KR100614359B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

Abstract

전극 조립체에서 인출되는 전극 탭 가운데 직접 케이스와 접촉되는 적어도 하나의 직접 연결 전극 탭은 그 최소 형성 폭에서의 열류 방향 종단면적에 고유 열전도도를 곱한 값이 그 전극 탭이 연결된 전극 집전체의 열류 방향 종단면적에 열전도도를 곱한 값의 적어도 20% 이상이 되도록 최소 형성 폭이 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 가지는 리튬 이차 전지가 개시된다.

Description

리튬 이차 전지 {Lithium rechargeable battery}

도1은 원통형 리튬 이차 전지의 전극 조립체와 전극 조립체 내에 형성된 전극 탭의 결합을 나타내는 사시도이다.

도2 및 도3은 본 발명의 실시예들에 따른 전극 조립체와 그 전극 탭의 결합 형태를 나타내는 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 전극 조립체 11: 전극 집전체

13: 활물질 코팅 15,35,45: 전극 탭

151: 용접부 21: 세퍼레이터

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 젤리롤 타입 전극 조립체를 가지는 리튬 이차 전지의 전극탭에 관한 것이다.

리튬은 원소 자체의 원자량이 작아 단위 질량당 전기 용량이 큰 전지를 제조하기에 적합한 재료이다. 따라서, 리튬 금속이나 리튬 인터칼레이션(intercalation)이 가능한 탄소 등의 물질을 음극으로 사용하고, 역시 리튬 이온의 출입이 가능한 코발트산 리튬이나 망간산 리튬 등의 리튬복합산화물을 양극으로 하는 리튬 이차 전지에 관한 연구, 개발이 계속되고 있다.

한편, 리튬은 수분과 격렬하게 반응하므로 리튬계 전지에서는 비수성 전해질을 사용하게 된다. 이 경우, 물의 전기분해 전압에 영향을 받지 않으므로 리튬계 전지에서는 3 내지 4 볼트(Ｖ) 정도의 기전력을 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.

리튬 이차 전지에서 사용되는 비수성 전해질은 크게 액상 전해질과 고상 전해질이 있다. 액상 전해질은 대개 리튬 이온 전지에 사용되며, 리튬염을 유기 용매에 해리시킨 것이다. 유기 용매로는 대개 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 또는 다른 알킬기 함유 카보네이트나 유사한 유기 화합물이 사용될 수 있다.

리튬 이차 전지는 이용 측면에서 고가의 이동 통신 기기, 컴퓨터, 캠코더 등 이동성 전자제품의 전원으로 주로 사용된다. 이들 전자 제품, 통신 기기들에서는 소비자 니즈(needs) 측면에서 그 기능이 강화될 것이 계속적으로 요구된다. 이들 제품의 기능 강화 요구는 이를 뒷받침하기 위한 전원인 이차 전지의 고용량화 요구로 이어지는 경우가 대부분이다. 그러나, 이차 전지의 고용량화는 이들 기기의 이동 편리성을 유지하기 위해서 무게나 부피가 함께 증가하지 않아야 한다는 제약을 가진다.

대개 고용량 전지로는 원통형 전지와, 원통형 전지가 복수개 결합된 전지 팩이 주로 사용된다. 원통형 전지에서도 고용량화가 이루어지면서 동일한 부피 내에 더 많은 활물질이 내장되어야 하고, 더 많은 전기 용량, 더 높은 출력이 요구된다.

전극 조립체의 개략적 구성 및 형성 방법을 살펴보면, 먼저, 각 전극이 형성 된다. 전극은 띠모양의 긴 직사각형으로 이루어진 전극 집전체 표면에 활물질을 덮어 형성한다. 전극 집전체는 알미늄, 구리 등 금속 포일이나 금속 메쉬(mesh)로 이루어지고, 전극 활물질은 활물질 슬러리를 집전체 표면에 코팅하는 방법으로 이루어진다. 코팅은 집전체의 한 면이나 양 면에 이루어질 수 있다. 슬러리는 활물질과 바인더, 용매를 섞어 형성하며, 코팅된 후에 베이크를 통해 용매의 대부분은 제거된다. 활물질 외에 도전제가 집전을 돕기 위해 사용될 수 있고, 가소제 기타 물질들이 사용될 수 있다.

