KR100709882B1 - 리튬 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

리튬 이차전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100709882B1
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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적으로 베어셀 외부에 별도로 장착되는 PTC소자를 전극탭 중 적어도 어느 하나에 구비함으로써 열감지 속도가 베어셀 외부에 비해 뛰어난 베어셀 내부에 PTC 소자를 형성하여 리튬 이차전지의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 외관을 보다 깔끔하게 할 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지, PTC 소자, 안전성

Description

리튬 이차전지 및 그 제조방법{Lithium rechargeable battery and Method of making the same}
도 1은 일반적인 배터리 팩의 분해 정면도
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 2b는 도 2a 중 권취 전의 음극판의 사시도
도 2c는 도 2b의 A-A 단면도
도 2d는 도 2b의 음극탭에 라미네이션 테이프가 부착된 평면도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 사시도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 - 캔 120, 220 - 전극조립체
121, 221 - 양극판 127 - 음극집전체
128 - 음극활물질층 129 - 음극무지부
134, 234 - 음극탭 136, 236 - PTC 소자
222 - 양극집전체 223 - 양극활물질층
224 - 양극무지부 231 - 양극탭
본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적으로 베어셀 외부에 별도로 장착되는 양성온도소자(Positive Temperature Coefficient : 이하, PTC소자라 한다)를 전극탭 중 적어도 어느 하나에 구비함으로써 열감지 속도가 베어셀 외부에 비해 뛰어난 베어셀 내부에 PTC 소자를 형성하여 리튬 이차전지의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 외관을 보다 깔끔하게 할 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 양극판, 음극판, 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와, 전극조립체를 수용하는 캔과, 캔의 상단개구부를 캡조립체로 밀봉한 베어셀에 PTC 소자, 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 모듈(이하, PCM이라 한다) 등의 안전장치를 장착한 후, 별도의 외장케이스에 수납되거나 핫멜트(hot-melt) 수지로 간극을 채우고, 얇은 외장재로 튜빙, 라벨링(labelling) 등의 방법으로 배터리 팩을 이루게 된다.
안전장치는 도체 구조인 리드 플레이트(lead plate)에 의해 베어셀의 양극단자 및 음극단자와 연결되어 전지 내부가 고온으로 되거나, 과충전 등에 의해 전압이 상승하는 경우 전류를 차단하여 전지의 발화, 폭발을 방지하게 된다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 분해 정면도를 나타낸다.
배터리 팩은 베어셀(100)과 절연판(50)과 보호회로 조립체(51)와 상부 커버(61) 및 하부커버(62)가 조립되어 이루어진다.
상기 베어셀(100)은 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 직사각통 형상의 캔과, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 형성된다.
상기 절연판(50)은 보호회로 조립체(51)와 베어셀(100) 사이에 위치하여 상기 보호회로 기판부(53)와 베어셀(100)이 서로 절연되도록 한다.
상기 보호회로 조립체(51)는 베이스 케이스(52), 보호회로 기판부(53) 및 커버케이스(58)를 포함하여 형성된다. 상기 베이스 케이스(52)는 절연판(50) 위에 위치하며 수지로 몰딩되어 보호회로 기판부(53)를 수용할 수 있는 형태로 형성된다. 상기 보호회로 기판부(53)는 PCT 소자(56)와 PCM(57)과 전기단자(54, 55)를 포함하여 형성된다. 상기 전기단자(54, 55)는 베어셀(100)의 상부 전극단자(35)와 하면에 각각 용접 등의 방식으로 전기적으로 접속된다. 상기 커버 케이스(58)는 베이스 케이스(52)와 보호회로 기판부(53)의 노출된 외형에 맞는 형태로 형성된다.
상기 상부커버(61)와 하부커버(62)는 각각 베어셀(100)의 상부와 하부에 조립되어 배터리팩의 외관을 완성하게 된다.
