KR100954031B1 - 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

서로 다른 극성의 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진 전극 적층체가 권취되어 젤리롤 형태로 이루어지는 전극 조립체에서, 두 전극에 형성되는 전극 탭을 젤리롤의 외주측에 나란히 형성하여 동일한 수준을 이루도록 함을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지가 개시된다. 이때, 본 발명 이차 전지의 전극 조립체는 타원형 혹은 트랙형의 젤리롤로 형성되어 전극 조립체가 수용될 홈을 한쪽으로만 형성한 파우치에서 사용되는 것이 바람직하며, 전극 탭은 베어셀 내측 공간에서 절곡되지 않고 직선 형태를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전극 탭에 의한 베어셀 내부에서의 단락 가능성을 줄이고, 탭에 겹치는 전극판 부분에 권취에 의한 압력이 집중되어 전지 용량이 떨어지는 것을 방지하며, 베어 셀 내에 무효 공간을 줄일 수 있다.

Description

젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지{Secondary battery having jelly roll type electrode assembly}
도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 젤리롤형 전극 조립체에서 전극 탭의 형성 위치를 나타내는 평면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성되는 파우치형 베어 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 파우치 상부 11: 내측 폴리머막
13: 금속 포일 20: 파우치 하부
21: 홈 23: 플랜지
30: 전극 조립체
31: 양극판 33: 세퍼레이터
35: 음극판 37,38 탭
39: 필름 100: 파우치
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 전극과 이들 전극을 이격하여 절연시키는 세퍼레이터(separator)를 구비하여 이루어지는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 이동형 전자 기기의 전원으로서 많이 개발되고 사용되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 이차 전지 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
이들 이차 전지에서 베어 셀(bare cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 용기에 넣고 밀봉하여 이루어진다. 용기로는 파우치가 사용될 수 있고, 철, 알미늄 또는 알미늄 합금 등의 금속 캔이 사용될 수 있다. 전해질로는 완전 고체형 폴리머, 전해액을 함침시킨 겔형 폴리머, 용매에 전해질이 이온 형태로 포함되는 액상 전해질 등이 사용될 수 있다.
밀봉된 베어 셀(bare cell)은 PTC 소자(positive temperature coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들과 연결된 상태로 별도의 케이스에 수납되거나, 성형수지에 의해 간극이 채워지거나 피복되어 완성된 외관을 가지게 된다.
한편, 이차 전지의 제조에 있어서 작은 부피와 무게를 가진 전지에 많은 전 기를 축적시키는 것은 가장 중요한 목표가 되며, 단위 시간당 전력량 즉, 전력을 크게 하는 것도 전지의 이용분야에 따라 중요한 문제가 된다. 전력을 확대시키기 위해서는 전해질에 닿는 전극 활물질의 면적을 늘릴 필요가 있다. 통상, 활물질의 표면적을 늘이기 위해, 그리고 전력량에 기여하는 활물질 비율을 높이기 위해 활물질은 전극판에 넓게 코팅된다.
활물질이 코팅된 전극판은 이차 전지를 작은 부피로 형성하기 위해 통상, 롤 형태로 권취된다. 경우에 따라서, 다수의 전극판을 극성에 따라 번갈아 적층하고, 이 적층된 상태를 '젤리롤(jelly roll)'이라 통칭하며 같은 극성의 전극판을 전기적으로 함께 연결함으로써 전지의 두 전극을 형성할 수도 있다. 이때 다른 극성의 전극과 전극 사이는 세퍼레이터가 개재되어 내부 단락을 방지한다.
도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도1을 참조하면, 파우치는 가운데 부분이 절곡되어 전극 조립체가 수용될 홈이 형성되는 파우치의 하부(20)와 홈을 덮게되는 파우치 상부(10)를 형성한다. 파우치막은 중간층 금속 포일(13) 상하층에 열접착성 CPP(casted polypropylene)(11), 나일론 등을 적층하여 형성한다.
