KR101174923B1 - 전지용 전극 집전체 및 이를 사용한 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전지용 전극 집전체 및 이를 사용한 이차전지는, 기존의 금속 집전체를 양 표면에 금속 박막이 코팅된 수지로 대체하되 수지 양쪽에 형성된 금속 박막을 연결시킴으로써, 집전체의 전기전도성을 확보하면서 전지의 정상적 사용 혹은 전지의 이상 작동시 급격한 온도 상승을 방지할 수 있게 되어 전지 내 회로소자들이나 기타 부품 또는 전지가 장착되는 전기?전자장치의 손상 또는 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 수지는 금속과 달리 온도 변화에 따른 팽창 및 수축이 그다지 크지 않아 집전체 표면에 코팅되는 전극 활물질층이 집전체에서 박리될 위험도 최소화된다. 또한, 핀을 이용한 관통 실험과, 압축 및 충돌 실험에서도 금속으로만 이루어진 경우에 비해 우수한 성능을 갖는다.

Description

전지용 전극 집전체 및 이를 사용한 이차전지 {ELECTRODE CURRENT COLLECTOR FOR BATTERY AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지용 전극 집전체의 부분 사시도,

도 2 는 도 1 에 나타낸 전극 집전체의 분리 사시도,

도 3 은 도 1 에 나타낸 전극 집전체를 사용한 이차전지의 분리 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 이차전지 11: 캔

12: 전극조립체 100: 캡조립체

200: 집전체 210: 수지

215: 홀 220: 금속 박막

본 발명은 전지용 전극 집전체 및 이를 사용한 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 금속 집전체를 양 표면에 금속 박막이 코팅된 수지로 대체하되 수지 양쪽에 형성된 금속 박막을 연결시킴으로써, 집전체의 전기전도성을 확보하면서 열적 안정성 및 기계적 안정성을 향상시킨 전지용 전극 집전체 및 이를 사용한 이차전지에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다. 상기 형상 중 어떤 형상을 취하더라도 이차전지는 전기를 발생시키는 전극조립체를 구성요소로 하는데, 이 전극조립체는 서로 다른 극성을 갖는 두 극판과 이들 두 극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진다.

상기 두 극판은 양극판과 음극판을 의미하고, 양극판 및 음극판은 각각 알루미늄과 구리 집전체에 각 전극 활물질을 코팅하여 제조된다.

그런데, 종래의 전극 집전체는 상기한 바와 같이 알루미늄 또는 구리 같은 금속 내지 금속 합금으로만 이루어져 있어 열용량이 작다. 이에 따라, 전지를 장시간 사용하게 되거나 혹은 전지가 이상 충전될 때 전지의 급격한 온도 상승을 초래하여 전지에 악영향을 끼치게 된다. 더욱이 최근의 DMB 폰 등에서 전지의 열 발생 문제는 제품의 신뢰도에 큰 영향을 미친다.

또한, 전지의 온도 변화에 따른 팽창 및 수축이 심하여, 집전체 표면에 코팅 되는 전극 활물질층이 집전체에서 박리될 위험도 내재하고 있다.

또한, 핀을 이용한 관통 실험에도 취약하고, 압축이나 충돌 등의 기계적 안정성도 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 금속 집전체를 양 표면에 금속 박막이 코팅된 수지로 대체하되 수지 양쪽에 형성된 금속 박막을 연결시킴으로써, 집전체의 전기전도성을 확보하면서 열적 안정성 및 기계적 안정성을 향상시키는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전지용 전극 집전체는,

다수의 홀이 형성된 수지와, 상기 수지의 양 표면에 입혀진 금속 박막과, 상기 다수의 홀에 채워지며 상기 금속 박막과 연결되는 금속 연결부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 홀의 직경은 0.5～1.5㎝일 수도 있다.

또한, 상기 수지에 대한 상기 홀의 부피 분율은 30～60%일 수도 있다.

또한, 상기 수지는 폴리이미드(PI), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 금속 박막은 구리 박막 또는 알루미늄 박막일 수도 있다.

또한, 상기 금속 박막과 상기 금속 연결부는 동일 재질일 수도 있다.

또한, 상기 수지의 두께는 5～20㎛일 수도 있다.

또한, 상기 금속 박막 중 일면의 두께는 3～10㎛일 수도 있다.

또한, 상기 금속 박막은 스퍼터링 또는 무전해도금에 의해 입혀질 수도 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지는,

상기한 전지용 전극 집전체를 사용한 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 전지용 전극 집전체에 관하여 상세하게 설명하고자 한다.

도 1 및 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지용 전극 집전체(200)는 수지(210)의 양 표면에 금속 박막(220)이 입혀져 있다.

