KR101217941B1 - 이차 전지 - Google Patents

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히데아끼 호리에
요시오 시모이다
교오이찌 와따나베
오사무 시마무라
유우이찌로오 야마무라
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 내구성이 우수한 이차 전지 및 이를 탑재한 차량을 제공하는 것이다.
전기 절연성을 갖는 모재층(11)의 한쪽 면에 정극(12)이 형성되고, 다른 쪽 면에 부극(13)이 형성된 전극 구조체(14)가, 인접하는 전극 구조체(14)의 정극(12)과 부극(13)이 대향하도록 전해질층(15)을 개재하여 복수 적층되어 이루어진다.

Description

이차 전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명은, 이차 전지 및 이를 탑재한 차량에 관한 것이다.
전기 자동차(EV)나 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 구동력을 발생하는 모터의 전원으로서, 리튬 이온 전지 및 니켈 수소 전지 등의 이차 전지의 개발이 한창이다.
이와 같은 이차 전지로서는, 수지 필름의 양면에 동일한 전극이 형성된 전극 구조체를 갖는 이차 전지가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평11-102711호 공보(도1)
그러나, 상기 이차 전지에서는, 수지 필름의 양면에 설치된 동일극의 전극으로부터 전기를 취출하기 위해, 수지 필름의 양면에 정극(正極)이 설치된 전극 구조체와 수지 필름의 양면에 부극(負極)이 설치된 전극 구조체가 교대로 적층되어 이루어지는 적층형의 이차 전지의 구조가 된다. 그로 인해, 전기를 취출하기 위한 전극 탭(접합 탭)은, 수지 필름의 양면의 동일 부위에 각각 장착될 필요가 있다. 따라서, 수지 필름의 양면에 장착된 2개의 전극 탭에 의해, 편평한 전극 구조체가 외팔보 빔 형상으로 1점에서 지지되므로, 이와 같은 이차 전지는 진동에 약해지는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은, 진동에 대한 내구성이 우수한 이차 전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 이차 전지를 탑재한 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 하기의 수단에 의해 달성된다.
본 발명의 이차 전지는, 전기 절연성을 갖는 모재층의 한쪽 면에 정극이 형성되고, 다른 쪽 면에 부극이 형성된 전극 구조체가, 인접하는 전극 구조체의 정극과 부극이 대향하도록 전해질층을 개재하여 복수 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 이차 전지를 차량의 구동용 전원으로서 탑재한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이차 전지에 따르면, 전극 구조체의 양면에 설치된 다른 극의 전극으로부터 전기가 취출되므로, 전극 구조체를 면 방향으로 다른 2점에서 지지할 수 있다. 그 결과, 이차 전지의 진동에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 차량에 따르면, 내구성이 우수한 이차 전지가 이용되므로, 차량의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 이차 전지를 도시하는 단면도.
도2는 도1에 도시하는 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도3은 도1에 도시하는 이차 전지의 변형예의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도4는 도1에 도시하는 이차 전지에 의한 전극 구조체의 휨량의 저감 효과를 설명하기 위한 도면.
도5는 일반적인 이차 전지의 개략 구성을 도시하는 단면도.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도7은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도8은 본 발명의 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 이차 전지에 의한 휨량의 저감 효과를 설명하기 위한 도면.
도9는 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도10은 본 발명의 제5 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도11은 본 발명의 제6 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 분해 사시도.
도12는 본 발명의 제7 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도.
도13은 본 발명의 제8 실시 형태인 차량을 도시하는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또, 이하의 도면에서는, 설명의 명확화를 위해 각 구성 요소를 과장하여 표현하고 있다. 또한, 도면 중, 같은 부재에는 동일 부호를 이용하였다.
(제1 실시 형태)
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 이차 전지를 외장 부재에 의해 전지로서 구성한 경우의 단면도이고, 도2는 도1에 도시하는 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
본 실시 형태의 이차 전지(100)는, 대략 설명하면, 전기 절연성을 갖는 모재층의 한쪽 면에 정극이 형성되고, 다른 쪽 면에 부극이 형성된 전극 구조체가, 인접하는 전극 구조체의 정극과 부극이 대향하도록 전해질층을 개재하여 복수 적층되어 이루어지는 것이다. 또, 본 실시 형태의 이차 전지(100)는 예를 들어 리튬 이온 이차 전지이다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 이차 전지(100)는, 전지 요소(10), 집전 탭부(확장부)(20), 접합 탭(집전 부재)(30), 전극 탭(40) 및 외장 부재(50)를 갖는다. 전지 요소(10), 집전 탭부(20) 및 접합 탭(30)은 외장 부재(50)의 내부에 수용되어 밀봉되어 있다. 외장 부재(50)는, 예를 들어 2매의 알루미늄 라미네이트 필름이 서로 열융착되어 이루어지고, 정극 탭(40a) 및 부극 탭(40b)이 외부로 도출된다.
이하, 본 실시 형태의 이차 전지(100)에 있어서의 전지 요소(10), 집전 탭부(20) 및 접합 탭(30)에 대해 상세하게 설명한다.