도1은 원통형 리튬 이차 전지의 전극 조립체와 전극 조립체 내에 형성된 전극 탭의 결합을 나타내는 사시도이다.

도1을 참조하면, 다른 극성의 두 전극은 권치되어 젤리롤 형태의 전극 조립체(100)를 형성한다. 이때, 두 전극이 직접 닿으면 내부 단락이 되므로 이를 방지하기 위해 두 전극이 면하는 부분에는 그 사이에 세퍼레이터(21)가 개재되도록 전극 적층시 2 장의 세퍼레이터를 설치한다.

전극 형성을 위해 전극 집전체(11)에 활물질 코팅(13)을 할 때 권취되는 시작단과 끝단에는 코팅을 하지 않고 금속면을 남긴다. 금속면이 드러나는 부분을 통상 무지부라 하며 이 부분에는 전극 집전체에 전극 탭(15)이 부착된다. 전극 탭은 전극과 외부 회로 사이에서 도전 통로의 일부를 형성하게 된다.

전극 탭으로는, 알미늄 집전체에 대해서는 알미늄이나 니켈 탭이, 구리 집전체에 대해서는 니켈 탭이 주로 사용된다. 용접 가공을 위해, 그리고 형태를 유지하기 위해 전극 탭은 0.1 내지 0.05mm 두께를 유지하고 있으나, 전지의 두께를 줄이 고, 탭으로 인하여 권취된 전극 조립체에 활물질이 눌리는 현상을 막기 위해 탭의 두께도 점차 줄어드는 추세에 있다.

그런데, 탭의 두께가 줄어들면 너비가 동일한 조건에서 탭의 단면적이 줄어들기 때문에 전기 전도성과 열전도성이 떨어진다. 이에 비해 동일한 용적의 전지 용기 속에 포함되는 활물질의 양은 점차 늘어나는 추세이고, 전지의 전기 용량 및 출력은 늘어나야 한다는 과제가 존재한다.

한편, 전지는 일정 온도 범위 내에서만 안정적으로 충방전을 거듭하면서 운영될 수 있다. 전지의 내부 이상이나 외부 영향으로 전지의 온도가 올라갈 경우, 비정상적인 화학반응의 이차 전지 내부에 발생하면서 가스 발생 등의 현상에 의해 전지가 파괴되는 문제가 있다.

이때 이차 전지의 온도 상승이 고출력 방전과 같은 원인에 의한 일시적이고, 정상적인 것이라면 이차 전지 내부의 열을 밖으로 신속히 방출함으로써 전지의 파괴를 막고, 결과적으로 기대 수명을 늘일 수 있다.

전극 조립체는 비록 열을 잘 통과시키는 물질인 금속 집전체를 구비하여 이루어지나, 집전체는 활물질 슬러리로 덮이고, 열의 상대적 불량도체인 합성 수지 세퍼레이터가 전극을 겹겹이 싸고 있는 형태이다.

그러므로 전극 조립체의 젤리롤 본체가 전해액을 통해 혹은 직접 전지 케이스와 닿아 밖으로 보내는 열유량은 고출력 방전에서는 전지의 온도를 안정적인 일정 이하로 유지하기에 충분하지 못한 점이 있었다.