한편, 베어셀은 과충전, 과전류 상황에서 먼저 내부온도가 상승하게 되고, 그 후 베어셀의 케이스를 비롯한 외면에 그 열이 전달되게 된다. 따라서, 베어셀의 내부는 외부에 비해 상대적으로 열감지 속도가 빠르게 된다. 상기와 같은 일반적인 구조는 PTC 소자가 베어셀의 외부에 장착되기 때문에 열감지 속도가 떨어져서 PTC 소자가 작동하기 시작하기까지 다소 시간이 걸린다는 문제점이 있다. 또한, 상기와 같은 일반적인 구조는 PTC 소자가 베어셀의 외부에 장착되므로 외관이 깔끔하지 못하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 베어셀 외부에 별도로 장착되는 PTC 소자를 전극탭 중 적어도 어느 하나에 구비함으로써 열감지 속도가 베어셀 외부에 비해 뛰어난 베어셀 내부에 PTC 소자를 형성하여 리튬 이차전지의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 외관을 보다 깔끔하게 할 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 리튬 이차전지는 제 1전극집전체와, 상기 제 1전극집전체의 적어도 한 면에 형성되는 제 1전극활물질층과, 상기 제 1전극집전체가 외부로 드러나 있는 제 1전극무지부 및 상기 제 1전극무지부에 형성되는 제 1전극탭을 구비하는 제 1전극판과, 제 2전극집전체와, 상기 제 2전극집전체의 적어도 한 면에 형성되는 제 2전극활물질층과, 상기 제 2전극집전체가 외부로 드러나 있는 제 2전극무지부 및 상기 제 2전극무지부에 형성되는 제 2전극탭을 구비하는 제 2전극판을 포함하는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 캔, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 제 2전극탭은 상기 제 2전극무지부에 용접되는 제 1부분과, 상기 제 1부분과 일부가 마주보도록 형성되며 상기 전극조립체의 상부로 노출되는 제 2부분과, 상기 제 1부분과 상기 제 2부분을 전기적으로 연결시키는 PTC 소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제 1부분은 상기 제 2전극무지부의 높이 이내에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 PTC 소자는 상기 제 2전극집전체에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 제 1부분과 상기 제 2부분이 서로 겹쳐지는 영역 이내에 형성될 수 있다. 또한, 상기 PTC 소자는 상기 제 2전극무지부 높이의 10% 내지 60%의 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2전극탭은 표면에 라미네이션 테이프가 부착될 수 있다.
또한, 상기 제 1전극탭은 상기 제 1전극무지부에 용접되는 제 1부분과, 상기 제 1부분과 일부가 마주보도록 형성되며 상기 전극조립체의 상부로 노출되는 제 2부분 및 상기 제 1부분과 상기 제 2부분을 전기적으로 연결시키는 PTC 소자를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제 1전극탭의 제 1부분은 상기 제 1전극무지부의 높이 이내에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1전극탭의 PTC 소자는 상기 제 1전극집전체에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 제 1전극탭의 제 1부분과 상기 제 1전극탭의 제 2부분이 서로 겹쳐지는 영역 이내에 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1전극탭의 PTC 소자는 상기 제 1전극무지부 높이의 10% 내지 60%의 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1전극판 또는 상기 제 1전극탭은 각각 양극판 또는 양극탭이며, 상기 제 2전극판 또는 상기 제 2전극탭은 각각 음극판 또는 음극탭일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 제조방법은 양극탭과 음극탭 중 적어도 하나의 일부로 사용되며, 양극무지부 또는 음극극무지부에 용접될 제 1부분의 일부에 전도성 카본과 열팽창성 바인더의 혼합층을 도포하는 도포단계; 상기 양극탭과 상기 음극탭 중 적어도 하나의 일부로 사용되며, 양극집전체 또는 음극집전체의 상부로 돌출될 제 2부분을 상기 혼합층 위에 부착하는 부착단계; 및 상기 제 1부분을 상기 양극무지부 또는 상기 음극무지부에 용접하는 용접단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 도포단계는 상기 혼합층이 상기 양극집전체 또는 상기 음극집전체 높이의 10% 내지 60%를 차지하도록 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 용접단계는 상기 제 1부분의 적어도 3지점에 용접이 되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지를 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도를 나타내 며, 도 2b는 도 2a 중 권취 전의 제 2전극판의 사시도를 나타내며, 도 2c는 도 2b의 A-A 단면도를 나타내며, 도 2d는 도 2b의 제 2전극탭에 라미네이션 테이프가 부착된 평면도를 나타낸다. 이하에서는 제 1전극이 양극, 제 2전극이 음극인 것으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2a를 참조하면, 양극판(121), 음극판(126) 및 세퍼레이터(125)로 구성되는 전극조립체(120)를 전해액과 함께 캔(110)에 수납하고, 이 캔(110)의 상단개구부를 캡조립체(140)로 밀봉함으로써 형성된다. 상기 리튬 이차전지(200)는 장변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 정면과 배면, 단변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 양 측면, 상기 캡플레이트(150)가 위치하는 상면과 상기 상면과 마주보는 하면(110b)을 포함하여 이루어진다.
