KR100888284B1 - 탭-리드 결합부의 전극간 저항차를 최소화한 전극조립체 및이를 포함하고 있는 전기화학 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극 판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들은 하나의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 전극리드-전극 탭 결합부에서의 전극간 저항차를 최소화할 수 있도록, 상기 결합부에서 전극리드의 상면과 하면에 각각 다수의 전극 탭들이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체, 및 그러한 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀을 제공한다.

Description

탭-리드 결합부의 전극간 저항차를 최소화한 전극조립체 및 이를 포함하고 있는 전기화학 셀 {Electrode Assembly Having Tap-Lead Joint Portion of Minimized Resistance Difference between Electrodes and Electrochemical Cell Containing the Same}
도 1은 종래의 스택형 전극조립체의 일반적인 구조에 대한 모식도이다;
도 2a 및 2b는 도 1의 전극조립체에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 부분의 확대도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 부분의 확대도이다;
도 4 내지 6은 이차전지의 제조과정에서, 도 3과 같은 구조로 전극 탭들과 전극리드를 용접하는 예시적인 공정들에 대한 사진들이다.
본 발명은 탭-리드 결합부의 전극간 저항차를 최소화한 전극조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극 판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들은 하나의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 전극리드-전극 탭 결합부에서의 전극간 저항차를 최소화할 수 있도록, 상기 결합부에서 전극리드의 상면과 하면에 각각 다수의 전극 탭들이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체, 및 그러한 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 스택형 전극조립체의 일반적인 구조가 측면도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 스택형 전극조립체(10)는 양극 집전체(21)의 양면에 양극 활물질(22)이 도포되어 있는 양극(20)과 음극 집전체(31)의 양면에 음극 활물질(32)이 도포되어 있는 음극(30)이 분리막(70)을 개재시킨 상태에서 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
양극 집전체(21) 및 음극 집전체(31)의 일측단부에는, 전지의 전극단자를 구성하는 양극 리드(60) 및 음극 리드(도시하지 않음)에 각각 전기적으로 연결되기 위하여, 활물질이 도포되어 있지 않은 다수의 양극 탭(41)들 및 음극 탭(51)들이 돌출되어 있다. 이때, 양극 탭(41)들과 음극 탭(51)들은 밀집된 형태로 결합되어 양극리드(60)와 음극리드에 각각 연결된다. 이러한 구조는, 양극 탭들과 양극리드의 결합부가 부분 확대도로서 모식적으로 도시되어 있는, 도 2a 및 2b에서 더욱 용이하게 확인할 수 있다. 도 2a 및 2b에서는 설명의 편의를 위하여 양극 탭들과 양극리드의 결합구조만을 도시하였지만, 이러한 구조는 음극 탭들과 음극리드의 결합부에서도 적용된다.
이들 도면을 참조하면, 양극 탭들(40)은 화살표 방향으로 밀착되어 양극리드(60)에 연결된다. 양극리드(60)는 일반적으로 용접에 의해 결합되는데, 도 2a에서와 같이, 최상단 양극 탭(41)의 상측면에 위치하거나, 도 2b에서와 같이, 최하단 양극 탭(42)의 하측면에 위치한 상태로 결합될 수 있다.
그러나, 이러한 결합 구조로 인하여, 전극조립체는 전극리드에 대한 전극들의 저항 차이를 유발할 수 있다. 즉, 상기 전극조립체에서는 전극리드를 기준으로 그것에 가장 근거리에 위치하는 전극 탭에서의 전극 저항과 가장 원거리에 위치하는 전극 탭에서의 전극 저항이 서로 다르다. 따라서, 상기와 같은 구조의 전극조립체를 포함하는 중대형 전지팩에서는, 대용량의 전기가 충전 및 방전되므로, 전극간 저항차로 인해 전극들이 불균일하게 작동되거나 열화가 유발될 가능성이 매우 높으며, 궁극적으로 전지의 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전극 탭들과 전극리드가 상기와 같은 구조로 결합될 경우, 결합을 위한 용접이 한쪽 방향에서만 진행되므로, 전극리드에 대한 전극 탭들의 결합력을 저하시키는 문제점도 가지고 있다.
따라서, 전극간 저항차를 최소화하면서 전극 탭-전극리드의 결합력을 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 전극조립체에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 전극간의 저항 차이를 최소화할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극 탭-전극리드의 결합력을 향상시킴으로써, 우수한 신뢰성을 확보할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는 양극/분리막/음극 구조의 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극 판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들은 하나의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 전극리드-전극 탭 결합부에서의 전극간 저항차를 최소화할 수 있도록, 상기 결합부에서 전극리드의 상면과 하면에 각각 다수의 전극 탭들이 결합되어 있는 것을 구성되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전극리드를 중심으로 전극 탭들이 대략 대칭 구조로 결합될 수 있도록, 그것의 상면과 하면에 각각 결합되어 있는 전극 탭들의 수는 대략 동일할 수 있다. 구체적으로, 전극리드의 상면에 A 개의 전극 탭들이 결합될 경우, 전극리드의 하면에는 A 개와 동일한 A 개 또는 그와 비슷한 A' 개의 전극 탭들이 연결될 수 있다.
상기 구조를 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도 3을 참조하면, 전극리드(100)는 그것의 상면(110)에 3 개의 전극 탭들(210)이 위치하고, 그것의 하면(120)에 3 개의 전극 탭들(220)이 위치하는 구조로, 전극 탭들(200)과 결합될 수 있다. 따라서, 결합부위(A)에서 전극 탭들(200)은 전극리드(100)를 중심으로 상면(110)과 하면(120)에서 대칭 구조를 이룬다.
