KR101285745B1 - 개선된 구조의 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 구조의 젤리-롤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취하여 구성된 젤리-롤형 전극조립체("젤리-롤")로서, 양극의 무지부에 양극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 음극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 음극 탭은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 근접하여 위치해 있고, 상기 양극 탭과 음극 탭은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

개선된 구조의 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지 {Jelly-Roll of Improved Structure and Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 개선된 구조의 젤리-롤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취하여 구성된 젤리-롤형 전극조립체("젤리-롤")로서, 양극의 무지부에 양극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 음극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 음극 탭은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 근접하여 위치해 있고, 상기 양극 탭과 음극 탭은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하고 있는 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래기술의 각형 전지의 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)가 각형 금속 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(10)의 음극은 음극 탭(112)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(10)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(114)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
또한, 전극 탭들(112, 114)을 제외하고 전극조립체(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 전극조립체(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 덮고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접에 의해 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(36)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지로 제작된다.
한편, 상기 구조의 각형 전지는 음극 탭(112)이 전극조립체(10)의 권취 내측 단부에 위치하고 양극 탭(114)이 권취 외측 단부에 위치하고 있으며, 양극 탭(114)과 음극 탭(112)의 거리(D')가 대략 10 내지 11 mm 정도이다. 그러나, 본 출원의 발명자들이 확인한 바로는, 이러한 구조의 전극조립체(10)는 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 자기장이 많이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 젤리-롤 전극조립체(10)를 포함하는 이차전지가 장착된 디바이스, 특히, 전류 용량이 큰 GSM 방식의 휴대폰에서 자기장에 의해 전파신호의 교란이 유발되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 전파신호의 교란은, 예를 들어, 휴대폰 사용자가 보청기를 끼고 있는 경우, 정상적인 통화를 어렵게 만든다.
결과적으로, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 양극의 무지부에 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 장착된 음극 탭을 근접하여 위치하도록 구성할 경우, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤은 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취하여 구성된 젤리-롤형 전극조립체("젤리-롤")로서,
양극의 무지부에 양극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 음극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 음극 탭은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 근접하여 위치해 있고,
상기 양극 탭과 음극 탭은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하고 있는 구조로 구성되어 있다.
본 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 양극 과 음극은 분리막이 개재된 상태에서 서로 대면하고 있으므로 전류의 통전시 자기장이 거의 대부분 상쇄되는 반면에, 전극 탭은 전극 시트에 비해 상대적으로 매우 작음에도 불구하고 전극 시트로부터의 전류가 밀집되어 강한 자기장을 유발하므로, 전극조립체 전체로부터 발생하는 자기장은 실질적으로 전극 탭들의 위치에 의해 좌우됨을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤에서 양극 시트의 무지부에 장착된 양극 탭과 음극 시트의 무지부에 장착된 음극 탭은 근접하여 젤리-롤의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하고 있는 구조로 위치함으로써, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 서로 반대 방향으로 발생하는 자기장이 양극 탭과 음극 탭의 근접한 위치 구조에 의해 상쇄되어, 종래와 같이 양극 탭과 음극 탭이 상대적으로 멀리 위치한 구조의 젤리-롤과 비교하여 자기장의 발생을 최소화할 수 있다.
또 다른 바람직한 예로서, 본 발명에 따른 젤리-롤은 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취하여 구성된 젤리-롤형 전극조립체("젤리-롤")로서,
양극의 무지부에 양극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 음극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 음극 탭은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 근접하여 위치해 있고,
상기 양극 탭과 음극 탭은 젤리-롤의 권취 내측 단부 상에 함께 위치하고 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤에서 양극 시트의 무지부에 장착된 양극 탭과 음극 시트의 무지부에 장착된 음극 탭은 근접하여 젤리-롤의 권취 내측 단부 상에 함께 위치하고 있는 구조로 위치함으로써, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 서로 반대 방향으로 발생하는 자기장이 양극 탭과 음극 탭의 근접한 위치 구조에 의해 상쇄되어, 종래와 같이 양극 탭과 음극 탭이 상대적으로 멀리 위치한 구조의 젤리-롤과 비교하여 자기장의 발생을 최소화할 수 있다.