(전지 요소)
전지 요소(10)는 물질의 화학 반응 등을 이용하여 전기를 발생시키기 위한 것이다. 전지 요소(10)는 편평한 직사각 형상이며, 전기 절연성을 갖는 모재층(11)의 한쪽 면에 정극(12)이 형성되고, 다른 쪽 면에 부극(13)이 형성되어 이루어지는 전극 구조체(14)를 갖고, 인접하는 전극 구조체(14)의 정극(12)과 부극(13)이 대향하도록 전해질층(15)을 개재하여 복수 적층되어 이루어진다. 복수 적층된 전극 구조체(14) 중 최하위의 전극 구조체(14)의 하부에는, 모재층(11)의 한쪽 면에 정극(12)만이 형성되어 이루어지는 정극 말단극이 전해질층(15)을 개재하여 적층된다. 이에 대해, 최상위의 전극 구조체(14)의 상부에는, 모재층(11)의 한쪽 면에 부극(13)만이 형성되어 이루어지는 부극 말단극이 전해질층(15)을 개재하여 적층된다. 또, 전극 구조체(14)의 적층수는, 도1에 도시하는 형태에 한정되는 것은 아니다.
모재층(11)은 1층의 절연층으로 이루어지고, 모재층(11)을 사이에 끼우는 정극(12)과 부극(13)은 모재층(1l)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 이와 같은 모재층(11)은, 예를 들어 폴리이미드로 형성된다. 또, 본 실시 형태와 달리, 모재층(11)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 페놀 수지 및 에폭시 등의 열경화성 수지, 또는 고무, 염화비닐 수지, 폴리스티렌, ABS 수지, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 신전성(伸展性) 수지로 이루어질 수 있다. 혹은, 모재층(11)은, 예를 들어 상기 재료로 이루어지는 박막이 2개 이상 조합된 다층 구조로 형성될 수도 있다.
정극(12)은 모재층(11)의 한쪽 면에 정극 집전체층(12a) 및 정극 활물질층(12b)이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 부극(13)은 모재층(11)의 다른 쪽 면에 부극 집전체층(13a) 및 부극 활물질층(13b)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 정극 집전체층(12a)은, 예를 들어 알루미늄으로 이루어지고, 증착법 등에 의해 모재층(11)과 일체적으로 형성되어 있다. 부극 집전체층(13a)은, 예를 들어 구리로 이루어지고, 증착법 등에 의해 모재층(11)과 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 전해질층(15)은, 예를 들어 세퍼레이터 및 전해액으로 구성된다.
여기서, 인접하는 한 쌍의 모재층(11) 사이에 배치되는 정극(12), 전해질층(15) 및 부극(13)은, 발전의 최소 요소인 단전지층을 구성한다. 또한, 정극 활물질층(12b), 부극 활물질층(13b) 및 전해질층(15)은, 일반적으로 알려지는 각종 물질을 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
(집전 탭부)
집전 탭부(20)는, 전지 요소(10)의 단부로부터 연장되어, 전기를 취출하기 위한 접합 탭(30)이 접합되는 것이다. 집전 탭부(20)는 전극 구조체(14)의 단부로부터 모재층(11), 정극 집전체층(12a) 및 부극 집전체층(13a)이 연장되어 이루어진다. 본 실시 형태의 집전 탭부(20)는 전극 구조체(14)의 단부로부터 각각 반대 방향으로 연장되는 정극 집전 탭부(20a) 및 부극 집전 탭부(20b)를 갖는다.
(접전 탭)
접합 탭(30)은, 집전 탭부(20)에 접합되어 전지 요소(10)에서 발생되는 전기를 취출하는 것이다. 접합 탭(30)은, 전극 구조체(14)의 정극 집전 탭부(20a)에 접합되는 정극 접합 탭(30a)과, 부극 집전 탭부(20b)에 접합되는 부극 접합 탭(30b)을 갖는다. 정극 접합 탭(30a)은 예를 들어 알루미늄판으로 형성되고, 부극 접합 탭(30b)은 예를 들어 구리판으로 형성된다.
본 실시 형태의 정극 접합 탭(30a)은, 인접하는 전극 구조체(14)의 정극 집전 탭부(20a) 사이에 삽입되어 하측 정극 집전 탭부(20a)의 정극 집전체층(12a)에 접합되어, 전지 요소(10)의 외부로 도출된다. 마찬가지로, 부극 접합 탭(30b)은, 인접하는 전극 구조체(14)의 부극 집전 탭부(20b) 사이에 삽입되어 상측 부극 집전 탭부(20b)의 부극 집전체층(13a)에 접합되어, 전지 요소(10)의 외부로 도출된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 정극 접합 탭(30a)이 상측 정극 집전 탭부(20a)의 부극 집전체층(13a)과 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위해, 정극 접합 탭(30a)과 부극 집전체층(13a) 사이에는 절연층(35)이 마련된다. 마찬가지로, 부극 접합 탭(30b)이 하측 부극 집전 탭부의 정극 집전체층(12a)과 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위해, 부극 접합 탭(30b)과 정극 집전체층(12a) 사이에는 절연층(35)이 마련된다. 절연층(35)은, 예를 들어 캡톤 테이프와 같은 전기 절연 테이프 또는 절연지 등으로 이루어진다.
또한, 본 실시 형태의 접합 탭(30)은, 인접하는 전극 구조체(14)의 집전 탭부(20) 사이에 밀하게 삽입된다. 바꾸어 말하면, 본 실시 형태의 접합 탭(30)은, 인접하는 전극 구조체(14)의 집전 탭부(20) 사이의 공간을 충전할 수 있도록, 접합 탭(30)과 절연체층(35)의 두께의 합이, 정극 활물질층(12b)과 전해질층(15)과 부극 활물질층(13b)의 두께의 합과 대략 동일해지도록 형성된다.
