KR100745955B1 - 비수 전해액 이차 전지 - Google Patents

Abstract

전지 케이스(1)의 내부에 권취 전극체(4)가 수용되어 있는 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 권취 전극체(4)의 단부에 전극을 구성하는 띠형 코어 부재의 단부 엣지(48)가 돌출하고, 상기 단부 엣지(48)에는 집전판(5)이 접합되어 있다. 집전판(5)에는 코어 부재 단부 엣지(48)와의 대향면에 단면 형상이 원호형으로 돌출하는 복수의 볼록부(52)와 수직 절단 부재(53)가 방사상으로 형성되고, 이들 원호형 볼록부(52) 및 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 파고 들어간 상태로 집전판(5)이 코어 부재 단부 엣지(48)에 용접되어 있다. 이로써, 높은 집전 성능을 얻을 수 있다.

전지 케이스, 권취 전극체, 집전판, 코어 부재 단부 엣지, 비수 전해액 이차 전지

Description

비수 전해액 이차 전지 {Nonagueous Electrolyte Secondary Battery}

도1은 본 발명에 관한 원통형 리튬 이온 이차 전지의 요부를 도시한 일부 파단 정면도.

도2는 권취 전극체 및 집전판의 분해 사시도.

도3은 집전판의 평면도.

도4a 및 도4b는 도3의 A-A선을 따른 확대 단면도, 및 B-B선을 따른 확대 단면도.

도5는 권취 전극체에 집전판의 원호형 볼록부를 압박하는 공정을 도시한 사시도.

도6은 코어 부재 단부 엣지에 집전판의 원호형 볼록부가 파고 들어간 상태를 도시한 단면도.

도7은 권취 전극체에 집전판의 수직 절단 부재를 압박하는 공정을 도시한 사시도.

도8은 코어 부재 단부 엣지에 집전판의 수직 절단 부재가 파고 들어간 상태를 도시한 단면도.

도9는 집전판의 수직 절단 부재의 접촉 길이와 출력 밀도의 관계를 도시한 그래프.

도10은 집전판의 수직 절단 부재의 돌출 길이와 출력 밀도의 관계를 도시한 그래프.

도11은 원통형 리튬 이온 이차 전지의 외관을 도시한 사시도.

도12는 종래의 리튬 이온 이차 전지의 요부를 도시한 일부 파단 정면도.

도13은 상기 리튬 이온 이차 전지에 사용되고 있는 권취 전극체의 일부 전개 사시도.

도14는 본 발명에 관한 원통형 리튬 이온 이차 전지의 일부 파단 정면도.

도15는 상기 전지에 장비되어 있는 권취 전극체 및 집전판의 분해 사시도.

도16은 집전판의 다른 구성예를 도시한 사시도.

도17은 종래의 다른 이차 전지를 구성하는 양극, 격리판 및 음극의 전개도.

도18은 상기 이차 전지의 요부를 도시한 일부 파단 정면도.

도19는 본 발명의 비수 전해액 이차 전지의 일부 파단 정면도.

도20은 상기 전지에 사용되고 있는 음극측 집전판의 사시도.

도21은 상기 집전판의 평면도.

도22는 전극 단자 기구와 집전판의 연결 구조를 분해하여 도시한 단면도.

도23은 다른 실시예에 있어서의 집전판의 사시도.

도24는 상기 집전판의 평면도.

도25는 양극측 집전판의 평면도.

도26은 집전판의 볼록부와 권취 전극체의 전극의 단부 엣지의 접합 공정을 도시한 도면.

도27은 종래의 집전판의 평면도.

도28은 종래의 집전판의 볼록부와 권취 전극체의 전극의 단부 엣지의 접합 공정을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전지 케이스

4 : 권취 전극체

5 : 집전판

9 : 전극 단자 기구

11 : 통

12 : 덮개

13 : 가스 배출 밸브

41 : 양극

42 : 격리판

43 : 음극

48 : 코어 부재 단부 엣지

본 발명은 전지 케이스의 내부에 이차 전지 요소가 되는 권취 전극체가 수용되고, 전지 케이스에 설치한 한 쌍의 전극 단자부로부터 권취 전극체의 발생 전력 을 취출할 수 있는 비수 전해액 이차 전지에 관한 것이다.

최근 휴대형 전자 기기, 전기 자동차 등의 전원으로서 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지가 주목받고 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 사용되는 비교적 큰 용량의 원통형 리튬 이온 이차 전지는 도11 및 도12에 도시한 바와 같이, 통(11)의 양단부에 덮개(12, 12)를 용접 고정하여 이루어지는 원통형의 전지 케이스(1)의 내부에 권취 전극체(4)를 수용하여 구성되어 있다. 양덮개(12, 12)에는 양음극 한 쌍의 전극 단자 기구(9, 9)가 부착되어 있고, 권취 전극체(4)의 양극과 양전극 단자 기구(9, 9)가 서로 접속되며, 권취 전극체(4)가 발생하는 전력을 한 쌍의 전극 단자 기구(9, 9)로부터 외부로 취출하는 것이 가능하게 되어 있다. 또, 각 덮개(12)에는 압력 개폐식의 가스 배출 밸브(13)가 부착되어 있다.

권취 전극체(4)는 도13에 도시한 바와 같이, 각각 띠형의 양극(41)과 음극(43) 사이에 띠형의 격리판(42)을 개재시키고, 이들을 나선형으로 권취하여 구성되어 있다. 양극(41)은 알루미늄박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(45)의 양면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 양극 활성 물질(44)을 도포하여 구성되고, 음극(43)은 구리박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(47)의 양면에 탄소 재료를 함유하는 음극 활성 물질(46)을 도포하여 구성되어 있다. 격리판(42)에는 비수 전해액이 함침되어 있다.

여기서, 양극(41) 및 음극(43)은 각각 격리판(42) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합되고, 나선형으로 권취되어 있다. 이에 따라, 권취 전극체(4)의 권취 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 격리판(42)의 단부 엣지보다도 외측으로 양 극(41)의 코어 부재(45)의 단부 엣지(48)가 돌출하는 동시에, 다른 쪽 단부에서는 격리판(42)의 단부 엣지보다도 외측으로 음극(43)의 코어 부재(47)의 단부 엣지(48)가 돌출되어 있다. 그리고, 권취 전극체(4)의 양단부에는 각각 원판형의 집전판(32)이 저항 용접되고, 상기 집전판(32)이 리드 부재(33)를 거쳐서 도12에 도시한 전극 단자 기구(9)의 기초 단부에 접속된다.

전극 단자 기구(9)는 전지 케이스(1)의 덮개(12)를 관통하여 부착된 전극 단자(91)를 구비하고, 상기 전극 단자(91)의 기초 단부에는 플랜지부(92)가 형성되어 있다. 덮개(12)의 관통 구멍에는 절연 패킹(93)이 장착되어, 덮개(12)와 전극 단자(91) 사이의 전기적 절연성과 밀봉성이 유지되어 있다. 전극 단자(91)에는 덮개(12)의 외측으로부터 와셔(94)가 끼워 넣어지는 동시에, 제1 너트(95) 및 제2 너트(96)가 나사 결합되어 있다. 그리고, 제1 너트(95)를 체결하여 전극 단자(91)의 플랜지부(92)와 와셔(94)에 의해서 절연 패킹(93)을 협지함으로써 밀봉성을 높이고 있다. 또, 상기 리드 부재(33)의 선단부는 전극 단자(91)의 플랜지부(92)에 스폿 용접 또는 초음파 용접에 의해서 고정되어 있다.

그러나, 도12에 도시한 집전 구조를 갖는 리튬 이온 이차 전지에 있어서는 권취 전극체(4)의 양극(41) 및 음극(43)을 구성하는 코어 부재(45, 47)의 단부 엣지(48, 48)의 면적이 작으므로, 코어 부재 단부 엣지와 집전판(32) 사이의 접촉 면적이 작으며, 이로 인해서 전지의 내부 저항이 커지는 문제가 있었다. 또, 권취 전극체(4)의 가장 외주에 위치하는 전극 단부 엣지에 집전판(32)의 가장 외주부를 레이저 용접할 때, 레이저광이 집전판(32)으로부터 누출되어 전극이나 격리판을 직 접 조사할 우려가 있으며, 이로 인해서 전극이나 격리판이 손상되는 문제가 있었다.

