의 무지부(11a,12a)에 각각 설치되는 탭이나 집전판을 매개로 캡 조립체(30)의 양,음극단자(32,33)가 전기적으로 연결된다.

그리고 좀더 구체적으로, 상기 전극군(10)은 절곡부(R)가 원활하게 직각으로 절곡될 수 있도록, 상기 각형을 이루는 전극군(10)의 대향되는 절곡부(R)에 해당되는 각 극판(11,12)의 영역에는 극판의 폭방향으로 활물질이 코팅되지 않은 간헐 무지부(11c,12c)를 형성한 구조로 되어 있다.

즉, 도 3에서와 같이 상기 전극군(10)은 젤리롤형태로 감기면서 평평한 상태로 진행되는 평탄부(L)와 진행방향이 180도 전환되는 절곡부(R)로 구분되는 데, 상기 전극군(10)을 이루는 각 극판(11,12) 상에는 활물질이 도포된 영역인 코팅부(11b,12b)와 활물질이 도포되지 않은 간헐 무지부(11c,12c)가 교대로 위치하여 상기 절곡부(R)에 해당되는 위치에서는 활물질이 도포되어 있지 않고 오로지 평탄부(L)에 해당되는 위치에만 활물질이 도포된 구조로 되어 있다.

이에 따라 각 극판(11,12)을 세퍼레이터(13)와 함께 감아주게 되면 활물질이 코팅되지 않은 간헐무지부(11c,12c)가 극판이 절곡되는 전극군(10) 절곡부(R)에 위치하게 되어 극판(11,12)을 용이하게 직각으로 절곡시켜 각형의 전극군(10)을 제조 할 수 있게 된다.

또한, 상기 극판(11,12)이 절곡되는 전극군의 절곡부(R)에는 활물질이 코팅되어 있지 않으므로 세퍼레이터(13)와 각 극판(11,13)의 집전체를 긴밀하게 밀착시킬 수 있어 전극군(10)의 절곡부(R) 두께를 도포되지 않은 활물질 코팅 두께만큼 줄일 수 있으며 이 절곡 위치에서 전지의 계면 특성이 달라지는 것을 방지할 수 있게 된다.

여기서 상기 각 극판(11,12)에 형성되는 간헐무지부(11c,12c)는 도 3에 도시된 바와 같이 코팅부(11b,12b)와 교대로 배치되며 코팅부의 폭은 동일한 반면, 상기 간헐 무지부(11c,12c)의 폭은 권취되는 극판(11,12)의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 단계적으로 커지는 구조로 되어 있다.

즉, 상기 전극군(10)은 양극판(11)과 음극판(12) 및 세퍼레이터(13)가 계속 감기면서 그 두께가 점차적으로 커지게 되는 데, 상기 적층회수에 따른 전극군(10)의 두께에 따라 상기 전극군(10)의 절곡부(R)에 위치하는 간헐무지부(11c,12c)의 폭도 전극군(10)의 두께에 따라 가변되어야 하는 것이다.

따라서 상기 간헐무지부(11c,12c)의 폭은 각 극판(11,12)과 세퍼레이터(13)의 적층 회수에 따른 두께와 대응되어 커지게 된다.

이하, 본 발명의 작용에 대해 살펴보면 전극군(10)을 이루는 양극판과 세퍼레이터 및 음극판을 적층하여 권취시켜 각형의 전극군을 형성하는 과정에서, 각 극판(11,12)에 형성된 코팅부(11b,12b)는 평평한 상태로 진행시키고 코팅부에 연속된 간헐무지부(11c,12c) 영역에서는 각 극판(11,12)의 집전체와 세퍼레이터(13)를 최 대한 밀착시킨 상태로 직각으로 절곡시켜 180도 방향을 전환시키고 상기 간헐무지부(11c,12c)에 연속하여 형성된 코팅부(11b,12b) 영역에서는 다시 평평한 상태로 진행시키게 된다.

상기와 같은 작업을 반복함으로써 절곡부(R)가 직각으로 절곡되고 상기 절곡부(R)에는 활물질이 코팅되지 않은 상태의 각형의 전극군(10)을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 이차전지는, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 전극군을 각형으로 용이하게 제조할 수 있게 된다.

또한, 각형의 전극군 제조시 전극군의 절곡부위에서 전지의 계면이 불균일해지는 것을 방지하고 전지 전체적인 계면 균일성을 확보할 수 있고 이에 따라 제품의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

또한, 전지의 반응면적을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 전극군을 각형으로 감을 수 있게 되어 상기 전극군이 내장되는 각형의 케이스와의 사이에서 불필요한 공간이 발생되는 것을 방지할 수 있고 이에 따라 전지의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 된다.

또한, 전극군과 케이스 사이의 틈새를 최소화함으로써 틈새로 전해액이 유입되는 것을 방지하여 전해액의 낭비를 줄일 수 있게 되며, 전해액의 과도한 유입으로 인한 전지 특성 저하를 방지할 수 있게 된다.

Claims (11)

1. 일측단에 길이방향으로 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성된 양극판과 상기 양극판의 무지부와 대향되는 측단에 길이방향으로 무지부가 형성되는 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하여 젤리롤 형태로 감겨 모서리가 직각으로 절곡되어 각형을 이루는 전극군과;

   상기 전극군이 내장되는 케이스;

   상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체를 포함하고,

   상기 전극군의 절곡부에 해당되는 극판의 영역에 활물질이 코팅되지 않은 간헐 무지부가 극판의 폭방향으로 형성된 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 극판에 활물질이 코팅된 코팅부와 상기 간헐무지부가 교대로 형성되고, 상기 간헐무지부는 권취되는 극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 간헐무지부의 폭은 각 극판과 세퍼레이터의 적층 두께로 형성되는 이차 전지.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 코팅부는 그 폭이 동일한 이차 전지.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극군의 절곡부 영역에서 세퍼레이터와 각 극판의 집전체가 긴밀히 밀착된 구조의 이차 전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 각형으로 이루어지는 이차 전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 HEV용인 이차 전지.
8. 일측단에 길이방향으로 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성된 양극판과, 상기 양극판의 무지부와 대향되는 측단에 길이방향으로 무지부가 형성되는 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 적층되는 세퍼레이터가 젤리롤 형태로 감겨 모서리가 직각으로 절곡된 각형의 전극군과;

   상기 각형의 전극군의 대향되는 양 절곡부에 해당되는 각 극판의 영역에 극판의 폭방향으로 형성되는 활물질이 코팅되지 않은 간헐 무지부

   를 포함하는 이차 전지의 전극 조립체.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 각 극판에 활물질이 코팅된 코팅부와 상기 간헐무지부가 교대로 형성되고, 상기 간헐무지부는 권취되는 극판의 최초 선단에서부터 끝단으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 커지는 이차 전지.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 간헐무지부의 폭은 각 극판과 세퍼레이터의 적층 두께와 대응되는 이차 전지.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 코팅부는 그 폭이 동일한 이차 전지.

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