KR100853628B1 - 전극과 배터리, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

배터리용 전극은 전극 시트와, 리드와, 금속편을 포함한다. 상기 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 리드 접속부와, 상기 리드와, 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합된다. 이 구성에 의해, 상기 리드 접속부와 상기 리드간의 접점 영역이 작을지라도, 상기 리드 접속부와 상기 리드간의 결합부에서의 전기 저항은 작으며, 그 결과 상기 결합부의 강도를 향상시킬 수 있고, 배터리의 방전 부하 특성을 향상시킬 수 있다.
컬렉터, 활성 재료층, 리드 접속부, 전극 시트, 리드, 금속편

Description

전극과 배터리, 및 그 제조 방법{Electrode and battery, and methods of producing the same}
도 1은 리드와, 종래 기술의 전극간의 결합부를 도시하는 개략도.
도 2는 리드와, 복수의 전극 시트들의 스택을 가진 다른 종래 기술의 전극간의 결합부를 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명의 전극의 한 구성예를 도시하는 평면도.
도 4는 도 3에 도시된 전극의 라인 A-B를 절취한 단면도.
도 5는 본 발명의 전극의 다른 구성예를 도시하는 평면도.
도 6은 본 발명의 전극의 또 다른 구성예를 도시하는 평면도.
도 7은 본 발명의 전극의 또 다른 구성예의 주요부를 도시하는 개략도.
도 8은 본 발명의 전극의 또 다른 구성예의 주요부를 도시하는 개략도.
도 9는 본 발명의 전극의 또 다른 구성예의 주요부를 도시하는 개략도.
도 10은 본 발명의 배터리의 비수용액 전해질의 평면도.
도 11은 도 10에 도시된 비수용액 전해질 배터리의 라인 C-D를 절취한 단면도.
도 12는 도 10에 도시된 비수용액 전해질 배터리에 이용되는 네거티브 전극의 주요부에 대한 개략 단면도.
도 13은 도 10에 도시된 비수용액 전해질 배터리에 이용되는 포지티브 전극의 주요부에 대한 개략 단면도.
도 14는 네거티브 전극을 각각 가지는 복수의 전극 시트들의 스택과, 겔형 전해질 층과, 포지티브 전극을 배터리 장치가 포함하는 비수용액 전해질 배터리를 도시하는, 도 10의 라인 C-D를 절취한 단면도.
도 15는 도 14에 도시된 비수용액 전해질 배터리에서, 네거티브 전극 리드 접속부들과, 네거티브 전극 리드와, 금속편이 서로 결합되는 주요부를 도시하는, 도 10의 라인 E-F를 절취한 개략 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호에 대한 설명
1 : 전극 시트 2 : 리드
3 : 금속편 5 : 활성 재료층
6 : 리드 접속부
본 발명은 리드가 접속되는 전극 및 그 제조 방법과, 상기 전극을 이용하는 배터리 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근년에, 전자 기술의 최근의 발전에 따라, 비디오 테이프 레코더들 및 휴대형 정보 단말기들과 일체화된 카메라와 같은 소형의 휴대형 전자 장치들이 개발되었다. 이들 휴대형 전자 장치들의 크기를 줄이고 그 성능을 향상시키기 위해, 이들 전자 장치들에 이용되는 휴대형 전원들로서 소형이고 고성능이면서 가벼운 배터리들의 개발이 강하게 요구되어 왔다.
특히, 큰 펄스 전류를 요구하는 전자 장치를 구동하기 위해서는, 높은 방전 부하 특성을 갖는 배터리를 전자 장치의 전원으로 이용하는 것이 중요하다. 그러한 배터리를 실현하기 위해, 배터리의 전해질 용액과 활성 재료 등에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다.
배터리의 성능은 또한 배터리 상호작용에 관계없이, 배터리의 구성 부품들, 예를 들어 전극 리드, 컬렉터, 및 이것들 간의 접속부에 의존한다. 특히, 배터리의 방전 부하 특성을 개선하기 위해서는, 이들 구성 부품들의 저항을 줄이는 것이 중요하다.
예를 들어, 겔형 전해질(gel-like electrolyte)을 이용하는 겔형 전해질 배터리는, 네거티브 전극, 겔형 전해질, 및 포지티브 전극을 서로 스택시킴으로써 형성된 전극 시트와, 하나의 라미네이트된 시트를 두개로 포갬으로써 형성되어 상기 전극 시트가 봉해지는 외부 케이스와, 상기 외부 케이스의 외측으로 한쪽의 단부가 추출되는 네거티브 전극 리드와, 상기 외부 케이스의 외측으로 한쪽의 단부가 추출되는 포지티브 전극 리드를 포함한다.
도 1은 관련 기술의 겔형 전해질 배터리의 네거티브 전극과 포지티브 전극 각각의 전극 구성을 도시한다. 상기 전극은 컬렉터(50)와, 상기 컬렉터(50) 위에 형성된 활성 재료층(51)과, 상기 활성 재료층(51)이 형성되지 않는 상기 컬렉터 (50)의 노출된 확장부로서 구성되는 리드 접속부(52)를 포함한다. 상기 리드 접속부(52)에 리드(53)의 한 단부가 접속된다. 도 2는 종래 기술의 겔형 전해질 배터리의 네거티브 전극과 포지티브 전극 각각의 다른 구성예를 도시한다. 상기 전극은 컬렉터(50)를 각각 가지는 복수의 전극 시트의 스택과, 활성 재료층(51)과, 리드 접속부(52)를 포함한다. 상기 복수의 리드 접속부(52)는 서로 겹쳐 있으며, 상기 리드 접속부(52)에 리드(53)의 한 단이 결합된다.
예를 들어 일본특개평 11-233096호에 개시된 바와 같이, 상기 리드(53)는 초음파 용접에 의해 상기 리드 접속부(52)에 결합될 수 있다. 이것은 스파크(spark)로 인한 절단이나 파손을 발생시키지 않으면서 상기 리드(53)를 상기 리드 접속부 (52)에 효과적으로 결합시킬 수 있다.
그렇지만, 도 1 및 도 2에 도시된 상기 개시된 방법에 있어서, 상기 컬렉터 (50)로서 이용된 금속 박(metal foil)이 얇으면, 상기 리드(53)와 상기 리드 접속부(52)간의 접속 상태가 상기 리드(53)와 상기 리드 접속부(52)간의 결합부에서 불량하게 되며, 그 결과 상기 리드(53)와 상기 리드 접속부(52)간의 결합 강도가 불충분하게 된다. 다시 말해, 상기 리드(53)와 상기 리드 접속부(52)간의 결합부의 기계적 강도가 약하기 때문에, 약한 장력(slight tensile force)으로도 상기 리드(53)가 벗겨지게 되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 리드(53)와 상기 리드 접속부(52)간의 접속 상태가 불충분하면, 이것들 간의 전기 저항이 커지게 되고, 이에 의해 배터리의 내부 저항성이 증가하게 된다. 결과적으로, 배터리의 방전 부하 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 배터리 장치를 네거티브 전극과 포지티브 전극을 감아서 형성시키지 않고 그것들을 서로 스택시켜 형성한, 소위 스택형 배터리(stack-type battery)에 있어서는, 배터리의 용량을 개선하기 위해 상기 리드 접속부(52)를 배터리의 상호반응에 관계없이 가능한 작게 만들어야 한다. 따라서, 상기 스택형 배터리에 있어서, 상기 리드(53)와 상기 리드 접속부(52)간의 접점 영역은 상기 감음형 배터리 (winding type battery)에 비해 작으며, 그 결과 상기 개시된 문제, 즉 결합 강도의 감소 및 방전 부하 특성의 저하가 커지게 된다.
본 발명의 목적은 리드와 리드 접속부간의 접점 영역이 작을지라도, 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부의 강도를 증가시킬 수 있고, 상기 결합부의 전기 저항성을 감소시켜 높은 방전 부하 특성을 보장할 수 있는 전극 및 배터리와, 상기 전극 및 배터리의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 관점에 따라, 전극 시트와, 리드와, 금속편을 포함하는 전극이 제공된다. 상기 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 리드 접속부와, 상기 리드와, 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합된다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편은 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부에 대해 상기 결합부의 거의 중심 영역에 대응하는 위치에서 결합되기 때문에, 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 접속 상태는 현저하게 양호해진다.
본 발명의 제 2 관점에 따라, 복수의 전극 시트들을 포함하는 전극 시트 세트와, 리드와, 금속편을 포함하는 전극이 제공된다. 각각의 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 복수의 전극 시트의 리드 접속부들과, 상기 리드와, 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합된다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편은 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 결합부에 대해 상기 결합부의 거의 중심 영역에 대응하는 위치에서 결합되기 때문에, 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 접속 상태는 현저하게 양호해진다.
본 발명의 제 3 관점에 따라, 네거티브 전극과, 포지티브 전극과, 전해질을 포함하는 배터리가 제공된다. 상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는 전극 시트와, 리드와, 금속편을 포함한다. 상기 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 리드 접속부와, 상기 리드와, 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합된다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편은 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부에 대해 상기 결합부의 거의 중심 영역에 대응하는 위치에서 결합되기 때문에, 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 접점 상태는 현저하게 양호해지며, 상기 배터리의 방전 부하 특성은 개선될 수 있다.
