KR101587861B1 - 생산성과 성능이 향상된 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체의 전극 단자에 대한 수직 단면의 형상에서 다수의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태로 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있고, 상기 양극들은 둘 이상의 연속적인 양극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있으며, 상기 음극들은 둘 이상의 연속적인 음극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있고, 상기 양극 시트들과 음극 시트들 각각에는 전극 탭이 연결되어 있으며, 상기 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

생산성과 성능이 향상된 전지셀{Battery Having Improved Productivity and Performance}
본 발명은 생산성과 성능이 향상된 전지셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체의 전극 단자에 대한 수직 단면의 형상에서 다수의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태로 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있고, 상기 양극들은 둘 이상의 연속적인 양극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있으며, 상기 음극들은 둘 이상의 연속적인 음극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있고, 상기 양극 시트들과 음극 시트들 각각에는 전극 탭이 연결되어 있으며, 상기 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
상기 리튬 이차전지는, 양극과 음극 사이에 분리막을 개재시킨 구조의 전극조립체를 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지 케이스에 내장하고, 전해액을 주입하여 전극조립체를 함침시키고, 전지 케이스를 밀봉한 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 종래의 젤리-롤형 전극조립체를 구성하는 양극 시트, 분리 시트, 음극 시트가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 양극 시트, 음극 시트, 및 분리 시트를 권취한 젤리-롤형 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 젤리-롤형 전극조립체를 금속 캔에 내장한 리튬 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(40)는, 양극 시트(10), 분리 시트(30), 음극 시트(20), 및 분리 시트(30)를 순서대로 적층한 후, 권취하고 압력을 가하여 압착함으로써 제작할 수 있다. 양극 탭(11)은 양극 시트(10)의 우측의 일단에 형성되어 있고, 음극 탭(21)은 음극 시트(20)의 좌측의 타단에 형성되어 있다.
리튬 이차전지(80)는, 젤리-롤형 전극조립체(40)를 금속 캔(50)에 내장하고, 전해액을 주입하여 젤리-롤형 전극조립체(40)를 함침시킨 후, 젤리-롤형 전극조립체(40)의 상단에 절연부재(60)와 탑 캡(70)을 순서대로 장착함으로써 제작할 수 있다.
최근들어, 리튬 이차전지를 에너지 원으로 사용하는 디바이스들의 고성능화로 인하여, 고용량의 리튬 이차전지에 대한 수요가 증대되고 있고, 젤리-롤형 전극조립체는, 양극 시트와 음극 시트를 각각 그것들의 길이(L) 방향으로 연장시킨 하나의 양극 시트와 하나의 음극 시트 만을 분리 시트와 함께 권취하는 방식으로 용량 증대를 꾀할 수 있고, 이러한 젤리-롤형 전극조립체가 내장된 전지셀은, 고용량 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 방식으로, 젤리-롤형 전극조립체의 용량을 증대시키는 경우, 양극 시트와 음극 시트 및 분리 시트의 길이가 연장된 만큼, 권취 공정에 투입되는 작업 시간이 증가하므로 생산성이 저하되고, 연장된 길이만큼 권취 공정을 반복해야 하므로, 사행불량 발생의 가능성이 증가하는 문제가 있다.
또한, 양극 시트와 음극 시트 및 분리 시트의 길이가 연장된 만큼, 전극 저항이 증가하므로, 급속 충방전 특성을 향상시키는 데에는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 종래의 방식으로 제작된 고용량 리튬 이차전지에 비해 급속 충방전 특성 등의 전지 성능과 생산성이 향상된 고용량의 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전지셀은,
전극조립체의 전극 단자에 대한 수직 단면의 형상에서 다수의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태로 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있고; 상기 양극들은 둘 이상의 연속적인 양극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있으며; 상기 음극들은 둘 이상의 연속적인 음극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있고; 상기 양극 시트들과 음극 시트들 각각에는 전극 탭이 연결되어 있으며, 상기 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 한다. 양극 시트들과 음극 시트들 사이에는 분리 시트가 개재되어 있다.