그리고, 도2에 도시하는 바와 같이, 전지 요소(10)로부터 도출된 복수의 정극 접합 탭(30a)은 전지 요소(10)의 측부에서 중첩되어 서로 접합된다. 마찬가지로, 전지 요소(10)로부터 도출된 복수의 부극 접합 탭(30b)은, 전지 요소(10)의 반대측 측부에서 중첩되어 서로 접합된다. 서로 접합된 복수의 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)에는, 전지 요소(10)에서 발생된 전기를 외장 부재(50)의 외부로 취출하기 위한 정극 탭(40a) 및 부극 탭(40b)이 각각 접합된다. 집전 탭부(20), 접합 탭(30) 및 전극 탭(40)은 전기적인 저항을 저감시킬 수 있도록, 예를 들어 초음파 용접에 의해 서로 접합된다.
이상과 같이 구성되는 본 실시 형태의 이차 전지(100)는, 1층의 절연층으로 이루어지는 모재층(11)의 한쪽 면에 정극(12)이 형성되고, 다른 쪽 면에 부극(13)이 형성된 전극 구조체(14)가, 인접하는 전극 구조체(14)의 정극(12)과 부극(13)이 대향하도록, 전해질층(15)을 개재하여 복수 적층되어 이루어진다. 그리고, 정극 집전체층(12a), 모재층(11) 및 부극 집전체층(13a)이 일체적으로 형성되어 있는 전극 구조체(14)의 대향하는 단부에, 집전 탭부(20a, 20b)를 개재하여 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)이 접합된다. 따라서, 전극 구조체(14)가 2개의 접합 탭(30a, 30b)에 의해 양단부에서 지지되므로, 전극 구조체(14)의 휨이 저감된다. 그 결과, 접합 탭(30)과 집전 탭부(20)의 접합부가 진동 및 충격 등에 의해 열화되는 것이 억제되어, 이차 전지의 내구성이 향상된다.
또, 상술한 실시 형태에서는, 직사각 형상의 전지 요소(10)의 길이 방향을 따라 접합 탭(30a, 30b)이 도출되었다. 그러나, 도3에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 직사각 형상의 전지 요소(10)의 길이 방향의 측부(즉, 긴 변측)로부터 접합 탭(30a, 30b)이 도출되어도 좋다. 이와 같은 구성으로 하면, 전극 구조체(14)의 휨량이 한층 더 저감된다.
다음에, 도4 및 도5를 참조하면서, 본 실시 형태의 이차 전지의 휨에 대해 상세하게 설명한다.
도4는 본 실시 형태의 이차 전지에 의한 전극 구조체의 휨량의 저감 효과를 설명하기 위한 도면이다. 또, 도4에서는, 참고를 위해 도5에 도시되는 바와 같은 절연층의 양면에 동일한 전극이 형성되어 이루어지는 전극 구조체를 갖는 일반적인 이차 전지를 비교예로서 나타내고 있다.
도4의 (A) 및 도4의 (B)는, 본 실시 형태의 이차 전지의 개략적인 휨량의 계산 방법을 나타내는 도면이고, 도4의 (C) 및 도4의 (D)는 일반적인 이차 전지의 개략적인 휨량의 계산 방법을 나타내는 도면이다.
본 실시 형태의 이차 전지에 있어서의 전극 구조체는, 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)에 의해 양단부가 지지되므로, 도4의 (A) 및 도4의 (B)에 도시하는 바와 같이, 양단부 지지 빔에 집중 하중 또는 등분포 가중이 부여되는 모델로 표현된다. 한편, 일반적인 이차 전지의 전극 구조체는, 접합 탭에 의해 한쪽의 단부만이 지지되므로, 도4의 (C) 및 도4의 (D)에 도시하는 바와 같이, 외팔보 빔에 집중 하중 또는 등분포 가중이 부여되는 모델로 표현된다. 여기서, 도4에 나타내는 수식으로부터, 집중 하중이 중앙부에 작용하는 양단부 빔과, 집중 하중이 중앙부에 작용하는 외팔보 빔과, 집중 하중이 선단부에 작용하는 외팔보 빔 단부의 휨량의 비가, 1 : 5 : 16인 것을 알 수 있다. 또한, 등분포 하중이 작용하는 양단부 빔과, 등분포 하중이 작용하는 외팔보 빔의 중앙부의 휨량의 비가 1 : 9.6인 것을 알 수 있다. 따라서, 전극 구조체(14)가 양단부에서 지지되어 본 실시 형태의 이차 전지(100)는, 일반적인 이차 전지에 비해 1/10 내지 1/5 정도로 휨량이 저감되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는 이하의 효과를 발휘한다.
