KR101136254B1 - 이차전지 - Google Patents

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KR101136254B1
KR101136254B1 KR1020100047292A KR20100047292A KR101136254B1 KR 101136254 B1 KR101136254 B1 KR 101136254B1 KR 1020100047292 A KR1020100047292 A KR 1020100047292A KR 20100047292 A KR20100047292 A KR 20100047292A KR 101136254 B1 KR101136254 B1 KR 101136254B1
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Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 전극 조립체; 전해액; 상기 전극 조립체의 외부 표면 적어도 일부에 부착된 유동방지 테이프; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하며, 상기 유동방지 테이프는 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함하며, 상기 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스의 내부 표면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 이차전지 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

이차전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 양극판과 음극판 및 이들 두 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성된 전극 조립체를 전해액과 함께 케이스에 수납하여 형성된다. 상기 이차전지는 케이스의 형상에 따라 원통형, 각형 및 파우치형으로 분류될 수 있다.
케이스에 수납된 전극 조립체는 외부 진동 또는 충격에 의해 케이스 내부에서 쉽게 회전하여 유동하는 경우가 자주 발생한다. 이러한 유동은 전지의 내부저항을 증가시키고, 전극 조립체에 마련된 전극탭을 손상시킬 수 있기 때문에, 개선이 요구된다.
본 발명은 케이스 내부에서 전극 조립체가 유동하는 것을 억제할 수 있는 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 양상에 따른 이차전지는 전극 조립체; 전해액; 상기 전극 조립체의 외부 표면 적어도 일부에 부착된 유동방지 테이프; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하며, 상기 유동방지 테이프는 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함하며, 상기 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스의 내부 표면에 접촉하는 것을 특징으로 한다.
상기 유동방지 테이프는 상기 기재층의 배면에 형성되어 상기 전극 조립체의 외부 표면에 접촉하는 점착층을 포함할 수 있다.
상기 기재층은 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 수축되면서 점착성을 나타내는 것일 수 있다.
상기 기재층은 OPS(oriented polystyrene) 필름인 것이 바람직하다.
상기 전극 조립체는 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 적층한 다음 권취하여 형성되고, 상기 전극 조립체는 상기 세퍼레이터의 권취 말단이 위치하는 최외측 마감부를 포함할 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체의 최외측 마감부를 포함하여 부착될 수 있다.
상기 전극 조립체의 최외측 마감부에는 유동방지 테이프가 부착될 수 있다.
상기 전해액은 카보네이트계 용매를 포함하며, 상기 카보네이트계 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 디프로필 카보네이트(DPC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 카보네이트계 용매를 포함할 수 있다. 상기 전해액은 상기 카보네이트계 용매를 10 내지 60중량% 포함할 수 있다.
상기 기재층은 10 내지 50㎛ 범위의 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체 외부 표면 전체를 감쌀 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체 외부 표면의 둘레 길이를 1로 기준했을 때 적어도 0.5의 길이만큼 감싸인 것일 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체의 외부 표면의 둘레 길이를 1로 기준했을 때 0.5보다는 크고 1보다는 작은 길이만큼 감싸인 것일 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 전극 조립체 외부 표면의 상단부 및 하단부를 제외한 부분에 감싸인 것일 수 있다.
상기 유동방지 테이프의 폭은 전극 조립체 폭의 적어도 20%인 것일 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 점착층상에 순차적으로 형성된 보조기재층과 보조점착층을 더 포함할 수 있다.
상기 유동방지 테이프는 전해액과 접촉 후의 점착력이 적어도 1kgf/㎠인 것일 수 있다.
상기 케이스는 원통형, 각형 또는 파우치형일 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 이차전지는 전극 조립체; 전해액; 상기 전극 조립체의 외부 표면 적어도 일부에 부착된 유동방지 테이프; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하며, 상기 유동방지 테이프는 전극 조립체의 외부 표면에 접촉하는 점착층과 상기 점착층 상에 형성되어 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함하며, 상기 점착성을 나타내는 기재층은 그 표면이 불규칙하게 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 점착성을 나타내는 기재층은 제1영역 및 제2영역을 포함하며, 상기 제1영역은 상기 제2영역보다 두꺼우며, 상기 제1영역은 케이스의 내부 표면에 접촉하는 것일 수 있다.
상기한 본 발명의 이차전지에 따르면, 전극 조립체의 외부 표면에 부착된 유동방지 테이프의 기재층이 전해액과 접촉하는 경우 표면이 불규칙하게 변화되면서 기재층의 적어도 일부가 점착성을 나타낸다. 이때 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스의 내면과 접촉하게 되면서 전극 조립체가 케이스 내부에서 유동하는 것을 억제하여 주는 효과가 있다. 즉, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체와 케이스 사이가 점착력에 의해 견고하게 고정됨에 따라 전극 조립체가 케이스 내부에서 유동되는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체를 포함하는 원통형 이차전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3은 도2에 도시한 원통형 이차전지의 결합 종단면도이다.
도 4는 도2에 도시한 원통형 이차전지의 결합 횡단면도이다.
도 5는 도2에 도시한 원통형 이차전지에 전해액이 주입되기 이전의 형태를 개략적으로 나타낸 결합 횡단면도이다.
도 6은 도 2에 도시한 원통형 이차전지에 전해액이 주입된 이후의 형태를 개략적으로 나타낸 결합 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에 사용되는 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 사용되는 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 사용되는 유동방지 테이프의 단면도이다.
도 10은 도 9의 유동방지 테이프가 적용된 이차전지에 전해액이 주입된 이후의 형태를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체를 포함하는 각형 이차전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체를 포함하는 파우치형 이차전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체를 포함하는 원통형 이차전지를 설명하기 위한 분해 사시도이며, 도3은 도2에 도시한 원통형 이차전지의 결합 종단면도이고, 도4는 도2에 도시한 원통형 이차전지의 결합 횡단면도이며, 도 5는 도 2에 도시한 원통형 이차전지에 전해액이 주입되기 이전의 형태를 개략적으로 나타낸 결합 횡단면도이고, 도 6은 도 2에 도시한 원통형 이차전지에 전해액이 주입된 이후의 형태를 개략적으로 나타낸 결합 횡단면도이다.
도1 내지 도6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(100)는 케이스(110), 전극 조립체(120), 유동방지 테이프(130), 상부 절연부재(140), 하부 절연부재(150), 가스켓(160) 및 캡 조립체(170)를 구비한다.
상기 케이스(110)는 이차전지의 형태에 따라서 원통형이거나 각형 또는 파우치형일 수 있다. 본 실시예에서는 상기 이차전지가 원통형인 경우에 대해 설명하고, 다른 실시예에서 이차전지가 각형 또는 파우치형인 경우를 설명하기로 한다.