수지는 금속에 비해 열용량이 크므로, 전지의 정상적 사용 혹은 전지의 이상 작동시 급격한 온도 상승을 방지할 수 있게 된다. 따라서, 전지 내 회로소자들이나 기타 부품 또는 전지가 장착되는 전기?전자장치의 손상 또는 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 수지는 금속과 달리 온도 변화에 따른 팽창 및 수축이 그다지 크지 않아 집전체 표면에 코팅되는 전극 활물질층이 집전체에서 박리될 위험도 최소화된다. 또한, 핀을 이용한 관통 실험과, 압축 및 충돌 실험에서도 금속으로만 이루어진 경우에 비해 우수한 성능을 갖는다.

이러한 수지(210)로는 폴리올레핀(polyolefine) 계열의 수지가 사용될 수 있 다. 예를 들어, 상기 수지(210)는 폴리이미드(PI), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 금속 박막(220)은 구리 박막 또는 알루미늄 박막일 수도 있다. 수지(210)에 구리 박막을 입힌 경우에는 전지의 음극 집전체로서 사용될 수 있고, 수지(210)에 알루미늄 박막을 입힌 경우에는 전지의 양극 집전체로서 사용될 수 있다.

통상 집전체의 양면에 전극 활물질층을 코팅하므로, 도시한 바와 같이 수지(210)의 양면에 금속 박막(220)을 입힌다.

이때, 수지(210)는 5～20㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 수지는 집전체에서 열저장조(heat reservoir)의 역할을 하므로, 수지의 두께가 두꺼울수록 집전체의 열적 안정성 및 기계적 안정성은 우수해질 수 있다. 수지(210)의 두께가 5㎛ 미만이면 열적 안정성 및 기계적 안정성이 떨어질 수 있고, 수지(210)의 두께가 20㎛를 초과하면 극판의 두께를 일정 수준 유지하기 위해 실질적으로 전자를 생성하는 전극 활물질층의 두께를 줄여야 하거나, 줄이지 않는 경우에는 극판의 두께가 너무 두꺼워져 전지의 소형화 추세에 반하게 된다.

또한, 수지(210)의 한쪽 면에 코팅된 금속 박막(220)은 3～10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 금속 박막(220)은 집전체에서 전기를 모아 전지 외부로 전기를 전달하는 역할을 하므로, 금속 박막(220)의 두께가 두꺼울수록 집전체의 전기전도성은 우수해질 수 있다. 금속 박막(220)의 두께가 3㎛ 미만이면 너무 얇아 저항 이 증가함으로써 전류를 집전하는 데 차질이 생길 수 있고, 금속 박막(220)의 두께가 10㎛를 초과하면 극판의 두께를 일정 수준 유지하기 위해 실질적으로 전자를 생성하는 전극 활물질층의 두께를 줄여야 하거나, 줄이지 않는 경우에는 극판의 두께가 너무 두꺼워져 전지의 소형화 추세에 반하게 된다.

상기 금속 박막(220)은 스퍼터링 또는 무전해도금에 의해 입혀질 수 있다. 스퍼터링이나 무전해도금은 통상의 방법이 사용되므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 본 발명의 내용은 상기한 방법에 의한 집전체에 한정되지는 않는다.

한편, 도 2 를 참조하면, 수지(210)에 다수의 홀(215)이 형성되어 있다. 이 다수의 홀(215)에는 금속이 채워져 수지(210) 양쪽의 금속 박막(220)을 서로 연결해준다. 즉, 수지(210) 양쪽의 금속 박막(220)을 서로 연결해주는 금속 연결부가 상기 홀(215)에 형성되는 것이다. 다만, 본 발명의 내용은 도시한 홀의 형상에 한정되지 않는다.

금속 박막(220)의 두께는 상술한 이유로 제한되어 얇게 형성되는데, 이로 인해 저항이 높아져 전류를 집전하여 전달하는데 차질이 생기게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수지(210)에 다수의 홀(215)을 형성하고, 이 홀(215)에 수지(210) 양쪽의 금속 박막(220)을 서로 연결해주는 금속 연결부를 형성함으로써 수지(210) 양쪽의 금속 박막(220)을 도통하게 한다. 이에 따라, 집전체(200)의 전기전도성을 확보할 수 있게 된다.

여기서, 금속 박막(220)과 상기 금속 연결부는 동일 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 동일 재질로 이루어진 경우 한 공정에서 처리할 수 있어 공정상 간편하고, 또한 이종 재질에 따른 접촉저항을 방지할 수 있기 때문이다.

이때, 상기 홀(215)의 직경은 0.5～1.5㎝인 것이 바람직하다. 홀(215)의 직경이 너무 작으면 수지(210) 양쪽의 금속 박막(220)이 서로 맞닿지 않을 수도 있고, 홀(215)의 직경이 너무 크면 집전체로서 수지층을 내포한 다층막 기재를 사용하는 의미가 퇴색된다.