(a) 본 실시 형태의 이차 전지는, 전기 절연성을 갖는 모재층의 한쪽 면에 정극이 형성되고, 다른 쪽 면에 부극이 형성된 전극 구조체가, 인접하는 전극 구조체의 정극과 부극이 대향하도록 전해질층을 개재하여 복수 적층되어 이루어진다. 따라서, 전극 구조체의 한쪽 면에 정극 접합 탭이 장착되고, 다른 쪽 면에 부극 접합 탭이 장착되므로, 전극 구조체를 다른 2점에서 지지할 수 있다. 그 결과, 집전 탭부와 접합 탭의 접합부의 진동 및 충격 등에 의한 열화가 억제되어 이차 전지의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 이차 전지에 따르면, 세퍼레이터를 사이에 둔 정극과 부극의 극간 거리가 진동 등의 영향에 의해 확대되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 내부 저항의 증대를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 이차 전지에 따르면, 접합 탭 및 접합부의 수를 저감시킬 수 있는 동시에, 정극 및 부극에 관계없이, 1종류의 전극 구조체를 제작함으로써 이차 전지를 제작할 수 있다.
(b) 모재층은 1층의 절연층으로 이루어지고, 정극은 모재층의 한쪽 면에 순차적으로 적층되는 정극 집전체층 및 정극 활물질층을 갖고, 부극은 모재층의 다른 쪽 면에 순차적으로 적층되는 부극 집전체층 및 부극 활물질층을 갖는다. 따라서, 최소한의 구성 부재로 전극 구조체를 형성할 수 있다.
(c) 본 실시 형태의 이차 전지는, 전극 구조체의 단부로부터 모재층 및 정극 집전체층이 연장되어 이루어지고, 정극 접합 탭이 접합되는 정극 집전 탭부와, 전극 구조체의 단부로부터 모재층 및 부극 집전체층이 연장되어 이루어지고, 부극 접합 탭이 접합되는 부극 집전 탭부를 더 갖는다. 따라서, 전지 요소에서 발생되는 전기를 용이하게 외부로 취출할 수 있다.
(d) 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는, 전극 구조체가 대향하는 단부로부터 각각 연장되어 있다. 따라서, 전극 구조체를 양단부에서 지지할 수 있으므로, 전극 구조체의 휨을 보다 저감시킬 수 있다.
(e) 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭은 각각 복수 설치되어 있고, 정극 접합 탭은 인접하는 전극 구조체의 정극 집전 탭부 사이에 밀하게 삽입되고, 당해 인접하는 정극 집전 탭부 사이로부터 외부로 도출되어 있다. 한편, 부극 접합 탭은, 인접하는 전극 구조체의 부극 집전 탭 사이에 밀하게 삽입되고, 당해 인접하는 부극 집전 탭부 사이로부터 외부로 도출되어 있다. 따라서, 접합 탭이 보강 부재의 역할을 하여 이차 전지의 내구성이 한층 더 향상된다.
(f) 도3에 도시하는 구조에서는, 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는, 전극 구조체가 대향하는 단부의 간격이 가급적 짧아지도록, 직사각 형상의 전극 구조체의 길이 방향 측부로부터 연장된다. 따라서, 전극 구조체의 휨을 한층 더 저감시킬 수 있다.
(g) 모재층은 전술한 열경화성 수지 등과 같이 내열성을 갖는다. 따라서, 전극 구조체에서 발생되는 열을 방출할 수 있으므로, 이차 전지의 열 내구성이 향상된다.
(h) 모재층은 신장성을 갖는다. 따라서, 정극과 부극의 단락이 더 확실하게 방지되므로, 이차 전지의 신뢰성이 향상된다.
(제2 실시 형태)
제1 실시 형태에서는, 집전 탭부(20)와 접합 탭(30) 사이에 절연층(35)을 마련함으로써 접합 탭(30)과 정극(12) 또는 부극(13)과의 접촉에 의한 단락을 방지하였다. 본 실시 형태에서는, 절연층(35)을 이용하지 않고, 접합 탭(30)과 정극(12) 또는 부극(13)과의 단락을 방지한다.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도6에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 집전 탭부(20)의 한쪽 면은, 모재층이 노출되어 있다. 또, 집전 탭부의 한쪽 면에 모재층이 노출되어 있는 점을 제외하고는, 본 실시 형태의 이차 전지의 구성은, 제1 실시 형태의 구성과 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또한, 설명의 간소화를 위해 전극 탭 및 외장 부재는 생략하여 나타내고 있다.
본 실시 형태의 정극 집전 탭부(20a)는, 전극 구조체(14)의 단부로부터 정극 집전체층(12a) 및 모재층(11)만이 연장되어 이루어지고, 정극 접합 탭(30a)이 접합되는 접합부와 반대측 면은 모재층(11)이 노출되어 있다. 마찬가지로, 본 실시 형태의 부극 집전 탭부(13a)는, 전극 구조체(14)의 단부로부터 부극 집전체층(13a) 및 모재층(11)만이 연장되어 이루어지고, 부극 접합 탭(30b)이 접합되는 접합부와 반대측 면은 모재층(11)이 노출되어 있다.
그리고, 인접하는 정극 집전 탭부(20a) 사이에 삽입되는 정극 접합 탭(30a)은, 하측의 정극 집전 탭부(20a)의 정극 집전체층과 접합되는 한편, 상측의 정극 집전 탭부(20a)의 모재층과 접촉한다. 마찬가지로, 인접하는 부극 집전 탭부(20b) 사이에 삽입되는 부극 접합 탭(30b)은, 상측의 부극 집전 탭부(20b)의 부극 집전체층과 접합되는 한편, 하측의 부극 집전 탭부(20b)의 모재층과 접촉한다. 이와 같은 구성으로 하면, 정극 접합 탭(30a)과 부극(13)과의 접촉에 의한 단락이 방지되고, 부극 접합 탭(30b)과 정극(12)의 접촉에 의한 단락이 방지된다.
