KR100708864B1 - 이차전지 - Google Patents

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KR100708864B1
KR100708864B1 KR1020050127195A KR20050127195A KR100708864B1 KR 100708864 B1 KR100708864 B1 KR 100708864B1 KR 1020050127195 A KR1020050127195 A KR 1020050127195A KR 20050127195 A KR20050127195 A KR 20050127195A KR 100708864 B1 KR100708864 B1 KR 100708864B1
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김형식
이대회
우승완
김택
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는 양극 및 음극의 코팅부의 구조를 개선하여 롤-프레싱 가공 시 전극이 휘는 것을 방지할 수 있도록, 집전체에 활물질층이 형성되는 코팅부와 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하는 양극과 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 및 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하고 상기 활물질층은 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 두껍게 형성된다.
이차전지, 전극, 무지부, 코팅부

Description

이차전지{SECONDARY BATTERY}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 양극을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지의 양극을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지의 양극을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차전지의 양극을 도시한 단면도이다.
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극의 코팅부의 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있다. 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다.
최근들어 대전력을 필요로 하는 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차전지는 복수개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차전지를 구성하게 된다.
이와 같이 하나의 대용량 이차전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지 모듈이라 칭한다)는 통상 복수개가 직렬 또는 병렬로 연결되는 이차 전지(이차 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.
상기 각각의 단위전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트, 상기 전극군과 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트에 형성된 단자 삽입구에 삽입되어 외측으로 돌출되는 양극단자와 음극단자, 및 상기 단자 삽입구에 끼워져 내밀성을 보장하는 개스킷을 포함한다.
그리고 상기 양극과 음극은 집전체에 활물질이 도포된 코팅부와, 활물질이 도포되지 않은 무지부로 이루어지며, 양극과 음극을 포함하는 전극은 세페레이터를 사이에 두고 적층되어 권취롤 등에 의하여 젤리-롤 형태로 권취되어 전극군을 형성한다.
상기 이차전지의 전극은 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 각형 이차전지의 경우 일반적으로 집전체의 양면에 결착제, 증점제 및 도전제를 포함하는 활물질 슬러리를 도포하고, 이것을 건조 및 롤-프레싱한 후 원하는 크기로 절단하는 공정에 의해 제조한다.
여기서, HEV(하이브리드 전기 자동차)용 이차전지와 같이 고출력 이차전지의 경우 짧은 시간에 많은 양의 전류를 사용하여야 하는 특성 때문에 전극의 폭 방향으로 무지부가 형성되는 전극 구조 대신에, 전극의 길이 방향으로 무지부가 형성되는 것이 유리하다.
그러나 상기와 같이 극판의 길이 방향으로 무지부가 형성된 고출력 이차전지의 전극구조는 전극의 밀도를 높이기 위해 프레스 등으로 가압하는 과정에서 집전체로 사용되는 기재에 활물질이 도포된 코팅부와 활물질이 도포되지 않은 무지의 두께의 차이 때문에 전극이 휘는 현상이 발생한다.
이와 같은 문제는 전극의 코팅부에 활물질이 도포됨으로써 전극의 코팅부와 무지부의 두께가 달라져 프레스에 의한 압력의 작용이 전극의 코팅부와 무지부 사이에 불균일하기 때문에 나타난다.
즉, 전극의 코팅부는 두께가 두꺼워서 코팅부의 집전체는 프레스공정에서 연신되지만, 무지부의 집전체는 연신되지 않거나 상대적으로 작게 연신되기 때문에 전극이 무지부 방향으로 휘는 현상이 발생하여 전극에 불량이 생기게 되는 문제가 나타난다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지의 전극의 구조를 개선하여 프레스로 가압할 때, 전극이 휘는 것을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차 전지는 집전체에 활물 질층이 형성되는 코팅부와 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하는 양극과 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 및 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하고 상기 활물질층은 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 두껍게 형성된다.
상기 무지부 인접부의 두께는 상기 측단부 인접부의 두께의 1.01배 내지 1.3배로 이루어질 수 있다.
상기 활물질층은 측단부 인접부에서 무지부 인접부로 갈수록 두께가 점진적으로 증가하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 활물질층은 측단부 인접부에서 무지부 인접부로 갈수록 두께가 단계적으로 증가하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 활물질층은 코팅부의 중심에서 무지부까지의 두께가 코팅부의 중심에서 측단부까지의 두께보다 크게 형성될 수 있다.
