KR101174919B1 - 리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 젤리-롤의 외각에 존재하는 세퍼레이터 마감부분을 전극무지부의 단부보다 연장되도록 형성하여, 세퍼레이터 단부의 압박에 의한 전극활물질의 탈리를 방지할 수 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지, 세퍼레이터

Description

리튬 이차전지{Lithium rechargeable battery}
도 1a 및 도 1b는 일반적인 전극조립체의 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체의 사시도
도 4는 도 3의 A-A 단면도
도 5는 도 4의 좌측면도
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 A-A 단면도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 - 리튬 이차전지 200 - 전극조립체
210 - 제 1전극판(양극판) 215 - 제 1전극탭(양극탭)
220 - 세퍼레이터 220a - 제 1세퍼레이터
220b - 제 2세퍼레이터 222 - 외측단부
224 - 연결부 230 - 제 2전극판(음극판)
235 - 제 2전극탭(음극탭) 250 - 라미네이션 테이프
300 - 케이스 400 - 캡조립체
본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 젤리-롤의 외각에 존재하는 세퍼레이터 마감부분을 전극무지부의 단부보다 연장되도록 형성하여, 세퍼레이터 단부의 압박에 의한 전극활물질의 탈리를 방지할 수 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 가볍고, 비교적 큰 출력전압을 가지고 있으며, 용량이 크고 환경친화적이어서 노트북, 캠코더, 핸트폰 등의 전원용으로 많이 이용되고 있다. 리튬 이차전지로는 리튬 금속 이차전지와 리튬 이온 이차전지가 있다. 리튬 금속 이차전지는 통상적으로 양극활물질로 리튬 이온을 내어 놓을 수 있는 금속산화물을, 음극활물질로 리튬 금속을 사용하며, 리튬 이온 이차전지는 통상적으로 양극활물질로 리튬 이온을 내어 놓을 수 있는 금속산화물을, 음극활물질로 리튬 이온을 흡장/탈리할 수 있는 탄소재료를 사용한다.
리튬 이온 이차전지는 그 형상에 따라 각형, 원통형, 파우치형 등으로 구분된다. 각형 리튬 이온 이차전지는 대략 직사각기둥 형상의 케이스에 전극조립체를 삽입하고 캡조립체로 밀봉한 후, 전해액을 주입하여 베어셀을 완성한다. 원통형 리튬 이온 이차전지는 대략 원기둥 형상의 케이스에 전극조립체를 삽입하고 전해액을 주입한 후 캡조립체로 밀봉하여 베어셀을 완성한다. 파우치형 리튬 이온 이차전지는 금속호일의 내측면에 폴리머로 코팅한 파우치의 내부에 전극조립체를 장착한 후 파우치를 밀봉한 후에 가스방을 통해 전해액을 주입하여 베어셀을 완성한다.
또한, 리튬 이온 이차전지는 전해액의 종류에 따라 액상전해질을 사용하는 리튬 이온 이차전지와, 고체폴리머 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분된다. 액상전해질로는 전기분해를 방지하기 위해 비수성 전해액을 사용하며, 고체폴리머 전해질로는 완전고체형과 겔형을 사용한다.
한편, 전극조립체는 서로 대향하는 양극판과 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이의 쇼트를 방지하기 위해 세퍼레이터를 개재하고 이를 젤리-롤 형태로 권취함으로써 형성된다. 이러한 젤리-롤 형상의 전극조립체는 충방전을 거듭할수록 두께 방향으로 부풀게 된다. 이 경우, 케이스로 금속캔을 사용하는 각형과 원통형 리튬 이차전지의 경우에는 권심반대방향, 즉 외측방향으로의 전극조립체의 팽창이 금속캔에 의해 억제된다. 따라서, 전극조립체에는 두께 방향으로의 압축력이 작용하게 되며 심할 경우 전극조립체가 변형되기도 한다.
도 1a와 도 1b는 일반적인 젤리-롤 형태의 전극조립체의 단면도이다. 여기서는 각형 리튬 이차전지의 전극조립체를 도시하였으나, 원통형 리튬 이차전지의 경우에도 유사하게 적용될 수 있다. 또한, 여기서는 전극조립체의 최외각에 감겨있는 전극판을 양극판으로 가정하였으나, 조립하기에 따라 전극조립체의 최외각에 음극판이 감길 수도 있다.