또, 전지의 출력 특성 향상을 위해서 도17에 도시한 바와 같이, 양극(81)에 있어서는 활성 물질(84)이 도포된 도공(塗工)부로부터 상방으로 돌출하는 비도공부의 폭을 길이 방향으로 변화시키는 동시에, 음극(82)에 있어서는 활성 물질(85)이 도포된 도공부로부터 하방으로 돌출하는 비도공부의 폭을 길이 방향으로 변화시키고, 이들 양극(81)과 음극(82) 사이에 격리판(83)을 개재하여 나선형으로 권취하며, 이에 의해서 도18에 도시한 바와 같이 원뿔형의 돌출부(86)를 구비한 권취 전극체(8)를 제작하고, 상기 권취 전극체(8)를 전지 케이스(1) 내에 수용하며, 각 전극의 돌출부(86)를 집전 리드(80)를 거쳐서 전극 단자(90)에 연결한 원통형 이차 전지가 제안되어 있다(일본 특허 공개 평11-329398호).

그러나, 상기 이차 전지에 따르면 출력 특성은 어느 정도 개선되기는 하지만, 도17과 같이 양극(81) 및 음극(82)의 단부 엣지를 비스듬히 절단하는 공정이 필요해지므로 제조 공정이 복잡해질 뿐만 아니라, 도18과 같이 양전극을 권취함으로써 권취 전극체(8)의 돌출부(86)를 정밀도가 높은 원뿔면으로 마무리하는 것은 곤란하며, 그 결과 생산 수율의 저하와 전지 성능의 편차가 발생하는 문제가 있었다. 특히, 전기 자동차용의 전원 등으로서 사용하는 리튬 이온 이차 전지에 있어서는 고용량인 동시에, 고출력을 얻기 위해서 가능한 한 내부 저항을 저감시키는 것이 필요해진다. 그리고, 제조 비용의 삭감을 위해서는 생산성이 우수한 집전 구조가 필요해진다.

그래서, 생산성이 우수한 저항이 낮은 전지로서 도27에 도시한 형상의 집전판(7)을 구비한 비수 전해액 이차 전지가 제안되어 있다(일본 특허 공고 평2-4102호). 상기 집전판(7)에는 중앙 구멍(74)이 개설되고, 그 외주 엣지에 리드부(75)가 돌출 형성되어 있다. 그리고, 집전판(7)에는 중심부로부터 방사상으로 연신하는 단면 V자형의 복수의 볼록부(72)가 형성되고, 도28에 도시한 바와 같이 이들 볼록부(72)가 권취 전극체(4)의 전극의 단부 엣지(48)에 압박되어 용접되어 있다.

상기 비수 전해액 이차 전지에 있어서는 집전판(7)의 볼록부(72)가 권취 전극체(4)의 전극의 단부 엣지(48)에 파고 들어가 있으므로, 종래의 평판으로 이루어지는 집전판과 비교하여 집전판(7)과 전극의 단부 엣지(48)의 접촉 면적이 커지며, 이로 인해서 집전량이 증가하고 전지의 출력이 증대한다.

그러나, 상기 구조에 있어서는 집전판의 돌기부의 단면 형상이 예각의 V자형이므로, 돌기부와 코어 부재 단부 엣지 사이의 접촉 면적이 충분히 크다고는 할 수 없으며, 용접부에 있어서의 접촉 저항이 클 뿐만 아니라 용접부 이외의 영역에서는 접촉 상태가 나쁘므로, 집전 성능이 낮은 문제점이 있었다. 게다가, 레이저 비임을 조사해야 하는 V자형 돌기부와 코어 부재 단부 엣지 사이의 접합면이 비임 조사 방향에 대하여 예각을 이루므로, 레이저 비임이 접합면의 용접에 유효하게 작용하지 못하여 용접 불량이 발생할 우려가 있었다.

또, 비수 전해액 이차 전지의 출력을 향상시키려면 권취 전극체(4)가 발생하는 전력이 외부로 취출될 때까지의 전류 경로에 있어서의 전기 저항, 즉 내부 저항을 작게 하는 것이 유효하지만, 도27에 도시한 집전판(7)에 있어서는 리드부(75)가 집전판(7)의 외주 엣지에 돌출 형성되어 있으므로, 집전판(7)에 집전된 전류가 리드부(75)로 유입될 때까지의 평균 거리가 길다. 또한, 리드부(75)가 집전판(7)의 외주 엣지로부터 돌출되어 있으므로, 전류가 리드부(75)를 거쳐서 전극 단자에 이를 때까지의 거리가 길다. 이로 인해서, 상기 집전판(7)을 사용한 비수 전해액 이차 전지에 있어서는 내부 저항이 여전히 큰 것으로 되어 있었다.

본 발명의 제1 목적은, 전극체를 구성하는 코어 부재가 매우 얇은 경우에도 코어 부재 단부 엣지와 집전판 사이에 양호한 접촉 상태가 얻어지고, 높은 집전 성능을 발휘하는 동시에, 생산성도 우수한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은, 통이 없는 형태의 원통형 이차 전지에 있어서 권취 전극체의 단부면에 집전판을 용접할 때 전극과 격리판이 손상될 우려가 없고, 제조 공정이 간단하며, 게다가 우수한 출력 특성을 발휘하는 원통형 이차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은, 집전판에 의한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 종래보다도 내부 저항이 작은 비수 전해액 이차 전지를 제공하는 것이다.

제1 목적을 달성하기 위한 구성

본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 권취 전극체(4)의 적어도 어느 한 쪽 단부에는 양극(41) 또는 음극(43)을 구성하는 띠형 코어 부재의 단부 엣지(48)가 돌출하고, 상기 단부 엣지(48)를 피복하여 집전판(5)이 설치되어 있다.

상기 집전판(5)에는 코어 부재 단부 엣지(48)를 향해서 단면이 원호형으로 돌출하는 복수개의 원호형 볼록부(52)가 형성되는 동시에, 코어 부재 단부 엣지(48)를 향해서 수직으로 절단된 복수개의 수직 절단 부재(53)가 형성되고, 이들 원호형 볼록부(52) 및 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 파고 들어간 상태로 원호형 볼록부(52)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 용접되어 있다. 그리고, 집전판(5)이 한 쪽 전극 단자부와 연결되어 있다.

상기 본 발명의 비수 전해액 이차 전지에 있어서는 권취 전극체(4)의 코어 부재 단부 엣지(48)에 집전판(5)을 압박함으로써 각 원호형 볼록부(52)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 파고 들어가며, 코어 부재 단부 엣지(48)에는 볼록부(52)의 표면 형상에 따른 원통면으로 이루어지는 접합면이 형성된다. 상기 접합면은 볼록부를 단면 V자형으로 형성한 경우보다도 큰 면적으로 된다. 또한, 각 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 깊게 파고 들어가서, 용접부 이외의 영역에 있어서도 집전판(5)과 코어 부재 단부 엣지(48) 사이에 양호한 접촉 상태가 얻어진다.

따라서, 각 원호형 볼록부(52)와 코어 부재 단부 엣지(48)의 접합부에 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하여 코어 부재 단부 엣지(48)에 집전판(5)을 용접함으로써, 집전판(5)은 큰 접촉 면적으로 코어 부재 단부 엣지(48)에 접합되게 되며, 그 결과 접촉 저항이 작아지고 높은 집전 성능을 얻을 수 있다.

또, 집전판(5)의 볼록부(52)와 코어 부재 단부 엣지(48)의 접합면은 그 중앙부에서 비임 조사 방향에 대해 90 °또는 그에 가까운 각도를 이루게 되므로, 레이저 비임 또는 전자 비임이 접합면의 용접에 유효하게 작용하고, 그 결과 큰 접합 면적에 의한 높은 용접 강도가 얻어지게 된다.

구체적 구성에 있어서, 집전판(5)은 원판형 본체(51)의 코어 부재 단부 엣지(48)와의 대향면에 상기 복수개의 원호형 볼록부(52) 및 수직 절단 부재(53)를 방사상으로 형성하는 동시에, 원판형 본체(51)의 단부에 직사각형 형상의 리드부(55)를 돌출 형성하여 구성되고, 상기 리드부(55)의 선단이 전극 단자부와 연결되어 있다. 상기 구체적 구성에 따르면, 권취 전극체(4)로부터 발생하는 전류가 집전판(5)에 의해서 집전되고, 리드부(55)를 거쳐서 전극 단자부로 흐르게 된다.

더욱 구체적으로는, 각 수직 절단 부재(53)는 코어 부재 단부 엣지(48)와 접촉하는 길이가 집전판(5)의 반경의 0.5배 이상으로 형성되어 있다. 이에 의해서, 집전판(5)과 코어 부재 단부 엣지(48) 사이에 충분한 넓이의 접촉 영역이 확보되어 높은 집전 성능을 얻을 수 있다.