상기 전극조립체(120)는 양극판(121)과 음극판(126)사이에 세퍼레이터(125)가 개재되면서 권취되어 형성된다.
상기 양극판(121)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극집전체와, 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬산화물이 사용되고 있다. 상기 양극판(121)의 양 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역, 즉 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(120)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극탭(131)이 접합되어 있다.
상기 음극판(126)은, 도 2b를 참조하면, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체(127)와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층(128)을 포함하고 있다. 상기 음극판(225)의 양 말단은 음극 활물질층(128)이 형성되지 않은 음극집전체 영역, 즉 음극무지부(129)가 형성된다. 상기 음극무지부(129)의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극조립체(120)의 상부로 일정 길이 돌출된 음극탭(134)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극조립체(120)의 하부에는 캔(110)과의 접촉을 방지하기 위한 절연판이 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 음극탭(134)은 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b) 및 PTC 소자(136)를 포함하여 형성된다. 상기 음극탭(134)은 음극집전체(127)에 모인 전자들을 터미널플레이트(170)를 통해서 전극단자(145)로 전달할 수 있도록 터미널플레이트(170) 의 하면 또는 전극단자(145)에 용접된다. 또한, 상기 음극탭(134)은 음극무지부(129)의 일측 단부에 용접됨으로써 상기 음극판(126)과 전기적으로 연결된다. 이 때, 상기 음극탭(134)의 상부는 라미네이션 테이프(138)가 부착될 수도 있다. 상기 음극탭(134)은 타 부분에 비해 상대적으로 발열량이 크므로 PTC 소자(136)가 음극탭(134)에 형성된다.
상기 제 1부분(134a)은 음극무지부(129)에 용접되는 부분으로 니켈 재질로 형성되며, 여기서 상기 제 1부분(134a)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 이 때, 상기 제 1부분(134a)은 평면 형상이 세로가 긴 직사각형상으로 형성되며, 폭이 대략 3mm, 두께가 대략 0.1mm가 되도록 형성된다. 다만, 여기서 상기 제 1부분(134a)의 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1부분(134a)은 음극집전체(127)의 높이 이내에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제 1부분(134a)이 음극집전체(127)의 하단을 벗어나도록 형성되면 전극조립체(120)의 하부에 삽입된 절연판을 손상, 파괴시켜 내부쇼트가 발생할 수 있다는 문제점이 있으며, 상기 제 1부분(134a)이 음극집전체(127)의 상단을 벗어나도록 형성되면 상기 제 2부분(134b)과 직접 접촉하게 되어 PTC 소자(136)가 형성된 의미가 없어질 수 있다는 문제점이 있다. 상기 제 1부분(134a)은 음극무지부(129)에 용접될 때, 적어도 3지점이 용접되는 것이 바람직하다. 상기 제 1부분(134a)의 용접 지점이 3지점 미만이 되도록 용접되면 상기 제 1부분(134a)의 부착력이 떨어지므로, 음극무지부(129)로부터 탈리하여 내부 단선이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 상기 용접방식은 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며 일반적으로는 저항용접이 사용된다. 다만, 여기서 상기 제 1부분(134a)의 용접방식을 한정하는 것은 아니다. 상기 제 1부분(134a)은 음극집전체(127)에 모인 전자들을 상기 PTC 소자(136)로 전달하는 역할을 하게 된다.