또, 본 실시 형태의 접합 탭(30)은 인접하는 전극 구조체(14)의 집전 탭부(20) 사이에 밀하게 삽입된다. 바꾸어 말하면, 본 실시 형태의 접합 탭(30)은, 인접하는 전극 구조체(14)의 집전 탭부(20) 사이의 공간을 충전할 수 있도록, 접합 탭(30)의 두께가 정극 활물질층(12b)과 전해질층(15)과 부극 활물질층(13b)의 두께의 합과 대략 동일해지도록 형성된다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는, 제1 실시 형태의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(i) 정극 집전 탭부의 정극 집전체층과 반대측 면은 모재층이 노출되어, 정극 접합 탭과 부극을 전기적으로 절연하고 있고, 부극 집전 탭부의 부극 집전체층과 반대측 면은 모재층이 노출되어, 부극 접합 탭과 정극을 전기적으로 절연하고 있다. 따라서, 정극 접합 탭(30a)과 부극(13)의 접촉에 의한 단락이 방지되고, 부극 접합 탭(30b)과 정극(12)의 접촉에 의한 단락이 방지된다. 또한, 집전 탭부(20)와 접합 탭(30) 사이에 마련되는 절연층(35)을 생략할 수 있다.
(제3 실시 형태)
다음에, 도7을 참조하면서, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 서술한다. 본 실시 형태는, 이차 전지의 동일 단부로부터 정극 탭 및 부극 탭을 도출하는 실시 형태이다.
도7에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 정극 집전 탭부(20a) 및 부극 집전 탭부(20b)는, 전극 구조체(14)의 하나의 단부로부터 일체적으로 연장되어 있고, 정극 접합 탭(30a) 및 부극 탭(30b)은 동일 방향으로 도출되어 있다. 또, 전지 요소(10)의 동일 단부로부터 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)이 도출되어 있는 것을 제외하고는, 본 실시 형태의 이차 전지의 구성은, 제1 실시 형태 및 제2 구성과 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 형태의 집전 탭부(20)는 전극 구조체(14)의 하나의 단부로부터 모재층(11), 정극 집전체층(12a) 및 부극 집전체층이 연장되어 이루어진다. 집전 탭부(11)의 상면은, 정극 접합 탭(30a)이 접합되도록 정극 집전체층이 부분적으로 연장되고, 나머지 부분은 모재층이 노출되어 있다. 또한, 집전 탭부(11)의 하면은, 부극 접합 탭(30b)이 접합되도록 부극 집전체층이 부분적으로 연장되고, 나머지 부분은 모재층이 노출되어 있다.
이와 같은 구성으로 하면, 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)에 의해, 전극 구조체(14)가 동일 단부의 다른 2점에서 지지된다. 그 결과, 절연층의 양면에 동일한 전극이 형성되고, 또한 동일 단부로부터 정극 탭 및 부극 탭이 도출되는 일반적인 이차 전지와 비교하여 전극 구조체의 휨이 저감된다.
다음에, 도8을 참조하면서, 상술한 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 이차 전지에 의한 휨량의 저감 효과에 대해 설명한다.
도8은 본 발명의 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 이차 전지에 의한 휨량의 저감 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도8의 (A)는 직사각 형상의 이차 전지의 길이 방향을 따라 대향하는 단부로부터 전극 탭이 도출된 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이며, 도8의 (B)는 직사각 형상의 이차 전지가 대향하는 길이 방향 측부로부터 전극 탭이 도출된 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도8의 (C)는 직사각 형상의 이차 전지의 길이 방향을 따라 동일 단부로부터 전극 탭이 도출된 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이고, 도8의 (D)는 직사각 형상의 이차 전지의 동일한 길이 방향 측부로부터 전극 탭이 도출된 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 또, 도8에 나타내는 L은, 도4에 나타내는 각 식의 L에 대응한다.
도8의 (A) 및 도8의 (B)에 도시하는 실시 형태에 관해서는, 제1 실시 형태에서 서술한 바와 같이, 외팔보 빔 형상으로 전극 구조체가 지지되는 일반적인 이차 전지(비교예)에 반해, 본 발명의 이차 전지에서는, 전극 구조체가 양단부에서 지지되므로, 전극 구조체의 휨이 저감된다. 특히, 도8의 (B)에 도시하는 실시 형태에 있어서, 전극 구조체의 휨량이 가장 저감된다. 한편, 도8의 (C) 및 도8의 (D)에 도시하는 실시 형태에서는, 전극 구조체가 외팔보 빔 형상으로 지지되는 점에 관해서는, 일반적인 이차 전지와 다르지 않다. 그러나, 본 발명의 이차 전지에서는, 도4의 (C) 및 도4의 (D)에 나타내는 수식을 기초로 하여 휨량을 계산할 때의 기준이 되는 빔의 길이(L)가 일반적인 이차 전지의 경우보다도 짧아지므로, 휨량의 저감 효과를 얻을 수 있다. 또, 도8에 나타내는 효과는, 효과가 높은 순으로 ◎ ＞ ○ ＞ △이다.