결국, 원통형 리튬 이차 전지 등에서 전지 용량의 고용량화가 이루어지고 있 고, 전극 탭의 두께가 줄어들고 있는 상황에서 내부 열 방출과, 출력 강화를 위한 수단이 요청되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 고용량화 리튬 이차 전지의 문제점을 제거하기 위한 것으로, 내부의 발생 열을 외부로 신속히 발출할 수 있는 열방출 수단을 가진 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 높은 출력으로 방전되는 시기에 전극 탭에 의한 출력의 제한 문제를 해결할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지는,

젤리롤 타입의 전극 조립체를 가지는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 전극 조립체에서 인출되는 전극 탭 가운데 직접 케이스와 접촉되는 적어도 하나의 직접 연결 전극 탭은 각각의 두께에서 그 최소 형성 폭에서의 열류 방향 종단면적에 고유 열전도도를 곱한 값이 그 전극 탭이 연결된 전극 집전체의 열류 방향 종단면적에 열전도도를 곱한 값의 적어도 20% 이상이 되도록 상기 최소 형성 폭이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 직접 연결 전극 탭은 권취된 전극 조립체의 중심축 방향으로 길게 형성되어 그 길이 방향의 끝단이 전지의 케이스(캔)과 닿도록 형성될 수 있다.

또는, 전극 탭은 권취 전 집전체의 장변 방향으로 연장 형성되어 세퍼레이터 커버 영역 밖으로 드러내지고, 이 드러내진 부분이 젤리 롤 형태로 권취된 전극 조 립체의 바깥쪽에서 전지 케이스의 측벽과 닿도록 이루어질 수도 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2 및 도3은 본 발명의 실시예들에 따른 전극 조립체와 그 전극 탭의 결합 형태를 나타내는 사시도이다.

도2를 참조하면, 한 전극 탭(35)은 전극 조립체(100)의 중심 부분에 형성되어 상방으로 인출되어 있고, 다른 한 전극 탭(45)은 단부(탭부)가 전극 조립체(100)의 외주연부에 하방으로 인출된다.

중심 부분의 전극 탭(35)을 양극 탭이라면, 양극 탭은 알미늄 재질로 이루어져, 전극판 가운데 알미늄 양극판의 집전체 시작단의 무지부에 초음파 용접 등의 방법으로 결합되어 있다.

음극 집전체(11)는 구리로 이루어지며, 구리 집전체의 권취되는 끝단에는 니켈 전극 탭(45)이 역시 초음파 용접 방법으로 부착된다. 이때, 니켈 음극 탭에는 음극 집전체(11)로부터 열을 쉽게 전달받기 위해 집전체 폭 전부에 걸쳐 집전체 폭 방향(단변 방향) 혹은 젤리롤 중심축 방향과 평행한 방향으로 집전체 연결부가 형성된다. 이 집전체 연결부의 적어도 4곳은 집전체에 용접되어 있다. 집전체 연결부는 가능하면 적은 저항으로 전극 집전체와 만나도록 용접 면적, 용접부(151) 갯수를 늘리고 있다.

집전체 연결부 길이방향 중간에는 인출부가 형성되어 젤리롤의 권취 방향으로 일정폭 일정 길이만큼 연장된다.

인출부의 연장된 끝단에는 탭부가 종래의 전극 탭과 유사한 형태로 형성된다. 단, 탭부는 집전체 연결부 및 인출부를 통해 집전체의 열과 전하를 전달받는다. 인출부의 측단은 전극판을 커버하는 세퍼레이터보다 더 측방으로 뻗어있다. 따라서, 젤리롤형 전극 조립체를 권취를 통해 형성할 때 탭부의 측단은 젤리롤 외측을 감싸는 별도 테이프가 없다면 캔의 측벽에 닿아 캔에 열 및 전하를 전달하게 되다.

이런 경우에 전극 탭에서 전류 및 열류의 방향에 대한 종단면적 가운데 최소는 인출부가 될 것이며, 인출부의 폭을 일정 이상으로 형성해야 한다.