상기 케이스(110)는 원통형상으로서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경량의 도전성 금속재질로 이루어지며, 딥 드로잉(deep drawing) 등과 같은 가공방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 케이스(110)는 전극 조립체(120)의 형상에 따라 다른 형태를 가질 수 있다.
상기 케이스(110)는 원형의 바닥판(112)과, 상기 바닥판(112)의 가장자리로부터 연장된 원통형의 측벽(113)을 구비한다. 상기 측벽(113)의 상부에는 외주를 따라 내부로 굴곡된 비딩부(111)가 형성된다. 상기 비딩부(111)는 상부 절연부재(140), 전극 조립체(120) 및 하부 절연부재(150)가 케이스(110)의 내부에서 바닥판(112)에 수직인 방향으로 유동하는 것을 막아준다. 상기 측벽(113)의 상단에는 크림핑(crimping)부가 형성된다. 상기 크림핑부(116)는 케이스(110)와 캡 조립체(170) 사이를 밀폐시킨다. 상기 측벽(113)의 상부에는 케이스(110)의 내부로 하부 절연부재(150), 전극 조립체(120), 상부 절연부재(140), 가스켓(160) 및 캡 조립체(170)가 차례대로 삽입되도록 하기 위한 개구부(114)가 형성된다.
상기 전극 조립체(120)는 제1전극판(121), 제2전극판(122), 세퍼레이터(123)를 포함한다. 상기 세퍼레이터(123)는 제1세퍼레이터(123a) 및 제2세퍼레이터(123b)를 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(120)는 제1전극판(121), 제1세퍼레이터(123a), 제2전극판(122) 및 제2세퍼레이터(123b)를 순차적으로 적층한 상태에서 원통형으로 권취하여 형성된다.
상기 전극 조립체(120)는 제1전극탭(127a)과 제2전극탭(127b)을 더 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(120)로부터 상기 제1전극탭(127a)과 제2전극탭(127b)이 인출되는 경계부에는 상기 제1전극판(121)과 제2전극판(122) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(도면에 도시하지 않음)가 형성될 수 있다.
상기 제1전극판(121) 및 제2전극판(122) 중 어느 하나, 예를 들면 상기 제1전극판(121)은 양극판으로 사용되고, 다른 하나 예를 들면 상기 제2전극판(122)은 음극판으로 사용될 수 있다. 그러나 상기 제2전극판(122)이 양극판이고, 제1전극판(121)이 음극판일 수도 있다. 이하에서는 제1전극판(121)이 양극판이고 제2전극판(122)이 음극판인 것으로 설명한다.
상세히 도시되지는 않았으나, 양극판인 제1전극판(121)은 양극집전체와, 상기 양극집전체의 적어도 일면에 코팅된 양극활물질물층을 구비한다.
상기 양극집전체는 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 양극 집전체의 재료를 한정하는 것은 아니다.
상기 양극활물질층은 양극활물질과 도전재 및 바인더의 혼합물을 양극집전체의 적어도 일면에 코팅하여 형성된다. 상기 양극활물질은 일반적으로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 그러나 본 발명이 이러한 양극활물질의재료를 한정하는 것은 아니다.
제1전극판(121)의 권취방향의 일부 또는 양단부 중 적어도 한곳에는 양극활물질층이 코팅되지 않은 제1무지부가 형성된다. 상기 제1무지부에는 양극탭이 되는 제1전극탭(127a)이 용접과 같은 방식에 의해 결합되어 전극 조립체(120)로부터 외부로 인출되게 형성된다.
상세히 도시되지는 않았으나, 음극판인 제2전극판(122)은 음극집전체와 상기 음극집전체의 적어도 일면에 코팅된 음극활물질물층을 구비한다.
상기 음극집전체는 도전성이 우수한 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 음극 집전체의 재료를 한정하는 것은 아니다.
상기 음극활물질층은 음극활물질과 도전재 및 바인더의 혼합물을 양극집전체으리 적어도 일면에 코팅하여 형성된다. 상기 음극활물질은 일반적으로 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 질산화물 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 그러나 본 발명이 이러한 음극활물질의 재료를 한정하는 것은 아니다.
제2전극판(122)의 권취방향 일부 또는 양단부 중 적어도 한곳에는 양극활물질층이 코팅되지 않은 제2무지부가 형성된다. 상기 제2무지부에는 음극탭이 되는 제2전극탭(127b)이 용접과 같은 방식에 의해 결합되어, 전극 조립체(120)로부터 외부로 인출되게 형성된다.
상기 제2전극탭(127b)은 케이스(110)의 바닥판(112)과 용접과 같은 방식에 의해 결합될 수 있다. 그에 따라, 케이스(110)는 음극 극성을 갖게 되며, 특히 케이스(110)의 바닥판(112)은 원통형 이차전지(100)의 음극단자로 이용된다.
상기 세퍼레이터(123)는 제1전극판(121)과 제2전극판(122)을 서로 분리시킨다. 상기 세퍼레이터(123)는 제1세퍼레이터(123a) 및 제2세퍼레이터(123b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2세퍼레이터에(123a, 123b)는 미세기공이 형성되고, 그 미세기공을 통해 리튬 이온이 통과된다. 상기 제1 및 제2세퍼레이터(123a, 123b)는 폴리 에틸렌(PE) 또는 폴리 프로필렌(PP)와 같은 고분자 수지로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이러한 세퍼레이터(123)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)의 외부 표면 적어도 일부에 부착된다. 즉, 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)와 케이스(110) 사이에 위치하게 된다. 상기 유동방지 테이프(130)는 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층(131)을 포함한다. 상기 기재층(131)이 전해액과 접촉하여 적어도 일부가 점착성을 나타내면 상기 점착성을 나타내는 기재층(131)의 적어도 일부는 케이스(110)의 내부 표면에 접촉하여 전극 조립체(120)가 내부에서 유동되는 것을 방지하게 된다.
바람직하게 상기 유동방지 테이프(130)는 기재층(131)과, 상기 기재층(131)의 배면에 형성된 점착층(132)을 포함할 수 있다.
상기 기재층(131)은 전해액과의 접촉에 의해 적어도 일부가 용융되어 부분적으로 점착성을 갖는 고분자 필름으로 이루어진다. 즉, 상기 고분자 필름은 전해액과의 접촉시 전해액 중 카보네이트계 용매가 고분자와 고분자 사이에 침투하여 필름의 적어도 일부를 용융시켜 점착성을 갖는 필름이다. 예를 들어 상기 고분자 필름은 전해액과 접촉하면 전해액 중 카보네이트계 용매가 고분자와 고분자 사이에 침투하면서 필름의 적어도 일부를 용융시키고, 그에 따라 상기 고분자는 필름 제조과정에서 부여된 방향성을 잃으면서 수축되고, 그 수축된 부분은 점착성을 가질 수 있다. 여기서 방향성이라 함은 수지를 이용하여 필름을 제조하는 과정에서 가해지는 1축연신, 2축연신 또는 압축을 포함한다.
