KR100624954B1 - 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지는 전극 활물질층이 도포된 제1전극판과, 제1전극판과 다른 극성을 띠는 전극 활물질층이 도포된 제2전극판과, 제1전극판 및 상기 제2전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터 및 제1전극판과 제2전극판 및 세퍼레이터가 적층되어 권취된 상태를 유지시키며 전해액이 투과 가능한 재질로 형성된 고정 테이프를 포함하므로, 전극 조립체는 전해액 또는 이온의 투과율이 향상되어 이차 전지의 성능이 향상되는 이점이 있다.
이차 전지, 전극 조립체, 세퍼레이터, 고정 테이프

Description

권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지{Lithum Secondary battery having Jelly-roll type electrode assembly}
도 1은 본 발명에 따른 전극 조립체를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 전극 조립체의 분리된 것을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 고정 테이프의 일실시예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 고정 테이프의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체가 적용된 리튬이차전지의 일실시예를 도시한 분해사시도이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100; 이차 전지 110; 이차 전지용 케이스
200; 전극 조립체 210; 양극 전극판
211; 양극 집전체 212; 양극 활물질층
213; 양극 무지부 215; 양극 탭
220; 음극 전극판 221; 음극 집전체
222; 음극 활물질층 223; 음극 무지부
225; 음극 탭 230; 세퍼레이터
250 ; 고정 테이프 251; 기재 기판
253; 접착제층
300; 캡 조립체 310; 캡 플레이트
311; 단자 통공 312; 전해액 주입공
315; 보올 320; 단자 전극
330; 가스켓 340; 절연 플레이트
350; 단자 플레이트 360; 절연 케이스
362; 전해액 주입 통공
본 발명은 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극 조립체를 마감하는 고정 테이프를 갖는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈- 수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 소형의 전자 기기의 전원으로 이용되고 있는 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차 전지를 완성한다.
이때, 전극 조립체는 젤리롤 형태로 권취되며 전극 젤리롤의 외면을 감싸도록 고정 테이프를 부착한 후, 고정 테이프가 부착된 전극 젤리롤을 압착하여 형성된다.
그러나, 종래의 젤리롤형 전극 조립체는 권취된후 고정 테이프를 부착한 후 압착하므로 케이스 내에 수납되는 전극 조립체가 딱딱한 상태를 유지하게 된다. 따라서, 전해액 주입시 전해액 함침 수준이 낮아지고, 전극 젤리롤의 수명 특성이 나빠질 수 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전극 조립체를 마감하는 고정 테이프의 전해액 함침 수준을 상승시키는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극 활물질층이 도포된 제1전극판과, 상기 제1전극판과 다른 극성을 띠는 전극 활물질층이 도포된 제2전극판과, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터 및 상기 제1전극판과 상기 제2전극판 및 상기 세퍼레이터가 적층되는 전극 조립체의 권취된 상태를 유지시키며 전해액이 투과 가능한 재질로 형성된 고정 테이프를 포함하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지를 제공한다.
상기 고정 테이프는 기재 기판(base film)과, 상기 기재 기판에 도포된 접착제층으로 이루어 진다.
상기 기재 기판은 상기 전극 조립체의 저면을 커버하는 저면커버부와, 상기 저면의 장변과 인접한 양측면을 커버하는 측면커버부를 포함할 수 있다.
상기 기재 기판은 전해액 또는 이온이 투과 가능한 재질로 형성된 것이 바람직하다.
상기 기재 기판은 상기 세퍼레이터와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
상기 기재 기판은 다공성 재질로 형성될 수 있으며, 상기 기재 기판의 기공률은 1%이상인 것이 바람직하다.
상기 기재 기판의 재질은 다공성 PE, 다공성 PP, 다공성 폴리우레탄, 다공성 실리카, PPS, PPA, PT 중 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다.
상기 기재 기판은 변형온도가 150℃ 이상인 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기재 기판은 매쉬(mesh) 형태로 형성될 수 있다.
상기 기재 기판의 두께는 20μm이하인 것이 바람직하다.
상기 접착제층은 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질로서, 아크릴일 수 있으며, 상기 접착제층은 상기 측면커버부에만 도포된 것일 수 있다.
상기 접착제층의 두께는 35um이하일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극 조립체를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전극 조립체의 분리된 것을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 고정 테이프의 일실시예를 도시한 도면이다. 이들 도면을 참조하면, 리튬 이차 전지는 케이스(110)에 젤리-롤형으로 권취된 전극 조립체(200)가 수용된 후, 전해액이 주입되어 캡 조립체(300)로 마감하여 이루어진다.