상기 집전체에는 양면에 활물질층이 형성되고, 상기 활물질층 중 일측 활물질층만 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 크게 형성될 수 있다.
상기 집전체에는 양면에 활물질층이 형성되고, 양면에 형성된 상기 활물질층 모두 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 크게 형성될 수 있다.
또한 상기 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전도 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지를 도시한 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(10)는 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(15)과, 상기 전극군(15)을 수용할 수 있도록 일측 선단이 개방된 케이스(14)와, 상기 케이스(14)와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군(15)과 전기적으로 연결되는 전극 단자(21, 22)가 구비되는 캡 조립체(30)를 포함한다.
상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(15)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.
본 실시예에서는 상기 케이스(14)가 각형으로 이루어진 것으로 도시하고 있지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 케이스(14)는 원통 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 캡 조립체(30)는 상기 케이스(14)의 개구부에 기밀을 유지한 상태로 결합되어 케이스(14)를 밀폐하는 캡 플레이트(17)와, 이 캡 플레이트(17) 양쪽에 설치되고 전극군(15)의 무지부(11a, 12a)와 전기적으로 연결되는 전극 단자(21, 22)를 포함한다.
여기서 전극군(15)은 집전체(35, 36)에 활물질(31, 32)이 도포된 코팅부와 집전체(35, 36)에 활물질(31, 32)이 도포되지 않은 무지부(11a, 12a)를 포함하는 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 적층된 구성으로 이루어질 수 있다. 또한 전극군(15)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)가 개재되어 와류상으로 감겨 형성된 젤리-롤 타입으로 이루어질 수도 있다.
이하 본 실시예에서는 도 1에서 도시한 바와 같이 각형의 케이스(14)에 젤리-롤 타입으로 감아진 전극군(10)이 위치하는 경우를 예로써 설명한다.
한편, 양극(11)과 음극(12)의 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)는 상기 양극(11)과 음극(12) 사이를 상호 절연하는 한편, 전극들(11, 12) 간에 활물질 이온이 교환될 수 있도록 한다.
또한, 본 실시예에서는 각 전극 단자(21, 22)와 전기적으로 연결되는 무지부(11a,12a)가 상기 전극군(15)을 이루는 각 전극(11,12)의 측단에 형성된 구조를 예로써 설명한다.
이에 본 실시예에 따른 전극군(15)은 각각의 활물질(31, 32)이 집전체(35, 36)에 코팅되어 구성된 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 와류상으로 감겨 형성된 젤리-롤 타입으로 이루어지며, 양극(11)의 무지부(11a)와 음극(12)의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(14)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 케이스의 위에 놓여졌을 때를 기준으로 케이스(14)의 양 측면에 전극군(15)의 양극 무지부(11a)와 음극 무지부(12a)가 각각 위치할 수 있도록 내장 설치된다.
본 발명의 전극은 양극(11) 또는 음극(12) 중 적어도 하나에 적용할 수 있으며, 그 원리는 동일하므로, 이하 실시예의 설명에 있어서는 양극(11)에 대한 설명 으로 음극(12)에 대한 설명을 대체토록 한다.
도 2에서 도시된 바와 같이 양극 집전체(35)에는 적어도 어느 한 면에 활물질층이 형성되며, 상기 양극(11)는 활물질층(31)이 형성된 코팅부(11b)와 활물질층(31)이 형성되지 않는 무지부(11a)로 이루어진다.
여기서 상기 양극 집전체(35)는 알루미늄 등으로 이루어지고, 양극 활물질(31)은 LiCoOP2, LiNiO2, LiMnO2 등을 주성분할 수 있으며, 음극 활물질(32)은 그라파이트 등의 카본계 활물질을 주성분으로 할 수 있다.
활물질층(31)은 집전체(35)의 일측으로 치우쳐 도포되어 무지부(11a)는 전극의 한쪽 측단에 집전체(35)의 길이방향을 따라 형성된다.
도 3에 본 발명의 제1 실시예에 따른 양극을 도시한 단면도로서 활물질층(31)이 집전체(35)의 양면에 형성되며, 양극(11)은 활물질층(31)이 형성된 코팅부(11b)와 활물질층(31)이 형성되지 않은 무지부(11a)를 포함한다.
활물질층(31)은 무지부(11a)에 인접한 부분이 양극(11)의 측단부(11c)에 인접한 부분보다 두껍게 형성된다. 그리고 상기 활물질층(31)은 측단부(11c)에서 무지부(11a)로 갈수록 점진적으로 두께가 증가하는 구조로 이루어진다.