또, 각 수직 절단 부재(53)는 코어 부재 단부 엣지(48)를 향해서 돌출하는 길이가 원호형 볼록부(52)의 돌출 길이의 1.0배 이상, 1.5배 이하로 형성되어 있다. 이에 의해서, 각 원호형 볼록부(52)가 코어 부재 단부 엣지(48)와 넓은 면적으로 접촉하는 동시에, 각 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 충분한 깊이로 파고 들어가게 된다.

또, 집전판(5)의 재질로서는 Cu, Al, Ni, SUS, Ti, 또는 이들 금속의 합금을 채용할 수 있다. 이로써, 비수 전해액에 대한 내부식성과 도전성이 우수한 전지를 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지에 따르면, 권취 전극체를 구성하는 코어 부재가 매우 얇은 경우에도 코어 부재 단부 엣지와 집전판을 큰 접촉 면적으로 접합시키는 것이 가능하며, 생산성도 양호해진다.

제2 목적을 달성하기 위한 구성

본 발명에 관한 원통형 이차 전지는 원통형의 전지 케이스(1)의 내부에, 각각 띠형의 양극(41)과 음극(43) 사이에 비수 전해액을 함유하는 격리판(42)을 개재시켜 이들을 나선형으로 권취한 권취 전극체(4)가 수납되고, 권취 전극체(4)가 발생하는 전력을 한 쌍의 전극 단자부로부터 외부로 취출할 수 있다.

양극(41) 및 음극(43)의 양전극은 각각 띠형의 코어 부재와, 상기 코어 부재의 표면에 도포된 활성 물질로 구성되고, 각 전극에는 활성 물질이 도포된 도공부가 코어 부재의 길이 방향으로 형성되는 동시에, 활성 물질이 도포되어 있지 않은 비도공부가 코어 부재 단부 엣지를 따라서 형성되어 있다.

그리고, 권취 전극체(4)의 권취 축방향의 적어도 한 쪽 단부로 돌출하는 상기 비도공부로 이루어지는 원통형 돌출부(40)에는 금속으로 만들어진 집전판(6)이 씌워진다. 상기 집전판(6)은 원통형 돌출부(40)의 단부면에 접촉하는 상부판(61)과, 원통형 돌출부(40)의 외주면의 적어도 일부에 접촉하는 스커트부(62)를 구비하고, 상기 집전판(6)이 리드 부재(63)를 거쳐서 한 쪽 전극 단자부에 연결되어 있다.

상기 본 발명의 원통형 이차 전지에 있어서는 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)의 단부면과 집전판(6)의 상부판(61)의 내면이 서로 접촉하는 동시에, 원통형 돌출부의 외주면과 집전판(6)의 스커트부(62)의 내주면이 서로 접촉하고 있으므로, 권취 전극체(4)의 각 전극과 집전판(6) 사이의 접촉 저항은 낮으며, 이로 인해서 전지의 내부 저항이 저감되어 높은 출력 특성을 얻을 수 있다.

또, 상기 본 발명의 원통형 이차 전지에 있어서는 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)에 집전판(6)을 씌워 레이저 용접하는 공정에서 권취 전극체(4)의 가장 외주에 위치하는 전극 단부 엣지에 집전판(6)의 상부판(61)의 가장 외주부를 레이저 용접할 때, 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)의 외주면은 집전판(6)의 스커트부(62)에 의해서 피복되어 있으므로, 전극과 격리판이 직접 레이저광을 받지 않으며, 이에 의해서 전극과 격리판의 손상이 방지된다.

그리고, 권취 전극체(4)를 구성하는 양극(41) 및 음극(43)은 각각 일정한 폭을 갖는 띠형으로 형성하면 되므로 제조 공정이 간단하고, 양전극을 권취함으로써 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)는 정밀도가 높은 원통면으로 마무리할 수 있다. 따라서, 생산 수율의 저하나 전지 성능의 편차가 발생하지 않는다.

구체적 구성에 있어서, 집전판(6)의 상부판(61) 및 스커트부(62)는 각각 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부의 단부면 및 외주면에 레이저 용접되어 있다. 따라서, 권취 전극체(4)의 각 전극과 집전판(6) 사이의 접촉 저항은 충분히 낮아지게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 관한 원통형 이차 전지에 따르면, 권취 전극체 의 단부면에 집전판을 용접할 때 전극이나 격리판이 손상될 우려가 없고, 제조 공정이 간단하다. 게다가, 전지의 내부 저항의 저감에 의해서 우수한 출력 특성이 얻어진다.

제3 목적을 달성하기 위한 구성

본 발명의 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 전지 케이스의 내부에는 양음극 한 쌍의 전극 사이에 비수 전해액을 함유하는 격리판을 개재시켜 이들을 적층한 전극체가 수납되고, 상기 전극체가 발생하는 전력을 전지 케이스의 양단부에 설치한 한 쌍의 전극 단자부로부터 외부로 취출할 수 있다. 상기 전극체의 적어도 어느 한 쪽 단부에는 전극을 구성하는 코어 부재의 단부 엣지가 돌출하고, 상기 단부 엣지에는 집전판이 접합되고, 상기 집전판의 표면에는 전극 단자부를 향해서 수나사가 돌출 형성되며, 상기 수나사는 전극 단자부에 형성한 암나사와 나사 결합되어 있다.

상기 본 발명의 비수 전해액 이차 전지에 있어서는 집전판의 표면에 돌출 형성한 수나사가 직접 전극 단자부에 나사 삽입되어 있으므로, 집전판과 전극 단자부 사이에 가장 짧은 전류 경로가 형성된다. 따라서, 비수 전해액 이차 전지의 내부 저항이 작아진다.

본 발명의 구체적 구성에 있어서, 상기 수나사는 집전판과 일체로 형성되어 있다. 상기 구체적 구성에 따르면, 집전판과 수나사 사이에 접합 부분이 없고 접촉 저항이 없으므로, 비수 전해액 이차 전지의 내부 저항은 작아지게 된다.

다른 구체적 구성에 있어서, 집전판의 표면 중앙부에는 베이스판이 접합되 고, 상기 베이스판의 표면에 상기 수나사가 돌출 형성되어 있다. 상기 구체적 구성에 따르면, 수나사가 형성된 베이스판은 집전판과는 별개의 부재이며, 상기 집전판의 재질과는 다른 저항이 낮은 재질을 사용하여 제작할 수 있다. 그리고, 상기 수나사는 집전판의 중앙부에 위치하고 있고, 집전판에 집전된 전류가 수나사에 이를 때까지의 평균 거리가 짧다. 따라서, 비수 전해액 이차 전지의 내부 저항이 작아진다.

또 다른 구체적 구성에 있어서, 전극체의 양단부에 전극을 구성하는 코어 부재의 단부 엣지가 돌출하고, 양단부 엣지에 각각 집전판이 접합되어 있다. 한 쪽 집전판에는 수나사가 돌출 형성되어 있고, 다른 쪽 집전판에는 전극 단자에 대하여 접근 이격되는 방향으로 탄성을 갖는 연결 부재가 돌출 형성되며, 상기 연결 부재의 선단부가 전극 단자부와 접합되어 있다. 상기 구체적 구성에 따르면, 한 쪽 전극체의 단부에 있어서 전극 단자부와 집전판 사이에는 탄성을 갖는 연결 부재가 개재되어 있으므로, 그 탄성 변형에 의해서 전극체나 전지 케이스의 조립 오차를 흡수할 수 있다. 따라서, 엄밀한 치수 관리가 불필요해지고, 비수 전해액 이차 전지의 생산 효율이 향상된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지에 따르면, 종래보다도 내부 저항이 작은 비수 전해액 이차 전지를 제공할 수 있다.

<실시예의 상세한 설명>

[1] 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예

이하, 본 발명을 리튬 이온 이차 전지에 실시한 형태에 대해 도면을 참조하 여 구체적으로 설명한다.

전체 구성

본 발명에 관한 리튬 이온 이차 전지는 도11 및 도1에 도시한 바와 같이, 통(11)의 양단부에 덮개(12, 12)를 용접 고정하여 이루어지는 원통형의 전지 케이스(1)의 내부에 권취 전극체(4)를 수용하여 구성되어 있다. 양덮개(12, 12)에는 양음극 한 쌍의 전극 단자 기구(9, 9)가 부착되어 있다. 또, 전극 단자 기구(9)는 종래와 동일한 구성을 구비하고 있다. 또한, 각 덮개(12)에는 압력 개폐식의 가스 배출 밸브(13)가 부착되어 있다.

권취 전극체(4)의 양단부에는 각각 집전판(5)이 설치되고, 코어 부재 단부 엣지(48)에 레이저 용접되어 있다. 상기 집전판(5)의 단부에 돌출 형성된 리드부(55)의 선단은 전극 단자 기구(9)를 구성하는 전극 단자(91)의 플랜지부(92)에 스폿 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해서 접합되어 있다.