음극 집전체로 많이 사용되는 구리의 경우, 열전도도가 개략 400(Joule×s^-1×m^-1 이하 단위 동일함)이며, 전극 탭으로 많이 사용되는 니켈의 열전도도가 개략 90이다. 구리 집전체의 두께가 10 마이크로메터, 니켈 탭의 두께가 0.05mm, 구리 집전체의 폭을 50mm라면, 전극 탭은 그 최소 형성 폭에서의 열류 방향 종단면적에 고유 열전도도를 곱한 값이 그 전극 탭이 연결된 전극 집전체의 열류 방향 종단면적에 열전도도를 곱한 값의 적어도 20% 이상이 되도록 하기 위해 니켈 탭의 최협부의 폭(최소 형성 폭)은 '(x×0.05×10^-3×90)/(10×10^-6×50×10^-3×400)> 20% '의 식에 의해 x는 본 발명에 따르면 약 9mm 이상의 값을 가져야 하는 것으로 나온다.

도3을 참조하면, 한 전극 탭은 전극 조립체의 중심 부분에 형성되어 상방으로 인출되어 있고, 다른 한 전극 탭은 종래의 경우와 유사한 형태로 단부가 전극 조립체의 외주연부에 하방으로 인출된다.

중심 부분의 양극 탭(35) 재질은 니켈이라고 할 때 전극판 가운데 알미늄 양극판의 집전체 시작단의 무지부에 초음파 용접 등의 방법으로 결합되어 있다. 그러나, 원통형 이차 전지에서 양극 탭은 캔 벽체가 아닌 벤트의 돌출부에 결합되는 것이 통상이므로 외부로 직접 열을 방출하는 작용을 하는 효과는 떨어지고, 본 발명의 직접 연결 전극 탭을 형성하지 않는다.

음극 집전체(11)는 이전 실시예와 같이 구리로 이루어지며, 구리 집전체의 권취되는 끝단에는 니켈 전극 탭(55)이 역시 초음파 용접 방법으로 부착된다. 이때, 니켈 음극 탭(55)은 젤리롤 타입 전극 조립체(100)의 중심축 방향으로 길게, 전극 조립체의 하방으로 인출되어 캔의 바닥면에 용접으로 연결되며, 본 발명의 직접 연결 전극 탭을 형성한다.

음극 탭은 음극 집전체(11)로부터 열을 쉽게 전달받기 위해 집전체 폭 상당 부분에 걸쳐 적어도 3곳에 용접되어 있다. 음극 탭(55)은 가능하면 적은 저항으로 전극 집전체와 만나도록 용접 면적, 용접부(151) 갯수를 늘리는 것이 바람직하다.

음극 집전체와 용접된 단부 반대편의 하방으로 인출된 단부는 캔의 바닥면과 직접 저항 용접 등을 통해 연결된다. 이때에도 충분히 열을 절달할 수 있는 면적만큼 캔의 바닥면과 닿도록 한다.

이러한 형태의 음극 탭에서 전류 및 열류의 방향에 대한 종단면적 가운데 최소는 전극 조립체에서 인출된 부분의, 음극 탭의 단변과 평행한 임의의 단면이 될 것이다.

앞선 실시예에서와 같은 논의를 통해 니켈 음극 탭의 경우, 음극 집전체가 구리의 경우, 그리고, 구리 집전체의 두께가 10 마이크로메터, 니켈 탭의 두께가 0.05mm, 구리 집전체의 폭을 50mm라면, 음극 탭의 폭 x는 본 발명에 따르면 약 9mm 이상의 값을 가져야 할 것이다.

이런 정도의 음극 탭 폭을 통해 흐르는 열류량은 전지의 고출력 방열과정에서 전지의 온도를 낮추는 데 상당한 기여를 하는 것이며, 음극 탭의 폭은 통상의 원통형 전지나 각형 전지의 크기, 가공의 편의성을 고려하여 20mm가 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.

전극 조립체가 형성된 이후의 리튬 이차 전지의 형성 방법은 종래의 통상적 방법과 유사하게 이루어질 수 있다. 가령, 원통형 이차 전지의 경우를 예시하면, 전극 조립체는 상하에 위치하는 상, 하 절연판과 차례로 캔 개구부를 통해 원통형 캔에 투입된다. 전극 조립체의 캔 내 유동을 막기 위한 비드가 캔에 형성되고, 전해액이 주입된다. 캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓이 설치되고, 가스켓 내측으로 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리가 설치된다.