상기한 바와 같이 기재층(131)의 적어도 일부가 점착성을 나타낼 때 상기 점착성을 갖는 기재층(131)은 그 표면이 불규칙하게 형성된다. 즉, 상기 점착성을 갖는 기재층(131)의 적어도 일부는 적어도 다른 부분에 비하여 더 두껍게 형성된다. 다른 부분에 비하여 더 두껍게 형성된 부분은 케이스(110)의 내면에 접촉된다. 그에 따라 상기 점착성을 갖는 기재층(131)에서 부분적으로 두께가 증가한 부분들은 전극 조립체(120)와 케이스(110)의 내부 표면 사이가 점착력에 의하여 견고하게 고정될 수 있도록 도와준다. 따라서 전극 조립체(120)가 케이스(110) 내부에서 유동되는 것이 방지된다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 점착성을 갖는 기재층(131)은 제1영역 및 제2영역을 포함하며, 상기 제1영역은 상기 제2영역보다 두꺼우며, 상기 제1영역은 케이스(110)의 내부 표면에 접촉하는 것일 수 있다. 이때 케이스(110) 내부 표면에 접촉하는 제1영역은 점착성을 나타내고 있으므로, 전극 조립체(120)는 케이스(110) 내부 표면과 소정의 점착력에 의해 견고하게 고정된다. 그에 따라 본 발명에 따른 원통형 이차전지(100)는 전극 조립체(120)는 케이스(110) 내부에서 유동하지 않는다.
상기 고분자 필름은 전해액과의 접촉에 의하여 점착성을 갖는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직하게는 고분자간의 거리가 넓어 전해액 중 카보네이트계 용매의 침투가 용이한 폴리스틸렌(PS), 폴리아미드, 폴리아크릴로 나이트릴, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌비닐아세테이트 필름이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 고분자 필름으로 PS 필름이 사용되는 것이 좋으며, 특히 바람직하게는 OPS필름이 좋다.
상기 기재층(131)은 전지의 규격에 따라 가변적으로 변형될 수 있으므로 반드시 제한되지는 않는다. 그러나 상기 기재층(131)은 10 내지 50㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기재층(131)의 두께가 10㎛ 미만일 경우 전극 조립체(120)의 유동성 방지 효과가 떨어지는 문제점이 있으며, 상기 기재층(131)의 두께가 50㎛를 초과할 경우 내부 전해액의 주입량이 그 만큼 줄어들어 충분한 용량확보가 어렵다는 단점이 있다.
상기 점착층(132)은 기재층(131) 배면에 도포되어 형성되며, 권취된 전극 조립체(120)의 외부 표면에 접촉된다.
상기 점착층(132)은 일반적으로 사용되는 점착제라면 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 점착층(132)은 아크릴계 점착제를 기재층(131)에 도포하여 형성된 것일 수 있다. 상기 아크릴계 점착제는 PMMA(poly methyl methacrylate), PEMA(poly ethyl methacrylate) 또는 PBMA(poly butyl methacrylate)에서 선택된 것이 사용될 수 있다.
상기 점착층(132)은 상기 기재층(131)상에 다양한 공지의 방법에 의해 다양한 두께로 코팅될 수 있다. 예를 들어 상기 점착층(132)은 점착제를 나이프 코팅에 의해 1 내지 30㎛의 두께로 코팅될 수 있다.
상기 유동방지 테이프(130)는 전극 조립체(120)의 외부 표면의 폭(권취방향과 수직방향) 전체를 둘러싸도록 부착될 수도 있다. 그러나 바람직하게는 상기 유동방지 테이프(130)는 전극 조립체(120)의 외주면 중 상단부(120b)와 하단부(120c)의 일부를 제외한 부분에 부착될 수 있다. 상기 상단부(120b)는 케이스(110)와 전극 조립체(120) 사이로 전해액이 스며들 수 있는 공간으로 작용하게 되는 부분이며, 상기 하단부(120c)는 케이스(110) 바닥에 주입되어 있는 전해액이 전극 조립체(120)와 접하게 되는 부분이다. 따라서, 전극 조립체(120)에 함침되는 전해액의 함침성을 고려한다면 상기 전극 조립체(120)의 상단부(120b)와 하단부(120c) 일부에는 유동방지 테이프(130)가 부착되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 유동방지 테이프(130)의 폭을 한정하는 것은 아니지만, 상기 유동방지 테이프(130)의 폭은 상기 전극 조립체(120)의 폭에 대하여 20% 이상인 것이 바람직하다. 상기 유동방지 테이프(130)의 폭이 상기 전극 조립체(120)의 폭에 대하여 20% 미만일 경우 전극 조립체(120)의 유동을 막는 역할이 충분히 구현되지 않는다는 단점이 있다.
상기 유동방지 테이프(130)는 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이를 일부만 덮도록 부착하는 것이 좋다. 특히 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120) 외부 표면의 둘레 길이를 1로 기준했을 때 적어도 0.5의 길이만큼 감싸인 것이 좋다. 바람직하게는 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이를 1로 기준했을 때 0.5보다는 크고 1보다는 작은 길이만큼 감싸인 것이 좋다. 이와 같이 유동방지 테이프(130)를 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이에 대하여 소정의 범위만큼 덮도록 부착하는 경우 유동방지 효과를 높이면서 테이프의 절감효과를 얻을 수 있다.
전술한 전극 조립체(120)는 세퍼레이터의 권취 말단이 위치하는 최외측 마감부(120a)가 포함되는데, 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)를 포함하여 부착된 것일 수 있다. 이 경우 상기 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)를 실링하기 위한 별도의 실링 테이프가 구비되지 않아도, 상기 유동방지 테이프(130)가 실링 테이프의 역할을 병행함에 따라 전극 조립체(120)가 풀어지는 것을 방지한다. 즉, 상기 전극 조립체(120)는 외주면에 상기 제2세퍼레이터의 최외측 단부가 위치하는 최외측 마감부(120a)를 포함하며, 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 최외측 마감부(120a)를 포함하여 상기 전극 조립체(120)의 외주면을 둘러싸도록 부착되어 상기 전극 조립체(120)가 풀어지는 것을 방지하게 된다.
상기 유동방지 테이프(130)는 전술한 바와 같이 상기 기재층(131)이 전해액과의 접촉에 의해 점착성을 나타내는데, 본 발명에 따르면 상기 유동방지 테이프(130)는 전해액과 접촉 후 1kgf/㎠ 이상의 점착력을 나타내는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 5kgf/㎠의 점착력을 갖는 것이 바람직하다. 유동방지 테이프(130)가 전해액과 접촉 후 상기와 같은 점착력을 가지면 전극 조립체(120)가 케이스(110)내부에서 유동되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
상기 상부 절연부재(140)는 전극 조립체(120)와 케이스(110)의 비딩부(111)의 사이의 절연을 위해 대략 원판형태로 형성된다.