권취 전극체 (4)

권취 전극체(4)는 도2에 도시한 바와 같이, 각각 띠형의 양극(41)과 음극(43) 사이에 띠형의 격리판(42)을 개재시키고, 이들을 나선형으로 권취하여 구성되어 있다. 양극(41)은 알루미늄박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(45)의 양면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 양극 활성 물질(44)을 도포하여 구성되고, 음극(43)은 구리박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(47)의 양면에 탄소 재료를 함유하는 음극 활성 물질(46)을 도포하여 구성되어 있다. 격리판(42)에는 비수 전해액이 함침되어 있다.

양극(41)에는 양극 활성 물질(44)이 도포되어 있는 도공부와, 양극 활성 물질이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되어 있다. 또한, 음극(43)에도 음극 활성 물질(46)이 도포되어 있는 도공부와, 음극 활성 물질이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되어 있다.

양극(41) 및 음극(43)은 각각 격리판(42) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합하고, 양극(41) 및 음극(43)의 상기 비도공부를 격리판(42)의 양단부 엣지로부터 각각 외측으로 돌출시킨다. 그리고, 이들을 나선형으로 권취함으로써 권취 전극체(4)가 구성된다. 상기 권취 전극체(4)에 있어서는 권취 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 양극(41)의 비도공부의 코어 부재 단부 엣지(48)가 격리판(42)의 한 쪽 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하고, 다른 쪽 단부에서는 음극(43)의 비도공부의 코어 부재 단부 엣지(48)가 격리판(42)의 다른 쪽 단부 엣지보다도 외측으로 돌출되어 있다.

집전 구조

집전판(5)은 도2 내지 도4b에 도시한 바와 같이 원판형 본체(51)를 구비하고, 상기 원판형 본체(51)에는 중앙 구멍(54)이 개설되어 있다. 원판형 본체(51)에는 중앙 구멍(54)을 중심으로 하여 방사상으로 연신하는 복수개(실시예에서는 4개)의 원호형 볼록부(52)가 일체 성형되고, 권취 전극체(4)측으로 돌출되어 있다. 또한, 원판형 본체(51)에는 인접한 원호형 볼록부(52, 52)의 사이에 각각 복수개(실시예에서는 2개)의 수직 절단 부재(53)가 형성되고, 권취 전극체(4)측으로 돌출되어 있다. 그리고, 원판형 본체(51)의 단부에는 직사각형 형상의 리드부(55)가 일체로 형성되어 있다. 또, 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)는 도4a에 도시한 바와 같이 원판형 본체(51)의 반경선에 직교하는 단면 형상이 반원의 원호를 이루고 있다.

제조 방법

도1에 도시한 전지 케이스(1), 전극 단자 기구(9), 도2에 도시한 권취 전극체(4), 및 도3에 도시한 집전판(5)을 각각 제작한 후, 도5 및 도7에 도시한 바와 같이 권취 전극체(4)의 각 단부에 형성되어 있는 코어 부재 단부 엣지(48)에 집전판(5)을 압박한다. 이에 의해서, 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)는 도6에 도시한 바와 같이 권취 전극체(4)의 코어 부재 단부 엣지(48)에 파고 들어가며, 원호형 볼록부(52)와 코어 부재 단부 엣지(48) 사이에는 원통면으로 이루어지는 접합면이 형성된다.

또, 집전판(5)의 수직 절단 부재(53)는 도8에 도시한 바와 같이 권취 전극체(4)의 코어 부재 단부 엣지(48)에 깊게 파고 들어가서, 코어 부재 단부 엣지(48)와 압착되게 된다. 이 상태에서 도6중에 화살표로 도시한 바와 같이, 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)의 내주면을 향해서 레이저 비임을 조사하여 레이저 용접을 실시한다. 그 결과, 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)와 권취 전극체(4)의 코어 부재 단부 엣지(48)가 큰 접촉 면적으로 서로 접합되는 동시에, 도8에 도시한 수직 절단 부재(53)와 코어 부재 단부 엣지(48) 사이의 압착 상태가 유지되게 된다.

상기 원통형 리튬 이온 이차 전지에 따르면, 집전판(5)은 각 원호형 볼록부(52)와 코어 부재 단부 엣지(48)의 용접부에서 큰 접촉 면적으로 코어 부재 단부 엣지(48)에 접합되는 동시에, 상기 용접부 이외의 영역에서는 각 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 파고 들어가서 양호한 접촉 상태가 얻어지므로, 집전판(5)과 권취 전극체(4) 사이의 접촉 저항이 작아진다. 게다가, 집전판(5)에 형성된 복수개의 수직 절단 부재(53)에 의해서 코어 부재 단부 엣지(48)의 전체 영역으로부터 집전이 행해지므로, 높은 집전 성능이 얻어진다.

또, 집전판(5)의 볼록부(52)와 코어 부재 단부 엣지(48)의 접합면은 그 중앙부에서 비임 조사 방향에 대해 90 °또는 그에 가까운 각도를 이루게 되므로, 레이저 비임이 접합면의 용접에 유효하게 작용하고, 그 결과 큰 접합 면적에 의한 높은 용접 강도가 얻어지게 된다.

다음과 같이 하여, 본 발명 전지 A 내지 P 및 비교 전지 Q를 제작했다.

본 발명 전지 A

본 발명 전지 A에 대해서는 도2에 도시한 바와 같이, 두께 20 ㎛의 알루미늄으로 만들어진 코어 부재(45)에 코발트산 리튬으로 구성되는 양극 활성 물질(44)을 도포하여 이루어지는 양극(41)과, 두께 20 ㎛의 구리로 만들어진 코어 부재(47)에 흑연으로 구성되는 음극 활성 물질(46)을 도포하여 이루어지는 음극(43)과, 이온 투과성의 폴리프로필렌으로 만들어진 미세 다공막으로 이루어지는 격리판(42)을 중합하고, 이들을 나선형으로 권취하여 권취 전극체(4)를 제작했다. 또, 양극(41) 및 음극(43)의 폭방향의 단부에는 일정한 폭의 비도공부가 형성되어 있다.

또, 반경 28 mm, 두께 1 mm의 원판형 본체(51)에 복수개의 원호형 볼록부(52)가 방사상으로 형성되는 동시에, 복수개의 수직 절단 부재(53)가 방사상으로 형성된 알루미늄으로 만들어진 집전판(5)을 제작하고, 상기 집전판(5)을 권취 전극체(4)의 양극측 코어 부재 단부 엣지(48)에 씌우고 상부로부터 지그에 의해 압박했다. 또, 도3 및 도4a에 도시한 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)의 두께(T)는 1 mm, 내경(R)[=원판형 본체 이면으로부터의 돌출 길이(X)]은 1.4 mm로 했다. 또한, 도3 및 도4b에 도시한 수직 절단 부재(53)의 코어 부재 단부 엣지(48)와의 접촉 길이(L)는 14 mm, 원판형 본체 이면으로부터의 돌출 길이(Y)는 2.1 mm로 했다.

이 상태에서 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)의 내주면을 향해서 도6과 같이 레이저 비임을 조사하여, 집전판(5)의 원호형 볼록부(52)의 외주면을 코어 부재 단부 엣지(48)에 용접했다. 그 후, 알루미늄으로 만들어진 리드의 선단부를 알루미늄으로 만들어진 전극 단자의 이면에 레이저 용접하여 양극측의 집전 구조를 구성했다. 또한, 전극 단자, 집전판, 및 리드 부재가 니켈로 만들어진 것 이외는 양극측 집전 구조와 마찬가지로 음극측 집전 구조를 구성했다.

그 후, 통(11)의 내부에 권취 전극체(4)를 수용하고, 통(11)의 양개구부에 각각 전극 단자 기구(9)가 조립된 덮개(12)를 용접 고정한 후, 전지 케이스(1)의 내부에 에스테르계 유기 전해액을 주입하여 정격 전력 용량 180 Wh의 본 발명 전지 A를 조립했다.

본 발명 전지 B 내지 J

집전판(5)의 수직 절단 부재(53)의 길이[접촉 길이(L)]가 각각 9 mm, 11 mm, 12 mm, 14 mm, 16 mm, 18 mm, 19 mm, 22 mm, 24 mm인 것 이외는 본 발명 전지 A와 마찬가지로 하여 본 발명 전지 B 내지 J를 제작했다. 또한, 본 발명 전지 E는 본 발명 전지 A와 동일 구성이다.