통상의 전극 조립체(30)는 음극판(31), 세퍼레이터(33), 양극판(35)이 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극판과 음극판의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극판, 가령 양극판 외측에는 세퍼레이터가 덧붙여진다.
전극 조립체(30)의 양극판(31)과 음극판(35)을 파우치 외부와 전기적으로 연결하기 위해 양극판(31) 및 음극판(35)의 일 측에는 전극 탭(37,38)이 형성된다. 이들 전극 탭(37,38)은 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직 방향으로 젤리 롤에서 돌출되고, 파우치막의 밀봉되는 한 변을 통해 파우치를 통과하여 인출된다. 탭이 파우치와 겹치는 부분에는 파우치 밀봉시 탭과 파우치의 접착성을 높이기 위한 필름(39)이 부착된다.
그런데, 통상의 젤리롤에서는 젤리롤 중심부에 전극 탭이 설치된다. 한편, 전극 조립체(30)가 들어가는 홈(21)이 형성된 파우치는 파우치 상하부의 플랜지(23)가 홈(21)의 입구 부분에서 밀봉된다. 따라서, 젤리롤의 중심부에 설치된 전극 탭(37,38)이 밀봉되는 파우치의 외부로 인출되기 위해서는 파우치 홈(21) 내부에서 일부 절곡되어 파우치 플랜지(23)와의 레벨(level)이 조절되어야 한다.
파우치 홈(21) 내부에서 탭(37,38)이 절곡되기 위해서는 탭이 절곡된 부분을 수용할 공간이 필요하다. 이런 공간의 존재는 전지의 소형 고용량화를 어렵게 한다. 또한, 절곡된 부분이 젤리롤을 이루는 전극판 상단부나 혹은 다른 탭과 단락되어 전지에 불량이나 안전상의 문제를 초래할 가능성이 있다.
그리고, 젤리롤 내부에서 탭이 탭의 두께는 0.1mm 내지 0.2mm 정도이나 전지가 박형화 되는 현실에서 탭이 존재하면 탭의 두께로 인하여 탭과 겹치는 전극판 부분에서 활물질 및 세퍼레이터가 압력을 받게 되다. 탭이 전극판과 겹쳐진 곳에서 전극 반응이 원활히 이루어지기 어렵고, 이는 용량의 감소를 초래한다는 문제가 있다.
이런 문제는 주로 파우치에 전극 조립체를 수용할 홈을 가지는 파우치형 전지에서뿐만 아니라 다른 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차 전지에서도 발생될 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 젤리롤형 전극 조립체에서 전극 탭에 의해 베어셀 내부에서 탭과 전극판, 탭과 탭 사이의 단락 가능성을 줄일 수 있는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 젤리롤형 전극 조립체에서 탭에 겹치는 전극판 부분에 권취에 의한 압력이 집중되는 것을 줄여 전극 반응이 전반적으로 원활히 이루어지도록 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 베어 셀 내에 용량과 무관한 공간을 줄여 소형 고용량화된 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지는,
서로 다른 극성의 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진 전극 적층체가 권취되어 젤리롤 형태로 이루어지는 전극 조립체에서, 두 전극에 형성되는 전극 탭을 젤리롤의 외주측에 나란히 형성하여 동일한 수준을 이루도록 함을 특징으로 한다.
본 발명의 이차전지 전극 조립체는 타원형 혹은 트랙형의 젤리롤로 형성되어 캔형 이차 전지 가운데 각형에 사용되거나 전극 조립체가 수용될 홈을 한쪽으로만 형성한 파우치에서 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전극 탭은 베어셀 내측 공간에서 절곡되지 않고 직선 형태를 유지하는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 젤리롤형 전극 조립체에서 전극 탭의 형성 위치를 나타내는 평면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성되는 파우치형 베어 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도2 및 도3을 참조하여 먼저 파우치형 리튬 이차 전지의 일반적 형성 방법을 살펴보면, 우선, 전극 조립체가 수용될 홈이 형성되는 파우치(100)의 하부와 홈을 덮게되는 파우치 상부를 형성한다. 홈은 프레스(press) 가공 등을 통해 형성된다. 홈의 측방에는 이차 전지의 화성공정에서 발생하는 가스를 제거하기 위한 가스방을 위한 홈(미도시)이 더 형성될 수 있다.