상기 하부 절연부재(150)는 상기 전극 조립체(120)와 케이스(110)의 바닥판(112) 사이의 절연을 위해 대략 원판형태로 형성된다.
상기 캡 조립체(170)는 크림핑부(116)와 비딩부(111) 사이에 위치한다. 상기 캡 조립체(170)는 당해분야에서 일반적으로 적용되는 것이 본 발명에서도 제한 없이 적용될 수 있다. 일예로 상기 전극 조립체(120)로부터 멀어지는 방향을 따라 안전벤트(171)와, 전류차단기(172)와, PTC(Positive Temperature Coefficient)(173) 및 캡업(174)이 순서대로 위치할 수 있다.
상기 안전벤트(171)는 제1전극탭과 전류차단기(172)를 전기적으로 연결시킨다. 상기 안전벤트(171)의 중앙부는 전극 조립체(120)쪽으로 볼록하게 돌출되어 제1전극탭과 전기 접속되는 돌출부(171a)를 가지고 있다. 상기 돌출부(171a)는 이차전지(100)의 내압이 기준압력을 넘을 경우 반대방향으로 반전된다.
상기 전류차단기(CID: Current Interrupt Device)(172)는 안전벤트(171)와 PTC(173)를 전기적으로 연결시킨다. 전류차단기(172)는 이차전지(100)의 내압상승에 따른 안전벤트(171)의 돌출부(171a)의 반전에 의해 파단되어, 안전벤트(171)와 PTC(173) 사이의 전기적 연결을 차단시킨다.
상기 PTC(173)는 온도가 상승하면 전기저항이 급격하게 상승하는 소자이다. PTC(173)는 전류차단기(172)와 캡업을 전기적으로 연결시킨다. 상기 PTC(173)는 전지의 과열시 전기저항이 급격히 상승하여 전류의 흐름을 차단한다.
상기 캡업(174)은 PTC(173)와 전기적으로 연결되며 외부에 노출된다. 상기 캡업(174)은 원통형 이차전지(100)에서 양극단자로서 작용한다.
상기 캡 조립체(170)는 가스켓(160)에 의해 케이스(110)와 절연된다. 상기 가스켓(160)은 캡 조립체(170)의 외주를 감싸며, 케이스(110)의 내부에서 비딩부(111)와 크림핑부(116)에 의해 고정된다.
도면에 도시된 캡 조립체(170)는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 예에 불과한 것으로 다양한 구조에 의해 형성될 수 있다. 특히 당업자라면 도면에 도시된 캡 조립체(170)의 구조를 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다
본 발명에 따른 이차전지(100)는 전해액을 포함한다.
상기 전해액은 카보네이트계 용매를 포함할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등을 예시할 수 있다. 상기 예시된 카보네이트계 용매 중에서도 DMC, DEC 및 DPC로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 카보네이트계 용매는 폴리스틸렌과 같이 고분자간의 거리가 있는 형태의 고분자 사이에 용이하게 침투할 수 있다. 따라서 상기한 카보네이트계 용매가 유동방지 테이프(130)에 접촉시 기재층(131)의 고분자 사이로 침투하여 기재층(131)이 용이하게 점착성을 갖도록 도와준다.
상기 전해액 중 카보네이트계 용매는 전해액 전체 함량에 대하여 중량분율로 10~60중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 카보네이트계 용매가 전해액 전체 함량에 10중량% 미만으로 포함되는 경우 기재층(131)을 형성하는 고분자 필름의 고분자 사이로 용이하게 상기 카보네이트계 용매가 침투되지 못하여 점착성이 떨어져 전극 조립체(120)의 유동 방지효율이 저하되는 단점이 있다. 또한 상기 카보네이트계 용매가 전해액 전체 함량에 60중량% 초과로 포함될 경우 더 이상 증진된 유동 방지효과를 얻기 어려우므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 전해액에는 상기한 카보네이트계 용매 이외의 당해분야에서 일반적으로 사용되는 성분들이 포함될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전해액은 카보네이트계 용매, 특히 DMC, DEC 또는 DPC를 포함하는 전해액이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에 사용되는 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동방지 테이프(130)가 구비된 전극 조립체(120)는 유동방지 테이프(130)가 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이 전체에 부착된다.
이와 같이 유동방지 테이프(130)가 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이 전체에 부착되는 경우 우수한 유동방지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체(120)는 세퍼레이터의 권취 말단이 위치하는 최외측 마감부(120a)를 포함하는데, 상기와 같이 유동방지 테이프(130)가 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이 전체에 부착됨에 따라 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)를 포함하여 부착된다. 이 경우 별도의 상기 최외측 마감부(120a)를 마감하기 위한 실링 테이프가 구비되지 않아도, 상기 유동방지 테이프(130)가 실링 테이프의 역할을 병행함에 따라 전극 조립체(120)가 풀어지는 것을 방지한다.
상기한 바와 같이 유동방지 테이프(130)가 전극 조립체(120)의 외부 표면의 둘레 길이 전체에 부착되는 것을 제외하고는 상기 전극 조립체(120)와 유동방지 테이프(130)의 각 구성은 전술한 도1 내지 도6에 도시된 실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 사용되는 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동방지 테이프(130)가 구비된 전극 조립체(120)는 세퍼레이터의 권취 말단이 위치하는 최외측 마감부(120a)를 포함하며, 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)의 외부 표면 적어도 일부에 부착되고, 상기 최외측 마감부(120a)에는 실링 테이프(180)가 부착된다.
상기 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)에 부착되는 실링 테이프(180)는 전극 조립체(120)가 풀어지는 것을 방지한다. 즉, 상기 실링 테이프(180)는 상기 최외측 마감부(120a)를 포함하여 상기 전극 조립체(120)의 외주면을 둘러싸도록 부착되어 상기 전극 조립체(120)가 풀어지는 것을 방지하게 된다.
상기 실링 테이프(180)는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것이 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 실링 테이프(180)는 반드시 제한되지는 않지만 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리이미드(PI)와 같은 필름의 저면에 점착제가 도포된 것을 사용할 수 있다. 상기 점착제는 반드시 제한되는 것은 아니지만 아크릴계 점착제 일 수 있으며, 상기 아크릴계 점착제는 PMMA(poly methyl methacrylate), PEMA(poly ethyl methacrylate) 또는 PBMA(poly butyl methacrylate)에서 선택된 것이 사용될 수 있다. 상기 점착제는 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)에 접촉된다.