본 발명 전지 K 내지 P

집전판(5)의 수직 절단 부재(53)의 돌출 길이(Y)가 각각 1.2 mm, 1.4 mm, 1.8 mm, 2.1 mm, 2.2 mm, 2.4 mm인 것 이외는 본 발명 전지 A와 마찬가지로 하여 본 발명 전지 K 내지 P를 제작했다. 또한, 본 발명 전지 N은 본 발명 전지 A와 동일 구성이다.

비교 전지 Q

집전판(5)에는 원호형 볼록부(52)만이 형성되고, 수직 절단 부재(53)가 형성되어 있지 않은 것 이외는 본 발명 전지 A와 마찬가지로 하여 비교 전지 Q를 제작했다.

출력 특성의 비교

그리고, 본 발명 전지 A 내지 P 및 비교 전지 Q에 대해 후술하는 출력 특성 시험을 행하여 출력 특성의 비교를 행하였다.

(a) 본 발명 전지 A와 비교 전지 Q의 비교

본 발명 전지 A와 비교 전지 Q에 대하여, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 그 후 전류치: 4 C, 방전 시간: 10초의 조건으로 출력 특성 시험을 행하였다. 그 결과를 표1에 표시한다.

또, 출력 밀도의 산출을 행할 때는 상기 조건에서의 전압ㆍ전류 특성을 기초로 하여 출력치를 산출하고, 그 결과를 전지의 중량으로 나누어 출력 밀도로 했다.

	출력 밀도[W/kg]
전지 A(본 발명 전지)	620
전지 Q(비교예 전지)	594

표1로부터 명확해지는 바와 같이, 본 발명 전지 A는 비교 전지 Q보다도 출력 특성이 높게 되어 있다. 이것은 본 발명 전지 A에 있어서는 집전판(5)에 수직 절단 부재(53)가 형성되어 있으므로, 집전판(5)과 권취 전극체(4)의 코어 부재 단부 엣지(48) 사이의 접촉 상태가 개선되어, 접촉 저항이 저감됨에 따른 것으로 생각된다.

(b) 본 발명 전지 B 내지 J의 비교

다음에, 본 발명 전지 B 내지 J에 대하여 출력 특성의 비교를 행하였다. 그 결과를 표2에 표시한다. 또, 표2를 그래프화한 것을 도9에 도시한다.

전지 종류	접촉 길이[mm]	출력 밀도[W/kg]
전지 B	9	608
전지 C	11	610
전지 D	12	611
전지 E(전지 A)	14	620
전지 F	16	624
전지 G	18	626
전지 H	19	627
전지 I	22	631
전지 J	24	631

표2 및 도9로부터 명확해지는 바와 같이, 집전판(5)의 수직 절단 부재(53)의 코어 부재 단부 엣지(48)와의 접촉 길이(L)가 원판형 본체(51)의 반경(28 mm)의 0.5배(14 mm)보다 작아지면, 출력 밀도가 급격하게 작아지고 있다. 이것은 수직 절단 부재(53)와 코어 부재 단부 엣지(48) 사이의 접촉 면적이 작아져서, 집전 저항의 저하에 기여하는 정도가 급격하게 작아지기 때문이라고 생각된다. 따라서, 집전판(5)의 수직 절단 부재(53)는 접촉 길이(L)를 원판형 본체(51)의 반경의 0.5배 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.

(c) 본 발명 전지 K 내지 P의 비교

그리고, 본 발명 전지 K 내지 P에 대하여 출력 특성의 비교를 행하였다. 그 결과를 표3에 표시한다. 또, 표3을 그래프화한 것을 도10에 도시한다.

전지 종류	돌출 길이[mm]	출력 밀도[W/kg]
전지 K	1.2	616
전지 L	1.4	619
전지 M	1.8	620
전지 N(전지 A)	2.1	620
전지 O	2.2	618
전지 P	2.4	605

표3 및 도10으로부터 명확해지는 바와 같이, 집전판(5)의 수직 절단 부재(53)의 돌출 길이(Y)가 원호형 볼록부(52)의 돌출 길이(X)(1.4 mm)의 1.5배(2.1 mm)보다도 커지면, 출력 밀도나 급격하게 작아지고 있다. 이것은 수직 절단 부재(53)의 돌출 길이가 지나치게 커지므로, 원호형 볼록부(52)가 코어 부재 단부 엣지(48)와 충분히 접촉하지 못하게 되어, 레이저 용접에 의한 접합이 불충분해져서 접촉 저항이 증대하기 때문이다.

또, 집전판(5)의 수직 절단 부재(53)의 돌출 길이(Y)가 원호형 볼록부(52)의 돌출 길이(X)(1.4 mm)의 1.0배(1.4 mm)보다도 작아지면, 출력 밀도가 급격하게 작아지고 있다. 이것은 수직 절단 부재(53)의 돌출 길이가 지나치게 작아져서 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 깊게 파고 들어가지 못하게 되므로, 집전판(5)과 코어 부재 단부 엣지(48) 사이의 접촉 상태가 충분히 개선되지 않게 되기 때문이다. 따라서, 집전판(5)의 수직 절단 부재(53)의 돌출 길이(Y)는 원호형 볼록부(52)의 돌출 길이(X)의 1.0배 이상, 1.5배 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 집전판(5)과 전극 단자 기구(9) 사이의 접속에는 도1에 도시한 리드부(55)에 의한 접속 구조에 한하지 않고, 주지의 다양한 접속 구조를 채용할 수 있다. 또한, 상기의 실시예에서는 집전판의 용접에 레이저 비임을 이용했지만, 이에 한하지 않고 전자 비임에 의한 용접을 채용하는 것도 가능하다.

[2] 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예

이하, 본 발명을 원통형 리튬 이온 이차 전지에 실시한 형태에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 관한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 도14에 도시한 바와 같이, 통(11)의 양단부에 덮개(12, 12)를 용접 고정하여 이루어지는 원통형의 전지 케이스(1)의 내부에 권취 전극체(4)를 수용하여 구성되어 있다. 양덮개(12, 12)에는 양음극 한 쌍의 전극 단자 기구(9, 9)가 부착되어 있다. 또, 전극 단자 기구(9)는 종래와 동일한 구성을 구비하고 있다. 또한, 각 덮개(12)에는 압력 개폐식의 가스 배출 밸브(13)가 부착되어 있다.

권취 전극체(4)의 양단부에는 각각 집전판(6)이 설치되고, 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)에 레이저 용접되어 있다. 상기 집전판(6)의 상면에는 리드 부재(63)의 기초 단부가 스폿 용접되고, 그 선단부는 전극 단자 기구(9)를 구성하는 전극 단자(91)의 플랜지부(92)의 이면에 스폿 용접되어 있다.

권취 전극체(4)는 도15에 도시한 바와 같이, 각각 띠형의 양극(41)과 음극(43) 사이에 띠형의 격리판(42)을 개재시키고, 이들을 나선형으로 권취하여 구성되어 있다. 양극(41)은 알루미늄박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(45)의 양면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 양극 활성 물질(44)을 도포하여 구성되고, 음극(43)은 구리박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(47)의 양면에 탄소 재료를 함유하는 음극 활성 물질(46)을 도포하여 구성되어 있다. 격리판(42)에는 비수 전해액이 함침되어 있다.

양극(41)에는 양극 활성 물질(44)이 도포되어 있는 도공부(A)가 형성되는 동시에, 양극 활성 물질이 도포되어 있지 않은 비도공부(B)가 코어 부재 단부 엣지(48)를 따라서 형성되어 있다. 또한, 음극(43)에는 음극 활성 물질(46)이 도포되어 있는 도공부(A)가 형성되는 동시에, 음극 활성 물질이 도포되어 있지 않은 비도공부(B)가 코어 부재 단부 엣지(48)를 따라서 형성되어 있다.

양극(41) 및 음극(43)은 각각 격리판(42) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합하고, 양극(41) 및 음극(43)의 상기 비도공부를 격리판(42)의 양단부 엣지로부터 각각 외측으로 돌출시킨다. 그리고, 이들을 나선형으로 권취함으로써 권취 전극체(4)가 구성된다. 상기 권취 전극체(4)에 있어서는 권취 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 양극(41)의 비도공부의 코어 부재 단부 엣지(48)가 격리판(42)의 한 쪽 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하여 양극측 원통형 돌출부(40)를 형성하고 있다. 또한, 권취 전극체(4)의 다른 쪽 단부에서는 음극(43)의 비도공부의 코어 부재 단부 엣지(48)가 격리판(42)의 다른 쪽 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하여 음극측 원통형 돌출부(40)를 형성하고 있다.