통상의 전극 조립체(30)와 같이 세퍼레이터(33'), 양극판(31), 세퍼레이터(33), 음극판(35)을 차례로 적층한 다층막을 형성한 뒤 권취기로 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll)로 형성한다. 젤리롤은 통상 이심률이 큰 타원형으로 형성되며, 타원의 단축방향으로 중앙에서 외부로부터 힘을 주어 트랙형을 이 루게 할 수 있다. 이때 양극판(31)과 음극판(35)의 끝부분 무지부에는 양극 탭(38) 및 음극 탭(37)이 초음파 용접 등의 방법으로 부착되어 있다.
세퍼레이터는 전해질을 겸하는 완전 고체형 폴리머 혹은 전해액이 함침된 겔형 폴리머로 이루어지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터가 겔형 폴리머로 이루어질 때 통상 젤리롤 형태가 이루어진 후에 전극 조립체에 전해액을 공급하여 폴리머에 전해액 함침이 이루어지도록 한다. 통상, 전극판의 단락을 막기 위해 전극판보다 크게 형성된다.
탭(37,38)이 젤리롤과 겹치는 부분 및 탭이 파우치의 용접부, 즉, 플랜지 부분과 겹치는 부분에는 수지 필름(39), 수지 테이프 등이 통상적으로 부착될 수 있다. 통상 이들 부재는 금속으로 이루어진 탭과 접착성이 파우치의 내층에 비해 우수한 열접착성 물질로 이루어진다.
그러나, 본 발명에서 탭은 트랙형 젤리롤의 외주측(최외곽부) 같은 장변에 거의 동일한 수준으로 위치한다. 따라서, 권취된 젤리롤에서 음극판(35), 양극판(31), 세퍼레이터(33,33')가 탭과 겹칩으로써 압력이 가중되어 굴곡진 부분을 이루고, 이 부분에 전해질이 고르게 분포되지 않는 등의 이유로 전극 반응이 적게 일어나는 문제는 상당부분 방지될 수 있다.
도2에서 도시된 실시예에서 전극 조립체가 파우치 홈에 적재될 때 전극 탭이 전극 조립체의 가장 위쪽에 있게 된다. 파우치 밀봉을 위해 형성되는 파우치의 플랜지 부분도 파우치 홈의 가장 위쪽 개구부 주변에 형성되므로 전극 탭의 레벨과 플랜지의 레벨을 거의 같게 된다. 따라서 별도로 전극 탭을 구부리는 가공을 할 필 요가 없이 전극 탭이 직선형으로 뻗어져 융착되는 플랜지 사이에서 파우치 밖으로 인출되도록 한다.
따라서, 밀봉된 파우치 내에 절곡된 전극탭 부분을 위한 공간을 갖출 필요가 없다. 즉, 본 실시예에서 전극 탭(37,38)의 열접착성 필름(39)이 젤리롤의 전극판과 상당 거리 이격된 것으로 표시되나, 실제로 젤리롤과 파우치 홈의 벽체를 이격시킬 필요가 없다. 그리고, 필름을 젤리롤의 전극판에 연결될 정도로 가깝게 설치할 수 있다.
결과적으로, 젤리롤의 상단을 파우치 홈의 탭이 인출되는 쪽 벽체와 접촉되도록 하고, 젤리롤의 하단을 파우치 홈의 탭이 인출되는 반대쪽 벽체와 접촉되도록 할 수 있다. 이 경우, 파우치 내부를 젤리롤이 빈 공간 없이 채우게 되므로 같은 부피에서 더 높은 전지 용량을 확보할 수 있게 된다.