상기 활물질층(31)은 무지부 인접부(L1)의 두께(T1)가 측단 인접부(L2)의 두께(T2)보다 1.01배 내지 1.5배 두꺼운 구조로 이루어진다. 여기서 무지부 인접부(L1)란 무지부(11a)부터 무지부(11a)에서 소정 거리 이격된 지점까지를 말하면 측단부 인접부(L2)란 양극의 측단부(11c)부터 측단부(11c)에서 소정 거리 이격된 지 점까지를 말한다. 다만 무지부 인접부(L1)와 측단부 인접부(L2)의 폭은 동일한 것으로 정의한다.
또한, 무지부 인접부(L1)의 두께(t1)란 무지부 인접부(L1)의 평균 두께를 말하며, 측단부 인접부(L2)의 두께(t2)란 측단부 인접부(L2)의 평균 두께를 말한다.(이하, 본 발명에서 두께라 함은 특별한 언급이 없는 한 평균 두께로 정의한다.)
무지부 인접부(L1)의 두께(t1)이 측단부 인접부(L2)의 두께(t2)의 1.01배보다 작게 형성되면 측단부 인접부(L2)가 과도하게 인장되어 전극이 휘어지는 문제가 있으며, 무지부 인접부(L1)의 두께(t1)이 측단부 인접부(L2)의 두께(t2)의 1.5배보다 크게 형성되면 무지부 인접부(L1)의 두께(t1)가 지나치게 두꺼워져 전극군(15, 도 1에 도시)이 제대로 감겨지지 않는 문제가 생긴다.
그리고 본 실시예에 따른 활물질층(31)은 무지부 인접부(L1)의 두께(t1)가 측단부 인접부(L2)의 두께(t2)보다 큰 구조로 이루어져, 활물질층(31)을 형성한 후, 프래스 등으로 가압하는 과정에서 무지부 인접부(L1)가 측단부 인접부(L2)보다 더 큰 가압력을 받으므로 무지부 인접부(L1)가 측단부 인접부(L2)와 동일하거나 측단부 인접부(L2)보다 더 많이 인장된다.
즉, 활물질층(31)의 두께가 균일하면 외측에 위치하여 저항력을 적게 받는 측단부 인접부(L2)가 가장 많이 인장되고, 무지부(11a)는 두께가 얇아 상대적으로 거의 인장되지 않는다. 따라서 양극(11)은 코팅부(11b)에서 무지부(11a) ??으로 휘게되어 부채꼴 형상으로 변형된다.
그러나 본 실시예와 같이 무지부 인접부(L1)의 두께가 상대적으로 두꺼우면 무지부 인접부(L1)가 큰 힘을 받으므로 무지부 인접부(L1)가 인장되지만 무지부 인접부(L1)는 내측에 위치되므로 많이 인장되지 않는다. 그리고 측단부 인접부(L2)는 자유단이지만 두께가 얇아 작은 힘을 받으므로 역시 많이 인장되지 않는다. 이에 따라, 코팅부(11b) 전체가 인장되는 정도는 감소하고 코팅부(11b)가 비교적 균일하게 인장되며, 무지부(11a)도 무지부 인접부(L1)가 인장됨에 따라 종래보다 많이 인장된다. 따라서 양극(11) 전체가 균일하게 인장될 수 있어서 프레스 등으로 가압되는 과정에서 양극(11)이 휘는 것을 방지할 수 있다.
또한, 무지부 인접부(L1)가 측단부 인접부(L2) 보다 두껍게 형성되므로 양극(11)이 프레스 등으로 가압되는 과정에서 강한 힘이 작용하는 무지부 인접부(L1)가 측단부 인접부(L2) 보다 활물질의 밀도가 높게 형성된다. 따라서 단위 부피당 무게는 무지부 인접부(L1)가 측단부 인접부보다 크게 된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양극을 도시한 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 양극(40)은 집전체(45)와 집전체(45)의 양면에 형성된 활물질층(41, 42)을 포함한다. 그리고 상기 활물질층(41, 42)이 집전체(45)의 폭방향으로 치우쳐 형성되어, 코팅부(40b)는 양극(40)의 일측에 치우쳐 형성되고 타측에는 활물질층(41, 42)이 형성되지 않은 무지부(40a)가 형성된다. 그리고 상기 활물질층(41, 42) 중 집전체의 일면에 형성된 활물질층(42)은 두께가 균일한 구조로 이루어지고, 타면에 형성된 활물질층(41)은 코팅부(40b)의 중심에서 무지부(40a)까지의 구간(D1)의 두께(B1)가 코팅부(40b)의 중심에서 측단(40c)까지의 구간(D2)의 두께(B2)보다 두껍게 형성된다.