상기 실링 테이프(180)는 전극 조립체(120)의 풀림이 방지될 수 있는 최소한의 범위내에서 최외측 마감부(120a)를 포함하도록 적절하게 그 폭과 둘레 길이를 조절할 수 있다. 이때, 상기 유동방지 테이프(130)는 상기 실링 테이프(180)를 덮도록 부착되거나 덮지 않도록 부착될 수도 있다. 이는 이차전지를 제조하는 과정에서 용이하게 선택적으로 실시할 수 있는 것이다.
상기 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)를 포함하도록 실링 테이프(180)가 부착되는 것을 제외하고는 상기 전극 조립체(120)와 유동방지 테이프(130)의 각 구성은 전술한 도1 내지 도6에 도시된 실시예에 대한 설명과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 사용되는 유동방지 테이프의 단면도이며, 도 10은 도 9의 유동방지 테이프가 적용된 이차전지에 전해액이 주입된 이후의 형태를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이차전지는 케이스(110) 내부에 수용된 전극 조립체(120)의 외주면을 감싸는 유동방지 테이프(130a)를 구비한다. 상기 유동방지 테이프(130a)를 제외한 나머지 구성은 도1 내지 도6에 도시된 실시예에 대한 설명과 동일하므로, 여기서는 유동방지 테이프(130a)에 대해서만 상세히 설명한다.
상기 유동방지 테이프(130a)는 전극 조립체(120)의 외부 표면에 접촉하는 점착층(132), 상기 점착층(132) 상에 형성되는 보조기재층(133), 상기 보조기재층(133) 상에 형성되는 보조점착층(134) 및 상기 보조점착층(134) 상에 형성되어 전해질과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층(131)을 포함하여 이루어진다.
상기 유동방지 테이프(130a)는 전극 조립체(120)의 외주면과 케이스(110)의 내면 사이에 위치하게 된다. 상기한 구성을 갖는 유동방지 테이프(130a)는 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)를 포함하여 부착되는 것이 바람직하다.
상기 기재층(131)과 점착층(132)은 전술한 도1 내지 도6에서 설명한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 점착층(132) 상에 형성된 보조기재층(133)은 상기 유동방지 테이프(130a)가 전극 조립체(120)의 최외측 마감부(120a)를 포함하여 부착시 기재층(131)이 전해액과 접촉시 형태가 변형되어 전극 조립체(120)가 풀어지는 것을 방지하기 위해 형성된다.
상기 보조기재층(133)은 반드시 제한되지는 않지만 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리이미드(PI)와 같은 물질로 이루어진 필름일 수 있다.
아울러 상기 보조기재층(133)은 10 내지 20㎛의 두께로 형성되는 것이 좋다. 그러나 본 발명이 상기 보조기재층(133)의 두께를 한정하는 것은 아니며, 가변적이 될 수 있음은 당연한 것이다.
상기 보조점착층(134)은 기재층(131)과 보조기재층(133)을 연결하는 역할을 한다. 상기 보조점착층(134)은 상기 점착층(132)과 마찬가지로 아크릴계 점착제가 사용될 수 있으며, 상기 아크릴계 점착제는 PMMA(poly methyl methacrylate), PEMA(poly ethyl methacrylate) 또는 PBMA(poly butyl methacrylate)에서 선택된 것이 사용될 수 있다.
아울러 상기 보조점착층(134)은 전술한 점착층(132)과 마찬가지로 상기 보조기재층(133) 상에 다양한 공지의 방법에 의해 다양한 두께로 코팅될 수 있다. 예를 들어 상기 보조점착층(134)은 점착제를 나이프 코팅에 의해 1 내지 30㎛의 두께로 코팅될 수 있다. 그러나 본 발명이 이러한 점착제의 코팅방법과 코팅두께를 한정하는 것은 아니다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체의 사시도이고, 도 12는 도 11에 도시된 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체를 포함하는 각형 이차전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 각형 이차전지(200)는 대략 각형의 형상을 갖는 케이스(210), 상기 케이스(210)의 내부에 수용되는 전극 조립체(220), 상기 전극 조립체(220)의 외측 표면 적어도 일부에 부착되는 유동방지 테이프(230) 및 상기 케이스(210)의 상부에 결합되는 캡 조립체(240)를 포함한다.
상기 케이스(210)는 대략 사각형상의 금속재 캔으로 이루어지며, 그 자체가 단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.
상기 전극 조립체(220)는 제1전극판(221), 제2전극판(222), 세퍼레이터(223)를 포함한다. 상기 전극 조립체(220)는 제1전극판(221)과 제2전극판(222) 사이에 세퍼레이터(223)를 개재시킨 상태에서 대략 사각 형상으로 권취하여 형성된다.
상기 전극 조립체(220)는 제1전극탭(227a)과 제2전극탭(227b)을 더 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(220)로부터 상기 제1전극탭(227a)과 제2전극탭(227b)이 인출되는 경계부에는 상기 제1전극판(221)과 제2전극판(222) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(도면에 도시하지 않음)가 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체(220)가 대략 사각형상으로 형성되고 전극탭의 인출방향을 제외하고는 상기 전극 조립체(220)의 각 구성은 전술한 원통형 이차전지에서 설명한 바와 같으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 유동방지 테이프(230)는 상기 전극 조립체(220)의 외부 표면 적어도 일부에 부착된다. 즉, 상기 유동방지 테이프(230)는 상기 전극 조립체(220)와 케이스(210) 사이에 위치하게 된다. 상기한 유동방지 테이프(230)에 대한 각층에 대한 설명 및 부착 위치 등은 전술한 원통형 이차전지에서 설명한 바와 같으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이 상기 유동방지 테이프(230)는 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함한다. 상기 기재층이 전해액과 접촉하여 적어도 일부가 점착성을 나타내면 상기 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스(210)의 내부 표면에 접촉하여 전극 조립체(220)가 내부에서 유동되는 것을 방지하게 된다.
상기 캡 조립체(240)는 상기 케이스(210)의 개구부와 대응되는 크기와 형상을 구비한 캡 플레이트(241)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(241)의 중앙부에는 단자 통공(241a)이 형성되어 있으며, 상기 캡 플레이트(241)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공(241b)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(241b)은 마개(241c)와 결합되어 밀폐된다.
상기 단자 통공(241a)에는 전극 단자(242), 예를 들면, 음극 단자가 삽입될 수 있다. 상기 전극 단자(242)의 외부면에는 상기 캡 플레이트(241)와의 전기적 절연을 위한 가스켓(243)이 구비된다. 상기 캡 플레이트(241)의 아랫면에는 절연 플레이트(244)가 배치된다. 상기 절연 플레이트(244) 아래면에는 단자 플레이트(245)가 설치된다.
상기 전극 단자(242)는 상기 가스켓(243)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자 통공(241a)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 전극 단자(242)의 저면부는 상기 절연 플레이트(244)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(245)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡 플레이트(241)의 아랫면에는 상기 제1전극판으로부터 인출된 제1전극탭(227a)이 용접되어 있으며, 상기 전극 단자(242)의 하부에는 상기 제2전극판으로부터 인출된 제2전극탭(227b)이 용접된다.
