KR100818196B1 - 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조체 - Google Patents

2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체는, 2차 전지의 극판으로부터 일체로 연장된 그리드; 그리드에 연결될 수 있는 전극 탭; 및 그리드와 전극 탭을 연결하는 리벳;을 구비한다.
2차 전지, 그리드, 전극 탭, 리벳, 연결

Description

2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조체{Connecting structure and method between grid and electrode-tap of secondary battery}
도 1은 종래의 파우치형 2차 전지를 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체를 개략적으로 도시한 분해 사시도.
도 3은 도 2의 연결 부위의 저면도.
도 4는 도 2의 그리드 부위를 먼저 융착시키는 공정을 도시한 도면.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그리드와 전극 탭의 리벳 연결 방법을 각각 개념적으로 도시한 공정도.
<도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명>
10...전극 조립체 11...그리드 13...리벳
15...전극 탭 17...리벳 머리 19...와셔
21...보호부재
본 발명은 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 극판과 일체를 이루는 그리드와 외부 단자 기능을 가진 전극 탭의 이음성이 개선되고 저항을 최소화할 수 있는 대용량 고출력에 적합한 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조체에 관한 것이다.
일반적으로, 2차 전지(secondary battery)라 함은 충전과 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 특히 리튬 2차 전지는 그 작동 전압이 높아 기존의 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라, 무정전 전원공급장치, 전기 자전거, 전동 휠체어, 전기 자동차 등의 고출력 및 대용량을 요구하는 분야에 이르기까지 점점 그 사용범위가 확대되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물을 양극 활물질로 사용하고, 탄소재를 음극 활물질로 사용하는데, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류되며, 또한, 전극 조립체를 수용하는 캔의 형상에 따라 원통형과, 각형, 파우치형으로 구분된다.
종래의 파우치형 2차 전지를 개략적으로 도시한 도 1을 참조하면, 파우치형 2차 전지의 전극 조립체(1)는 적층된 극판 본체로부터 돌출되는 그리드(3)와, 2차 전지의 전극 단자 역할을 하기 위해 그리드(3)에 연결되는 전극 탭(5)을 구비한다. 상기 전극 조립체(1)는 양극판, 분리막, 음극판 순으로 적층되거나 감겨져 있는 구조이다. 상기 전극 탭(5)은 양극의 경우 알루미늄으로 제조되며, 음극의 경우 니켈, 구리, 또는 니켈이 코팅된 구리로 제조된다. 또한, 전극 탭(5)에는 수지(7)가 부착되어 있는 바, 수지(7)는 파우치 필름 등의 포장재(9) 내부에 전극 조립체(1) 가 수납된 후 전극 조립체(1)와 포장재(9)의 봉합을 용이하게 한다.
그런데, 종래의 2차 전지들의 경우, 전극 탭은 초음파 융착법에 의해 전극 조립체의 그리드에 연결되었다. 그러나, 초음파 융착법은, 극판의 적층수, 집전체 호일 두께 및 전극 탭의 두께가 증가함에 따라, 융착 작업시 발생되는 과열 또는 진동으로 인해 분리막이 변형되거나 극판이 쉽게 손상되는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 현상은, 전극 탭과 그리드 사이의 접합 강도가 약해져서 전극 탭과 그리드 부위의 저항이 증가하게 되어 결과적으로 고출력 2차 전지에 있어서, 대전류가 인가될 경우 2차 전지의 제품 성능에 치명적인 악영향을 야기시켰다. 이러한 점들은 특히, 대용량 2차 전지의 제조 과정에서 극판의 적층 수량, 호일의 두께 및 전극 탭의 두께를 극히 제한하게 됨으로써, 대용량, 고출력 2차 전지 제조의 한계점 중의 하나로 인식되어 왔다.
한편, 2차 전지의 제조 공정상 이러한 한계점들은 파우치형 2차 전지뿐만 아니라 여러 장의 그리드를 초음파 융착을 통해 해당하는 전극 탭에 연결시키는 모든 전지 분야에 공통적인 문제가 아닐 수 없다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전극 조립체의 그리드와 전극 탭 사이의 연결을 안정적으로 확보함으로써 2차 전지의 전기적 저항을 감소시킬 수 있는 고출력, 대용량 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체는, 2차 전지의 극판으로부터 일체로 연장된 그리드; 상기 그리드에 연결될 수 있는 전극 탭; 및 상기 그리드와 상기 전극 탭을 연결하는 리벳;을 구비한다.
바람직하게, 상기 그리드는 복수의 단위 그리드들이 먼저 초음파 융착된다.
바람직하게, 본 발명에 따른 2차 전지는 상기 리벳으로 연결된 부위를 부분적으로 또는 극판 전체를 덮을 수 있는 보호부재를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 보호부재는 절연 테이프 또는 실리콘 막이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법은, 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법에 있어서, (a) 상기 그리드와 상기 전극 탭을 포개서 그 위치를 고정시키는 단계; (b) 상기 그리드와 상기 전극 탭이 중첩된 부분에 소정 패턴의 리벳 구멍을 형성하는 단계; (c) 상기 리벳 구멍 속으로 대응되는 리벳을 삽입하는 단계; 및 (d) 상기 리벳 부위를 압연 공정을 통해 상기 그리드와 상기 전극 탭을 연결하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 상기 (a) 단계 이전에, 상기 2차 전지의 복수의 그리드들을 부분적으로 초음파 용접시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 리벳의 타단에 와셔를 삽입하는 단계를 더 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법 및 구조를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 연결 부위의 저면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지는, 양극판/세퍼레이터/음극판이 순차적으로 적층되거나 감겨진 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)로부터 일체로 연장되는 그리드(11)와, 리벳(13)에 의해 그리드(11)에 연결되는 전극 탭(15)을 구비한다.