전극조립체(200')는 양극판(210'), 세퍼레이터(220') 및 음극판(230')이 순서대로 적층되고, 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 상기 양극판(210')은 화학반응에서 발생한 전자가 모이는 양극집전체(212'), 상기 양극집전체(212')의 일측면 또는 양측면에 코팅되어 리튬 이온이 흡장/탈리할 수 있는 양극활물질층(214') 및 상기 양극집전체(212') 중 양극활물질층(214')이 형성되지 않은 영역인 양극무 지부(216')를 구비한다. 한편, 세퍼레이터(220')의 단부(222')는 도 1a와 같이 양극활물질층(214')에 위치할 수도 있고, 도 1b와 같이 양극무지부(216')에 위치할 수도 있다. 세퍼레이터(220')의 단부(222')가 양극활물질층(214')에 위치하는 경우 전극조립체(200')의 팽창으로 인해 두께방향의 압력이 작용하면, 상기 세퍼레이터(220')의 단부(222')와 접하고 있는 양극활물질층(214')이 압박을 받게 되고 그에 따라 양극활물질층(214')이 양극집전체(212')로부터 탈리할 수도 있다. 또한, 세퍼레이터(220')의 단부(222')가 양극무지부(216')에 위치하는 경우 전극조립체(200')의 팽창으로 인해 두께방향의 압력이 작용하면, 상기 세퍼레이터(220')의 단부(222')와 접하고 있는 또 다른 양극활물질층(214')이 압박을 받게 되어 탈리할 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 리튬 이차전지의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 세퍼레이터의 단부가 전극활물질층 또는 전극무지부 영역에 존재하지 않도록 세퍼레이터를 연장하여 세퍼레이터 단부에 의해 전극활물질층이 받는 압박을 감소시켜 전극집전체로부터 전극활물질이 탈리되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차전지는, 서로 대향하는 제 1전극판과 제 2전극판, 상기 제 1전극판과 상기 제 2전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 젤리롤형 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 세퍼 레이터는 상기 제 1전극판과 상기 제 2전극판의 외측단부보다 연장되어 형성된 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 리튬 이차전지는 각형일 수 있다. 이 경우, 상기 세퍼레이터의 외측단부는 상기 전극조립체의 라운드(round) 부분에 위치할 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터의 외측단부는 상기 제 1전극판의 전극무지부에 라미네이션 테이프로 부착될 수도 있다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 전극조립체의 최외각에서 권심방향으로 볼 때, 상기 제 1전극판의 최외층과 상기 제 2전극판 사이에 개재되는 제 1세퍼레이터와 상기 제 2전극판과 상기 제 1전극판의 차(次)외층 사이에 개재되는 제 2세퍼레이터를 포함하며, 상기 제 1세퍼레이터와 상기 제 2세퍼레이터의 외측단부가 서로 연결된 연결부를 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 연결부는 상기 전극조립체의 라운드(round) 부분에 위치할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체의 사시도이다. 도 4는 도 3의 A-A 단면도이다. 도 5는 도 4의 좌측면도이다. 도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 A-A 단면도이다. 여기서는 각형 리튬 이차전지의 전극조립체를 도시하였으나, 원통형 리튬 이차전지의 경우에도 유사하게 적용될 수 있다. 또한, 여기서는 전극조립체의 최외각에 감겨있는 전극판을 양극판으로 가정하였으나, 조립하기에 따라 전극조립체의 최외각에 음극판이 감길 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지는, 도 2를 참조하면, 서로 대향하는 제 1전극판(210)(이하, 양극판이라 한다)과 제 2전극판(230)(이하, 음극판이라 한다), 상기 양극판(210)과 음극판(230) 사이에 개재되는 세퍼레이터(220)를 구비하는 전극조립체(200), 상기 전극조립체(200)를 수용하는 케이스(300), 상기 케이스(300)를 밀봉하는 캡조립체(400)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 케이스(300)의 내부에는 리튬 이온의 이동통로가 되는 전해액이 주입된다.
상기 전극조립체(200)는, 도 3을 참조하면, 양극판(210), 음극판(230), 상기 양극판(210)과 음극판(230) 사이의 쇼트를 방지하는 세퍼레이터(220)를 포함하여 이루어진다. 상기 전극조립체(200)는 양극판(210), 세퍼레이터(220), 음극판(230)을 차례로 적층한 후, 권취기를 통하여 젤리-롤 형으로 권취함으로써 형성된다. 상기 전극조립체(200)의 외주면에는 연장형성된 세퍼레이터(220)의 단부를 고정시키기 위해 라미네이션 테이프(250)가 부착되어 있다.
상기 양극판(210)은, 전지의 화학반응에 의해 발생된 전자들을 모으는 양극집전체, 상기 양극집전체의 일측면 또는 양측면에 형성되며 리튬 이온이 흡장/탈리할 수 있는 구조를 가진 양극활물질층, 상기 양극집전체 영역 중에서 상기 양극활물질층이 형성되지 않은 영역인 양극무지부를 포함한다. 상기 양극집전체는 도전성이 우수한 금속 재질로 되어 있으며, 통상적으로 알루미늄(Al)이 사용된다. 상기 양극활물질층은 전해액 속으로 리튬 이온을 내어 놓을 수 있는 리튬 산화물, 예를 들어 코발트산리튬(LiCoO2)을 도전재, 바인더와 혼합하여 형성한다. 상기 양극무지부에는 상기 양극집전체에 모인 전자들이 외부 회로로 이동할 수 있도록 양극집전체와 외부 회로를 전기적으로 연결시키는 양극탭이 부착된다. 상기 양극탭은 도전성이 좋은 알루미늄(Al) 등으로 형성된다. 상기 양극탭이 양극집전체에서 탈리하지 않도록 하기 위해 상기 양극탭 상에는 테이프가 부착될 수 있다.
