KR100659860B1 - 이차전지용 전극 및 이를 채용한 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지용 전극에 관한 것으로, 특히 전극 집전체에 돌기부를 형성하여 상기 돌기부에 탭을 부착시킴으로써, 전극 탭에 의한 전극 롤의 두께 편차를 방지하여 두께 편차로 인한 충방전시 불균일 반응을 제거하고, 두께 편차로 인한 전극 젤리롤의 변형을 방지하며, 전지 용량, 전지 수명등의 전지 특성을 향상시킬 수 있는 이차 전지용 전극 및 이를 채용한 이차전지에 관한 것이다.

이차전지, 탭, 두께 편차

Description

이차전지용 전극 및 이를 채용한 이차전지{Electrode for a rechargeable battery and the battery employing the same}

도 1은 종래 기술에 따른 전극군의 일부를 도시한 부분 사시도,

도 2a는 종래 기술에 따라 제조된 전극군을 권취하여 형성된 젤리롤형 전극 조립체를 압박한 경우 상하 압박에 의해 전극 조립체의 중앙이 변형된 것을 나타내는 단면도,

도 2b 는 종래 기술에 따라 제조된 전극군을 권취하여 형성된 젤리롤형 전극 조립체를 권취한 후 압박한 상태에서 전극탭 주변부에 두께 편차가 나타나는 현상을 도시한 일부 확대 사시도,

도 3a~3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 평면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 전극 조립체 11, 12, 20 : 전극

11a, 12a, 21, 21', 21" : 무지부 22 : 도포부

23 : 돌출부 14, 15, 24, 24', 24" : 탭

본 발명은 이차전지용 전극에 관한 것으로, 특히 전극 탭에 의한 전극 롤의 두께 편차를 방지하여 두께 편차로 인한 충방전시 불균일 반응을 제거하고, 두께 편차로 인한 전극 젤리롤의 변형을 방지할 수 있는 이차 전지용 전극 및 이를 채용한 이차전지에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 통신용 PC, 노트북 컴퓨터 및 캠코더 등의 휴대용 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로 쓰이는 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 충전 및 방전이 가능한 이차전지 예컨데 리튬 2차 전지는 기존의 납축전지, 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-Mh) 전지, 니켈-아연 전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 3배 정도 높고 고속 충전이 가능하다.

그리고 리튬 2차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 폴리머 전지라고 부른다. 리튬 2차 전지는 여러 가지 형상으로 제조 가능한데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 및 파우치 형이 있다. 특히 각형전지는 전자제품의 경량화 및 소형화를 하는데 있어 매우 중요하다.

이러한 이차전지에 채용되는 전극 조립체로는 집전체에 활물질을 도포하고 이를 건조시킨 후, 롤 프레싱 및 절단하여 각각 형성시킨 음극 및 양극 사이에 세퍼레이터(separator)를 삽입하여 권취시킨 젤리-롤(Jelly-Roll)형의 전극 조립체가 있다. 한편, 통상적으로 각형 또는 파우치 전지에서는 젤리-롤형의 전극 조립체를 타원형으로 권취한 다음 압박하여 평평하게 한 후 전지 케이스에 수납하게 된다.

도 1에는 종래 기술에 따른 젤리-롤형의 전극 조립체의 권취전 전극군의 부분 사시도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 전극 조립체(10)은 음극(11) 및 양극(12)와 이들 사이에 개재된 세퍼레이터(13a)(13b)를 포함한다.

상기 양극(11)은 스트립상의 양극 집전체에 양극 활물질이 도포된 양극 도포부(미도시)와 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)로 이루어지며, 상기 음극(12)은 스트립상의 음극 집전체에 음극 활물질이 도포된 음극 도포부(미도시)와 음극활물질이 도포되지 않은 음극 무지부(12a)로 이루어진다. 상기 양극(11)과 음극(12) 사이에는 세퍼레이터(13a)(13b)가 개재되어 있으며, 이러한 상태에서 나선형으로 감기게 된다.