본 발명에서 상기 양극 탭과 음극 탭의 거리는 가까울수록 전기장 상쇄효과가 극대화될 수 있으며, 상기 양극 탭과 음극 탭의 거리는 그러한 전기장 상쇄효과를 최적화하는 측면에서, 바람직하게는 상호 근접한 에지면의 거리가 (음극 탭의 폭 + 양극 탭의 폭) x 150% 이내인 크기일 수 있다.
또한, 상기 양극 탭과 음극 탭의 상호간 거리는 좌우 방향 또는 전후 방향에서 결정될 수 있고, 예를 들어 8 mm 이내일 수 있다.
본 발명은 또한, 양극활물질 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 마주하는 위치의 양극활물질 코팅 경계부에 절연테이프를 부착함으로써 전기절연성을 확보하고 안전성을 향상시킨 젤리-롤을 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 양극의 권취 시작부는 양극 집전체 상부와 하부 모두에 양극 활물질 코팅부를 가짐으로써 양극 무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭의 설치를 위한 양극 무지부를 포함하며, 상기 양극 권취 종료부에 위치하고, 상기 음극과 대향하는 양극 활물질 코팅부의 경계면은 절연테이프를 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 양극의 권취 시작부는 양극집전체 상부와 하부 모두에 양극활물질 코팅부를 가짐으로써 양극 무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭의 설치를 위한 양극 무지부를 포함하며, 상기 양극 무지부 말단부의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 더 포함하고, 상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면은 절연테이프를 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 양극의 권취 시작부 및 권취 종료부는 양극 무지부를 포함하고, 상기 권취 시작부의 내측 양극 무지부에는 양극 탭이 설치되며, 상기 양극 탭이 설치되는 쪽의 양극 무지부 말단은 절연테이프를 포함하고, 상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면은 절연테이프를 포함하고 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 양극의 권취 시작부 및 권취 종료부는 양극 무지부를 포함하고, 상기 권취 시작부의 내측 양극 무지부에는 양극 탭이 설치되며, 상기 양극 탭이 설치되는 쪽의 양극 무지부 말단은 절연테이프를 포함하고, 분리막을 사이에 두고 양극 코팅 경계면의 무지부와 음극활물질 코팅부가 접하는 부위, 및 음극 탭과 양극 탭이 서로 다른 극성을 가지는 전극 집전체와 접촉하는 부위는 절연 테이프를 포함하고 있어서 분리막과 함께 이중의 절연을 구비하고 있는 구조로 구성될 수 있다.
한편, 상기 절연테이프는 절연 특성이 우수한 것이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 200℃까지 열수축되지 않는 재료가 바람직하다. 또한, 열을 받으면 다소간 신축되는 재료를 사용하면, 전극 간에 위치된 분리막에 문제가 생기더라도 그 부분을 해결할 수 있다.
상기 절연테이프로는 폴리이미드 테이프, 아세테이트 테이프, glass cloth 테이프, 폴리에스테르 테이프, 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide, PPS), 및 폴리프로필렌(polypropylene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으며, 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름이 바람직하다.
또한, 상기 절연테이프의 두께는 10 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기의 젤리-롤을 포함하는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 바람직하게는 젤리-롤이 각형 또는 파우치형의 전지 케이스에 내장되어 있는 각형 전지 또는 파우치형 전지일 수 있으며, 각형 전지의 경우 양극 탭과 음극탭을 근접하여 위치시킨 상태로 젤리-롤을 형성하고, 상기 젤리-롤을 각형 전지케이스에 삽입한 다음, 전지케이스의 개방 상단에 돌출형 음극단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합시키고 전해액을 탑 캡에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 주입함으로써 제조될 수 있다.