한편, 상기 전극 조립체(220)의 상면에는 상기 전극 조립체(220)와 캡 조립체(240)를 전기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(220)의 상부를 커버할 수 있는 절연 케이스(246)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(246)는 상기 캡 플레이트(241)의 전해액 주입구(241b)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공(246b)을 구비하여, 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 상기 절연 케이스(246)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
한편, 도면상에는 도시하지 않았으나, 상기 각형 이차전지(200)는 보호 회로 모듈과 상부커버를 구비할 수 있다. 예를 들어 상기 보호 회로 모듈은 상기 전극 조립체(220)의 충ㆍ방전 및 오작동을 제어하기 위한 것으로, 예를 들면, 상기 전극 조립체(220)로부터 과 전류가 흘렀을 때, 상기 과전류를 차단하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 보호 회로 모듈은 일반적으로 다양한 보호 회로를 구비하는 구조로 이루어진다. 아울러 상부커버는 상기 보호회로 모듈을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 보호회로모듈과 상부커버는 당해분야에서 통상의 지식을 가진자라면 용이하게 형성할 수 있는 것이다.
상기한 각형 이차전지(200)의 경우 유동방지 테이프(230)의 기재층이 전해액과 접촉하는 경우 표면이 불규칙하게 변화되면서 기재층의 적어도 일부가 점착성을 나타낸다. 이때 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스(210)의 내면과 접촉하게 되면서 상기 전극 조립체(220)가 케이스(210) 내부에서 유동하는 것을 억제하여 주는 효과가 있다. 즉, 본 발명에 따른 각형 이차전지(200)는 전극 조립체(220)와 케이스(210) 사이가 점착력에 의해 견고하게 고정됨에 따라 전극 조립체(220)가 케이스(210) 내부에서 유동되는 것이 방지된다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동방지 테이프가 구비된 전극 조립체를 포함하는 파우치형 이차전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 13을 참조하면, 파우치형 이차전지(400)는 파우치로 이루어지는 케이스(410)와, 상기 케이스(410)에 수용되는 전극 조립체(420) 및 상기 전극 조립체(420)의 외측 표면 적어도 일부에 부착되는 유동방지 테이프(430)를 포함한다.
상기 케이스(410)는 그 재질이 알루미늄(Al)과 같은 금속재로 이루어진 심부(410a)와, 상기 심부(410a)의 상부면 상에 형성된 열융착층(410b)과, 상기 심부(410a)의 하부면 상에 형성된 절연막(410c)으로 이루어진 것일 수 있다. 상기 열융착층(410b)은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 상기 절연막(410c)은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성되어 있을 수 있으나, 여기서 상기 파우치 케이스(410)의 구조 및 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 케이스(410)는 상기 전극 조립체(420)가 수용되는 공간(411a)을 구비하는 하면(411)과, 상기 공간(411a)이 형성된 하면(411)을 커버하는 상면(412)으로 이루어진다. 또한, 상기 전극 조립체(420)를 수용하기 위한 공간(411a)은 프레스(press) 가공 등을 통하여 형성될 수 있다.
상기 케이스(410)는 상기 하면(411)의 공간(411a)에 전극 조립체(420)를 수용한 후, 상면(412)을 덮고 밀봉하여 접합된다.
상기 전극 조립체(420) 및 유동방지 테이프(430)는 전술한 각형 이차전지에서 설명한 바와 같으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 유동방지 테이프(430)가 부착된 전극 조립체(420)는 상기 케이스(410)에 수납된다. 전극 조립체(420)는 제1전극탭(427a)과 제2전극탭(427b)을 포함하며, 상기 제1전극탭(427a)과 제2전극탭(427b)은 상기 전극 조립체(420)가 상기 케이스(410)에 수납된 후, 소정의 방향으로 소정의 길이만큼 외부로 인출된다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 파우치형 이차전지(400)는 보호 회로 모듈을 더 구비할 수 있다. 상기 보호 회로 모듈은 상기 전극 조립체(420)의 충ㆍ방전 및 오작동을 제어하기 위한 것으로, 예를 들면, 상기 전극 조립체(420)로부터 과 전류가 흘렀을 때, 상기 과전류를 차단하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 보호 회로 모듈은 일반적으로 다양한 보호 회로를 구비하는 구조로 이루어진다. 이때, 상기 보호 회로 모듈은 상기 전극 조립체(420)의 제1전극탭(427a) 및 제2전극탭(427b)과 전기적으로 연결된다.
상기한 파우치형 이차전지(400)의 경우 유동방지 테이프(430)의 기재층이 전해액과 접촉하는 경우 표면이 불규칙하게 변화되면서 기재층의 적어도 일부가 점착성을 나타낸다. 이때 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스(410)의 내면과 접촉하게 되면서 상기 전극 조립체(420)가 케이스(410) 내부에서 유동하는 것을 억제하여 주는 효과가 있다. 즉, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지(400)는 전극 조립체(420)와 케이스(410) 사이가 점착력에 의해 견고하게 고정됨에 따라 전극 조립체(420)가 케이스(410) 내부에서 유동되는 것이 방지된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면 이차전지의 제조방법을 제공한다.
상기 이차전지의 제조방법은 전극 조립체의 외부 표면의 적어도 일부에 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함하는 유동방지 테이프를 부착하고, 케이스에 상기 유동방지 테이프가 부착된 전극 조립체를 삽입하는 전극 조립체 삽입단계; 및 상기 기재층을 전해액에 접촉시켜 기재층의 적어도 일부가 점착성을 나타내도록 하여 상기 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부가 케이스의 내부 표면에 접촉되도록 하는 전해액 주입단계를 포함한다.
이하 첨부된 도1 내지 도6을 참조하여 이차전지의 제조방법의 일 예를 설명하기로 한다. 다만 이하에서 설명되는 이차전지의 제조방법은 원통형 이차전지를 기준으로 하여 설명하나, 각형 및 파우치형 이차전지에도 원용할 수 있음은 당업자에게 용이한 것이다.
상기 원통형 이차전지(100)의 제조방법은 전극 조립체(120) 삽입단계와 전해액 주입단계를 포함한다.
상기 전극 조립체(120) 삽입단계는 전극 조립체(120)의 외부 표면의 적어도 일부에 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층(131)을 포함하는 유동방지 테이프(130)를 부착하고, 케이스(110)에 상기 유동방지 테이프(130)가 부착된 전극 조립체(120)를 삽입하는 단계이다.
여기서, 기재층(131)을 포함하는 유동방지 테이프(130)는 전술한 원통형 이차전지(100)에서 상세하게 명하였으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 유동방지 테이프(130)는 전극 조립체(120)의 외부 표면과 케이스(110)의 내면 사이에 위치하게 된다.