집전판(6)은 도14 및 도15에 도시한 바와 같이, 원판형의 상부판(61)과 원통형의 스커트부(62)로 구성되어 있고, 상부판(61)의 내면이 원통형 돌출부(40)의 단부면에 밀착되어 레이저 용접되는 동시에, 스커트부(62)의 내주면이 원통형 돌출부(40)의 외주면에 밀착되어 레이저 용접되어 있다. 집전판(6)의 상부판(61)의 표면은 리드 부재(63)를 거쳐서 전극 단자 기구(9)의 플랜지부(92)에 연결되어 있다.

상기 본 발명의 원통형 리튬 이온 이차 전지의 제조 공정에 있어서는, 우선 도15에 도시한 바와 같이 격리판(42), 음극(43), 격리판(42) 및 양극(41)을 중합하고, 이들을 나선형으로 권취하여 권취 전극체(4)를 제작한다. 또, 알루미늄을 재료로 하여 양극측 집전판(6)을 제작하는 동시에, 니켈을 재료로 하여 음극측 집전판(6)을 제작한다.

다음에, 권취 전극체(4)의 양원통형 돌출부(40, 40)에 각각 집전판(6)을 레이저 용접한다. 여기서, 레이저 용접은 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)에 집전판(6)을 씌운 상태로, 집전판(6)의 상부판(61) 표면에 대해서는 방사상의 궤적으로 레이저광을 조사하고, 집전판(6)의 스커트부(62)의 외주면에 대해서는 상기 외주면을 일주하는 궤적으로 레이저광을 조사한다. 또, 각 집전판(6)의 표면에는 리드 부재(63)의 기초 단부를 스폿 용접한다.

그 후, 전지 케이스(1)를 구성하는 통(11)의 내부에 권취 전극체(4)를 수용하고, 각 집전판(6)으로부터 연신하는 리드 부재(63)의 선단부를 전극 단자(91)의 플랜지부(92)의 이면에 스폿 용접한다. 그리고, 각 덮개(12)에 전극 단자 기구(9)를 조립하고, 제1 너트(95)를 단단히 조여서 절연 패킹(93)에 충분한 액체 밀봉성을 부여한다.

계속해서, 통(11)의 각 개구부에 덮개(12)를 레이저 용접하고, 전지 케이스(1)의 내부에 전해액을 주입한 후, 도14에 도시한 바와 같이 각 덮개(12)에 가스 배출 밸브(13)를 나사 삽입하여 고정한다. 이로써, 본 발명의 원통형 리튬 이온 이차 전지가 완성된다. 또, 집전판(6)은 도16에 도시한 바와 같이, 원판형의 상부판(61)에 복수의 원호 부재(64)를 돌출 형성하여 스커트부(62)를 형성한 것이라도 좋다.

양극의 제작

양극 활성 물질로서의 평균 입경 5 ㎛를 갖는 리튬 복합 산화물(LiCoO₂)의 분말과 도전제로서의 인조 흑연을 중량비 9 : 1로 혼합하여 양극 합제를 얻었다. 다음에, 결착제인 폴리불화비닐리덴을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 용해시켜 NMP 용액을 조제했다. 그리고, 양극 합제와 폴리불화비닐리덴의 중량비가 95 : 5가 되도록 양극 합제와 NMP 용액을 혼합하여 슬러리를 조제하고, 그 후 이 슬러리를 양극 코어 부재로 되는 두께 20 ㎛의 알루미늄박의 양면에 독터 블레이드법에 의해 도포하고, 150 ℃에서 2시간의 진공 건조를 실시하여 도15에 도시한 양극(41)을 제작했다.

음극의 제작

탄소 덩어리(dO02 = 3.356 Å; Lc > 1000)에 공기류를 분사하여 분쇄하여 탄소 분말을 제작했다. 또, 결착제인 폴리불화비닐리덴을 NMP에 용해시켜 NMP 용액을 조제하고, 탄소 분말과 폴리불화비닐리덴의 중량비가 85 : 15가 되도록 혼련(混練)하여 슬러리를 조제했다. 이 슬러리를 음극 코어 부재로 되는 두께 20 ㎛의 구리박의 양면에 독터 블레이드법에 의해 도포하고, 150 ℃에서 2시간의 진공 건조를 실시하여 도15에 도시한 음극(43)을 제작했다.

전해액의 조제

에틸렌 카아보네이트와 디에틸 카아보네이트를 체적비 1 : 1로 혼합한 용매에 LiPF₆을 1 mol/L의 비율로 용해시켜 전해액을 조제했다.

본 발명 전지의 조립

직경 1O mm의 권취 코어에 격리판이 되는 이온 투과성의 폴리프로필렌으로 만들어진 미세 다공막을 수회 감은 후, 격리판이 양극과 음극 사이에 개재되도록 격리판, 양극, 격리판 및 음극 4장을 중합하고, 이들을 나선형으로 다수회 권취하고 마지막으로 권취 코어를 빼내어 도15에 도시한 권취 전극체(4)를 제작했다. 그리고, 이 권취 전극체(4)를 사용하여 본 발명의 원통형 리튬 이온 이차 전지를 조립했다. 상기 전지의 외경은 57 mm이고, 길이는 220 mm이다.

단, 권취 전극체(4)의 각 원통형 돌출부(40)에 씌워야 하는 집전판으로서, 도16에 도시한 바와 같이 스커트부(62)가 2개의 원호 부재(64, 64)로 분리된 집전판(6)과, 도15에 도시한 바와 같이 스커트부(62)가 원통형을 이루는 집전판(6)의 두 종류를 제작하고, 도16의 집전판(6)을 사용한 전지를 본 발명 전지 1로 하고, 도15에 도시한 집전판(6)을 사용한 전지를 본 발명 전지 2로 했다. 본 발명 전지 1에 있어서는 집전판(6)의 스커트부(62)가 원통형 돌출부(40)의 외주면의 전체 면적의 30 %를 피복하고, 본 발명 전지 2에 있어서는 집전판(6)의 스커트부(62)가 원통형 돌출부(40)의 외주면의 전체 면적의 90 %를 피복하고 있다.

비교예 전지의 조립

권취 전극체(4)의 단부에 도13에 도시한 원판형의 집전판(32)을 접합한 것 이외는 상기 본 발명 전지와 마찬가지로 하여 비교예 전지를 조립했다.

전지의 평가

본 발명 전지 1 및 2와 비교예 전지를 대상으로 하여 각각의 출력 특성(방전 심도 50 %, 15초간 방전시의 출력 밀도)을 조사했다. 그 결과를 표4에 표시한다.

전지	출력 밀도(W/kg)
본 발명 전지 1	645
본 발명 전지 2	665
비교예 전지	590

표4로부터 명확해지는 바와 같이, 본 발명 전지 1 및 2 모두 비교예 전지에 비해 높은 출력 밀도가 얻어지고 있다. 이것은 본 발명 전지에서는 집전판(6)이 스커트부(62)를 갖고 있으므로, 집전판(6)의 집전 성능이 향상되고, 전지의 내부 저항이 저감되었기 때문이라고 생각된다.

또, 본 발명 전지 1과 본 발명 전지 2의 비교에 있어서, 집전판(6)의 스커트부(62)와 원통형 돌출부(40)의 접촉 면적이 큰 쪽이 출력 밀도가 커지고 있는 점으로부터도, 집전판(6)의 스커트부(62)가 집전 성능의 향상에 기여하고 있음이 분명하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 원통형 리튬 이온 이차 전지에 따르면, 권취 전극체(4)의 각 전극과 집전판(6) 사이의 접촉 저항이 낮아져서 우수한 출력 특성이 얻어진다. 또, 본 발명의 원통형 이차 전지의 제조 공정에 있어서는 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)에 집전판(6)을 씌우고 레이저 용접하는 공정에서, 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)의 대략 전체가 집전판(6)에 의해서 피복되어 있으므로, 전극이나 격리판이 레이저광을 직접 받을 우려는 없으며, 이에 의해서 전극이나 격리판의 손상이 방지된다.

또, 권취 전극체(4)를 구성하는 양극(41) 및 음극(43)은 각각 일정한 폭을 갖는 띠형으로 형성하면 되므로, 제조 공정이 간단하고, 양전극을 권취함으로써 권취 전극체(4)의 원통형 돌출부(40)는 정밀도가 높은 원통면으로 마무리할 수 있다. 따라서, 생산 수율의 저하나 전지 성능의 편차가 발생하지 않는다.

[3] 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예

이하, 본 발명을 리튬 이온 이차 전지에 실시한 형태에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

제1 실시예

본 실시예의 리튬 이온 이차 전지는 도19에 도시한 바와 같이, 통(11)의 양단부에 덮개(12, 12)를 용접 고정하여 이루어지는 전지 케이스(1)의 내부에 권취 전극체(4)를 수용하여 구성되어 있다. 양덮개(12, 12)에는 양음극 한 쌍의 전극 단자 기구(9, 2)와 가스 배출 밸브(13, 13)가 부착되어 있다.

