KR101222405B1 - 젤리롤형 전극조립체를 가지는 이차 전지 - Google Patents

Abstract

두 전극과 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 적층 권취하여 형성하는 젤리롤 형 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스를 구비하며, 두 전극 가운데 적어도 하나에는 전극 집전체 일면에만 활물질층이 도포되는 반코팅 구간을 가지는 이차 전지에서, 반코팅 구간의 적어도 일부에서 전극 집전체 타면에는 활물질층 대신에 절연재질의 보상층을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다.

본 발명에 따르면 보상층은 젤리롤 형 전극 조립체 내부에서 압력이 불균일한 부분, 활물질층 밀도가 다른 부분이 발생하는 것을 방지하여 완성된 전지 내에서 전기 화학적 전지 현상이 고르게 이루어질 수 있도록 하며, 반코팅부와 같은 불균일부로 인한 압력 불균형과 그로 인한 전지 공정상, 사용상의 불량 발생 가능성을 낮출 수 있고, 결과적으로 전지의 기능과 수명을 개선할 수 있다.

Description

젤리롤형 전극조립체를 가지는 이차 전지{rechargeable battery having jelly roll type electrode assembly}

도1은 종래의 반코팅부 구성 형태를 나타내는 리튬 이온 이차 전지의 전극 단면도이다.

도2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에서 음극의 반코팅부에 보상층으로서 절연 재질의 테이프가 부착된 것을 나타내는 사시도 및 단면도이다.

도4는 본 발명의 다른 실시예를 형성하기 위한 절연 보상층 형성 방법의 일 예를 나타내는 공정 단면도이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10,110,210: 집전체 20,120,220,30,130,230: 활물질층

40: 반코팅부 140: 절연 테이프

50,150: 전극 탭 240: 합성 수지층

410,420: 슬릿 다이

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 압력 편차를 줄일 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.

휴대용 전자, 전기 기기의 사용이 증가하면서 이들의 전원으로서 충전 및 방전이 가능한 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소-금속(Ni-MH) 등의 이차 전지의 사용이 늘어나고 있다.

특히, 이차 전지 가운데에서도 부피 및 중량 대비 에너지 밀도를 높일 수 있는 리튬 이온 이차 전지의 사용은 급격히 늘어나 노트북 컴퓨터, 캠코더, 휴대전화 등 고가이며 휴대성을 요구하는 전자전기 기기에 리튬 이온 전지의 사용이 보편화되고 있다.

리튬 이온 이차 전지는 통상, 양극 활물질로 리튬 이온의 흡장(intercalation) 탈리(deintercalation)가 가능한 리튬-금속 산화물, 음극 활물질로도 리튬 이온의 흡장 탈리가 가능한 탄소재를 사용하고, 이들 두전극을 전기적으로 이격시킨 상태로 두 전극 사이에 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 비수성 전해질을 개재시켜 형성하는 이차 전지이다.

비수성 전해질을 사용하는 이차전지에서는 수계 전해질에 비해 이온 전도성이 떨어져 음극과 양극의 대향 면적을 넓히는 구조를 취한다. 두 전극 사이의 대향 면적을 높이는 구조로 두 전극을 얇은 띠형으로 길게 형성하고 이들 두 전극 사이의 단락을 막는 세퍼레이터를 개재시킨 상태로 겹치고 권취시켜 형성되는 젤리롤형 구조가 많이 사용된다.

각 전극의 대향 면적을 높이기 위해 띠형 전극은 금속 전극 집전체(10) 양면 에 활물질 코팅을 실시하여 형성한다. 젤리롤 구조의 특성상 겹치는 두 전극의 내측면/외측면(12,14)에서 서로 대향하지 못하는 구간이 생긴다. 즉, 내측에 감기는 전극의 처음 감기는 내측면의 제1 권회 구간과 외측에 감기는 전극의 최종에 감기는 외측면의 권회 구간은 두 전극의 대향면이 형성되지 않는다. 따라서, 이들 구간에서는 전극 양면 가운데 전극간의 대향이 이루어지는 측면에만 활물질층(20,30) 도포가 이루어진다. 이하 이들 편면에만 활물질 도포가 이루어지는 구간을 반코팅부(40)라 한다.

도1은 이러한 종래의 반코팅부 구성 형태를 나타내는 리튬 이온 이차 전지의 전극 단면도이다.

그러나, 활물질이 도포되지 않고 집전체 금속박이 드러난 부분을 '무지부'라 할 때, 무지부는 비 대면 구간에 한정되는 것은 아니다. 전극의 집전체(10)를 통해 이동된 전하를 전지 셀 외부로 인출하는 통로를 이루는 전극 탭(50)이 무지부에 용접되며, 젤리롤형 전극 조립체 권취시 맨드렐이 전극을 파지하는 부분도 무지부가 된다.

