KR101551531B1 - 이차전지 권취용 권심부재 및 이를 포함하는 권취장치, 권취방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 이차전지용 전극의 크랙 개선용 권심의 구조에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 원통형 이차전지의 권취에 적용되는 권심부재의 곡률을 변형하는 변형곡률영역을 구현하여 전극 탭을 상기 변형곡률영역에 배치함으로써, 전극 말단의 전극스트레스를 감소시켜, 전극 상에 유발하던 크랙 발생 문제를 개선할 수 있다.

Description

이차전지 권취용 권심부재 및 이를 포함하는 권취장치, 권취방법{Rolling member, Rolling Device for Lithium ion Secondary battery of using the same, Rolling method of using the same}

본 발명은 원통형 이차전지용 전극의 크랙 개선용 권심 부재에 관한 것이다.

최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록

전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.

전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.

특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 내지 4.3V의 범위에서 통상 구현되며, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

통상적으로, 이차 전지는 전극 조립체(젤리롤(jelly roll) 또는 권취품)와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 및 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함한다.

도 1은 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.

도시된 것과 같이, 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체는 양극집전체의 소정영역에 양극활물질층이 형성된 양극전극판(10), 음극집전체의 소정영역에 음극활물질층이 형성된 음극전극판(30), 상기 양극전극판(10) 및 음극전극판(30)상에 도포되어 상기 양극전극판(10)과 음극전극판(30)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세라믹 세퍼레이터 기능막(20,이하 분리막라 한다)이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 그리고 전극조립체 상부로는 각 전극의 전극탭(15, 25)이 돌출되게 된다. 특히 이 경우 원통형 기둥 모양의 권심부재(1)를 중심으로 상기 음극, 양극, 분리막의 구성요소가 권취되는 공정을 수행하게 된다.

이러한 종래의 원통형 이차전지를 형성하는 원통형 기둥 모양의 권심부재(1)를 중심으로 권취를 하는 경우, 일정한 권취과정 중간에 상술한 전극 리드인 양극탭을 형성하고 권취를 다시 수행하고, 권취공정의 마지막에 음극탭을 형성하고 권취를 마무리 하게 된다.

그러나 이러한 권취 공정 시에 전극 말단의 전극탭이 형성되는 부분에서 미세한 곡률의 변화가 일어나면서, 스트레스가 증가하게 되어 전극 상에 크랙이 유발되기 때문에, 전극의 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.

한국 등록특허 제10-0646535호 공보

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원통형 이차전지의 권취에 적용되는 권심부재의 일부분의 곡률을 변형하여 전극 탭을 상기 변형곡률영역 부분에 위치시켜 전극 말단의 스트레스를 감소시킴으로써, 전극 상에 유발하던 크랙 등의 문제를 개선할 수 있는 권심부재를 제공한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에서는

일정한 제1곡률을 가지는 원통형 권심몸체; 및

상기 권심몸체의 외주면 일부분에 변형된 제2 곡률을 가지는 변형곡률영역(X)을 포함하는 원통형 이차전지 권취용 권심부재를 제공한다.

본 발명에 따르면, 원통형 이차전지 제조 시에 전극조립체를 권취하기 위해 적용되는 권심부재의 일부분의 곡률을 변형하여 전극 탭을 상기 변형곡률영역 부분에 배치하여 전극 말단의 전극스트레스를 감소시킴으로써, 전극 상에 유발되던 크랙 발생을 방지할 수 있으므로, 신뢰성 높은 이차전지를 제조할 수 있다.

도 1은 이차전지의 구조 중 젤리롤(jelly roll) 타입의 원통형 이차전지의 전극조립체를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 권치용 권심부재의 구체적인 형상을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 2의 이차전지 권치용 권심부재의 상부 평면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 권치용 권심부재의 구체적인 형상을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6의 이차전지 권치용 권심부재의 상부 평면도를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

구체적으로, 본 발명에 따른 다양한 권심부재와 상부 평면의 형상은 도 2 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명할 수 있다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 권심부재는, 일정한 제1곡률을 가지는 원통형 권심몸체(100)와, 상기 권심몸체의 외주면의 일부분에 변형된 제2곡률을 가지는 변형곡률영역(X)을 포함하는 원통형 이차전지 권취용 권심부재를 제공한다.