한편, 상기 소정의 각도는 바람직하게는 30 내지 90도일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 90도일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤은 양극의 무지부에 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 장착된 음극 탭을 근접하여 위치하도록 구성함으로써, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있다.
도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래기술의 각형 전지의 부분 모식도이다;
도 2는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 각형 전지의 부분 모식도이다;
도 4는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 각형 전지의 부분 모식도이다;
도 6은 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도이다;
도 11은 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 12는 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 13은 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 확대한 수평 단면 모식도이다;
도 14는 본 발명의 실시예 1, 2의 전지와 비교예 1의 전지에 대한 실험방법을 나타내는 모식도이다;
도 15는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 각형 전지의 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 젤리-롤(10a)은 양극집전체(158)의 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극(152)과 음극집전체(156)의 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극(154)이 분리막(142a, 142b)을 이용하여 대향하도록 권취한 구조로 구성되어 있다.
또한, 양극(152)의 무지부(158')에 양극의 길이 방향에 대해 수직으로 장착된 양극 탭(114)과, 음극(154)의 무지부(156')에 음극의 길이 방향에 대해 수직으로 장착된 음극 탭(112)은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 근접하여 위치해 있다.
양극 탭(114)과 음극 탭(112)은 젤리-롤(10a)의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하고 있고, 양극 탭(114)과 음극 탭(112)의 거리(d')는 상호 근접한 에지면의 거리가 (음극 탭의 폭 + 양극 탭의 폭) x 130%로서 대략 5 mm로 이루어져 있다.
양극(152)은 양극집전체(158)의 상부와 하부 양면에 양극활물질 코팅부(120a, 120b)를 포함하되, 양극집전체(158)의 적어도 한 방향, 바람직하게는 권취 종료부에 위치하여 양극 탭(114)의 설치를 위한 양극활물질 미코팅부인 양극 무지부(158')를 포함하지만, 양극 탭(114)을 포함하지 않는 양극집전체(158)의 다른 한 방향에는 양극집전체(158)의 적어도 어느 한 면이라도 양극활물질이 미도포된 양극 무지부를 포함하고 있지 않다.
즉, 음극(154)과 양극 무지부(158')가 접촉함에 따라 단락전류와 발열량이 높아 안전성을 크게 떨어뜨리는 위험요소를 양극 무지부(158')를 설치하지 않음에 따라 미연에 방지하게 된다. 이러한 양극 구조는 양극활물질 코팅부가 포함되지 않은 양극 무지부를 1회 절단한 후, 양극활물질이 코팅된 코팅부를 절단하는 2단계 커팅(2-step cutting)을 이용하거나 또는 블록 커팅(block cutting) 등에 의해 구현 가능하다.
음극은 음극집전체(156)의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부(140a, 140b)를 포함하고, 음극집전체(156)의 권취 시작부 또는 종료부 중 적어도 한쪽에는 음극활물질 코팅부를 포함하지 않는 음극 무지부(156')를 포함하여, 여기에 외부단자와 접속하기 위한 음극 탭(112)이 접속되도록 한다.
또한, 분리막(142a, 142b)은 음극의 종료부보다 보다 길게 연장되어 위치하도록 설계하여, 분리막이 열에 의해 수축되더라도 음극 전극을 차단시키도록 한다.
더욱이, 음극집전체(156) 상부와 하부의 음극활물질 코팅부(140a, 140b)는 분리막(142a, 142b)을 사이에 두고 양극 활물질 코팅부(120a, 120b)와 접하는데, 음극활물질 코팅부(140a, 140b)와 접하는 양극은 양극집전체 양면 모두에 양극활물질 코팅부(120a, 120b)에 접하게 되고, 양극활물질 미코팅부인 양극 무지부를 포함하지 않으므로 음극과의 단락을 미연에 방지하게 된다.