상기 이차 전지용 케이스(110)는 금속재로 이루어져 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 여기서, 케이스(110)는 원통형 또는 각형으로 형성가능하다.
상기 전극 조립체(200)는 제1전극탭(215)이 부착된 제1전극판(210), 제2전극탭(225)이 부착된 제2전극판(220) 및 상기 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230)가 권취된 형태로 이루어져 있다.
즉, 전극 조립체(200)는 제1전극판(210), 제2전극판(220) 및 세퍼레이터(230)가 각각 한 장의 스트립(strip)으로 이루어져, 제1전극판(210), 세퍼레이터(230), 제2전극판(220), 세퍼레이터(230)의 순으로 배치되어, 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취되며, 상기 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)에 부착된 고정 테이프(250)에 의하여 고정되어 있다.
도면상에는 도시하지 않았으나, 전극 조립체(200)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)이 각각 한 장의 스트립으로 이루어지며, 제1전극판(210) 및 제2전극판(220) 중 어느 하나의 전극판을 상기 세퍼레이터(230)가 감싸는 형태로 이루어진 상태에서 젤리-롤형으로 권취되며, 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)에 부착된 고정 테이프(240)에 의하여 고정될 수 있다.
제1전극판(210)은 양극일 수 있으며, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 제1전극집전체(211)와, 그 양면에 코팅된 제1활물질층(212)을 포함하고 있다. 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-XCoXO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 제1전극판(210)의 양 말단은 제1활물질층(212)이 형성되지 않은 제1전극집전체(211) 영역, 즉, 제1전극무지부(213)이며, 제1전극무지부(213) 중 어느 한 편에는 제1전극탭(215)이 전기적으로 연결되어 있다.
제2전극판(220)은 음극일 수 있으며, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 제2전극집전체(221)와, 그 양면에 코팅된 제2활물질층(222)을 포함하고 있다. 제2활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 제2전극판(220)의 양 말단은 제2활물질층(222)이 형성되지 않은 제2전극집전체(221) 영역, 즉 제2전극무지부(223)이며, 제2전극무지부(223) 중 어느 한 편, 예를 들면, 제1전극판(210)의 제1전극탭(215)이 형성된 반대편의 제2전극무지부(223)에는 제2전극탭(225)이 전기적으로 연결되어 있다.
상기 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210)과 제2전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차 전지(100)의 전하(charge), 예를 들면 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리플로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제1전극판(210) 및 제2전극판(220) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
또한, 제1활물질층(212) 및 제2활물질층(222)은 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)이 1회 권취된 이후부터 시작된다. 즉, 무지부(213, 223)와 제1,2전극활물질층(212, 222)의 경계면에서 권취가 시작되는 것이다.
여기서, 권취된 전극 조립체(200)는 그 권취된 상태에서 세퍼레이터(230)나 제1,2전극판(210,220)이 풀리는 것을 방지하기 위해 고정 테이프(250)가 부착된다.
고정 테이프(250)는 권취된 후의 전극 조립체(200) 최외곽면 하단부에 부착될 수 있다. 즉, 전극 조립체(200)의 저면과 전극 조립체(200)의 장변부와 인접한 양측면을 커버하도록 부착된다.
이에 따른 고정 테이프(250)는 이차 전지(100)의 과충전시 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도보다 높은 변형온도를 갖는 기재 기판(251, base film)과, 상기 기재 기판(251)의 상ㆍ하면 상에 도포된 접착제층(252)으로 이루어져 있다.
기재 기판(251)은 권취된 전극 조립체(200)의 저면을 커버하는 저면커버부(251a)와, 전극 조립체(200)의 저면 장변과 인접한 양측면을 커버하는 측면커버부(251b)로 이루어진다.
상기 기재 기판(251)은 상기 리튬 이차 전지(100)의 과충전시의 내부 온도가 약 150℃ 정도까지 상승하므로, 그 변형 온도가 약 150℃ 이상인 물질로서 그 두께 가 20μm이하로 이루어져 전극 집전체(200)의 두께를 최소화하여야 한다.
한편, 기재 기판(251)은 전해액 또는 이온의 투과 가능한 재질로 형성되어야 하므로, 전해액 또는 이온을 투과시키는 세퍼레이터(230)와 동일한 재질로 형성되어도 무방하다. 그리고, 기재 기판(251)은 전해액 또는 이온이 투과 가능하도록 기공률이 1%이상인 다공성재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 다공성 PE, 다공성PP, 다공성 폴리우레탄, 다공성 실리카, PPS, PPA, PT 중 어느 하나의 물질이 사용되나, 본 실시예에서 그 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
또한, 기재 기판(251)은 도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 간격을 갖고 격자모양으로 교차된 체 형상의 메쉬(Mesh)타입으로 형성될 수 있다. 따라서, 체의 구멍을 통해 전해액 또는 이온의 투과가 용이하다.