상기 제 2부분(134b)은 음극집전체(127)의 상부로 일부가 돌출되는 부분으로 니켈 재질로 형성되며, 여기서 상기 제 2부분(134b)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 이 때, 상기 제 2부분(134b)은 평면 형상이 세로가 긴 직사각형상으로 형성되며, 폭이 대략 3mm, 두께가 대략 0.1mm가 되도록 형성된다. 다만, 여기서 상기 제 2부분(134b)의 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 제 2부분(134b)은 음극집전체(127)의 상부로 일부가 돌출되도록 형성되어 터미널플레이트(170)의 하면에 용접된 다. 상기 제 2부분(134b)은 경우에 따라 수 회 절곡된 후에 터미널플레이트(170)의 하면에 용접될 수도 있다. 상기 제 2부분(134b)은 PTC 소자(136)와 접촉되며, 상기 제 1부분(134a)과 서로 마주보도록 형성된다. 보다 상세하게는, 상기 제 2부분(134b)의 하부는 제 1부분(134a)의 상부와 서로 마주보도록 형성된다. 상기 제 2부분(134b)은 제 1부분(134a)의 표면에 도포되어 형성된 PTC 소자(136)와 직접 접촉하게 된다. 상기 제 2부분(134b)은 제 1부분(134a)으로부터 PTC 소자(136)로 전달된 전자를 터미널플레이트(170)로 전달시키는 역할을 하게 된다.
상기 PTC 소자(136)는 상기 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b)를 전기적으로 연결하도록 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b) 각각에 직접 전기적으로 접촉되어 있다. 이 때, 상기 PTC 소자(136)는 음극집전체(127)에 수직한 방향에서 볼 때 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b)이 겹치는 영역 이내에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 PTC 소자(136)가 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b)이 겹치는 영역을 벗어나서, 상기 겹치는 영역의 하부 방향으로 더 연장되어 형성되면 PTC 소자(136)가 손상되거나 음극탭(134)에서 탈리될 수 있다는 문제점이 있다. 상기 PTC 소자(136)는 온도가 어느 한계를 넘으면 전기저항이 거의 무한대까지 증가하게 되는 소자이다. 따라서, 상기 PTC 소자(136)가 전지에 내장됨으로써 전지가 이상고온으로 되었을 때 충방전 전류를 정지시킬 수 있게 된다. 상기 PTC 소자(136)는 가역적인 동작을 행하기 때문에 PTC 소자(136)가 동작하여 전류가 정지한 후 전지온도가 내려가면 다시 저항은 작게 되므로, 전지가 정상 작동할 수 있게 된다. 상기 PTC 소자(136)는 저항이 무한대가 되는 온도인 트립 온도가 소정의 온도로 설정되며, 이러한 트립 온도는 세퍼레이터의 셧다운 온도보다 수십도 낮게 설정되는 것이 보통이다. 따라서, 전지 내부에 과전류가 흐르게 되면 먼저 상기 PTC 소자(136)가 동작하여 온도 상승을 저지하게 된다. 이 때, 상기 PTC 소자(136)만으로 승온이 중지되지 않는 경우 세퍼레이터의 셧다운이 일어나서 온도상승을 저지하게 된다. 상기 세퍼레이터의 셧다운은 비가역적이므로 일단 동작을 하게 되면 더 이상 사용할 수 없는 전지가 된다. 또한, 상기 PTC 소자(136)는 음극집전체(127) 높이의 10% 내지 60%의 높이가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 PTC 소자(136)의 높이가 음극집전체(127) 높이의 10%미만이 되도록 형성되면 온도 상승시 저항체로서의 역할을 충분히 수행하지 못할 수 있으며, 상기 PTC 소자(136)의 높이가 음극집전체(127) 높이의 60%를 초과하도록 형성되면 전지의 내부저항이 커져서 효율성이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다. 상기 PTC 소자(136)는 전도성 카본과 열팽창성 바인더를 혼합하여 제조된다.
상기 라미네이션 테이프(138)는 음극탭(134)과 상기 음극탭(134)의 주변을 덮도록 부착된다. 상기 라미네이션 테이프(138)는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 절연 물질로 형성되며, 여기서 상기 라미네이션 테이프(138)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 라미네이션 테이프(138)는 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b)이 서로 분리되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 제 1부분(134a)과 제 2부분(134b)의 단부에 의해 세퍼레이터(224)가 손상되는 것을 방지하며, 발열량이 많은 음극탭(134)을 싸서 단열시키는 역할을 수행하게 된다.
상기 세퍼레이터(125)는 상기 양극판(121)과 음극판(126) 사이에 개재되며 상기 전극조립체(120)의 외주면을 둘러 싸도록 연장되어 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(125)는 상기 양극판(121)과 음극판(126)의 단락을 방지하며, 리튬 이온을 통과시킬 수 있도록 다공막 고분자물질로 형성된다.