상기 음극판(230)은, 전지의 화학반응에 의해 발생한 전자들을 모으는 음극집전체, 상기 음극집전체의 일측면 또는 양측면에 형성되며 리튬 이온이 흡장/탈리할 수 있는 구조를 가진 음극활물질층, 상기 음극집전체 영역 중에서 상기 음극활물질층이 형성되지 않은 영역인 음극무지부를 포함한다. 상기 음극집전체는 도전성이 우수한 금속 재질로 되어 있으며, 통상적으로 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)이 사용된다. 상기 음극활물질층은 통상적으로 탄소 재료를 도전재, 바인더와 혼합하여 형성한다. 상기 음극무지부에는 상기 음극집전체에 모인 전자들이 외부 회로로 이동할 수 있도록 음극집전체와 외부 회로를 전기적으로 연결시키는 음극탭이 부착된다. 상기 음극탭은 도전성이 좋은 니켈(Ni) 등으로 형성된다. 상기 음극탭이 음극집전체에서 탈리하지 않도록 하기 위해 상기 음극탭 상에는 테이프가 부착될 수 있다.
상기 세퍼레이터(220)는, 양극판(210)과 음극판(230) 사이에 개재되어 상기 양극판(210)과 상기 음극판(230) 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 방지한다. 세퍼레이터(220)는 통상적으로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있다. 이러한 다공막 구조는, 전지 내부의 온도 상승으로 상기 열가소성 수지의 융점 근처가 되면 세퍼레이터(220)가 용융 하여 공공이 막힘으로써 절연필름이 된다. 이러한 현상을 세퍼레이터의 봉공 또는 셧다운(shut down) 현상이라고 한다. 이렇게 절연필름으로 바뀜으로써 양극판(210)과 음극판(230)간의 리튬 이온의 이동이 차단되고, 더 이상의 전류가 흐르지 못하게 됨으로써 전지내부의 온도 상승이 중단된다.
상기 세퍼레이터(220)는, 도 4를 참조하면, 상기 양극판(210)과 음극판(230)의 외측단부보다 연장되어 형성된다. 상기 전극조립체(200)의 최외각에서 권심방향으로 볼 때, 전극조립체(200)의 최외각을 감싸고 있는 양극판(210)과 양극판의 내측에 위치하는 음극판(230) 사이에 개재되는 것을 제 1세퍼레이터(220a), 상기 음극판(230)과 음극판의 내측에 위치하는 양극판(210) 사이에 개재되는 것을 제 2세퍼레이터(220b)라 하기로 한다. 여기서, 전극조립체의 최외각을 감싸고 있는 것은 음극판이 될 수도 있으며, 또한 형성방법에 따라 세퍼레이터가 전극조립체의 최외각을 감싸고 있을 수도 있음은 물론이다. 상기 제 1세퍼레이터(220a)와 제 2세퍼레이터(220b)는 양극판(210)과 음극판(230)보다 연장형성되어 상기 세퍼레이터들(220a, 220b)의 단부에 의해 양극활물질층과 음극활물질층이 압박을 받지 않도록 한다. 특히, 각형 리튬 이차전지에서는 제 1세퍼레이터(220a)의 단부(222a)와 제 2세퍼레이터(220b)의 단부(222b)가 전극조립체(200)의 라운드(round) 부분에 형성된다. 리튬 이차전지는 충방전을 반복함에 따라 전극조립체가 두께방향으로 팽창하게 된다. 특히, 전극조립체의 상부와 하부보다는 가운데 부분이 팽창의 정도가 크다. 이렇게 전극조립체가 팽창하게 되면, 외부는 금속캔에 의해 막혀 있으므로 전극조립체가 권심방향으로 압력을 받게 된다. 이 때, 도 4에서 전극조립체(200)의 라운 드 부분보다는 직선부분의 팽창이 현저하게 나타나므로 제 1세퍼레이터(220a)의 단부(222a)와 제 2세퍼레이터(220b)의 단부(222b)는 전극조립체(200)의 라운드 부분에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 세퍼레이터(220)는, 도 5를 참조하면, 외측단부(222)가 상기 양극판(210)의 외주면에 라미네이션 테이프(250)로 부착된다. 상기 세퍼레이터(220)가 연장형성됨에 따라 세퍼레이터(220)의 외측단부(222)를 고정시킬 필요가 있다. 따라서, 라미네이션 테이프(250) 등을 사용하여 상기 양극판(210)의 외주면 중 전극조립체(200)의 라운드 부분에 세퍼레이터(220)의 외측단부(222)를 고정한다.