이상과 같이 구성되는 본 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태 및 제2 의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(j) 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는, 전극 구조체의 동일 단부로부터 각각 연장되어 있다. 따라서, 전극 구조체(14)를 동일 단부의 다른 2점에서 지지할 수 있으므로, 일반적인 이차 전지와 비교하여 전극 구조체의 휨이 저감된다. 그 결과, 이차 전지의 내구성이 향상된다.
(제4 실시 형태)
제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태에서는, 복수의 전극 구조체(14)의 각 정극 집전 탭부(20a) 및 부극 집전 탭부(20b)는, 각각 다른 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)에 접합되었다. 본 실시 형태에서는, 복수의 전극 구조체(14)의 정극 집전 탭부(20a) 및 부극 집전 탭부(20b)가, 동일한 정극 접합 탭(30a) 및 부극 접합 탭(30b)에 각각 접합된다.
도9는 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도9에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 이차 전지에서는, 복수의 정극 집전 탭부(20a) 및 부극 집전 탭부(20b)가 서로 중첩되지 않도록, 전극 구조체(14)마다 다른 위치로부터 각각 연장되어 있다.
보다 구체적으로는, 본 실시 형태의 정극 집전 탭부(20a)는 전지 요소(10)의 하부의 전극 구조체(14)로부터 상부의 전극 구조체(14)를 향함에 따라서, 전극 구조체(14)의 단부를 따라 소정 거리씩 이동한 위치로부터 각각 연장되어 있다. 마찬가지로, 본 실시 형태의 부극 집전 탭부(20b)는 전지 요소(10)의 하부의 전극 구조체(14)로부터 상부의 전극 구조체(14)를 향함에 따라서, 전극 구조체(14)의 단부를 따라 소정 거리씩 이동한 위치로부터 각각 연장되어 있다.
이와 같은 구성으로 하면, 복수의 집전 탭부(20a)를 하나의 접합 탭(30a)에 접합할 수 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있다. 또한, 접합 탭의 수를 저감시킬 수 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 전극 탭(40)이 생략되어, 접전 탭(30)이 외장 부재(50)의 외부에 직접 도출될 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(k) 복수의 전극 구조체의 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는, 하나의 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭과 각각 다른 위치에서 접합되도록 전극 구조체마다 다르게 설치되어 있다. 따라서, 복수의 집전 탭부를 하나의 접합 탭에 접합할 수 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
(l) 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는 전극 구조체마다 다른 위치로부터 연장되어 있다. 따라서, 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부를, 하나의 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭과 각각 다른 위치에서 접합할 수 있다.
(제5 실시 형태)
다음에, 도10을 참조하면서, 본 발명의 제5 실시 형태에 대해 서술한다. 본 실시 형태는, 복수 적층되는 전극 구조체(14)마다 다른 길이로 집전 탭부(20)가 연장되는 실시 형태이다.
도10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제5 실시 형태에 있어서의 이차 전지(100)에서는, 전극 구조체(14)마다 다른 길이로 집전 탭부(20a, 20b)가 연장되어 있다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태의 정극 집전 탭부(20a)는 전지 요소(10)의 하부의 전극 구조체(14)로부터 상부의 전극 구조체(14)를 향함에 따라서, 그 길이가 길어지도록 연장되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 부극 집전 탭부(20b)는 전지 요소(10)의 하부의 전극 구조체(14)로부터 상부의 전극 구조체(14)를 향함에 따라서 그 길이가 짧아지도록 연장되어 있다.
이와 같은 구성으로 하면, 복수의 집전 탭부(20)를 하나의 접합 탭(30)에 접합할 수 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있다. 또한, 접합 탭의 수를 저감시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 전극 탭(40)이 생략되어, 접합 탭(30)이 외장 부재(50)의 외부로 직접 도출될 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는, 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(m) 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는, 전극 구조체마다 다른 길이로 연장되어 있다. 따라서, 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부를 하나의 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭과 각각 다른 위치에서 접합할 수 있다.
(제6 실시 형태)
본 실시 형태는, 집전 탭부(20)에 개구부를 마련함으로써, 하나의 접합 탭(30)에 복수의 집전 탭부(20)를 접합하는 실시 형태이다.
도11은 본 발명의 제6 실시 형태 있어서의 이차 전지의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도이다. 도11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제6 실시 형태에 있어서의 집전 탭부(20)는 전극 구조체(14)마다 다른 위치에 개구부가 마련되어 있다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태의 이차 전지(100)에서는, 전지 요소(10)의 하부의 전극 구조체(14)로부터 상부의 전극 구조체(14)를 향함에 따라서, 집전 탭부(20)의 측부로부터의 거리가 멀어지도록 각 개구부가 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 초음파 용접에 의한 접합 폭을 T, 개구부의 폭(펀칭 폭)을 W로 하고, 각 개구부의 집전 탭부(20)의 측부로부터의 거리(즉, 접합 여유부)를 t1, t2, t3…으로 하면, T ＜ t1 ＜ t2 ＜ t3…, 또한 T × 적층 매수 ＜ W가 되도록 개구부가 형성된다.