전극리드(100)와 전극 탭들(200)은, 전극 탭들(200) 사이에 전극리드(100)를 삽입한 상태에서 화살표 방향으로 밀착시킨 다음 용접하는 것으로 결합될 수 있으며(도 4 및 6 참조), 전극 탭들(200)을 화살표 방향으로 밀착시킨 상태에서 전극 탭들(200) 사이에 전극리드(100)를 삽입한 다음 용접하는 것으로 결합될 수도 있다(도 5 및 6 참조).
본 발명에서, 상기 전극리드는 전극 탭들을 전기적으로 연결할 수 있는 소재로 이루어진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 금속 플레이트일 수 있다. 그러한 금속 플레이트의 예로는, 알루미늄 플레이트, 구리 플레이트, 니켈 플레이트, 니켈이 코팅된 구리 플레이트, 및 SUS 플레이트 등이 있다.
또한, 상기 전극리드는 전극 탭들과 용이하게 연결될 수 있는 구조라면 특별히 제한되지 않고 다양할 수 있으며, 예를 들어, 수직 단면상으로 직선의 형태를 가지는 구조일 수 있다. 이러한 전극리드는 다양한 방식으로 전극 탭들에 연결될 수 있는 바, 바람직하게는 용접에 의해 더욱 안정적으로 연결될 수 있으며, 그러한 용접은, 예를 들어, 초음파 용접, 레이저 용접, 및 저항 용접 등에 의해 수행될 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀을 제공한다.
상기 전기화학 셀은 전기화학반응을 통해 전기를 제공하는 것으로서, 예를 들어, 전기화학 이차전지 또는 전기화학 캐패시터일 수 있으며, 그 중에서도 리튬 이차전지에서 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 바람직하게는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 밀봉된 상태로 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 이차전지로 칭하기도 한다.
또한, 상기 이차전지는, 다수 개의 전지셀들을 조합하여 고출력 대용량의 전지팩를 제조할 때 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
알루미늄 호일과 구리 호일의 양면에, 리튬을 함유한 양극 활물질과 흑연을 함유한 음극 활물질을 각각 도포한 후, 상기 알루미늄 호일과 구리 호일을, 활물질이 도포되지 않은 전극 탭이 존재하도록 절단하여 양극 판과 음극 판을 각각 제조하였다. 그런 다음, 분리막을 이용하여 상기의 양극 판들과 음극 판들을 순차적으로 적층한 후, 도 3에서와 같이, 양극 탭들의 사이 및 음극 탭들의 사이에 각각 양극리드 및 음극리드를 삽입한 상태에서 용접하여 전극조립체를 완성하였다.
[비교예 1]
도 2b에서와 같이, 양극 탭들의 하측부 및 음극 탭들의 하측부에 양극리드 및 음극리드를 위치시킨 상태에서 용접하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전극조립체를 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전극조립체들에 대해 저항 측정 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 본 실험에서는 각각 20 개의 전극조립체들에 대해 반복적으로 수행하였고, Agilent milli-ohmmeter 측정기계를 사용하여 양극 탭들-양극리드의 결합부위에서의 저항을 각각 측정하였으며, 측정된 실험값들을 저항의 평균값으로 하기 표 1에 나타내었다.
이때, 하기 표 1의 A그룹은 전극조립체의 상부에 위치하는 양극 탭들로서, 실시예 1에서는 양극리드의 상면에 위치하는 양극 탭들이고, 비교예 1에서는 양극리드로부터 원거리에 위치하는 양극 탭들이며, B그룹은 전극조립체의 하부에 위치하는 양극 탭들로서, 실시예 1에서는 양극리드의 하면에 위치하는 양극 탭들이고, 비교예 1에서는 양극리드로부터 근거리에 위치하는 양극 탭들이다.
<표 1>
Figure 112006052376104-pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전극조립체에서는, 양극리드를 기준으로 그것의 상면에 위치하는 양극 탭들의 저항과 하면에 위치 하는 양극 탭들의 저항이 대략 일치하였다. 즉, 모든 양극에서 실질적으로 저항 차이가 유발되지 않았다. 반면에, 비교예 1의 전극조립체에서는 양극리드를 중심으로 근거리에 위치하는 양극 탭들과 원거리에 위치하는 양극 탭들 사이에서 저항 차이를 확인할 수 있었다. 미세한 차이라 하더라도, 상기와 같은 저항 차이는 반복적인 충방전시, 또는 전류량이 많은 고출력 대용량의 전지팩에서 전극 간의 작동 불균일성을 야기시키며, 특히, 장기간 사용시에는 특정 전극에서의 빠른 열화를 초래하므로, 궁극적으로는 전지의 수명 특성을 악화시키는 요인으로 작용한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 전극간의 저항 차이를 최소화할 수 있고, 전극 탭-전극리드의 결합력을 향상시킴으로써, 우수한 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극 판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들은 하나의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 전극리드-전극 탭 결합부에서의 전극간 저항차를 최소화할 수 있도록, 상기 결합부에서 전극리드의 상면과 하면에 각각 다수의 전극 탭들이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극리드를 중심으로 그것의 상면과 하면에 각각 결합되어 있는 전극 탭들의 수는 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극리드는 금속 플레이트인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 플레이트는 알루미늄 플레이트, 구리 플레이트, 니켈 플레이트, 니켈이 코팅된 구리 플레이트, 및 SUS 플레이트 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극리드는 수직 단면상으로 직선의 형태를 가지며, 용접에 의해 전극 탭들과 결합되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 전기화학 셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 이차전지 또는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 이차전지는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 밀봉된 상태로 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 이차전지는 고출력 대용량의 전지팩에 사용되는 단위전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
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