이와 같이, 일측 활물질층(41)의 두께는 코팅부(40b)의 중심에서 무지부(40a)까지의 평균 두께(B1)가 코팅부(40b)의 중심에서 측단부(40c)의 까지의 평균 두께(B2)보다 크게 이루어져 롤-프레싱 가공 시에 코팅부(40b)의 중심에서 무지부(40a) 사이의 구간(D1)에 큰 힘이 작용하므로 상기 양극(40)은 균일하게 인장될 수 있다.
즉, D1은 상대적으로 양극(40)의 중심에 위치하고 양극(40)의 중심부분은 큰 힘이 작용하더라도 큰 저항력이 작용하므로 용이하게 인장되지 않으며, 무지부(40a)와 측단부(40c)에 인접한 부분은 자유단이므로 상대적으로 작은 힘에도 쉽게 인장되어 전체적으로 일정하게 인장된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 양극(50)을 도시한 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 양극(50)은 집전체(55)의 양면에 형성된 활물질층(51)을 포함하고 상기 활물질층(51)은 집전체(55)의 일측으로 치우쳐 형성된다. 따라서 상기 양극(50)은 폭방향 일측에는 코팅부(50b)가 형성되고 타측에는 무지부(50a)가 형성된다.
그리고 본 실시예에 따른 상기 활물질층(51)은 양극(50)의 측단에서 무지부(50a) 측으로 갈수록 두께가 단계적으로 증가하는 구조로 이루어진다. 즉, 상기 활물질층(51)은 두께가 일정하게 유지되다가 단계적으로 두께가 증가하는 부분이 나타나게 된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 무지부(50a)에 인접한 코팅부(50b)의 두께가 가장 두꺼워서 롤-프레싱 가공 시에 이 부분이 가장 많이 인장되고 이 부분과 맞닿 은 무지부(50a)도 같이 인장된다. 따라서 고출력 이차전지의 전극 제조 시에 집전체(55)에 활물질층(51)을 형성한 후 롤-프레싱 가공을 함에 있어서, 무지부(50a)와 코팅부(50b)의 연신율의 차이에 따라 양극(50)이 휘는 현상을 방지할 수 있어서 불량률을 낮출 수 있으며, 이러한 양극(50)을 사용함으로써 이차전지의 신뢰성과 안정성을 높일 수 있다.
본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.
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.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전극을 롤-프레싱 가공함에 있어서 전극이 균일하게 인장되어 롤-프레싱 가공하는 과정에서 전극이 휘는 현상을 방지할 수 있다.
이에 따라 전극 제조 시에 불량률을 낮출 수 있으며, 이러한 전극을 사용함으로써 이차전지의 신뢰성과 안정성을 높일 수 있다.

Claims (10)

  1. 집전체에 활물질층이 형성되는 코팅부와 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하는 양극과 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하고 상기 무지부는 양극과 음극의 측단에서 양극과 음극의 길이 방향을 따라 이어져 형성된 전극군;
    상기 전극군이 내장되는 케이스; 및
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 구비된 캡 조립체;
    를 포함하고,
    상기 활물질층은 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 두껍게 형성되는 이차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 무지부 인접부의 두께는 상기 측단부 인접부의 두께의 1.01배 내지 1.5배인 이차 전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 활물질층은 측단부 인접부에서 무지부 인접부로 갈수록 두께가 점진적으로 증가하는 이차 전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 활물질층은 측단부 인접부에서 무지부 인접부로 갈수록 두께가 단계적으로 증가하는 이차 전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 활물질층은 코팅부의 중심에서 무지부까지의 두께가 코팅부의 중심에서 측단부까지의 두께보다 크게 형성되는 이차 전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 활물질층은 무지부 인접부의 단위 부피당 무게가 측단부 인접부의 단위 부피당 무게보다 큰 이차 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극은 양면에 활물질층이 형성되는 이차 전지.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극의 일측 면에 형성된 활물질층이 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 크게 형성되는 이차 전지.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극은 양면에 형성된 활물질층이 무지부 인접부의 두께가 측단 인접부의 두께보다 크게 형성되는 이차 전지.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 이차전지는 모터 구동용인 이차전지.
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