상기 캔(110)는 대략 직사각형 형상의 한 쌍의 장측벽(112)과, 한 쌍의 단측벽(114) 및 하면판(110b)을 포함하여 대략 박스 형상으로 형성되며, 상부는 개구되어 상단 개구부(110a)를 이루고 있다. 또한, 상기 캔(110)는 대략 박스형상으로 형성될 때 수평방향으로의 단면의 형상이 사각형상 또는 타원형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상단개구부(110a)로는 상기 전극조립체(120)가 삽입된다. 또한, 상기 전극조립체(120) 사이로 함침하여 리튬 이온의 이동을 가능하게 해 주는 전해액이 주입된다. 상기 캔(110)의 재질은 주로 가벼운 알루미늄(Al)이 사용된다. 상기 캔(110)의 상부는 캡조립체(140)에 의해 밀봉되어, 전해액의 누출이 방지된다. 상기 캔(110)의 장측벽(112)과 단측벽(114)의 두께는 대략 0.2 내지 0.4mm로 형성되며, 상기 하면판(110b)의 두께는 대략 0.2 내지 0.7mm로 형성된다. 다만, 여기서 상기 장측벽(112)과 단측벽(114) 및 하면판(110b)의 두께를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(110)는 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식에 의하여 형성되며, 상기 장측벽(112)과 단측벽(114) 및 상기 하면판(110b)은 일체형으로 형성된다. 다만, 여기서 상기 캔(110)의 형성 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡조립체(140)는 캡플레이트(150)와 절연플레이트(160)와 터미널플레이트(170) 및 전극단자(145)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(140)는 별도의 절연케이스(180)와 결합되어 캔(110)의 상단 개구부(110a)에 결합되어 캔(110)을 밀 봉하게 된다.
상기 캡플레이트(150)는 상기 캔(110)의 상단개구부(110a)에 용접되어 상기 캔(110)을 밀봉한다. 상기 캡플레이트(150)는 일측에 전해액주입공(152)이 형성되어 있으며, 상기 전해액주입공(152)은 볼 등으로 압입, 용접되어 있다. 상기 캡플레이트(150)의 대략 중앙에는 단자통공1(151)이 형성되어 있으며, 상기 단자통공1(151)에는 가스캣 튜브(146)에 의해 절연된 전극단자(145)가 삽입된다.
상기 절연플레이트(160)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트(150)의 하면에 결합된다.상기 절연플레이트(160)에는 상기 캡플레이트(150)의 단자통공1(151)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(145)가 삽입되는 단자통공2(161)가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(160)의 하면에는 상기 터미널플레이트(170)가 안착되도록 터미널플레이트(170)의 크기에 상응하는 안착홈(162)이 형성된다.
상기 터미널플레이트(170)는 일반적으로 Ni합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(160)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(170)에는 캡플레이트(150)의 단자통공1(151)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(145)가 삽입되는 단자통공3(171)이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(145)가 상기 개스킷 튜브(146)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(150)의 단자통공1(151)을 통하여 결합되므로 상기 터미널플레이트(170)는 상기 캡플레이트(150)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(145)와 전기적으로 연결된다. 상기 터미널플레이트(170)의 일측에는 상기 음극판(126)에 결합된 음극탭(134) 중 제 2부분(134b)이 용접되며, 캡플레이트(150)의 타측에는 상기 양극판(121)에 결합된 양극탭(131)이 용접된다.