본 발명의 제 4 관점에 따라, 네거티브 전극과, 포지티브 전극과, 전해질을 포함하는 배터리가 제공된다. 상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는 복수의 전극 시트를 포함하는 전극 시트 세트와, 리드와, 금속편을 포함한다. 상기 각각의 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 복수의 전극의 시트들의 리드 접속부들과, 상기 리드와, 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합된다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편은 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 결합부에 대해 상기 결합부의 거의 중심 영역에 대응하는 위치에서 결합되기 때문에, 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 접점 영역은 현저하게 양호해지며, 상기 배터리의 방전 부하 특성은 개선될 수 있다.
본 발명의 제 5 관점에 따라, 전극 시트와 리드를 포함하는 전극을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 방법은 상기 리드 접속부와, 상기 리드와, 상기 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는, 금속편 결합 단계를 포함한다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편을 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부에 결합시킴으로써, 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 접점 상태가 현저하게 개선되는 배터리가 얻어질 수 있다.
본 발명의 제 6 관점에 따라, 복수의 전극 시트를 가지는 전극 시트 세트와, 리드를 포함하는 전극을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 각각의 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성되는 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 방법은 상기 리드 접속부와, 상기 리드와, 금속편을 서로 오버랩되어 결합하는, 금속편 결합 단계를 포함한다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편을 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부에 결합시킴으로써, 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 접점 상태가 현저하게 개선되는 배터리가 얻어질 수 있다.
본 발명의 제 7 관점에 따라, 네거티브 전극과 포지티브 전극과, 전해질을 포함하는 배터리를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는 전극 시트와 리드를 포함한다. 상기 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 방법은 상기 리드 접속부와, 상기 리드와, 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는, 금속편 결합 단계를 포함한다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편을 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부에 결합시킴으로써, 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 접점 상태가 현저하게 개선되는 배터리가 얻어질 수 있다. 이렇게 제조된 배터리는 높은 방전 부하 특성을 나타낸다.
본 발명의 제 8 관점에 따라, 네거티브 전극과, 포지티브 전극과, 전해질을 포함하는 배터리를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는 복수의 전극 시트를 갖는 전극 시트 세트와, 리드를 포함한다. 상기 각각의 전극 시트는 컬렉터와, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층과, 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는다. 상기 방법은 상기 리드 접속부들과, 상기 리드와, 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는, 금속편 결합 단계를 포함한다.
이 구성에 따르면, 상기 금속편을 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 결합부에 결합시킴으로써 상기 리드와 상기 리드 접속부들 간의 접속 상태가 현저하게 개선되는 배터리가 얻어질 수 있다. 이렇게 제조된 배터리는 높은 방전 부하 특성을 나타낸다.
이후, 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명이 적용되는 전극은 전극 시트(1)와, 길이가 긴 리드(2)와, 금속편(3)을 포함한다. 전극 시트(1)는 거의 직사각형의 컬렉터 (4)와, 상기 컬렉터(4) 위에 형성된 활성 재료층(5)과, 상기 활성 재료층(5)이 형성되지 않는 부분으로서 노출되는, 상기 컬렉터(4)의 확장부로서 구성되는 리드 접속부(6)를 포함한다.
상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 전기 접속을 보장하기 위해, 상기 리드(2)의 일부가 상기 리드 접속부(6)에 겹쳐지고 전기적, 물리적으로 결합된다. 상기 금속편(3)은 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 결합부의 거의 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 리드 접속부(6)에 오버랩되어 결합된다. 이 방법에서, 본 실시예에 따라, 상기 리드(2)의 적어도 일부와, 상기 리드 접속부(6)의 적어도 일부와, 상기 금속편(3)의 적어도 일부가 서로 스택되어 결합된다.
상기 금속편(3)이 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 결합부에 오버랩되어 결합되기 때문에, 상기 금속편(3)을 이용하는 경우의 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 상태는, 상기 금속편(3)을 이용하지 않는 경우의 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 상태에 비해 현저하게 양호하게 될 수 있다. 그 결과, 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 영역이 작을지라도, 장력(tensile force) 등에 대한 상기 리드(2)의 결합 강도는 개선될 수 있고, 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 결합부의 저항성은 감소될 수 있다.
상기 금속편(3)의 크기 및 면적은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 금속편(3)은 스트립형(strip shape)으로 형성될 수 있으며, 상기 금속편(3)의 일부가 상기 리드(2)의 폭 방향으로 상기 리드(2)로부터 돌출되는 상태에서 상기 리드 접속부(6)에 결합될 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 금속편(3)의 하나의 주요면(principal plane)의 면적은 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 면적보다 클 수 있으며, 상기 금속편(3)은 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 상기 접점 영역을 덮는 식으로 상기 리드 접속부(6)에 결합된다.
그렇지만, 본 발명에 따라, 상기 금속편(3)의 하나의 주요면의 면적은 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 영역보다 작을 수 있고 상기 금속편(3)은 상기 리드(2)와 함께 상기 접점 영역의 내측에 위치한, 상기 리드 접속부(6)의 일부에 결합될 수 있다. 상기 금속편(3)의 이러한 배열은, 라미네이트 시트에 포함되는 배터리용 상기 전극을 이용하는 경우에, 상기 라미네이트 시트가, 상기 금속편(3)의 주변 가장자리 상에 필연적으로 있는 거친 부분(burrs)과 접점하는 것을 방지한다.
상기 금속편(3)이 상기 리드(2) 및/또는 상기 컬렉터(4)의 재료와 동일한 재료로 만들어지면, 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 상태는 보다 양호하게 될 수 있으며, 그 결과 이것들 간의 결합 강도는 향상될 수 있고 이것들 간의 접점부의 전기 저항성은 감소될 수 있다.
상기 금속편(3)의 두께는 양호하게 0.03 ㎜ 이상의 범위이다. 상기 금속편 (3)의 두께가 0.03 ㎜ 미만이면, 상기 금속편(3)의 두께가 너무 얇기 때문에, 상기 금속편(3)은 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 접점 상태를 충분히 효과적으로 개선시키지 못할 수 있다.
위에서 언급된 실시예에서, 상기 금속편(3)은 상기 리드 접속부(6)가 상기 리드(2)와 상기 금속편(3) 사이에서 붙어있는 상황에서 상기 리드 접속부(6)에 접속되어 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 상기 리드(2)와 상기 리드 접속부(6)간의 전기 접점과, 이것들 간의 충분한 결합 강도가 상기 금속편(3)의 배열에 의해 보장될 수 있는 한, 상기 금속편(3)은 어느 위치라도 배열될 수 있다. 예컨데, 상기 리드가(2)가 리드 접속부(6)와 금속편(3)사이에 붙어있는 상태로 금속편 (3)이 배열될 수 있다.
본 실시예에 따른 상술한 전극에서, 금속편(3)이 리드 접속부(6)의, 리드(2)가 결합된 부분에 결합된다; 그러나, 본 발명은 거기에 제한되지 않고 컬렉터(4), 활성 재료층(5), 및 리드 접속부(6)를 각각 갖는 복수의 전극 시트(electrode sheet)들(1)의 스택을 갖는 전극에 적용할 수 있다.
예컨데, 도 7에 도시되는 바와 같이, 그러한 전극은 복수의 전극 시트(sheet)들(1), 복수의 전극 시트들(1)로부터 확장한 리드 접속부들(6), 리드(2), 및 금속편(3)을 포함한다. 복수의 리드 접속부들은 서로 오버랩되고, 또한 상기 리드(2)는 상기 오버랩된 리드 접속부(6)의 최외각의 것(도면에서 가장 위의 것)에 오버랩되어 결합된다. 리드(2)와 리드 접속부들(6)의 최외각의 것(도면에서 가장 위의 것) 사이의 결합부의 대략 중심 영역에 대응하는 위치에 상기 오버랩된 리드 접속부(6)의, 상기 리드(2)가 결합된 면에 대향된, 최외각의 것(도면에서 가장 아래의 것)에 금속편(3)은 오버랩되어 결합된다. 이러한 방법으로, 복수의 리드 접속부들(6)이 리드(2)와 금속편(3) 사이에 붙어있는 상태로 복수의 리드 접속부들(6) 중 최외각의 것에 금속편(3)이 결합된다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 오버랩된 리드 접속부들(6) 중 서로 인접한 2개의 접속부들사이에 각각의 금속편(3)이 붙어있는 그러한 방법으로 복수의 금속편 들(3)이 배열될 수 있다. 또한, 도 9에 도시되는 바와 같이, 오버랩된 리드 접속부들 (6) 중 서로 인접한 임의의 2개의 리드 접속부 사이에 붙어있는 그러한 방법으로 하나의 금속편(3)이 배열될 수 있다. 금속편(3)의 수는 자유롭게 선택될 수 있고, 하나 이상의 금속편들(3)은, 리드(2)와 리드 접속부들(6)간의 전기 접점 및 그사이의 충분한 결합력이 하나 이상의 금속편들(3)의 배열에 의해 확보될 수 있는 한, 임의의 위치 또는 임의의 위치들에 배열될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
본 실시예의 전극에 따라, 금속편(3)이 리드(2)와 리드 접속부(6)간의 결합부에 결합되기 때문에, 리드(2)와 리드 접속부(6)간의 접접 상태는 리드(2)와 리드 접속부(6)간의 결합력을 개선하고, 리드(2)와 리드 접속부(6)간의 결합부의 전기 저항을 감소시키는데 상당히 바람직하게 될 수 있으므로, 그러한 전극을 이용하는 배터리의 전하 부하 특성을 개선시킨다.