상기 양극(11)의 양극 무지부(11a)와 음극(12)의 음극 무지부(12a)에는 각각 양극탭(14)과 음극탭(15)이 용접 등에 의해 고정 설치되어 있으며, 상기 양극 탭(14)과 음극 탭(15)의 각 상부면에는 고정 부위를 보호하기 위한 보호부재들이(16a)(16b)이 부착되어 있다. 이러한 상태에서 통상적인 비원형의 맨드렐(mandrel, 미도시)에 권취된다. 이렇게 제조된 젤리롤을 각형 케이스에 삽입시키기 위해 원통형의 젤리롤의 외부 양측을 가압하여 거의 직사각형 모양으로 변형시켜 케이스에 삽입시킨다.

그런데 이와 같이 가압되어 조립되는 양극(11) 및 음극(10)은, 도 2a에서 도시된 바와 같이, 탭 두께로 인한 편차로 중앙과 탭이 있는 부분과의 압력차이로 상하 압박에 의해 전극 조립체(10)의 중앙이 변형되어 틀어지게 된다.

또한, 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 젤리롤(10)의 내측에 위치되는 양극 탭(14) 및 음극 탭(15)은 그 자체적으로 두께를 갖고 있으며, 이러한 상태에서 젤리롤(10)을 압박하게 되면, 절연 테이프 및 전극탭이 부착된 부위와 나머지 부위에서 두께의 편차가 발생하게 된다. 이와 같은 전극 젤리롤의 국부적인 두께 편차는 전지 반응시 불균등 반응을 초래하는 원인이 되어 전지의 성능을 저하시키게 된다.

즉, 전지의 화성공정에서 초충전시 발생하는 개스 압력에 의해 전극롤에 힘이 가해지고, 점차적으로 극판에 리튬 이온이 석출 삽입되면서 극판이 팽창하여 더욱 전극 젤리롤에 힘이 가해지게 된다. 상기 힘이 두께 편차가 발생된 전극 젤리롤에 불균등하게 작용함으로써, 상기 젤리롤의 양, 음극 탭이 일종의 지지축 역할을 하여 상기 양, 음극 전극탬의 주변부인 상기 전극 젤리롤의 수평방향의 양측단에는 상기 힘에 의해 변형이 발생하지 않으나, 상대적으로 두께가 얇은 상기 전극 젤리롤의 수평방향의 중심부에는 전지의 내부에서 발생한 힘에 의해 변형이 된다는 문제점이 있다.

이러한 젤리롤 형태의 전극 조립체의 단점을 개선하기 위하여, 종래에는 전극 탭을 부착하는 부분을 넓게 하여 전극의 두께 편차와 변형을 줄이거나, 권취용 맨드릴 구조를 개선하는 방법, 전극 중앙에 활물질의 일부를 제거하고 그 부위에 탭을 부착하는 방법 등이 제안되었다.

그러나 상기 방법들은 전극활물질의 제거 또는 상대적으로 무지부를 넓게함으로써 전지의 용량이 적어지거나 별도의 추가 공정이 필요한 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 전극 젤리롤의 문제점을 해소하기 위하여, 첫 번째 목적은 전극 탭의 두께 편차로 발생되는 젤리롤의 변형을 방지할 수 있는 이차전지용 전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 개선된 구조의 전극을 채용하여 변형되지 않고 균일하게 반응할 수 있는 개선된 구조의 전극을 채용하여, 충방전시 균일한 반응으로 안정하면서도 고용량의 이차전지를 제공하는 것이다.

상기 첫 번째 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은

전극 집전체,

상기 전극 집전체의 적어도 일면에 도포된 활물질, 및

상기 집전체에 연결된 탭을 포함하며,

상기 탭이 상기 전극 집전체의 돌출부에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제공한다.

상기 탭은 음극 또는 양극 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 돌출부는 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함할 수 있다.