상기 전극단자(145)는 상기 음극판(126)의 음극탭(134) 또는 상기 양극판(121)의 양극탭(131)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체의 사시도를 나타낸다. 상기 도 3의 실시예는 양극탭에 PTC 소자가 추가로 형성되어 있다는 점 이외에는 상기 도 2b의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지는 전극조립체(220)과 캔 및 캡조립체를 포함하여 형성된다. 상기 캔과 캡조립체는 상기 도 2b의 실시예에서 충분히 설명하였으므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 전극조립체(220)는 양극판(221)과 음극판(226) 및 세퍼레이터(225)를 포함하여 형성된다. 상기 음극판(226)과 세퍼레이터(225)는 도 2b의 실시예와 유사하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 양극판(221)은 양극집전체(222)와 양극활물질층(223) 및 양극무지부(224)를 포함하여 형성된다. 상기 양극무지부(224)의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(220)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극탭(231)이 접합되어 있다. 상기 양극탭(231)은 제 1부분(231a), 제 2부분(231b) 및 PTC 소자(233)를 포함하여 형성된다. 상기 제 1부분(231a)은 양극무지부(224)에 용접되며 상기 제 2부분(231b)은 제 1부분(231a)과 마주보도록 형성되며 캡플레이트(150)의 하면 일측에 용접된다. 또한, 상기 제 1부분(231a)은 양극집전체(222)의 높이 이내에 형성되며, 제 2부분(231b)은 양극집전체(222)의 상부로 일부가 돌출되도록 형성된다. 상기 PTC 소자(233)는 양극집전체(222)에 수직한 방향에서 볼 때, 제 1부분(231a)과 제 2부분(231b)이 서로 겹쳐지는 영역 이내에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 PTC 소자(233)는 양극집전체(222) 높이의 10% 내지 60%의 높이로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 양극탭(231)은 표면에 라미네이션 테이프(도면 미도시)가 부착될 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 음극탭(234)과 양극탭(231) 모두에 PTC 소자(233)가 구비됨으로써 전지 내부의 온도 상승으로부터 보다 안전하게 전지를 보호할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 편의상 도 2a의 실시예를 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는 전극조립체(120)를 제조하는 단계, 상기 전극조립체(200)를 캔(110)의 상단개구부(110a)를 통해 삽입하는 단계, 상기 상단개구부(110a)를 캡조립체(140)로 밀봉하는 단계, 전해액주입구(152)를 통해 전해액을 주입하는 단계를 포함하여 제조된다. 이하에서는 전극조립체(120)를 제조하는 단계 중 음극탭(134)을 형성하는 과정을 중심으로 설명한다.
상기 음극탭(134)을 형성하는 단계는 제 1부분(134a)에 전도성 카본과 열팽창성 바인더의 혼합층을 도포하는 도포단계, 상기 도포된 층 위에 제 2부분(134b)을 부착하는 부착단계 및 제 1부분(134a)을 음극무지부(129) 상에 용접하는 용접단 계를 포함하여 이루어진다.
상기 도포단계는 제 1부분(134a)을 제조하는 단계, PTC 소자(136)를 형성할 재료를 제조하는 단계, 상기 재료를 제 1부분(134a)에 도포하는 단계를 포함하여 이루어진다. 상기 제 1부분(134a)을 제조하는 단계는 니켈 금속판을 음극탭용으로 사용되기에 적당한 크기로 절단하는 과정이다. 상기 재료를 제조하는 단계는 PTC 소자(136)를 구성하는 재료인 전도성 카본과 열팽창성 바인더를 혼합하는 과정이다. 상기 재료를 제 1부분(134a)에 도포하는 단계는 혼합된 재료를 제 1부분(134a)의 상부 소정 영역에 도포하는 과정이다. 상기 제 1부분(134a)의 하부는 용접되는 부분이므로 혼합재료를 도포하지 않는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 도포단계는 혼합층이 음극집전체(127) 높이의 10% 내지 60%를 차지하도록 도포하는 것이 바람직하다.