상술한 전극은 배터리의 네거티브 전극 및 포지티브 전극의 각각으로 이용될 수 있고, 특히, 습기 방지막을 포함한 네거티브 전극 및 포지티브 전극의 스택을 포함하고 겔형(gel-like) 전해질 또는 고체 전해질을 이용하는 비수성 (nonaqueous) 전해질로 이용될 수 있다. 비수성 전해질 배터리의 일예는 도면들을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
도 10는 상기 구조를 갖는 전극이 네거티브 전극 및 포지티브 전극 각각으로 이용된 비수성 전해질 배터리를 도시한다. 비수성 전해질 배터리는 배터리 장치 (7); 배터리 장치(7)가 밀봉된 외부 케이스(8); 외부 케이스(8)의 바깥쪽에 하나의 단부가 추출된, 네거티브 전극 리드(9); 외부 케이스(8)의 바깥쪽에 하나의 단부가 추출된, 포지티브 전극 리드(10); 및 외부 케이스(8)의 밀봉 영역(S1)에 네거티브 전극 리드(9) 및 포지티브 전극 리드(10)를 덮는 밀폐제(11)를 포함하고, 따라서 외부 케이스(8)의 밀봉 특성을 향상시킨다.
배터리 장치(7)는 도 11에 도시되는 바와 같이, 네거티브 컬렉터(12) 및 네거티브 활성 재료층(13)을 갖는 네거티브 전극(14), 겔형 전해질층(15), 포지티브 컬렉터(16) 및 포지티브 활성층 재료(17)를 갖는 포지티브 전극(18)의 스택으로 구성된다.
네거티브 전극(14)은 도 12에 도시되는 바와 같이, 네거티브 컬렉터(12), 네거티브 컬렉터(12)상에 형성된 네거티브 활성 재료층(13), 네거티브 활성 재료층 13)이 형성되지 않은, 네거티브 컬렉터(12)를 확장하여 구성된, 네거티브 전극 리드 접속부(19)를 갖는다. 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 전기 접속을 확보하기 위해, 네거티브 전극 리드(9)의 일부가 오버랩되어 물리적으로, 전기적으로 네거티브 전극 리드 접속부(19)의 일부에 결합된다. 네거티브 전극 금속편(20)은 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 결합부의 대략 중심 영역에 대응하는 위치에서 네거티브 전극 리드 접속부(19)에 오버랩되어 결합된다. 이러한 방법으로, 적어도 일부의 네거티브 전극 리드(9), 적어도 일부의 네거티브 전극 리드 접속부(19), 및 적어도 일부의 네거티브 전극 금속편(20)은 서로 스택되어 결합된다.
네거티브 전극 금속편(20)은 네거티브 컬렉터(12) 및/또는 네거티브 전극 리드(9)를 동일한 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 예컨데, 네거티브 전극 금속편(20)은 구리, 니켈, 또는 스텐인레스 스틸(stainless steel)로 구성될 수 있다.
포지티브 전극(18)은 도 13에 도시된 바와 같이, 포지티브 컬렉터(16), 포지티브 컬렉터(16)상에 형성된 포지티브 활성 재료층(17), 및 포지티브 활성 재료층(17)이 형성되지 않고 포지티브 컬렉터(16)을 확장하여 구성된 포지티브 전극 리드 접속부(21)를 갖는다. 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속 부(21)간의 전기 접속을 확보하도록, 포지티브 전극 리드(10)의 일부는 오버랩되고 물리적, 전기적으로 포지티브 전극 리드 접속부(21)의 일부에 결합된다. 포지티브 전극 금속편(22)은 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 결합부의 대략 중심 영역과 대응하는 위치에서 포지티브 전극 리드 접속부(21)에 오버랩하여 결합된다. 이러한 방법으로, 적어도 일부의 포지티브 전극 리드(10), 적어도 일부의 포지티브 전극 리드 접속부(21), 및 적어도 일부의 포지티브 전극 금속편(22)은 서로 스택되어 결합된다.
포지티브 전극 금속편(22)은 포지티브 컬렉터(16) 및/또는 포지티브 전극 리드(10)와 동일한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 예컨데, 포지티브 전극 금속편(22)은 알루미늄, 니켈, 또는 스테인레스 스틸로 구성될 수 있다.
네거티브 전극(14)에서, 네거티브 전극 금속편(20)은 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 결합부에 결합되고, 네거티브 전극 금속편(20)을 이용하는 경우에 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 접속 상태는 네거티브 전극 금속편(20)을 이용하지 않는 경우의 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 접속 상태와 비교하여 상당히 바람직하게 될 수 있다. 결과적으로, 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 접속 영역이 작을지라도, 장력 등에 대항하여 네거티브 전극 리드(9)의 결합력이 개선될 수 있고, 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 결합부의 저항은 감소될 수 있다.
네거티브 전극(14)과 유사하게, 포지티브 전극(18)에서, 포지티브 전극 리드 (10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 결합부에 포지티브 전극 금속편(22)이 결합되기 때문에, 포지티브 전극 금속편(22)을 이용하는 경우의 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 접속 상태는 포지티브 전극 금속편(22)를 이용하지 않는 경우의 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 접속 상태와 비교하여 상당히 양호하게 될 수 있다. 결과적으로, 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 접점 영역이 작아도, 장력 등에 대한 포지티브 전극 리드(10)의 결합력이 개선될 수 있고, 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 결합부의 저항이 감소될 수 있다. 결과적으로, 전체 배터리의 방전 부하 특성이 개선될 수 있다.
상술한 전극에서, 금속편은 네거티브 전극(14)과 포지티브 전극(18)의 각각에 결합되지만; 그러나, 금속편은 네거티브 전극(14) 또는 포지티브 전극(18)에 결합될 수 있다.
특히, 네거티브 전극 리드(9)의 재료는(통상적으로, 구리) 네거티브 전극 리드 접속부(19)의 재료(통상적으로, 니켈)와 다르기 때문에, 네거티브 전극 금속편 (20)의 배열은 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 결합에 상당히 효과적이다.
네거티브 컬렉터(12)는 구리, 니켈, 또는 스테인레스 스틸로 구성될 수 있고, 호일(foil), 라스(lath), 펀칭(punching) 금속, 또는 네트워크(network)의 형태로 형성될 수 있다.
네거티브 활성 재료층(13)은 네거티브 활성 재료 및 접합제(binder)를 함유한 네거티브 혼합물을 네거티브 컬렉터에 입히고, 네거티브 혼합물을 건조시킴으로써 제조될 수 있다. 네거티브 활성 재료로 리튬 1차 배터리 또는 리튬 2차 배터리에 본 발명을 적용하는 경우에, 리튬, 리튬-알루미늄 합금과 같은 리튬 합금, 또는 리튬이 도핑되거나 방출될 수 있는 재료를 이용하는 것이 양호하다. 리튬이 도핑되거나 방출될 수 있는 재료로서, 흑연화하기에 어려운 탄소 기초 재료 또는 흑연 기초 재료와 같은 탄소 재료가 이용될 수 있다. 이러한 탄소 재료들의 특정 예는 파이롤리틱(pyrolytic) 탄소, 피치 코크스, 니들 코크스, 및 석유 코크스와 같은 코크스, 흑연, 유리 탄소 섬유, 소결(sintered) 유기 고중합 화합물, 탄소 섬유, 및 활성 목탄을 포함할 수 있다. 소결 유기 고중합 화합물은 적절한 온도에서 소결 페놀 수지 또는 푸란 수지에 의해 제조되므로, 상기 수지를 탄화시킨다.
상기 탄소 재료에 부가하여, 폴리아세틸렌(polyacetylene) 또는 폴리피롤 (polypyrrole)과 같은 고중합체, 또는 SnO2와 같은 산화물은 리튬이 도핑되거나 방출될 수 있는 재료로 이용될 수 있다.
상기 네거티브 혼합물의 접합제로서, 통상적인 리튬 이온 배터리에 대해 네거티브 혼합에 이용된 공지된 접합제가 이용될 수 있다. 또한, 공지된 첨가제는 네거티브 혼합물에 부가될 수 있다.
네거티브 전극 리드(9)의 재료로서, 통상적인 네거티브 전극 리드용으로 이용된 공지된 재료가 이용될 수 있다.
포지티브 컬렉터(16)는 알루미늄, 니켈, 또는 스테인레스 스틸로 구성될 수 있고, 또한 박, 라스, 펀칭 금속, 또는 네트워크의 형태로 형성될 수 있다.
포지티브 활성 재료로서, 이용된 배터리의 종류에 따라 금속 산화물, 금속 황화물, 또는 특정 고중합체가 이용될 수 있다.
예컨데, 리튬 제 1 배터리에 본 발명을 적용시키는 경우, TiS2, MnO2, 흑연, 또는 FeS2는 포지티브 활성 재료로 이용될 수 있다. 리튬 제 2 배터리에 본 발명을 적용시키는 경우, TiS2, MoS2, 또는 NbSe2와 같은 금속 황화물 또는 V2O5와 같은 금속 산화물은 포지티브 활성 재료로 이용될 수 있다. 또한, M이 변이 금속들 중 하나이상이며 x는 배터리의 충천/방전 상태에 따른 값이고 통상적으로 0.05 내지 1.10의 범위내에 설정되는 화학식 LiMxO2에 의해 통상적으로 표현되는 리튬 함유 변이 금속 산화물은 포지티브 활성 재료로 또한 이용될 수 있다. 리튬 함유 변이 금속 산화물이 포함된 변이 금속들(M)로서, Co, Ni, 및 Mn이 이용되는 것이 바람직하다. 리튬 함유 변이 금속 산화물의 특정한 예는 LiCoO2, LiNiO2, LiNyCo1-yO2(0<y<1), 및 LiMn2O4를 포함할 수 있다. 그러한 리튬 함유 변이 금속 산화물은 높은 전압을 발생시킬수 있는 포지티브 활성 재료로서 이용되어 높은 에너지 밀도를 확보한다. 대용량을 확보하는 관점에서, 망간 산화물 또는 리튬 산화물 화합물, 및 스피넬형 결정 구조를 갖는 망간이 포지티브 활성 재료로 이용되는 것이 바람직하다. 상술된 포지티브 활성 재료들은 포지티브 전극(18)으로 단독 또는 결합하여 이용될 수도 있다.