본 발명의 전극조립체는, 용량 증대를 위해 양극 시트와 음극 시트의 길이를 연장하지 않으면서도 둘 이상의 양극 시트들과 둘 이상의 음극 시트들을 둘 이상의 분리 시트들과 함께 적층한 후 권취한 구조로부터 용량 증대를 이루고 있는 점에 특징이 있다.
전술한 바와 같이, 양극 시트와 음극 시트의 길이가 연장된 경우, 연장된 길이는 전극 저항으로 작용하게 된다. 이러한 전극 저항은 급속 충방전 특성을 저하시키는 원인이라는 점에서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 종래의 방식으로 제작된 전극조립체에 비해 감소된 전극 저항을 갖는다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체를 내장한 전지셀은, 용량 증대와 함께, 급속 충방전 특성이 향상되는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 양극 시트와 음극 시트의 길이가 연장된 경우, 연장된 길이는 생산성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 용량 증대를 위해 양극 시트와 음극 시트의 길이를 연장한 하나의 양극 시트와 하나의 음극 시트를 이용하여 전극조립체를 구성하는 경우에 비해, 생산성이 향상되고, 사행불량 발생의 가능성이 감소하는 효과가 있다.
상기 전극조립체는, 전극 단자에 대한 수직 단면의 형상에서, 다수의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태로 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있다. 상기 분리막은, 양극 시트와 음극 시트 사이에 개재되는 시트형의 분리막을 의미하는 것임은, 당해 업계의 당업자에게 쉽게 이해될 수 있다. 본 명세서에서, 분리 시트는, 상기 시트형의 분리막과 혼용하여 사용될 수 있다.
상기한 수직 단면 형상을 갖는 전극조립체는, 둘 이상의 양극 시트들과 둘 이상의 음극 시트들을 둘 이상의 분리 시트들과 함께 적층하고, 이를 반복적으로 권취함으로써 제작할 수 있다. 상기와 같이 권취된 전극조립체는, 원통 형상 또는 타원체 형상일 수 있다.
다만, 상기 전극조립체의 형상은 그것이 내장되는 전지케이스의 형상에 대응하여 변형될 수 있음은 물론이다.
본 발명은, 둘 이상의 양극 시트들, 둘 이상의 음극 시트들 및 둘 이상의 분리 시트들을 포함하고 있다. 따라서, 2 개의 양극 시트들, 2 개의 음극 시트들과 2 개의 분리 시트들을 포함하는 경우뿐만 아니라, 3 개 이상의 양극 시트들, 3 개 이상의 음극 시트들과 3 개 이상의 분리 시트들을 포함하는 경우에도 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 전극조립체는 제 1 양극 시트, 제 1 분리막, 제 1 음극 시트, 제 2 분리막, 제 2 양극 시트, 제 3 분리막, 및 제 2 음극 시트를 순차적으로 적층하고, 상기 제 1 양극 시트의 상부 또는 제 2 음극 시트의 하부에 제 4 분리막을 추가로 적층한 상태에서 권취될 수 있다.
상기 전극 탭은, 양극 탭과 음극 탭을 포괄하므로, 둘 이상의 양극 시트들과 둘 이상의 음극 시트들에 각각 하나씩 양극탭과 음극탭이 형성되어 있을 수 있다. 즉, 둘 이상의 양극 시트들과 둘 이상의 음극 시트들 및 둘 이상의 분리 시트들이 함께 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립에는, 둘 이상의 양극 탭들이 둘 이상의 음극 탭들이 형성될 수 있다.
반면에, 용량 증대를 위해 양극 시트와 음극 시트의 길이를 연장하고, 하나의 양극 시트와 하나의 음극 시트를 분리 시트와 함께 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체의 경우에는, 하나의 양극 탭과 하나의 음극 탭이 형성되어 있다.
상기 전극 탭은 외부도선으로부터 또는 외부도선으로 전자를 수용하거나 방출하는 전기 전도경로를 형성한다.