캡 어셈블리로서 전극 탭들 가운데 하나의 탭과 용접되는 벤트 어셈블리, PTC(Positive Thermal Coefficient), 전극 단자를 가진 캡업이 삽입된다. 벤트 어셈블리는 통상적으로 아래쪽의 밴트와 벤트의 작용과 함께 파단되어 전류의 경로를 끊는 전류 차단기(CID:Current Interrupt Device)를 구비하여 이루어진다.

그리고, 가스켓 내측에 투입된 캡업 등을 마개로 원통형 캔의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어진다.

본 발명에 따르면, 리튬 이차 전지, 특히 고용량 고출력이 요구되는 리튬 이차 전지에서 내부의 발생 열을 외부로 신속히 방출하여 고출력 방전에서 전지가 온도의 급상승을 일으키고, 그로 인하여 세퍼레이터 손상 등 불량을 일으키는 문제를 예방하도록 한다.

본 발명은 또한, 높은 출력으로 방전되는 시기에 전극 탭에 의한 출력의 제한 문제를 해결할 수 있다.

고출력 방전에서 전지의 온도가 상당 수준까지 오를 경우, 상대적으로 양호한 열전도체인 금속 탭이 캔과 닿아 이루어지는 전극의 외부로의 열 방출은 전지의 내부 발생 열 방출에 적지 않은 비중을 차지하여, 전지 내부의 온도가 위험 수위까지 올라가는 경우, 전극 탭을 통한 열 방출은 전지의 수명에 결정적인 영향을 끼칠 수 있다.

Claims (7)

1. 두 전극과 세퍼레이터가 적층 권취되고, 각 전극에는 전극 탭이 부착되어 이루어지는 전극 조립체,

   상기 전극 조립체를 내장하는 용기형 케이스,

   상기 케이스에 상기 전극 조립체가 인입되는 통로가 되는 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 가지는 리튬 이차 전지에 있어서,

   상기 전극 탭 가운데 직접 상기 케이스와 접촉되는 적어도 하나의 직접 연결 전극 탭은 각각의 두께에서 그 최소 형성 폭에서의 열류 방향 종단면적에 그 재질의 고유 열전도도를 곱한 값이 상기 직접 연결 전극 탭이 연결된 전극의 전극 집전체의 열류 방향 종단면적에 상기 집전체 재질의 고유 열전도도를 곱한 값의 적어도 20% 이상이 되도록 상기 최소 형성 폭이 형성되고, 동시에 최소 형성 폭이 20mm 이하가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 직접 연결 전극 탭은 권취된 상기 전극 조립체의 중심축 방향으로 길게 형성되어 그 길이 방향의 끝단이 상기 케이스에 닿도록 형성됨을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 직접 연결 전극 탭은 상기 전극 조립체 권취 전 상기 집전체의 장변 방향으로 연장 형성되어 일부분이 상기 세퍼레이터 커버 영역 밖으로 드러내 지고, 상기 일부분이 젤리롤 형태로 권취된 상기 전극 조립체의 바깥쪽에 드러나 상기 케이스의 측벽과 닿도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 직접 연결 전극 탭은

   집전체 폭 전부에 걸쳐 집전체 폭 방향으로 형성된 집전체 연결부,

   상기 집전체 연결부의 길이방향 중간에 형성되어 상기 젤리롤 권취 방향으로 일정 폭 일정 길이만큼 연장형성되는 인출부,

   상기 인출부의 연장된 끝단에 하방으로 연장되는 탭부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 탭부의 측단은 상기 세퍼레이터의 커버 범위 밖으로 드러나, 상기 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체의 외측에 노출되도록 형성되어, 상기 케이스의 벽체와 닿도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 직접 연결 전극 탭의 재질은 니켈이며, 상기 집전체는 구리 재질인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.

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