포지티브 전극 리드(10)의 재료로서, 통상적으로 포지티브 전극 리드용으로 이용되었던 공지된 재료가 이용될 수 있다.
겔형 전해질층(15)은 전해질 소금, 매트릭스 중합체, 및 가소제로서 팽창 용매를 함유한다.
전해질 소금의 특정 예는 LiPF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiAsF6, LiBF4, LiN(CF3SO3)2, 및 C4F9SO3Li를 포함할 수 있다. 이러한 소금은 단독 또는 결합하여 이용될 수 있다. 특히, LiPF6는 이온 전도도의 관점에서 바람직하다.
매트릭스 중합체의 화학 구조는 매트릭스 중합체 그자체 또는 매트릭스 중합체를 이용하는 겔형 전해질이 실온에서 1mS/cm 이상의 이온 전도도을 나타내는 한 특별히 제한되지 않는다. 매트릭스 중합체의 특정 예는 폴리비닐리덴 (polyvinylidene) 불화물, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리에틸렌 산화물, 폴리실로산(polysiloxane)계 화합물, 폴리포스퍼진(polyphosphazene) 화합물, 폴리프로필렌 산화물, 폴리메틸렌 테나크릴레이트, 폴리메타크릴로니트라일, 및 폴리테르계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 중합체는 또다른 고 중합체와 공동중합(copolymerize)될 수 있다. 화학적 안정성 및 이온 전도도의 관점에서, 8 wt%이하의 공동중합체화 비율로 폴리비닐리덴 불화물과 폴리헥사플루오로프로필렌 (polyhexafluoropropylene)의 중합체화에 의해 재료가 제조된다.
팽창(swelling) 용매로서, 비수성 용매가 이용될 수 있다. 비 수성 용매의 특정 예는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트 (propylene carbonate), γ-뷰티로락톤(bytyrolactone), 아세톤나이트릴 (acetonit -rile), 다이에틸 에테르(diethyl ether), 다이에틸 카보네이트(diethyl carbonat -e), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate), 1, 2-다이메톡시탄 (dimethoxyethan -e), 다이메틸 솔프옥사이드(dimethyl sulfoxide), 1, 3-다이옥솔렌(dioxolane), 메틸 솔포네이트(sulfonate), 2-메틸테트라하이드로푸란(methyltetrahydrofuran), 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran), 솔포렌(sulfolane), 2, 4-디플로로아니솔 (diphloroanisole), 및 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate)를 포함할 수 있다. 이러한 비 수성 용매들은 단독 또는 결합하여 이용될 수 있다.
봉합제(11)의 재료는 포지티브 전극 리드(10) 및 네거티브 전극 리드(9)에 대해 접착성을 나타내는한 특별히 제한되지 않으나, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 변성 폴리에틸렌, 변성 폴리프로필렌, 및 그것의 변성 공동중합체들(copolymers)과 같은 폴리올레핀(polyolefine) 수지로부터 선택되는 것이 바람직하다. 열 봉합전의 상태에서, 봉합제(11)의 두께는 20㎛ 내지 300㎛의 범위가 바람직하다. 봉합제(11)의 두께가 20㎛이하이면, 봉합제(11)의 처리 특성이 나빠지며, 또한 봉합제(11)의 두께가 300㎛이상이면, 물이 봉합제(11)에 스며드는 것이 용이해지며, 그에 따라, 배터리 안쪽의 밀폐성(air-tightness)을 유지하기 어려워진다.
외부 케이스(8)와 포지티브 전극(10) 및 외부 케이스(8)와 봉합제(11)를 갖는 네거티브 전극 리드(9)간의 접속부를 덮는 것에 의해, 거친부분(burr) 등에 기인한 외부 케이스(8)의 단락 회로를 방지하고 외부 케이스(8)와 포지티브 전극 리드(10) 및 외부 케이스(8)와 네거티브 전극 리드(9)간의 접속 특성을 개선하는 것이 가능하다.
상기 구조를 갖는 비수성 전해질 배터리에서, 네거티브 전극 금속편(20)은 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)간의 결합부의 대략 중심 영역에 대응하는 위치에서 네거티브 전극 리드 접속부(19)와 네거티브 전극 금속편(20)이 결합되고, 포지티브 전극 금속편(22)은 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)간의 결합부의 대략 중심 영역에 대응하는 위치에서 포지티브 전극 리드 접속부(21)에 결합된다. 따라서, 각각의 리드와 상기 대응 리드 접속부간의 결합부의 저항을 감소시키고, 리드와 상기 대응 리드 접속부간의 결합력을 개선시키는 것을 가능케 한다. 결과적으로, 비수성 전해질 배터리의 내부 저항은 감소되어 배터리의 방전 부하 특성을 강화시킬수 있다.
상기 비수성 전해질 배터리에서, 하나의 네거티브 전극(14)과 하나의 포지티브 전극(18)의 스택이 배터리 장치(7)에 이용되지만; 그러나, 본 발명은 거기에 제한되지 않고 복수의 전극 시트들의 스택으로 구성된 전극 구조가 배터리 장치(7)에 이용되는 비수성 전해질 배터리에 적용가능하다.
예컨데, 도 14에 도시되는 바와 같이, 그러한 배터리 장치(7)는 4개의 전극 시트(23)를 가지고, 각각의 전극 시트에서 네거티브 컬렉터(12) 및 네거티브 활성 재료층(13)을 갖는 네거티브 전극(14)이 겔형 전해질층(15)을 통해 포지티브 컬렉터(16) 및 포지티브 활성 재료층(17)을 갖는 포지티브 전극(18)상에 스택된다. 이러한 배터리 장치(7)에서, 4개의 전극 시트(23)은 스택되고, 하나의 전극 시트(23)의 네거티브 전극(14)이 상기 대응하는 턴백된(turned back) 전극 시트 (23)의 네거티브 전극(14)과 접촉하고 하나의 전극 시트(23)의 포지티브 전극(18)이 상기 대응하는 턴백된 전극 시트(23)의 포지티브 전극(18)과 접촉하도록 교대로 방향이 바뀐다. 상기 배터리 장치(7)에서, 도 15에 도시되는 바와 같이, 네거티브 전극들(14)로부터 확장한 네거티브 전극 리드 접속부들(19)은 서로 오버랩되고, 네거티브 전극 리드(9)는 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부들(19)의 최외각의 것(도면에서 최상부의 하나)에 결합된다. 네거티브 전극 금속편(20)은 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부(19)의 최외각의 것(도면에서 최상부의 하나)과 네거티브 전극 리드(9)간의 결합부의 대략 중심 영역에 대응하는 위치에서 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부들(19) 중, 네거티브 전극 리드(9)가 결합된 면에 위치된, 가장바깥쪽의 하나(도면에서 최하의 하나)에 오버랩되어 결합된다. 이러한 방법으로, 네거티브 전극 금속편(20)은 복수의 네거티브 전극 리드 접속부들(19)이 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 금속편(20) 사이에 붙어있는 그러한 방법으로 복수의 네거티브 전극 리드 접속부들(19) 중 가장바깥쪽의 하나와 결합된다.
네거티브 전극(14)와 유사하게, 복수의 포지티브 전극 리드 접속부들(21)이 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 금속편(22) 사이에 붙어있는 그러한 방법으로 포지티브 전극 금속편(22)이 복수의 포지티브 전극 리드 접속부들(21)에 결합될 수 있다.
상술한 바와 같이, 서로 오버랩된 복수의 리드 접속부들 중 가장바깥쪽의 하나에 리드가 결합되고 리드와 오버랩된 리드 접속부들 간의 결합부와 대응하는 위치에서 금속편이 복수의 리드 접속부들 중 대향한 가장바깥쪽의 하나에 결합되기 때문에, 리드와 복수의 리드 접속부들 간의 결합은 그 사이의 접속 상태를 상당히 강화시키도록 금속편에 의해 보강될 수 있다. 결과적으로, 리드와 복수의 리드 접속부들 간의 결합력을 향상시키고, 리드와 복수의 리드 접속부들 간의 결합부의 전기 저항을 감소시키므로, 배터리의 방전 부하 특성을 향상시킬수 있다.