또한, 권취 종료부인 음극집전체(156) 상부의 음극활물질 코팅부(140a)는 분리막(142a)을 사이에 두고, 양극 탭(114)이 설치된 쪽의 양극집전체 하부의 양극활물질 코팅 경계면에 접하는 바, 이 때 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(116b)를 추가하여 양극활물질이 코팅되지 않은 양극무지부(158')와 음극활물질 코팅부(140a)의 단락을 방지한다.
한편, 권취 종료부인 음극집전체(156) 하부의 음극활물질 코팅부(140b)는 분리막(142b)을 사이에 두고, 양극 탭(114)이 설치된 쪽의 양극집전체 상부의 양극활물질 코팅 경계면에 접하는 바, 본 발명에서는 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(116a)를 추가하여 양극활물질이 코팅되지 않은 미코팅부인 양극집전체와 접촉하지 않도록 한다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 각형 전지의 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 젤리-롤(10b)에서 양극(152)의 무지부(158')에 장착된 양극 탭(114)과 음극(154)의 무지부(156')에 장착된 음극 탭(112)은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 젤리-롤(10b)의 권취 내측 단부 상에 근접하여 위치해 있다.
또한, 도 3의 젤리-롤(10a)과 마찬가지로, 양극 탭(114)과 음극 탭(112)의 거리는 대략 5 mm로 이루어져 있고, 음극(154)의 권취 단부와 인접한 양극(152)의 상면과 하면에는 절연 테이프(116a, 116b)가 부착되어 있다.
양극 탭(114)은 양극(152)의 무지부(158') 하면에 부착되어 있고, 양극 탭(114)의 하면 및 무지부(158')의 상면에는 절연 테이프(118a, 118b)가 부착되어 있어서, 외력이 인가되어 젤리-롤(10b)의 변형이 발생하더라도 양극 탭(114)과 음극(154)의 접촉을 방지하게 된다.
도 7 내지 도 9에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도들이 도시되어 있다.
먼저, 도 7의 젤리-롤(10c)은 도 4의 젤리-롤(10a) 구조와 비교하여 양극 탭이 설치된 양극 무지부 말단의 상하 양면에 양극활물질 코팅부(117a, 117b)를 더 포함하고 있다.
또한, 도 4의 젤리-롤(10a) 구조와 마찬가지로 양극은 권취 시작부에 양극 무지부를 포함하지 않고, 양극 탭(114)이 설치된 양극무지부의 말단의 상부와 하부 모두에 각각 위치된 양극활물질 코팅부(117a, 117b)는 별도의 절연테이프를 포함하고 있지 않다.
분리막(142a, 142b)은 음극 종료부로부터 최소 5 mm 이상 연장되도록 구성되어 있어서, 분리막이 수축되더라도 음극활물질의 노출부를 차단하게 된다.
또한, 권취 시작부의 음극 무지부(156') 커팅면의 양쪽에는 모두 여러 장의 분리막이 위치하고 있어 커팅면의 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있으며, 권취 종료부의 음극 무지부 커팅면의 양면은 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 양극과 대향하고 있지만, 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(116a, 116b)가 위치하고 있어 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킨다.
도 7의 젤리-롤(10c)에서, 절연테이프는 도 4의 젤리-롤(10a) 구조와 마찬가지로, 양극 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(116a, 116b)에 부착시킴으로써 양극활물질의 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지한다.
이와 같은 양극활물질 코팅부의 경계면에 부착되는 절연테이프(116a, 116b)는 전극의 와인딩 공정 또는 광폭의 전극 제조공정에서 부착시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 8의 젤리-롤(10d)은 도 7의 젤리-롤(10c) 구조와 비교하여 절연테이프를 더 포함하고 있다. 구체적으로는, 양극 선단부의 양극집전체의 상부 및 하부에 양극활물질 코팅부 경계면(119c, 119d), 양극 활물질 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(116a, 116b), 및 양극 종료부의 양극무지부 말단에 형성된 추가의 양극활물질 코팅부(117a, 117b)의 상, 하부의 경계면(119a, 119b) 모두에 절연테이프를 부착시킴으로써 양극활물질 미코팅부와 음극 활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지하게 된다.