또한, 상기 세퍼레이터(220)는, 도 6을 참조하면, 제 1세퍼레이터(220a)와 제 2세퍼레이터(220b)의 외측단부가 서로 연결된 연결부(224)를 구비할 수도 있다. 세퍼레이터(220)는 두 장이 서로 분리된 상태로 형성될 수도 있고, 외측단부가 연결된 상태의 한 장으로 형성될 수도 있다. 이렇게 한 장으로 연결된 경우도 마찬가지로 연장형성하여 상기 연결부(224)가 상기 전극조립체(200)의 라운드 부분에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 연결부(224)는 전극조립체(200)의 외주면에 고정될 필요성이 있으므로, 라미네이션 테이프(250) 등을 사용하여 상기 양극판(210)의 외주면 중 라운드 부분에 세퍼레이터(220)의 연결부(224)를 고정한다.
상기 케이스(300)로는, 일반적으로 금속캔을 사용한다. 금속캔은 통상 알루미늄(Al) 또는 그 합금재질로 형성되며, 딥드로잉 방식에 의하여 제작된다. 상기 케이스(300)는 대략 직사각기둥 형상으로 형성되며, 상기 케이스(300)의 상단은 전극조립체(200)가 삽입될 수 있도록 개구(開口)되어 있다. 상기 케이스(300)의 하면 은 일반적으로 거의 평면 형상으로 형성된다.
상기 캡조립체(400)는, 도 2를 참조하면, 캡 플레이트(440)와 절연 플레이트(450)와 터미널 플레이트(460) 및 전극단자(430)를 포함하여 구성된다. 캡 조립체(400)는 별도의 절연케이스(470)와 결합되어 케이스(300)의 상단 개구부에 결합되어 케이스(300)를 밀봉하게 된다.
상기 전극단자(330)는 상기 음극판(230)의 음극탭(235) 또는 상기 양극판(210)의 양극탭(215)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 절연 플레이트(450)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡 플레이트(440)의 하면에 결합된다. 절연 플레이트(450)에는 상기 캡 플레이트(440)의 단자통공1(441)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(430)가 삽입되는 단자통공2(451)가 형성되어 있다. 상기 절연 플레이트(450)의 하면에는 상기 터미널 플레이트(460)가 안착되도록 터미널 플레이트(460)가 안착되도록 터미널 플레이트(460)의 크기에 상응하는 안착홈(452)이 형성된다.
상기 터미널 플레이트(460)는 일반적으로 니켈(Ni)합금으로 형성되며, 상기 절연 플레이트(450)의 하면에 장착된다. 상기 터미널 플레이트(460)에는 캡 플레이트(440)의 단자통공1(441)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(430)가 삽입되는 단자통공3(461)이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(430)가 상기 개스킷 튜브(446)에 의하여 절연되면서 캡 플레이트(440)의 단자통공1(441)을 통하여 결합되므로 상기 터미널 플레이트(460)는 상기 캡 플레이트(440)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(430)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널 플레이트(460)의 일측에는 상기 음극판(230)에 결합된 음극탭(235)이 용접되며, 캡 플레이트(440)의 타측에는 상기 양극판(210)에 결합된 양극탭(215)이 용접된다. 상기 음극탭(235)과 양극탭(215)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 젤리-롤 형상인 전극조립체의 최외각에 존재하는 세퍼레이터 마감부분을 전극판의 단부보다 연장되도록 형성하여, 세퍼레이터 단부의 압박에 의한 전극활물질의 탈리를 방지할 수 있다. 또한, 전극활물질의 탈리가 방지됨으로써, 전극간의 쇼트를 방지할 수 있다.

Claims (6)

  1. 서로 대향하는 제 1전극판과 제 2전극판 , 상기 제 1전극판과 상기 제 2전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 젤리롤형 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 각형 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 제 1전극판과 상기 제 2전극판의 외측단부보다 연장되어 형성되며,
    상기 세퍼레이터의 외측단부는 상기 전극조립체의 라운드(round) 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터의 외측단부는 상기 제 1전극판의 전극무지부에 라미네이션 테이프로 부착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 전극조립체의 최외각에서 권심방향으로 볼 때, 상기 제 1전극판의 최외층과 상기 제 2전극판 사이에 개재되는 제 1세퍼레이터와 상기 제 2전극판과 상기 제 1전극판의 차(次)외층 사이에 개재되는 제 2세퍼레이터를 포함하며, 상기 제 1세퍼레이터와 상기 제 2세퍼레이터의 외측단부가 서로 연결된 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 전극조립체의 라운드(round) 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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