상기 실시예에서, 금속편은 리드와 금속편 사이에 복수의 리드 접속부들이 붙어있는 그러한 방법으로 복수의 리드 접속부들에 결합된다; 그러나, 본 발명은 거기에 제한되지 않는다. 예컨대, 도 8에 도시되는 바와 같이, 각각의 금속편들이 오버랩된 리드 접속부들 중 서로 인접한 2개의 리드 접속부간에 붙어있는 그러한 방법으로 복수의 금속편들이 배열될 수 있다. 또한, 도 9에 도시되는 바와 같이, 오버랩된 리드 접속부들 중 서로 인접한 임의의 2개의 리드 접속부들 사이에 붙어있는 그러한 방법으로 하나의 금속편이 배열될 수 있다. 금속편의 수가 자유롭게 선택될 수 있고 하나 이상의 금속편들이 리드와 리드 접속부들 간의 전기적 접속 및 그 사이의 충분한 결합력이 하나 이상의 금속편들의 배열에 의해 확보될 수 있는 한 임의의 위치 또는 임의의 위치들로 배열될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
상기 구조를 갖는 전극을 이용하여 비수성 전해질 배터리는 다음과 같이 제조된다:
미가공 네거티브 전극은 네거티브 활성 재료 및 접합제를 함유하는 네거티브 혼합물로 네거티브 컬렉터(12)로서 구리막과 같은 금속막을 코팅하고, 네거티브 컬렉터(12)상에 네거티브 활성 재료층(13)을 형성하도록 네거티브 혼합물을 건조하여 제조된다. 미가공 네거티브 전극은 네거티브 전극(14)을 형성하도록 원하는 형태로 절단된다. 네거티브 혼합물의 접합재로서, 공지된 접합재가 이용될 수 있고, 또한 공지된 첨가물들이 네거티브 혼합물에 첨가될 수 있다. 또한, 네거티브 활성 재료층(13)은 캐스트 코팅(cast coating) 또는 소결을 이용하여 형성될 수 있다.
미가공 포지티브 전극은 포지티브 활성 재료 및 접합재를 함유하는 포지티브 혼합물로 포지티브 컬렉터(16)로서 구리막과 같은 금속막을 코팅하고 포지티브 컬렉터(16)상에 포지티브 활성 재료층(17)을 형성하기 위해 포지티브 혼합물을 건조시킴으로서 제조된다. 미가공 포지티브 전극은 포지티브 전극(18)을 형성하도록 원하는 형태로 절단된다. 포지티브 혼합물의 접합재로서, 공지된 접합재가 이용될 수 있고, 다른 공지된 첨가물이 포지티브 혼합물에 부가될 수 있다. 또한, 포지티브 활성 재료층(17)은 캐스트 코팅(cast coating) 또는 소결을 이용하여 형성될 수 있다.
네거티브 전극(14)은 활성층이 형성되지 않은, 네거티브 컬렉터(12)를 확장하여 배열된, 네거티브 전극 리드 접속부(19)를 가지고, 포지티브 전극(18)은 활성 재료층이 형성되지 않은, 포지티브 컬렉터(16)을 확장하여 형성된, 포지티브 전극 리드 접속부(21)을 가진다. 리드 접속부는 컬렉터의 확장부상의 활성 재료층의 형성을 제거하거나, 컬렉터와 그것으로부터의 확장부 모두에 활성 재료층을 형성하고, 상기 컬렉터의 확장부상에 형성된 활성 재료층을 제거하여 형성될 수 있다.
겔형 전해질층(15)은 다음의 방법으로 포지티브 전극(18)상의 포지티브 활성 재료층(17)에 형성된다. 먼저, 비수성 전해질 용액는 비수성 용매내의 전해질 소금을 용해하여 준비된다. 겔형 전해질 용액을 획득하기 위해, 매트릭스 중합체가 비수성 전해질 용액에 부가되고 교반하여 용해된다.
포지티브 활성 재료층(17)은 특정 양의 전해질 용액으로 코팅되고 매트릭스 중합체를 겔이 되도록 실온에 놓아둔다. 이러한 방법으로, 겔형 전해질층(15)은 포지티브 활성 재료층(17)상에 형성된다.
포지티브 전극(18) 및 네거티브 전극(14)은 포지티브 전극 리드 접속부(21)가 네거티브 전극 리드 접속부(19)에 오버랩되지 않는 방법으로 겔형 전해질층 (15)를 통해 각각 라미네이트되고 압력을 받는다(pressed).
배터리 장치(7)를 제조하도록, 네거티브 전극 리드(9)는 네거티브 전극 리드 접속부(19)에 접속되고 포지티브 전극 리드(10)는 포지티브 전극 리드 접속부(21)에 접속된다.
통상적으로 니켈로 이루어진 네거티브 전극 리드(9)와 통상적으로 니켈로 이루어진 네거티브 전극 금속편(20)은 네거티브 활성 재료층(13)이 형성되지 않은, 네거티브 컬렉터(12)의 확장으로 형성된 네거티브 전극 리드 접속부(19)에 오버랩되어 결합된다. 통상적으로 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 리드(10)와 통상적으로 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 금속편(22)은 포지티브 활성 재료층(17)이 형성되지 않은, 포지티브 컬렉터(16)의 확장으로 형성된 포지티브 전극 리드 접속부(21)에 오버랩되어 결합된다.
특히, 네거티브 전극 리드(9)와 네거티브 전극 리드 접속부(19)에 대한 네거티브 전극 금속편(20)의 결합, 및 포지티브 전극 리드(10)와 포지티브 전극 리드 접속부(21)에 대한 포지티브 전극 금속편(22)의 결합이 바람직하게는 초음파 용접에 의해 실행된다. 이것은 리드와 리드 접속부간의 접속 상태가 그 사이에 결합부의 파손 또는 컷아웃(cutout)의 발생없이 상당히 바람직하게 하는데 효과적이다.
마지막으로, 배터리 장치(7)는 절연 재료로 이루어진 라미네이트 시트상에 배열되고, 봉합제(11)는 포지티브 전극 리드(10)가 라미네이트 시트에 오버랩될 위치 및 네거티브 전극 리드(9)가 라미네이트 시트에 오버랩될 위치에 배치된다. 그 후에, 라미네이트 시트는 라미네이트 시트의 봉합부에서 포지티브 전극 리드(10) 및 네거티브 전극 리드(9)를 붙어있게 하고, 라미네이트 시트로 구성된 외부 케이스(8)에 배터리 장치(7)을 포함하도록, 라미네이트 시트의 3면 S1, S2, 및 S3의 열봉합에 의해 수행되되고, 2개로 접힌다. 배터리 장치(7)가 외부 케이스(8)에 포함된 상태에서, 배터리 장치(7)는 열처리에 영향받기 쉽다. 이러한 방법으로, 비수성 전해질 배터리가 획득된다.
본 실시예에 따라 상술한 비수성 전해질 배터리에서, 배터리 장치(7)는 하나의 네거티브 전극(14) 및 하나의 포지티브 전극(18)의 스택을 포함하는 구조를 가진다; 하지만, 본 발명은 거기에 제한되지 않고, 도 14 및 15에 도시되는 바와 같이, 배터리 장치(7)가 네거티브 전극(14) 및 포지티브 전극(18)이 서로 스택된 각각 복수의 전극 시트의 스택을 포함하는 구조를 갖는 비수성 전해질 배터리에 적용가능할 수 있다.
비수성 전해질 배터리가 이와같이 제조될 때, 금속편이 리드 및 리드 접속부간의 결합부에 오버랩되어 결합되기때문에, 리드와 리드 접속부간의 접속 상태는 그사이의 결합력을 개선하고 그사이의 전기 저항을 감소시키는 것이 상당히 바람직하게 될 수 있다. 특히, 각각의 제어기, 즉, 리드 접속부 및 리드가 금속 박막으로 형성될지라도, 리드와 금속편은 컷아웃, 파손, 및 막 부족의 발생없이 초음파 용접 에 의해 리드 접속부에 확실히 결합될 수 있다.
본 실시예의 비수성 전해질 배터리에서, 겔형 전해질이 이용된다; 그러나, 본 발명은 거기에 제한되지 않는다. 예컨데, 비수성 용매 또는 고체 전해질내의 전해질 소금을 용해함으로써 획득된 전해질 용액을 용해함으로써 획득된 전해질 용액이 이용될 수 있다. 또한, 분리기가 그사이의 물리적 접속을 방지하도록 네거티브 전극(14)과 포지티브 전극(18)사이에 삽입될 수 있다. 분리기로서, 이러한 유형의 비수성 전해질 배터리의 분리기에 이용된 공지된 재료가 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 비수성 전해질 배터리의 형태는 특별히 제한되지 않고 원통형, 정방형, 동전형 등으로부터 적절히 선택될 수 있고, 그 크기는 얇은 크기, 큰 크기 등으로부터 적절히 선택될 수 있다. 또한, 본 발명은 1차 배터리 및 2차 배터리 모두에 적용가능하다.
본 발명은 아래의 예를 통해 좀더 명확하게 이해될 것이다.
[실시예 1]
네거티브 전극 시트는 다음의 방법으로 제조된다.
네거티브 혼합물은 네거티브 활성 재료로서 파쇄된 흑연 분말의 90 중량비와 접합제로서 폴리(vinylidene fluororide-co-hexafluoropropylene; 비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)의 10 중량비를 혼합하여 준비된다. 네거티브 혼합물은 슬러리(slurry)로 만들기 위해 N-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrolidone)으로 분산된다. 네거티브 컬렉터로 10㎛의 두께를 갖는 스트립형 구리막의 하나의 표면은 네거티브 혼합물의 슬러리로 코팅되고, 네거티브 혼합물은 롤 프레스(roll press)에 의해 네거티브 컬렉터상에 건조되어 압축되며, 네거티브 활성 재료층이 네거티브 컬렉터상에 형성된다. 이와 같이, 네거티브 전극 시트가 제조된다. 부가적으로, 네거티브 활성 재료층이 형성되지 않은, 네거티브 컬렉터의 확장은 네거티브 전극 리드 접속부로 취해진다.
포지티브 전극 시트는 다음의 방법으로 제조된다.