그런데, 반코팅부는 편면에만 활물질 도포가 이루어진 관계로 전체 전극조립체를 권취 형성할 때 압력 불균일부를 이루며, 활물질 도포 후 전극 활물질층 밀도를 높이기 위한 압연 단계에서도 압연의 균일성이 유지되지 않는 부분을 이루게 된다.

전지가 완성되어 충전 및 방전이 이루어질 때 이런 불균일 부분에서는 다른 부분과 비교할 때 전기 화학적인 반응, 전지 현상이 과잉으로 혹은 과소로 이루어 지기 쉽고, 이로 인하여 전기 기능을 저하시키거나, 전지의 불량, 수명의 단축을 가져올 수 있어 문제가 된다. 또한, 전지를 제조하는 단계에서도 이런 부분의 불균일성으로 인하여 공정상의 불량이 발생할 수 있다.

가령, 반코팅부에는 전극 제조를 위한 압연, 프레스 공정에서 얇은 두께로 인하여 낮은 압력이 가해지고, 활물질 코팅이 낮은 압력, 낮은 밀도로 전극 조립체와 결합된다. 이런 부분은 전지 충전시 전자가 집결되어 리튬 금속이 석출되는 덴드라이트 현상을 일으킬 수 있고, 단락이 일어나기 쉽다. 이 부분은 대개 무지부와 겹치므로 이 부분의 단락은 특히 하드 쇼트라 하여 급격한 발열, 폭발, 발화를 야기할 수 있다.

또한 충전에 의한 부피 변화시에는 양면 활물질 구간과의 압력 차이가 더 심해지고 빗감김 현상의 심화나, 전극 조립체의 변형과 그에 따른 전지 스웰링 현상을 일으킬 수도 있다.

본 발명은 상술한 종래의 젤리롤 형 전극 조립체에서의 반코팅부 구조에 따른 문제점을 개선하기 위한 것으로, 반코팅부로 인한 안전상의 문제발생 가능성을 낮출 수 있고, 전지 변형이나 수명주기 저하를 방지할 수 있는 전극 조립체를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 두 전극과 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 적층 권취하여 형성하는 젤리롤 형 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스를 구비하며, 두 전극 가운데 적어도 하나에는 전극 집전체 일면에만 활물질층이 도포되는 반코팅 구간을 가지는 이차 전지에서, 반코팅 구간의 적어도 일부에서 전극 집전체 타면에는 활물질층 대신에 절연재질의 보상층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 보상층은 합성 수지 재질의 테입이 될 수 있다.

본 발명에서 보상층은 타면에 형성된 활물질층의 두께와 같은 두께를 가지는 것이 바람직하며, 적어도 그 두께의 50% 이상으로 형성되도록 한다.

본 발명에서 보상층은 타면에서 활물질층 단부와 일부 구간 겹쳐 형성될 수 있으며, 특히 끌림 현상이 일어나는 활물질층 구간과 겹쳐 형성될 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에서 음극의 반코팅부에 보상층으로서 절연 재질의 테이프가 부착된 것을 나타내는 사시도 및 단면도이다.

리튬 이온 이차 전지의 음극은 통상 10 마이크로 메터 전후 두께의 구리 포일 집전체(110)에 100 마이크로 메터 전후 두께의 활물질층(120,130)을 코팅하여 형성한다. 활물질층은 천연흑연, 인조 흑연, 소프트 카본, 하드 카본 등 여러 가지 구조의 탄소 부재와 바인더 및 용매를 섞은 슬러리 형태로 구리 집전체에 도포되고, 건조를 통해 용매를 제거하며, 롤링(압연)하여 밀도를 조절함으로써 형성한다.

본 실시예에서 띠모양으로 길게 형성되는 전극에서 전극 탭(150)이 부착된 일 단부와 전극 탭이 부착되지 않은 타 단부측으로 모두 부분적으로 반코팅부가 형성되지만 전극 탭이 부착된 보다 넓은 반코팅부에만 보상층인 절연 테이프(140)가 부착된다.

절연 테이프(140)는 폴리에칠렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 계열의 합성 수지 기재 일면에 점착층을 형성하여 이루어질 수 있다. 절연 테이프는 전극 조립체를 권취하기 전 단계에서 해당 전극의 해당 구간에 부착된다. 단락 방지를 위해 전극 탭에 겹쳐 형성하는 절연 테이프나 세퍼레이터의 두께는 통상 20 마이크로 메터 전후의 두께이나 본 발명의 절연 테이프(140)는 한 겹 혹은 여러 겹으로 이루어진 총 두께가 활물질층(120,130)의 통상 두께인 100 마이크로 메터의 적어도 절반에 해당하는 50 마이크로 메터 이상 되도록 한다. 그러나, 활물질층의 두께보다 두껍지 않도록 형성하는 것이 전지 용적 및 중량 대비 충전용량 측면에서 바람직하다.