상기 돌출부가 형성된 부분의 전극 집전체는 활물질이 도포되지 않은 무지부로 형성될 수도 있다.

상기 돌출부는 전극 집전체의 장변 중의 적어도 어느 한 곳에 형성될 수 있다.

상기 돌출부의 형상은 전극탭이 부착하기에 적합한 것이면 어떠한 형상이든 가능하다.

본 발명의 또 다른 목적을 위하여, 본 발명은

음극, 양극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체,

상기 전극 조립체가 삽입되는 케이스,

상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하며,

상기 양극 또는 음극 중 적어도 하나가 본 발명에 따른 전극인 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

본 발명에서 상기 전극집전체는 통상의 리튬전지에서 사용되는 금속, 예를 들면, 알루미늄 금속 또는 구리 금속으로 이루어질 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 전극(20, 20', 20")은, 전극 집전체, 상기 전극집전체에 전극 활물질이 도포된 도포부(22, 22', 22"), 상기 전극 집전체 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(21, 21', 21") 및 상기 전극 집전체의 돌출부에 부착된 탭(24, 24', 24")을 포함한다.

상기 돌출부(23)는 전극 집전체의 장변 중 적어도 어느 한 변에 형성될 수 있으며, 돌출된 돌출부(23)는 무지부(21, 21', 21")를 포함할 수 있다. 예를 들면 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 전극 집전체 양 말단 측면에 형성되거나, 도 3c에 도시된 바와 같이 중앙에 형성될 수 있다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 돌출부(23, 23', 23") 및 돌출부가 형성된 부분의 전극 집전체에 무지부(21, 21')가 형성되거나 도 3c에 도시된 바와 같이 돌출부(23, 23', 23")에만 무지부(21")가 형성될 수도 있다.

따라서, 종래 방법에 따라 탭이 부착된 극판의 경우 부착된 탭의 두께로 인해, 가압시 젤리롤 전극 조립체(10)의 국부적 두께 편차로 인한 전극의 변형이 생길 수 있으나(도 2b 참조), 본 발명에 따른 전극은 양극 탭 및 음극탭 모두 전극 집전체의 돌출부에 형성되어 전극 조립체의 적층 밖에 위치될 수 있고, 또한, 돌출부에만 무지부를 형성하는 경우, 전극 활물질의 도포량이 증가되어 전지 용량을 증가시킬 수 있다.

또한, 전극의 두께 편차에 따른 불균형으로 인한 전극 집전체 위의 활물질 두께에 대한 제한이 줄어들어 전극 활물질을 두껍게 도포할 수 있어, 본 발명에 따르면 종래의 것에 비해 더 많은 활물질을 포함할 수 있어, 고전류밀도의 전극을 제조하는 것이 가능하며, 따라서 고성능 및 고용량의 전지의 제조가 가능하다.

본 발명을 좀더 상세히 설명하면, 본 발명에서 상기 전극활물질은 통상의 리튬전지에서 사용되는 전극 활물질, 예를 들면, 양극 활물질로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 모두 사용가능하며, 예컨대, LiCoO₂, LiMn_XO_2X, LiNi_{1 -X}MnXO_2X(x=1, 2), Ni_{1 -X-Y} Co_XMnO₂ 등을 들 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiMn₂O_{4 ,} LiCoO₂, LiNiO₂, LiFeO₂, V₂O₅, TiS 및 MoS 등의 리튬의 산화 환원이 가능한 화합물들이다.

음극 활물질로는 천연흑연, 인조 흑연 또는 그 혼합물이거나, Si, Sn, 산화주석, 주석합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용된다.

도전제로는 카본 블랙을 사용하며, 결합제로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리 메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머를 사용하며, 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 물 등을 사용한다. 이때 양극활물질, 도전제, 결합제 및 용매의 함량은 리튬전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다.