포지티브 활성 재료로 LiCoO2를 획득하도록, 리튬 카보네이트 및 코발트 카보네이트는 0.5 몰(mol) : 1 몰의 혼합 비율로 혼합되고, 5시간동안 900oC로 공기중에서 소결된다. 포지티브 혼합물은 이와 같이 획득된 포지티브 활성 재료로서 LiCoO2의 90 중량비, 도전제로서 흑연의 6 중량비, 및 접합재로서 폴리(vinylindene fluororide-co-hexafluoropropylene)의 4 중량비를 혼합하여 준비된다. 포지티브 혼합물은 슬러리로 만들도록 N-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrolidone)으로 분포된다. 포지티브 컬렉터로서 20㎛의 두께를 갖는 알루미늄막의 하나의 표면은 포지티브 혼합물의 슬러리로 코팅되고, 포지티브 혼합물은 롤 프레스에 의해 포지티브 컬렉터에 건조되어 압축되어 포지티브 활성 재료층이 포지티브 컬렉터에 형성된다. 이와 같이, 포지티브 전극 시트가 형성된다. 부가적으로, 포지티브 활성 재료층이 형성되지 않은 포지티브 컬렉터의 확장부는 포지티브 전극 리드 접속부로 취해진다.
겔형 전해질이 다음 방식으로 제조되었다.
상기 네거티브 전극 시트와 상기 포지티브 전극 시트가 용액으로 코팅되었는데, 상기 용액은 42.5 중량비의 에틸렌 카르보네이트, 42.5 중량비의 프로필렌 카르보네이트, 및 15 중량비의 LiPF6를 포함하는 30 중량비의 가소제, 10 중량비의 폴리(vinylidene fluororide-co-hexafluoropropylene), 및 60 중량비의, 거기에 침투될, 디메틸 카르보네이트를 혼합하고 용해시켜서 얻어지며, 상기 전극 시트들은 증발에 의해 사기 데메틸을 제거하기 위해 상온에서 8시간동안 놓여졌다. 상기 네거티브 전극 시트 및 상기 포지티브 전극 시트는 그래서 상기 겔형 전해질로 코팅되었다.
상기 겔형 전해질로 코팅된 상기 네거티브 전극 시트와 상기 포지티브 전극 시트의 겔형 전해질 측면들은 라미네이트(laminate)되고 서로 압축되었다. 상기 방식으로, 5 cm × 8 cm 의 면적과 0.3 mm의 두께를 가진 평면(flat)-형식의 전극 시트가 제조되었다.
리드(lead) 및 금속편이 다음 방식으로 각각의 리드 접속부에 결합되었다.
니켈로 이루어진 네거티브 전극 리드는 도 3에 도시된 바와같이 상기 전극 시트의 네거티브 전극 접속부에 오버랩되었고, 니켈로 이루어진 금속편은 상기 네거티브 전극 리드이 결합된 표면에 대향하여 상기 네거티브 전극 리드 접속부의 표면에 오버랩되었고, 그 방식은 상기 금속편의 중심이 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부사이의 결합된 부분의 중심에 대응하는 위치에 위치하도록 오버랩되었으며; 상기 네거티브 전극 리드과 상기 네거티브 전극 리드 접속부에 오버랩된 금속편들이 거기서 초음파 용접에 의해 결합되었다. 상기 네거티브 전극 리드은 20 mm의 길이, 5 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 금속편은 4 mm의 길이, 4 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부분사이의 접점 면적은 5 mm × 5 mm 로 설정되었다.
알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극은 상기 전극 시트의 포지티브 전극 접속부에 오버랩되었고, 도 3에 도시된 바와같이, 알루미늄으로 이루어진 금속편이 상기 포지티브 전극 리드가 결합된 표면에 대향하여 상기 포지티브 전극 리드 접속부의 표면에 오버랩되었고, 그 방식은 상기 금속편의 중심이 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부사이의 결합된 부분의 중심에 대응하는 위치에 위치하도록 오버랩되었으며; 상기 포지티브 전극 리드 접속부에 오버랩된 금속편들과 상기 포지티브 전극 리드가 거기서 초음파 용접에 의해 결합되었다. 상기 포지티브 전극 리드는 20 mm의 길이, 5 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 금속편은 4 mm의 길이, 4 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부분사이의 접점 면적은 5 mm × 5 mm 로 설정되었다.
마지막으로, 하나의 라미네이트 시트가 2개로 포개지고, 상기 리드들이 상기 리드 접속부들에 결합된 배터리 장치가 상기 포개진 라미네이트 시트의 3개의 측면들의 열-봉인(heat-seal)에 의해 형성된 바깥쪽 케이스내에 봉인되었고, 상기 네거티브 전극 리드 및 상기 포지티브 전극 리드들은 상기 바깥쪽 케이스의 바깥쪽으로 추출된다. 배터리가 그래서 제조되었다.
[실시예 2]
배터리가, 실시예 2의 네거티브 전극 금속편 및 포지티브 전극 금속편의 각 각의 모양이 실시예 1의 것과 다르다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
니켈로 이루어진 네거티브 전극 리드 및 네거티브 전극 금속편이 네거티브 전극 리드 접속부에 오버랩되었는데 그 방식은 상기 금속편의 부분이 도 5에 도시된 바와같이 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부사이의 결합된 부분으로부터 돌출하는 것이며, 상기 네거티브 전극 리드 및 네거티브 전극 금속편은 그다음에 거기에 초음파 용접에 의해 결합되었다. 유사하게, 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 리드 및 포지티브 전극 금속편이 포지티브 전극 리드 접속부에 오버랩되었고, 그방식은 상기 금속편의 부분이 도 5에 도시된 바와같이 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부사이의 결합된 부분으로부터 돌출하는 것이며, 상기 포지티브 전극 리드 및 포지티브 전극 금속편은 그다음에 거기에 초음파 용접에 의해 결합되었다.
상기 네거티브 전극 금속편 및 상기 포지티브 전극 금속편의 각각은 2 mm의 길이, 8 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1 의 것과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략된다.
[실시예 3]
배터리는, 실시예 3의 네거티브 전극 금속편과 포지티브 전극 금속편의 각각의 모양이 실시예 1의 것과 다르다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
니켈로 이루어진 네거티브 전극 리드와 네거티브 전극 금속편이 네거티브 전극 리드 접속부에 오버랩되었고, 그 방식은 상기 금속편이 도 6에 도시된 바와같이 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부분사이의 결합된 부분을 덮도록 하는 것이며, 상기 네거티브 전극 리드와 네거티브 전극 금속편은 그다음에 거기에 초음파 용접에 의해 결합되었다. 유사하게, 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 리드와 포지티브 전극 금속편이 포지티브 전극 리드 접속부에 오버랩되었고, 그 방식은 상기 금속편이 도 6에 도시된 바와같이 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부분사이의 결합된 부분을 덮도록 하는 것이며, 상기 포지티브 전극 리드와 포지티브 전극 금속편은 그다음에 거기에 초음파 용접에 의해 결합되었다.
상기 네거티브 전극 금속편과 상기 포지티브 전극 금속편의 각각은 6 mm의 길이, 6 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1의 것과 동일하며, 그러므로, 상기 오버랩된 서술을 생략된다.
[실시예 4]
그 각각의 내에 네거티브 전극 시트, 겔형 전해질, 및 포지티브 전극 시트가 스택(stacked)된, 전극 시트들이 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방식으로 준비되었다.
상기 전극 시트들의 4개의 조각들은, 하나의 전극 시트의 네거티브 전극이 대응하는 턴-백된(turned-back) 전극 시트의 네거티브 전극과 접촉하고 하나의 전 극 시트의 포지티브 전극이 대응하는 턴-백된 전극 시트의 포지티브 전극과 접촉하도록 교대로 턴백되는 동안, 스택되었다.
배터리 장치는 다음 방식으로 상기 스택된 전극 시트들의 리드 접속부들에 리드들을 결합하여 제조되었다.
상기 네거티브 전극 시트들로부터 확장하는 상기 네거티브 전극 리드 접속부들은 서로 오버랩되었다. 니켈로 이루어진 상기 네거티브 전극 리드가 상기 네거티브 전극 리드 접속부들중 최외각의 것에 오버랩되었다. 그다음에, 도 7에 도시된 바와같이, 네거티브 전극 금속편이, 상기 네거티브 전극 리드가 오버랩된 면에 대향된, 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 리드 접속부사이의 오버랩된 부분의 근사적인 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부중 상기 최외각의 것에 오버랩되었다. 상기 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부, 상기 네거티브 전극 리드, 및 상기 네거티브 전극 금속편이 초음파 용접에의해 서로 결합되었다. 상기 네거티브 전극 리드는 20 mm의 길이, 5 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 금속편은 4 mm의 길이, 4 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부분사이의 접점 면적은 5 mm × 5 mm 로 설정되었다.
상기 포지티브 전극 시트로부터 확장하는 상기 포지티브 전극 리드 접속부들은 서로 오버랩되었다. 니켈로 이루어진 상기 포지티브 전극 리드는 상기 포지티브 전극 리드 접속부중 최외각의 것에 오버랩되었다. 그다음에, 도 7에 도시된 바와같이, 포지티브 전극 금속편이, 상기 포지티브 전극 리드가 오버랩된 측면에 대향된, 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부사이의 오버랩된 부분의 근사적인 중심 영역에 대응하는 위치에 상기 오버랩된 포지티브 전극 리드 접속부중 최외각의 것에 오버랩되었다. 상기 오버랩된 포지티브 전극 리드 접속부, 상기 포지티브 전극 리드, 및 상기 포지티브 전극 금속편이 초음파 용접에의해 서로 결합되었다. 상기 포지티브 전극 리드는 20 mm의 길이, 5 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 금속편은 4 mm의 길이, 4 mm의 폭, 및 0.05 mm의 두께를 가졌다. 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부분사이의 접점 면적은 5 mm × 5 mm 로 설정되었다.