즉, 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 권심부재는 일정한 길이를 가지는 입체 구조물로서, 구체적으로 중심부를 기준으로 만곡된 외주면(즉, 제1 곡률)을 구비하고, 상기 외주면의 일부분에 곡률이 다른 부분, 즉 변형곡률영역(X)인 평탄면을 포함하는 원통형 형상의 기둥 구조인 것을 특징으로 한다. 이때, 도 3 및 도 4는 상기 도 2의 권심부재에 있어서, 권심몸체의 상부 단면을 도시한 것이다.

본 발명에서는 권취 공정 시에 이러한 변형곡률영역(X) 부분에 양극탭을 배치함으로써, 권취공정 중 전극 말단에 가해지던 스트레스를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 권심 부재는 상기 권심몸체(100)의 변형 곡률이 형성된 영역의 타측 또는 변형곡률영역 이외의 외주면 상에 상기 권심몸체의 길이 방향을 따라 슬릿 구조로 형성된 그립부(105)(Z)를 구비할 수도 있다.

즉, 상기 그립부(105)는 도 2에 나타낸 바와 같이 긴 홈 구조로 구현될 수 있으며, 상기 그립부에 양극, 분리막, 음극의 부재가 고정 (grip) 되어 권취를 시작할 수 있는 시발점으로 기능할 수 있게 된다. 이때, 도 5는 그립부(Z)를 구비한 상기 도 2의 권심부재의 상부 단면을 도시한 것이다.

즉, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 권심부재에 있어서, 변형곡률영역(X)은 권심몸체(100)의 외주면 영역(Y)과는 다른 곡률을 가지도록 구현할 수 있다. 이때, 권심몸체의 중심부(O)로부터 제1곡률을 형성하며 만곡된 외주면 영역(Y)의 일부분에 형성된 변형곡률영역(X), 즉 평탄면 (수평면)까지의 거리(d)는 0.05mm 내지 0.3mm 가 되도록 구현할 수 있다. 이 경우, 0.3mm를 초과하는 경우에는 권심부재의 회전 각속도의 차이가 외주영역(Y)와 변형곡률영역(X)에 차이가 생겨 권취시 각속도의 차이로 인해 고속 와인딩이 어려워지며, 오히려 스트레스가 증가하게 되는 문제가 발생하게 된다. 0.05mm 미만으로 형성하는 경우에는 전극탭으로 인해 발생하는 권취공정의 문제가 발생하게 된다.

상기 권심부재는 일체형 원통구조의 권심몸체에 변형곡률영역을 적어도 1 이상 형성할 수 있으며, 상술한 실시예에서는 양극탭의 배치 위치에 변형곡률영역을 형성하는 것을 바람직한 예시로 하였으나, 경우에 따라 음극탭의 위치가 내부로 이동하는 경우에는 음극탭이 배치되는 위치에도 변형곡률영역을 형성할 수도 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 형태의 권심부재를 도시한 것이다.

즉, 도 2 내지 도 5에서 시사한 권심부재는 일체형 원통구조의 권심몸체에 변형곡률영역을 적어도 1 이상 형성할 수 있음을 설명한 구조였으며, 도 6에서는 일정한 제1곡률을 가지는 단위 권심몸체 한 쌍(110, 120)이 이격되어 상호 대향하게 배치되는 구조로 구현하는 것도 가능하다.

도 6에 도시된 것과 같이, 상기 단위 권심몸체는 제1곡률을 가지는 제1단위 권심몸체(110)와 상기 제1단위 권심몸체와 이격되며, 제1곡률을 가지는 곡면의 일 영역에 변형된 2곡률을 가지는 변형곡률영역(X), 즉 평탄면을 구비하는 제2단위 권심몸체(120)로 구성될 수 있다.

이때, 상기 제1 및 제2단위 권심몸체 간 상호 이격되는 영역을 분리막을 그립하는 그립부로 구현할 수 있다.

또한, 상기 권심부재는 제1단위 권심몸체 또는 제2단위 권심몸체에 적어도 2 이상의 변형곡률영역(X)을 포함할 수 있다.