권취 전극체(4)는 도13에 도시한 종래의 구성과 동일하고, 각각 띠형의 양극(41), 격리판(42) 및 음극(43)으로 구성되어 있고, 양극(41) 및 음극(43)은 각각 격리판(42) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합되며, 나선형으로 권취되어 있다. 이에 의해서, 권취 전극체(4)의 권취 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 격리판(42)의 단부 엣지보다도 외측으로 양극(41)의 단부 엣지(48)가 돌출하는 동시에, 다른 쪽 단부에서는 격리판(42)의 단부 엣지보다도 외측으로 음극(43)의 단부 엣지(48)가 돌출되어 있다. 권취 전극체(4)의 양단부에는 도19에 도시한 바와 같이 양음극 한 쌍의 집전판(105, 103)이 설치되고, 양극(41) 및 음극(43)의 단부 엣지(48, 48)와 접합되어 있다.

음극측 집전판(103)에는 도20 및 도21에 도시한 바와 같이, 중앙 구멍(134) 및 복수의 액체 주입 구멍(133)이 개설되어 있고, 그리고 중심부로부터 방사상으로 연신하는 단면이 원호형인 복수의 볼록부(132)가 형성되며, 이들 볼록부(132)가 도26에 도시한 바와 같이 권취 전극체(4)의 음극의 단부 엣지(48)에 압박되어 용접되어 있다.

상기 집전판(103)의 표면 중앙부에는 도20에 도시한 바와 같이 연결 나사(20)가 고정되어 있다. 상기 연결 나사(20)는 베이스판이 되는 십자형 판(24)과, 상기 십자형 판(24)의 중심에 돌출 형성된 원판형의 다이 시트(25)와, 상기 다이 시트(25)의 중심에 세워 설치된 수나사(23)로 구성되어 있다.

양극측 집전판(105)의 외주 엣지에는 도25에 도시한 바와 같이 띠형의 리드부(155)가 돌출 형성되어 있다. 상기 집전판(105)에는 중앙 구멍(154) 및 복수의 액체 주입 구멍(153)이 개설되고, 또 중심부로부터 방사상으로 연신하는 단면이 원호형인 복수의 볼록부(152)가 형성되며, 도26에 도시한 바와 같이 이들 볼록부(152)가 권취 전극체(4)의 양극의 단부 엣지(48)에 압박되어 용접되어 있다.

음극의 전극 단자 기구(2)는 도19에 도시한 바와 같이 전지 케이스(1)의 덮개(12)를 관통하여 부착된 나사 부재로 이루어지는 전극 단자(21)를 구비하고, 상기 전극 단자(21)의 기초 단부에는 플랜지부(21b)가 형성되어 있다. 전극 단자(21)에는 플랜지부(21b)로부터 나사부를 향해서 암나사(21a)가 형성되어 있고, 상기 암나사(21a)에는 상기 수나사(23)가 나사 결합되어 있다. 또, 다이 시트(25)에는 금속링(22)이 끼워 넣어져 있다. 상기 금속링(22)은 도22에 도시한 바와 같이, 전극 단자(21)의 플랜지부(21b)와 대략 동일한 외경으로 형성되고, 상기 다이 시트(25)보다도 약간 큰 직경의 관통 구멍(22a)을 갖고 있다. 상기 금속링(22)은 상기 암나사(21a)에 상기 수나사(23)가 나사 삽입됨으로써, 플랜지부(21b) 및 십자형 판(24)과 압접되어 밀착되어 있다.

양극의 전극 단자 기구(9)는 전지 케이스(1)의 덮개(12)를 관통하여 부착된 나사 부재로 이루어지는 전극 단자(91)를 구비하고, 상기 전극 단자(91)의 기초 단부에는 플랜지부(92)가 형성되어 있다. 양극측 집전판(105)과 연결되어 있는 리드부(155)는 집전판(105)의 내측을 향해서 절첩되고, 그 선단부가 전극 단자(91)의 플랜지부(92)와 접합되어 있다. 리드부(155)는 활 모양으로 만곡되어 있고, 전극 단자 기구(9)와 접근 이격되는 방향으로 탄성 변형할 수 있다.

양극 및 음극 양극의 덮개(12, 12)의 관통 구멍에는 수지로 만들어진 절연 부재(26, 93)가 장착되어, 덮개(12, 12)와 각 전극 단자(21, 91) 사이의 전기적 절연성과 밀봉성이 유지되어 있다. 각 전극 단자(21, 91)에는 전지 케이스(1)의 외측으로부터 와셔(27, 94)가 끼워 넣어지는 동시에, 제1 너트(28, 95) 및 제2 너트(29, 96)가 나사 결합되어 있다. 그리고, 제1 너트(28, 95)를 체결하여, 각 전극 단자(21, 91)의 플랜지부(21b, 92)와 와셔(27, 94)에 의해서 절연 부재(26, 93)를 협지함으로써 밀봉성을 높이고 있다. 또, 제2 너트(29, 96)는 외부 회로와의 접속에 이용된다. 이에 의해서, 권취 전극체(4)가 발생하는 전력을 양음극 한 쌍의 전극 단자 기구(9, 2)로부터 외부로 취출할 수 있다.

본 실시예의 비수 전해액 이차 전지에 있어서는 도20에 도시한 바와 같이, 수나사(23)가 음극측 집전판(103)의 중앙부에 위치하고 있으므로, 집전판(103)에 집전된 전류가 수나사(23)에 이를 때까지의 평균 거리가 짧다. 또, 상기 수나사(23)는 도19에 도시한 바와 같이, 전극 단자(21)의 암나사(21a)에 나사 삽입되어 접속되어 있으므로, 집전판(103)으로부터 전극 단자(21)까지의 전류의 통과 경로가 최단 거리로 된다.

그리고, 도19에 도시한 바와 같이 십자형 판(24), 금속링(22) 및 플랜지부(21b)가 서로 밀착되어 단면적이 큰 전류 경로가 형성되므로, 전류 경로의 전기 저항은 작아지게 된다. 이에 의해서, 전지의 내부 저항이 작아진다.

또한, 도19에 도시한 바와 같이, 양극측 집전판(105)의 리드부(155)가 탄성 변형함으로써, 권취 전극체(4)나 전지 케이스(1)의 조립 오차를 흡수할 수 있다.

다음에, 상기 리튬 이온 이차 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다. 우선, 니켈판을 사용하여 도20에 도시한 음극측 집전판(103)을 제작하는 동시에, 알루미늄판을 사용하여 도25에 도시한 양극측 집전판(105)을 제작한다. 양극측 집전판(105)에는 리드부(155)가 일체 성형되어 있다. 각 집전판(103, 105)의 반경은 20 mm, 두께는 1.0 mm, 볼록부의 깊이는 1.4 mm이다.

연결 나사(20)는 니켈로 만들어지고, 도20 및 도21에 도시한 형상으로 제작되며, 십자형 판(24)의 두께는 1 mm, 다이 시트(25)의 두께는 1 mm, 수나사(23)의 외경은 6 mm, 수나사(23)의 길이는 9 mm이다.

다음에, 띠형의 알루미늄박으로 이루어지는 코어 부재(45)의 표면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 양극 활성 물질(44)을 도포하여 양극(41)을 제작하는 동시에, 구리박으로 이루어지는 코어 부재(47)의 표면에 탄소 재료를 함유하는 음극 활성 물질(46)을 도포하여 음극(43)을 제작한다. 그리고, 양극(41)과 음극(43) 사이에 격리판(42)을 개재하는 동시에, 양극(41)과 음극(43)을 폭방향으로 어긋나게 하여 중합하고, 이들을 나선형으로 권취하여 도13에 도시한 바와 같은 권취 전극체(4)를 제작한다.

계속해서, 도26에 도시한 바와 같이 권취 전극체(4)의 양극측 단부 엣지(48)에 집전판(105)을 압박하고, 상기 단부 엣지(48)와 집전판(105)의 볼록부(152)를 레이저 용접한 후, 리드부(155)의 선단과 양극측 전극 단자(91)의 플랜지부(92)를 레이서 용접한다.

마찬가지로, 권취 전극체(4)의 음극측 단부 엣지(48)에 집전판(103)을 압박하고, 상기 단부 엣지(48)와 집전판(103)의 볼록부(132)를 레이저 용접하며, 또한 도20 및 도21에 도시한 바와 같이 집전판(103)의 중앙부에 연결 나사(20)의 십자형 판(24)을 레이저 용접한다. 그리고, 도19에 도시한 바와 같이 금속링(22)을 다이 시트(25)에 끼우고, 수나사(23)를 암나사(21a)에 나사 삽입한다.