다음으로, 도 9의 젤리-롤(10e)은 양극집전체(158) 양 말단 모두에 양극활물질 코팅부를 포함하지 않는 양극무지부(158')를 포함하고 있다. 따라서, 양극의 권취 시작부로부터 일정 간격 이격된 위치에서 양극집전체의 상부와 하부에 양극활물질 코팅부가 시작되며, 양극의 권취시작부는 와인딩시 1장의 분리막을 사이에 두고 음극활물질 코팅부와 접하게 된다.
또한, 도 9의 젤리-롤(10e)은 이러한 양극무지부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 단락방지를 위하여, 양극 선단부로부터 양극활물질 코팅 경계면의 상부와 하부에 절연테이프(119a, 119b)를 추가한 구조로 이루어져 있다.
더욱이, 양극 활물질 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(116a, 116b), 및 양극 탭이 위치한 양극 집전체 말단의 양극무지부의 상부와 하부(119a, 119b)에 절연테이프를 부착시킴으로써 양극활물질의 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지한다.
도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하기 전의 부분 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 젤리-롤(10f)은 양극의 권취 시작부 및 권취 종료부는 양극 무지부(158')를 포함하고, 권취 시작부의 내측 양극 무지부(158')에는 양극 탭(114)이 설치되며, 양극 탭(114)이 설치되는 쪽의 양극 무지부 말단은 절연테이프(118b)를 포함하고 있다.
또한, 분리막(142b)을 사이에 두고 양극 코팅 경계면의 무지부(158')와 음극활물질 코팅부(140b)가 접하는 부위, 및 음극 탭(112)과 양극 탭(114)이 서로 다른 극성을 가지는 전극 집전체와 접촉하는 부위는 절연 테이프(118a, 112f)를 포함하고 있다.
따라서, 도 10의 젤리-롤(10f)은 분리막(142b)과 함께 이중의 절연을 구비하고 있다.
도 11에는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 12에는 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 11을 도 3과 함께 참조하면, 도 3의 젤리-롤(10a)은 음극(154)과 양극(152)의 좌측 단부에서 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(156', 158')에 음극 탭(112)과 양극 탭(114)을 수직으로 부착한 후, 음극(154)과 양극(152)을 우측 단부에서 좌측 단부 방향(132)으로 권취하여 제조되고, 양극 탭(114)과 음극 탭(112)은 젤리-롤(10a)의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하게 된다.
따라서, 방전시 음극 전류는 우측 방향(136)으로 이동하고 양극 전류는 좌측 방향(138)으로 이동하는 바, 음극 탭(112)과 양극 탭(114)은 5.5 mm의 거리(d)를 가지고 서로 근접한 상태로 위치하고 있어서, 서로 반대방향으로 작용하는 음극 전류와 양극 전류는 상쇄된다.
다음으로, 도 12를 도 5와 함께 참조하면, 도 5의 젤리-롤(10b)은 양극 (152)과 음극(154)의 좌측 단부에서 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(156', 158')에 양극 탭(114)과 음극 탭(112)을 부착한 후, 음극(154)과 양극 (152)을 좌측 단부에서 우측 단부 방향(134)으로 권취하여 제조되고, 양극 탭(114)과 음극 탭(112)은 젤리-롤(10b)의 권취 내측 단부 상에 함께 위치하게 된다.
따라서, 도 11과 마찬가지로, 방전시 음극 전류는 우측 방향(136)으로 이동하고 양극 전류는 좌측 방향(138)으로 이동하는 바, 음극 탭(112)과 양극 탭(114)은 약 5.5 mm의 거리(d)를 가지고 서로 근접한 상태로 위치하고 있어서 서로 반대방향으로 작용하는 음극 전류와 양극 전류는 상쇄된다.