도 7은 도 6의 상부 평면도를 도시한 것이다. 도시된 도면을 참조하면, 상기 제1 및 제2단위 권심몸체(110, 120) 간 상호 이격되는 영역의 중심을 통과하는 가상의 직선(P1)과 상기 변형곡률영역(X)의 평탄면이 형성하는 수평면이 이루는 직선(P2)의 각도각도(θ)가 0 내지 28°의 범위로 구현될 수 있다. 도 8은 도 7에서의 상기 각도(θ)가 0°에 해당하는 실시예를 도시한 평면도이다.

즉, 도 7 및 도 8에서도 권심 몸체 중 양극탭이 안착되는 부분의 형상을 변형하여 변형곡률영역을 형성함으로써, 전극 말단에 가해지던 스트레스가 감소되어, 권취시 전극 상에 유발하던 크랙의 발생을 개선할 수 있음은 물론, 권심 크기 감소를 통한 고용량 모델의 설계 마진을 확보할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 상기 이차전지 권취용 권심부재를 포함하는 권취장치와, 상기 권치장치를 이용한 전극조립체의 권취 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 상기 권취장치에 의해 권취된 전극조립체를 권취장치로부터 분리한 다음, 이를 포함하는 원통형 이차전지를 구현할 수도 있다.

또한, 이러한 제조공정을 통해 제조된 양극과 음극의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 전기화학셀에 적용될 수 있는 바, 전기화학 셀의 대표적인 예로는, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 울트라 캐패시터(ultra capacitor), 이차전지, 연료전지, 각종 센서, 전기분해장치, 전기화학적 반응기 등에 적용될 수 있다.

특히, 이러한 전극조립체를 포함하는 이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.

최근 리튬 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 대형 디바이스의 전원으로 많은 관심을 모으고 있으며, 그러한 분야에의 적용 시 작은 중량을 가지는 것이 바람직하다. 이차전지의 중량을 줄이는 하나의 방안으로서, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 구조가 바람직할 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스의 전원으로 사용할 때에는, 장기간의 사용시에도 작동 성능의 저하 현상을 최대한 억제하고, 수명 특성이 우수하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 구조의 이차전지가 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 전극조립체를 포함하는 이차전지는 이를 단위전지로 하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다.

다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.

중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 권심몸체
110, 120: 단위 권심몸체
X: 변형곡률영역
Y: 외주영역
Z: 그립부

Claims (14)

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5. 삭제
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7. 삭제
8. 이차전지 권취용 권심부재에 있어서,
   일정한 제1곡률을 가지는 단위 권심몸체 한 쌍이 이격되어 상호 대향하게 배치되되,
   상기 단위 권심몸체는 일정한 제1곡률을 가지는 제1단위 권심몸체;와
   상기 제1단위 권심몸체와 이격되며, 제1곡률을 가지는 곡면의 일 영역에 변형된 2곡률을 가지는 변형곡률영역을 구비하는 제2단위 권심몸체로 이루어져 있으며,
   상기 제1 및 제2단위 권심몸체 간 상호 이격되는 영역의 중심을 통과하는 가상의 직선(P1)과 상기 변형곡률영역(X)의 평탄면이 형성하는 수평면이 이루는 직선(P2)의 각도(θ)는 0°이고,
   상기 변형곡률영역(X)의 평탄면으로부터, 상기 변형곡률영역의 외측에 형성되는 제1곡률의 가장 먼 곡면까지의 거리(d)는 0.05 내지 0.3 mm이며,
   상기 단위 권심몸체는 상기 제1 및 제2단위 권심몸체 간 상호 이격되는 영역을 분리막을 그립하는 그립부로 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 권취용 권심부재.
9. 삭제
10. 삭제
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 권심부재는 상기 제1단위 권심몸체 또는 제2단위 권심몸체에 적어도 2 이상의 변형곡률영역(X)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 권취용 권심부재.
12. 삭제
13. 청구항 8 또는 청구항 11에 따른 원통형 이차전지 권취용 권심부재를 포함하는 이차전지 권취장치.
14. 청구항 13의 이차전지 권취장치를 이용하여 권심부재의 변형곡률영역에 이차전지의 전극 탭이 배치되도록 권취 제어를 수행하는 이차전지 권취방법.

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