마지막으로, 하나의 라미네이트 시트가 2개로 포개지고, 상기 리드들이 상기 리드 접속부들에 결합된 배터리 장치가 상기 라미네이트 시트의 3개의 측면들의 열-봉인(heat-seal)에 의해 형성된 바깥쪽 케이스내에 봉인되었고, 상기 네거티브 전극 리드 및 상기 포지티브 전극 리드들은 상기 바깥쪽 케이스의 바깥쪽으로 추출되었다. 배터리가 그래서 제조되었다.
[실시예 5]
배터리가, 복수의 네거티브 전극 금속편들 및 복수의 포지티브 전극 금속편들이 이용되었다는 것을 제외하면, 실시예 4에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
4개의 전극 시트들의 스택이 실시예 4에 기술된 것과 동일한 방식으로 준비되었다.
배터리 장치는 다음 방식으로 상기 스택된 전극 시트들의 리드 접속부들에 리드들을 결합하여 제조되었다.
상기 네거티브 전극 시트들로부터 확장하는 상기 네거티브 전극 리드 접속부들이 서로 오버랩되었다. 니켈로 이루어진 상기 네거티브 전극 리드는 상기 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부들중 최외각의 것에 오버랩되었다. 그다음에, 도 8에 도시된 바와같이, 4개의 네거티브 전극 금속편들의 각각은, 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부들사이의 상기 오버랩된 부분의 근사적인 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 네거티브 전극 리드 접속부들중, 서로 인접하는, 2개사이에서 붙어있었다. 상기 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부들, 상기 네거티브 전극 리드, 및 상기 금속편들은 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 포지티브 전극 시트로부터 확장하는 상기 포지티브 전극 리드 접속부들은 서로 오버랩되었다. 니켈로 이루어진 상기 포지티브 전극 리드는 상기 오버랩된 포지티브 전극 리드 접속부들중 최외각의 것에 오버랩되었다. 그다음에, 도 8에 도시된 바와같이, 4개의 포지티브 전극 금속편들의 각각은, 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부들사이의 오버랩된 부분의 근사적인 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 포지티브 전극 리드 접속부들중, 서로 인접하는, 2개사이에서 붙어있었다. 상기 오버랩된 포지티브 전극 리드 접속부들, 상기 포지티브 전극 리드, 및 상기 금속편들이 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 4의 것과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[실시예 6]
배터리가, 네거티브 전극 금속편 및 포지티브 전극 금속편의 각각이 실시예 4의 것과 다른 위치에서 결합되었다는 것을 제외하면, 실시예 4에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
4개의 전극 시트들의 스택이 실시예 4에 기술된 것과 동일한 방식으로 준비되었다.
배터리 장치는 다음 방식으로 상기 스택된 전극 시트들의 리드 접속부들에 리드들을 결합하여 제조되었다.
상기 네거티브 전극 시트로부터 확장하는 상기 네거티브 전극 리드 접속부들이 서로 오버랩되었다. 니켈로 이루어진 상기 네거티브 전극 리드는 상기 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부들중 최외각의 것에 오버랩되었다. 도 9에 도시된 바와같이, 네거티브 전극 금속편은, 상기 네거티브 전극 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부들사이의 상기 오버랩된 부분의 근사적인 중심 영역에 대응하는 위치에서 상기 네거티브 전극 리드 접속부들중, 서로 인접하는, 임의의 2개사이에서 붙어있었다. 상기 오버랩된 네거티브 전극 리드 접속부들, 상기 네거티브 전극 리드, 및 상기 금속편들은 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 포지티브 전극 시트들로부터 확장하는 상기 포지티브 전극 리드 접속부들은 서로 오버랩되었다. 니켈로 이루어진 상기 포지티브 전극 리드는 상기 오버랩된 포지티브 전극 리드 접속부들중 최외각의 것에 오버랩되었다. 도 9에 도시된 바와같이, 네거티브 전극 금속편은, 상기 포지티브 전극 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부들사이의 오버랩된 부분의 근사적인 중심 영역에 대응하는 위치에서 상 기 포지티브 전극 리드 접속부들중, 서로 인접하는, 임의의 2개사이에서 붙어있었다. 상기 오버랩된 포지티브 전극 리드 접속부들, 상기 포지티브 전극 리드, 및 상기 금속편들이 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 4의 것과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[실시예 7]
배터리가, 네거티브 전극 금속편이 구리로 이루어졌다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
네거티브 전극 리드 접속부, 네거티브 전극 리드, 및 구리로 이루어진 네거티브 전극 금속조각이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다. 포지티브 전극 리드 접속부, 포지티브 전극 리드, 및 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 금속편이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고, 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[실시예 8]
배터리가, 실시예 1의 포지티브 전극 금속편이 이용되지 않았다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
네거티브 전극 리드 접속부, 네거티브 전극 리드, 및 니켈로 이루어진 네거티브 전극 금속조각이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다. 포지티브 전극 리드 접속부와 포지티브 전극 리드가 도 15에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고, 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[실시예 9]
배터리가, 네거티브 전극 금속편 및 포지티브 전극 금속편의 각각의 두께가 실시예 1의 것과 다르다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
네거티브 전극 리드 접속부, 네거티브 전극 리드, 및 니켈로 이루어진 네거티브 전극 금속조각이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다. 포지티브 전극 리드 접속부, 포지티브 전극 리드, 및 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 금속편이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고, 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 네거티브 전극 금속편 및 상기 포지티브 전극 금속편의 각각은 4 mm의 길이, 4 mm의 폭, 및 0.03 mm의 두께를 가졌다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[실시예 10]
배터리가, 네거티브 전극 금속편 및 포지티브 전극 금속편의 각각의 두께가 실시예 1의 것과 다르다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
네거티브 전극 리드 접속부, 네거티브 전극 리드, 및 니켈로 이루어진 네거티브 전극 금속조각이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다. 포지티브 전극 리드 접속부, 포지티브 전극 리드, 및 알루미늄으로 이루어진 포지티브 전극 금속편이 도 3에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고, 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 네거티브 전극 금속편 및 상기 포지티브 전극 금속편의 각각은 4 mm의 길이, 4 mm의 폭, 및 0.015 mm의 두께를 가졌다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[비교 실시예 1]
배터리가, 실시예 1에 이용된 네거티브 전극 금속편 및 포지티브 전극 금속편이 이용되지 않았다는 것을 제외하면, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
네거티브 전극 접속부와 네거티브 전극 리드는 도 1에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다. 포지티브 전극 접속부과 포지티브 전극 리드가 도 1에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고, 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 1의 것과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
[비교 실시예 2]
배터리가, 실시예 4에 이용된 네거티브 전극 금속편 및 포지티브 전극 금속편이 이용되지 않았다는 것을 제외하면, 실시예 4에 기술된 것과 동일한 절차로 제조되었다.
네거티브 전극 리드와 복수의 네거티브 전극 접속부들은 도 2에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다. 포지티브 전극 리드와 복수의 포지티브 전극 접속부들은 도 2에 도시된 바와같이 서로 오버랩되었고, 초음파 용접에 의해 서로 결합되었다.
상기 절차의 다른 단계들은 실시예 4의 것과 동일하며, 그래서 상기 오버랩된 서술은 생략되었다.
실시예 1 내지 실시예 10과 비교 실시예 1과 비교 실시예 2에서 제조된 각각의 배터리에 대해서, 상기 리드와 상기 네거티브 전극 리드 접속부사이 및 상기 리드와 상기 포지티브 전극 리드 접속부사이의 결합된 부분들의 직류 저항 및 결합 강도와, 배터리 부하 특성들이 측정되었다.
(1) 직류 저항
단일 전극의 경우에, 상기 리드와 상기 리드 접속부사이의 결합된 부분의 직류 저항은, 상기 리드에 대향된, 상기 리드의 팁(tip)과 상기 단말부 사이의 상기 전극의 부분의 직류 저항의 측정치으로부터 상기 리드 접속부을 배제한 전극의 저항과 상기 리드의 저항을 빼서 얻어졌다. 복수의 전극들의 경우에, 상기 리드로부터 가장 멀리 분리된 전극이 선택되고, 상기 리드와 상기 리드 접속부사이의 결합된 부분의 직류 저항은, 상기 리드에 대향된, 상기 리드의 팁과 상기 단말부사이의 상기 전극의 부분의 직류 저항의 측정치로부터 상기 리드 접속부을 배제한 전극의 저항과 상기 리드의 저항을 빼서 얻어졌다. 상기 결과는 1로 취해진 비교 실시예 1내의 상기 리드 접속부의 직류 저항과의 상대적 비율로서 표현되었다.
(2) 결합 강도
상기 리드와 상기 리드 접속부사이의 결합된 부분의 결합 강도는 대향된 방향으로 상기 리드 및 상기 전극을 당김으로써 측정되었다. 상기 결과는 1로서 취해진 비교 실시예 1내의 결합 강도와의 상대적 비율로 표현되었다.