접착제층(253)은 리튬 이차 전지(100)의 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 아크릴(acryl)을 사용하는 것이 바람직하나, 본 실시예에서 그 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다. 또한, 접착제층(253)은 기재 기판(251)의 측면커버부(251b)에만 도포되어도 전극 조립체(200)를 고정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 권취된 전극 조립체(200)는 각형 케이스(110)에 수납될 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 캡 조립체(300)에 의해 마감된다.
캡 조립체(300)에는 상기 이차 전지용 케이스(110)의 개구부와 대응하는 크기와 형상을 구비하는 평판형 캡 플레이트(310)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 중앙부에는 단자 통공(311)이 형성되어 있으며, 상기 캡 플레이트(310) 의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공(312)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(312)은 보올(315)과 결합되어 밀폐된다.
상기 단자 통공(311)에는 전극 단자(320), 예를 들면, 음극 단자가 삽입 가능하도록 위치하고 있다. 상기 전극 단자(320)의 외부면에는 상기 캡 플레이트(310)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(330)이 설치되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 아랫면에는 절연 플레이트(340)가 배치되어 있다. 상기 절연 플레이트(340) 아래면에는 단자 플레이트(350)가 설치되어 있다.
상기 전극 단자(320)는 상기 가스켓(330)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자 통공(311)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 전극 단자(320)의 저면부는 상기 절연 플레이트(340)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(350)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡 플레이트(310)의 아랫면에는 상기 양극 전극판(210)으로부터 인출된 양극 탭(215)이 용접되어 있으며, 상기 전극 단자(320)의 하단부에는 상기 음극 전극판(220)으로부터 인출된 음극 탭(225)이 용접된다.
한편, 상기 전극 조립체(200)의 상면에는 상기 전극 조립체(200)와 캡 조립체(300)를 전기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(200)의 상단부를 커버할 수 있는 절연 케이스(360)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(360)는 상기 캡 플레이트(310)의 전해액 주입구(312)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공(362)을 구비하여, 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 상기 절연 케이스(360)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 상기와 같이 조립된 이차 전지는 케이스(110)에 전해액 또는 이온이 투과 가능한 재질로 형성된 고정테이프(250)로 고정된 전극 조립체(200)가 수납되므로 이차 전지 내부의 온도가 상승하여도 전극 조립체가 풀리는 것이 방지된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 권취형 전극 조립체의 고정 테이프는 세퍼레이터와 같은 재질 또는 메쉬타입이나 다공성 재질로 형성됨에 따라 전극 조립체는 전해액의 투과율이 향상되어 이차 전지의 성능이 향상되는 이점이 있다.
또한, 권취된 전극 조립체는 고정 테이프를 부착하여, 세퍼레이터를 고정함으로써, 리튬 이차 전지의 과충전으로 인해 리튬 이차 전지의 내부 온도가 상승하여도 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 간의 쇼트를 방지할 수 있다. 따라서, 리튬 이차 전지의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있 음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 전극 활물질층이 도포된 제1전극판;
    상기 제1전극판과 다른 극성을 띠는 전극 활물질층이 도포된 제2전극판;
    상기 제1전극판 및 상기 제2전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터; 및
    상기 제1전극판과 상기 제2전극판 및 상기 세퍼레이터가 적층되는 전극조립체의 권취된 상태를 유지시키며 전해액이 투과 가능한 재질로 형성되되, 매쉬(mesh) 형태를 갖는 고정 테이프;를 포함하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정 테이프는 기재 기판(base film);과
    상기 기재 기판에 도포된 접착제층으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기재 기판은 상기 전극 조립체의 저면을 커버하는 저면커버부와, 상기 저면의 장변과 인접한 양측면을 커버하는 측면커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기재 기판은 상기 세퍼레이터와 동일한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기재 기판은 다공성 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기재 기판의 기공률은 1%이상인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 기재 기판의 재질은 다공성 PE, 다공성 PP, 다공성 폴리우레탄, 다공성 실리카, PPS, PPA, PT 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기재 기판은 변형온도가 150℃ 이상인 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  9. 삭제
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 기재 기판의 두께는 20μm이하인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 접착제층은 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 접착제층은 아크릴인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  13. 제 3항에 있어서,
    상기 접착제층은 상기 측면커버부에만 도포된 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  14. 제 11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접착제층의 두께는 35um이하인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극판은 양극판인 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체를 갖는 리튬 이차 전지.
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