이때, 상기 유동방지 테이프(130)가 부착된 전극 조립체(120)를 케이스(110)에 삽입을 전후해서 그 외의 잔여 이차전지(100) 구성의 일부를 조립할 수 있다.
예를 들어 하부 절연부재(150), 유동방지 테이프(130)가 부착된 전극 조립체(120) 및 상부 절연부재(140)가 아래로부터 순서대로 위치한 상태에서, 전극 조립체(120)의 제2전극탭(127b)을 케이스(110)의 바닥판(112)에 용접과 같은 방법으로 결합시킨다. 이때, 케이스(110)는 비딩부(111)와 크림핑부(116)가 형성되지 않은 상태이다.
다음, 케이스(110)의 측벽(113)에 비딩부(111)를 형성하여 하부 절연부재(150), 유동방지 테이프(130)가 부착된 전극 조립체(120) 및 상부 절연부재(140)가 케이스(110) 내부에서 바닥판(112)의 수직방향으로 움직이는 것을 막는다.
상기와 같이 유동방지 테이프(130)가 부착된 전극 조립체(120)를 케이스(110) 내부에 수납한 후 그외의 구성을 조립한 다음 전해액 주입단계를 거치게 된다.
상기 전해액 주입단계는 상기 기재층(131)을 전해액에 접촉시켜 기재층(131)의 적어도 일부가 점착성을 나타내도록 하여 상기 점착성을 나타내는 기재층(131)의 적어도 일부가 케이스(110)의 내부 표면에 접촉되도록 하는 단계이다.
전해액은 충방전시 전극에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다.
상기 전해액이 케이스(110)의 내부에 주입되면, 전극 조립체(120)의 외부에 부착된 유동방지 테이프(130)의 기재층(131)에 전해액이 닿게 된다. 이때 상기 기재층(131)은 전해액과의 접촉에 의해 점착력을 갖게 된다. 상기 점착력을 갖는 기재층(131)의 적어도 일부는 케이스(110)의 내부 표면에 접촉하게 되고 그에 따라 전극 조립체(120)가 케이스(110) 내부에서 유동되는 것이 방지된다.
상기 전해액 주입단계 이후 나머지 잔여 이차전지(100)의 구성을 조립하게 된다. 예를 들어 가스켓(160)을 케이스(110)의 개구부(114)를 통해 삽입하고, 비딩부(111) 위에 올려놓는다. 그런 다음 캡 조립체(170)를 가스켓(160)의 내부에 위치시킨 후 케이스(110)의 측벽(113) 상단에 크림핑부(116)를 형성하여, 가스켓(160) 및 캡 조립체(170)를 고정시킨다.
상기한 바와 같이 이차전지(100)를 조립한 후에는 통상적으로 이어지는 후처리 공정인 화성 공정 및 에이징 공정을 실시할 수 있다. 상기 화성 고정 및 에이징 공정은 각형이나 파우치형에 공통적으로 적용될 수 있다.
상기 화성 공정은 전지 조립 후에 충방전을 반복하여 전지를 활성화하는 공정이다. 상기 화성 공정에서, 충전시 양극으로 사용되는 리튬 금속 산화물로부터 나온 리튬이온이 음극으로 사용되는 카본전극으로 이동하여 삽입되는데, 이때 리튬은 반응성이 강하므로 카본 음극과 반응하여, Li2CO3, LiO, LiOH 등의 화합물을 만들어내고, 이것들은 카본전극의 표면에 SEI(Solid Electrolyte Interface)라 불리우는 피막을 형성한다.
상기 에이징 공정은 SEI 피막을 안정화시키기 위해 전지를 일정 기간 동안 방치하는 공정이다. 통상 에이징 공정은 조립단계를 거친 이차전지(100)를 50℃ 내지 70℃의 환경에 18시간 내지 36시간 동안 노출시킴으로써 이루어진다. 이러한 에이징 공정을 거치면서, 상기 유동방지 테이프(130)의 기재층은 충분한 점착력을 갖게 되며, 그에 따라 전극 조립체(120)의 유동을 효과적으로 막아준다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 내지 3>
양극 활물질로서 LiCoO2, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 도전제로서 카본을 92:4:4의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 20㎛의 알루미늄 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질로 인조 흑연, 바인더로서 스티렌-부타디엔 고무 및 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스를 96:2:2의 중량비로 혼합한 다음 물에 분산시켜 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 15㎛의 구리 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 음극을 제조하였다.
세퍼레이터로는 두께 20㎛의 폴리에틸렌/폴리프로필렌 다공성막(미국 Hoest Cellanese사)을 사용하였으며, 상기 캐소드 극판과 애노드 극판 사이에 상기 세퍼레이터를 배치하고 이를 권취한 다음 유동방지 테이프로 권취말단을 포함하도록 부착하여 전극 조립체를 만들었다.
이때 상기 유동방지 테이프는 32㎛의 OPS필름 상에 PMMA 점착제를 15㎛의 두께로 도포한 것을 사용하였으며, 전극 조립체는 장경 17.00mm이고 단경이 16.56mm인 것을 사용하였으며, 전극 조립체의 외부 표면 둘레 전체 길이 52mm를 기준으로 했을 때 52mm 전체에 유동방지 테이프를 부착하였다(단 전극 조립체의 상단부와 하단부는 별도로 여분을 남기지 않고 유동방지 테이프를 부착하였다).
상기 젤리롤 방식으로 권취된 전극 조립체를 알루미늄 원통형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해액을 주입하고 밀봉하여 이차전지를 완성하였다.
이때 상기 전해액으로서는 1.1M 농도의 LiPF6가 용해된 에틸렌 카보네이트(EC)/ 디메틸 카보네이트(DMC) / 프로필렌 카보네이트(PC) / 플루오로벤젠(FB)(부피비로 EC:EMC:PC:FB의 혼합비는 30/55/5/10)의 혼합 유기용매를 사용하였다.
<실시예 2 내지 4>
유동방지 테이프의 부착길이를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이차전지를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 유동방지 테이프 대신 PET필름 상에 PMMA 점착제를 도포한 실링 테이프를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1>유동성 측정
실시예 및 비교예에서 제조한 이차전지의 유동성을 드럼테스트 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
상기 드럼테스트는 이차전지를 드럼(Drum)에 넣고 진동(66RPM)을 가하면서 단위시간당 이차전지의 내부 저항(IR)의 변화를 측정한 것이다. 드럼테스트 결과 IR 측정이 불가능한 시점까지의 시간이 길면 길수록 이차전지의 내부 유동성이 적다는 것을 의미하므로, 드럼테스트 결과를 통해 유동방지 효과를 확인할 수 있다. 참고적으로 내부 저항의 증가율은 초기 대비 110%를 미만인 것이 바람직하다.