도 13에는 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 확대한 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 젤리-롤(10b)은 양극/분리막/음극/분리막을 권취하여 구성되어 있고, 양극의 무지부에 장착된 양극 탭(114)과 음극의 무지부에 장착된 음극 탭(112)은, 젤리-롤(10a)의 권취 내측 단부 상에 근접하여 위치해 있다. 간소한 표현을 위해, 도 13은 절연 테이프가 생략된 상태로 간략하게 도시되어 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 효과를 확인하는 측면에서, 하나의 실시예에 따라 수행된 실험 내용을 설명한다.
[실시예 1]
1-1. 양극의 제조
LiCoO2가 함유된 양극 활물질을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 양극 탭을 스팟 용접하여 부착하는 것으로 양극을 제조하였다.
1-2. 음극의 제조
인조흑연이 함유된 음극 활물질을 구리 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 음극 탭을 스팟 용접하여 부착하는 것으로 음극을 제조하였다.
1-3. 전지의 제조
도 11과 같이, 양극 탭과 음극 탭을 서로 근접하여 위치시킨 상태에서, 상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 둥글게 우측 단부에서 좌측 단부로 권취한 후 압축하여 양극 탭과 음극 탭이 젤리-롤의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하도록 각형 젤리-롤을 만들고, 이를 각형 알루미늄 케이스에 삽입한 다음, 전해액으로서의 EC-EMC blending계 용액을 함침시켜 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
도 12와 같이 양극 탭과 음극 탭을 서로 근접하여 위치시킨 상태에서, 상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 둥글게 좌측 단부에서 우측 단부로 권취한 후 압축하여 양극 탭과 음극 탭이 젤리-롤의 권취 내측 단부 상에 함께 위치하도록 각형 젤리-롤을 제조한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
도 15와 같이 양극 탭과 음극 탭을 서로 반대 방향으로 위치시킨 상태에서, 상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 둥글게 좌측 단부에서 우측 단부로 권취한 후 압축하여 음극 탭이 젤리-롤의 권취 내측 단부에 위치하고 양극 탭이 젤리-롤의 권취 외측 단부에 위치하도록 각형 젤리-롤을 제조한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 10 개의 전지들에 대해 도 14와 같이, 전지로부터 이격된 거리에 위치한 위치 A와 B에서 자기장의 노이즈를 측정한 결과치의 평균값을 하기 표 1에 기재하였다.
[표 1]
Figure 112011063656013-pat00001
따라서, 전지(50)가 GSM 방식의 휴대폰(54)에 장착한 후 휴대폰의 전파 리시버가 위치하고 있는 위치 A와 B의 범위(52)에서 실시예 1 및 2의 전지가 비교예 1의 전지보다 노이즈가 크게 감소되므로, 자기장이 최소화됨을 확인할 수 있었다.
또한, 이러한 노이즈의 감소는 전지들이 장착된 휴대폰에서 전파 수신 감도를 크게 향상시키며, 특히 자기장이 많이 발생되는 GSM 방식의 휴대폰에 효율적임을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취하여 구성된 젤리-롤형 전극조립체("젤리-롤")로서,
    양극의 무지부에 양극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 양극 탭과 음극의 무지부에 음극의 길이 방향에 대해 소정의 각도로 상향 장착된 음극 탭은, 방전시 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화할 수 있도록 근접하여 위치해 있고,
    상기 양극 탭과 음극 탭은 젤리-롤의 권취 외측 단부 상에 함께 위치하고,
    상기 양극의 권취 시작부는 양극 집전체 상부와 하부 모두에 양극 활물질 코팅부를 가짐으로써 양극 무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭의 설치를 위한 양극 무지부를 포함하며,
    상기 양극 권취 종료부에서 상기 음극과 대향하는 양극 활물질 코팅부의 경계면에는 절연테이프를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭의 거리는 상호 근접한 에지면의 거리가 (음극 탭의 폭 + 양극 탭의 폭) x 150% 이내인 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 무지부 말단부의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 따른 젤리-롤을 포함하고 있는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 젤리-롤은 각형 또는 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 각도는 30 내지 90도 인 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
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