(3) 배터리 부하 특성
각각의 배터리는 30 시간동안 23 ℃에서 4.2 V의 상한까지 이론적 용량 (capacity)의 10 시간 속도(hour rate)에서 일정한 전류 및 일정한 전압으로 충전되었고, 3 V의 단말 전압까지 각각 10 시간 속도(1/10C) 및 1/3 시간 속도(3C)에서 일정한 전류로 방전되었다. 상기 배터리의 방전 용량은 이렇게 결정되었고, 각각의 시간 비율에서 방전시의 출력은 상기 배터리의 방전 용량으로부터 계산된 평균 전압의 기초에서 결정되었다. 상기 결과는 3C 시간 속도에서의 방전시의 출력과 100으로 취해진 1/10C에서의 방전시의 출력의 비율로 표현되었다.
실시예 1 내지 실시예 10과 비교 실시예 1과 비교 실시예 2에서의, 각각의 배터리들의 상기 금속조각의 크기, 두께, 및 재료, 상기 전극 시트의 수, 및 참조 도면이 표 1에 도시되어 있다.
Figure 112001003982423-pat00001
실시예 1 내지 실시에 10과 비교 실시예 1과 비교 실시예 2에서의 각각의 배터리들의 직류 저항, 결합 강도, 및 배터리 부하 특성을 평가한 결과가 표 2에 도시되어 있다.
Figure 112001003982423-pat00002
표 2에 도시된 결과들로부터 분명한 바와같이, 상기 금속편이 상기 리드와 상기 리드 접속부사이의 결합된 부분에 결합된 실시예 1 내지 실시예 3의 각각에서의 배터리는, 상기 금속편이 상기 리드와 상기 리드 접속부사이의 상기 결합된 부분에 결합되지 않은 비교 실시예 1의 배터리에 대해 결합 강도, 직류 저항, 및 배터리 부하 특성에 있어서 우수하다.
실시예 1 내지 실시예 3의 각각에서의 배터리와 비교 실시예 1에서의 배터리와의 비교에서, 상기 금속편의 이용이 상기 결합 강도와 상기 배터리 부하 특성을 향상시키고 상기 금속편의 모양에 관계없이 상기 직류 저항을 감소시키는데 효과적이다.
상기 네거티브 전극 금속편이 구리로 이루어진 실시예 7의 배터리에서, 상기 제거티브 전극 측상의 상기 결합 강도와 상기 배터리 부하 특성은 더 향상되며, 상기 직류 저항은 더 감소된다. 결과로서, 상기 컬렉터의 것과 동일한 재료로 이루어진 상기 금속편의 이용이 상기 특성들을 더 향상시키는데 효과적이라는 것이 분명해진다.
상기 포지티브 전극 금속편이 이용되지 않은 실시예 8의 배터리에서, 상기 배터리 부하 특성은 퇴화되지 않는다. 결과로서, 상기 네거티브 리드의 상기 네거티브 리드 접속부으로의 접속을 위한 금속편의 이용이 상기 배터리의 성능을 향상시키는데 특히 효과적이라는 것이 분명해진다.
상기 금속편의 두께가 0.015 mm인 실시예 10의 배터리에서, 상기 금속편의 두께가 0.03 mm인 실시예 9의 배터리와 비교하여, 상기 결합 강도와 상기 배터리 부하 특성은 퇴화되고 상기 직류 저항은 증가한다. 결과로서, 상기 금속편의 두께는 0.03 mm또는 그이상의 범위에 있는 것이 바람직하다는 것이 분명해진다.
실시예 4 내지 실시예 6의 각각에서의 배터리와 비교 실시예 2의 배터리를 비교하면, 복수의 전극 시트들을 서로 스택할 경우에, 상기 금속편 또는 금속편들의 이용은 상기 결합 강도와 상기 배터리 부하 특성을 향상시키고, 상기 금속편들의 수와 상기 금속편 또는 금속편들의 결합된 위치 또는 결합된 위치들에 관계없이 상기 직류 저항을 감소시키는데 효과적이라는 것이 분명해진다.
본 발명의 양호한 실시예가 특정 용어를 이용하여 기술되었지만, 상기 기술은 단지 예시적인 목적을 위한 것이며, 다음 청구항의 정신과 범위를 벗어나지 않고 변화와 변형이 이루어 질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
리드와 리드 접속부간의 접점 영역이 작을지라도, 상기 리드와 상기 리드 접속부간의 결합부의 강도를 증가시킬 수 있고, 상기 결합부의 전기 저항성을 감소시켜 높은 방전 부하 특성을 보장할 수 있는 전극 및 배터리와, 상기 전극 및 배터리의 제조 방법을 제공한다.

Claims (33)

  1. 전극에 있어서,
    컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 전극 시트;
    리드; 및
    금속편(metal piece)을 포함하고,
    상기 리드 접속부, 상기 리드 및 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합되는, 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속편은 상기 리드 또는 상기 컬렉터의 재료와 동일한 종류의 재료로 이루어지는, 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속편의 두께는 0.03 ㎜ 이상인, 전극.
  4. 전극에 있어서,
    각각이 컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 복수의 전극 시트들을 갖는 전극 시트 세트;
    리드; 및
    금속편을 포함하고,
    상기 복수의 전극 시트들의 상기 리드 접속부들, 상기 리드 및 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합되는, 전극.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속편은 상기 리드 또는 상기 컬렉터의 재료와 동일한 종류의 재료로 이루어지는, 전극.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속편의 두께는 0.03 ㎜ 이상인, 전극.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속편은 복수의 금속편들로 대체되는, 전극.
  8. 네거티브 전극, 포지티브 전극 및 전해질을 포함하는 배터리에 있어서,
    상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는,
    컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 전극 시트;
    리드; 및
    금속편을 포함하고,
    상기 리드 접속부, 상기 리드 및 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합되는, 배터리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속편은 상기 리드 또는 상기 컬렉터의 재료와 동일한 종류의 재료로 이루어지는, 배터리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속편의 두께는 0.03 ㎜ 이상인, 배터리.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 네거티브 전극은, 리튬(lithium)이 도핑되거나 방출될 수 있는 재료를 포함하는, 배터리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    리튬이 도핑되거나 방출될 수 있는 상기 재료는 탄소 재료인, 배터리.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 포지티브 전극은 리튬과 전이 금속(transition metal)의 복합 산화물을 포함하는, 배터리.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질은 비수성 용매(nonaqueous solvent)에서 용해되는, 배터리.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질은 매트릭스 고중합체(matrix high polymer)에서 분산되는, 배터리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 매트릭스 고중합체는 가소제(plasticizer)에 의해 겔화되는, 배터리.
  17. 네거티브 전극, 포지티브 전극 및 전해질을 포함하는 배터리에 있어서,
    상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는,
    각각이 컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 복수의 전극 시트들을 갖는 전극 시트 세트;
    리드; 및
    금속편을 포함하고,
    상기 복수의 전극 시트들의 상기 리드 접속부들, 상기 리드 및 상기 금속편은 서로 오버랩되어 결합되는, 배터리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속편은 상기 리드 또는 상기 컬렉터의 재료와 동일한 종류의 재료로 이루어지는, 배터리.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속편의 두께는 0.03 ㎜ 이상인, 배터리.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 네거티브 전극은 리튬이 도핑되거나 방출될 수 있는 재료를 포함하는, 배터리.
  21. 제 20 항에 있어서,
    리튬이 도핑되거나 방출될 수 있는 상기 재료는 탄소 재료인, 배터리.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 포지티브 전극은 리튬과 전이 금속의 복합 산화물을 포함하는, 배터리.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 전해질은 비수성 용매에서 용해되는, 배터리.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 전해질은 매트릭스 고중합체에서 분산되는, 배터리.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 매트릭스 고중합체는 가소제에 의해 겔화되는, 배터리.
  26. 컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 전극 시트, 및
    리드를 포함하는, 전극을 제조하는 방법으로서,
    상기 리드 접속부, 상기 리드 및 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는 금속편 결합 단계를 포함하는, 전극 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 금속편 결합 단계는 초음파 용접(ultrasonic welding)을 이용함으로써 수행되는, 전극 제조 방법.
  28. 각각이 컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 복수의 전극 시트들을 갖는 전극 시트 세트, 및
    리드를 포함하는 전극을 제조하는 방법으로서,
    상기 리드 접속부, 상기 리드 및 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는 금속편 결합 단계를 포함하는, 전극 제조 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 금속편 결합 단계는 초음파 용접을 이용함으로써 수행되는, 전극 제조 방법.
  30. 네거티브 전극, 포지티브 전극 및 전해질을 포함하는 배터리 제조 방법에 있어서,
    상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는,
    컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 전극 시트; 및
    리드를 포함하며,
    상기 리드 접속부, 상기 리드 및 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는 금속편 결합 단계를 포함하는, 배터리 제조 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 금속편 결합 단계는 초음파 용접을 이용함으로써 수행되는, 배터리 제조 방법.
  32. 네거티브 전극, 포지티브 전극 및 전해질을 포함하는 배터리 제조 방법에 있어서,
    상기 네거티브 전극과 상기 포지티브 전극 중 적어도 하나는,
    각각이 컬렉터, 상기 컬렉터 상에 형성된 활성 재료층 및 상기 컬렉터의 노출된 확장부로서 구성된 리드 접속부를 가지며, 상기 확장부의 양 표면들 위에는 상기 활성 재료층이 형성되지 않는, 복수의 전극 시트들을 포함하는 전극 시트 세트; 및
    리드를 포함하며,
    상기 리드 접속부, 상기 리드 및 금속편이 서로 오버랩되어 결합되는 금속편 결합 단계를 포함하는, 배터리 제조 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 금속편 결합 단계는 초음파 용접을 이용함으로써 수행되는, 배터리 제조 방법.
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