파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에는 도시되지 않은 보호 회로 기판(PCM:protecting circuit moudule)이나 PTC(positive temperature coefficient)같은 부속품 혹은 구조체가 연결, 부착되어 코어 팩(core pack)이 형성된다.
그리고, 코어 팩을 하드 케이스에 내장하여 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다. 하드 케이스는 내측에 별도의 회로나 도체부 없이 폴리프로필렌 수지 등을 이용하여 형성할 수 있으나, 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 하드 케이스 내부에 별도의 부속 회로나 다른 도체부를 가지는 경우가 있다.
한편 도시된 실시예는 전극 조립체를 수용하는 홈을 형성한 파우치에 대한 것이나, 본 발명은 다른 파우치 형태, 각형 캔을 전극 조립체를 수용하는 용기로 사용하는 경우에도 가능할 수 있다.
가령, 각형 플라스틱 케이스을 사용하는 경우, 젤리롤형 전극 조립체는 각형 케이스에 수용되고, 전극 탭은 각형 캔의 개구부를 마감하는 플라스틱 캡 어셈블리의 캡 플레이트의 한 장변과 캔 사이에서 나란히 인출될 수 있다. 이때 탭과 각형 캔 및 탭과 캡 플레이트 사이에는 수지 필름이 개재되지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 젤리롤형 전극 조립체에서 전극 탭에 의해 베어셀 내부에서 탭과 전극판, 탭과 탭 사이의 단락 가능성을 줄일 수 있다.
또한, 젤리롤형 전극 조립체에서 탭에 겹치는 전극판 부분에 권취에 의한 압력이 집중되는 것을 줄여 전극 반응이 전극판에서 전반적으로 원활히 이루어지도록 하여 전기 용량의 실질적 증가를 가져올 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 베어 셀 내에 용량과 무관한 공간을 줄여 소형 고용량화된 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지를 제공할 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 서로 다른 극성의 두 전극 및 상기 두 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진 전극 적층체가 권취되어 젤리롤 형태로 이루어지는 전극 조립체에서,
    상기 두 전극에 형성되는 전극 탭이 젤리롤형 전극 조립체의 외주측에 동일한 수준으로 나란히 형성되고,
    상기 탭이 상기 전극 조립체를 수용하는 용기와 교차하여 인출되는 부분에는 상기 탭과 상기 용기 사이에 수지 필름이 개재되는 것을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 본 발명의 이차전지 전극 조립체는 타원형 혹은 트랙형의 젤리롤로 형성되고,
    상기 전극 조립체를 수용하는 용기는 홈이 형성된 하부를 판형 상부가 덮고 홈 주변의 플랜지 부분을 융착하여 밀봉되는 파우치인 것을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 홈에 상기 탭이 위쪽으로 가도록 내장되고,
    상기 탭은 상기 홈 내부에서 직선 형태로 뻗쳐서 밀봉된 상태의 상기 파우치의 상하부 사이로 외부로 인출됨을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이 차 전지.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 상기 탭이 인출되는 쪽의 상단과 상기 홈을 이루는 상기 파우치 하부의 대응되는 측벽은 직접 접촉되어 공간을 남기지 않도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 파우치는 알미늄 금속 포일 외측에 나일론층 내측에 CPP(Casted Polypropylene)을 적층하여 형성됨을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수지 필름은 상기 파우치의 내층에 비해 금속과의 접착성이 우수한 열접착성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 전해질을 겸하는 완전 고체형 폴리머 또는 전해액이 함침되는 겔형 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 각형 플라스틱 케이스에 수용되고, 상기 탭은 상기 케이스와 플라스틱 캡 어셈블리측의 한 장변 사이에 나란히 형성됨을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가진 이차 전지.
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