상기 부착단계는 상기 재료를 제 1부분(134a)에 도포한 후 별도로 제조한 제 2부분(134b)을 도포층 위에 부착하는 과정이다. 이 때, 상기 부착단계는 상기 도포단계에 연속해서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 용접단계는 지금까지 형성한 제 1부분(134a)과 PTC 소자(136)와 제 2부분(134b)으로 이루어지는 일체형을 음극무지부(129)에 부착하는 과정이다. 이 때, 상기 일체형의 부착은 용접에 의해 이루어지며, 특히 저항용접으로 이루어지게 된다. 상기 용접은 제 1부분(134a)의 하부와 음극무지부(129) 사이에 이루어진다. 이 때, 상기 용접단계는 제 1부분(134a)의 적어도 3지점에 용접이 되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 작용에 대하여 설명한다. 이하에서는 편의상 도 2a의 실시예를 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는 전극조립체(120)와 캔(110) 및 캡조립체(140)를 포함하여 형성된다. 상기 리튬 이차전지(200)가 과전류, 과충전 등의 원인에 의해 내부온도가 상승하게 되면 음극집전체(127)의 단부에 부착되어 있는 음극탭(134)에 많은 열이 발생하게 된다. 이 때, 상기 음극탭(134)을 이루는 제 1부분(134a)에 발생한 열은 PTC 소자(136)에 전달되게 된다. 상기 PTC 소자(136)는 열팽창성 바인더가 함유되어 있어 어느 한도 이상 열이 가해지면 바인더가 팽창하게 되어 전도성 카본 분자간의 거리가 멀어지게 된다. 상기 전도성 카본 분자들 간의 거리가 어느 한도 이상 멀어지면 저항은 대략 무한대가 되어 절연체로서 작용하므로, 더 이상 제 1부분(134a)로부터 제 2부분(134b)으로 전류가 흐르지 못하게 된다. 따라서, 전지 내부의 회로는 단선되고 온도는 하강하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 의하면, 베어셀 외부에 별 도로 장착되는 PTC 소자를 전극탭 중 적어도 어느 하나에 구비함으로써 열감지 속도가 베어셀 외부에 비해 뛰어난 베어셀 내부에 PTC 소자를 형성하여 리튬 이차전지의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 외관을 보다 깔끔하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 제 1전극집전체와, 상기 제 1전극집전체의 적어도 한 면에 형성되는 제 1전극활물질층과, 상기 제 1전극집전체가 외부로 드러나 있는 제 1전극무지부 및 상기 제 1전극무지부에 형성되는 제 1전극탭을 구비하는 제 1전극판과,
    제 2전극집전체와, 상기 제 2전극집전체의 적어도 한 면에 형성되는 제 2전극활물질층과, 상기 제 2전극집전체가 외부로 드러나 있는 제 2전극무지부 및 상기 제 2전극무지부에 형성되는 제 2전극탭을 구비하는 제 2전극판을 포함하는 전극조립체,
    상기 전극조립체를 수용하는 캔,
    상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 제 2전극탭은
    상기 제 2전극무지부에 용접되며, 상기 제 2전극부지부의 높이 이내에 형성되는 제 1부분과,
    상기 제 1부분과 일부가 마주보도록 형성되며 상기 전극조립체의 상부로 노출되는 제 2부분과,
    상기 제 1부분과 상기 제 2부분을 전기적으로 연결시키는 PTC 소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 PTC 소자는 상기 제 2전극집전체에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 제 1부분과 상기 제 2부분이 서로 겹쳐지는 영역 이내에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 PTC 소자는 상기 제 2전극무지부 높이의 10% 내지 60%의 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2전극탭은 표면에 라미네이션 테이프가 부착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극탭은 상기 제 1전극무지부에 용접되는 제 1부분과, 상기 제 1부분과 일부가 마주보도록 형성되며 상기 전극조립체의 상부로 노출되는 제 2부분 및 상기 제 1부분과 상기 제 2부분을 전기적으로 연결시키는 PTC 소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1전극탭의 제 1부분은 상기 제 1전극무지부의 높이 이내에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1전극탭의 PTC 소자는 상기 제 1전극집전체에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 제 1전극탭의 제 1부분과 상기 제 1전극탭의 제 2부분이 서로 겹쳐지는 영역 이내에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1전극탭의 PTC 소자는 상기 제 1전극무지부 높이의 10% 내지 60%의 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  10. 제 1항 및 제 3항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1전극판 또는 상기 제 1전극탭은 각각 양극판 또는 양극탭이며, 상기 제 2전극판 또는 상기 제 2전극탭은 각각 음극판 또는 음극탭인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  11. 양극탭과 음극탭 중 적어도 하나의 일부로 사용되며, 양극무지부 또는 음극극무지부에 용접될 제 1부분의 일부에 전도성 카본과 열팽창성 바인더의 혼합층을 도포하는 도포단계;
    상기 양극탭과 상기 음극탭 중 적어도 하나의 일부로 사용되며, 양극집전체 또는 음극집전체의 상부로 돌출될 제 2부분을 상기 혼합층 위에 부착하는 부착단계; 및
    상기 제 1부분을 상기 양극무지부 또는 상기 음극무지부에 용접하는 용접단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 도포단계는 상기 혼합층이 상기 양극집전체 또는 상기 음극집전체 높이의 10% 내지 60%를 차지하도록 도포하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 용접단계는 상기 제 1부분의 적어도 3지점에 용접이 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
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