아울러 각각의 이차전지 샘플을 6개씩 준비하여 측정하였다.
초기 130분 160분
IR IR 증가율(%) IR 증가율(%)
실시예 1
(52mm부착)		 1 12.8 15.4 120 16.3 127
2 13.0 15.3 118 15.9 122
3 13.2 15.4 117 15.8 120
4 13.3 15.4 116 15.6 117
5 13.5 15.5 115 15.8 117
6 13.2 15.4 117 15.6 118
실시예 2
(26mm 부착)		 1 13.2 15.7 119 절단 -
2 13.2 16.1 122 절단 -
3 13.3 16.0 120 절단 -
4 13.2 절단 - 절단 -
5 13.7 16.0 117 절단 -
6 13.4 15.7 117 절단 -
실시예 3
(36		 1 14.8 14.4 97 15.0 101
2 14.7 14.5 99 15.1 103
3 14.7 14.2 97 14.8 101
4 14.5 14.1 97 14.6 101
5 14.9 14.5 97 14.8 99
6 14.7 14.3 97 14.8 101
실시예 4 1 14.1 14.6 104 14.5 103
2 14.3 14.3 100 14.3 100
3 14.4 14.7 102 14.4 100
4 14.2 14.4 101 14.2 100
5 14.2 14.4 101 14.1 99
6 14.5 14.4 99 14.2 98
초기 60분 80분
IR IR 증가율 IR 증가율(%)
비교예 1 1 16.2 17.3 107% 절단 -
2 16.2 16.8 104% 절단 -
3 16.0 16.8 105% 절단 -
4 15.6 16.5 106% 절단 -
5 15.8 16.1 102% 절단 -
6 15.6 16.2 104% 절단 -
상기 표 1 및 표 2에서 보는 바와 같이 일반적인 실링 테이프를 적용한 비교예 1의 드럼테스트 결과 80분에서 내부저항을 측정할 수 없었으나, 본 발명에 따른 유동방지 테이프를 적용한 실시예의 경우 130분 이전의 드럼테스트에서는 모두 내부 저항을 측정할 수 있었다. 따라서 유동방지 효과가 우수함을 확인할 수 있다.
또한 실시예 1 내지 4의 경우 유동방지 테이프를 전극 조립체의 외부 표면 전체 둘레에 대하여 절반을 사용한 실시예 2의 경우 드럼 테스트 결과 130분에서 1개의 샘플에서 내부저항을 측정할 수 없었으며, 따라 유동방지 테이프는 전극 조립체 외부 표면 전체 둘레를 1로 했을 때 0.5를 초과하도록 부착하는 것이 더욱 바람직함을 알 수 있다. 특히 유동방지 테이프를 전극 조립체 외부 표면 전체 둘레를 1로 했을 때 1만큼 부착한 실시예 1의 경우 드럼테스트 결과 실시예 3 및 4에 비해 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 유동방지 테이프는 전극 조립체 외부 표면 전체 둘레를 1로 했을 때 0.5 초과 내지 1 미만으로 할 경우 유동방지효과가 우수할 뿐만 아니라 테이프 절감효과도 우수한 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 점착력 확인
실시예 1 내지 4와 같은 방법으로 제조된 이차전지는 드럼테스트를 하지 않고 전극 조립체의 점착력을 측정하여 그 결과(6개 샘플의 평균 값)를 하기 표 3에 나타내었다. 상기 점착력은 제조된 이차전지의 상단과 하단을 커팅한 후 하단에 푸시풀 게이지를 위치시키고, 그런 다음 상기 푸시풀 게이지를 상단 방향으로 밀어 전극 조립체가 이동하는 시점에서의 힘을 측정한 값이다.
점착력(kgf/㎠)
실시예 1 2.3
실시예 2 1.0
실시예 3 1.2
실시예 4 1.5
비교예 1 -
상기 표 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 유동방지 테이프를 적용한 실시예의 이차전지의 경우 비교예의 이차전지에 비하여 우수한 점착력을 나타냄을 확인할 수 있다.
100, 200, 400 : 이차전지
110, 210, 220 : 케이스
120, 220, 420 : 전극 조립체
130, 130a, 230, 430 : 유동방지 테이프
131 : 기재층 132 : 점착층
133 : 보조기재층 134 : 보조점착층

Claims (20)

  1. 전극 조립체;
    전해액;
    상기 전극 조립체의 외부 표면 적어도 일부에 부착된 유동방지 테이프; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하며,
    상기 유동방지 테이프는 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함하며, 상기 점착성을 나타내는 기재층의 적어도 일부는 케이스의 내부 표면에 접촉하고,
    상기 기재층은 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 수축되면서 점착성을 나타내는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 상기 기재층의 배면에 형성되어 상기 전극 조립체의 외부 표면에 접촉하는 점착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 기재층은 OPS(oriented polystyrene) 필름인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 적층한 다음 권취하여 형성되고, 상기 전극 조립체는 상기 세퍼레이터의 권취 말단이 위치하는 최외측 마감부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체의 최외측 마감부를 포함하여 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 전극 조립체의 최외측 마감부에는 유동방지 테이프가 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전해액은 카보네이트계 용매를 포함하며, 상기 카보네이트계 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 디프로필 카보네이트(DPC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 카보네이트계 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전해액은 상기 카보네이트계 용매를 10 내지 60중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기재층은 10 내지 50㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체 외부 표면 전체를 감싸는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체 외부 표면의 둘레 길이를 1로 기준했을 때 적어도 0.5의 길이만큼 감싸인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 상기 전극 조립체의 외부 표면의 둘레 길이를 1로 기준했을 때 0.5보다는 크고 1보다는 작은 길이만큼 감싸인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 전극 조립체 외부 표면의 상단부 및 하단부를 제외한 부분에 감싸인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 유동방지 테이프의 폭은 전극 조립체 폭의 적어도 20%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제2항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 점착층상에 순차적으로 형성된 보조기재층과 보조점착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제1항에 있어서, 상기 유동방지 테이프는 전해액과 접촉 후의 점착력이 적어도 1kgf/㎠인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형, 각형 또는 파우치형인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 전극 조립체;
    전해액;
    상기 전극 조립체의 외부 표면 적어도 일부에 부착된 유동방지 테이프; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하며,
    상기 유동방지 테이프는 전극 조립체의 외부 표면에 접촉하는 점착층과 상기 점착층 상에 형성되어 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 점착성을 나타내는 기재층을 포함하고,
    상기 점착성을 나타내는 기재층은 그 표면이 불규칙하게 형성되며,
    상기 점착성을 나타내는 기재층은 제1영역 및 제2영역을 포함하며, 상기 제1영역은 상기 제2영역보다 두꺼우며, 상기 제1영역은 케이스의 내부 표면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 삭제
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