또한 상기 양극은 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며 상부로 일정 길이가 돌출된 양극 탭을 접합한다. 상기 음극 전극에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며 하부로 일정 길이가 돌출된 음극탭을 접합하나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.

세퍼레이터로는 리튬전지에서 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 특히 전해질의 이온 이동에 대해 저저항이면서 전해액 함습능력이 우수한 것이 바람직하다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 유리섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들 중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.

또한 본 발명에 따른 전극 조립체를 채용한 리튬전지는 다음과 같이 제조될 수 있다.

전해액으로는 리튬전지에서 사용되는 것이라면 모두 사용가능하며, 예를 들면, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 벤조 니트릴 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 디에틸렌글리콜 또는 디메틸에테르 등의 용매 또는 이들의 혼합 용매에 LiPF₆, LiBF4, LiSbF, LiAsF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiSbF₆, LiAlO₄, LiAlCl₄, LiN(C_xF_{2x +1}SO₂)(C_yF_{2y +1}SO₂)(단 x,y는 자연수), LiCl, LiI 등의 리튬염으로 이루어진 전해질 중 1종 또는 이들을 2종 이상 혼합한 것을 용해하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차 전지는, 케이스에 수납되는 전극 조립체, 상기 케이스의 개구를 덮어 케이스의 내부를 외부로부터 밀폐되도록 하는 캡 조립체가 설치되며, 캡에 형성된 주입구를 통해 전해액이 주입된 후 밀봉된다. 전극 조립체의 상면과 하면에는 캡 조립체 및 케이스과의 접촉을 방지하기 위한 절연체가 설치되어 있다.

상기 캡 조립체는 케이스의 상측 개구에 음극 플레이트를 갖추고, 그 음극 플레이트의 중심에 절연판을 개재하여 설치된 양극 플레이트를 포함하는 것이며, 음극 플레이트와 양극 플레이트의 중심을 관통하는 리벳에 의해 한 몸체로 조립된다. 리벳은 전극 조립체의 양극 탭과 연결되고, 가스켓을 개재하여 음극 플레이트와 절연된다. 또, 음극 플레이트에는 전지의 내압 상승에 대한 안전장치로 안전변이 설치되어 있다.

상기 실시예는 본 발명에 따른 전극 조립체를 채용한 이차전지의 일례이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 전문가는 본 발명에 따른 전극 조립체를 이용하여, 그에 맞도록 이차전지를 용이하게 제조할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 탭이 부착되는 무지부를 전극 집전체의 돌출부에 형성함으로써, 전극 탭을 젤리롤 형성시 적층 구조 밖으로 형성시킴으로써, 전극 탭의 두께 편차로 인한 전극 젤리롤에 작용하는 수평력의 편차를 제거할 수 있다.

또한, 전극 내부에서 발생하는 수평력의 편차를 제거함으로서 젤리롤의 변형을 방지하고, 종래의 탭 형성을 위해 전극활물질이 도포되지 않은 무지부까지 전극 활물질을 도포할 수 있어 고밀도, 고용량의 전지를 제공할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 전극 집전체,

   상기 전극 집전체의 적어도 일면에 도포된 활물질, 및

   상기 집전체에 연결된 탭을 포함하며,

   상기 탭이 상기 전극 집전체의 돌출부에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
2. 제1항에 있어서,

   상기 돌출부가 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
3. 제2항에 있어서,

   상기 돌출부가 형성된 부분의 전극 집전체가 활물질이 도포되지 않은 무지부로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
4. 제1항에 있어서,

   상기 돌출부가 전극 집전체의 장변 중의 적어도 어느 한 곳에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
5. 제1항에 있어서,

   상기 탭이 음극 또는 양극 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 전극을 양극 또는 음극 중 적어도 어느 한 전극으로 채용하는 전극 조립체,

   상기 전극 조립체가 수납되는 케이스 및

   상기 케이스 위에 위치하며, 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하는 것을 특징으로 한 이차전지.

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