본 발명은, 둘 이상의 전극탭들을 이용하여, 전기 전도경로를 분산시킬 수 있으므로, 용량 증대와 함께 급속 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.
둘 이상의 양극 시트, 둘 이상의 음극 시트 및 둘 이상의 분리 시트들이 함께 권취되어 있는 구조의 젤리-롤형 전극 조립체에서, 둘 이상의 양극탭들은 서로 겹쳐질 수 있고, 마찬가지로, 둘 이상의 음극탭들은, 서로 겹쳐질 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 시트들 중에서 제 1 양극 시트의 전극 탭인 제 1 양극 탭과 제 2 양극 시트의 전극 탭인 제 2 양극 탭은 상호 인접하여 위치함으로써, 상호 연결되어 양극 단자를 형성할 수 있다.
마찬가지로, 상기 제 1 음극 시트의 전극 탭인 제 1 음극 탭과 제 2 음극 시트의 전극 탭인 제 2 음극 탭은 상호 인접하여 위치함으로써, 상호 연결되어 음극 단자를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 양극 탭과 제 2 양극 탭은 하나의 양극 리드에 연결될 수 있고, 상기 제 1 음극 탭과 제 2 음극 탭은 하나의 음극 리드에 연결될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 제 1 양극 탭과 제 2 양극 탭은 각각 하나의 양극 리드에 연결될 수 있고, 상기 제 1 음극 탭과 제 2 음극 탭은 각각 하나의 음극 리드에 연결될 수 있다.
상기 전지케이스는 원통형 캔, 또는 각형 캔, 또는 라미네이트 시트의 파우치 케이스로 이루어질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 전지 케이스는, 각형 캔일 수 있다.
상기 라미네이트 시트의 전지케이스는 우수한 내구성의 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층으로 이루어져 있고, 상기 수지 실란트층이 상호 열융착되는 것일 수 있다.
상기 전지셀은 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 구조적 안정성 등을 고려할 때, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등의 디바이스에 바람직하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 용량 증대를 위해 양극 시트와 음극 시트의 길이를 연장하고, 연장된 길이를 갖는 하나의 양극 시트와 하나의 음극 시트만을 이용하여 구성한 전극조립체가 적용된 전지셀에 비해 생산성, 양품성 및 급속 충방전 특성이 현저하게 향상된 고용량 전지셀을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 구성하는 양극 시트, 음극 시트 및 분리 시트들을 모식적으로 도시한 도면이다;
도 2는 도 1의 양극 시트, 음극 시트 및 분리 시트들을 권취한 젤리-롤형 전극조립체의 사시도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 3은 도 1의 전극조립체를 전지케이스에 수납한 전지셀의 분해 사시도를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 둘 이상의 양극 시트들, 둘 이상의 음극 시트들 및 둘 이상의 분리 시트들을 모식적으로 도시한 도면이다;
도 5는 도 4의 둘 이상의 양극 시트들, 둘 이상의 음극 시트들 및 둘 이상의 분리 시트들을 권취하여 형성한 전극조립체의 수직단면도이다.
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 4 및 도 5를 참조하면, 전극조립체(400)는 양극 시트들(110, 120), 음극 시트들(210, 220) 및 시트형의 분리 시트들(310, 320, 330, 340)로 이루어져 있다.
전극조립체(400)는 권취되기 전, 제 1 양극 시트(110), 제 1 분리 시트(310), 제 1 음극 시트(210), 제 2 분리 시트(320), 제 2 양극 시트(120), 제 3 분리 시트(330), 제 2 음극 시트(220), 및 제 4 분리 시트(340)가 순차적으로 적층되어 있다. 제 4 분리막(340)은, 제 1 양극 시트(110)의 상부에 적층될 수 있음은 물론이다.
양극 시트들(110, 120)의 각각의 우측 단부에는 양극 탭들(111, 121)이 각각 형성되어 있고, 음극 시트들(210, 220)의 각각의 좌측 단부에는 음극 탭들(211, 221)이 각각 형성되어 있다.