도11에 도시하는 바와 같이, 최하부의 제1 집전 탭부(20p)는 측부 근방의 영역에서 접합 탭(30a)에 접합되고, 아래에서부터 2번째의 제2 집전 탭부(20q)는 제1 집전 탭부(20p)에 형성되는 개구부를 통해 접합 탭(30a)에 접합된다. 마찬가지로, 아래에서부터 3번째의 제3 집전 탭부(20r)는 제1 및 제2 집전 탭부(20p, 20q)에 형성되는 개구부를 통해 접합 탭(30a)에 접합되고, 최상부의 제4 집전 탭부(20s)는 제1 내지 제3 집전 탭부(20p, 20q, 20r)에 형성되는 개구부를 통해 접합 탭(30a)에 접합된다.
이와 같은 구성으로 하면, 복수의 집전 탭부(20)를 동일 접합 탭(30)에 접합할 수 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있다. 또한, 접합 탭의 수를 저감시킬 수 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 전극 탭(40)이 생략되어, 접합 탭(30)이 외장 부재(50)의 외부로 직접 도출될 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는, 제1 실시 형태 내지 제5 실시 형태의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(n) 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부에는, 전극 구조체마다 다른 위치에 개구부가 마련되어 있고, 복수의 개구부를 통해 복수의 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부는, 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭에 각각 접합되어 있다. 따라서, 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부를, 하나의 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭과 각각 다른 위치에서 접합할 수 있다.
(제7 실시 형태)
다음에, 도12를 참조하면서, 본 발명의 제7 실시 형태에 대해 설명한다. 본 실시 형태는, 집전 탭부(20)의 정극 집전체층 및 부극 집전체층을 패터닝한 실시 형태이다.
도12에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 집전 탭부(20)를 이루는 정극 집전체층 및 부극 집전체층 중 적어도 한쪽이 패터닝되어 있다. 보다 구체적으로는, 집전 탭부(20)의 집전체층은, 접합 탭(30)이 접합되는 피접합부(21)와, 전극 구조체(14)의 단부와 피접합부(21)를 연결하는 복수의 전류 경로부(22)를 갖는다. 이와 같은 패터닝된 정극 집전체층 또는 부극 집전체층은, 금속을 증착할 때에, 모재층이 노출되는 원하는 영역을 미리 마스킹함으로써 형성된다. 또, 전류 경로부(22)의 수는, 도12에 나타내는 형태에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 두께 t 및 폭 w를 갖는 4개의 전류 경로부(22)에 관하여, 충방전시의 최대 전류(I)로 하면, 이 때의 전류 밀도는 I/(t × w)로 나타내므로, 과충전시 등의 전류 상승분(ΔI)에 의해 패터닝부가 용해되어 전류 회로가 차단되도록 전류 경로부(22)의 폭 w를 설정한다. 이와 같은 구성으로 하면, 집전 탭부(20)에 퓨즈 기능을 부여할 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(o) 정극 집전체층 또는 부극 집전체층은, 정극 집전 탭부 및 부극 집전 탭부에 있어서 부분적으로 전류 밀도가 증가하도록 패터닝되어 있다. 따라서, 집전 탭부가 퓨즈로서의 역할을 다하므로, 이차 전지의 신뢰성이 향상된다.
(제8 실시 형태)
도13은 본 발명의 제8 실시 형태인 차량으로서 자동차를 도시하는 개략 구성도이다.
제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태에서 설명한 이차 전지(100)는, 직렬 또는 병렬로 복수 접속되어 전지 모듈(110)을 형성하고, 이 전지 모듈이 또한 직렬 또는 병렬로 복수 접속되어 조전지(120)를 형성할 수 있다. 이와 같은 이차 전지(100), 전지 모듈(110) 및/또는 조전지(120)를 자동차 및 전철 등의 차량에 탑재하여, 모터 등의 전기 기기의 구동용 전원에 사용할 수 있다.
조전지(120)를 전기 자동차(200)에 탑재하기 위해서는, 도13에 도시하는 바와 같이, 전기 자동차(200)의 차체 중앙부의 좌석 하부에 탑재한다. 좌석 하부에 탑재하면, 차내 공간 및 트렁크 룸을 넓게 취할 수 있다. 또한, 조전지(120)를 탑재하는 장소는, 좌석 하부에 한정되지 않고, 후방부 트렁크 룸의 하부 혹은 차량 전방의 엔진 룸이라도 좋다. 이상과 같은 조전지(120)를 이용한 전기 자동차(200)는 높은 내구성을 갖고, 장기간 사용해도 충분한 출력을 제공할 수 있다. 또한, 연비, 주행 성능이 우수한 전기 자동차, 플러그인ㆍ하이브리드 자동차(PHEV)를 제공할 수 있다. 또한, 이와 같은 차량용 전원으로서 사용하기 위해, 이차 전지의 내부 저항은 1 내지 5 mΩ 정도인 것이 바람직하다.
또, 본 발명에서는, 조전지(120)뿐만 아니라, 사용 용도에 따라서는, 전지 모듈(110)만을 탑재하도록 해도 좋고, 이들 조전지(120)와 전지 모듈(110)을 조합하여 탑재해도 좋다.
이상과 같이 설명한 본 실시 형태는, 제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태의 효과에 더하여, 이하의 효과를 발휘한다.
(p) 본 실시 형태의 전기 자동차는, 제1 실시 형태 내지 제7 실시 형태에 나타내는 이차 전지를 구동용 전원으로서 탑재하고 있다. 따라서, 진동에 강하고, 내구성이 우수한 이차 전지가 이용되므로, 전기 자동차의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 제1 실시 형태 내지 제8 실시 형태에 있어서, 본 발명의 이차 전지 및 이를 탑재한 차량을 설명하였다. 그러나, 본 발명은, 그 기술사상의 범위 내에 있어서 당업자가 적절하게 추가, 변형, 생략할 수 있는 것은 물론이다.