상기 전극 조립체(10)는 이론적으로 리튬 2차 이온 전지 또는 리튬 2차 폴리머 전지일 수 있다. 또한, 전극 조립체(10)는 단위 셀(unit cell) 또는 바이-셀(Bi-cell)을 불문하며, 이러한 단위 셀 또는 바이셀이 여러 겹으로 적층된 것일 수도 있다.
상기 그리드(11)는 양극 그리드와 음극 그리드 중 어느 하나일 수 있다. 양극 그리드와 음극 그리드는 전극 조립체(10)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있다. 또한, 그리드(11)는 극판의 수에 따라 복수일 수 있다. 그러나, 전극 탭(15)은 양극 및 음극 그리드(11)에 각각 연결되는 하나의 양극 및 음극 전극 탭으로 구성된다.
일반적으로, 전극 조립체(10)는 포장재(미도시)에 수납되어 전해액(미도시)이 충진된 후 진공 포장된다.
또한, 양극판은 알루미늄과 같은 금속(Foil) 집전체의 양면 또는 일면에 양극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 양극 활물질이 도포되지 않은 집전체 부분 에 양극 그리드가 돌출 형성되어 있다. 음극판은 구리와 같은 금속(Foil) 집전체의 양면 또는 일면에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 음극 활물질이 도포되지 않는 집전체 부분에는 음극 그리드가 돌출 형성되어 있다. 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)의 폴리머 다공질막을 구비하며, 단층 및 다층구조를 가진다. 세퍼레이터는 양면에 양극판과 음극판이 각각 위치된다. 또한, 세퍼레이터 표면에는 이온전도성 폴리머 접착제(미도시)가 도포될 수 있다. 이온전도성 폴리머 접착제는 양극판 및 음극판들을 세퍼레이터에 접착시킴과 동시에 리튬 이온의 전도성에 방해가 되지 않도록 이온전도성 폴리머 예를 들어, 에스.비.알. 라텍스(SBR Latex) 계열 접착제, 아크릴 솔벤트(Acrylic Solvent) 접착제, 팬(PAN)(homo, co-polymer)을 이용한 접착제, PAN/PVDF 블렌딩(Blending)을 이용한 접착제, MMA/PMMA 중합접착제 등의 솔벤트(Solvent) 타입의 접착제가 이용되는 것이 바람직하다.
본 발명은 2차 전지의 양극 그리드 및/또는 음극 그리드에 전극 탭을 연결함에 있어서, 이음 강도를 높이기 위한 것으로서, 종래의 초음파 융착이 아닌 리벳(rivet)공법을 이용하는 것이다.
상기 리벳(13)은 그 일단에 리벳 머리(17)가 형성되고, 그 타단에는 와셔(19)에 의해 결합 되어 최종적으로는 압연 공정으로 마무리된다.
리벳(13)에 의해 그리드(11)와 전극 탭(15)을 연결함으로써, 극판의 적층수, 호일의 두께, 전극 탭의 두께에 관계없이, 저항을 최소화함은 물론 이음성을 견고하게 할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 적층된 양극과 음극 각각의 극판 그리드를 먼저 부분적으로 초음파 융착을 시키는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 적층된 그리드간의 이음성 및 강도를 높일 수 있기 때문이다.
그러면, 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법에 대한 개별 공정을 설명하면 다음과 같다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그리드와 전극 탭의 리벳 연결 방법을 각각 개념적으로 도시한 공정도로서, 도 5는 그리드와 전극 탭을 중첩시켜 위치를 고정시킨 상태의 도면, 도 6은 도 5의 중첩 부위에 구멍을 형성하는 도면, 도 7은 도 6의 구멍 속으로 리벳을 삽입하는 공정의 도면, 도 8은 와셔를 삽입한 후 압연하는 공정의 도면, 도 9는 도 8의 전극 조립체의 거의 전부를 보호부재로 감싸는 공정의 도면이다.
본 실시예에서 언급되는 단계들 및 양극/음극에 관한 부재들은 별도의 설명이 없는 한 양극과 음극을 모두 포함하여 지칭하는 것을 원칙으로 한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 그리드(11)와 전극 탭(15)을 일부 중첩시켜 그 위치를 고정한 후 연결 부분에 소정 형태의 구멍(16)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 복수의 전극판이 이용되는 경우, 해당 양극 그리드 및 음극 그리드들을 각각 사전에 초음파 융착시켜 두는 것이 바람직하다(도 4 참조).
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 구멍(16)에 리벳(13)을 삽입한 후, 그 반대편에 와샤(19)를 끼운 후(도 7 참조) 압연 공정을 통해 리벳(13)과 전극 탭(15), 그리드(11), 와샤(19)의 이음을 완성한다(도 8 참조). 상기 완성된 이 음 부분에 리벳의 돌출 부위가 파우치 필름 등의 외장재(미도시)과 직접 접촉되어질 경우 외장재의 손상을 유발할 수 있음으로 리벳(13) 작업 부위를 부분적으로 또는 극판 전체를 보호테입 또는 실리콘 처리등으로 이루어진 보호부재(21)를 덮어서 외장재와 리벳 연결부위가 직접 접촉이 되지 않도록 하는 것이 바람직하다(도 9 참조). 본 실시예에서는 보호부재(21)가 극판을 거의 완전히 덮은 상태를 도시한 예이다.
한편, 그리드(11)와 전극 탭(15)에 사용되는 리벳의 수는 제품의 최대 사용 전류를 고려하여 허용 전류 이상 확보하여야 하며 그 수는 용도에 맞게끔 최소한 1개 이상으로 가변적이다. 리벳(13)의 재질은 극판에 따라 서로 다른 바, 양극의 경우 알루미늄이 사용되며 음극은 니켈, 구리를 사용한다.
또한, 리벳 이음 부분의 허용 전류치의 계산은 리벳 머리부와 전극 탭(15)이 직접 접촉하고 있는 면적을 전류 이동통로로 간주하여 계산하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 2차 전지의 그리드 및 전극 탭의 연결 방법 및 구조체는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 전극 탭과 극판 그리드의 안정적인 이음을 확보할 수 있다.
둘째, 리벳 공법에 의한 연결은 극판의 적층수, 호일의 두께, 전극 탭의 두께에 제한을 받지 않음으로 고출력, 대용량 전지의 제조를 용이하게 한다.
셋째, 종래의 초음파 융착 공법에서 발생되는 진동에 의한 그리드와 전극 탭 연결이 떨어지는 불량을 방지할 수 있어 수율 및 생산성을 향상시킬 수 있으며 불 량율을 낮출 수 있다.