그 후, 상기 권취 전극체(4)를 통(11)에 수용하는 동시에, 양음극 한 쌍의 전극 단자(21, 91)를 각각 절연 부재(26, 93)를 개재시켜 덮개(12, 12)에 삽입하여 각 전극 단자(21, 91)에 와셔(27, 94)를 끼워 넣고, 그리고 제1 너트(28, 95) 및 제2 너트(29, 96)를 나사 결합시킨다. 이에 의해서, 양음극 한 쌍의 전극 단자 기구(2, 9)가 양덮개(12, 12)에 조립된다.

마지막으로 각 덮개(12, 12)와 통(11)을 용접 고정하고, 한 쪽 가스 배출 밸브(13)의 부착 구멍으로부터 전지 케이스(1) 내에 전해액을 주입한 후, 가스 배출 밸브(13)를 부착 구멍에 나사 삽입하여 구멍을 막는다. 이로써, 본 실시예의 리튬 이온 이차 전지가 완성된다.

제2 실시예

본 실시예의 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 연결 나사는 구리를 사용하여 제작되어 있고, 이 이외는 제1 실시예와 동일한 구성을 구비하며, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 본 실시예의 리튬 이온 이차 전지를 조립한다.

제3 실시예

본 실시예의 리튬 이온 이차 전지에 있어서는 도23 및 도24에 도시한 바와 같이, 집전판(106)과 수나사(165)가 일체로 형성되어 있는 점이 제1 실시예와 다르다.

음극측 집전판(106)의 표면 중앙부에는 원판형의 다이 시트(166)가 형성되는 동시에, 상기 다이 시트(166)의 중심에는 수나사(165)가 세워 설치되어 있다. 상기 다이 시트(166)에는 도23에 도시한 금속링(167)이 끼워 넣어진다. 상기 금속링(167)은 상기 다이 시트(166)보다도 약간 큰 직경의 관통 구멍(168)을 갖고 있으며, 이에 의해서 금속링(167)과 집전판(106)이 서로 밀착된다. 본 실시예의 리튬 이온 이차 전지는 상기 구성 이외는 제1 실시예와 동일한 구성을 구비하고, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 조립을 행한다.

본 실시예의 리튬 이온 이차 전지에 있어서는 집전판(106)과 수나사(165) 사이에 접합 부분이 없고 접촉 저항이 없으므로, 전지의 내부 저항은 보다 작아지게 된다.

이하, 상기 제1 실시예의 발명 전지 1 및 제2 실시예의 발명 전지 2와, 하기 비교예 전지 1 및 비교예 전지 2를 제작하고, 각 전지에 대하여 내부 저항을 측정했다. 또, 각 전지의 정격 전력 용량은 약 50Wh이다.

비교예 전지 1

본 비교예 전지 1은 음극측에 도25에 도시한 니켈로 만들어진 집전판을 사용한 것 이외는 제1 실시예와 동일한 구성을 구비하고, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 전지의 조립을 행하였다.

비교예 전지 2

본 비교예 전지 2는 양음극 양극의 집전판의 볼록부가 단면 V자형으로 형성되어 있는 것 이외는 비교예 전지 1과 동일한 구성을 구비하고, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 전지의 조립을 행하였다.

[내부 저항의 측정]

각 전지의 내부 저항을 저항계(교류 4단자, 1 kHz)를 사용하여 측정했다.

[측정 결과]

각 전지의 내부 저항의 측정 결과를 표5에 표시한다.

전지	음극	양극	내부 저항(mΩ)
발명 전지 1	수나사: 니켈 집전판: 니켈 볼록부: 원호형	집전판: 알루미늄 볼록부: 원호형	1.5
발명 전지 2	수나사: 구리 집전판: 니켈 볼록부: 원호형	집전판: 알루미늄 볼록부: 원호형	1.1
비교예 전지 1	집전판: 니켈 볼록부: 원호형	집전판: 알루미늄 볼록부: 원호형	2.0
비교예 전지 2	집전판: 니켈 볼록부: V자형	집전판: 알루미늄 볼록부: V자형	2.7

표5에 표시한 결과로부터 명확해지는 바와 같이, 발명 전지 1 및 발명 전지 2 모두 비교예 전지 1 및 비교예 전지 2와 비교하여 내부 저항이 작게 되어 있다.

그 이유는 발명 전지 1 및 발명 전지 2에 있어서, 수나사는 음극측 집전판의 중앙부에 위치하고 있고, 집전판에 집전된 전류가 수나사에 이를 때까지의 평균 거리가 짧기 때문이다. 또, 상기 수나사는 전극 단자의 암나사에 나사 삽입되어 있고, 집전판으로부터 전극 단자까지의 전류의 통과 경로는 최단 거리로 되기 때문이다. 그리고, 전극 단자의 플랜지부와 대략 동일한 외경을 갖는 금속링이 상기 플랜지부 및 십자형 판과 서로 밀착되어 있으므로, 전류 경로의 단면적이 커지기 때문이다.

또, 발명 전지 2는 특히 내부 저항이 작다. 그 이유는 발명 전지 2에 있어서 연결 나사가 구리를 재질로 하여 형성되어 있고, 발명 전지 1의 연결 나사의 재질인 니켈보다도 구리의 저항이 작기 때문이다.

또, 본 발명의 각부 구성은 상기 실시 형태로 한정하지 않고, 청구항에 기재된 본 발명의 정신으로부터 일탈하지 않는 범위에서 해당 기술 분야의 전문가라면 가능한 각종 변형이 가능하다.

본 발명에 따르면, 전극체를 구성하는 코어 부재가 매우 얇은 경우에도 코어 부재 단부 엣지와 집전판 사이에 양호한 접촉 상태가 얻어지고, 높은 집전 성능을 발휘하는 동시에, 생산성도 우수한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지를 제공할 수 있다.

또한, 통이 없는 형태의 원통형 이차 전지에 있어서 권취 전극체의 단부면에 집전판을 용접할 때 전극과 격리판이 손상될 우려가 없고, 제조 공정이 간단하며, 게다가 우수한 출력 특성을 발휘하는 원통형 이차 전지를 제공할 수 있다.

그리고, 집전판에 의한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 종래보다도 내부 저항이 작은 비수 전해액 이차 전지를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 전지 케이스(1)의 내부에 각각 띠형의 양극(41)과 음극(43) 사이에 격리판(42)을 개재시켜 나선형으로 권취한 권취 전극체(4)가 수용되고, 양극(41)은 알루미늄박의 표면에 활성 물질을 도포하여 구성되고, 음극(43)은 구리박의 표면에 활성 물질을 도포하여 구성되며, 권취 전극체(4)가 발생하는 전력을 한 쌍의 전극 단자부로부터 외부로 취출할 수 있는 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 권취 전극체(4)의 적어도 어느 한 쪽 단부에는 양극(41) 또는 음극(43)을 구성하는 알루미늄박 또는 구리박으로 이루어지는 띠형 코어 부재의 단부 엣지(48)가 돌출하고, 상기 단부 엣지(48)를 피복하여 집전판(5)이 설치되고, 상기 집전판(5)에는 코어 부재 단부 엣지(48)를 향해서 단면이 원호형으로 돌출하는 복수개의 원호형 볼록부(52)가 형성되는 동시에, 코어 부재 단부 엣지(48)를 향해서 수직 절단된 복수개의 수직 절단 부재(53)가 형성되고, 이들 원호형 볼록부(52) 및 수직 절단 부재(53)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 파고 들어간 상태로 원호형 볼록부(52)가 코어 부재 단부 엣지(48)에 레이저 용접되고, 상기 집전판(5)이 한 쪽 전극 단자부와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.
2. 제1항에 있어서, 집전판(5)은 원판형 본체(51)의 코어 부재 단부 엣지(48)와의 대향면에 상기 복수개의 원호형 볼록부(52) 및 수직 절단 부재(53)를 방사상으로 형성하는 동시에, 원판형 본체(51)의 단부에 직사각형 형상의 리드부(55)를 돌 출 형성하여 구성되고, 상기 리드부(55)의 선단이 전극 단자부와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.
3. 제1항에 있어서, 각 수직 절단 부재(53)는 코어 부재 단부 엣지(48)와 접촉하는 길이가 집전판(5)의 반경의 0.5배 이상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.
4. 제1항에 있어서, 각 수직 절단 부재(53)는 코어 부재 단부 엣지(48)를 향해서 돌출하는 길이가 원호형 볼록부(52)의 돌출 길이의 1.0배 이상, 1.5배 이하로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.

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