예를 들어, 상술한 제1 실시 형태 내지 제8 실시 형태에서는, 이차 전지는 동일 형태의 정극 집전 탭부와 부극 집전 탭부를 구비하는 대칭 구조로 형성되었다. 그러나, 정극 집전 탭부와 부극 집전 탭부가 다른 형태로 형성되어도 좋다. 예를 들어, 정극 집전 탭부는 전극 구조체마다 다른 위치로부터 연장되는 한편, 부극 집전 탭부는 전극 구조체마다 다른 길이로 연장된다. 이와 같은 구성으로 하면, 정극과 부극을 용이하게 구별할 수 있다.
또한, 제4 실시 형태 내지 제7 실시 형태에 있어서의 집전 탭부의 구성은, 전극 구조체의 다른 단부로부터 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭이 각각 도출되는 양쪽 탭 형태의 이차 전지에 한정되는 것은 아니며, 전극 구조체의 동일 단부로부터 정극 접합 탭 및 부극 접합 탭이 각각 도출되는 한쪽 탭 형태의 이차 전지에도 이용할 수 있다.
이하, 실시예를 이용하여 본 발명의 실시 형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 본 실시예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는, 우선 본 발명의 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 나타내는 이차 전지를 제작하였다. 그리고, 제1 실시예 내지 제6 실시예에 있어서, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 대응하여 제작한 이차 전지를 대상으로 해머링 시험을 실시하였다.
구체적인 시험 방법으로서는, 이차 전지의 중앙부에 가속도 픽업을 장착하여, 임펄스 해머에 의해 이차 전지에 외력을 작용시켰다. 가속도 픽업에 의해 측정된 진동 스펙트럼을, FFT 분석기를 이용하여 주파수와 가속도 진폭으로 변환하고, 얻어진 주파수를 평균화 및 스무딩하여, 기준(도5에 도시하는 일반적인 이차 전지의 시험 결과)에 대한 진동 감쇠율의 향상 효과를 산출하였다. 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 나타내는 이차 전지에 대응하는 제1 실시예 내지 제6 실시예에 대한 시험 결과를 표1에 나타낸다.
또, 제1 실시예 내지 제6 실시예에 있어서의 각 구성 요소의 제원은 이하와 같다.
모재층 : 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 사이즈 150 ㎜ × 100 ㎜ × 15 ㎛
정극 집전체 : 알루미늄, 사이즈 150 ㎜ × 100 ㎜ × 5 ㎛
부극 집전체 : 구리, 사이즈 150 ㎜ × 100 ㎜ × 5 ㎛
정극 활물질 : 망간산리튬, 사이즈 150 ㎜ × 100 ㎜ × 100 ㎛
부극 활물질 : 하드 카본, 사이즈 150 ㎜ × 100 ㎜ × 100 ㎛
세퍼레이터 : 폴리프로필렌, 사이즈 150 ㎜ × 100 ㎜ × 20 ㎛
적층수 : 10층
진동 감쇠율의 향상 효과[％]
제1 실시예 90
제2 실시예 90
제3 실시예 33
제4 실시예 60
제5 실시예 70
제6 실시예 50
표1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 나타내는 이차 전지의 전체에 있어서, 진동 감쇠율의 향상 효과가 확인되었다. 특히, 본 발명의 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 나타내는 이차 전지에서는, 매우 높은 효과가 확인되었다.
이상과 같이, 본 발명의 이차 전지에 따르면, 내구성이 향상되는 것이 확인되었다.
10 : 전지 요소
11 : 모재층
12 : 정극
13 : 부극
14 : 전극 구조체
15 : 전해질층
20 : 집전 탭부
30 : 접합 탭
100 : 이차 전지
200 : 전기 자동차

Claims (1)

  1. 전기 절연성을 갖는 1층의 모재층의 한쪽 면에 정극이 형성되고 다른 쪽 면에 부극이 형성된 전극 구조체가, 인접하는 전극 구조체의 정극과 부극이 대향하도록 전해질층을 개재하여 복수 적층되어 이루어지고,
    상기 정극은 상기 모재층의 한쪽 면에 순차적으로 적층되는 정극 집전체층 및 정극 활물질층을 갖고, 상기 부극은 상기 모재층의 다른 쪽 면에 순차적으로 적층되는 부극 집전체층 및 부극 활물질층을 갖고,
    상기 전극 구조체의 한쪽 단부로부터 상기 정극 집전체층, 상기 모재층 및 상기 부극 집전체층이 연장되어 이루어지고, 상기 정극 집전체층에 정극 집전 부재가 접합되는 정극 확장부와,
    상기 전극 구조체의 다른 쪽 단부로부터 상기 정극 집전체층, 상기 모재층 및 상기 부극 집전체층이 연장되어 이루어지고, 상기 부극 집전체층에 부극 집전 부재가 접합되는 부극 확장부를 갖고,
    상기 정극 집전 부재와 상기 부극 집전체층 사이, 그리고 상기 부극 집전부재와 상기 정극 집전체층 사이에는 각각 절연층(35)이 마련되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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