Claims (7)

  1. 2차 전지의 극판으로부터 일체로 연장된 그리드;
    상기 그리드에 연결될 수 있는 전극 탭;
    상기 그리드와 상기 전극 탭을 연결하는 리벳; 및
    상기 리벳으로 연결된 부위를 부분적으로 또는 극판 전체를 덮을 수 있는 보호부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그리드는 복수의 단위 그리드들이 먼저 초음파 융착된 것을 특징으로 하는 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보호부재는 절연 테이프 또는 실리콘 막인 것을 특징으로 하는 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 구조체.
  5. 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법에 있어서,
    (a) 상기 그리드와 상기 전극 탭을 포개서 그 위치를 고정시키는 단계;
    (b) 상기 그리드와 상기 전극 탭이 중첩된 부분에 소정 패턴의 리벳 구멍을 형성하는 단계;
    (c) 상기 리벳 구멍 속으로 대응되는 리벳을 삽입하는 단계; 및
    (d) 상기 리벳 부위를 압연 공정을 통해 상기 그리드와 상기 전극 탭을 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 그리드와 전극 탭의 연결 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에, 상기 2차 전지의 복수의 그리드들을 부분적으로 초음파 용접시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 그리드와 전극탭의 연결 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에, 상기 리벳의 타단에 와셔를 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 그리드와 전극탭의 연결 방법.
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