또한, 이 절연 테이프 내측에는 전극의 활물질층이 형성되지 않으므로 이온의 이동이 반드시 필요한 것이 아니므로 기재나 점착층이 리튬 이온을 통과시키지 않는 물질로 이루어질 수도 있으나, 전체적으로 이온 도전성을 가지는 물질로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.

도4는 본 발명의 다른 실시예를 형성하기 위한 절연 보상층 형성 방법의 일 예를 나타내는 공정 단면도이다.

도면에서는 집전체(210)가 롤러에 의해 움직이면서 위쪽에서 활물질층(220) 도포 및 절연 보상층(240) 도포가 연속으로 이루어지는 형태를 나타내고 있다. 가 령, 집전체(210)의 일 면에 먼저 활물질층(230) 슬러리 코팅이 이루어지고, 건조 된 뒤, 다른 집전체 면에 활물질층(220) 슬러리 코팅이 이루어진다. 이때 다른 집전체 면에 대한 활물질층 코팅부는 조금 적게 형성되고, 일면과 비교할 때 활물질 코팅이 이루어지지 않은 다른 면의 부분에는 활물질 도포를 위해 설치된 슬릿 다이(420) 다음에 위치하는(집전체의 이동 방향 기준) 다른 슬릿 다이(410)에 의해 합성수지층(240) 도포가 이루어진다.

합성 수지층(240)은 활물질층(220)과 동일한 수준의 100 마이크로 메터 두께로 이루어지며, 활물질 슬러리 건조 단계에서 함께 건조되어 고화된 합성수지층을 이루게 된다. 이런 합성수지층으로 발포성 합성수지층을 이용할 경우, 통상의 합성수지 필름을 활물질층 두께로 도포할 경우의 강직성이나 무게를 줄일 수 있다는 이점을 가질 수 있다.

이상의 실시예들에서 절연 보상층은 일부가 활물질층과 겹치게 형성될 수 있다. 이런 경우, 활물질층 끝단의 끌림부의 불규칙한 두께로 인한 압력 불균형을 함께 해소할 수 있다.

한편, 본 발명의 절연 보상층은 전극 조립체를 형성하는 전극의 전극탭 부착부분을 제외한 무지부 전체에 형성될 수 있다. 이런 경우, 전극 전반에 걸쳐서 단차진 부분이 생기지 않으므로 압력의 불균일성에 따른 부분적인 덴드라이트의 발생, 세퍼레이터 일부에 압력이 집중됨으로 인한 세퍼레이터 손상과 내부 단락, 전극의 빗감김 심화 및 전극조립체 변형에 의한 전지 스웰링 등의 문제점을 제거할 수 있다.

본 발명에서 보상층을 이루는 재질은 반드시 절연재로 형성될 필요는 없는 것이나, 금속 재질을 사용하는 경우, 재료 비용과 무게의 증가 등으로 바람직하지 못하다. 한편, 합성 수지 재질 대신에 무기물인 세라믹 재질로 보상층이 이루어지는 것도 생각할 수 있다.

본 발명에 따르면 보상층은 젤리롤 형 전극 조립체 내부에서 압력이 불균일한 부분, 활물질층 밀도가 다른 부분이 발생하는 것을 방지하여 완성된 전지 내에서 전기 화학적 전지 현상이 고르게 이루어질 수 있도록 하며, 반코팅부와 같은 불균일부로 인한 압력 불균형과 그로 인한 전지 공정상, 사용상의 불량 발생 가능성을 낮출 수 있고, 결과적으로 전지의 기능과 수명을 개선할 수 있다.

Claims (7)

1. 두 전극과 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 적층 권취하여 형성하는 젤리롤 형 전극 조립체,

   상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 구비하며,

   상기 두 전극 가운데 적어도 하나에는 전극 집전체 일면에만 활물질층이 도포되는 반코팅 구간을 가지는 이차 전지에서,

   상기 반코팅 구간의 적어도 일부에서 상기 전극 집전체 타면에는 상기 활물질층 대신에 절연재질의 보상층이 형성되며

   상기 보상층은 상기 타면에 형성된 활물질층의 두께의 50% 이상 100% 이하로 형성됨을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보상층은 합성 수지 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보상층은 합성 수지 기재에 점착층이 도포된 테이프 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 보상층은 합성 수지 도포층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 보상층은 발포성 합성 수지 도포층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 보상층은 상기 타면에 형성된 활물질층 끝 부분과 일부 구간 겹쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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