상기와 같이, 둘 이상의 양극 시트들(110, 120) 및 음극 시트들(210, 220)을 상하로 적층하고, 각각의 양극 시트들(110, 120) 및 음극 시트들(210, 220) 사이에 분리 시트들(310, 320, 330, 340)을 개재한 상태에서 권취하면, 용량 증대를 위해 길이를 연장한 하나의 양극 시트 및 하나의 음극 시트로 구성되어 있는 동일 용량의 전극조립체에 비해, 전극조립체를 권취하는데 필요한 공정시간과 사행 불량의 발생 가능성을 감소시킬 수 있다.
권취된 후의 전극조립체(400)의 권취 중심에는 제 1 양극 시트(110) 및 제 2 양극 시트(120) 각각에 양극 탭들(111, 121)이 인접하여 형성되고, 전극 조립체(400)의 최외각 에는 제 1 음극 시트(210) 및 제 2 음극 시트(220) 각각에 음극 탭들(211, 221)이 인접하여 형성된다.
양극 탭들(111, 121)은 하나의 양극 리드(도시하지 않음)에 연결될 수 있고, 음극 탭들(211, 221)은 하나의 음극 리드(도시하지 않음)에 연결될 수 있다. 또한, 양극 탭들(111, 121)은 각각 하나의 양극 리드(도시하지 않음)에 연결될 수 있고, 음극 탭들(211, 221)은 각각 하나의 음극 리드(도시하지 않음)에 연결될 수 있다.
전지셀(400)은 각각의 양극 시트들(110, 1220) 및 음극 시트들(210, 220) 별로 양극 탭들(111, 121) 및 음극 탭들(211, 221)이 형성되어 있어서, 전극 저항을 감소시킬 수 있고, 따라서, 급속 충방전이 가능하다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 전극조립체의 전극 단자에 대한 수직 단면의 형상에서 다수의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태로 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있고;
    상기 양극들은 둘 이상의 연속적인 양극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있으며;
    상기 음극들은 둘 이상의 연속적인 음극 시트들의 권취 형상으로 이루어져 있고;
    상기 양극 시트들과 음극 시트들 각각에는 전극 탭이 연결되어 있으며,
    상기 전극조립체는 제 1 양극 시트, 제 1 분리막, 제 1 음극 시트, 제 2 분리막, 제 2 양극 시트, 제 3 분리막, 및 제 2 음극 시트를 순차적으로 적층하고, 상기의 제 1 양극 시트의 상부 또는 제 2 음극 시트의 하부에 제 4 분리막을 추가로 적층한 상태에서 권취하여 형성되고,
    상기 양극 시트들 중에서 제 1 양극 시트의 전극 탭인 제 1 양극 탭과 제 2 양극 시트의 전극 탭인 제 2 양극 탭은 상호 인접하여 위치하고, 상기 음극 시트들 중에서 제 1 음극 시트의 전극 탭인 제 1 음극 탭과 제 2 음극 시트의 전극 탭인 제 2 음극 탭은 상호 인접하여 위치하며,
    상기 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있고,
    상기 전지케이스는 각형 캔으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 시트들과 음극 시트들을 분리막이 개재된 상태에서 권취하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 양극 탭과 제 2 양극 탭이 연결되어 양극 단자를 형성하고, 상기 제 1 음극 탭과 제 2 음극 탭이 연결되어 음극 단자를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 양극 탭과 제 2 양극 탭은 하나의 양극 리드에 연결되어 있고, 상기 제 1 음극 탭과 제 2 음극 탭은 하나의 음극 리드에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 양극 탭과 제 2 양극 탭은 각각 하나의 양극 리드에 연결되어 있고, 상기 제 1 음극 탭과 제 2 음극 탭은 각각 하나의 음극 리드에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항, 제 2 항, 제 5 항 내지 제 7 항 및 제 10 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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