또한, 수지(210)에 대한 홀(215)의 부피 분율은 30～60%인 것이 바람직하다. 부피 분율이 너무 작으면 집전체(200)의 전기전도성을 확보하기 어렵고, 부피 분율이 너무 크면 집전체로서 수지층을 내포한 다층막 기재를 사용하는 의미가 퇴색된다.

이하에서는, 도 3 을 참조하여 상술한 전지용 전극 집전체가 사용된 이차전지에 관하여 살펴보기로 한다. 다만, 본 발명의 내용은 하기하는 각형 이차전지뿐만 아니라, 원통형 또는 파우치형 이차전지에도 적용될 수 있다.

도면을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지(10)는 전극조립체(12)와, 이 전극조립체(12)와 전해액을 수용하는 캔(11)과, 이 캔(11)과 결합되는 캡조립체(100)를 포함하여 이루어진다.

전극조립체(12)는 통상 전기용량을 높이기 위해 양극(13) 및 음극(15)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(14)를 양극(13)과 음극(15) 사이에 개재하여 적층하고, 와형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 음극(15) 및 양극(13)은 각각 수지에 구리 및 알루미늄 박 막이 입혀진 집전체 각각에 음극 활물질인 탄소와 양극 활물질인 코발트산 리튬 등을 코팅시켜 형성할 수 있다. 수지에는 다수의 홀이 형성되어 있고, 이 홀에는 수지 양쪽의 금속 박막을 서로 연결하는 금속 연결부가 충진된다. 세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(13) 및 음극(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는 데 유리하다. 전극조립체(12)에는 각 전극과 연결된 양극 및 음극탭(16, 17)이 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(16, 17)에는 상기 전극조립체(12)의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다.

캔(11)은 도시된 바와 같은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 캔(11)은 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)가 투입되도록 개방된 상부는 캡조립체(100)에 의해 봉해진다.

캡조립체(100)는 캡플레이트(110)와, 전극단자(130)와, 절연플레이트(140)와, 단자플레이트(150)를 포함하여 이루어진다. 캡플레이트(110)에는 단자통공(111)이 형성되어 있는데, 전극단자(130)가 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위하여 가스켓(120)을 위치시킨 채 단자통공(111)을 관통하여 설치된다. 캡플레이트(110)의 아랫면에는 절연플레이트(140)가 설치되어 있고, 이 절연플레이 트(140)의 아랫면에는 단자플레이트(150)가 설치되어 있다. 이 단자플레이트(150)에는 전극단자(130)의 하단부가 결합되어 있다.

전극조립체(12)의 음극(15)은 음극탭(17)과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전극조립체(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16)이 캡플레이트(110)나 캔(11)에 용접되어 있다. 상기 단자플레이트(150)의 하부에는 절연케이스(190)가 더 설치될 수도 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있을 것이다.

캡플레이트(110)에는 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성된다.

본 발명에 따른 전지용 전극 집전체 및 이를 사용한 이차전지는, 기존의 금속 집전체를 양 표면에 금속 박막이 코팅된 수지로 대체하되 수지 양쪽에 형성된 금속 박막을 연결시킴으로써, 집전체의 전기전도성을 확보하면서 전지의 정상적 사용 혹은 전지의 이상 작동시 급격한 온도 상승을 방지할 수 있게 되어 전지 내 회로소자들이나 기타 부품 또는 전지가 장착되는 전기?전자장치의 손상 또는 성능 저하를 방지할 수 있다.

또한, 수지는 금속과 달리 온도 변화에 따른 팽창 및 수축이 그다지 크지 않아 집전체 표면에 코팅되는 전극 활물질층이 집전체에서 박리될 위험도 없다. 또한, 핀을 이용한 관통 실험과, 압축 및 충돌 실험에서도 금속으로만 이루어진 경우 에 비해 우수한 성능을 갖는다.

본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

1. 다수의 홀이 형성된 수지와, 상기 수지의 양 표면에 입혀진 금속 박막과, 상기 다수의 홀에 채워지며 상기 금속 박막과 연결되는 금속 연결부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀의 직경은 0.5～1.5㎝인 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지에 대한 상기 홀의 부피 분율은 30～60%인 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지는 폴리이미드(PI), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 박막은 구리 박막 또는 알루미늄 박막인 것을 특징으로 하는 전지 용 전극 집전체.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 박막과 상기 금속 연결부는 동일 재질인 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지의 두께는 5～20㎛인 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 박막 중 일면의 두께는 3～10㎛인 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 박막은 스퍼터링 또는 무전해도금에 의해 입혀진 것을 특징으로 하는 전지용 전극 집전체.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 전극 집전체를 사용한 이차전지.

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